DE3608466A1 - Verfahren und vorrichtung zur durchfuehrung gasbildender biotechnologischer prozesse in festbettreaktoren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Durchführung von unter Gasbildung ablaufenden biotechnologischen Prozessen in Reaktoren mit von Mikroorganismen bewachsenen Trägerkörpern, sowie auf Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens.

Zahlreiche biotechnologische Prozesse laufen unter Freisetzung von Gas ab. So entsteht bei anaeroben Abbauprozessen Biogas (CH₄) und bei aeroben Gärprozessen CO₂. Ein weiteres Beispiel für unter Gasentwicklung ablaufenden Bioreaktionen ist die bakterielle Denitrifikation, bei der Nitrat in Anwesenheit geeigneter Bakterien sowie organischer Substanzen als indirekte Reduktionsmittel unter sauerstoffarmen oder -freien Reaktionsbedingungen abgebaut wird.

Für die Durchführung dieser Umsetzungen werden vielfach säulenförmige Festbettreaktoren ange­ wandt, mit bakterienbewachsenen Trägerkörpern, an denen die bakterielle Umsetzung erfolgt. Beim Betrieb dieser Reaktoren treten nun ins­ besondere bei zunehmender Reaktorgröße Probleme durch die mit der Bioreaktion einhergehende Gasentwicklung auf: Das entstehende Gas wird von den bewachsenen Körpern nur verzögert abgelöst und kann mit dem Fortgang der Reaktion zur teilweisen Blockade der mit Bakterien besetz­ ten aktiven Oberfläche führen und zur Erhöhung des Filtrationswiderstandes, d. h. der Durchsatz ist weder optimal, noch erfolgt er mit konstanter Rate.

Näher untersucht wurden diese Phänomene bei der Denitrifikation in Festbettreaktoren, bei denen das organische Substrat entweder dem zufließenden nitrathaltigen Wasser zudosiert oder aus Kunstoff-Füllkörpern durch Diffusion zur Verfügung gestellt wurde. Bei der bakteriel­ len Umsetzung werden N₂ und/oder N₂O entwickelt, deren Ablösung aus der bakterienbesetzten Füllkör­ perschicht Probleme bereitet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Intensivierung der Gasablösung und damit Verbesserung der bakteriellen Umsetzung vorzusehen.

Das zu diesem Zweck entwickelte erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß der Zusammenschluß und die Ablösung der gebildeten Gase vom Festkörper durch mechanische Einwirkung auf das System begünstigt wird.

Als mechanische Einwirkung eignen sich ins­ besondere kontinuierliche oder intermittierende Vibrationen, insbesondere bei Reaktoren mit einer Serie von übereinander angeordneten Schwing­ tellern als Unterlage für die bakterienbewachse­ nen Füllkörper.

Als besonders einfach und wirkungsvoll erweist sich jedoch der Einsatz eines allgemein hori­ zontalen Schüttkörperbettes mit um zumindest 3°, insb. etwa 15°, gegen die Horizontale geneigter Längsachse in einem zylindrischen Behälter mit Durchbrüchen für die Gasabgabe im oberen Bereich, der nicht vollständig mit Schüttkörpern gefüllt ist, sondern einen gewissen Freiraum insbesondere von 10-35%, insb. 20-25% aufweist und um seine Längsachse in Drehbewegung versetzt wird.

Vorzugsweise hat der das Schüttkörperbett aufnehmen­ de Drehzylinder als Gasabgabeöffnungen einen Kranz von Schlitzen, insbesondere längs von Mantellinien. Die Schlitzlänge reicht vorzugs­ weise über etwa 5-10% der Bettlänge.

Dieses geneigte füllkörperhaltige Drehrohr mit Gasabgabeöffnungen ist insbesondere in einem etwas größeren feststehenden Zylindermantel stirnseitig gelagert, der einen Gasabgabestutzen am oberen Ende aufweist sowie an der gleichen Stirnseite einen darunterliegenden Flüssigkeits­ auslaß. Auf diese Weise "schwimmt" das den Schüttkörper aufweisende Drehrohr in einem Flüssigkeitsmantel, wodurch der Energieaufwand für die Rotation vermindert wird.

Die Rotation kann kontinuierlich erfolgen oder intermittierend mit angemessen Pausen. Zweckmäßig sind Taktzeiten von 10-25 min und Drehge­ schwindigkeiten von 1-10 UpM.

