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Forschungsstelle
BFE
Projektnummer
SI/501671
Projekttitel
HYKOM – Energieoptimierte Kombination von Hygienisierung und Hydrolyse zur Vorbehandlung von Flüssigsubstraten vor der Vergärung

Texte zu diesem Projekt

 DeutschFranzösischItalienischEnglisch
Kurzbeschreibung
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Schlussbericht
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Erfasste Texte


KategorieText
Kurzbeschreibung
(Deutsch)
Das Projekt HYKOM demonstriert im technischen Massstab in der Biogasanlage WIGAKO die energetisch und mikrobiologisch optimierte Kombination von Hygienisierung, Hydrolyse und anaerober Biogasproduktion bei der landwirtschaftlichen Covergärung flüssiger Substrate. In einer primären thermischen Behandlung bei 70 °C erfolgen sowohl eine Hygienisierung (TNP Kat.3) als auch eine Homogenisierung und ein thermischer Grobaufschluss (alle flüssigen Cosubstrate). In einer sekundären anaeroben Hydrolysestufe wird der geschwindigkeitslimitierende Schritt des anaeroben Abbaus unter optimalen Bedingungen (T = 50 – 55 °C, pH = 5.2 – 5.6) durchgeführt. Die Hydrolyse wird dabei kontinuierlich bei einer hydraulischen Aufenthaltszeit von HRT = 3 – 6 Tagen betrieben. Durch die Entkoppelung von Hygienisierung – Hydrolyse – Biogasproduktion wird die substratspezifische Biogasausbeute um 20 – 25 % erhöht.
Schlussbericht
(Deutsch)
Im Projekt HYKOM wird der Einfluss der vier Verfahrensschritte «Substratlagerung und Zerkleinerung», «biologische Hydrolyse», «thermische Hygienisierung» sowie «Fermentation und Nachgärung» auf die Leistung einer anaeroben Co-Vergärungsanlage erforscht. Hauptfokus liegt auf dem Zusammenspiel zwischen den Hygienisierungs- und Hydrolysestufen sowie auf der zweistufigen Vergärung mit Hydrolyse- und Methanisierungsstufe (ZVHM). Primäres Ziel des Projekts ist die Stabilisierung des anaeroben Abbauprozesses bei stark schwankenden Mengen und Zusammensetzungen der Co-Substrate. Sekundäres Ziel ist die signifikante Steigerung des Biogas- bzw. Energieertrags. Die Arbeiten werden 2018-2021 auf der grosstechnischen Co-Vergärungsanlage der WIGAKO in Süderen (BE) durchgeführt und durch die Fachgruppe Umweltbiotechnologie der ZHAW wissenschaftlich betreut. Das Projekt umfasst mehrere technische Anlagenergänzungen und -erneuerungen. Die Lagerkapazitäten für unterschiedliche Substrate (Flüssiglager, Tiefbunker) werden erweitert und modernisiert. Die Substratanmischung wird mit einer mechanischen Inline-Vorzerkleinerung ausgerüstet. Zur Behandlung der hygienisch kritischen Substrate werden zwei Hygienisierungstanks für unterschiedliche Substratqualitäten installiert. Im Vormischbehälter wird dadurch eine temperierte, homogene Maische für den biologischen Abbauprozess bereitgestellt. Die ursprünglich einstufige thermophile Fermentation in zwei parallel betriebenen Rührkesseln wird mit einer vorgeschalteten 2-strassigen thermophilen Hydrolysestufe ergänzt. Das bestehende Gärgutlager wird zu einem gasdichten und beheizbaren Nachgärer ausgebaut. Diese Umbauten erlauben eine flexiblere Stoffstromführung und eine Behandlung, welche den unterschiedlichen Substratmengen und -eigenschaften angepasst ist. Schweizweit stellt diese Anlagenkonfiguration eine neue und innovative Verfahrensvariante dar. Die ZHAW begleitet sowohl die Planung und Ausführung des Umbaus als auch die Inbetriebsetzung und den Anfangsbetrieb der neuen Anlagekonfiguration. Sie führt zudem Massen- und Energiebilanzen durch, erstellt das Konzept zur Inbetriebnahme der biologischen Hydrolyse und zur Erfassung von Betriebsdaten. Dazu gehört eine zeitgemässe Messtechnik auf der Basis einer online Datenerfassung sowie die Erhebung von zusätzlichen Betriebs- und Messdaten