DE8336265U1 - Column reactor for continuous anaerobic degradation processes - Google Patents

Column reactor for continuous anaerobic degradation processes

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Description

Kernforschungsanlage Jülich Gesellschaft mit beschränkter HaftungJülich Nuclear Research Facility Limited liability company

Amtl. Aktenzeichen: G 83 36 265.7Official reference number: G 83 36 265.7 BeschreibungDescription

Säulenreaktor zur kontinuierlichen Durchführung anaerober AbbauprozesseColumn reactor for continuous anaerobic degradation processes

Die Neuerung bezieht sich auf einen Säulenreaktor zur kontinuierlichen Durchführung anaerober Abbe*- prozesse mit einer Festbettsäule mit von Biomasse bewachsenen festen Trägerkörpern mit regulierbarem unteren Zulauf und oberem Ablauf, einer pH-Kontrolle und Niveauregler, der insbesondere bei 30 - 400C und pH 6 - 7 unter Verwendung von selektiv die Substrate abbauenden Mikroorganismen im Durchlaufverfahren unter Biogaserzeugung betrieben werden soll.The innovation relates to a column reactor for the continuous implementation of anaerobic Abbe* processes with a fixed bed column with solid carrier bodies covered with biomass with adjustable lower inlet and upper outlet, a pH control and level regulator, which is to be operated in particular at 30 - 40 0 C and pH 6 - 7 using microorganisms that selectively degrade the substrates in a continuous process with biogas production.

Anaerobe mikrobielle Prozesse verlaufen im allgemeinen sehr langsam und die Bakterienkonzentrationen sind auf Grund der schlechten Nutzung der Kohlenstoffquelle durch die anaerob wachsende Zelle (ATP-Bildung) im Vergleich zur aeroben gering. Als Konsequenz müssen bei kontinuierlichem Betrieb in einem Rührkesselreaktor lange Verweilzeiten und geringe Raum-Zeit-Ausbeuten in Kauf genommen werden. Bei Verkürzung der Verweilzeit unter den kritischen Wert, der dem Kehrwert der maximalen Wachsturasgeschwindigkeit MY entspricht/ werden die Mikroorganismen ausgewaschen und der Prozeß neigt zu Instabilität, wenn der Zulauf nicht sofort gedrosselt wird.Anaerobic microbial processes generally proceed very slowly and the bacterial concentrations are low compared to aerobic ones due to the poor use of the carbon source by the anaerobic growing cell (ATP formation). As a consequence, long residence times and low space-time yields must be accepted during continuous operation in a stirred tank reactor. If the residence time is shortened below the critical value, which corresponds to the reciprocal of the maximum growth rate MY/, the microorganisms are washed out and the process tends to become unstable if the feed is not throttled immediately.

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Eine Erhöhung der Raum-Zeit-Ausbeute ist dann möglich, wenn ' did Biomaöse bei Verkürzung der hydraulischen VerweilzeitAn increase in the space-time yield is possible if ' did biomass with a reduction in the hydraulic residence time

entweder im Reaktor zurückgehalten oder außerhalb des |either retained in the reactor or outside the |

Reaktors abgetrennt und zurückgeführt wird, wodurch eine |reactor and recycled, resulting in | Entkopplung der Fest- und FlUeeig-Verweilzeit stattfindet. |Decoupling of the solid and liquid residence time takes place. | Verfahren, die auf einer Sedimentation von MikroorganismenProcesses based on sedimentation of microorganisms

beruhen, haben allerdings eine geringe Effizienz und sindHowever, they have low efficiency and are stark abhängig von der Absetzbarkeit der Zellen, die zudemstrongly dependent on the separability of the cells, which also

durch Biogasbildung und Flotation gestört wird. | ■is disturbed by biogas formation and flotation. | ■

Eine Filtration ist im Prinzip möglich, sie erfordert aller- |Filtration is possible in principle, but it requires |

dings spezielle Filtereinheiten und ist zu kostspielig für |However, special filter units and is too expensive for |

die Behandlung größerer Flüssigkeitsmengen. §the treatment of larger quantities of liquid. §

Eine wirksame Art der Biomasse-Rückhaltung besteht darin, die Mikroorganismen auf einem inerten Träger aufwachsen zu lassen (siehe europäische Patentanmeldung 0 028 846).An effective way of biomass retention is to grow the microorganisms on an inert carrier (see European patent application 0 028 846).

