DE102008031832A1

DE102008031832A1 - Vorrichtung und Verfahren zum mikrobiologischen Entschwefeln eines Gases

Info

Publication number: DE102008031832A1
Application number: DE102008031832A
Authority: DE
Inventors: Ralf Dr. Forkmann
Original assignee: TS UMWELTANLAGENBAU GmbH
Current assignee: TS UMWELTANLAGENBAU GmbH
Priority date: 2008-07-08
Filing date: 2008-07-08
Publication date: 2010-01-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum mikrobiologischen Entschwefeln eines Gases, insbesondere eines Biogases, mit einem Bioreaktor, einer von dem Bioreaktor umfassten Absorptionsstufe, welche konfiguriert ist, von einem zu entschwefelnden Gas zur Entschwefelung mittels in den Bioreaktor eingebrachter Mikroorganismen durchströmt zu werden, einer von dem Bioreaktor umfassten Regenerationsstufe, welche konfiguriert ist, von einem Sauerstoff für die Mikroorganismen bereitstellenden Gas durchströmt zu werden, und einer die Absorptionsstufe und die Regenerationsstufe trennenden Trenneinrichtung, welche zwischen der Absorptionsstufe und der Regenerationsstufe einen Flüssigkeitsaustausch für eine im Bioreaktor genutzte Arbeitsflüssigkeit in wenigstens einer Austauschrichtung zulassend und einen Gasaustausch verhindernd ausgeführt ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum mikrobiologischen Entschwefeln eines Gases in einem Bioreaktor.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum mikrobiologischen Entschwefeln eines Gases, insbesondere eines Biogases.
Hintergrund der Erfindung
In den letzten Jahren sind sowohl aufgrund geänderter ökologischer Anforderungen zum Entsorgen von Abfallstoffen als auch maximierter Stromeinspeisevergütungen gesetzliche Rahmenbedingungen geschaffen worden, die den Neubau oder die Erweiterung einer Vielzahl von Biogasanlagen nach sich zogen. Zweck dieser Anlagen ist es, organische Abfallstoffe oder landwirtschaftlich produzierte Energieträger wie Gras, Getreide, Raps, Mais oder dergleichen ökologisch unter anaeroben Bedingungen zu behandeln und hierbei Brenngas (Methan) zu gewinnen, das vor allem in Gasmotoren verwertet wird.
Diese Konzeption wird in vielen Industriezweigen und in der Landwirtschaft als auch auf Deponien umgesetzt. Biogasanlagen werden häufig für kommunale Kläranlagen, in der Lebensmittelindustrie, in der chemischen Industrie, in der Papierindustrie sowie in landwirtschaftlichen Großbetrieben errichtet. Hierbei wird Gas in einer Menge zwischen 50 und 4000 Nm³/h produziert und verwertet.
In Blockheizkraftwerken wird Strom erzeugt. Die hierbei anfallende Abwärme wird für den autarken Betrieb der Anlagen benötigt oder in Fernwärmenetze zugeführt. An vielen Standorten ist die komplexe Verwertung von Wärme und Strom jedoch nicht möglich. Hier fehlt es an kontinuierlichen Verwertungsmöglichkeiten für die aus dem Prozess gewonnene Energie in Form von Wärme. Bis zu 35% der gewonnenen Bioenergie in Form von Wärme kann bei der Verbrennung in Gasmotoren keiner Verwertung zugeführt werden.
Aus diesem Grunde wurden in letzter Zeit Technologien entwickelt, mit denen das gewonnene Bio-/Klär-/Deponiegas nach seiner Gasaufbereitung direkt ins Erdgasnetz eingespeist werden kann. Hierdurch ist eine vollständige Energieumsetzung der regenerativ gewonnenen Gase möglich.

