DE10361196A1

DE10361196A1 - Anaerober thermophiler Bioreaktor mit Unterdruckdestillation

Info

Publication number: DE10361196A1
Application number: DE2003161196
Authority: DE
Inventors: Sten Flehmig
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-12-24
Filing date: 2003-12-24
Publication date: 2005-07-28

Abstract

Herkömmliche anaerobe Bioreaktoren erreichen nur Ablaufwerte, die einen weiteren Reinigungsschritt erforderlich machen. Ein Rückhalt der aktiven Biomasse erfordert nachgeschaltete Trennverfahren, bei hohen Durchsätzen besteht die Gefahr des Auswaschens der Biomasse. Der neue Bioreaktor ermöglicht die völlige Entkopplung der theoretischen Verweilzeit des Abwassers von der theoretischen Verweilzeit der Mikroorganismen. DOLLAR A Durch die Kombination des anaeroben thermophilen Bioreaktors mit einer Verdunstungs- oder Vakuumdestillation wird ein Verfahren zur Abwasserreinigung und zur Biogaserzeugung erreicht, das einen optimalen Biomasserückhalt, einen optimalen Umsatz und damit eine Reduzierung der Verweilzeit des Abwassers im Reaktor ermöglicht. Das entstehende Biogas wird dazu durch den Reaktor rezirkuliert und in einem externen Gaskühler getrocknet. Das anfallende Kondensat stellt den dem System entzogenen Abwasserstrom dar. DOLLAR A Der Reaktor ist für den Abbau von stark, insbesondere mit pflanzlichen und tierischen Ölen und Fetten, belastetem Abwasser konzipiert, das heiß oder in Prozessen mit überschüssiger Restwärme anfällt.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein thermophiler Biogasreaktor zur Reinigung organisch stark belasteter Abwässer.

Um organisch stark belastete Abwässer, insbesondere öl- und fetthaltige Abwässer aus er Speiseölraffination und Biodieselproduktion biologisch aufschließen zu können, werden derzeit thermophile anaerobe Festbett- oder Schlammdecken-(UASB)- Reaktoren verwendet. Dabei werden hohe Ausbeuten an Biogas erzielt, jedoch ist die Qualität des behandelten Abwassers nicht zufriedenstellend. Es muss in nachgeschalteten Reinigungsstufen, z.B. durch eine aerobe biologische Stufe nachbehandelt werden. Zudem erweist es sich als problematisch, die Konzentration des langsam wachsenden anaeroben Mikroorganismuskonsortiums bei hohen Durchsätzen durch die Reaktoren konstant zu halten. Andere Reaktorkonzeptionen behandeln das Abwassers in einer Moving-Bed-Biofilmbiologie, wo die aktive Biomasse auf kleinen suspendierten Trägerkörpern immobilisiert wird, um deren Austrag zu begrenzen ( DE 19829673C2 ). Eine Veröffentlichung von Becker, Hüppe, Wagner und Hempel (Einsatz eines Suspensions-Airlift-Schlaufenreaktors zur Reinigung problematischer Abwässer, Chem.-Ing.-Tech. 59 (1987) Nr.6, S.486-489) beschäftigt sich mit der Immobilisation von adaptierten Bakterienstämmen auf suspendierten Sandpartikeln. Dabei werden zwar gute Abbauleistungen erreicht, für einen anaeroben Fettabbau ist der Reaktor jedoch nicht ausgelegt.

Mit Füllkörpern, die eine spezielle Dichte und eine hohe spezifische Fläche aufweisen, auf denen sich die methanogenen Bakterien immobilisieren sollen und die in einem Propeller-Schlaufenreaktor umgewälzt werden, soll ein erhöhter Biomasserückhalt in der Anmeldung DE 4429406 erreicht werden. Ölhaltige Abwässer neigen jedoch dazu, die Oberflächen im Reaktor mit einem Ölfilm zu überziehen, wodurch die auf suspendierten Partikeln immobilisierten Mikroorganismen gehemmt werden.

