NL1043630B1 - Verbeterde autogeneratief druk opbouwende anaerobe membraanbioreactor en verbeterde werkwijze voor het produceren van groen gas. - Google Patents

Abstract

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een systeem en werkwijze voor het onder druk behandelen van een waterstofrijke gasstroom en een kooldioxide rijke waterstroom. Tevens heeft de uitvinding betrekking op een werkwijze voor het produceren van een methaangas. Het systeem volgens de uitvinding omvat: 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 zuurstofloze omzetting van de te zuiveren en/of behandelen stroom in onder meer methaangas uit te voeren, ten minste één uitlaat voor het uit het drukvat afvoeren van producten, een besturingssysteem voor het aansturen van het proces op basis van de relatie tussen geproduceerde methaangas en aangevoerde waterstofgas en in een waterige stroom opgeloste kooldioxide en energie genererende middelen voor het regelen en/of genereren van bruikbare energie met ten minste een deel van het gevormde methaangas. 25

Description

Verbeterde autogeneratief druk opbouwende anaerobe membraanbioreactor en verbeterde werkwijze voor het produceren van groen gas.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een verbeterd systeem voor het onder druk genereren van methaangas en een verbeterde werkwijze voor het produceren van methaangas met een dergelijk systeem. Als basis wordt hierbij uitgegaan van een Autogenerative High Pressure Digestion (AHPD) installatie zoals eerder beschreven in het Nederlands octrooi met nummer 1037103 verleend op 13 oktober 2010 of een vergelijkbare bioreactor.

In een (op zich bekende) AHPD installatie wordt bij een autogeneratief (biologisch) opgebouwde druk van 12 - 25 bar groen gas geproduceerd. De term groen gas verwijst daarbij naar het feit dat de grondstof (fen) voor de productie van het gas een biologische oorsprong hebben, en/of dat het gas middels biokatalyse is geproduceerd. Verder bestaat groen gas voornamelijk uit methaan en heeft het een verbrandingswaarde vergelijkbaar met aardgas, waardoor het direct in het bestaande gasnet kan worden ingevoed.

Een voordeel van de AHPD-installatie is dat de - naast methaan — eveneens biologisch geproduceerde kooldioxide beter dan methaan in de waterfase oplost en/of gebonden wordt door complexvorming, tot een verhoogde concentratie van kooldioxide, hetgeen leidt tot een verbeterde chemische buffercapaciteit. Deze verhoogde concentratie kooldioxide in de waterfase leidt door toepassing van een juiste regeling niet tot storende remming van het biologische proces. Door de genoemde onder druk veroorzaakte oplossing van CO: worden met dit proces de gassen methaan en kooldioxide gescheiden en daardoor een relatief zuiver methaan in de gasfase geproduceerd.

Het drukvat van de installatie, dat ook wel bioreactor wordt genoemd, waarin de biologische gasproductie plaats vindt, is voorzien van een onder druk staande recirculatieleiding die gistend materiaal (anaeroob slib) aftapt uit de reactor en dit vervolgens op een ander punt terugvoert aan de reactor. Het doel hiervan is de gistende massa in de bioreactor te mengen teneinde de reactiesnelheden te verhogen en daardoor het proces efficiënt te laten verlopen. De recirculatieleiding is voorzien van tenmiste een filtratietrap waarin behandeld water (permeaat) via een filter (in een voordelige uitvoeringsvorm een ultrafiltratiemembraan) wordt onttrokken aan de recirculatiestroom: de zogeheten crossflow. In een uitvoeringsvorm is de recirculatieleiding voorzien van een pomp, meestal ‘crossflowpomp’ genoemd, teneinde de crossflowstroom te recirculeren, zoals weergegeven in het processchema (figuur 1). Het AHPD proces is inclusief bijpassende, maar niet tot het octrooi behorende, nageschakelde fosfaat- en stikstofverwijdering weergegeven in figuur 1 (Procesdiagram) en figuur 2 (Microbiologisch schema).

Een nadeel van de bovengenoemde AHPD-installatie is dat de bedrijfsvoering van de filtratietrap relatief complex is, waardoor de kosten per geproduceerde eenheid groen gas relatief hoog zijn. Dit wordt onder andere veroorzaakt door het feit dat de filters of membranen die het slib, oftewel de biokatalysator en het substraat, van het behandelde water scheiden, kunnen vervuilen en/of dichtslibben. Het reinigen van de filters of membranen kost tijd, het vereist extra installaties en resulteert in een hoger energiegebruik.