auf der grosstechnischen Anlage sowie in diversen Laborversuchen. Die Betriebsdaten der Jahre 2017 bis 2019 werden aufgearbeitet und wissenschaftlich ausgewertet. Während vier Messkampagnen werden umfangreiche, chemischanalytische sowie betriebstechnische Daten zur Beurteilung und Optimierung der neuen Anlagekonfiguration erhoben: Betrieb der Neuanlage ohne Hydrolysestufe (Spätherbst 2020), Inbetriebnahme der Hydrolysestufe (Winter 2020), Betriebsoptimierung der Hydrolysestufen (Frühjahr und Sommer 2020) sowie Anlagenbetrieb mit Hydrolysestufe (Spätherbst 2021). pH-Werte und Redox-Potenzial, die Konzentration von flüchtigen organischen Säuren (FOS) und das FOS/TAC-Verhältnis, Trockensubstanz und Biomethanpotenzial sowie die Qualität des Hydrolysegases erweisen sich als geeignete Messparameter, um die Leistung der Anlage und ihre Teilverfahren zu beurteilen. Die Temperatur und hydraulische Verweilzeit sind kritische Betriebsparameter, um einen stabilen Betrieb und damit einhergehend eine Erhöhung der Gasausbeute sicherzustellen. Neben festen und flüssigen Hofdüngern verschiedener Tierarten und weiteren landwirtschaftlichen Augangstoffen verarbeitet die Biogasanlage eine grosse Palette von gewerblichen und kommunalen Co-Substraten, deren Zusammensetzungen zeitlich und stofflich stark schwanken. Diese Abfälle sind für bis zu 90 % der Energieproduktion verantwortlich. Im ursprünglichen Betrieb führte diese ständig wechselnde Zusammensetzung der Substrate wiederholt zu instabilen biologischen Zuständen. Insbesondere der Abbau von Fettsäuren aus Fettschlämmen scheinen kritisch für eine stabile Leistung der an-aeroben Biologie. Die neu konzipierte Anlage ermöglicht eine gezielte Verarbeitung und Vorbehandlung von flüssigen und festen Substraten sowie von stark fetthaltigen und von hygienisch nicht einwandfreien Abfällen. Durch die vorgeschalteten Hydrolyse, die sich nach der Inbetriebnahme rasch einstellt, wird die Fermentation biologisch entlastet. Für eine optimale Prozessführung dieses Prozessschrittes mit kontrollierter hydraulischer Verweilzeit (HRT) und organischer Raumbelastung (BR), erweist sich eine Füllstandsmessung in den Hydrolysetanks als zwingend. Aus technischen und energetischen Gründen wird die Hydrolyse bei einer möglichst konstanten Temperatur von ca. 46-47 °C gefahren, obwohl höhere Temperaturen einen grösseren Hydrolysegrad versprechen. Durch den schwankungsarmen Betrieb der Hydrolysestufe wird das Gärgut in den beiden Fermentern homogener und besser durchmischt. Die Bildung von unerwünschten Schwimm- und Sinkschichten ist minimiert. Ein besserer Aufschluss von strohhaltigen Substraten wird beobachtet. Diese Effekte ermöglichen eine signifikante Erhöhung des Substratdurchsatzes. Die erste Fermenterstufe kann neu mit organischen Raumbelastungen von deutlich über 6 kg oTS d-1 m-3 betrieben werden. Ihre Leistung ist stabiler, als vor der Anlagenerweiterung und es wird ein dadurch eine gesteigerte Biogas- und Energieproduktion sowie eine konstantere Biogasqualität und -produktion erreicht. Das Restmethanpotenzial (RMP) des flüssigen Gärguts nach der Behandlung und damit das Risiko von Methanemissionen aus dem Endprodukt sinken nachweislich. Zu den identifizierten Optimierungsmöglichkeiten respektive offenen Forschungsfragen der innovativen Anlagenkonfiguration bei der WIGAKO gehören:
• der wenig erforschte Abbau von langkettigen Fettsäuren und damit die gezielte Dosierung fett-säurehaltiger Co-Substrate,
• die substratspezifischen, optimalen Hydrolysebedingungen,
• die Quantifizierung der spezifischen Gasmehrerträge nach vorgeschalteter Hydrolysestufe,
• die optimale Bewirtschaftung von Hydrolysegas und
• die Bilanzierung des Energiebedarfs und des Energieaufwandes der Neukonfiguration.
