Biogasanlagen

Methanfermentation von Sediment und Abfällen

Die Methanfermentation als ein Verfahren zum Abbau komplexer organischer Verbindungen wurde auch im Zusammenhang mit der Stabilisierung von biologischem Schlamm in kommunalen Kläranlagen und als ein Verfahren zur Verwertung aller Arten von Abfällen, die organische Verbindungen enthalten, verwendet.

Die Methanfermentation dieser Art von Substraten ähnelt der Fermentation von hochkonzentriertem Industrieabwasser, mit dem Unterschied, dass im Abfall enthaltene feste organische Verbindungen in eine hydratisierte Form umgewandelt werden müssen, die für anaerobe Bakterien verfügbar ist. Damit der Verflüssigungsprozess mit maximaler Geschwindigkeit ablaufen kann, ist es daher notwendig, die Substrate vorzerkleinern und zu mischen. Die Verflüssigung von Substraten, also die Hydrolyse, ist die Anfangsstufe des Abbaus, begrenzt die Geschwindigkeit des gesamten Vergärungsprozesses und hat damit einen entscheidenden Einfluss auf die Reaktorgröße von Biogasanlagen. Wichtige Elemente einer ordnungsgemäßen Vergärung sind die richtige Menge an anaerobem Schlamm, die optimale Temperatur im Bereich von 36⁰C – 38⁰C und die Reaktion bei einem pH-Wert von 7,0 – 7,8. Die Tagesdosis an Substraten muss sich nach Menge und Qualität des anaeroben Belebtschlamms richten. Dies wirkt sich direkt auf die Effizienz des gesamten technologischen Systems aus, insbesondere auf den erreichten Grad der Reduktion der Substratbiomasse und die aus Biogas gewonnene Energiemenge.

Die Umwandlungsprodukte anaerober Bakterien sind Biogas und Wasser. Ein Gemisch aus Abwasser und Biomasse wird als post-ferment bezeichnet.

Methanfermentation hat Anwendung gefunden als:

• Verfahren zur Stabilisierung von überschüssigem Sediment, der bei der Behandlung von kommunalem Abwasser in kommunalen Kläranlagen entsteht,
• ein Verfahren zur Verwertung aller Arten von organischen Abfällen, insbesondere aus der Agrar- und Lebensmittelindustrie
• ein Verfahren zur Gewinnung erneuerbarer Energie aus Biogas durch Fermentation von landwirtschaftlichen Überschüssen und als Verfahren zur Verwertung von Abfällen aus der Tierhaltung, einschließlich Mist und Gülle.

Zweckmäßigkeit und Notwendigkeit des Baus von Industrie-Biogasanlagen

Für den Bau von industriellen Biogasanlagen gibt es zwei Gründe:

• als Verfahren zur Verwertung organischer Abfälle, die aufgrund des vollständigen Verbots ihrer Sammlung und Lagerung, z.B. auf Deponien, entsorgt werden müssen,
• als Verfahren zur Erzeugung erneuerbarer Energie in Form von Biogas, aus dem in einem Blockheizkraftwerk Strom und Wärme erzeugt werden.

Aufgrund des Nutzens der Energieerzeugung und des finanziellen Gewinns sowie der Möglichkeit, den Abfall zu 90% bis 95% zu zersetzen, ist die Anwendung dieser Methode die optimale Lösung in diesem Bereich. Ein weiterer wichtiger Vorteil dieser Methode ist die Möglichkeit, alle Arten von Mischungen verschiedener Abfälle zu fermentieren, deren Herstellungsverfahren auf den Eigenschaften ihrer Zusammensetzung basiert. Von allen natürlich vorkommenden organischen Verbindungen werden nur organische Polymere wie Cellulose und Lignin unter den Bedingungen der Methanfermentation nicht biologisch abgebaut, obwohl in jüngster Zeit daran gearbeitet wird, diese Verbindungen mit Hilfe von Enzymen in einfachere Verbindungen abzubauen, die in einem anaeroben Reaktor leicht abgebaut werden können.