De onderhavige uitvinding heeft daarom tot doel te voorzien in een systeem met een verbeterde werking van de membraanfiltratie, alsmede een lager energieverbruik waardoor de efficiëntie van het AHPD proces wordt verbeterd. Dit wordt bereikt met het systeem volgens conclusie 1.

Een voordeel van het systeem volgens de uitvinding is dat op twee inventieve manieren gebruik wordt gemaakt van de autogeneratief opgebouwde gasdruk in de AHPD installatie om de membraanfiltratie ten behoeve van de slib-waterscheiding (permeaatproductie) in de crossflow op een efficiënte manier te bedrijven.

Primair wordt gebruik gemaakt van de autogeneratief (biologisch) opgebouwde druk in het systeem om het af te scheiden water (permeaat) door de filtratiemembranen te persen. Dit betekent dat in de bedrijfstoestand de hiertoe benodigde transmembraandruk (TMP) bijgevolg niet door een additionele pomp en/of een crossflowpomp geleverd hoeft te worden, zoals bij conventionele membraanbioreactoren. Dit heeft als voordeel dat een verminderd energiegebruik wordt gerealiseerd. De TMP wordt derhalve bij voorkeur ingesteld door in de permeaatflow de druk te reduceren, zoals te zien is in figuur 3, tot een TMP van ongeveer 0,5 - 5 bar, een TMP waarde die ook gebruikelijk is bij conventionele membraanbioreactoren, of aanzienlijk hoger, waardoor een efficiëntere afscheiding van permeaat mogelijk is.

Secundair worden de membranen schoongehouden door zogenaamde back-pulsen van het permeaat te genereren met als doel af en toe een kleine hoeveelheid permeaat terug door de membranen te drukken, met als drijvende kracht een negatieve TMP van circa 0,5 - 5 bar, zoals te zien is in figuur 3. Hierbij geldt dat in de reinigingstoestand de druk in de crossflow tijdelijk wordt verlaagd tot een waarde die lager is dan in het permeaat, zoals te zien is in figuur 3, waardoor een beperkt deel van het reeds geproduceerde permeaat tijdelijk terug door de membranen naar de crossflow stroomt. De membranen worden schoongehouden doordat de back-puls ervoor zorgt dat eventuele aangekoekte sliblaagjes van de wand van de membranen terug de crossflow in worden gedrukt, en vervolgens met de crossflow mee worden afgevoerd. Het ontstoppen van een membraan als gevolg van een back-puls is in figuur 3 zichtbaar als een tijdelijke verhoging van de viscositeit van het slib in de crossflow. I In een conventionele membraanbioreactor worden vaak backpulsen gegenereerd door het permeaat middels een pulsgenerator -vaak een pomp of compressor- onder druk te zetten, waardoor de voor membraanreiniging benodigde negatieve TMP ontstaat, hetgeen leidt tot een extra installatie alsmede extern energiegebruik, in het systeem zoals hieronder beschreven is dat niet meer nodig.

In een uitvoeringsvorm van het systeem volgens de uitvinding kan het systeem zijn voorzien van een crossflowpomp die in de recirculatieleiding is aangebracht, waarbij de crossflowpomp bij voorkeur intermitterend wordt bedreven. Een voordeel van het intermitterend bedrijven van de crossflowpomp is dat pulsgewijs een extra drukverschil wordt aangebracht en het reinigingseffect verder wordt versterkt.

Ten eerste kan in een voordelige uitvoeringsvorm een backpuls worden gegenereerd door de crossflowpomp alternerend aan en uit te schakelen; bij het aanzetten van de crossflowpomp wordt een kleine druk van 1 — 3 bar opgebouwd bovenop de biologisch opgebouwde systeemdruk van in een voordelige uitvoeringsvorm 12-25 bar; bij het uitzetten van de crossflowpomp wordt de permeaatafvoer tijdelijk gesloten, terwijl de druk in de reactor wordt verlaagd tot onder de permeaatdruk, waardoor eveneens tijdelijk een negatieve TMP ontstaat, met een back-puls als resultaat, zoals is te zien in figuur 3.

Ten tweede kunnen in het systeem volgens de uitvinding de backpulsen gegenereerd worden door het geproduceerde gas discontinu af te laten, zoals te zien is in figuur 3. Hierdoor ontstaat eveneens een tijdelijke onderdruk in de reactor en in de crossflow, waardoor op een alternatieve efficiënte wijze de benodigde negatieve TMP wordt opgewekt.

