NL1037103C2 - Systeem en werkwijze voor het onder druk zuiveren van een waterige stroom organische stof, afval en/of afvalwater en werkwijze voor het produceren van biogas. - Google Patents

Description

Systeem en werkwijze voor het onder druk zuiveren van een waterige stroom organische stof, afval en/of afvalwater en werkwijze voor het produceren van biogas 5 De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een systeem voor het onder druk zuiveren en/of behandelen van afvalwater. Meer in het bijzonder heeft het systeem betrekking op een (micro-)biologische wijze zuiveren en/of behandelen van een dergelijke waterige stroom organische 10 stof, afval en/of afvalwater, in het bijzonder geschikt voor het genereren van duurzame energie.

Uit de praktijk bekende zuiveringsinrichtingen maken onder meer gebruik van vaten en/of reactoren waarin micro-organismen zijn gebracht. De micro-organismen zuiveren en/of 15 behandelen de aangevoerde afvalstromen. De resterende stroom kan vervolgens eenvoudiger en goedkoper worden verwerkt. In de praktijk wordt hierbij gebruik gemaakt van anaerobe processen. Het behandelde water/slibmengsel wordt doorgaans van elkaar gescheiden middels een bezinkproces. De meeste 20 conventionele waterzuiveringsprocessen spelen zich hierbij af bij atmosferische druk.

De onderhavige uitvinding heeft als doel te voorzien in een systeem voor het onder druk zuiveren en/of behandelen van een waterige stroom organische stof, afval en/of 25 afvalwater dat op een meer efficiënte wijze kan worden uitgevoerd.

Dit doel wordt bereikt met een systeem voor het onder druk zuiveren en/of behandelen van organische stof, afval en/of afvalwaterstroom volgens de uitvinding, het systeem 30 omvattende: - een afsluitbaar drukvat voorzien van een inlaat voor het aanvoeren van een te zuiveren en/of behandelen stroom waarbij het drukvat is ingericht om een 1037103 2 anaerobe omzetting van de te zuiveren en/of behandelen stroom in onder meer biogas uit te voeren; - ten minste één uitlaat voor het uit het drukvat afvoeren van producten; 5 - een besturingssysteem voor het aansturen van het zuiveringsproces; en - energie genererende middelen voor het regelen en/of genereren van energie met ten minste een deel van het gevormde biogas.

10 De bioreactor of drukvat wordt voorzien van een te zuiveren en/of behandelen stroom in de vorm van een gas, vloeistof, vaste stof of combinatie daarvan. In het drukvat vindt een anaerobe omzetting plaats van de te zuiveren en/of behandelen stroom met behulp van micro-organismen waarbij 15 onder meer biogas wordt gevormd. Hiertoe is het drukvat afsluitbaar voorzien. Op deze wijze wordt autogeneratief druk opgewekt door gasvorming als gevolg van vergisting.

Daarnaast is het drukvat bij voorkeur voorzien van een slibmembraan voor het afscheiden van het slib van de te 20 zuiveren en/of behandelen stroom.

Een besturingssysteem stuurt het gehele proces aan en/of regelt dit proces, waarbij onder meer de druk in het drukvat geregeld kan worden. Hiertoe zijn bij voorkeur afsluiters voorzien in de inlaat en de ten minste ene 25 uitlaat van het drukvat waarmee het besturingssysteem de druk in dit drukvat kan regelen. Bij voorkeur omvat het drukvat een eerste uitlaat voor het gevormde biogas en een tweede uitlaat voor het resterende water/slibmengsel van de te zuiveren en/of behandelen stroom.

30 Voorts beschikt het systeem over energiegenerende middelen voor het genereren of opwekken van energie met ten minste een deel van het gevormde biogas. Het gevormde biogas beschikt over de energie-inhoud die bijvoorbeeld benut kan 3 worden in een volgend proces. Een voorbeeld hiervan is verbranding van het als biogas gevormde methaan, waarbij de bij de verbranding verkregen energie gebruikt kan worden in een verder proces.

