Biomethanisierung ist ein Prozess, bei dem eine natürliche Auswahl von Mikroorganismen die organische Substanz durch anaerobe Vergärung, also in Abwesenheit von Sauerstoff, in Biogas und stabilisierten Feststoffabfall (etwa die Hälfte des Gewichts des ursprünglichen Abfalls) zersetzt.
Biogas, das ein Gemisch aus Methan, Kohlendioxid und anderen Minderheitsgasen ist, kann als Brennstoff verwendet werden, da seine Zusammensetzung zwar von der vergorenen organischen Substanz abhängt, die Methanreinheit jedoch üblicherweise etwa 60 % beträgt.
Anaerobe Biomethanisierung von Siedlungsabfällen (MSW)
Obwohl der Prozess der anaeroben Vergärung seit Mitte des letzten Jahrhunderts erforscht wird, ist seine Anwendung zur Behandlung der organischen Fraktion von städtischen Feststoffen (OFUSW) relativ neu. Tatsächlich war die Einführung der selektiven Abfallsammlung mit der Trennung der organischen Fraktion einer der Gründe, die die Entwicklung neuer Behandlungswege vorangetrieben haben. Die OFUSW zeichnet sich durch einen hohen Feuchtigkeitsgehalt aus, weshalb typische Entsorgungsmethoden wie Verbrennung oder Ablagerung auf Deponien nicht die geeignetsten sind.
Daher sind die am besten geeigneten Behandlungen für die organische Fraktion zwei: Biomethanisierung und Kompostierung, jeweils mit ihren Variationen. Der Hauptvorteil der ersten Technik gegenüber der zweiten besteht darin, dass es sich um eine Technologie handelt, die nicht nur keine Energie verbraucht, sondern Energie erzeugt. Zudem handelt es sich um eine erneuerbare Energie, die aktiv zur Verringerung der Treibhausgasemissionen beiträgt. Diese Energiebilanz wirkt sich natürlich positiv auf die Betriebskosten aus. Darüber hinaus ist die anaerobe Vergärung eine Technologie, die besonders gut für die Behandlung von Feststoffen mit hohem Feuchtigkeitsgehalt geeignet ist und eine weniger strenge Nährstoffbilanz als die Kompostierung erfordert.
Das bedeutet, dass bei unzureichender Verfügbarkeit von pflanzlichen Abfällen die anaerobe Vergärung technisch besser geeignet sein kann. Im Gegensatz dazu ist der Biomethanisierungsprozess von MSW komplexer, da der Prozess ab dem Eintritt der organischen Fraktion in die Anlage mehrere Stufen umfasst. Dies führt zu höheren Anfangsinvestitionen für die Umsetzung.
Im Biomethanisierungsprozess wurde ebenfalls nachgewiesen, dass in den meisten Fällen größere Mengen Biogas produziert werden, das methanreicher ist, wenn das zu vergärende Substrat eine Mischung aus OFUSW und Gülle aus Kläranlagen ist, was als Kofermentation bekannt ist. Die Gülle aus Kläranlagen ist eine sehr wichtige Nährstoffquelle mit sehr ausgewogenen Anteilen.
Der Biomethanisierungsprozess beginnt mit der Zuführung des organischen Substrats (OFUSW, Gülle aus Kläranlagen oder einer Mischung aus beiden) in die anaeroben Fermenter, die mit einer Verweilzeit von etwa 20-25 Tagen arbeiten. Aus dem Fermenter entstehen zwei Effluente, eines als Gas, Biogas, und das andere als Flüssigkeit, der vergorene Schlamm mit einer Konzentration von 5 % nach Gewicht. Der bereits stabilisierte vergorene Schlamm kann nach der Entwässerung in der Landwirtschaft als Dünger (Kompost) verwendet werden. Im Entwässerungsprozess, meist Filtration oder Zentrifugation, wird eine Trockenmasse von etwa 25-35 % erreicht. Die während der Entwässerung anfallende flüssige Fraktion muss korrekt behandelt werden, da ihre Belastung, insbesondere mit Stickstoff und Phosphor, hoch ist. Eine Alternative ist die Behandlung dieses Stroms mit einem biologischen Reinigungsprozess, der die Zugabe einer externen Kohlenstoffquelle erfordert, um das Wachstum der Biomasse zu ermöglichen. Eine noch nachhaltigere Option besteht darin, die flüssige Fraktion aus der Entwässerung mittels Vakuumverdampfung zu konzentrieren, wobei die Restwärme genutzt wird, die bei der Umwandlung des Biogases in Strom (Kraft-Wärme-Kopplung) entsteht. Biogas wird üblicherweise zur Stromerzeugung in Verbrennungsmotoren oder Mikroturbinen verwendet.
In beiden Fällen entsteht als Folge der Stromerzeugung eine Abwärme, die abgeführt werden muss.
Diese Wärme kann effizient genutzt werden, um das Substrat beim Eintritt in die Fermenter vorzuwärmen und so konstant bei der optimalen Betriebstemperatur zu halten (36ºC bei mesophiler anaerober Vergärung und zwischen 45ºC und 65ºC bei thermophiler Vergärung), während gleichzeitig das Wasser der flüssigen Fraktion der Entwässerung verdampft wird. Als Ergebnis dieser Verdampfungs-Konzentration entsteht ein praktisch trockener Abfall mit einer Gewichtsreduktion von etwa 75 % sowie ein Wasserstrom mit hoher Reinheit.
So kann die organische Fraktion der städtischen Feststoffe mit einer nachhaltigen und energieautarken Biomethanisierungsanlage verwertet werden. Diese Anlage kann so ausgelegt und betrieben werden, dass die OFUSW in Kompost umgewandelt wird, der in der Landwirtschaft verwendet werden kann, in elektrische Energie, die für den Verkauf ins allgemeine Stromnetz geeignet ist, und in Wasser mit hoher Reinheit.
Biomethanisierung von Siedlungsabfällen