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß die Gasabsonderung aus einem solchen rotierenden geneigten Schüttkörperbett mit Freiraum außer­ ordentlich begünstigt ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Aus­ führungsbeispielen unter Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungen erläutert; es zeigt schematisch

Fig. 1 einen geneigten Drehrohr-Reaktor und

Fig. 2 einen Schwingtellerreaktor.

Fig. 1 zeigt einen geneigten Drehrohr-Reaktor (1) mit einem vorgeschalteten senkrechten Säulen- Reaktor (2), in den bei (3) kontinuierlich nitrathaltiges Wasser mittels einer Förderpumpe (4) über ein Regelventil (5) zur genauen Do­ sierung der Wasserdurchflußmenge eingeleitet wird. Der Säulenreaktor (2) enthält zwischen Siebplatten (6) als Füllkörper (7) z. B. ein inertes Kunstoffgranulat (z. B. Nitrex®-Filter­ masse), das durch seine poröse Oberflächen­ struktur günstige Besiedlungszonen für die Denitrifikationsbakterien bietet. Im Säulen­ reaktor (2) wird die erste Abbaustufe einge­ leitet, bei der das Nitrat bakteriell weitgehend zu Nitrit reduziert wird.

Die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers wird so geregelt, daß im Ablauf (8) des Säulenreaktors (2) ein hoher Nitritgehalt meßbar und im oberen Drittel des Reaktors keine Gasblasenbildung zu beobachten ist.

Über das Verbindungsrohr (9) wird das Wasser weiter zum Drehrohrreaktor (1) geleitet. Durch eine Hohlachse (10) mit Drehverbindung und Lagerung gelangt das Wasser in das drehbare Reaktor-Innenrohr (11), das zu etwa ¾ mit einem geeigneten mit Denitrifikationsbakterien bewachsenen Granulat (12) gefüllt ist. Hier erfolgt anaerob der zweite Denitrifikations­ schritt, wobei es zur Bildung von Stickstoffgas (N₂) und/oder von Lachgas (N₂O) kommt. Als Endstufe der Denitrifikation (Nitrat-Nitrit- Atmung) wird also hauptsächlich Stickstoff gasförmig entbunden und entweicht aus den im oberen Bereich des Innenrohres (11) angebrachten Entgasungsschlitzen (13) in die ohnehin zu etwa 80 Vol-% Stickstoff enthaltende Luft.

Um das die Bakterienaktivität hemmende Anhaften von Gasblasen an der Oberfläche des Füllkörpers (12) zu vermeiden, wird der Drehrohrreaktor (11) alle 15 Minuten über den Motor (14) 3 Minuten lang mit 3 UpM gedreht. Dieser Vorgang wird gleichzeitig durch die schräge Lagerung des Reaktors in einem Winkel von 15° begünstigt. Über die Gasableitung (15) kann das Stickstoffgas endgültig die Apparatur verlassen. Das nitratarme Wasser kann dann über den Wasserauslauf (16) im Mantel (17) ebenfalls der Apparatur entzogen werden.

Beim Betrieb des Drehrohrreaktors ermöglicht die kontinuierliche Gasableitung aus den Poren­ räumen des Festbetts bzw. aus der Apparatur über die Entgasungsschlitze ein ungestörtes Bakterienwachstum an der Matrixoberfläche. Ferner wird der ungestörte Wasserdurchfluß an den Oberflächen der Füllkörper, wo haupt­ sächlich die Abbauaktivität der Denitrifika­ tionsbakterien stattfindet, gewährleistet. Die Bildung von Durchlaufrinnen innerhalb des Drehrohrreaktors, die den Kontakt zwischen Wasser und der Bakterien an der Matrix-Oberfläche behindern würden, findet hier nicht statt. Die weitgehende räumliche Trennung des Nitrat­ abbaus in zwei Stufen mit Optimierung der Verweil­ zeiten in den Reaktoren (1) und (2), so daß im Säulenreaktor (2) bevorzugt lediglich der Nitratabbau zu Nitrit erfolgt (ohne Blasen­ bildung), während im Drehrohrreaktor (1) dann der Abbau des Nitrit bis zu Stickstoffstufe bzw. zu N₂O stattfindet, ist technologisch besonders zweckmäßig.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Schwingteller-Säulen­ reaktor wird das nitrathaltige Wasser mittels einer Förderpumpe oder aufgrund einer hydro­ statischen Druckdifferenz ventilgeregelt über den Einlauf (18) in den Reaktorraum gefördert. Der Reaktor ist bestückt mit acht übereinander stehenden Reaktorkammern (19), die als Festbett fungieren und über Hohlbuchsen (20) an der Mittelachse (21) gelagert sind. Die Mittelachse ihrerseits wird in einem Lagerblock (22) geführt. Eine Magnetspule (23) und eine Druckfeder (24) sorgen dafür, daß die Reaktorkammern über die Mittelachse vertikal in Schwingungen versetzt werden können.