Der Verwertung steht jedoch oftmals sowohl das sehr sensible Verhalten der Motoren als auch die minimalen Reinheitsanforderungen von Erdgas gegenüber Schwefelwasserstoff (H₂S) entgegen, so dass es in der Regel vor seiner Verwertung entschwefelt werden muss. H₂S ist in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Gärsubstrate bis zu 30.000 ppm (etwa 45.000 mg/m³) im Bio-/Klär-/Deponiegas enthalten. Tabelle 1 zeigt Beispiele für die Zusammensetzung von Biogasen. Tabelle 1

Biogasbestandteile [Vol-%]	Kläranlage Bereich/Mittelwert		Landwirtschaft Bereich/Mittelwert		Deponie Bereich/Mittelwert
CH₄	50–83	65	60–75	70	0–85	55
CO₂	15–50	34	25–40	27	0–88	35
CO	0...1	-	0...1	-	0...1	-
1–12	0...2	0,3	0-0,1	-	0...3,6	-
N₂	0...3	0,3	0...4	-	0...82,5	9
O₂	0...1	0,2	0...2	0,2	0...31,6	1
H₂S	0...5	0,3	0...1,1	0,45	0...3	0,3
NH₃	0...0,03	0,01	0...0,04	0,01	0...0,02	-
CKW's	-	-	-	-	0...0,005	0,001
Siloxane [mg/m³]	0–50	20	0–30	< 10	0–100	< 50
H₂O [g/kg]	34–42	37	34–42	37	6–42	20

Das entstehende Gas kann in nachfolgenden Aggregaten zu den nachfolgend in Tabelle 2 genannten Energieträgern umgewandelt werden. Tabelle 2 zeigt darüber hinaus die Reingasanforderungen hinsichtlich der Konzentration an H₂S. Tabelle 2

Aggregat	Energieform	geforderte Reingaskonzentr. an H₂S
Blockheizkraftwerk	Strom und Wärme	< 250 ppm (teilweise bis 1.000 ppm)
Brennstoffzelle:	Strom und Wärme	< 10 ppm
Verdichtung:	Erdgas und Treibstoff	< 3 ppm
Gasbrenner	Wärme	< 500 ppm

Prinzipiell gibt es folgende bekannte Verfahren/Techniken zur Reduktion des Schwefelanteils in brennbaren Gasen: Einblasung von Luft in die Fermenter, Zugabe von Eisen II-chlorid oder Eisen III-chlorid direkt in die Anaerobfermenter, Adsorption an Aktivkohle, Adsorption an eisenhaltigen Massen, chemische Wäsche mit NaOH und H₂O₂, externe, biologische Entschwefelung (Biorieselbettreaktoren, Biowäscher).
Zum Beispiel wird in Biorieselbettreaktoranlagen, die mit aeroben, schwefeloxidierenden Mikroorganismen arbeiten, der im Bio-/Klär-/Deponiegas enthaltene Schwefelwasserstoff umweltgerecht reduziert. Zu diesem Zweck werden mittels technischer Maßnahmen optimale Prozessbedingungen für die Mikroorganismen erzeugt, so dass ein stabiler Betrieb der Entschwefelungsanlagen gegeben ist. Dies bezieht sich sowohl auf den Absorptionsprozess an sich als auch auf die notwendige Sauerstoffversorgung, die Nährstoffversorgung, die C-Quellenversorgung, die Temperaturstabilisierung, die Abfuhr der entstehenden Oxidationsprodukte und die Stabilisierung des pH-Wertes.
Bei der mikrobiologischen Oxidation des Schwefelwasserstoffs wird elementarer Schwefel und vorrangig Schwefelsäure erzeugt, die dem Stoffkreislauf wieder rückgeführt werden. Bei der mikrobiell bedingten Oxidation wird in Wasser gelöster Schwefelwasserstoff in Gegenwart von Luftsauerstoff durch schwefeloxidierende Bakterien zu elementarem Schwefel und weiter zur Schwefelsäure umgewandelt: 2H₂S + O₂ → 2S + 2H₂O 2S + 2H₂O + 3O₂ → 2H₂SO₄
Zeitgleich findet auch die direkte mikrobielle Oxidation zur Schwefelsäure statt: H₂S + 2O₂ → H₂SO₄
Für den vorstehenden Umwandlungsprozess nutzen schwefeloxidierende Bakterien Schwefelwasserstoff als Energiequelle. Hierbei handelt es sich zum Beispiel um farblose Schwefelbakterien, die nach der Art des Energiegewinns und des Kohlenstoffmetabolismus in obligat chemolithoautotrophe, fakultativ chemolithoautotrophe und chemolithoheterotrophe unterschieden werden. Obligat chemolithoautotrophe Schwefelbakterien nutzen Kohlendioxid als Kohlenstoffquelle. Chemolithoheterotrophe Schwefelbakterien verwerten organische Kohlenstoffverbindungen als Kohlenstoffquelle. Fakultativ chemolithoautotrophe Schwefelbakterien können autotroph, heterotroph oder mixotroph wachsen. Dabei werden gleichzeitig sowohl organische als auch anorganische Substanzen als Energie- und Kohlenstoffquelle verwendet. Den chemolithoautotrophen Schwefelbakterien kommt beim oxidativen Umwandlungsprozess eine vorrangige Rolle zu. Die Schwefelverbindungen wirken als Elektronendonator. Diese Elektronen werden über die Atmungskette auf Sauerstoff übertragen. Die dabei frei werdende Energie wird zur Bildung von Adenusintriphosphat (ATP) genutzt. Die Bindung von Kohlendioxid erfolgt über den CALVIN-Zyklus mit Hilfe von Nicotinsäureamid-Adenin-Dinucleotid (NAD⁺) und ATP. Reduziertes Nicotinsäureamid-Adenin-Dinucleotid (NADH₂) regeneriert sich über die Elektronen der Schwefelverbindungen.
