DE10005114A1 - Verfahren zur Biomasse-Rückhaltung bei Biogasreaktoren sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zur Biomasse-Rückhaltung bei Biogasreaktoren sowie Vorrichtung zur Durchführung des VerfahrensInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Biomasse-Rückhaltung bei Bioreaktoren, insbesondere bei anaeroben Schlammbettreaktoren. Hierbei sind der Ablauf des Bioreaktors mit Druck überlagert, so daß bei erhöhtem Druck eine Sedimentation der Biomasse erfolgen kann. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Biomasse-Rückhaltung besitzt einen Bioreaktor, der über eine Leitung mit einem Feststoffabscheider verbunden ist, wobei der Feststoffabscheider ein überstauter Feststoffabscheider ist. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich vorzugsweise bei Anaerobreaktoren einsetzen. Es ist hierauf aber nicht beschränkt, sondern auch bei aeroben Prozessen, wie beispielsweise bei der aeroben Abwasserreinigung, einsetzbar.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Biomasse-Rückhaltung
bei Bioreaktoren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens.
Bioreaktoren sind in verschiedenen Ausgestaltungen bekannt.
Sie dienen zur Anzucht von Mikroorganismen, werden aber auch
als Behältnis für biologische Stoffumwandlungen zu
unterschiedlichen Zwecken eingesetzt. Eine besondere Form
eines Bioreaktors stellt der anaerobe Schlammbettreaktor dar,
der auch als UASB-Reaktor bezeichnet wird (upstream anaerobic
sludge blanket-reactor).
Anaerobe Schlammbettreaktoren werden unter anderem zur
Abwasserbehandlung eingesetzt. Hierbei wird der Reaktor von
unten nach oben mit Abwasser durchströmt, wobei sich im
unteren Bereich des Reaktors ein Schlammbett mit hoher
Bakterienkonzentration ausbildet. Am Kopf des Reaktors tritt
das gereinigte Abwasser aus dem Reaktor aus. Dieser Ablauf
sollte möglichst frei von Biomasse sein, da die
Mikroorganismen unter anaeroben Bedingungen im allgemeinen
langsam wachsen und bei zu kurzen hydraulischen Verweilzeiten
leicht ausgeschwemmt werden können. Um hohe
Umsatzgeschwindigkeiten erzielen zu können, muß daher darauf
geachtet werden, daß möglichst wenig Biomasse mit dem
gereinigten Abwasser aus dem Reaktor entfernt wird. Besonders
schwierig ist diese Aufgabe bei platzsparend bauenden, hohen
Biogasreaktoren, bei denen mit dem aufsteigenden Biogas auch
Biomasse nach oben transportiert und ausgetragen wird.
Es sind bereits Biogasreaktoren bekannt geworden, bei denen
durch entsprechende konstruktive Maßnahmen einem Verlust von
Biomasse entgegengewirkt wird. Solche Reaktoren sind von
Märkl beschrieben worden (Märkl, 1999, Modeling of Biogas
Reactors, H.-J. Rehm und G. Reed (Herausgeber),
Biotechnology, Volume 11a, VCH Verlagsgesellschaft, Weinheim,
527-560). Ein solcher Bioreaktor ist auch aus EP 0 640 059 B1
bekannt.
Die verschiedenen Biogasreaktoren nach dem Stand der Technik
lösen jedoch das Problem der Biomasse-Ausschwemmung aus dem
Reaktor nicht zufriedenstellend. Im Reaktorkopf entstehen
immer wieder Turbulenzen, hervorgerufen durch aufsteigende
Gasblasen, wodurch Biomasse mit in den Ablauf gelangt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein
Verfahren zur Biomasse-Rückhaltung bei Bioreaktoren
anzugeben, mit dem eine möglichst gute Sedimentation von
Biomasse und damit ein möglichst biomassefreier Ablauf
gewährleistet wird. Des weiteren ist es Aufgabe der
vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung
eines solchen Verfahrens bereitzustellen.
Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der gestellten Aufgabe
dadurch, daß man den Ablauf des Bioreaktors mit Druck
überlagert und bei erhöhtem Druck eine Sedimentation der
Biomasse vornimmt. Eine Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens zur Biomasse-Rückhaltung besitzt einen Bioreaktor,
der über eine Leitung mit einem Feststoffabscheider verbunden
ist, wobei der Feststoffabscheider ein überstauter
Feststoffabscheider ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Erkenntnis, daß
insbesondere bei höherer Reaktorbelastung eine Abscheidung
der Biomasse nur unzureichend gelingt, weil Gasblasen zum
großen Teil erst im Bereich des Reaktorkopfes entstehen, da
sich bei der Aufwärtsströmung des Abwassers der
hydrostatische Druck verringert. Die Menge der selbst im
oberen Bereich des Reaktors entstehenden Gasblasen reicht
jedoch aus, um die gewünschte Sedimentation der Biomasse zu
verhindern und wichtige Biomasse auszuschwemmen. Um diesem
Auftreten von Gasblasen entgegenzuwirken, sieht das
erfindungsgemäße Verfahren vor, den Ablauf des Bioreaktors
mit Druck zu überlagern und bei erhöhtem Druck eine
Sedimentation der Biomasse vorzunehmen. Gasblasen, die sich
im oberen Bereich des Reaktors aufgrund des dort herrschenden
niederen Drucks gebildet haben, gehen nach Erhöhung des
Drucks wieder in Lösung. Die Biomasse-Suspension wird somit
blasenfrei, und es entstehen günstige Bedingungen für die
Sedimentation der Biomasse. Unter diesen Bedingungen wird die
Sedimentation der Biomasse durch aufsteigende Gasblasen nicht
mehr gestört.
Eine Druckerhöhung kann mittels einer Flüssigkeitspumpe
vorgenommen, die beispielsweise zwischen dem Reaktorablauf
und einem nachgeschalteten Abscheider angeordnet werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich vorzugsweise bei
Anaerobreaktoren einsetzen. Es ist hierauf aber nicht
beschränkt. Auch bei aeroben Prozessen, wie beispielsweise
bei der aeroben Abwasserreinigung, kommt es darauf an,
biologisch aktive Biomasse im System zu halten. Das
erfindungsgemäße Verfahren ist besonders für tiefe Becken
geeignet, die über eine entsprechende hydrostatische
Höhendifferenz verfügen.
Zur Sedimentation der Biomasse eignen sich
Feststoffabscheider, bei denen eine Sedimentation der
Biomasse unter Ausnutzung der Schwerkraft erfolgt. Durch
Drucküberlagerung eines solchen Feststoffabscheiders werden
gebildete Gasblasen wieder gelöst, wodurch eine Behinderung
der Sedimentation vermieden wird.
Überraschenderweise wurde gefunden, daß eine effektive
Biomasse-Rückhaltung mit einem überstauten
Feststoffabscheider möglich ist. Für die Realisierung dieser
Lösung ist nur ein relativ geringer konstruktiver Aufwand
erforderlich. Der Feststoffabscheider wird dem Bioreaktor
nachgeschaltet, so daß der Ablauf des Bioreaktors in den
Feststoffabscheider gelangt. Wird der Feststoffabscheider
tiefer als der Reaktorablauf angeordnet, entsteht im
Feststoffabscheider ein hydrostatischer Druck, der der Höhe
der Wassersäule zwischen dem Reaktorablauf und dem Abscheider
entspricht. Eine Flüssigkeitspumpe kann somit entfallen,
gegebenenfalls aber noch zusätzlich vorgesehen werden.