Bei dieser Technik wird die zu behandelnde Flüssigkeit kontinuierlich einem mit Bakteriensuspension beschickten Reaktor zugeführt, in dem eine Verweilzeit eingehalten wird, die unterhalb des Auswaschpunktes liegt. Unter diesen Streßbedingungen findet eine Selektionierung statt, bei der sich nur diejenigen Mikroorganismen vermehren können, die entsprechend starke Adhäsionskräfte zum Träger hin entwickeln und sich von der angebotenen Kohlenstoffquelle ernähren können. Eine zusätzliche Selektionierung erreicht man durch unterschiedlich starke Scherkrafteinflüsse in Abhängig-In this technique, the liquid to be treated is continuously fed into a reactor filled with a bacterial suspension, in which a residence time is maintained that is below the washout point. Under these stress conditions, a selection takes place in which only those microorganisms can multiply that develop sufficiently strong adhesion forces to the carrier and can feed on the carbon source provided. Additional selection is achieved by applying different levels of shear force depending on the

keit von der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit.speed depends on the flow velocity of the liquid.

Die vorstehend angedeutete Umsetzung in einem Wirbelschichtreaktor hat zwar den Vorteil, daß eine hohe Anströmgeschwindigkeit gewählt werden kann und die Biogasabtrennung unproblematisch ist und daß innerhalb des Reaktors etwa gleiche Bedingungen herrschen, jedoch muß ein relativ hoher Abbriebanteil durch intensivere Reibung und Bakterienverlust in Kauf genommen und relativ viel Energie zur Erreichung des Wirbelpunktes aufgewandt werden.(Ferner lassen sich Feststoffe, die leichter sind als der Träger, kaum im Wirbelbett halten,was allerdings im allgemeinen vorteilhaft ist).The above-mentioned implementation in a fluidized bed reactor does have the advantage that a high flow velocity can be selected and the biogas separation is unproblematic and that approximately the same conditions prevail within the reactor, but a relatively high level of abrasion due to more intensive friction and loss of bacteria must be accepted and a relatively large amount of energy must be used to reach the fluidization point. (Furthermore, solids that are lighter than the carrier can hardly be kept in the fluidized bed, although this is generally advantageous).

Ein kontinuierlich durchströmter Festbettreaktor hätte demgegenüber den Vorteil eines geringen Abbri-ebes und geringen Energiebedarfs, jedoch sind nur relativ niedrige Anströmgeschwindigkeiten möglich und im Reaktor bilden sich Totvolumina durch Biogaspolster. Ferner besteht die Gefahr einer Verstopfung durch suspendierte Feststoffe und innerhalb des Reaktors bildet sich ein Konzentrations- und pH-Gradient vom Eingang zum Ausgang hin aus.In contrast, a fixed bed reactor with continuous flow would have the advantage of low abrasion and low energy requirements, but only relatively low flow velocities are possible and dead volumes form in the reactor due to biogas cushions. There is also the risk of blockages due to suspended solids and a concentration and pH gradient forms within the reactor from the inlet to the outlet.

Beide Varianten haben also Nachteile.Both variants have disadvantages.

Speziell für den zur Zeit besonders interessanten Essigsäureabbau sind noch folgende Aspekte wichtig:The following aspects are particularly important for acetic acid degradation, which is currently of particular interest:

- Der hohe chemische Sauerstoffbedarf des zu behandelnden essigsäurehaltigen Abwassers;- The high chemical oxygen demand of the acetic acid-containing wastewater to be treated;

- sein niedriger pH-Wert von 2 bis 4;- its low pH value of 2 to 4;

- die sehr lange Verdoppelungszeit der in Frage kommenden Mikroorganismen;- the very long doubling time of the microorganisms in question;

- ihre geringe Neigung, größere Aggregate oder Flocken zu bilden, so daß nur schwache Wechselwirkungen zum Träger hin anzunehmen sind;- their low tendency to form larger aggregates or flakes, so that only weak interactions with the carrier can be assumed;

- das pH-Optimum für ihr Wachstum liegt bei 6,4 bis 7.- the pH optimum for their growth is 6.4 to 7.