5 Bijzonder is dat in een systeem volgens de uitvinding hetzelfde biogas kan worden gebruikt voor het genereren van een tweede vorm van energie met behulp van energiegenerende middelen. Hierbij wordt de biologisch opgebouwde druk in het drukvat gebruikt en omgezet in bruikbare energie in de vorm 10 van arbeid. Dit resulteert in een efficiënte zuiveringsstap van het systeem volgens de uitvinding waarmee de zuivering van een ingaande stroom met behulp van de energiegenererende middelen efficiënt kan worden uitgevoerd. De gevormde biogassen omvatten bij voorkeur methaan, koolstofdioxide, 15 waterstofthiocarbonzuur en/of waterstofsulfide. De vorming van deze gassen hangt sterk af van de samenstelling, de temperatuur en de zuurgraad van de aangevoerde te zuiveren en/of behandelen stroom. Voorts kan de gasvorming worden beïnvloed door de keuze voor de hoeveelheid en het soort 20 micro-organismen dat wordt voorzien in het drukvat en de daarbij gehanteerde condities. Hiermee is het mogelijk het systeem nog efficiënter te benutten. Voorts kan de gasvorming worden beïnvloed door de pH van het medium in het drukvat. De pH in het drukvat wordt beïnvloed door de 25 hoeveelheid opgelost kooldioxide en andere gassen en de daarbij gehanteerde procescondities. Hiermee is het mogelijk het systeem nog efficiënter te benutten.

In een voordelige voorkeursuitvoeringsvorm volgens de onderhavige uitvinding is het besturingssysteem voorzien van 30 stroomregelmiddelen voor het reguleren van de stroom door het membraan.

Het besturingssysteem kan op basis van de druk in het drukvat de stroom door het slibmembraan controleren. Hiertoe 4 kan bijvoorbeeld gebruik worden gemaakt van het reguleren van de ingaande en uitgaande stroom van vloeistof en/of gas van en naar het drukvat. Hiermee wordt bewerkstelligd dat het mogelijk is om de behandelde te zuiveren en/of 5 behandelen stroom op een gedoseerde wijze af te scheiden van het slib in de reactor.

In een verdere voordelige voorkeursuitvoeringsvorm volgens de onderhavige uitvinding omvat een selectief membraan voor het verwijderen van kooldioxide.

10 Door een selectief gasmembraan of membraanfilter te selecteren, is het mogelijk om opgelost kooldioxide(H2C03) uit de water en/of gasfase in het drukvat te verwijderen. Door de gerealiseerde verwijdering van dit kooldioxide wordt de pH in het drukvat gereguleerd. Door de gerealiseerde 15 verwijdering van dit kooldioxide worden meer zuivere stromen gerealiseerd in het drukvat.

In een verdere voordelige voorkeursuitvoeringsvorm volgens de onderhavige uitvinding omvat een selectief membraan voor het verwijderen van thiocarbonzuur.

20 Door een selectief gasmembraan of membraanfilter te selecteren, is het mogelijk om opgelost thiocarbonzuur (H2CSO2) uit de water en/of gasfase in het drukvat te verwijderen. Dergelijk thiocarbonzuur kan onder druk ontstaan. Door de gerealiseerde verwijdering van dit 25 thiocarbonzuur worden meer zuivere stromen gerealiseerd in het drukvat.

In een voordelige voorkeursuitvoeringsvorm volgens de onderhavige uitvinding omvat het systeem drukmiddelen voor het realiseren van een druk zodanig dat het geproduceerde 30 biogas additioneel wordt gezuiverd.

Door het realiseren van een toenemende druk zal bijvoorbeeld de zuiverheid van methaan in de gasfase toenemen. Dit wordt veroorzaakt doordat kooldioxide, 5 waterstofsulfide, en eventuele combinaties daarvan zoals thiocarbonzuur volgens de wet van Henry beter op zullen lossen in een waterige vloeistoffase dan methaan. Hiermee wordt bewerkstelligd dat de calorische waarde van het 5 geproduceerde biogas in de vorm van methaan wordt vergroot. Een bijkomend voordeel hiervan is dat een eventuele uitstoot van koolstofdioxide wordt verminderd, en bijkomend het gehalte van waterstofsulfide en koolstofdioxide in de gasfase wordt verlaagd. Hierbij worden de gehalten van 10 koolstofdioxide en waterstofsulfide, of eventuele combinaties zoals waterstofthiocarbonzuur in de vloeistoffase verhoogd. Door deze ophoping wordt bewerkstelligd dat het mogelijk is om deze componenten separaat van methaan af te scheiden. Dit leidt tot een 15 gasfase die in dit onderhavige voorbeeld een hoger gehalte aan methaan heeft. Dit extra zuivere methaan kan desgewenst worden benut voor verdere toepassingen.

