DE4307672A1 - Vorrichtung zur Bioreaktion von Gasstrom und Biomasse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bioreaktion, bei der ein Gasstrom eine Aufbereitungseinrichtung, ein Bio­ massebett und eine Nachbehandlungseinrichtung passiert, bei der die Aufbereitungseinrichtung und die Nachbehandlungsein­ richtung zur Beeinflussung des Feuchtigkeits/Nährstoffgehal­ tes des Gasstromes ausgelegt sind, bei der das Biomassebett in einem Gehäusemantel untergebracht ist, der beiderendes von einer Gehäusestirnwand begrenzt ist, und bei der eine Zufuhr­ einrichtung für den Gasstrom durch die eine Gehäusestirnwand geführt ist.

Die Vorrichtung dient z. B. der biologischen Abgasreinigung, der Feststoff-Fermentierung oder der Reinigung von Massen wie z. B. Abfallstoffen oder Erden. Die Vorrichtung arbeitet in drei Phasen und ist von drei Stufen bzw. Hauptbaugruppen ge­ bildet. Die Aufbereitungseinrichtung dient z. B. der Anrei­ cherung des Gases mit Feuchtigkeit oder Nährstoff. Die Nach­ behandlungseinrichtung ist unbeabsichtigt durch die Drossel­ wirkung des engen Ablaßrohres gegeben und bewirkt ein Aus­ scheiden von Feuchtigkeit aus dem Gas. Das Biomassebett ist z. B. ein Festbett und ist entweder einstufig oder mehrstufig ausgebildet, wobei zwei benachbarte Teil-Betten Abstand von­ einander aufweisen. Die Durchströmrichtung des Gasstromes ist in der Regel von unten nach oben.

Bei einer durch die Praxis bekannten Vorrichtung dieser Art ist die Aufbereitungseinrichtung in einem Zufuhrrohr zu dem das Biomasse-Festbett aufnehmenden Gehäuse angeordnet. Wenn die Vorrichtung in Betrieb genommen wird, werden die Aufbe­ reitungseinrichtung und die Nachbehandlungseinrichtung einge­ schaltet, wonach sie fortlaufend in einem gleichbleibenden Betriebszustand arbeiten. Die Bioreaktion zwischen dem Gas und der Biomasse ist vom jeweiligen Feuchtigkeits/Nährstoff­ gehalt der Biomasse abhängig, wobei über die, in Durchström­ richtung gesehene Höhe der Biomasse gleiche Verhältnisse er­ wünscht sind. Es zeigt sich, daß die angestrebte Bioreaktion bei der bekannten Vorrichtung nur unvollständig erfolgt, wes­ halb z. B. Biomasse überdimensioniert vorgesehen sein muß, um einen bestimmten Abgasstrom ausreichend zu reinigen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Feuchtigkeits/Nähr­ stoffverhältnisse der Biomasse über deren Höhe einem er­ wünschten Zustand in verbesserter Weise und mit einfachen Mitteln angenähert sind. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist, diese Aufgabe lösend, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufbereitungseinrichtung im Gehäusemantel in einem Gehäuse­ raum vor dem Biomassebett angeordnet steuerbar ausgebildet ist sowie die Nachbehandlungseinrichtung steuerbar ausgebil­ det ist und daß eine Einrichtung zur Feststellung des Feuchtigkeits/Nährstoffzustandes der Biomasse über deren, in Durchströmrichtung gesehene, Höhe vorgesehen ist, wobei das Biomassebett ein Festbett oder ein gasfluidisiertes Bett ist.