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Ams diesen Gründen sind sehr lange Verweilzeiten der zu behandelnden Flüssigkeiten im Reaktor notwendig und die erzielbaren Raum/Zeit-Ausbeuten daher nur gering. Ferner muß der pH-Wert der zu behandelnden Flüssigkeit überwacht, insbesondere vor dem Eintritt in den Reaktor durch Zugabe von Puffer oder Alkali auf den Optimalwert gebracht werden. Die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens ist daher unbefriedigend.For these reasons, very long residence times of the liquids to be treated in the reactor are necessary and the achievable space/time yields are therefore only low. Furthermore, the pH value of the liquid to be treated must be monitored, especially before it enters the reactor, brought to the optimum value by adding buffer or alkali. The economic efficiency of the process is therefore unsatisfactory.

Der Neuerung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Wirtschaftlichkeit des anaeroben Abbaus, insbesondere der Essigsäure-Methanisierung, zu verbessern, wobei speziell von einem Festbettreektor ausgegangen werden soll.The innovation is therefore based on the task of improving the economic efficiency of anaerobic degradation, in particular acetic acid methanation, whereby specifically a fixed bed reactor should be used.

Der zu diesem Zweck entwickelte neuerungsgemäße Säulenreaktor ist gekennzeichnet durch pH-Meßfühler sowohl am unteren als auch am oberen Ende der Säule und eine Rückführung von Reaktorablauf mit einer den pH-Messungen unterworfenen Dosiervorrichtung.The innovative column reactor developed for this purpose is characterized by pH sensors both at the lower and upper ends of the column and a recirculation of reactor effluent with a dosing device subject to pH measurements.

Beim Betrieb wird die zu behandelnde Flüssigkeit wie niedere Carbonsäure und/oder Furfurol und/oder Methanol enthaltende wäßrige Flüssigkeit mit einem ggf. auf 2 bis 4 abgestumpften pH-Wert dem Festbettreaktor mit auf einem festen Träger aufgewachsenen Mikroorganismen als Zulauf gemischt mit einer solchen Menge an rezykliertem Reaktorablauf zugeführt, die den am unteren und oberen Ende des Festbetts gemessenen pH-Wert der Reaktorflüssigkeit in einem engen, 0,3 pH-Einheiten nicht übersteigenden Bereich innerhalb von 6 bis 7,2 hält.In operation, the liquid to be treated, such as an aqueous liquid containing lower carboxylic acid and/or furfural and/or methanol, with a pH value possibly truncated to 2 to 4, is fed to the fixed bed reactor with microorganisms grown on a solid support as feed mixed with such an amount of recycled reactor effluent that the pH value of the reactor liquid measured at the lower and upper ends of the fixed bed is kept within a narrow range not exceeding 0.3 pH units within 6 to 7.2.

Dabei wird von den oben genannten Vorteilen des Festbettreaktors Gebrauch gemacht, gleichzeitig werdenThe advantages of the fixed bed reactor mentioned above are used, while at the same time

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- 4a -- 4a -

aber seine Nachteile vermieden, indem nämlich durch entsprechende Zumischung von rezykliartem Reektorablauf für eine eo rasche Durchströmunn des Reaktors gesorgt wird, ri«ß im Reaktor praktisch einheitliche Verhältnisse herrschen und der Abbau über die gesamt* Länge des Reaktors unter optimalen Bedingungen erfolgt, Gleichzeitig wird durch die einwandfreie Gesabgebe oberhalb des Reaktors ohne weiteres gewährleistet, und Verstopfungen können nicht auftreten.but its disadvantages are avoided by ensuring that the reactor flows quickly through the appropriate mixing of recycled reactor effluent, so that practically uniform conditions prevail in the reactor and the decomposition takes place under optimal conditions over the entire length of the reactor. At the same time, the perfect discharge above the reactor ensures that blockages cannot occur.

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In diesem Reaktor kann der pH-Wert der Reaktorflüssigkeit durch Rezyklierung ohne Einflußnahme von außen in dem für das Bakterienwachstum optimalen Bereich gehalten werden, so daß ein sonst notwendiger Chemikalienzusatz zur Einstellung verträglicher Bedingungen im allgemeinen entfallen kann.In this reactor, the pH value of the reactor liquid can be kept in the optimal range for bacterial growth through recycling without external influence, so that the addition of chemicals that would otherwise be necessary to establish compatible conditions can generally be omitted.