Die Schwefelbakterien wachsen bei pH-Werten von 1 bis 10 und bei Temperaturen von 4 bis 95°C. Sie benötigen für den Wachstumsprozess Nährstoffe und Spurenelemente wie zum Beispiel Zink, Kupfer und Kobalt.
Am häufigsten werden zur Zeit die externen, biologischen Entschwefelungsanlagen zur Elimination von Schwefelwasserstoff aus brennbaren Gasen eingesetzt. Es werden Biowäscher oder Biorieselbettreaktoren (Tropfkörper) verwendet. Bei den Biowäschern wird zunächst das H₂S in einem Wäscher – auch unter Zugabe von Lösungsvermittlern (NaOH) sorbiert und die Waschlösung in einem Bioreaktor und Sauerstoffzugabe durch mikrobiologische Oxidation (chemolithotrophe Organismen) regeneriert. Die Nachteile des Biowäscherverfahrens liegen sowohl im Verbrauch von NaOH (Betriebskosten) und an der Notwendigkeit der Errichtung einer Absorberstufe (Füllkörperkolonne) und einer zweiten, biologisch arbeitenden Regenerationsstufe (Belebungsbecken).
Bei bekannten Biorieselbettreaktoren wird sowohl die Absorption als auch die biochemische Oxidation in einem Apparat auf Füllkörperschüttungen ausgeführt. Die Funktionsweise dieser Reaktoren liegt besonders darin begründet, dass den Mikroorganismen zeitgleich und ortsnah sowohl der Schwefelwasserstoff in Form gelöster HS^–-Ionen als auch Sauerstoff gelöst zugeführt wird. Nur durch eine zeit- und ortsnahe Versorgung der Organismen mit Schwefelwasserstoff und Sauerstoff an großen Oberflächen ist eine vollständige Oxidation des Schwefelswasserstoffs zum Sulfat möglich.
Bei der Eliminierung organischer und anorganischer Schwefelkomponenten durch die schwefeloxidierenden Mikroorganismen laufen Stoff- und Transportprozesse ab.
Die Zuführung des für die Mikroorganismen notwendigen Sauerstoffs wird in den bekannten Reaktoren über die Zumischung von kostenfrei zur Verfügung stehendem Luftsauerstoff ausgeführt. Dem zu reinigenden Gas wird vor Eintritt in eine Reaktionszone entweder in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration am Ausgang der Reaktoren oder aber in Abhängigkeit vom Biogasvolumenstrom Sauerstoff in Form von Luft zugeführt. Diese Zugabe wird aus Sicherheitsgründen (Explosionsschutzanforderungen) geregelt. Gleichfalls ist eine Überzufuhr an Luft zu vermeiden, da durch die Luftzugabe die Gasqualität in Bezug auf den Brennwert des Gases (Methangehalt sinkt) sinkt. Eine direkte Luftzugabe für die biologische Entschwefelung ist bei der Verwertung des Gases als Erdgas sogar unerwünscht, da die nachfolgenden Aufbereitungsprozesse zur Erhöhung der Biogasqualität auf Erdgasqualität ökonomisch uneffizient werden. Auch eine direkte Zugabe von Sauerstoff für die Mikroorganismen in Form von anderen Oxidationsmitteln wie reiner Sauerstoff, oder technischer Sauerstoff oder chemisch gebundener Sauerstoff, zum Beispiel Wasserstoffperoxid, zeigte sich als ökonomisch uneffizient. Daraus resultiert die Konsequenz, dass die zur Zeit eingesetzten Biorieselbettreaktoren mit direkter Lufteinspeisung oder Sauerstoffzugabe oder Wasserstoffperoxidzugabe für die Bio-/Klär-/Deponiegasreinigung nicht oder kaum eingesetzt werden können.
Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum effizienteren mikrobiologischen Entschwefeln von Gasen zu schaffen, insbesondere von Biogasen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zum mikrobiologischen Entschwefeln eines Gases nach dem unabhängigen Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum mikrobiologischen Entschwefeln eines Gases nach dem unabhängigen Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.
Die Erfindung umfasst den Gedanken einer Vorrichtung zum mikrobiologischen Entschwefeln eines Gases, insbesondere eines Biogases mit einem Bioreaktor, einer von dem Bioreaktor umfassten Absorptionsstufe, welche konfiguriert ist, von einem zu entschwefelnden Gas zur Entschwefelung mittels in den Bioreaktor eingebrachter Mikroorganismen durchströmt zu werden, einer von dem Bioreaktor umfassten Regenerationsstufe, welche konfiguriert ist, von einem Sauerstoff für die Mikroorganismen bereitstellenden Gas durchströmt zu werden, und einer die Absorptionsstufe und die Regenerationsstufe trennenden Trenneinrichtung, welche zwischen der Absorptionsstufe und der Regenerationsstufe einen Flüssigkeitsaustausch für eine im Bioreaktor genutzte Arbeitsflüssigkeit in wenigstens einer Austauschrichtung zulassend und einen Gasaustausch verhindernd ausgeführt ist.
Nach einem anderen Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum mikrobiologischen Entschwefeln eines Gases, insbesondere eines Biogases, in einem Bioreaktor geschaffen, bei dem ein zu entschwefelndes Gas zur Entschwefelung mittels in den Bioreaktor eingebrachter Mikroorganismen eine Absorptionsstufe in dem Bioreaktor durchströmt, ein Sauerstoff für die Mikroorganismen bereitstellendes Gas eine Regenerationsstufe in dem Bioreaktor durchströmt und mittels einer Trenneinrichtung das die Absorptionsstufe durchströmende, zu entschwefelnde Gas und das die Regenerationsstufe durchströmende, Sauerstoff bereitstellende Gas getrennt werden, wobei die Trenneinrichtung zwischen der Absorptionsstufe und der Regenerationsstufe einen Flüssigkeitsaustausch für eine im Bioreaktor genutzte Arbeitsflüssigkeit in wenigstens einer Austauschrichtung zulassend und einen Gasaustausch verhindernd ausgeführt ist.
Mit Hilfe der Erfindung ist es ermöglicht, einerseits eine effiziente Entschwefelung des zu reinigenden Gases mit Hilfe der Mikroorganismen durchzuführen, so dass das gereinigte Gas hohen Anforderungen genügt, insbesondere auch für eine Einspeisung in ein Erdgasnetz, und andererseits doch die für die mikrobiologische Entschwefelung notwendige Sauerstoffversorgung der Mikroorganismen sicherzustellen, ohne dass die Sauerstoffzuführung zu einer nachteiligen Sauerstoffeinspeisung in das zu entschwefelnde Gas führt. Dieses wird erreicht, indem die Gasströme des zu entschwefelnden Gases in der Absorptionsstufe einerseits und des den Sauerstoff bereitstellenden Gases in der Regenerationsstufe andererseits gasdicht voneinander getrennt sind, obwohl der für den Betrieb des Bioreaktors notwendige Flüssigkeitsaustausch der Arbeitsflüssigkeit gewährleistet ist. Die Gasphasen in der Absorptionsstufe und der Regenerationsstufe sind gasdicht voneinander getrennt mit Hilfe der Trenneinrichtung. Die bei bekannten Anlagen auftretende Verunreinigung des zu entschwefelnden Gases durch den für die Mikroorganismen notwendigen Sauerstoff ist vermieden.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das die Regenerationsstufe verlassende Gas in einem nachgeschalteten Aktivkohlefilter von H₂S befreit wird. Als Sauerstoff bereitstellendes Gas kann insbesondere Luft verwendet werden, aber auch die Nutzung technisch aufbereiteter Gasströme mit Sauerstoff kann vorgesehen sein. Der Sauerstoff bereitstellende Gasstrom kann hierbei in einem Kreislauf geführt werden, so dass aus der Regenerationsstufe austretendes Gas auf den Eingang der Regenerationsstufe zurückgeführt wird.
Als Arbeitsflüssigkeit wird üblicherweise Wasser verwendet. Beispielsweise werden Mikroorganismen der Gattung Thiobacillus (Thiooxidans und Thioparus) oder Sulfolobus verwendet.
