Biogas

Der hohe Schwefelgehalt in Biogasanlagen wirft mehrere Probleme auf.

Der Prozess der Biogaserzeugung ist eine Reihe von komplexen Schritten, die darauf abzielen, Methan aus Abfällen zu erzeugen. Herkömmliche Biogasanlagen können verschiedene Arten von Abfällen als Ausgangsmaterial verwenden, wie zum Beispiel Biomasse. Da der Rohstoff erneuerbar ist, produzieren Biogasanlagen grüne Energie und tragen so zu einer Kreislaufwirtschaft bei. Nach Angaben der World Bioenergy Association ist der Bereich der Biogasproduktion einer der am schnellsten wachsenden unter allen Biokraftstoffsektoren. Das durchschnittliche Wachstum der Biogasproduktion betrug im vergangenen Jahr 11,2 % und erreichte eine Gesamtproduktion von 58,7 Nm3. Fast die Hälfte dieser Menge wurde in Europa produziert, wo rund 17.000 Biogasanlagen in Betrieb sind. Deutschland ist Spitzenreiter mit insgesamt 11.000 Biogasanlagen, gefolgt von Italien mit 1600 und Frankreich mit 800.

Ozon kann in verschiedenen Bereichen der Biogasproduktion nützlich sein. Unter anderem haben wir drei Hauptanwendungen für Ozon in Biogasanlagen identifiziert:

  • Rohstoffozonierung
  • H2S-Reduzierung für die Methanaufbereitung
  • Geruchsbeseitigung

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Überblick über mögliche Ozonanwendungen in der Biogasproduktion.

Anwendung

Nutzen

Ergebnis

Rohstoffozonierung

Große Polymere werden durch Oxydation in Monomere zerlegt

Bis zu 150 % höhere Substratumsetzung zu Biogas

H2S-Reduktion für die Methanaufbereitung

Generelle H2S-Reduzierung im Fermenter

Geringere H2S-Konzentration in der Methanaufbereitung

Geruchsbeseitigung

Entfernung von Geruchsstoffen und korrosiven Verunreinigungen

Reduzierung von Geruch und H2S

Ein gängiges Problem – Schwefel

In jeder Stufe der Biogasproduktion sind Schwefelverbindungen und -ionen üblicherweise vorhanden. Diese Verbindungen sind oft für eine Vielzahl von Problemen verantwortlich, die sich auf die Gesamtleistung auswirken. Beispielsweise erhöhen hohe Mengen an Schwefelionen im Ausgangsmaterial die Aktivität von schwefelreduzierenden Bakterien (SRB) im Fermenter und hemmen so die Aktivität von Methan produzierenden Mikroorganismen wie Archaea. Dadurch wird die Ausbeute der Methanproduktion reduziert und die Produktion von reduzierten Schwefelverbindungen, wie z.B. H2S, begünstigt. Wenn hohe Konzentrationen von H2S aus dem Fermenter freigesetzt werden, kann es zu Geruchs- und Korrosionsproblemen kommen. Vor allem Geruchsprobleme sind in Biogasanlagen weit verbreitet, da H2S eine der niedrigsten bekannten Geruchsschwellen hat, weshalb die menschliche Nase selbst für Spurenkonzentrationen sehr empfindlich ist.

Rohstoffvorbehandlung 

Vor der anaeroben Vergärung wird häufig ein Vorbehandlungsschritt durchgeführt. Ziel dieses Schrittes ist es, die Arbeitsbelastung der hydrolytischen Fermentationsbakterien zu reduzieren, indem das Substrat leichter biologisch abbaubar gemacht wird. Dazu gehören Eigenschaften wie Vergrößerung der Oberfläche, Auflösung komplexer Materie, Verringerung der Kristallinität in Polymeren, wie z. B. Cellulose etc. Die heute gebräuchlichsten Vorbehandlungsarten sind in den folgenden Tabellen zusammengefasst.

Gängige Methoden der Vorbehandlung des Ausgangsmaterials vor der anaeroben Vergärung.

PHYSIKALISCHE VORBEHANDLUNGEN

Mechanisch

Mahlen zur Reduzierung der Partikelgröße, um die Verfügbarkeit der Biomasse zu erhöhen. Führt zu steigender Komplexität und erhöht die Prozesssensitivität und -kosten.

Thermisch

Aufheizen (200 °C), Aufbrechen von Wasserstoffbrücken (chemische Makrostrukturen), Erhöhung der Biomasseverfügbarkeit. Führt zu einem hohen Energiebedarf.

CHEMISCHE VORBEHANDLUNGEN

Alkali

Mehrwöchige alkalische Behandlung, die den Abbau von Lignocellulose-Verbindungen erleichtert. Benötigt große Mengen an Chemikalien, chemische Handhabung und führt zu einem langsamen Prozess.