Auf diese Weise werden die in der Biomasse immobilisierten Mikroorganismen verbessert mit Feuchtigkeit/Nährstoff ver­ sorgt, d. h. die Austrocknungserscheinungen bzw. Nährstoff­ mangelerscheinungen in der Biomasse sind vermieden. Da die Feuchtigkeits/Nährstoffverhältnisse des Gases innerhalb des Gehäuses eingestellt werden, können sich die Druckverhältnis­ se und die davon abhängigen Feuchtigkeits/Nährstoffverhältnis­ se nicht deshalb ändern, weil das Gas von einer engen Rohrleitung in das weite Gehäuse strömt. Der Feuchtigkeits/Nähr­ stoffzustand der Biomasse wird also von der Gaszufuhrsei­ te der Biomasse her beeinflußt. Der Feuchtigkeits/Nährstoff­ zustand der Biomasse wird über deren Durchtritts-Höhe beob­ achtet und die Aufbereitungs- sowie die Nachbehandlungsein­ richtung werden entsprechend dem Ergebnis der Beobachtung ge­ steuert bzw. eingestellt. Durch geeignete Steuerung und Di­ mensionierung der den Gas-Feuchtigkeits/Nährstoffgehalt be­ einflussenden Aufbereitungs- und Nachbehandlungseinrichtung innerhalb des einen Gehäuses werden verbesserte Feuchtig­ keits/Nährstoffverhältnisse in der Biomasse erreicht. Dabei wird die Steuerung und Dimensionierung der Nachbehandlungs­ einrichtung in Abhängigkeit von der Leistung und der Funktion der Aufbereitungseinrichtung erfolgen, da eine Nachbehandlung im Gehäuse nur insoweit nötig ist, als die Biomasse nicht über ihre gesamte Höhe optimal mit Feuchtigkeit/Nährstoff versorgt wird.

Die Nachbehandlungseinrichtung ist z. B. außerhalb des Gehäusemantels angeordnet, wobei z. B. ausgeschiedene Flüs­ sigkeit über eine Rohrleitung zur Zufuhreinrichtung oder zur Aufbereitungseinrichtung geführt wird. In der Regel ist vor­ gesehen, daß die Nachbehandlungseinrichtung im Gehäusemantel in einem Gehäuseraum nach dem Biomassebett angeordnet ist. Soweit bei der Nachbehandlung Feuchtigkeit/Nährstoff aus dem Gas ausgeschieden wird, wird sie/er im Gehäuse ausgeschieden und gelangt unmittelbar wieder an die Biomasse. Der Feuchtig­ keits/Nährstoffzustand der Biomasse wird also auch von der Gasaustrittsseite der Biomasse her beeinflußt.

Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es, wenn die Zufuhr­ einrichtung mit einer steuerbaren Stellventileinrichtung ver­ sehen ist. Es läßt sich nämlich der Feuchtigkeits/Nährstoff­ zustand der Biomasse durch Wechseln der Gasdurchtrittsmenge/Zeit­ einheit beeinflussen. Aufgrund der Kenntnis des Einflusses des Joule-Thomson-Effektes auf das Verhalten des Gases bei der Durchströmung der Biomasse ist gefunden, daß durch wechselnde Gasstromvolumina eine Verschiebung der Kon­ densationsfronten in der Biomasse erreichbar ist. Durch Aus­ nutzung dieses Effektes läßt sich eine Vergleichmäßigung des Feuchtigkeits/Nährstoffzustandes in der Biomasse erreichen.

Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es auch, wenn der Gehäusemantel beim Gehäuseraum vor dem Bett und beim Bio­ massebett quer zur Durchströmrichtung gleichbleibenden Innen­ raum-Querschnitt aufweist. Da Änderungen des von dem Gasstrom durchsetzten und vom Gehäusemantel begrenzten Querschnittes auf den Druck und damit auf den Feuchtigkeits/Nährstoffgehalt des Gases Einfluß haben, ist es von Vorteil, wenn durch Quer­ schnittsänderungen bedingte Zustandsänderungen vermieden sind, um die erwünschte Vergleichmäßigung einfacher zu er­ reichen.

