NL9400976A - Werkwijze en inrichting voor het verwijderen van ammoniak uit gas. - Google Patents

Description

Werkwijze en Inrichting voor het verwilderen van ammoniak uit aas.

De uitvinding heeft betrekking op het op blotechnologlsche wijze verwijderen van een vluchtige stikstofverbinding, 1n het bijzonder ammoniak, uit een gas dat die stikstofverbinding bevat, bijvoorbeeld een afgas uit een stal voor Intensieve veehouderij of een Industrieel afgas.

Een bekende werkwijze voor het verwijderen van ammoniak uit een afgas 1s het lelden van dat afgas door een blofUter. Een blofllter omvat gewoonlijk een bed van opeengepakt materiaal, bijvoorbeeld fijne compost of turf, waarop zich micro-organismen aanhechten, welk bed wordt gedragen door een materiaal met een grovere structuur. Omdat micro-organismen in een blofllter alleen werkzaam zijn onder condities van hoge vochtigheid, wordt een afgas vóór doorleiden door het biofll-ter gewoonlijk verzadigd met waterdamp.

Het verwijderen van stikstofverbindingen uit een afgas met behulp van een blofllter kent een aantal nadelen. De react1e-cond1t1es 1n een blofllter zijn 1n het algemeen slecht te beheersen, als gevolg waarvan een biofilter storingsgevoelig en onbetrouwbaar 1n het gebruik 1s. Fluctuaties In de concentratie van de stikstofverbinding in het afgas verstoren de goede werking van het biofilter. Door optredende verzuring 1n het biofilter als gevolg van HNOs-vorming kan de werking van de actieve micro-organismen worden stilgelegd. Ammoniak wordt in een blofllter slechts gedeeltelijk uit een afgas verwijderd. Een belangrijk nadeel van een Inrichting met een biofilter is dat de werkzame micro-organismen op een zeer groot oppervlak aanwezig dienen te zijn en de drukval over het gas in een biofilter beperkt moet blijven, wat een ruime en open structuur vereist van een drager waaraan de biomassa 1s gehecht, als gevolg waarvan een blofllter een groot volume inneemt.

Het Is een doel van de uitvinding een werkwijze en een inrichting te verschaffen voor het verwijderen van een vluchtige stikstofverbinding, bijvoorbeeld ammoniak, uit een afgas, waarbij bovengenoemde nadelen niet optreden.

D1t doel wordt overeenkomstig de uitvinding bereikt met een werkwijze voor het op biotechnologische wijze verwijderen van een vluchtige stikstofverbinding uit een die verbinding bevattend gas, omvattend 1) het in een eerste inrichting uitvoeren van een eerste stap, waarin de stikstofverbinding wordt opgelost in een vloeibaar transport- medium, gevolgd door 2) het in een van de eerste inrichting separate tweede inrichting uitvoeren van een tweede stap, waarin de in het transportmedium opgeloste stikstofverbinding met behulp van micro-organismen wordt geoxideerd.

Bij het verwijderen van een st1fstofverbinding uit een afgas overeenkomstig de uitvinding wordt in de eerste stap de stikstofverbinding volledig geabsorbeerd in het vloeibare transportmedium en wordt vervolgens de door het transportmedium geabsorbeerde, dat wil zeggen daarin opgeloste stikstofverbinding in een tweede stap geoxideerd. Het gescheiden uitvoeren van een absorptiestap en een oxidatiestap in twee van elkaar gescheiden inrichtingen heeft als belangrijk voordeel dat de voor de oxidatiestap benodigde inrichting betrekkelijk klein en compact kan zijn. De afmetingen van een dergelijke oxidatie-inrichting met een bepaalde verwerkingscapaciteit zijn bijvoorbeeld beduidend kleiner dan die van een hierboven besproken biofilter met dezelfde capaciteit.

In een uitvoeringsvoorbeeld van de werkwijze overeenkomstig de uitvinding wordt de stikstofverbinding geoxideerd door een biomassa die in de tweede inrichting aanwezig is in een hoeveelheid van ten minste 10 kg droge stof/m3 inhoud van die inrichting, bij voorkeur tussen ca. 20 en ca. 30 kg droge stof/m3 inhoud van de inrichting.

Deze waarden voor de dichtheid van de biomassa zijn beduidend hoger dan die voor de biomassa in een biofilter dat volgens de stand der techniek wordt toegepast voor het verwijderen van een stikstofverbinding uit een afgas.

De werkwijze overeenkomstig de uitvinding is in het bijzonder geschikt voor het verwijderen uit een afgas van ammoniak, dat in de eerste stap wordt opgelost in een transportmedium dat in hoofdzaak water bevat en dat tijdens de tweede stap in hoofdzaak wordt geoxideerd tot nitraat. Volledige oxidatie van het ammoniak, dat wil zeggen oxidatie tot een nitraat, is van belang, daar bij een onvolledige oxidatie nitriet wordt gevormd, wat destabiliserend werkt op het verdere oxida-tleproces.