In een voordelige voorkeursuitvoeringsvorm volgens de onderhavige uitvinding omvatten de energie genererende 20 middelen een pomp, aandrijfbaar door biogas uit het drukvat, voor het omzetten van gasdruk in toepasbare arbeid.

Door het voorzien van een pomp die direct aandrijfbaar is door het in het drukvat biologisch gegenereerde biogas kan de tweede vorm van energie, naast de verbrandingswarmte 25 van biogas, op relatief eenvoudige wijze worden benut. Hiermee wordt de efficiëntie van het hele systeem verder vergroot. Hierbij kan desgewenst gebruik worden gemaakt van een zogeheten pneumatisch aangedreven pomp. Bij voorkeur wordt de biologisch opgebouwde relatief hoge druk uit het 30 drukvat gebruikt om een zogeheten warmtepomp aan te drijven. Door het gebruik van de hoge druk van het biogas uit het hoge drukvat kan het rendement van de warmtebron worden 6 verhoogd. Hiermee wordt dan ook het rendement van het gehele systeem volgens de onderhavige uitvinding verder vergroot.

Bij voorkeur wordt het systeem volgens de uitvinding voorzien van een besturingssysteem omvattende stelmiddelen 5 voor het afstemmen van de capaciteit van de pomp op de druk in het drukvat. Hiermee kan een extra efficiëntieslag worden uitgevoerd op het systeem volgens de uitvinding.

In een verdere voordelige voorkeursuitvoeringsvorm volgens de onderhavige uitvinding omvat het systeem een 10 gasbuffer voor het opslaan van geproduceerd biogas.

Door het voorzien van een gasbuffer kan energie in de vorm van biologisch opgebouwde druk worden opgeslagen separaat van het drukvat of bioreactor. Hiermee wordt bewerkstelligd dat gegenereerde energie op het gewenste 15 moment op een efficiënte wijze kan worden toegepast. Hiermee wordt de efficiëntie van het systeem verder vergroot.

De uitvinding heeft verder betrekking op een werkwijze voor het zuiveren en/of behandelen van een organisch afval en/of afvalwaterstroom, omvattende de stappen: 20 - het voorzien van een systeem zoals bovenbeschreven; - het aan het systeem aanvoeren van een te zuiveren en/of behandelen stroom; - het scheiden en afvoeren van geproduceerd biogas van een reststroom.

25 Een dergelijke werkwijze biedt gelijke effecten en voordelen als die genoemd zijn bij het systeem. Hierbij wordt bij voorkeur het geproduceerde biogas gebruikt voor het genereren van energie met behulp van de energie genererende middelen. Hiermee wordt een efficiënt proces 30 gerealiseerd.

De uitvinding heeft voorts tevens betrekking op een werkwijze voor het produceren van een biogas, omvattende de stappen: 7 - het voorzien van een systeem zoals bovenstaand beschreven; - het aan een systeem aanvoeren van een te zuiveren en/of behandelen stroom; en 5 - het scheiden en afvoeren van geproduceerd biogas van een reststroom.

Een dergelijke werkwijze biedt gelijke effecten en voordelen als die genoemd zijn bij het systeem. In een voordelige voorkeursuitvoeringsvorm omvat het biogas methaan 10 dat op relatief zuivere wijze wordt gegenereerd. Hierbij kan het methaan worden benut, naast gebruik van de calorische energie van het methaan, door de hoge druk om te zetten in een andere vorm van bruikbare energie zijnde arbeid of gaszuiverheid.

15 Verdere voordelen, kenmerken en details van de uitvinding worden toegelicht aan de hand van een voorkeursuitvoeringsvorm, waarbij verwezen wordt naar de bij gevoegde figuur, waarin toont: - Figuur 1: een systeem volgens de uitvinding.