Trotz zusätzlichem, technischem Aufwand und erhöhter Komplexität der Anlage wird die Kombination von thermischer Hygienisierung und biologischer Hydrolysestufe als Vorbehandlung vor der Fermentation als grosser Erfolg gewertet. Die vorgeschaltete Hydrolysestufe ist erfolgsversprechend, wenn für die Verarbeitung der Substratmischung in der entsprechenden Anlage mindestens eines der nachfolgenden Kriterien zutrifft:
• Grosse Anteile an unterschiedlichen Substraten und/oder mit stark schwankender Menge und Zusammensetzung derselben,
• Substratmischungen, die verhältnismässig hohe Trockensubstanzgehalte aufweisen und/oder zu hohen organischen Raumbelastungen in der ersten Fermenterstufe führen,
• Substratqualitäten, die unterschiedliche Abbaugeschwindigkeiten und/oder geringe Abbau-grade aufweisen sowie
• Bei Anlagenkonfigurationen, bei welchen eine deutliche Erhöhung des Volumens der ersten Fermentationsstufe nicht einfach möglich ist.
Die neuen Prozessstufen erfordern zusätzliche Investitionen, führen zu einem erhöhten Wartungsaufwand und bedingen neue Arbeitsschritte. Ob sich der Mehraufwand für dieses innovative Anlagenkonzept bei einem Neubau einer Biogasanlage finanziell rechnet, kann im Rahmen des Projekts nicht untersucht werden. Eindeutig ist jedoch festzustellen, dass im vorliegenden Fall die neue Anlagenkonfiguration mit vorgeschalteter Hydrolysestufe ein deutlich stabilerer Anlagenbetrieb mit signifikant grösseren Mengendurchsätzen erlaubt.
Zugehörige Dokumente
Schlussbericht
(Englisch)
In the HYKOM project, the influence of the four process steps "substrate storage and grinding", "biological hydrolysis", "thermal hygienisation" and "fermentation and postdigestion" on the performance of an anaerobic co-digestion plant is being investigated. The main focus lies on the interaction between the sanitation (hygienisation) and hydrolysis stages. The primary objective of the project is to stabilise the anaerobic digestion process in the presence of strongly varying amounts and compositions of the cosubstrates. The secondary goal is to significantly increase the biogas and energy yield. The work was carried out from 2018-2021 at the largescale codigestion plant of WIGAKO in Süderen (BE) and was scientifically supervised by the ZHAW Environmental Biotechnology Group. The project includes several technical plant extensions and upgrades. The storage capacities for different substrates (liquid storage, underground bunker) are expanded and modernised. The substrate mixing system is being upgraded with a mechanical inline preshredding system. Two hygienisation tanks for different substrate qualities are installed to handle hygienically critical substrates. In the premixing tank, a temperaturecontrolled, homogeneous mixture is thus provided for the biodegradation process. The original singlestage thermophilic fermentation in two CSTR tanks operated in parallel is supplemented with an upstream 2-strand thermophilic hydrolysis stage. The existing digestate storage facility is converted into a gastight and heatable secondary fermenter. These modifications allow a more flexible material flow and a treatment adapted to the different substrate quantities and properties. This plant configuration represents a new and innovative process variant throughout Switzerland. The ZHAW is supporting the planning and implementation of the upgrade as well as the commissioning and initial operation of the new plant configuration. Furthermore, she is carrying out mass and energy balances, drawing up the concept for the commissioning of the biological hydrolysis and for the collection of operating data. This includes state-of-the-art measurement technology based on online data collection as well as on the collection of additional operating and measurement data at the large-scale plant and in various laboratory tests. The operating data from 2017 to 2019 are being processed and scientifically evaluated. During four measurement campaigns, extensive chemicalanalytical and operational data are collected to assess and optimise the upgraded plant configuration: Operation of the plant without