Ein geeigneter Druck zur Drucküberlagerung des Ablaufes des
Bioreaktors kann von besonderen Schlammeigenschaften abhängen
und insbesondere bei der aeroben Abwasserreinigung zum
Erreichen besserer Absetzeigenschaften von Fall zu Fall
unterschiedlich sein. Unter Umständen wird man sich bei der
Druckeinstellung auch an der Reaktorbelastung orientieren. Je
höher diese ist, desto wichtiger wird es, den Druck für die
Sedimentation der Biomasse zu steigern.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung befindet
sich der Feststoffabscheider auf der Höhe des unteren Endes
des Bioreaktors. Zur weiteren Erhöhung des hydrostatischen
Druckes läßt sich der Feststoffabscheider aber auch auf eine
noch tiefere Position absenken. Wird der Bioreaktor auf den
Boden gestellt, kann der Feststoffabscheider beispielsweise
in einem Bodenschacht versenkt sein.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung läßt sich die unter
Druck sedimentierte Biomasse wieder in den Bioreaktor
zurückführen. Bevorzugt wird diese Biomasse in den unteren
Bereich des Bioreaktors zurückgeführt.
Weiterhin hat sich gezeigt, daß man die Sedimentation der
Biomasse noch verbessern kann, wenn man diese bei niedrigerer
Temperatur als der Temperatur im Bioreaktor durchführt. Dabei
ist jedoch darauf zu achten, daß eine Temperaturabsenkung
unter Umständen eine vorübergehende Inaktivierung der
beteiligten Mikroorganismen bewirken kann. Die Höhe der
Temperaturabsenkung ist daher dem biologischen System
anzupassen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der
Ablauf des Feststoffabscheiders auf die Höhe des Ablaufes des
Bioreaktors zurückgeführt. Auf diese Weise läßt sich ohne
weiteren technischen Aufwand, wie z. B. durch den Einbau von
Drosselventilen, ein druckloser Ablauf erreichen.
In bevorzugter Weise ist das Lösungsvermögen des Wassers für
Gase im Feststoffabscheider durchschnittlich mindestens 30%,
vorzugsweise mindestens 60%, höher als das Lösungsvermögen
des Wassers für Gase im Kopf des Bioreaktors. Dabei kommt es
im wesentlichen auf das Gas Methan an, dessen
Lösungsvermögen im Vergleich zu Kohlendioxid geringer ist.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung, insbesondere eine
Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden nachfolgend anhand ausgewählter Beispiele näher
erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 einen Biogasreaktor mit überstautem
Feststoffabscheider in einer schematischen
Seitenansicht,
Fig. 1a einen Biogasreaktor mit überstautem
Feststoffabscheider in einer schematischen
Seitenansicht, wie er zur Durchführung eines
Versuches nach Fig. 3 verwendet wurde,
Fig. 2 unterschiedliche Ausführungsformen eines
Feststoffabscheiders, jeweils in schematischer
Seitenansicht sowie
Fig. 3 Versuchsdiagramm: Entwicklung der Biomasse
während einer Zeit von 600 Tagen in einem
Biogasreaktor gemäß Fig. 1a.
In Fig. 1 ist als besonderer Bioreaktor 1 ein Biogasreaktor
dargestellt. Hierbei handelt es sich um eine turmartige
Reaktorkonstruktion, der Abwasser über eine Leitung 10 am
unteren Ende 6 des Bioreaktors zugeführt wird und den
Bioreaktor 1 von unten nach oben durchströmt, wobei eine
Reinigung des Abwassers stattfindet. Über einen Überlauf 11
am Kopf 12 des Bioreaktors 1 kann das (teil)gereinigte Wasser
dann wieder abfließen. Beim anaeroben Abbau von organischen
Stoffen im Abwasser entsteht hierbei Biogas, das überwiegend
aus Methan und Kohlendioxid besteht. Zu geringen Anteilen
können auch weitere Gase gebildet werden, wie beispielsweise
Schwefelwasserstoff oder Ammoniak.
Um eine Gasakkumulation im oberen Bereich des Bioreaktors 1
zu vermeiden, sieht der Bioreaktor 1 nach Fig. 1 einzelne
Gasauffangvorrichtungen 13 vor, die gebildetes Biogas
abfangen, so daß das Biogas über Ventile 14 und eine
Gassammelleitung 15 abgezogen werden kann.