20 Systeem 1 beschikt over een meet- en regelsysteem 2 voor de besturing van de gasstromen 3,9,14 en/of vloeistofstromen 4,5,17 door scheidingsmembranen 6,12 aangedreven door autogeneratieve biologisch opgewekte groene druk. Het meet- en regelsysteem 2 is specifiek gericht op de 25 besturing van een hoge druk membraanbioreactor 8. Met reactor 8 kan organisch materiaal, afval en/of huishoudelijk of industrieel afvalwater worden gezuiverd. Hierbij komt biogas vrij en wordt schoon water geproduceerd.

Systeem 1 bestaat uit een vat of tank 8 waarin een 30 waterige suspensie 10 van micro-organismen (het slib) aanwezig is, welke verantwoordelijk zijn voor een biologisch omzettingproces. Dit biologische omzettingsproces behelst de 8 anaërobe omzetting van organisch materiaal in methaan, andere biogassen en kooldioxide.

Het geproduceerde biogas wordt gezuiverd van ongewenste componenten zoals kooldioxide door toepassing van een 5 gasmembraan 6. Het behandelde water-slibmengsel wordt van elkaar gescheiden door middel van een slibmembraan 12, zoals in een membraanbioreactor. Door deze scheiding wordt de biologisch actieve massa in het vat gehouden, terwijl het schone water wordt afgescheiden.

10 Systeem 1 omvat een drukketel (het vat of de reactor of de tank 10). Deze drukketel 8 is bestand tegen een druk tot 100 Bar. Het zuiveringsproces vindt plaats in deze drukketel 8. De micro-organismen in de drukketel 8 produceren biogas waardoor de druk autogeneratief oploopt. Deze druk wordt ook 15 wel "groene druk" genoemd, een relatief nieuwe biologische vorm van energie. Systeem 1 bevat een bacterieculture die bestand is tegen hoge druk. Door de oplopende druk in het gesloten vat 8 zal de oplosbaarheid van kooldioxide in de waterfase toenemen, waardoor er minder kooldioxide in het 20 biogas terecht komt. Het geproduceerde biogas heeft daardoor een uitzonderlijk hoog methaangehalte van 80 a 99 volume %. In vat 8 is dus een tweefasensysteem aanwezig, enerzijds de gasfase 11 bestaande uit biogassen, anderzijds de vloeistoffase 10 bestaande uit het water-slibmengsel. Door 25 de autogeneratief oplopende druk ontstaat een drijvende kracht waarmee geproduceerd biogas door een gasmembraan 6 wordt geperst. Een doel hiervan is methaan 15 te scheiden van ongewenste componenten 13 alsmede de zuurgraad te reguleren. Tevens ontstaat door de hoge druk een drijvende 30 kracht waardoor het water-slibmengsel door het vloeistofmembraan 12 wordt geperst. Een doel is het schone water te scheiden van het slib. Indien de partiële C02-druk 9 hoger oploopt dan 73 Bar bij een temperatuur boven de 31 °C ontstaat in het water-slibmengsel superkritisch C02.

In onder meer de uitgaande leiding (lage druk zijde) van zowel de gasafvoer 14 als de afvoer van het slib-5 watermengsel 16 worden afsluiters 18 aangebracht die de uitgaande stroom blokkeren. Afsluiters 18 worden in de getoonde uitvoeringsvorm onder meer aangestuurd door een druksensor 7 die de druk in de drukketel 8 registreert. Als de druk lager wordt door het uitstromen van gas en/of 10 waterslibmengsel zorgt het meet- en regelsysteem 2 ervoor dat de uitgaande stromen worden verminderd. Als de druk door de biologische drukopbouw weer toeneemt worden de benodigde afsluiters 18 weer open gezet. Een doel hiervan is het systeem 1 op een vooraf ingestelde waarde van voldoende hoge 15 druk te houden.