Ten derde kunnen de membranen op vergelijkbare wijze worden schoongehouden door back- pulsen te genereren die het gevolg zijn van het periodiek afvoeren van uitgegist slib onderuit de reactor, zoals te zien is in figuur | (digestate dewatering); hierbij ontstaat eveneens tijdelijk een onderdruk in de reactor met een back-puls tot gevolg.

Ten vierde is in een voordelige uitvoeringsvorm ook een externe conventionele pulsgenerator aanwezig die op een inventieve wijze gebruik maakt van de biologisch opgebouwde gasdruk om met energie genererende middelen, zoals een drukversterker (een turbo of een asymetrische pressure exchanger) een tijdelijke permeaatdruk op te bouwen die hoger is dan de systeemdruk; daardoor is geen externe energie nodig om een back-puls te genereren.

In een uitvoeringsvorm van het systeem volgens de uitvinding kan het schakelen tussen de bedrijfstoestand en de reinigingstoestand intermitterend worden uitgevoerd.

Het besturingssysteem van de inrichting volgens de uitvinding is zoals beschreven in conclusie 1 ingericht voor het schakelen tussen een bedrijfstoestand en een reinigingstoestand, zoals te zien is in figuur 3. Met andere woorden: dit betekent dat het besturingssysteem is ingericht voor het ten minste pulsgewijs aansturen van een recirculatiepomp in de crossflow.

Een voordeel van het intermitterend uitvoeren van de bedrijfs- en reinigingstoestand is dat een in de tijd variërende transmembraandruk ontstaat in de crossflow. Daardoor worden eventuele vervuilingen van de membranen regelmatig losgemaakt en met de crossflowstroom mee teruggevoerd naar het drukvat; additionele installaties voor het reinigen van de membranen zijn niet noodzakelijk.

In een uitvoeringsvorm van het systeem volgens de uitvinding kunnen meerdere activiteiten in de reinigingstoestand, zoals hierboven in de punten een tot en met vier beschreven, worden gecombineerd, zodat een sterkere en of efficiëntere backpuls ontstaat.

De crossflow wordt in een voordelige uitvoeringsvariant voorzien van een verticaal leidingdeel waardoor de gistende stroom wordt teruggevoerd naar de bioreactor, met de stromingsrichting van boven naar beneden. Deze verticale leiding wordt de “downcomer” genoemd (zie het rood omcirkelde gebied in figuur 1).

In een voordelige uitvoeringsvorm wordt in deze downcomer waterstof toegevoegd aan het proces om de groengasproductie te verhogen, en de kooldioxide productie te verlagen.

Een besturingssysteem stuurt het gehele proces aan en/of regelt dit proces op basis van onder andere de relatie tussen het geproduceerde methaan, het geproduceerde kooldioxide, de verhouding tussen methaan en kooldioxide, in een uitvoeringsvorm de te doseren hoeveelheid waterstof, de pH, de temperatuur en de systeemdruk. Het geproduceerde methaan wordt opgevangen in de gasruimte van de gebruikte bioreactor.

Afhankelijk van o.a. de procesinstellingen en het toegevoegde substraat ontwikkelt zich in het systeem spontaan een aan deze omstandigheden geadapteerde populatie micro-organismen die als biokatalysator fungeren, en daarbij in vier stappen diverse functies uitoefenen, zoals is weergegeven in figuur 2. De activiteit van de biologische processen, met name de productie van gassen, wordt onder meer afgelezen aan de frequentie van de gasaflaat in figuur 3.

Bij elke methode om backpulsen te genereren kunnen de benodigde parameters met het besturingssysteem worden ingesteld, zoals de druk, de TMP en de duur van de puls.

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.