Hinsichtlich der Steuerbarkeit der Gasdurchtrittsmenge/Zeit­ einheit ist es besonders zweckmäßig und vorteilhaft, wenn das Gehäuse durch von der zufuhrseitigen Gehäusestirnwand ausge­ hende Trennwände im Bereich des Gehäuseraumes vor dem Bett und im Bereich des Biomassebettes in zwei oder mehr Kammern unterteilt ist und wenn die Zufuhreinrichtung und die Stell­ einrichtung zu jeder Kammer mit einer Zufuhrrohrleitung mit einem Stellventil führen. Es lassen sich nun die in den ein­ zelnen Kammern befindlichen Teil-Biomassen mit hinsichtlich der Menge/Zeiteinheit unterschiedlichen Teil-Gasströmen durchströmen bzw. beaufschlagen und damit in ihrem Feuchtig­ keits/Nährstoffzustand gesondert beeinflussen. Dies ist von besonderem Vorteil bei im Durchström-Querschnitt großflächi­ gen Biomassen, deren Konsistenz sich über den Querschnitt hin ändert. Der ankommende Gasstrom läßt sich ohne Abzweigung insgesamt durch die Biomasse leiten, da sich die Summe der Teil-Gasströme konstant halten läßt.

Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es sodann, wenn der Gehäusemantel mit einem sich über die Höhe der Biomasse er­ streckenden Sichtfenster versehen ist. Auf diese Weise sind über die Biomasse verteilte Feuchtigkeits/Nährstoffmesser vermieden. Es zeigt sich, daß sich durch unmittelbare visuel­ le Beobachtung der Biomasse deren Feuchtigkeits/Nährstoffzu­ stand ausreichend brauchbar erkennen und entsprechend steuern läßt.

Die Aufbereitungseinrichtung ist z. B. ein Verdampfer, z. B. ein Blasen- oder Filmverdampfer, der Flüssigkeit/Nährstoff dem Gas in dem zufuhrseitigen Gehäuseraum in Form von Dampf zuführt. Die Nachbehandlungseinrichtung ist z. B. ein Konden­ sator, d. h. eine Kühlschlange, die aus dem Gas in dem abfuhr­ seitigen Gehäuseraum Flüssigkeit ausfällt.

Um die Vorrichtung geeignet zu steuern, ist z. B. ein Refe­ renzreaktor aus durchsichtigem Material wie Glas vorgesehen, z. B. in den Gehäusemantel eingebaut, der den gleichen An­ ström- und Druckverhältnissen wie die eigentliche Vorrichtung unterliegt. Es kann durch geeignete Probenahme und Meßtechni­ ken die Änderung der Gasvolumenströme gesteuert werden.

Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es ebenfalls, wenn die Zufuhreinrichtung für den Gasstrom eine Rohrleitung für ein Reaktionsgas aufweist, über die über einen Zumischer eine Rohrleitung für Druckluft angeschlossen ist. Durch das Zumi­ schen von Druckluft lassen sich der Feuchtigkeits/Nährstoff­ gehalt und die Durchströmgeschwindigkeit des Gasstromes än­ dern. Der Zumischer ist z. B. ein Mischventil. Wenn die Un­ terteilung in Kammern vorgesehen ist, kann die Druckluft all­ gemein einer gemeinsamen Rohrleitung oder aufgeteilt Zweig­ leitungen, die je einer Kammer zugeordnet sind, zugeführt werden.

In der Zeichnung sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfin­ dung dargestellt und zeigt

Fig. 1 in einem Schnitt eine erste Vorrichtung zur Bioreak­ tion von Gasstrom und Biomasse und