Die Wirtschaftlichkeit eines solchen Festbettreaktorbetriebes mit durch Autoselektion auf einem Träger angezüchteten Mikroorganismen unter Xezyklierung des Reaktorablaufs in einer Weise, daß der pH-Gradient im Reaktor praktisch verschwindet, kann nun überraschenderweise erheblich ver- ; bessert werden, indem man eine "sehr behutsame11 Einfahrphase £ wählt: In der Startphase gelingt die Anzüchtung ausreichend ';The economic efficiency of such a fixed bed reactor operation with microorganisms grown on a carrier by autoselection and with recycling of the reactor effluent in such a way that the pH gradient in the reactor practically disappears can now surprisingly be considerably improved by choosing a "very careful run - in phase": In the start-up phase, the cultivation is sufficiently successful.

haftender Mikroorganismen nur mit einer mittleren Verweil- | zeit, die nicht kleiner als 5o% der Generationszeit der beteiligten Mikroorganismen ist. Nachdem eine solche Anzüchtung gelungen ist, kann die Raum/Zeit-Ausbeute des $ Reaktors durch Verringerung der mittleren Verweilzeit erhöht I werden, wobei jedoch in relativ kleinen Schritten unter £ jeweiliger Gleichgewichtseinstellung gearbeitet werden muß, £ während bei einer Verminderung der Verweilzeit um etwa 5o% ' oder mehr ein völlig negativer Erfolg resultiert, d.h. die Mikroorganismen werden völlig aus dem Reaktor ausgewaschen, so daß global betrachtet eine Ausbeutesteigerung zunächst nicht möglich erscheint.adhering microorganisms only with an average residence time that is not less than 5o% of the generation time of the microorganisms involved. After such cultivation has been successful, the space/time yield of the $ reactor can be increased by reducing the average residence time, although this must be done in relatively small steps while maintaining equilibrium, while a reduction in the residence time by about 5o% or more results in a completely negative result, ie the microorganisms are completely washed out of the reactor, so that, viewed globally, an increase in yield initially does not seem possible.

Vorzugsweise wird daterPreferably dater

nach der ersten Anzüchtung mit einer Verweilzeit, die nicht kleiner als 50 % der Generationszeit der beteiligten Mikroorganismen ist, eine iterative Verkürzung der Verweilzeit vorgenommen, bis die Raum/Zeit-Ausbeute nicht mehr welter gesteigert werden kann.After the first cultivation with a residence time that is not less than 50 % of the generation time of the microorganisms involved, an iterative shortening of the residence time is carried out until the space/time yield can no longer be increased.

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Als besonders zweckmäßig hat sich bei den durchgeführten Versuchen Anthrazit als Trägermaterial erwiesen, der in einer Korngröße von etwa 2 bis 8 mm, insbesondere 4 bis 6 mm, verwendet werden sollte. Dieses Trägermaterial ist sehr hart und zeigt geringe Reibverluste und besitzt eine unregelmäßige Oberfläche.In the tests carried out, anthracite has proven to be particularly suitable as a carrier material, which should be used in a grain size of around 2 to 8 mm, especially 4 to 6 mm. This carrier material is very hard and shows low friction losses and has an irregular surface.

Für die Erprobung der Neuerung wurdeTo test the innovation,

im Laboratorium ein Reaktor verwendet, wie er durch die beigefügte Figur 1 schematisch veranschaulicht wird.In the laboratory, a reactor is used as shown schematically in the attached Figure 1.

Figur 2 zeigt eine Meßreihe für das dynamische Verhalten eines Festbett-Umlaufreaktors mit iterativer Verkürzung der Verweilzeit.Figure 2 shows a series of measurements for the dynamic behavior of a fixed bed circulation reactor with iterative shortening of the residence time.

Der durch Figur 1 veranschaulichte Reaktor wurde im wesentlichen durch eine Plexiglassäule mit einer Höhe von 65 cm und einem Durchmesser von 5 cm mit einem Füllhöhe zu Durchmesser-Verhältnis von 12 : 1 gebildet (allgemein sind Verhältnisse von 8 bis 16 : 1 zweckmäßig). Die Reaktorinnenwand war in regelmäßigen Abständen mit ringförmigen Einsätzen (als "Strömungsbrecher") zur Verhinderung von Kanalbildungen längs der Wände des Festbettes versehen. Die Temperatur wurde durch Thermostatisierung bei 37 bis 38° C gehalten.The reactor illustrated in Figure 1 was essentially formed by a Plexiglas column with a height of 65 cm and a diameter of 5 cm with a filling height to diameter ratio of 12:1 (generally ratios of 8 to 16:1 are appropriate). The inner wall of the reactor was provided at regular intervals with ring-shaped inserts (as "flow breakers") to prevent the formation of channels along the walls of the fixed bed. The temperature was kept at 37 to 38°C by thermostatting.