Weitere Konzeptionen arbeiten mit Filtrationsmodulen, die in fetthaltigen Abwässern einer starken Tendenz des Deckschichtenaufbaus (Membranfouling), mit unvermeidlicher Reduzierung des Filtratflusses unterliegen und öfter rückgespült und getauscht werden müssen. Zudem fügen die Ultra- oder Membranfiltrationsmodule zur Gewinnung von hygienisch unbedenklichem Wasser den in Mikroflocken organisierten anaeroben Mikroorganismen eine stake mechanische Schädigung zu. Ein neuerer Ansatz besteht in der Behandlung des Abwassers mit strömungsberuhigten oder überstauten Abscheidern ( DE 4213015C2 ), der eine bessere Abwasserqualität erreicht, aber keinen vollständigen Rückhalt der aktiven Biomassen erlaubt.

Die vorliegende Erfindung kombiniert den anaeroben thermophilen Bioreaktor mit einer Verdunstungs- oder Vakuumdestillation zu einem wirtschaftlichen Verfahren zur kostengünstigen Abwasserreinigung und Biogaserzeugung. Sie ist für den Abbau von stark mit pflanzlichen und tierischen Ölen und Fetten belasteten Abwässern konzipiert und ermöglicht einen optimalen Biomasserückhalt, optimalen Umsatz und damit eine Reduzierung der Verweilzeit des Abwassers im Reaktor. Es wird die völlige Entkopplung der theoretischen Verweilzeit des Abwassers von der theoretischen Verweilzeit der Mikroorganismen erreicht. Gegenüber herkömmlichen Reaktoren kann der erfindungsgemäße Reaktor somit für bestimmte zu reinigende Abwasserströme mit weniger Reaktorvolumen auskommen und verursacht geringere Investitions- und Betriebskosten.

Der im Airlift-Schlaufenreaktor zirkulierende Biogasstrom dient dabei gleichzeitig der scherkraftarmen Umwälzung der Gärsuspension und dem Austrag von Wasser aus dem Reaktor. Besonders effizient ist der beschriebene Reaktor für Anwendungsgebiete, in denen das Abwasser heiß anfällt oder überschüssige Prozesswärme zur Verfügung steht. Es kann fast der gesamte Anteil des Abwassers in Kondensat überführt werden, übliche nachgeschaltete biologische oder physikalische Reinigungsstufen entfallen. Eine bei der in der Biogasproduktion vorherrschenden Cofermentation auftretende Kontamination des Kondensats mit Schwefelwasserstoff oder Ammoniaks tritt bei dem thermophilen Abbau von organischen Ölen und Fetten als Monosubstrat nicht auf. Das gewonnene Kondensat enthält nur geringe Anteile flüchtiger organischer Säuren und steht damit als Prozesswasser zur Verfügung oder kann in den Naturkreislauf zurückgegeben werden.

Erfindungsgemäß wird dazu in den zirkulierenden Biogasstrom, der zur Umwälzung des Reaktorinhaltes dient, ein externer Gaskühler geschaltet, in dem das warme, feuchtegesättigte Biogas aus dem Reaktor auskondensiert. Bei üblicher Gasrezirkulation können pro Tag von thermophilen Airlift-Schlaufenreaktoren (50-60°C) etwa 5% des Reaktorvolumens als Kondensat gewonnen werden, durch das Anlegen eines Unterdrucks am Reaktorkopf deutlich mehr. Bereits bei einem Unterdruck von 0,16 bar beginnt die Flüssigkeit im thermophilen Reaktor bei einer Temperatur von 55°C zu sieden.

Der Reaktorkopf ist konstruktiv so gestaltet, dass das Biogas ohne Feuchteverlust aus dem Reaktor in den Gaskühler gelangen kann. Dazu wird durch Heizung und Isolierung die Temperatur der gasführenden Bauteile des Reaktorkopfes über der Temperatur der Gärsuspension gehalten.

Um eine Aufkonzentration von Salzen in einen die aktive Biomasse inhibierenden Bereich zu verhindern, wird ein Teilstrom aus dem Reaktor entzogen und durch ein Entsalzungsmodul geführt. Durch Flockung und Fällung werden die Salze gebunden und mit einem Überschussstrom ausgetragen. Der Anteil dieses Stromes liegt je nach Substrat bei 2 bis 7 %.