Um die Reinigung und/oder Wartung der Stufen des Bioreaktors zu erleichtern, können die Absorptionsstufe und/oder die Regenerationsstufe mit verschließbaren Reinigungsöffnungen versehen sein.
Die vorgeschlagene Vorrichtung und das vorgeschlagene Verfahren können bevorzugt zum Entschwefeln von Bio-, Klär- oder Deponiegasen eingesetzt werden, um diese Gase von H₂S zu befreien.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in einem der Absorptionsstufe zugeordneten Strömungsweg ein das Durchströmen des zu entschwefelnden Gases zulassender Füllkörper angeordnet ist, welcher konfiguriert ist, in die Absorptionsstufe eingebrachte Mikroorganismen aufzunehmen. Der Füllkörper, welcher beispielsweise aus einem Plastikmaterial gefertigt ist, dient insbesondere zur Aufnahme der in die Absorptionsstufe eingebrachten Mikroorganismen, so dass sich diese hierauf ablagern und aus dem vorbeiströmenden, zu entschwefelnden Gas H₂S binden.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass in einem der Regenerationsstufe zugeordneten Strömungsweg ein das Durchströmen des Sauerstoff bereitstellenden Gases zulassender weiterer Füllkörper angeordnet ist, welcher konfiguriert ist, in die Regenerationsstufe eingebrachte Mikroorganismen aufzunehmen. Auch die weiteren Füllkörper, welche ebenfalls zum Beispiel aus einem Plastikmaterial gefertigt sein können, dienen im Wesentlichen zur Auflagerung der in der Regenerationsstufe eingebrachten Mikroorganismen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Trenneinrichtung eine Siphoneinrichtung aufweist.
Bevorzugt sieht eine Fortbildung der Erfindung vor, dass die Absorptionsstufe oberhalb einer Standfläche, auf welcher der Bioreaktor steht, höher als die Regenerationsstufe angeordnet ist. Auf diese Weise kann die Arbeitsflüssigkeit, bei der es sich beispielsweise um eine die Mikroorganismen enthaltende Suspension handelt, aufgrund der Gewichtskraft von der Absorptionsstufe in die Regenerationsstufe gelangen. Eine platzsparende Ausbildung des Bioreaktors ist in einer zweckmäßigen Ausgestaltung dadurch erreicht, dass die Absorptionsstufe und die Regenerationsstufe übereinander angeordnet sind.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Absorptionsstufe eine Berieselungseinrichtung, welche konfiguriert ist, die Arbeitsflüssigkeit mit Mikroorganismen in den Strom des zu entschwefelnden Gases einzubringen, und der Regenerationsstufe eine weitere Berieselungseinrichtung zugeordnet sind, welche konfiguriert ist, die Arbeitsflüssigkeit mit Mikroorganismen in den Strom des Sauerstoff bereitstellenden Gases einzubringen. Die Berieselungseinrichtung sowie die weitere Berieselungseinrichtung bilden eine bevorzugte Maßnahme zum Einbringen der mit Mikroorganismen versetzten Arbeitsflüssigkeit in der Absorptionsstufe bzw. der Regenerationsstufe. In einer Ausgestaltung wird hierzu ein Teil der sich in der Regenerationsstufe sammelnden Arbeitsflüssigkeit mit Hilfe einer Pumpe zu den jeweiligen Berieselungseinrichtungen gefördert. Bevorzugt wird mit Hilfe der Berieselungseinrichtungen die mit Mikroorganismen versetzte Arbeitsflüssigkeit quer zum jeweiligen Gasstrom eingebracht. Im Betrieb wird auf diese Weise mittels der Berieselungseinrichtung in die Absorptionsstufe mit Sauerstoff beladene Arbeitsflüssigkeit eingebracht, die es den Mikroorganismen in der Absorptionsstufe ermöglicht, den gelösten Schwe felwasserstoff mikrobiell umzusetzen. Der in der Regenerationsstufe von der Arbeitsflüssigkeit aufgenommene Sauerstoff wird so in die Absorptionsstufe transportiert. Die vorgesehene Trenneinrichtung ermöglicht es dann auch, dass in der Absorptionsstufe Schwefelwasserstoff lösend aufnehmende Arbeitsflüssigkeit aufgrund des Flüssigkeitsaustausches wieder in die Regenerationsstufe gelangt, wo Sauerstoff für die Oxidation bereitgestellt wird. Ein derartiger Umlauf der Arbeitsflüssigkeit, welcher beispielsweise mit Hilfe der Berieselungseinrichtungen umgesetzt wird, ermöglicht trotz der getrennten Gasströme für das zu entschwefelnde Gas einerseits und das Sauerstoff bereitstellende Gas einen fortdauernden Transport von Sauerstoff für die Mikroorganismen in die Absorptionsstufe und von mit Schwefelwasserstoff versehener Arbeitsflüssigkeit aus der Absorptionsstufe in die Regenerationsstufe. Dort kann dann der gelöste Schwefelwasserstoff unter Verbrauch von Sauerstoff oxidiert werden. Die Berieselungseinrichtungen haben den Vorteil, dass beim Ausrieseln der Arbeitsflüssigkeit ein großer Kontaktflächenbereich zwischen der Arbeitsflüssigkeit und dem jeweils strömenden Gasstrom geschaffen wird.