Als Trägermaterial diente Filter-Anthrazit N der PREUSSAG AG dbr Lagerstätte Ibbenbüren. Dieser Anthrazit hatte folgende charakteristische Eigenschaften:Filter anthracite N from PREUSSAG AG dbr Ibbenbüren deposit was used as the carrier material. This anthracite had the following characteristic properties:

Dichte : 1,4o - 1,45 g/cm3 Density: 1.4o - 1.45 g/cm 3

Schüttgewicht j 74o kg/m3 Bulk density j 74o kg/m 3

Kohlenstoffgehalt : Über 9o %Carbon content: Over 9o %

Körnung : Typ 1 Typ 2 Typ 3Grain size: Type 1 Type 2 Type 3

o,8 -1,6 mm 1,4-2,5 mm 2,5-4,&ogr; mmo,8 -1,6 mm 1,4-2,5 mm 2,5-4,? mm

Es handelt sich bei diesem Anthrazit um ein Naturprodukt, das abgebaut, gebrochen und gesiebt wird. Es ist ein
nicht poröses Material mit einem definierten. Körnungsgrad.
This anthracite is a natural product that is mined, crushed and sieved . It is a
non-porous material with a defined grain size.

Auf diesem Träger wurde als Mikroorganismus Methanosarcina barkeri fixiert.Methanosarcina barkeri was fixed as a microorganism on this carrier.

Durch unterschiedliche Füllhöhe wurde das freie Kontaktvolumen verändert, auf das die jeweilige Verweilzeit bezogen werden kann.By varying the filling height, the free contact volume was changed, to which the respective residence time can be related.

Für die Abbauversuche wurde essigsäure-haltiges Testwasser verwendet, das mit Vitaminen sowie mit Mineral- und Spurenelementen versehen wurde und einen chemischen Sauerstoffbedarf CCSB-Wert) von etwa 2o kg/m und einen pH-Wert von 4 hatte. Zulauf und Rezyklierungsstrom wurden getrennt dosiert und kurz vor dem Eintritt in den Reaktor am Reaktorboden . miteinander vereinigt.For the degradation tests, test water containing acetic acid was used, which was provided with vitamins, minerals and trace elements and had a chemical oxygen demand (CCSB value) of about 20 kg/m and a pH value of 4. The feed and recycling streams were dosed separately and combined at the bottom of the reactor shortly before entering the reactor.

Im oberen Bereich des Reaktors befand sich eine Niveausonde zur maximalen Begrenzung der Füllhöhe des Reaktors, von dem die Flüssigkeit mit Hilfe einer vom Niveauregler gesteuerten Flüssigkeitspumpe abgezogen wurde. Die pH-Werte der Flüssigkeit am oberen und unteren Ende des Reaktors wurden täglich überwacht und das Verhältnis von Umlauf zu Zulauf danach
eingestellt, daß praktisch ein einheitlicher pH-Wert im
Reaktor herrscht (wobei der Umlauf üblicherweise das etwa 15- bis 20-fache des Zulaufs ausmacht).
In the upper part of the reactor there was a level sensor to limit the maximum filling level of the reactor, from which the liquid was withdrawn by means of a liquid pump controlled by the level controller. The pH values of the liquid at the top and bottom of the reactor were monitored daily and the ratio of circulation to feed was then
adjusted so that a practically uniform pH value is achieved in the
reactor (the circulation is usually about 15 to 20 times the feed).

Bei irregulärem Verhalten des Reaktors, bei dem eine angestrebteIn case of irregular behaviour of the reactor, where a desired

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Egalisierung des pH-Wertes über eine (manuell vorgenommene) Steuerung des Umlaufs nicht erreicht werden kann, wird sur Erholung des Systems zwischenzeitlich der Zulauf gedrosselt. Eine ständige pH-Kontrolle im mittleren Bereich der Anlage ist aus Sicherheitsgründen vorgesehen, die im Notfall durch Korrekturmittelzugabe in das System eingreift.If the pH value cannot be equalized by (manually) controlling the circulation, the inflow is temporarily throttled to allow the system to recover. For safety reasons, constant pH control is provided in the middle area of the system, which intervenes in an emergency by adding corrective agents to the system.