Ozonierung

Inline-Ozonierung, die die biologische Abbaubarkeit stabiler organischer Stoffe deutlich steigert und die Biogasproduktion potenziell verdreifacht.

BIOLOGISCHE VORBEHANDLUNGEN

Mikrobiologisch

Kompostierung, ein aerober Vorbehandlungsschritt, der hydrolytische Enzyme bildet und den ersten Schritt der anaeroben Vergärung erleichtert.

Mykotisch

Reinkulturen eines aeroben Pilzes, während einer viertägigen Inkubationszeit, führen zu bis zu 40 % mehr Biogas und einem Anstieg des Reinheitsgrades.

Vorteile der Ozonierung von Rohstoffen

Ozon ist bekannt für seine stark oxidativen Eigenschaften und kann nachweislich Teile der komplexen organischen Materie, die als Ausgangsmaterial für einen anaeroben Fermenter verwendet werden, abbauen. Zum Beispiel sind die Auswirkungen der Anwendung von Ozon auf das Substrat von Belebtschlamm vielfältig. Bei richtiger Dosierung von Ozon kann die Substratumwandlung in Biogas stark erhöht werden, wie die folgende Abbildung zeigt:

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Die Wirkung der Ozonbehandlung auf die biologische Abbaubarkeit des Substrats für Belebtschlamm. TS = Trockensubstanz.

 

In vielen Fällen, z.B. bei der Biogaserzeugung aus Belebtschlamm, zeigen die Ergebnisse eine stark positive Wirkung der Ozonbehandlung. Dies ist auf den hohen Gehalt an aeroben Bakterien und nicht abgebauten organischen Stoffen in dieser Art von Rohstoffen zurückzuführen. Unter diesen Bedingungen oxidiert Ozon schnell jede ungesättigte Bindung und bildet Radikale, die dann andere organische Stoffe oxidieren. Dieser Reaktionsmechanismus führt zu einer höheren biologischen Abbaubarkeit des Ausgangsmaterials, was zu einer höheren Biogasproduktion führt. Der Anstieg der Biogasproduktion ist proportional zur Ozoneinleitung in das System. Je mehr Ozon verwendet wird, desto höher sind die biologische Abbaubarkeit und der Methanertrag. Wie die obige Studie von Bougrier et. al. im "Laboratoire de Biogechnologie de l'Environnement" zeigt, verbessert die Ozonvorbehandlung die Biogasproduktion mit einem Optimum bei rund 0,15 g O3 pro g Trockensubstanz, was zu einer Steigerung der Biogasproduktion von ca. 150 % gegenüber dem unbehandelten Rohstoff führt. 

Anaerobe Vergärung

Nach der Vorbehandlung gelangt das Substrat in den Fermenter zur biochemischen Umwandlung.  In dieser Anlage reagieren mehrere Arten von Mikroorganismen mit dem Ausgangsmaterial in verschiedenen Stadien. Alle Stufen sind anaerob, d.h. in Abwesenheit von Sauerstoff. Diese sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst.

Die Schritte der anaeroben Vergärung.

Schritt

Beschreibung

Hydrolyse

Abbau von großen Substraten wie Cellulose und Proteinen zu Glukose und Aminosäuren

Fermentation

Bildung von flüchtigen organischen Säuren und Alkoholen

Acetogenese

Bildung von Acetat, Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff

Methanogenese

Bildung von Methan und Kohlenstoffdioxid

Die Methanproduktion durch anaerobe Vergärung kann in einem ein- oder zweistufigen Verfahren erfolgen. Im ersten Fall laufen alle oben genannten Reaktionsschritte im gleichen Reaktor ab. Das Substrat wird, je nach Art, in Methan mit einer Konzentration von 50-55 % im Biogas umgewandelt. Im zweistufigen Verfahren werden nur die Reaktionsschritte bis zur Acetogenese im ersten Fermenter durchgeführt. Auf die Hydrolysestufe folgt anschließend die sogenannte Methanstufe. Durch die Aufteilung des Prozesses in zwei Stufen ist es möglich, die Methankonzentration im Biogas auf bis zu 70 % zu erhöhen. Dadurch wird die Anlage effizienter und die Kosten für die anschließende Biogasreinigung werden reduziert.

Vorteile der H2S-Verringerung durch Ozonierung im Fermenter

Wird das Biogas in einem zweistufigen Prozess erzeugt, kann die H2S-Konzentration vor der Methanaufbereitung durch Einleiten von Ozon in den Fermenter reduziert werden. Auf diese Weise wird das H2S bereits vor der Methanproduktion verringert, was zu einer effizienteren Anlage und geringeren Kosten für die abschließende Biogasreinigung führt. Da der Vergärungsprozess anaerob ist, muss die Ozoneinleitung sorgfältig kontrolliert werden, um die Prozessbedingungen nicht zu beeinträchtigen. Normalerweise wird das Ozon in die Lufttasche über der flüssigen Phase im Fermenter eingeleitet. Alternativ kann es in einen Zwischenbehälter zwischen Fermenter und Methanaufbereitungsanlage eingeleitet werden.