Claims (16)

CONCLUSIES

1. Systeem voor het onder druk produceren van groen gas uit een te zuiveren en/of behandelen stroom van organisch substraat, het systeem omvattende: 5 — een drukvat, bij voorkeur een anaerobe bioreactor, dat is ingericht voor het met behulp van micro- organismen zuurstofloos naar groen gas omzetten van ten minste een deel van het substraat, waarbij autogeneratief druk wordt opgebouwd; ~ ten minste een inlaat voor de aanvoer van het substraat naar het drukvat; — ten minste één uitlaat voor het uit het drukvat afvoeren van geproduceerd methaangas en/of andere reactieproducten; — een recirculatieleiding die is verbonden met het drukvat en die is ingericht voor het als recirculatiestroom recirculeren van een deel van het substraat en/of bacteriën uit het drukvat; — een filtratietrap die is aangebracht in de recirculatieleiding en die is ingericht voor het onder druk onttrekken van permeaat uit de recirculatiestroom naar een permeaat-afvoer; en — een besturingssysteem dat is ingericht voor het schakelen tussen een bedrijfstoestand en een reinigingstoestand, waarbij in de bedrijfstoestand door middel van verhoogde gasdruk uit het drukvat een vooraf bepaalde positieve drukval in de filtratietrap wordt aangebracht zodanig dat permeaat uit de recirculatiestroom naar de permaatafvoer wordt getransporteerd, en waarbij in de reinigingstoestand door middel van een verlaagde gasdruk in het drukvat een vooraf bepaalde negatieve reinigingsdrukval in de filtratietrap wordt aangebracht, waarbij de reinigingsdruk in de reactor lager is dan de druk in de permeaatafvoer zodat permeaat uit de permeaatafvoer naar de recirculatiestroom wordt getransporteerd.

2. Systeem volgens conclusie 1, waarbij het schakelen tussen de bedrijfstoestand en de reinigingstoestand bij voorkeur intermitterend wordt uitgevoerd.

3. Systeem volgens conclusie | of 2, waarbij het systeem verder is voorzien van een recirculatiepomp die in de recirculatieleiding is aangebracht, waarbij de recirculatiepomp bij voorkeur intermitterend wordt bedreven.

4. Systeem volgens conclusie 1, 2 of 3, waarbij de te zuiveren en/of behandelen stroom organisch materiaal uit afvalwater of een andere substraatbron, en/of uit waterstof en kooldioxide omvat.

5. Systeem volgens conclusie 1, 2, 3 of 4, waarbij het systeem is voorzien van een gasinvoer voor het toevoeren van reactiegas omvattende waterstof, waarbij de gastoevoer in de recirculatieleiding of in het drukvat is aangebracht;

6. Systeem volgens één der voorgaande conclusies, waarbij het systeem verder energie genererende middelen omvat die zijn ingericht voor het regelen en/of genereren van energie met ten minste een deel van het aangevoerde reactiegas en in het substraat opgeloste kooldioxide.

7. Systeem volgens één der voorgaande conclusies, waarin het besturingssysteem is voorzien van stroomregelmiddelen voor het reguleren van de te zuiveren stroom door en/of het niveau in het drukvat.

8. Systeem volgens één of meer van de voorgaande conclusies, waarin de inlaat en ten minste een uitlaat van regelkleppen en/of afsluiters en/of terugslagkleppen zijn voorzien.

9. Systeem volgens één of meer van de voorgaande conclusies, waarbij het product (groen gas) een concentratie van tenminste 83% methaan omvat.

10. Systeem volgens een of meer van de voorgaande conclusies, waarbij gebruik wordt gemaakt van onder druk in water opgeloste en/of gebonden kooldioxide.

11. Systeem volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de recirculatieleiding een verticaal opgestelde leiding bevat met een stromingsrichting van boven naar beneden, ook wel ‘downcomer’ genoemd, waarbij de waterstofgasinvoer nabij een onderzijde van deze downcomer is gepositioneerd, zodat het reactiegas in tegenstroom wordt toegevoerd aan de recirculatieleiding.

12. Systeem volgens één der voorgaande conclusies, waarbij het drukvat gebruikt voor het kweken en toepassen van een aan druk geadapteerde populatie anaerobe micro-organismen.

13. Systeem volgens één of meer van de voorgaande conclusies, verder omvattende een gasbuffer voor het opslaan van geproduceerd groen gas.

14. Systeem volgens één of meer van de voorgaande conclusies, waarbij de recirculatieleiding een crossflow filter bevat voor het ten minste gedeeltelijk afvoeren van reactieproducten uit de recirculatiestroom, waarbij de reactieproducten bij voorkeur water met opgeloste stoffen omvatten.

15. 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 voorgaande conclusies; — het scheiden en afvoeren van geproduceerd gezuiverd water van een reststroom.

16. Werkwijze volgens conclusie 15, waarin het omgezette kooldioxide alsmede het geproduceerde methaangas worden gebruikt voor het genereren van energie.