Während bei Bioreaktoren nach dem Stand der Technik im
Bereich des Reaktorkopfes 12 noch Gasblasen auftreten, die
die Sedimentation der Biomasse erschweren, kann das Auftreten
von Gasblasen im Feststoffabscheider 3 durch die vorliegende
Erfindung deutlich reduziert werden. Der Bioreaktor 1 wird
hierzu über eine Leitung 4 mit dem Feststoffabscheider 3
verbunden, über die der Ablauf 2 des Bioreaktors 1 in den
Feststoffabscheider 3 gelangt. Die Leitung 4 führt zum oberen
Ende 21 des Feststoffabscheiders, so daß der Ablauf 2 direkt
in den Wirkungsbereich 23 des Feststoffabscheiders 3 geleitet
wird.
Dabei ist der Feststoffabscheider 3 durch seine relative Lage
zum Ablauf des Bioreaktors 1 überstaut. Bei diesem Druck geht
gebildetes Biogas wieder in Lösung, so daß eine Sedimentation
der Biomasse ungestört durch aufsteigende Gasblasen erfolgen
kann. Der durch die Lösung des Biogases bewirkte Effekt auf
die Sedimentation ist um so höher, je größer die
Raumbelastung des Bioreaktors 1 ist. Wie experimentelle Daten
ergeben haben, führt gerade eine hohe Raumbelastung zur
vermehrten Biogasbildung und demzufolge zu einer
Beeinträchtigung der Biomasse-Sedimentation unter sonst
üblichen Bedingungen.
Mit dem Feststoffabscheider 3 ist eine weitere Leitung 5
verbunden, über die das gereinigte Wasser abfließen kann. Die
Leitung 5 ist hierbei auf die Höhe des Ablaufs 2
zurückgeführt, um einen drucklosen Ablauf des gereinigten
Wassers aus dem Gesamtsystem zu ermöglichen.
An die konstruktive Ausgestaltung des Feststoffabscheiders 3
sind im Grunde keine großen Anforderungen gestellt. Es ist
jedoch darauf zu achten, daß der Abscheider nicht zu groß
dimensioniert ist, da sonst aufgrund der großen Verweilzeit
des Abwassers im Abscheider mit einer erneuten Bildung von
Gasblasen zu rechnen ist, die die Abscheideleistung
beeinträchtigen können.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Verweilzeit
des Abwassers im nachgeschalteten Feststoffabscheider 3 so zu
bemessen, daß das im Bereich des Feststoffabscheiders
produzierte Biogas vollständig von der aufgrund des erhöhten
hydrostatischen Drucks ebenfalls erhöhten Löslichkeit des
Biogases ausgeglichen wird. Da das Lösungsvermögen von Wasser
für CO2 (22,5 mmol L-1 bar-1, bei 37,5°C) wesentlich höher
ist als das für Methan (1,1 mmol L-1 bar-1, bei 37,5°C), muß
im gegebenen Zusammenhang nur die Methanbildung betrachtet
werden.
Im folgenden wird am Beispiel des für die beschriebenen
Experimente eingesetzten Biogasreaktors 1 im
Technikumsmaßstab (300 L) anhand der hier vorgetragenen
Grundüberlegung das geeignete Abscheidevolumen ermittelt. Das
Lösungsvermögen für Methan bei einem Biogas mit 60%-igem
Methananteil am Reaktorkopf 12 beträgt
1,1 mmol L-1 bar-1 × 0,6 bar × 1,3 = 0,86 mmol L-1
wobei davon ausgegangen wird, daß die Lösung um etwa 30%
(Faktor 1, 3) übersättigt ist. Der entsprechende Wert im
Feststoffabscheider beträgt
1,1 mmol L-1 bar-1 × 1,6 bar × 1,3 = 2,29 mmol L-1
Der Partialdruck von 1,6 bar ergibt sich aus der
hydrostatischen Überstauung von 6 m und der Tatsache, daß
hier anstelle von Biogas mit 60%-igem Methananteil von reinem
Methan auszugehen ist, da das produzierte CO2 vollständig
geschluckt wird. Das Speichervermögen für Methan berechnet
sich also aus der Differenz:
2,29 mmol L-1 - 0,86 mmol L-1 = 1,43 mmol L-1
Dieser Wert entspricht unter Normbedingungen einem Gasvolumen
von 32 ml L-1.