Zum Anfahren des Reaktors wurde der Zulauf auf &ogr; ml /Stunde (Verweilzeit 3/1 ^) eingestellt und sein pH-Wert auf 5,o abTo start up the reactor, the feed was set to &ogr; ml /hour (residence time 3/1 ^) and its pH value was adjusted to 5.o gestumpft, um eine Übersäuerung des Reaktors infolge desblunted to prevent over-acidification of the reactor as a result of the anfangs nur geringen Umsatzes au verhindern.initially only low sales.

Nach ca. zwei Wochen hatte sich eine genügende Bekterienpopulation auf dem Träger gebildet (erkennbar an der Essigsäure-Abbaurate und Biogasbildung im Reaktor), so daß der Zulauf ohne vorherige pH-Einstellung stufenweise durch den Reaktor schneller geleitet werden konnte, wodurch die Verweilzeit entsprechend verkürzt wurde.After about two weeks, a sufficient bacterial population had formed on the carrier (recognizable by the acetic acid degradation rate and biogas formation in the reactor), so that the feed could be gradually passed through the reactor more quickly without prior pH adjustment, thereby shortening the residence time accordingly.

Figur 2 zeigt die Acetatkonzsntration im Reaktorablauf in Abhängigkeit von der Zeit bei unterschiedlichen Verweilzeiten. Wie man sieht, wurde die Verweilzeit von Schritt -?u Schritt um etwa 3o% vermindert und die geänderten Bedingungen jeweils etwa 12 Tage beibehalten.Figure 2 shows the acetate concentration in the reactor effluent as a function of time at different residence times. As can be seen, the residence time from step 1 to step 2 was reduced by about 30% and the changed conditions were maintained for about 12 days each.

Nach jeder Verkürzung der Verweilzeit nimmt, wie man sieht, die Essigsäurekonzentration zm, weil die unter den stationären Bedingungen der vorangehenden Stufe aufgewachsene Bakterienpopulation zunächst mttdem Überangebot an ctg* C-Quelle nichts anfangen kann. (Besonders starke Zunahmen gehen aufAs can be seen, after each shortening of the residence time, the acetic acid concentration increases, because the bacterial population that grew under the stationary conditions of the previous stage cannot initially cope with the excess supply of ctg* C source. (Particularly strong increases are due to

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einen bisweilen anfänglich aufgrund der Durchflußerhöhung stattfindenden "wash out" von Mikroorganismen zurück).a "wash out" of microorganisms that sometimes initially occurs due to the increase in flow).

Wenig später wird jedoch, wie man sieht, mehr Biomasse gebildet und die Essigsäure erneut weitgehend abgebaut. Nach Einstellung stationärer Bedingungen wird diese Prozedur (Verkürzung der Verweilzeit mit Gleichgewichtseinstellung) wiederholt, und zwar solange/ bis sich eine deutliche Verschlechterung des Essigeäureumsatzes abzeichnet bzw, eine weitere Steigerung der Raun/Zeit-Auebeute nicht mehr möglich ist. Im vorliegenden Fall trifft dies bei einer Verweilzeit von etwa 7 Std. zu,A little later, however, as one can see, more biomass is formed and the acetic acid is again largely broken down. After stationary conditions have been established, this procedure (shortening the residence time with equilibrium adjustment) is repeated until a clear deterioration in the acetic acid conversion becomes apparent or a further increase in the space/time yield is no longer possible. In the present case, this applies to a residence time of around 7 hours.

Die Gesamtdauer vom Anfahren bis zum Erreichen so kurzer Verweilzeiten beträgt ca. 1o bis 12 Wochen.The total time from start-up to achieving such short residence times is approximately 10 to 12 weeks.

Größere Sprünge der Verweilzeitverkürzung oder gar eine sprunghafte Änderung der Verweilzeit vom Anfangszustand auf wirtschaftlich optimale Bedingungen (von etwa 3 Tagen auf etwa &bgr; Stunden) sind nicht vollziehbar, da das System sofort umkippen würde.Larger jumps in the reduction of the residence time or even a sudden change in the residence time from the initial state to economically optimal conditions (from about 3 days to about &bgr; hours) are not feasible, since the system would collapse immediately.