hydrolysis stage (late autumn 2020), commissioning of the hydrolysis stage (winter 2020), operational optimisation of the hydrolysis stages (spring and summer 2020) and plant operation with hydrolysis stage (late autumn 2021). pH values and redox potential, the concentration of volatile organic acids (FOS) and the FOS/TAC ratio, dry matter and biomethane potential (BMP) as well as the quality of the gas from hydrolysis prove to be suitable measurement parameters to assess the performance of the plant and its subprocesses. The temperature and hydraulic retention time are critical operating parameters to ensure stable operation with an increasing gas yield. In addition to solid and liquid farmyard manure of various animal species and other agricultural feed-stocks, the biogas plant processes a wide range of commercial and municipal cosubstrates whose compositions vary greatly in terms of time and material. This waste is responsible for up to 90 % of the energy production. In the original operation, this constantly changing composition of the substrates repeatedly led to unstable biological conditions. In particular, the degradation of fatty acids from fat sludge seems to be critical for a stable performance of the anaerobic biology. The newly designed plant enables the targeted processing and pretreatment of liquid and solid substrates, as well as waste with a high fat content and waste that is not hygienically safe. The upstream hydrolysis, which takes place quickly after commissioning, biologically facilitates the fermentation process. For optimal process control of this process step with controlled hydraulic retention time (HRT) and organic loading rate (OLR resp. BR), level measurement in the hydrolysis tanks is essential. For technical and energy reasons, the hydrolysis is kept as constant as possible at a temperature of approx. 46-47 °C, although higher temperatures promise a greater degree of hydrolysis. The lowvariation operation of the hydrolysis stage makes the fermentation material in the two fermenters more homogeneous and thoroughly mixed. The formation of undesirable floating and sinking layers is minimised. A better degradation of substrates containing straw is observed. All these effects allow a significant increase in substrate throughput. The first digester stage can now be operated with organic loading rates of well over 6 kg oTS d-1 m-3. Its performance is more stable than before the upgrading of the plant, resulting in increased biogas and energy production as well as more consistent biogas quality and production. The residual methane potential (RMP) of the liquid digestate after treatment and thus the risk of methane emissions from the end product are measurably reduced. Among the identified optimisation possibilities and open research questions of the innovative plant configuration at the WIGAKO plant are the following:
• the littleresearched degradation of longchain fatty acids and thus the targeted dosing of fatty acidcontaining cosubstrates,
• substratespecific, optimal hydrolysis conditions,
• the quantification of the specific additional gas yields after upstream hydrolysis stages,
• the optimal management of hydrolysis gas and
• the balancing of the energy demand and energy input of the new configuration.
Despite the additional technical effort and increased complexity of the plant, the combination of thermal sanitation and biological hydrolysis as pretreatment before fermentation is considered a great success. The upstream hydrolysis stage is promising if at least one of the following criteria applies to the processing of the substrate mixture in the corresponding plant:
• Large shares of different substrates and/or with strongly fluctuating amounts and compositions of the same,
• Feedstock mixtures which have relatively high dry substance contents and/or lead to high organic leading rates in the first fermenter stage,
• Substrate qualities that have different degradation rates and/or low degradation levels, and
• Plant configurations where a significant increase in the volume of the first fermentation stage is not easily possible.