Geht man davon aus, daß mit einer Gasproduktion von 2 lBiogas
L-1 d-1 bzw. 1,2 lMethan L-1 d-1 = 50 mlMethan L-1 h-1 zu rechnen
ist, dann sollte im Feststoffabscheider 3 die mittlere
Verweilzeit
32 ml L-1 : 50 ml L-1 h-1 = 0,64 h
nicht überschritten werden. Bei einem durch den
Feststoffabscheider geleiteten Volumenstrom von 150 L d-1
(entspricht einer mittleren Verweilzeit im Bioreaktor 1 von 2
Tagen) = 6,7 L h-1 erhält man ein rechnerisches
Abscheidervolumen von
6,7 L h-1 × 0,64 h = 4,29 L
Da das Abscheidervolumen bei der gewählten Konstruktion nur
zu einem Teil durchströmt wird, der andere Teil, der die
abgeschiedene Biomasse enthält, hier jedoch nicht
mitgerechnet werden darf, wurde für die Experimente das
Abscheidervolumen von 6 L gewählt. Dieses hat sich während
der durchgeführten Versuche bewährt. Flotation von Biomasse
aufgrund von Gasblasenbildung wurde nicht beobachtet.
Es sei im übrigen noch darauf hingewiesen, daß es günstig
ist, den nachgeschalteten Feststoffabscheider 3 sowie die
Leitung 4 thermisch nicht gegen die Umgebung zu isolieren.
Einmal verringert sich bei einer Abkühlung des Abwassers die
Biogasproduktion in diesem Bereich und zum anderen verbessert
sich das Vermögen der Flüssigkeit, Methan zu speichern. Eine
Temperaturerniedrigung von 37°C auf 32°C erhöht die
Löslichkeit für Methan immerhin um 0,1 mmol L-1 bar-1.
Aufgrund dieser Tatsache enthält der oben angegebene Wert für
das Abscheidervolumen von 6 L noch gewisse
Sicherheitsreserven.
Wie das Rechenbeispiel ebenfalls gezeigt hat, wird die
Leistung des Feststoffabscheiders um so besser, je größer der
Höhenunterschied zwischen Reaktorkopf und der Lage des
Feststoffabscheiders ist, da sich mit der Höhendifferenz das
Speichervermögen der Flüssigkeit für Methan erhöht.
Andererseits haben sowohl die Beispielrechnung als auch die
Experimente gezeigt, daß bereits ein Höhenunterschied von nur
6 m schon eine erstaunlich gute Leistung des Abscheiders im
Hinblick auf einen Rückhalt der Biomasse ergibt.
Bevorzugte Ausführungsformen des Feststoffabscheiders 3 sind
in Fig. 2 dargestellt. Die einfachste Form ist im Querschnitt
zylindrisch oder rechteckig und weist keine zusätzlichen
Einbauten auf (Fig. 2a). Diese Ausführungsform gewährleistet
auch trotz des kleinen Abscheidervolumens (1/50 des Volumens
des Bioreaktors 1) eine gute Funktion. In dem unten
beschriebenen Versuchsbeispiel wurde die zylindrische
Variante eingesetzt, weil sich diese leicht aus einem Rohr
herstellen läßt.
Vorteile gegenüber der in Fig. 2a dargestellten Bauart
ergeben sich bei der Verwendung eines Trennelements 7 (Fig.
