DE3709690A1 - Verfahren zum betrieb eines anaerob arbeitenden bioreaktors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Spülung, Auflockerung, Umschichtung und zum Austausch von Trägermaterial in anaeroben Bioreaktoren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Betriebsstabili­ tät und die Leistung durch optimale Ausnutzung des gesamten Reaktionsvolumens zu erhöhen.

Die Durchführung anaerober Abbauprozesse mit Hilfe von an Trä­ germaterial fixierter Mikroorganismen zur Reinigung von mit organischen Stoffen belasteten Abwässern gewinnt zunehmend an Bedeutung. Als Trägerwerkstoffe für großtechnische Prozesse kommen dabei poröse Steine, beispielsweise Lava oder Blähton sowie Kohle und verschiedene Arten von Kunststoffkörpern in Betracht. Die Korngröße bewegt sich dabei je nach Werkstoff und Größe des Bioreaktors sowie bestimmten Abwasserkennwerten zwischen etwa 5 und 50 mm.

Durch die Trägerfixierung der Mikroorganismen wird eine hohe Bakterienkonzentration in den Bioreaktoren und damit eine hohe Leistung, bezogen auf das Volumen, erreicht. Gleichzeitig entfällt die beim Belebtschlammverfahren angewendete aufwendige und problematische Abscheidung und Rückführung der Mikroorga­ nismen in die Reaktoren. Bei der Fixierung der Mikroorganismen an festen Trägern besteht trotz der geringen Wachstumsgeschwin­ digkeit der Mikroorganismen die Möglichkeit einer Verstopfung der Bioreaktoren nach einer gewissen Betriebszeit. Verstopfung kann sowohl durch ein Zuviel an Biomasse als auch durch Abla­ gerung von inertem Material auftreten. Die Verstopfung kann da­ bei zunächst eine Verminderung der Reaktorleistung sowohl lo­ kal als auch im gesamten Reaktor bedeuten, und zwar durch Blockierung eines Teils der Oberfläche der Trägerkörper. Die Mikroorganismen sind dann diffusionslimitiert oder es sind dann nur noch einzelne enge Kanäle zur Durchströmung der Trägerkör­ perpackung vorhanden. Der Endzustand kann jedoch, wie aus der Literatur bekannt ist, ein totales Verblocken der Trägerkörper und ein dadurch bewirktes drastisches Absinken der Bioreaktor­ leistung sein.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird unter Ver­ meidung der vorgenannten Nachteile durch das im Patentan­ spruch 1 angegebene Verfahren gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren verhindert oder beseitigt so­ wohl lokale als auch sich über den gesamten Reaktionsraum er­ streckende Verstopfungen. Durch die Erfindung kann ohne Be­ triebsunterbrechung der Bioreaktoren immer am Punkt der opti­ malen Leistung von der Konzentration der Mikroorganismen her gefahren werden. Die Trägerkörper werden bei geschlossenem Bioreaktor umgeschichtet, so daß ein Abtöten der anaeroben Mikroorganismen sicher verhindert ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispie­ len erläutert.

Einander entsprechende Bauteile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt einen Bioreaktor 1 mit einem Zulauf 18 und mit ei­ ner externen Umwälzschleife 2. Die Umwälzschleife 2 sowie eine in dieser angeordnete integrierte Umwälz-(Spülpumpe) 3 ist er­ findungsgemäß so dimensioniert, daß durch Erhöhung des betrieb­ lichen Umwälzmassenstromes der der Vergleichmäßigung von Tempe­ ratur-, Konzentrations- und pH-Wert-Gradienten dient, auf einen experimentell ermittelten Wert von 12,5 l/m² · s (bezogen auf den freien Bioreaktorquerschnitt) ein Freispülen von überschüssiger Biomasse und nicht allzu fest haftenden Inertwerkstoff aus den Zwischenräumen des Trägerwerkstoffes erfolgt. Damit ist es er­ findungsgemäß möglich, ohne jegliche Betriebsunterbrechung Ver­ stopfung und übermäßige Kanalbildung zu verhindern bzw. diesen unerwünschten Effekten vorzubeugen. Das Spülen kann dabei re­ gelmäßig von Hand oder automatisch erfolgen. Als Spülkriterium dient dabei eine kontinuierliche Druckdifferenzmessung 4 über die Höhe des Trägerkörperbettes. Die dabei freigespülte Bio­ masse bzw. das Inertmaterial wird während und noch eine gewisse Zeit lang nach Ende des Spülprogrammes über den normalen Reaktorablauf 19 ausgetragen. Das entstehende Biogas entweicht über einen Biogasabzug 21.