The new process stages require additional investment, lead to increased maintenance costs and require new work steps. Whether the additional expenditure for this innovative plant concept is financially worthwhile for a new biogas plant cannot be investigated within the framework of this project. However, it is clear that the new plant configuration with an upstream hydrolysis stage at WIGAKO allows a significantly greater stability in plant operation even with considerably higher throughputs.
Schlussbericht
(Französisch)
Le projet HYKOM étudie l'influence des quatre étapes de processus "stockage et broyage du substrat", "hydrolyse biologique", "hygiénisation thermique" et "fermentation et postdigestion" sur la performance d'une installation de codigestion anaérobie. L'accent est mis sur l'interaction entre les étapes d'hygiénisation et d'hydrolyse. L'objectif principal du projet est de stabiliser le processus de dégradation anaérobie lorsque les quantités et les compositions des cosubstrats varient fortement. L'objectif secondaire est d'augmenter significativement le rendement en biogaz ou en énergie. Les travaux sont réalisés de 2018 à 2021 sur l'installation de codigestion à grande échelle de WIGAKO à Süderen (BE), encadrés scientifiquement par le groupe spécialisé en biotechnologie environnementale de la ZHAW. Le projet comprend plusieurs compléments et rénovations techniques des installations. Les capacités de stockage de différents substrats (stockage liquide, bunker profond) sont étendues et modernisées. Le mélange de substrats est équipé d'un prébroyage mécanique en ligne. Pour le traitement des substrats critiques sur le plan hygiénique, deux cuves d'hygiénisation sont installées pour différentes qualités de substrats. Dans la cuve de prémélange, un moût homogène et tempéré est ainsi mis à disposition pour le processus de biodégradation. La fermentation thermophile à l'origine en une étape dans deux cuves agitées fonctionnant en parallèle est complétée par une étape d'hydrolyse thermophile à deux branches en amont. L'entrepôt de digestat existant sera chauffé et transformé en un postdigesteur étanche aux gaz. Ces transformations permettent une gestion plus flexible des flux de matières et un traitement adapté aux différentes quantités et propriétés des substrats. Cette configuration d'installation représente une variante de procédé nouvelle et innovante dans toute la Suisse. La ZHAW accompagne aussi bien la planification et la réalisation des transformations que la mise en service et l'exploitation initiale de la nouvelle configuration de l'installation. Elle réalise en outre des bilans de masse et d'énergie, établit le concept de mise en service de l'hydrolyse biologique et de saisie des données d'exploitation. Cela comprend une technique de mesure moderne basée sur une saisie de données en ligne ainsi que la collecte de données d'exploitation et de mesure supplémentaires sur l'installation à grande échelle et dans divers essais de laboratoire. Les données d'exploitation des années 2017 à 2019 sont traitées et évaluées scientifiquement. Pendant quatre campagnes de mesure, de nombreuses données chimiques et analytiques ainsi que des données techniques d'exploitation sont collectées pour évaluer et optimiser la nouvelle configuration de l'installation : Exploitation de la nouvelle installation sans étape d'hydrolyse (fin de l'automne 2020), mise en service de l'étape d'hydrolyse (hiver 2020), optimisation de l'exploitation des étapes d'hydrolyse (printemps et été 2020) et exploitation de l'installation avec étape d'hydrolyse (fin de l'automne 2021). Les valeurs de pH et le potentiel redox, la concentration d'acides organiques volatils (FOS) et le rapport FOS/TAC, la matière sèche et le potentiel de biométhane ainsi que la qualité du gaz d'hydrolyse s'avèrent être des paramètres de mesure appropriés pour évaluer la performance de l'installation et ses sousprocédés. La température et le temps de séjour hydraulique sont des paramètres de fonctionnement critiques pour garantir un fonctionnement stable et, par conséquent, une augmentation du rendement en gaz. Outre les engrais de ferme solides et liquides de différentes espèces animales et d'autres matières premières agricoles, l'installation de biogaz traite une large palette de cosubstrats industriels et communaux dont