2b), da hier der Kurzschluß zwischen Zulauf 16 und Ablauf 17
unterbrochen wird.
Die Ausführungsform gemäß Fig. 2c zeigt eine zylindrische
Bauart mit einem Einleitrohr 18, wodurch ebenfalls ein
Kurzschluß zwischen Zulauf 16 und Ablauf 17 verhindert wird.
In Fig. 2d ist schließlich noch eine besondere
Ausführungsform eines Feststoffabscheiders 3 mit mehreren
Trennlamellen 26 dargestellt. Die einzelnen Trennlamellen 26
sind parallel zueinander angeordnet, wobei ein Trennelement 7
den unerwünschten Kurzschluß zwischen Zulauf 16 und Ablauf 17
verhindert. Darüber hinaus ist der Trichterwand 19 auf der
Seite 20 des Ablaufs 17 bis zum oberen Ende 21 des
Feststoffabscheiders 3 verlängert. Der Feststoffabscheider 3
gemäß Fig. 2d dürfte von den gezeigten Ausführungsformen die
beste Abscheideleistung besitzen. Es ist jedoch zu beachten,
daß es grundsätzlich günstig ist, möglichst wenig Flächen in
den Abscheider zu integrieren, da sich auf diesen Flächen
Mikroorganismen ansiedeln können, die zur unerwünschten
Gasblasenbildung führen. Um dennoch den Vorteil des
Lamellenabscheiders zu nutzen, können die Trennlamellen 26
mit einer Mikroorganismen abweisenden Oberfläche versehen
sein. Hierzu können glatte Materialien oder entsprechende
Antihaftbeschichtungen verwendet werden, wie sie im
allgemeinen bekannt sind.
Die Versuche wurden im Technikumsmaßstab gemäß Fig. 1a mit
einem Bioreaktor 1 mit nachgeschaltetem Feststoffabscheider 3
durchgeführt, dessen grundsätzlicher Aufbau dem in Fig. 1
entspricht. Das Reaktorvolumen betrug 300 L, der innere
Reaktordurchmesser 0,225 m, die Höhe 5,8 m. Der Apparat war
aus doppelwandigen zylindrischen Glaselementen aufgebaut. Der
Doppelmantel diente der Thermostatisierung der Anlage auf
37°C. Als Wärmeträger diente Wasser, das über einen
Thermostaten auf der gewünschten Temperatur gehalten wurde.
Zur Temperaturmessung wurden vier Pt-100-Widerstände über die
Reaktorhöhe verteilt. Versuche wurden mit der Anlage ohne und
mit nachgeschaltetem Feststoffabscheider 3 durchgeführt. Der
hydrostatische Druck im Bereich des Feststoffabscheiders 3
betrug ca. 0,6 bar.
Auf dem Weg vom Kopf 12 des Bioreaktors 1 zum
nachgeschalteten Feststoffabscheider 3 erhöhte sich der
hydrostatische Druck. Gasblasen, die sich im oberen Bereich
des Bioeaktors aufgrund des dort herrschenden niederen Drucks
gebildet haben, gingen nach Erhöhung des Drucks wieder in
Lösung. Die Suspension war somit völlig blasenfrei, und es
bestanden günstige Bedingungen für die Sedimentation der
Biomasse. Die Biomasse setzte sich großenteils ab und wurde
über eine Pumpe 22 von Zeit zu Zeit dem Bioreaktor 1 wieder
zugeführt.
Der Bioreaktor 1 wurde mit Biomasse aus einem Biogasreaktor
der städtischen Kläranlage Hamburg gestartet und mit
zuckerhaltigem Nährmedium versorgt. Das zugeführte Substrat
enthielt Saccharose 60 g/L, KOH 2,5 g/L, NaOH 2,5 g/L sowie
Spurenelemente nach Dubach (Dubach A. (1987): Anaerobe
Vergärung von Fructose mit methanogenen Mischkulturen.