Wie bereits erwähnt, richtet sich die Umlaufgeschwindigkeit nach dem pH-Gradienten zwischen dem unteren und dem oberen Teil des Reaktors und wird so eingestellt, daß dieser Gradient gera-ie verschwindet (der pH-Wert im Reaktor nimmt zum &bgr;&iacgr;&Lgr;&bgr;&eegr; durch abbaubedingte Verminderung der Essigsäurekonzentration zu und zum anderen durch die puffernde Wirkung der gebildeten Kohlensäure, so daß sich unter stationären Bedingungen ein pH-Wert im Reaktor von 6,7 bis 7,&ogr; einstellt).As already mentioned, the circulation speed depends on the pH gradient between the lower and upper parts of the reactor and is set so that this gradient just disappears (the pH value in the reactor increases on the one hand due to the reduction in the acetic acid concentration caused by degradation and on the other hand due to the buffering effect of the carbonic acid formed, so that under stationary conditions a pH value of 6.7 to 7.0 is established in the reactor).

Beisgiel__1Example__1

Verwendet wurde der in der Fig. 1 dargestellte Reaktor mitThe reactor shown in Fig. 1 was used with

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- 1&ogr; -- 1&ogr; -

einer Höhe von 63 cm und einem Durchmesser von 5 cm. Er wurde mit 3oo g Filter-Anthrazit N von PREUSSAG einer Körnung von 1,4 bis 2,5 mm gefüllt. Das freie Reaktionsvolumen betrug dabei o,76 1. a height of 63 cm and a diameter of 5 cm. It was filled with 3oo g of Filter-Anthrazit N from PREUSSAG with a grain size of 1.4 to 2.5 mm. The free reaction volume was 0.76 l.

Der Zulauf wurde in der beschriebenen Weise bis auf 83 ml/h erhöht (Hydraulische VZ : 9,2h), entsprechend einer Raum-Belastung von 56 kg-CSB pro m und Tag. Unter stationären Bedingungen wurde eine CSB-Reduktion von 95% erreicht; die volumenspezifische Biogasbildung betrug dabei 41 m pro m3 und Tag. The inflow was increased in the manner described to 83 ml/h (hydraulic flow rate: 9.2h), corresponding to a volume load of 56 kg COD per m and day. Under stationary conditions, a COD reduction of 95% was achieved; the volume-specific biogas formation was 41 m per m 3 and day.

Beisgiel_2Example_2

In diesem Fall wurden nur 1oo g Filter-Anthrazit It der gleichen Körnung wie im Beispiel 1 in den Reaktor eingefüllt. Das freie Kontaktvolumen war 1,1 1.In this case, only 1oo g of filter anthracite It of the same grain size as in Example 1 were filled into the reactor. The free contact volume was 1.1 l.

Durch die geringere angebotene Oberfläche wurde insgesamt weniger Biomasse fixiert, so daß sich die Betriebsgrenze bei einer Verweilzeit von ca. 17 h abzeichnete. Unter diesen Bedingungen betrug die Raumbelastung in Anbetracht der zu geringen Trägermenge 32 kg-CSB· pro m3 und Tag und die volumenspezifische Biogasbildung 19m pro m und Tag. Due to the smaller surface area available, less biomass was fixed overall, so that the operating limit was reached at a residence time of about 17 hours. Under these conditions, the volume load was 32 kg COD per m 3 and day, given the insufficient amount of carrier, and the volume-specific biogas formation was 19m per m and day.

In einem weiteren Experiment wurde 32o g Filter-Anthrazit if einer Körnung von 2,5 bis 4,&ogr; mm in den Reaktor eingefüllt. Das freie Kontaktvolumen betrug dabei o,75 1. Der Zulauf wurde stufenweise bis auf 1oo ml/h, entsprechend einer Verweilzeit von 7,5 h und einer Raumbelastung von 7o kg-CSB pro m und Tag geändert. Bei einer CSB-Reduktion von ca. 8o % betrug die volumenspezxfische Biogasbildung 42 m3 pro m und Tag. In a further experiment, 32o g of filter anthracite with a grain size of 2.5 to 4.0 mm were filled into the reactor. The free contact volume was 0.75 l. The feed was gradually changed to 1oo ml/h, corresponding to a residence time of 7.5 h and a volume loading of 7o kg COD per m and day . With a COD reduction of approx. 8o%, the volume-specific biogas formation was 42 m 3 per m and day.