Lesen Sie mehr über die H2S-Reduktion bei der Methanveredelung.

Biogas Nachbehandlung

Im Biogas nach der Methanaufbereitung sind häufig hohe Konzentrationen von Schwefelwasserstoff vorhanden, was zu Problemen bei den nachfolgenden Prozessschritten führt. Korrosion ist eines der zu berücksichtigenden Themen, da sehr hohe H2S-Konzentrationen Rohre und Prozessinstrumentierung korrodieren können, was zu Kosten von bis zu mehreren tausend € pro Jahr führen kann. Geruch ist auch eines der Hauptprobleme im Zusammenhang mit den Abgasen der Methanaufbereitung. Dies liegt an der sehr hohen Empfindlichkeit der menschlichen Nase gegenüber Schwefelwasserstoff, da die Geruchsrezeptoren für Konzentrationen im ppb-Bereich ausgelöst werden. So kann schon ein kleines Leck in den Prozessleitungen oder eine Öffnung in einem Prozessschritt zu einem großflächigen Geruchsproblem führen, da das emittierte Gas bis zu 200.000 Mal verdünnt werden muss, bevor der Geruch nicht mehr wahrgenommen wird.

Vorteile der Geruchsbeseitigung mit ozonbasierten Lösungen

Ausgehend von traditionellen Lösungen hat Ozonetech innovative Lösungen auf Ozonbasis für Geruchsemissionen entwickelt, die die Kosteneffizienz des Prozesses deutlich verbessern und hohe Standards in Bezug auf den Reinigungsgrad einhalten. Eine Zusammenfassung der Betriebskosten einer herkömmlichen Lösung im Vergleich zu einer ozonbasierten Lösung von Ozonetech ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

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Betriebskosten für ein H2S-Entfernungssystem: Vergleich zwischen einer herkömmlichen Lösung (links) und einer Reihe von Ozonetech-Lösungen (rechts).

 

Aus der obigen Abbildung ist deutlich ersichtlich, dass die Betriebskosten einer Ozonetech-Lösung mehr als viermal niedriger sind als die einer herkömmlichen Lösung, selbst bei suboptimalen Konfigurationen. Die geringeren Betriebskosten führen jedes Jahr zu großen wirtschaftlichen Kostenersparnissen von bis zu 100.000 €/a. Die obige Abbildung verdeutlicht auch die Flexibilität unserer Lösung. Da jeder Biogasprozess anders ist und unterschiedliche Anforderungen hat, ist es wichtig, unser System an die Bedürfnisse der Kunden anzupassen. Deshalb ist jede Lösung sorgfältig konzipiert und maßgeschneidert, um den Nutzen für den Kunden zu maximieren und wie im vorliegenden Fall die Betriebskosten zu minimieren. Neben den großen Kosteneinsparungen gewährleistet die Ozonetech-Lösung eine hohe Effizienz und robuste Leistung über die gesamte Lebensdauer, was zu einer effektiven Geruchsbeseitigung über einen sehr langen Zeitraum führt.

Eine gängige Ozonetech-Lösung zur Geruchsbeseitigung besteht aus mehreren Stufen, darunter die RENA Pro Ozonsysteme und das Nodora Geruchsbeseitigungsystem.

Lesen Sie mehr über die Geruchsbeseitigung, RENA Pro und das Nodora Geruchsbeseitigungsystem (Broschüre).

Wiederverwendung von flüssigem Abwasser

Nach der Produktion von Biogas weist das flüssige Abwasser noch einen hohen Gehalt an stickstoffhaltigen Verbindungen auf, die eine wichtige Ressource darstellen. Diese können in der Landwirtschaft als Düngemittel für Nutzpflanzen wiederverwendet werden und sorgen so für erhebliche wirtschaftliche Einsparungen. Vor einer effektiven Wiederverwendung ist jedoch eine weitere Behandlung zur Beseitigung von Gerüchen und unerwünschten Farben erforderlich.

Ozon kann verwendet werden, um beide Probleme gleichzeitig zu lösen. Durch die Einleitung in das Abwasser beginnt der Nutzen bereits an der Quelle und minimiert Gerüche schon vor der Emission. Darüber hinaus wird der CSB-Gehalt stark reduziert, was zu einer Farbänderung führt, die es ermöglicht, diese Abwässer als Düngemittel wiederzuverwenden.

Lesen Sie mehr über Geruchsbeseitigung und die RENA Pro Ozonsysteme zur Geruchsbeseitigung.

Lesen Sie mehr über die CSB-Behandlung und die RENA Vivo Ozonsysteme zur Reduzierung des CSB.

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