Dissertation Zürich). Das Substrat wurde einem
Vorratsbehälter entnommen, in dem bereits eine gewisse
Versäuerung stattgefunden hatte.
Das Ergebnis der Experimente, die über einen Zeitraum von 600
Tagen durchgeführt wurden, ist in Fig. 3 dargestellt.
Aufgetragen ist der gesamte experimentell ermittelte
Feststoff im Reaktor. Auf der Abszisse ist die Versuchszeit
dargestellt. Während der ersten 335 Tage wurde die Anlage
ohne Feststoffabscheider 3, in der restlichen Zeit mit dem
überstauten Feststoffabscheider 3 betrieben.
Während der gesamten Versuchszeit wurde der Reaktor
unterschiedlich belastet. Die für den Reaktor ermittelten
hydraulischen Verweilzeiten bewegten sich im Bereich zwischen
1 und 7,5 Tagen. Beim Betrieb ohne nachgeschalteten
Feststoffabscheider 3 wurde die Biomasse nach und nach aus
dem Reaktor ausgetragen. Um den Biomassepegel nicht unter
einen kritischen Wert von ca. 2,5 kg absinken zu lassen,
wurde in Abständen biomasschaltiges Flotat zugegeben. Dieses
Flotat wurde aus dem Ablauf des Reaktors gewonnen. Zusätzlich
wurde neue Animpfbiomasse zu zwei verschiedenen Zeiten,
einmal 1,5 kg und einmal 1,8 kg zugeführt. Nach einer
Versuchszeit von ca. 250 Tagen wurde ein Gasabweiser 24 in
den Bioreaktor 1 eingebaut, der aufsteigende Gasblasen zur
Gasauffangvorrichtung 13 leiten sollte. Die aufsteigenden
Gasblasen sollten auf diese Weise nicht in den Kopf 12 des
Bioreaktors 1 gelangen.
Wie die Ergebnisse zeigen, war eine Stabilisation von
Biomasse auf niedrigem Niveau möglich, ein Zuwachs von
Biomasse ergab sich allerdings nicht.
Nach einer Betriebszeit von ca. 335 Tagen wurde schließlich
die Anlage mit einem überstauten Feststoffabscheider 3
betrieben. Es ergab sich unmittelbar danach eine deutliche
Zunahme der Biomasse, so daß in gewissen Abständen, um eine
zu hohe Akkumulation von Biomasse zu vermeiden, Biomasse aus
dem Reaktorfuß entnommen werden mußte. Insgesamt ermöglichte
der Einsatz des nachgeschalteten Feststoffabscheiders 3 einen
sicheren und problemlosen Betrieb des Bioreaktors 1 auch bei
hoher Belastung.
Weitere Untersuchungen ergaben, daß die Biomasse, die sich im
Reaktorkopf 12 befand, eine mittlere Partikelgröße von 0,2 mm,
diejenige im unteren Bereich des Bioreaktors 1 eine
mittlere Partikelgröße von 2 mm aufwies. Während die
Konzentration der Biomasse im Reaktorkopf 12 nur wenige g/L
betrug, stellte sich im unteren Reaktormodul eine
Feststoffkonzentration im Bereich von 20 g/L ein.
Interessanterweise ergaben gesonderte Messungen außerhalb der
Versuchsanlage, daß die Biomasse im Reaktorkopf 12 im
Vergleich zu derjenigen Biomasse, die sich im unteren Teil
des Bioreaktors 1 befand, eine höhere spezifische Aktivität
aufwies. Da bei Betrieb mit nachgeschaltetem
Feststoffabscheider 3 die besonders aktive Biomasse aus dem
Reaktorkopf 12 angereichert wurde und ein Abzug von
Überschuß-Biomasse aus dem Reaktorfuß erfolgte, verschob sich
das Biomassespektrum hin zu einer höheren spezifischen
Aktivität. Dem letztgenannten Effekt dürfte es im
wesentlichen zuzuschreiben sein, daß der Bioreaktor nach Fig.