Beim Betrieb des Reaktors sind die Kammern mit einem geeigneten Füllkörper (25) beschickt, der aufgrund seiner Oberflächenstruktur eine optimale Besiedlungszone für die Denitrifikations­ bakterien bietet. Am Kammerboden, und zwar in Abschnitt (26) sind vom Mittelpunkt nach außen hin radial verlaufende Öffnungen angebracht, die den ungehinderten Zustrom des zu denitri­ fizierenden Wassers in die Reaktorkammer er­ möglichen.

Die im Verlauf des Denitrifikationsprozesses an der aktiven Kontaktfläche Füllkörper/Bakterien gebildeten Gasblasen können über den Gasaustritt (27) entlang der Gasableitungsführung (28) aus den Reaktionsräumen entweichen. Um ein eventuelles Anhaften der Gasblasen an den Füll­ körpern zu vermeiden, werden die Reaktorkammern über die Mittelachse in Schwingungen versetzt, wodurch die Gasblasen entlang den schrägstehen­ den Kammerdeckeln (29) problemlos abgeleitet werden. Die auf diese Weise aus den einzelnen Kammerräumen aufsteigenden Gasblasen können dann über die Öffnung (30) den Reaktorraum verlassen. Das aufbereitete Wasser wird über den Auslauf (31) abgezogen.

Die bakterielle Denitrifikation im rotierenden geneigten bakterienbewachsenen Schüttkörper­ bett ist auch für die Regeneration von Wasser, insb. Meerwasser aus Aquarien oder aus Intensiv­ haltung von Wassertieren geeignet.

Claims (13)

1. Verfahren zur Durchführung von unter Gasbildung ablaufenden biotechnologischen Prozessen in Reaktoren mit von Mikroorganismen bewachsenen Trägerkörpern, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusammenschluß und die Ablösung der gebildeten Gase vom Festkörper durch mechanische Einwirkungen auf das System begünstigt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Einwirkungen durch konti­ nuierliche oder intermittierende Vibration erreicht werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Einwirkungen bei einem allgemein horizontalen Schüttkörperbett durch eine Neigung der Längsachse gegen die Horizontale um zumindest 3° und Drehbewegung des Bettes mit darüber befindlichem Freiraum und diese Achse herbeigeführt wird.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es bei der bakteriellen Denitrifikation angewandt wird, insb. als 2. (Nitrit-Abbbau) Stufe mit einer vorgeschalteten Nitrat → Nitrit-Abbaustufe.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, in einem Festbett-Rohrreaktor, gekennzeichnet durch eine Neigung der Achse des Rohrreaktors (1) gegen die Horizontale von zumindest 3°, insb. von etwa 15°, und Lagerung (10) und Antriebs­ mittel (14) für die kontinuierliche oder inter­ mittierende Rotation des Reaktors um diese Achse.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Schüttkörperbett (11, 12) in einem Reaktormantel (17) mit Gas- und Flüssigkeits­ auslässen (15, 16) "schwimmend" drehbar gelagert und mit Gasabgabeöffnungen (13) am "angehobenen Ende" versehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasabgabeöffnungen durch einen Kranz von Schlitzen (13) längs von Mantellinien gebildet wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (13) eine Länge von 5-10% der Bettlänge haben.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Schüttkörperbett (11) ein Freiraum von 10-35%, insb. 20-25% über dem Schüttkörper (12) vorhanden ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmittel (14) für eine taktweise intermittierende Rotation, insb. mit einer Taktzeit von 10-25 min geeignet sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehgeschwindigkeit bei 1-10 UpM einstellbar ist.

12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch die Anordnung der von Mikroorganismen bewachsenen Trägerkörper (25) als Schüttkörper auf übereinander angeordneten Schwingtellern (26) eines Säulen­ reaktors, die zu kontinuierlichen oder inter­ mittierenden Hubbewegungen anregbar sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Hubbewegungen durch Vibrationen mit einer Amplitude von 5-15 mm, insb. 8-10 mm gebildet werden.