In de getoonde uitvoeringsvorm is het drukvat bestand tegen een interne overdruk tot 100 bar. Het drukvat is hierbij voorzien van een drukmeter 7, een pH-meter 21, desgewenst een thermometer en een regeling om de temperatuur 20 te beheersen (niet getoond). De drukopbouw in het drukvat wordt geregistreerd door de drukmeter. De "groene druk" wordt direct of indirect gebruikt om een membraanscheidingsproces voor de gasfase en/of de waterfase aan te drijven, met als doel ongewenste componenten uit de 25 gasfase of de waterfase te verwijderen. Hiertoe wordt een regelaar gebruikt die gas doorlaat door het gasmembraan indien de druk in het vat hoger wordt dan een bepaalde instelbare waarde, en die de uitstroming van gas verhindert als de druk lager wordt dan een bepaalde instelbare waarde. 30 Tevens wordt hierbij een regelaar gebruikt die waterslibmengsel doorlaat naar het slibmembraan 12 indien de druk in het vat hoger wordt dan een bepaalde instelbare waarde, en die de uitstroming van waterslibmengsel 10 verhindert als de druk lager wordt dan een bepaalde instelbare waarde.

Aanvoerstroom 4 wordt via vat 20 en pomp 22 gebracht naar inlaat 25 van reactor 8. Pomp 22 is hierbij in de 5 getoonde uitvoeringsvorm op basis van rendement gekoppeld aan motor 24. Op bovenvermelde wijze wordt aanvoerstroom 4 in de reactor ingebracht. Het geproduceerde biogas wordt via uitlaat 3 via de pneumatische motor, of/en via 14, en dan via 15 afgevoerd naar het gasnet. Het slibwatermengsel wordt 10 afgevoerd via uitlaat 16. Het ontwaterd slib wordt afgevoerd via aftap 27. Het slibwatermengsel wordt afgevoerd via uitlaat 26. Schoon behandeld water wordt afgevoerd via uitlaat 5. Regelsysteem 2 is in de getoonde uitvoeringsvorm verbonden met de afsluiters 18, en de sensoren in systeem 1. 15 Hiermee worden de procescondities bewaakt en systeem 1, indien nodig, aangestuurd.

Mogelijke procescondities voor de getoonde uitvoeringsvorm van systeem 1 zijn voor vat 20 een volume van 5 m3, met instroom van 2,5 m3, op een druk van 1 atm bij 20 12 °C, een COD van 32,8 g/1, en een pH van 7. Reactor 8 heeft voor de gasfase 11 een volume van 7 m3, temperatuur van 30 °C en een samenstelling van 2400 mol CH4 en 1600 mol CO2. Voor de vloeistof fase 10 is een volume van 36 m3 beschikbaar bij een pH van 7 en temperatuur van 30 °C. De werkdruk in de 25 reactor ligt in het bereik van 1-70 bar, en bijvoorbeeld in geval van afvalwater in het bereik van 1-30 bar.

Uit experimenten is gebleken dat het kooldioxidegehalte van het geproduceerde gas lager is dan bij biogasproductie bij bekende processen onder atmosferische druk wordt 30 gerealiseerd. Dit wordt veroorzaakt door de extra oplosbaarheid van kooldioxide volgens de wet van Henry in de waterfase bij hoge druk. De vloeistoffase bevat bij een temperatuur van 31 °C en een partiële CC>2~druk van 7 3 bar of 11 hoger ook superkritisch C02. De vloeistoffase is verzadigd met kooldioxide. Het bij drukverlaging uittredende kooldioxide wordt gebruikt om vervuiling van de membranen 12 te bestrijden. Hiertoe wordt een regelaar 2 gebruikt die de 5 afsluiter 18 in de uitgaande vloeistofleiding 5 dicht zet op het moment dat de vervuiling op het membraan toeneemt boven een bepaald niveau.

Aan systeem 1 wordt een te zuiveren en/of behandelen stroom 4 toegevoerd. De micro-organismen zetten deze om 10 waarbij biogas wordt gevormd. Hiermee wordt de aangevoerde stroom gezuiverd. Het geproduceerde biogas kan voor andere doeleinden worden benut, zoals het aandrijven van een pneumatische motor, het scheiden van methaan en C02 volgens Henry, aandrijven membraanscheidingsproces, aandrijven 15 warmtepomp, en het ontwateren van slib.