1a mit nachgeschaltetem und überstautem Feststoffabscheider 3
eine Gasproduktion von 20 L Biogas pro L Reaktorvolumen und
Tag ermöglichte.
Nach den erhaltenen Ergebnissen besitzt eine bevorzugte
Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
eine Reaktorhöhe von 6-30 m, wobei der Bioreaktor 1 einen
Durchmesser von 2-4 m besitzt. Wegen der hohen
Abscheidekapazität eines nachgeschalteten und überstauten
Feststoffabscheiders 3 scheint es möglich, auf einen
aufwendigen Sedimenter 25 im Reaktorkopf 12 zu verzichten.
Hierdurch ergibt sich eine insgesamt kostengünstige Bauweise.
1
Bioreaktor
2
Ablauf
3
Feststoffabscheider
4
Leitung
5
Ablaufleitung
6
Ende
7
Trennelement
8
Leitung
9
Biomasse
10
Leitung
11
Überlauf
12
Kopf
13
Gasauffangvorrichtung
14
Ventil
15
Gassammelleitung
16
Zulauf
17
Ablauf
18
Einleitrohr
19
Trichterwand
20
Seite
21
Ende
22
Pumpe
23
Wirkungsbereich
24
Gasabweiser
25
Sedimenter
26
Trennlamelle
Claims (17)
1. Verfahren zur Biomasse-Rückhaltung bei Bioreaktoren,
insbesondere bei anaeroben Schlammbettreaktoren,
dadurch gekennzeichnet,
daß man den Ablauf des Bioreaktors mit Druck überlagert und
bei erhöhtem Druck eine Sedimentation der Biomasse vornimmt.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Sedimentation der Biomasse mittels eines überstauten
Feststoffabscheiders erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß sich der Feststoffabscheider auf der Höhe des unteren
Endes des Bioreaktors befindet.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß man den Feststoffabscheider zur Erhöhung des
hydrostatischen Druckes in einem Bodenschacht versenkt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß man die Sedimentation der Biomasse bei niedrigerer
Temperatur als der Temperatur im Bioreaktor durchführt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Ablauf des Feststoffabscheiders auf die Höhe des
Ablaufes des Bioreaktors zurückgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Lösungsvermögen des Wassers für Gase im
Feststoffabscheider durchschnittlich mindestens 30%,
vorzugsweise mindestens 60%, höher ist als das
Lösungsvermögen des Wassers für Gase im Kopf des Bioreaktors.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß nach erfolgter Sedimentation der Biomasse eine Biomasse-
Rückführung in den Bioreaktor erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Biomasse in den unteren Bereich des Bioreaktors
zurückgeführt wird.
10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem
der vorhergehenden Ansprüche mit einem Bioreaktor (1), der
über eine Leitung (4) mit einem Feststoffabscheider (3)
verbunden ist, wobei der Feststoffabscheider (3) ein
überstauter Feststoffabscheider ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Feststoffabscheider (3) mit der Leitung (4) so
verbunden ist, daß Wasser aus dem Bioreaktor (1) direkt in
den Wirkungsbereich (23) des Feststoffabscheiders (3)
gelangen kann.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß an den Feststoffabscheider (3) eine Ablaufleitung (5)
angeschlossen ist, die auf die Höhe des Ablaufs (2) des
Bioreaktors (1) zurückgeführt ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Feststoffabscheider (3) mit einer Leitung (8)
verbunden ist, über die die Biomasse (9) aus dem
Feststoffabscheider (3) in den Bioreaktor (1) geführt wird.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Leitung (8) am unteren Ende (6) des Bioreaktors (1)
in den Bioreaktor (1) mündet.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Feststoffabscheider (3) über Trennlamellen (26)
verfügt.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Trennlamellen (26) mit einer Mikroorganismen
abweisenden Oberfläche versehen sind.
17. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10
bis 16 zur Abwasserbehandlung.
Priority Applications (5)
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