Eine Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass in dem Biorektor mehrere Reinigungsstufen hintereinander geschaltet und miteinander verbunden sind, die jeweils über wenigstens eine zugeordnete Absorptionsstufe und wenigstens eine zugeordnete Regenerationsstufe verfügen. Die mehreren Reinigungsstufen können mittels Trenn- oder Leitwänden voneinander getrennt werden. Der zu entschwefelnde Gasstrom durchströmt hierbei beispielsweise mehreren hintereinander geschaltete und durch Trennwände voneinander getrennte Absorptionsstufen, die jeweils mit einer zugeordneten Regenerationsstufe über eine Trenneinrichtung verbunden sind, die einen Flüssigkeitsaustausch zulassend aber einen Gasaustausch unterbindend ausgeführt ist. Mit Hilfe der Trenn-/Leitwände kann der jeweilige Gasstrom geführt und gelenkt werden, um die in der jeweiligen Stufe stattfindenden Prozesse zu optimieren, beispielsweise um ein möglichst effizientes Einrieseln der Arbeitsflüssigkeit zu erreichen.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in der Absorptionsstufe ein Absorptionsstufen-Strömungsweg als im wesentlichen horizontaler Strömungsweg gebildet ist.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann eine Regelungseinrichtung vorgesehen sein, die konfiguriert ist, einen Flüssigkeitsspiegel in dem Bioreaktor zu regeln. Mit Hilfe der Regelungseinrichtung kann es in einer Ausführungsform ermöglicht werden, ein Mindestniveau an Arbeitsflüssigkeit aufrechtzuerhalten. Wenn beispielsweise im Betrieb Ar beitsflüssigkeit verdunstet, kann die Regelung dieses mittels Flüssigkeitszufuhr ausgleichen, beispielsweise mittels Zufuhr von Frischwasser. Unabhängig von einer möglichen Flüssigkeitszufuhr ist der Transport von Teilen der Arbeitsflüssigkeit in die Absorptionsstufe bevorzugt so zu regeln, dass das Mindestniveau in der Regenerationsstufe nicht unterschritten wird.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht eine Prozessregelungseinrichtung vor, die konfiguriert ist, ein oder mehrere Prozessparameter für den Entschwefelungsprozess in dem Bioreaktor zu regeln. Mit Hilfe der Prozessregelungseinrichtungen können ein oder mehrere Prozessparameter ausgewählt aus der folgenden Gruppe von Prozessparametern geregelt werden: Temperatur, pH-Wert, Nährstoffkonzentration und Sulfatkonzentration. So können auf diese Weise für unterschiedliche Mikroorganismen jeweils optimierte Prozessparameter eingestellt werden.
In Verbindung mit den bevorzugten Ausgestaltungen des Verfahrens zum mikrobiologischen Entschwefeln eines Gases gelten die im Zusammenhang mit zugehörigen Ausführungsformen der Vorrichtung zur mikrobiologischen Entschwefeln gemachten Erläuterungen entsprechen.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Bioreaktors zum Entschwefeln eines Gases mit einer Absorptionsstufe und einer Regenerationsstufe und
2 eine schematische Darstellung eines Bioreaktors zum Entschwefeln eines Gases mit mehreren Absorptionsstufen und mehreren Regenerationsstufen.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Bioreaktors zum Entschwefeln eines Gases mit einer Absorptionsstufe 1 und einer Regenerationsstufe 2, die bei der dargestellten Ausführungsform übereinander angeordnet sind. Beim Betrieb des Bioreaktors wird ein zu reinigendes Gas, bei dem es sich insbesondere um ein Bio-, Klär- oder Deponiegas handeln kann, in die Absorptionsstufe 1 eingebracht und durchströmt dort einen Füllkörper 3. Oberhalb des Füllkörpers 3 ist in der Absorptionsstufe 1 eine Berieselungseinrichtung 4 angeordnet, über die eine Mikroorganismen enthaltende Arbeitsflüssigkeit, beispielsweise Wasser, in die Absorptionsstufe 1 eingerieselt wird, was in der dargestellten Ausführungsform quer zum Strom des zu entschwefelnden Gases in der Absorptionsstufe 1 erfolgt. Die Berieselungseinrichtung 4 in der Absorptionsstufe 1 erhält die einzurieselnde Arbeitsflüssigkeit aus einem Reservoir 5 in der Regenerationsstufe 2 über eine in 1 schematisch dargestellte Leitung 6.