la composition varie fortement dans le temps et selon les matières. Ces déchets sont responsables de jusqu'à 90 % de la production d'énergie. Lors de l'exploitation initiale, cette composition en constante évolution des substrats a conduit à plusieurs reprises à des états biologiques instables. En particulier, la dégradation des acides gras des boues grasses semblait critique pour une performance stable de la biologie anaérobie. L'installation nouvellement conçue permet un traitement et un prétraitement ciblés de substrats liquides et solides ainsi que de déchets à forte teneur en graisses et de déchets dont l'hygiène n'est pas irréprochable. Grâce à l'hydrolyse en amont, qui s'installe rapidement après la mise en service, la fermentation est soulagée biologiquement. Pour une gestion optimale de cette étape du processus avec un temps de séjour hydraulique (HRT) et une charge organique volumique (BR) contrôlés, il est impératif de mesurer le niveau de remplissage dans les réservoirs d'hydrolyse. Pour des raisons techniques et énergétiques, l'hydrolyse est conduite à une température aussi constante que possible d'environ 46-47 °C, bien que des températures plus élevées promettent un degré d'hydrolyse plus grand. Grâce au fonctionnement à faible variation de l'étape d'hydrolyse, le digestat est plus homogène et mieux mélangé dans les deux fermenteurs. La formation de couches flottantes et descendantes indésirables est minimisée. Une meilleure digestion des substrats contenant de la paille est observée. Ces effets permettent une augmentation significative du débit de substrats. La première étape du digesteur peut désormais fonctionner avec des charges organiques ambiantes nettement supérieures à 6 kg oTS d-1 m-3. Sa performance est plus stable qu'avant l'extension de l'installation, ce qui permet d'augmenter la production de biogaz et d'énergie et d'obtenir une qualité et une production de biogaz plus constante. Le potentiel de méthane résiduel (PMR) du digestat liquide après traitement et, par conséquent, le risque d'émissions de méthane à partir du produit final diminuent de manière remarquable. Parmi les possibilités d'optimisation identifiées et les questions de recherche ouvertes de la configuration innovante de l'installation WIGAKO, on trouve:
• la dégradation peu étudiée des acides gras à longue chaîne et donc le dosage ciblé de cosubstrats contenant des acides gras,
• les conditions d'hydrolyse optimales spécifiques aux substrats,
• la quantification des rendements supplémentaires spécifiques de gaz après l'étape d'hydrolyse en amont,
• la gestion optimale du gaz d'hydrolyse et
• le bilan des besoins et des dépenses énergétiques de la reconfiguration.
Malgré les dépenses techniques supplémentaires et la complexité accrue de l'installation, la combinaison de l'hygiénisation thermique et de l'étape d'hydrolyse biologique comme prétraitement avant la fermentation est considérée comme un grand succès. L'étape d'hydrolyse en amont est prometteuse si au moins un des critères suivants s'applique au traitement du mélange de substrats dans l'installation correspondante :
• Une grande proportion de substrats différents et/ou une quantité et une composition très variables de ceux-ci,
• Mélanges de substrats présentant des teneurs en matière sèche relativement élevées et/ou entraînant des charges organiques spatiales élevées dans la première étape de fermentation,
• Des qualités de substrat qui présentent des vitesses de dégradation différentes et/ou des degrés de dégradation faibles, ainsi que
• Pour les configurations d'installation dans lesquelles il n'est pas facile d'augmenter sensiblement le volume de la première étape de fermentation.
Les nouvelles étapes du processus nécessitent des investissements supplémentaires, entraînent une augmentation de la maintenance et impliquent de nouvelles étapes de travail. Il n'est pas possible d'examiner dans le cadre du projet si les dépenses supplémentaires liées à ce concept d'installation innovant sont financièrement rentables dans le cas de la construction d'une nouvelle installation de biogaz. Il est cependant clair que, dans le cas actuel, la nouvelle configuration de l'installation avec une étape d'hydrolyse en amont permet un fonctionnement nettement plus stable de l'installation avec des débits significativement plus importants.