- 11 -Beispiel 4- 11 -Example 4

in einem weiteren Versuch wurde unter Verwendung von 300 g Filter-Anthrazit N Brüdenkondensat der ZellstoffIndustrie mit einem chemischen Sauerstoffbedarf von 14 kg pro m verarbeitet. Dies enthält neben Essigsäure auch Methanol, Furfurol/ Ameisensäure und Sulfit. In diesem Falle wurde statt des essigsäureabbauenden Mikroorganismus Methanosarcina barker! eine zusätzlich Furfurol, Methanol und oxidierte Schwefelverbindungen abbauende Mikroorganismen ent haltende Mischkultur verwendet.In another experiment, 300 g of filter anthracite N was used to process vapour condensate from the pulp industry with a chemical oxygen requirement of 14 kg per m. In addition to acetic acid, this also contains methanol, furfural/formic acid and sulphite. In this case, instead of the acetic acid-degrading microorganism Methanosarcina barker!, a mixed culture containing microorganisms that also degrade furfural, methanol and oxidised sulphur compounds was used.

Innerhalb einer Zeit von 4 Wochen konnte die Verweilzeit bis auf 15 Stunden verkürzt werden. Dabei betrug die Raumbelastung 23 kg pro m3 Within a period of 4 weeks, the residence time was reduced to 15 hours. The volume load was 23 kg per m 3 und Tag und die volumenspezifische Biogasbildung 14 m pro m und T. von mehr als 90 %.and day and the volume-specific biogas formation 14 m per m and T. of more than 90%.

14 m pro m und Tag bei einer CSB-Reduktion14 m per m and day with a COD reduction

Das vorstehend an Hand des EssigsäureabbausThe above-mentioned acetic acid degradation

mehr im einzelnen erläuterte erfindungsgemäße Verfahren kann in analoger Weise für andere niedere Carbonsäuren und/oder Methanol und/oder Furfurol abbauende anaerobe Prozesse angewandtThe inventive process explained in more detail can be applied analogously to other lower carboxylic acid and/or methanol and/or furfural degrading anaerobic processes werden.become.

Claims (1)

Kernforschungsanlage Julien Gesellschaft mit beschränkter HaftungJulien Nuclear Research Facility Limited Liability Company SchutzansprücheProtection claims Säulenreaktor zur kontinuierlichen Durchführung anaerober Abbauprozesse mit einer Festbettsäule mit von Biomasse bewachsenen festen Trägerkörpern mit regulierbarem unteren Zulauf und oberem Ablauf, einer pH-Kontrolle und Niveauregler, gekennzeichnet durch pH-Meßfühler sowohl am unteren als auch am oberen Ende der Säule und eine Rückführung von Rcaktorablauf mit einer den pH-Messungen unterworfenen Dosiervorrichtung.Column reactor for the continuous implementation of anaerobic degradation processes with a fixed bed column with solid carrier bodies covered with biomass with adjustable lower inlet and upper outlet, a pH control and level regulator, characterized by pH sensors at both the lower and upper ends of the column and a return of reactor outlet with a dosing device subject to pH measurements. Säulenreaktor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Säule mit einem Höhe : Durchm-esserverhältnis von 8 bis 16 : 1, insbesondere etwa 12 : 1Column reactor according to claim 1, characterized by a column with a height:diameter ratio of 8 to 16:1, in particular about 12:1 Säulenreaktor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch gekörnte Trägerkörper mit einer Korngröße von 2 bis 8 mm.Column reactor according to claim 1 or 2, characterized by grained carrier bodies with a grain size of 2 to 8 mm. Säulenreaktor nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Trägerkörper aus Anthrazit, insbesondere Filter-Anthrazit N der Lagerstätte Ibbenbüren von PREUSSAG, mit einer Korngröße von 2 bis 8 mm, insbesonders von 4 bis 6 mm.Column reactor according to claim 3, characterized by carrier bodies made of anthracite, in particular filter anthracite N from the Ibbenbüren deposit of PREUSSAG, with a grain size of 2 to 8 mm, in particular 4 to 6 mm. PT 1.656a nö/höPT 1.656a nö/hö
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