Bij voorkeur wordt de werkwijze overeenkomstig de uitvinding gekenmerkt door het in een van de eerste en de tweede inrichting separate derde inrichting uitvoeren van een derde stap, waarbij het in de tweede stap geoxideerde stikstofverbinding in hoofdzaak wordt gereduceerd tot stikstof.

De derde stap, waarbij de geoxideerde stikstofverbinding 1n hoofdzaak tot stikstof wordt gereduceerd wordt verder aangeduld met de term den1tr1f1cat1estap. Het toevoegen van een den1tr1f1cat1estap biedt onder meer de volgende belangrijke voordelen. Stikstof (N2) is als afvalprodukt aantrekkel1jker dan nitraat. Eventueel 1n het transportmedium opgehoopt nltrlet als gevolg van een suboptlmale of verstoorde n1tr1f1cat1e wordt weggenomen tijdens de denltrlflcatlestap. Dit is voordelig, omdat zoals hierboven besproken nltrlet remmend werkt op de n1tr1f1cat1e van ammoniak. Een derde belangrijk voordeel van het toevoegen van een denltrlflcatlestap 1s dat daardoor een pH-neutraal proces wordt verkregen, zodat geen pH-regel1ng met behulp van tltranten of grote hoeveelheden buffer nodig zijn. Denitr1f1cat1e verloopt onder anoxische condities, waarbij nitraat wordt gebruikt als elektronenac-ceptor. Een elektronendonor wordt toegevoegd 1n de vorm van bijvoorbeeld methanol of een uit afvalwater afkomstige organische verbinding. Denltriflcatle vindt plaats bij een pH-waarde tussen 5,8 - 9,2, bij voorkeur bij een pH-waarde tussen 7 - 8,2.

Overeenkomstig de uitvinding wordt voorts verschaft een Installatie voor het op biotechnologlsche wijze verwijderen van een vluchtige stikstofverbinding uit een die verbinding bevattend gas, ten minste omvattend een eerste inrichting voor het oplossen van dat gas in een vloeibaar transportmedium, een van de eerste inrichting separate tweede inrichting voor het met behulp van micro-organismen oxideren van de in het transportmedium opgeloste stikstofverbinding, en een eerste leiding voor transport van het transportmedium van de eerste naar de tweede Inrichting.

In een uitvoeringsvoorbeeld heeft de Installatie het kenmerk dat dat de eerste inrichting een membraan omvat voor het daarlangs lelden van het transportmedium, welk membraan in hoofdzaak wordt gevormd door van m1cro-por1ën voorziene holle vezels voor het door die vezels doen stromen van het gas met de vluchtige stikstofverbinding, een en ander zodanig dat het vluchtige bestanddeel door het transportmedium geabsorbeerd kan worden.

Overeenkomstig de uitvinding bevat in een uitvoeringsvoorbeeld de tweede inrichting een biomassa waarvan de dichtheid ten minste 10 kg droge stof/m3, bij voorkeur tussen ca. 20 en ca. 30 kg droge stof/m3.

De tweede inrichting omvat bijvoorbeeld een oxidatiebed, dat in hoofdzaak is samengesteld uit een op een dragerstructuur gedragen hoe- veelheid stukken kunststof schuim, bij voorkeur polyurethaanschuim.

In een ander uitvoeringsvoorbeeld omvat de tweede inrichting een gefluïdiseerd-bedreactor. Een dergelijke reactor omvat met water gevulde kolommen waarin korrels dragermateriaal zweven die zijn omgeven door een blofilm. De reactor wordt met perslucht belucht, waarbij een bellenzuil ontstaat. De reactor is compact en hoog-actief en 1s in het bijzonder geschikt voor toepassingen op grote schaal. Bij wijze van alternatief kan de tweede inrichting een zogeheten a1rl1ft-reactor omvatten.

Een installatie overeenkomstig de uitvinding wordt bij voorkeur gekenmerkt door een van de eerste en tweede inrichting separate derde inrichting voor het reduceren tot stikstof van de in het transportmedium opgeloste, in de tweede inrichting geoxideerde stikstofverbinding, en een tweede leiding voor transport van het transportmedium van de tweede naar de derde inrichting.

Bij meer voorkeur is de eerste leiding een circulatieleidlng voor circulatie van het transportmedium door achtereenvolgens de eerste en de tweede inrichting, en vormt de tweede leiding met de derde inrichting een deel van een op twee plaatsen in de circulatieleidlng uitmondende omloopleidlng, een en ander zodanig dat het debiet door de om-loopleidlng lager is dan dat door de circulatieleidlng.

Een belangrijk voordeel van een omloopleidlng door welke het debiet lager is dan dat door de circulatieleidlng, is dat de concentratie opgelost nitraat in de omloopleidlng vóór de denitrificat1e-inr1chting relatief hoog is ten opzichte van de concentratie opgeloste zuurstof. Door de hoeveelheid opgeloste zuurstof ten opzichte van de opgeloste hoeveelheid nitraat in de omloop!eiding vóór de denitrificatie-inrich-ting relatief laag te houden, wordt hiermee de behoefte aan een elektronendonor, noodzakelijk voor het denitrificatleproces, beperkt.