Fig. 2 in einem Schnitt eine zweite Vorrichtung zur Bioreak­ tion von Gasstrom und Biomasse.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 umfaßt ein Gehäuse 1 mit einem Gehäusemantel 2, der einen Innenraum begrenzt, dessen Quer­ schnitt rund und konstant ist. Zu dem Gehäuse gehören zwei Gehäusestirnwände 3, die an den beiden Enden des Gehäuse­ mantels 2 vorgesehen sind. Im Mittenbereich des Gehäuses 1 trägt der Gehäusemantel 2 ein querverlaufendes Gitterrost 4, auf dem ein Festbett 5 von Biomasse vorgesehen ist. Der Ge­ häusemantel 2 ist in Höhe der Biomasse mit Sichtfenstern 6 versehen. Angrenzend an das Gitterrost 4 befindet sich ein eingangsseitiger Gehäuseraum 7 und angrenzend an die Biomasse befindet sich ein ausgangsseitiger Gehäuseraum 8. Der zufuhr­ seitigen Gehäusestirnwand 3 ist eine Zufuhreinrichtung 9 mit einer steuerbaren Stellventileinrichtung 10 zugeordnet und der abfuhrseitigen Gehäusestirnwand ist ein Ablaßrohr 11 zu­ geordnet. Dem zufuhrseitigen Gehäuseraum 7 ist eine steuerba­ re Aufbereitungseinrichtung 12 zugeordnet, die im wesentli­ chen aus einer Rohrleitung zum Versprühen von Flüssigkeit be­ steht, die über ein verstellbares Ventil 13 zufließt. Dem ab­ fuhrseitigen Gehäuseraum 8 ist eine steuerbare Nachbehand­ lungseinrichtung 14 zugeordnet.

Gemäß Fig. 1 ist der Innenraum des Gehäusemantels 2 quer zur Durchströmrichtung 15 nicht unterteilt. Die Zufuhreinrichtung 9 besteht aus einer Rohrleitung und die Stellventileinrich­ tung 10 besteht aus einem Stellventil, das ankommendes Gas mehr oder weniger vollständig in den zufuhrseitigen Gehäuse­ raum 8 weiterleitet und den jeweiligen Rest über eine Neben­ leitung 16 abläßt. Die Aufbereitungseinrichtung 12 erstreckt sich einheitlich über den gesamten zufuhrseitigen Gehäuseraum 7. Die Nachbehandlungseinrichtung 14 besteht in einer Dros­ sel, die in der abfuhrseitigen Gehäusestirnwand am Beginn des Ablaßrohres sitzt.

Gemäß Fig. 2 ist der Innenraum des Gehäusemantels 2 quer zur Durchströmrichtung 15 durch Trennwände 17 in Kammern 18 un­ terteilt, wobei auch der zufuhrseitige Gehäuseraum 7 unter­ teilt ist. Die Zufuhreinrichtung 9 umfaßt Zweigleitungen, die vom einer gemeinsamen Rohrleitung zu je einer der Kammern führen, und die Stellventileinrichtung besteht aus je einem Stellventil pro Zweigleitung, wobei das ankommende Gas stets insgesamt über die mehreren Stellventile in den zufuhrseiti­ gen Gehäuseraum weitergeleitet wird. Die Aufbereitungsein­ richtung 12 ist in Teile pro Kammer 18 unterteilt, wobei jede Teileinrichtung mit einem eigenen verstellbaren Ventil 13 versehen ist. Die Nachbehandlungseinrichtung 14 besteht aus einem im abfuhrseitigen Gehäuseraum 8 vorgesehenen Querboden, der mit einer Vielzahl verteilter Drosselöffnungen versehen ist, deren Öffnungsweite mittels eines Schiebers veränderbar ist.

Bei einer Ausführungsform sind der Gehäusemantel und die Ge­ häusestirnwände aus Glasbauteilen montiert. Die als Verdamp­ fer ausgebildete Aufbereitungseinrichtung ist so ausgelegt und betrieben, daß ein zu reinigendes Gas im zugangsseitigen Gehäuseraum eine Feuchtigkeit von 100% relative Feuchtigkeit aufweist. Die Biomasse weist eine Schichthöhe von einem Meter auf und besitzt als Trägermaterial ein Torf-Holzspäne-Ge­ misch. Das Trägermaterial ist bei verschiedenen Versuchsaus­ führungen mit verschiedenen Dichten bzw. Porösitäten vorge­ sehen. Dem Gehäuse wird ein Gasstrom mit einem zwischen 55 und 75 l/h oder zwischen 500 und 1500 l/h wechselnden Volumen zugeführt. Durch sich ändernde Druckverhältnisse werden un­ terschiedliche Kondensationszonen in der Biomasse und damit ein gleichmäßiger Wassergehalt des Trägermaterials der Bio­ masse erreicht. Der Gehäusemantel weist durchgehend einen Leerrohrquerschnitt mit einem Durchmesser von 150 mm auf.