Anwendung von Substraten für industrielle Biogasanlagen

Bei der Methanfermentation können alle Arten von zucker-, protein- und fetthaltigen Abfällen als Substrate verwendet werden. Unter anaeroben Bedingungen werden sie allmählich abgebaut. Zucker wird am schnellsten abgebaut, gefolgt von Proteinen und schließlich Fetten. Aus diesem Grund sollte dies bei der Aufbereitung von Abfallgemischen berücksichtigt werden. Auch Industrieabfälle für Biogasanlagen können in einem Co-Fermentationssystem im richtigen Verhältnis mit Biosediment vermischt werden.

In der Technologie ihrer Verwendung ist ihre maximale Fragmentierung sehr wichtig, was die Abbaugeschwindigkeit erhöht und somit die Fermentationszeit verkürzt.

Managementbedingungen der Post-Fermentation und ihre düngenden Eigenschaften

Die Produkte der anaeroben Zersetzung von Abfällen sind neben Biogas ein Gemisch aus anaerobem Sediment und Abwasser. Je nach chemischer Zusammensetzung der Substrate ist die Konzentration der Düngemittel im Post-Ferment unterschiedlich hoch, jedoch liegen sowohl Stickstoff als auch Phosphor in mineralischer Form vor und werden von Pflanzen aufgenommen.

Post-Ferment kann durch direkte Verteilung auf Feldern und Wiesen ohne vorherige Verarbeitung (unter Einhaltung der Bedingungen der Verordnung des Umweltministers über das Verwertungsverfahren R10 vom 20.01.2015) oder durch Abtrennung des Sediments, dessen Entwässerung, Trocknung und Verkauf bewirtschaftet werden als Dünger, und die restlichen Abwässer exportiert werden.

Abfälle aus Biogasanlagen müssen folgende Bedingungen erfüllen:

• die im Gesetz vom 10.07.2007 über Düngemittel und Düngung festgelegten Regeln für natürliche Düngemittel eingehalten werden,
• die Abfälle werden gleichmäßig über die gesamte Bodenoberfläche bis zu einer Tiefe von 30 cm ausgebracht;
• das Material nach dem Fermentationsprozess tierischen Ursprungs den Anforderungen der Verordnung (EG) Nr. 1069/2009 des Europäischen Parlaments und des Rates vom 21. Oktober 2009 mit Hygienevorschriften für nicht für den menschlichen Verzehr bestimmte tierische Nebenprodukte entspricht.

Das neue Abfallgesetz vom 14.12.2012 (GBl. Nr. 21) bestimmt in § 2 Nr. 6c Folgendes: „Die Vorschriften des Gesetzes gelten nicht für andere, ungefährliche, natürliche Stoffe aus der Land- oder Forstwirtschaft, die in der Abfallwirtschaft verwendet werden die nicht umweltschädlich sind und keine Gefahr für Leben und Gesundheit von Menschen darstellen.

Energie aus Biogas

Eines der Hauptprodukte der Methanfermentation organischer Verbindungen ist Biogas, also ein Gemisch aus Methan und Kohlendioxid sowie in geringen Mengen Schwefelwasserstoff, Stickstoff und Sauerstoff. Je nach Methode und Effizienz des Methanfermentationsprozesses wird auch Biogas mit einem unterschiedlichen Gehalt von 50 % bis 80 % Methan gewonnen. Je größer der Abbaugrad der Substrate im Anaerobreaktor ist, desto größer ist der Methananteil im Biogas. Der Heizwert von Biogas liegt zwischen 17 – 27 MJ/m3, der Heizwert von reinem Methan bei 35,7 MJ/m3. Vor der Verbrennung in einem Kessel oder Stromerzeuger muss Biogas entwässert und entschwefelt werden, d.h. Schwefelwasserstoff muss aus seiner Zusammensetzung entfernt werden.

Beispiel für die Fermentationseffizienz und die erzielten Effekte:

1. Art des Substrats – Sediment aus Industrieabwässern mit überwiegendem Fettanteil in der Zusammensetzung
2. Substratlast – 1000 kg t.m.
3. Bei 70% Reduktion des organischen Teils des Substrats werden 530 m3 Biogas, 1,4 MW Strom und Wärme gewonnen, der Stromwert beträgt ca. 560 PLN
4. Bei 85 % Reduzierung des organischen Anteils des Substrats werden 1,7 MW Strom und Wärme gewonnen, d.h. 21 % mehr Energie aus der gleichen Substratmasse, der Stromwert beträgt ca. 680 PLN