Dieses Spülprogramm stellt erfindungsgemäß die erste Stufe des Verfahrens dar. Bei bestimmten Substraten, mit z.B. sehr hoher organischer Belastung mit Feststoffen usw., sowie bei niedrigen betrieblichen Umwälzraten oder großen Reaktorhöhen kann es je­ doch entweder zu verstärktem Biomassenaufwuchs sowie zu ver­ mehrten Ablagerungen - auch mit Brückenbildung zwischen einzel­ nen Trägerkörpern - kommen. Dagegen ist als zweite Stufe eine Auflockerung und Umschichtung des von den Trägerkörpern gebil­ deten Festbettes erforderlich, da der Reaktorinhalt mit zu­ nehmender Entfernung vom Einlauf, d.h. im allgemeinen mit zu­ nehmender Höhe weniger stark belastet ist, während er gleich­ zeitig vom Auslauf her verstopft. Infolge davon sinkt die Ge­ samtleistung des Bioreaktors 1.

Um diesen Tendenzen entgegenzuwirken, wird erfindungsgemäß der Reaktorinhalt, d.h. die Trägerkörper mit der anhaftenden Bio­ masse nicht nur frei gespült, sondern auch aufgelockert und da­ bei umgeschichtet. Dies geschieht durch kurzzeitiges Fluidisie­ ren des Reaktorinhaltes.

Fig. 2 zeigt eine Bioreaktoranlage, die erfindungsgemäß mit den dafür erforderlichen Einrichtungen ausgestattet ist.

Neben der normalen Umwälz-/Spülpumpe 3 kann noch eine zweite Spülpumpe 5 oder ein Gebläse 6 oder eine Drossel mit vorge­ schaltetem Gasdruckspeicher 20 vorhanden sein, wenn die Umwälz-/Spülpumpe 3 nicht für einen entsprechend großen Mas­ senstrom ausgelegt werden kann. Dies gilt insbesondere dann, wenn es sich um eine größere Bioreaktoranlage handelt, die aus einer Reihe von Reaktormodulen besteht. Die zusätzliche Spül­ pumpe 5, das Gebläse 6 sowie die Drossel 7 mit Druckgasspeicher 20 können dann zentral für alle Reaktormodule benutzt werden, und zwar derart, daß das hier beschriebene Verfahren an jedem Reaktormodul einzeln der Reihe nach durchgeführt wird.

Zur Fluidisierung des Reaktorinhalts werden die Pumpe 5, das Gebläse 6 bzw. die Drossel 7 mit Gasdruckspeicher 20 entspre­ chend geschaltet. Die notwendige Menge an Umwälzflüssigkeit bzw. Gas, vorzugsweise ein Inertgas, z.B. Stickstoff, oder auch Biogas, richtet sich nach Reaktorquerschnitt und Trägerkörper­ werkstoff. Das Auflockern erfolgt nur kurzzeitig, um allzu hohen Abtrag an Biomasse oder übermäßige Scherkräfte, die die Mikroorganismen schädigen könnten, zu verhindern. Bei Strö­ mungsgeschwindigkeiten die über dem tatsächlichen Lockerungs­ punkt des Trägerwerkstoffes liegen, werden nicht nur Partikel­ verbände aufgerissen, sondern es findet auch ein intensiver vertikaler Austausch statt, so daß am Ende des Vorganges auch die Trägerpartikel mit mehr und mit weniger Biomassenbewuchs stochastisch verteilt im gesamten Reaktionsraum vorliegen. Da­ mit sind sowohl lokale Verstopfungen als auch die übermäßige Anreicherung von Biomasse in einem Reaktorbereich beseitigt, so daß wieder überall die maximale Reaktorleistung möglich ist. Losgelöster Werkstoff sowohl überschüssiger Biomasse als auch von Inertmaterial wird während und im Anschluß an den Vorgang über den normalen Ablauf 19 aus den Bioreaktor 1 ausgetragen.

Bei Betriebsstörungen oder sehr langem Betrieb, wenn z.B. die Trägerköprer oder die darauf haftende Biomasse mit inertem oder toxischem Material überzogen ist, wird eine kurzzeitige Betriebsunterbrechung notwendig, während der die Trägerkörper gereinigt oder ganz austauscht werden. Dies erfolgt ohne De­ montage und damit ohne lange Stillstandszeit unter Vermeidung hoher Kosten erfindungsgemäß mit der als dritter Stufe des Ver­ fahrens bezeichneten Anordnung. Die dazu notwendigen Einrich­ tungen sind in Fig. 3 und Fig. 4 zu erkennen und werden im fol­ genden erläutert.

Fig. 3 und Fig. 4 zeigen jeweils identische Anordnungen eines Bioreaktors 1 mit den weiteren zur Durchführung des Verfahrens notwendigen Einrichtungen. Beide Bilder unterscheiden sich nur in der Stellung einiger von Ventilen von 10 bis 16. Neben der für den Bioreaktorbetrieb ohnehin notwendigen Umwälzschleife 2 mit der Umwälz-Spülpumpe 3 werden ein Auffang-/Vorratsgefäß 8 mit Siebeinsatz und konischem Boden sowie einige Spülleitungen 9 benötigt. Zum besseren Verständnis sind zusätzlich die Haupt­ ventile 10 bis 16 mit Stellungsanzeige dargestellt.