Über die Leitung 6 wird gemäß 1 eine weitere Berieselungseinrichtung 7 gespeist, mit der die mit Mikroorganismen beladene Arbeitsflüssigkeit in die Regenerationsstufe 2 eingespeist wird, welche von einem Luftstrom durchströmt wird, mit welchem für die Mikroorganismen des Bioreaktors Sauerstoff zur Verfügung gestellt wird. Der Luftstrom in der Regenerationsstufe 2 durchströmt einen weiteren Füllkörper 8 in der Regenerationsstufe.
Gemäß 1 sind die Absorptionsstufe 1 und die Regenerationsstufe 2 über eine Trenneinrichtung 9 miteinander verbunden, bei der es sich um ein Siphon handelt. Auf diese Weise kann Arbeitsflüssigkeit, die über die Berieselungseinrichtung 3 in die Absorptionsstufe 1 eingebracht wurde und dort Schwefelwasserstoff aus dem zu entschwefelnden Gas aufgenommen hat, zurück in das Reservoir der Regenerationsstufe 2 gelangen, wo die Mikroorganismen mit Sauerstoff versorgt werden, so dass der Schwefelwasserstoff unter Sauerstoffverbrauch oxidiert werden kann. Andererseits wird die Absorptionsstufe 1 über die Leitung 6 aus der Regenerationsstufe 2 mit Arbeitsflüssigkeit versorgt, die mit Sauerstoff beladen ist, so dass auch für die Mikroorganismen in der Absorptionsstufe 1 Sauerstoff bereitgestellt wird, um Schwefelwasserstoff mikrobiologisch zu oxidieren. Es findet auf diese Weise im Betrieb ein fortdauernder Transport von Sauerstoff aus der Regenerationsstufe 2 in die Absorptionsstufe 1 und von mit gelösten Schwefelwasserstoff beladener Arbeitsflüssigkeit aus der Absorptionsstufe 1 über die Trenneinrichtung 9 (Siphon) in das Reservoir 5 der Regenerationsstufe 2 statt. Sowohl in der Absorptionsstufe 1 als auch in der Regenerationsstufe 2 herrschen auf diese Weise für die Mikroorganismen Bedingungen, die es den Mikroorganismen ermöglichen, den gelösten Schwefelwasserstoff zu oxidieren.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Bioreaktors zum Entschwefeln eines Gases mit mehreren Absorptionsstufen 1 und mehreren Regenerationsstufen 2. Für gleiche Merkmale werden in 2 die gleichen Bezugszeichen wie in 1 verwendet. Es ergibt sich, dass die mehreren Absorptionsstufen 1 mit jeweils zugeordneten Regenerationsstufen 2 so verbunden ist, dass ein Flüssigkeitsaustausch stattfinden kann, wohingegen eine gasdichte Abtrennung gebildet ist.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.