Bei einer Ausführungsform sind der Gehäusemantel bzw. die Gehäusestirnwände aus durchsichtigem Material montiert. Die als Verdampfer ausgebildete Aufbereitungseinrichtung ist so ausgelegt und betrieben, daß ein zu reinigendes Gas im zu­ gangsseitigen Gehäuseraum eine Feuchtigkeit von 100% rela­ tiver Feuchte aufweist. Die Mikroorganismen sind auf Mischun­ gen von verschiedenen Trägermaterialien wie: Torf, Sägespäne mit z. B. Polyurethan- oder Polystyrolschaum immobilisiert. Dem Gehäuse wird ein Gasstrom mit einem zwischen 55 und 75 l/h oder zwischen 500 und 1500 l/h wechselnden Volumen Zuge­ führt. Durch die sich ändernden Druckverhältnisse werden un­ terschiedliche Kondensationszonen in der Biomasse und damit ein gleichmäßiger Wassergehalt des Trägermaterials in der Biomasse erreicht.

Durch den Einsatz von auf PUR- oder Polystyrol-Schaum immobi­ lisierten Mikroorganismen oder Pilzen ist ein fluidisiertes bzw. partiell fluidisiertes Bett (also Wirbel- bzw. Sprudel­ schicht) realisiert. Der Gehäusemantel weist dabei einen durchgehenden Leerrohrquerschnitt mit einem Durchmesser von 150 mm auf. Bei einem Mehrkammer-Biofilter mit drei Kammern sind z. B. zwei Kammern als Festbett und eine Kammer als fluidisiertes bzw. partiell fluidisiertes Bett betrieben.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Bioreaktion,
bei der ein Gasstrom eine Aufbereitungseinrichtung, ein Biomassebett und eine Nachbehandlungseinrichtung passiert,
bei der die Aufbereitungseinrichtung und die Nachbehand­ lungseinrichtung zur Beeinflussung des Feuchtigkeits/Nähr­ stoffgehaltes des Gasstromes ausgelegt sind,
bei der das Biomassebett in einem Gehäusemantel unterge­ bracht ist, der beiderends von einer Gehäusestirnwand be­ grenzt ist, und
bei der eine Zufuhreinrichtung für den Gasstrom durch die eine Gehäusestirnwand geführt ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Aufbereitungseinrichtung (12) im Gehäusemantel (2) in einem Gehäuseraum (7) vor dem Biomassebett (5) angeord­ net steuerbar ausgebildet ist sowie die Nachbehandlungs­ einrichtung (14) steuerbar ausgebildet ist und
daß eine Einrichtung (6) zur Feststellung des Feuchtig­ keits/Nährstoffzustandes der Biomasse über deren, in Durchströmrichtung (15) gesehene, Höhe vorgesehen ist, wobei das Biomassebett ein Festbett oder ein gasfluidi­ siertes Bett ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhreinrichtung (6) mit einer steuerbaren Stellven­ tileinrichtung (10) versehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Gehäusemantel (2) beim Gehäuseraum (7) vor dem Festbett (5) und beim Biomassebett (5) quer zur Durch­ strömrichtung (15) gleichbleibenden Innenraum-Querschnitt aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß das Gehäuse (1) durch von der zufuhrseitigen Ge­ häusestirnwand (3) ausgehende Trennwände (17) im Bereich des zufuhrseitigen Gehäuseraumes (7) vor dem Bett und im Bereich des Biomassebettes (5) in zwei oder mehr Kammern (18) unterteilt ist und daß die Zufuhreinrichtung (9) und die Stellventileinrichtung (10) zu jeder Kammer (18) mit einer Zufuhrrohrleitung mit einem Stellventil führen.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Gehäusemantel (2) mit einem sich über die Höhe der Biomasse erstreckenden Sichtfenster versehen ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Zufuhreinrichtung für den Gasstrom eine Rohrleitung für ein Reaktionsgas aufweist, an die über einen Zumischer eine Rohrleitung für Druckluft angeschlossen ist.