Eine typische Ausführungsvariante, ein Propeller-Airlift-Schlaufenreaktor mit innerem, inversen (im Innenrohr abfallenden) Umlauf ist nachfolgend beschreiben: Der zylinderförmige Reaktor 5 hat innen ein axial zentriertes Rohr (Downcomer) 5a, um eine Schlaufenströmung ausbilden zu können. Dabei ist die Querschnittsfläche des Innenrohres deutlich geringer als die Querschnittsfläche des übrigen Reaktors. Der Reaktor wird mit rezirkulierendem Biogas 4 von unten über einen zwischen Reaktorwand und Innenrohr liegenden Begasungsring 10 begast. Die durch die geringere Dichte des Biogas-Flüssigkeit-Gemisches im äußeren Ring (Riser) gegenüber der Dichte im Innenrohr induzierte Schlaufenströmung nach dem Mammutpumpenprinzip, ermöglicht eine schonende Umwälzung der Biomasse und verhindert stoffliche Konzentrations- und Temperaturgradienten im Reaktor. Eine effektive Beheizung wird durch im Innenrohr verlaufende Heizstränge 9b erreicht, da die hier herrschende erhöhte Strömungsgeschwindigkeit beste Wärmeübergänge ermöglicht. Alternativ kann auch über eine Mantelheizung beheizt werden. Das durch die Reaktorflüssigkeit geperlte Biogas, das am Kopf des Reaktors nahezu mit Feuchtigkeit gesättigt ist, wird aus dem Reaktor gesaugt und durch einen separaten Gaskühler 2 geführt, wo die Feuchtigkeit des Gases auskondensiert und als Kondensat 6 abgeführt wird. Die Absaugung erfolgt durch eine dem Kondensator nachgeschaltete Pumpe 3, die saugseitig einen Unterdruck (Vakuum) erzeugen kann. Über die Erhöhung des Saugdruckes der Pumpe lässt sich die im Gaskühler anfallende Menge an Kondensat steigern. Um eine Kondensation noch im Bioreaktor auszuschließen, wird der Kopf des Reaktors durch eine Mantelheizung 9a auf einem geringfügig höheren Temperaturniveau als der Reaktorinhalt gehalten. Die internen Heizstränge 9b und die Mantelheizung am Reaktorkopf 9a werden über einen thermostatisch geregelten Warmwasserkreislauf 9 gespeist. Nach Gaskühler und Unterdruckpumpe wird dem System das durch die anaerobe Faulung im Reaktor erzeugte überschüssige, getrocknete Biogas 4a entzogen. Der verbleibende Gasstrom 4 wird am Reaktorboden wieder eingepresst. Ein Teilstrom aus dem Reaktor wird in ein Entsalzungsmodul 7 überführt, wo die Salze durch Zugabe von Flockungs- und Fällungsmittel 12 sedimentieren und als Überschussstrom 8 aus dem System entfernt werden. Das entsalzte Abwasser 13 wird dem Reaktor wieder zugeführt.
Zur Sicherstellung einer hohen Prozessstabilität kann optional als paralleles System für die Umwälzung ein Propellerrührer 11 im Innenrohr installiert werden.

1: aufzubereitendes Abwasser
2: Gaskühler/Kondensator
3: Vakuumpumpe
4: zirkulierendes Biogas
4a: erzeugtes Biogas
5: Airlift-Schlaufenreaktor
5a: Innenrohr
6: Kondensat/gereinigtes Abwasser
7: Entsalzungsmodul
8: abgeschiedene Salze
9: Warmwasserkreislauf
9a: Reaktorkopfheizung
9b: Heizstränge
10: Gaseinperlung
11: Propellerrührer
12: Fällungs-/Flockungsmittel
13: entsalzte Gärsuspension

Claims

Verfahren zur biologischen Abwasserreinigung, wobei in einem thermophilen anaeroben Biogasreaktor Biogas durch den Reaktor zirkuliert, dadurch gekennzeichnet, dass das aus der Gärsuspension austretende Biogas direkt in einen externen Gaskühler (2) geleitet wird und das entstehende Kondensat (6) als gereinigtes Abwasser gewonnen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung des Feuchtegehaltes des Gases und der gewonnenen Kondensatmenge ein Unterdruck im Gasraum des Biogasreaktor erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktorkopf, in dem das Biogas aus der Gärsuspension austritt und die Gasleitung zum Gaskühler (2) eine höhere Temperatur aufweisen als der restliche Reaktor.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilstrom aus der Gärsuspension in ein Entsalzungsmodul (7) geleitet wird und nach der Entsalzung zurück in den Reaktor geführt wird.