Voorts is het mogelijk om naast het gebruik van de calorische of verbrandingsenergie van het geproduceerde biogas ook de verhoogde druk van dit biogas te benutten door omzetting in een andere vorm van bruikbare energie zijnde 20 arbeid. Hierbij wordt systeem 1 in feite op meer dan één manier gebruikt als energiegenerator. Bij voorkeur worden de beide functies van het genereren van energie op basis van de gerealiseerde hoge druk in het drukvat 8 gecombineerd met het zuiveren en/of behandelen van een aangevoerde stroom 4. 25 De onderhavige uitvinding is geenszins beperkt tot de bovenbeschreven voorkeursuitvoeringsvorm daarvan. De gevraagde rechten worden bepaald door de navolgende conclusies, binnen de strekking waarvan velerlei modificaties denkbaar zijn.

1037103

Claims (14)

1. Systeem voor het onder druk zuiveren en/of 5 behandelen van organisch materiaal, afval en/of afvalwaterstroom, het systeem omvattende: - een afsluitbaar drukvat voorzien van een inlaat voor het aanvoeren van een te zuiveren en/of behandelen stroom waarbij het drukvat is ingericht om een anaerobe omzetting 10 van de te zuiveren en/of behandelen stroom in onder meer biogas uit te voeren; - ten minste één uitlaat voor het uit het drukvat afvoeren van producten; - een besturingssysteem voor het aansturen van het 15 zuiveringsproces; en - energie genererende middelen voor het regelen en/of genereren van energie met ten minste een deel van het gevormde biogas.

2. Systeem volgens conclusie 1, waarin het besturingssysteem is voorzien van stroomregelmiddelen voor het reguleren van de stroom door een slibwatermembraan.

3. Systeem volgens conclusie 1 of 2, verder omvattende 25 een in het drukvat voorzien membraan voor het afscheiden van ten minste een deel van het geproduceerd biogas van de te zuiveren en/of te behandelen stroom.

4. Systeem volgens conclusie 2 of 3, waarin het 30 membraan een selectief gasmembraan omvat voor het verwijderen van waterstofthiocarbonzuur en/of kooldioxide en/of ongewenste gassen. 1037103

5. Systeem volgens één of meer van de conclusies 1-4, waarin de inlaat en ten minste ene uitlaat van afsluiters is voorzien. 5 6·. Systeem volgens één of meer van de conclusies 1-5, waarin het biogas omvat methaan, koolstofdioxide, waterstof, thiocarbonzuur en/of waterstofsulfide.

7. Systeem volgens één of meer van de conclusies 1-6, 10 verder omvattende drukmiddelen voor het realiseren van een druk zodanig dat het geproduceerde biogas additioneel wordt gezuiverd.

8. Systeem volgens één of meer van de conclusies 1-7, 15 waarin de energie genererende middelen omvatten een pomp, aandrijfbaar door het biogas uit het drukvat, voor het omzetten van gasdruk in toepasbare arbeid.

9. Systeem volgens conclusie 8, de pomp omvattende een 20 warmtepomp.

10. Systeem volgens één van de conclusies 8 of 9, waarin het besturingssysteem is voorzien van stelmiddelen voor het afstemmen van de capaciteit van de pomp op de druk 25 in het drukvat.

11. Systeem volgens één of meer van de conclusies 1-10, verder omvattende een gasbuffer voor het opslaan van geproduceerd biogas.

12. Werkwijze voor het zuiveren en/of behandelen van organisch afval en/of afvalwater omvattende de stappen: - het voorzien van een systeem volgens één of meer van de 5 conclusies 1-11; - het aan het systeem aanvoeren van een te zuiveren en/of behandelen stroom; - het scheiden en afvoeren van geproduceerd biogas van een reststroom. 10. het scheiden en afvoeren van geproduceerd schoon water van een reststroom. - het scheiden en afvoeren van ontwaterd slib van een reststroom.

13. Werkwijze volgens conclusie 12, waarin het geproduceerde biogas wordt gebruikt voor het genereren van energie.

14. Werkwijze voor het produceren van biogas, 20 omvattende de stappen: - het voorzien van een systeem volgens één of meer van de conclusies 1-11; - het aan het systeem aanvoeren van een te zuiveren en/of behandelen stroom; 25. het scheiden en afvoeren van geproduceerd biogas van een reststroom.

15. Werkwijze volgens conclusie 14, waarin het biogas methaan omvat. 1037103