Claims

Vorrichtung zum mikrobiologischen Entschwefeln eines Gases, insbesondere eines Biogases, mit: – einem Bioreaktor, – einer von dem Bioreaktor umfassten Absorptionsstufe, welche konfiguriert ist, von einem zu entschwefelnden Gas zur Entschwefelung mittels in den Bioreaktor eingebrachter Mikroorganismen durchströmt zu werden, – einer von dem Bioreaktor umfassten Regenerationsstufe, welche konfiguriert ist, von einem Sauerstoff für die Mikroorganismen bereitstellenden Gas durchströmt zu werden, und – einer die Absorptionsstufe und die Regenerationsstufe trennenden Trenneinrichtung, welche zwischen der Absorptionsstufe und der Regenerationsstufe einen Flüssigkeitsaustausch für eine im Bioreaktor genutzte Arbeitsflüssigkeit in wenigstens einer Austauschrichtung zulassend und einen Gasaustausch verhindernd ausgeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem der Absorptionsstufe zugeordneten Strömungsweg ein das Durchströmen des zu entschwefelnden Gases zulassender Füllkörper angeordnet ist, welcher konfiguriert ist, in die Absorptionsstufe eingebrachte Mikroorganismen aufzunehmen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem der Regenerationsstufe zugeordneten Strömungsweg ein das Durchströmen des Sauerstoff bereitstellenden Gases zulassender weiterer Füllkörper angeordnet ist, welcher konfiguriert ist, in die Regenerationsstufe eingebrachte Mikroorganismen aufzunehmen.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung eine Siphoneinrichtung aufweist.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionsstufe oberhalb einer Standfläche, auf welcher der Bioreaktor steht, höher als die Regenerationsstufe angeordnet ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorptionsstufe eine Berieselungseinrichtung, welche konfiguriert ist, die Arbeitsflüssigkeit mit Mikroorganismen in den Strom des zu entschwefelnden Gases einzubringen, und der Regenerationsstufe eine weitere Berieselungseinrichtung zugeordnet sind, welche konfiguriert ist, die Arbeitsflüssigkeit mit Mikroorganismen in den Strom des Sauerstoff bereitstellenden Gases einzubringen.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Biorektor mehrere Reinigungsstufen hintereinander geschaltet und miteinander verbunden sind, die jeweils über wenigstens eine zugeordnete Absorptionsstufe und wenigstens eine zugeordnete Regenerationsstufe verfügen.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Absorptionsstufe ein Absorptionsstufen-Strömungsweg als im wesentlichen horizontaler Strömungsweg gebildet ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Regelungseinrichtung, die konfiguriert ist, einen Flüssigkeitsspiegel in dem Bioreaktor zu regeln.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Prozessregelungseinrichtung, die konfiguriert ist, ein oder mehrere Prozessparameter für den Entschwefelungsprozess in dem Bioreaktor zu regeln.
Verfahren zum mikrobiologischen Entschwefeln eines Gases, insbesondere eines Biogases, in einem Bioreaktor, bei dem: – ein zu entschwefelndes Gas zur Entschwefelung mittels in den Bioreaktor eingebrachter Mikroorganismen eine Absorptionsstufe in dem Bioreaktor durchströmt, – ein Sauerstoff für die Mikroorganismen bereitstellendes Gas eine Regenerationsstufe in dem Bioreaktor durchströmt und – mittels einer Trenneinrichtung das die Absorptionsstufe durchströmende, zu entschwefelnde Gas und das die Regenerationsstufe durchströmende, Sauerstoff bereitstellende Gas getrennt werden, wobei die Trenneinrichtung zwischen der Absorptionsstufe und der Regenerationsstufe einen Flüssigkeitsaustausch für eine im Bioreaktor genutzte Arbeitsflüssigkeit in wenigstens einer Austauschrichtung zulassend und einen Gasaustausch verhindernd ausgeführt ist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das zu entschwefelnde Gas in einem der Absorptionsstufe zugeordneten Strömungsweg einen Füllkörper durchströmt, welcher konfiguriert ist, in die Absorptionsstufe eingebrachte Mikroorganismen aufzunehmen.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das zu entschwefelnde Gas in einem der Regenerationsstufe zugeordneten Strömungsweg einen weiteren Füllkörper durchströmt, welcher konfiguriert ist, in die Regenerationsstufe eingebrachte Mikroorganismen aufzunehmen.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsflüssigkeit mit Mikroorganismen in der Absorptionsstufe mittels einer Berieselungseinrichtung in das zu entschwefelnde Gas und in der Regenerationsstufe mittels einer weiteren Berieselungseinrichtung in das Sauerstoff bereitstellende Gas eingebracht wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das zu entschwefelnde Gas in dem Biorektor in mehreren Reinigungsstufen mehrstufig gereinigt wird, die hintereinander geschaltet und miteinander verbunden sind und die jeweils über wenigstens eine zugeordnete Absorptionsstufe und wenigstens eine zugeordnete Regenerationsstufe verfügen.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das zu entschwefelnde Gas in der Absorptionsstufe entlang eines im wesentlichen horizontal gebildeten Absorptionsstufen-Strömungsweg strömt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Flüssigkeitsspiegel in dem Bioreaktor mittels einer Regelungseinrichtung geregelt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Prozessparameter für den Entschwefelungsprozess in dem Bioreaktor mittels einer Prozessregelungseinrichtung geregelt werden.