Abreinigung oder Austausch der Trägerkörper erfolgt erfindungs­ gemäß hydraulisch. Die Rohrleitungen für den Transport sind entsprechend dimensioniert und mit weiten Krümmungsradien ver­ legt. Für den hydraulischen Transport reicht im allgemeinen die Spül-/Umwälzpumpe 3. Zusätzlich oder allein zum Fluidisieren des Bioreaktorinhalts werden die unter Stufe 2 des Gesamtver­ fahrens beschriebenen zusätzlichen Einrichtungen verwendet.

Zunächst ist der hydraulische Transport aus dem Bioreaktor 1 in das Auffang-/Vorratsgefäß 8 beschrieben. Dazu wird die Ven­ tilschaltung entsprechend Fig. 3 hergestellt und das Auffang­ /Vorratsgefäß 8 sowie alle anschließenden Rohrleitungen mit Wasser gefüllt. Über die Umwälz-/Spülpumpe 3 wird Wasser aus dem Auffang-/Vorratsgefäß 8 in den Bioreaktor 1 gedrückt und von dort mit Trägerkörpern beladen in das Auffang-/Vorratsge­ fäß 8 zurückgefördert. Dort bleiben die größeren Partikel vor einem Siebboden hängen. Während das Wasser weiter im Kreislauf gefördert wird, sinken Trägermaterialabrieb, Inertmaterial usw. in den konischen Boden des Auffang/Vorratsgefäßes 8 und wer­ den von dort am Ende des Prozesses über den Bodenablaß 17 aus­ geschleust.

Während des hydraulischen Fördervorganges unterliegen die Trägerkörper einem natürlichen Abrieb, der hier erfindungsge­ mäß als Reinigungseffekt ausgenutzt wird. Dieser Effekt ist ab­ hängig vom Werkstoff der Trägerkörper und ist unter Umständen noch durch nicht dargestellte zusätzliche Prallbleche, Umlen­ kungen oder ähnliches, im Auffang-/Vorratsgefäß 8 erhöht.

Im allgemeinen reicht ein Fördervorgang aus dem Bioreaktor 1 und wieder zurück, um die Trägerkörper von allen Oberflächen­ verunreinigungen oder zu starkem Biomassenbewuchs zu befreien, ohne dabei die Mikroorganismen vor allem in den Poren der Trä­ gerkörper zu schädigen. Nach Verbrauch oder nach zu starkem Abrieb werden die Trägerkörper ersetzt, in dem neue unver­ brauchte Trägerkörper in das Auffang-/Vorratsgefäß 8 eingefüllt werden, nachdem vorher die verbrauchten Trägerkörper entfernt worden sind.

Die Art und Weise der Förderung in den Bioreaktor 1 hinein ist die gleiche, wie die Förderung aus diesem heraus. In jedem Fall erfolgt diese Förderung ohne Demontage und ohne Umbauten an dem Bioreaktor sowie an den hierzu vorgesehenen Baugruppen. Die notwendige Ventilstellung hierzu ist in Fig. 4 dargestellt.

Claims (6)

1. Verfahren zur Spülung, Auflockerung, Umschichtung und zum Austausch von Trägerkörpern in anaeroben Bioreaktoren, dadurch gekennzeichnet, daß zur Be­ triebsstabilität und zur Erhöhung der Leistung des Bioreaktors ohne Betriebsunterbrechung

• - ein Bioreaktorgefäß in Betriebsströmungsrichtung gespült wird,
• - daß die Trägerkörperpackung in dem Bioreaktorgefäß durch die Strömung der Spülflüssigkeit aufgelockert und umgeschichtet wird und
• - daß die Trägerkörper während der Spülung und Auflockerung durch Reibung aneinander und an den Wänden des Bioreaktor­ behälters sowie von Rohrleitungen sich gegenseitig abschlei­ fen und sich dadurch regenerieren und reinigen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß alle Verfahrensschritte unter vollständigem Abschluß von der Umgebungsluft ohne Demontage und ohne Umbau der erforderlichen Betriebsmittel erfolgen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Antrieb hydraulisch er­ folgt.

4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net,

• - daß ein Bioreaktorgefäß (1) oberhalb eines Zulaufes (18) und unterhalb eines Ablaufes (19) je einen Siebboden (22) zur Führung einer dazwischen angeordneten Trägerkörperpackung (23) aufweist und
• - daß unterhalb des oberen Siebbodens (22) an das Bioreaktor­ gefäß (1) eine Umwälzschleife (2) angeschlossen ist, in der eine Umwälz-/Spülpumpe (3) die Trägerkörperpackung (23) nach und nach absaugt und unmittelbar oberhalb des unteren Sieb­ bodens (22) wieder in das Bioreaktorgefäß (1) hineindrückt.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in die Umwälzschleife (2) durch Betätigung von Hauptventilen (10, 13 und 14) ein Auffang-/Vor­ ratsgefäß (8) einschaltbar ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsrichtung in der Umwälzschleife (2) durch Einschalten von zwei Spüllei­ tungen (9) durch Betätigen von vier weiteren Hauptventilen (11, 12, 15 und 16) vorübergehend umkehrbar ist.