Overeenkomstig de uitvinding wordt de derde inrichting gevormd door een denitriflcatie-reactor en zijn middelen aanwezig voor toevoeging van een additionele stof, bijvoorbeeld een elektronendonor of een nutriënt voor een denitrificerende bacterie, aan deze reactor. De elektronendonor is bijvoorbeeld methanol of een uit afvalwater gewonnen organische verbinding.

In een voordelige uitvoeringsvorm omvat de denitrlficatie-reactor een hoeveelheid stukken polyurethaanschuim. Gevonden is dat polyure-thaan schuimblokjes in het bijzonder geschikt zijn om een goede reten- tie voor het biologisch actieve slib 1n een denitriflcatle-reactor te verschaffen. Het schuim heeft een groot specifiek oppervlak dat voldoende hechtlngsplaats biedt aan de denltrlflcerende materialen en het heeft bovendien een filterende werking als gevolg van de aanwezigheid van de structuur van het schuim en de aanwezigheid van een poriënstelsel tussen de schulmblokken.

De uitvinding zal 1n het nu volgende worden toegei1cht aan de hand van de tekening.

In de tekening geeft F1g.l een schematische weergave van een installatie overeenkomstig de uitvinding.

F1g.l is een schematische afbeelding van een Installatie 1 volgens de uitvinding, met een absorptie-inrichting 2 en een n1trif1cat1e-in-richting 3, die zijn verbonden door een circulatieleldlng 4. In een omloopleiding 5, die uitmondt in de circulatieleiding 4, is een deni-triflcatle-inrichtlng 6 opgenomen. In de leidingen 4 en 5 zijn c1r-culatiepompen, respectievelijk 7 en 8 opgenomen. In vaten 9, 10 worden respectievelijk een elektronendonor en een nutriënt opgeslagen, welke stoffen met behulp van een doseerpomp 11 vla een doseerleidlng 12, die uitmondt in de omloopleiding 5 vóór de denitriflcatie-inrichting 6 aan deze inrichting worden toegevoerd. De Figuur toont voorts nog een sproeier 13, een effluent-leidlng 14, een effluent-reservoir 15 en een thermostaat 16. Pijlen 17-20 geven de stromingsrichtlng aan van het transportmedium (water) in respectievelijk de circulatieleiding 4, de omloopleiding 5, de doseerleiding 12 en de effluent-leiding 14. Via een inlaat 23 wordt water in de circulatieleiding 4 ingelaten, de absorber 2 is voorzien van respectievelijk een in- en een uitlaat 21 respectievelijk 22 voor afgas.

De werking van de Installatie 1 1$ als volgt.

Ammonlakhoudend afgas wordt via Inlaat 21 ingelaten in de absorptie-inrichting 2, waar de ammoniak uit het afgas wordt geabsorbeerd door water 1n de c1rculatieleiding 4. Het van ammoniak gereinigde afgas wordt vla uitlaat 22 afgevoerd. Ammoniakhoudend circulatiewater wordt via c1rculatieleiding 4 en sproeier 13 gesproeid op de biomassa (niet getoond) in de nltrificatie-inrichtlng 3, waar de opgeloste ammoniak wordt geoxideerd tot nitraat, waarbij ingeval van een onvolledige oxi-datie-reactie kleine hoeveelheden nitriet kunnen ontstaan. Het gevormde nitraat en het eventueel ontstane nitriet worden door het circulatiewa-ter via circulatieleiding 4 en omloopleiding 5 naar de denitrificatie-

Inrichting 6 gevoerd, waar deze stoffen worden gereduceerd tot stikstof. Uit vat 9 wordt een elektronendonor, bijvoorbeeld methanol, ethanol. azijnzuur of een uit afvalwater afkomstige organisch verbinding aan de denitr1f1catie-inr1cht1ng 6 toegevoerd, uit vat 10 wordt een mengsel van nutriënten, bijvoorbeeld een oplossing die KH2PO4. K2HPO4, CaCl2, MgS04, FeS04 en/of een gistextract bevat. Het vloeistofdebiet in de omloopleiding 5 is kleiner dan dat 1n de circulatieleidlng 4, zodat de verhouding tussen opgeloste concentraties nitraat en zuurstof 1n de omloopleiding 5 juist voor de denitrif1cat1e-inrichting relatief hoog is. Een relatief hogere concentratie nitraat wordt nagestreefd om de benodigde hoeveelheid elektronendonor te beperkent de elektronendonor bindt zich eerst aan het zuurstof en pas dan aan nitraat. Bij gebruik van methanol vinden de reacties plaats volgens onderstaande reactie-formules: 1. NH3 + H20 -> NH44 + 0H- 2. NH4 + 202 -> NO3- + 2H+ + H20 3. NO3- + 5/6 CHsOH -> 1/2 N2 + 5/6 C02 + 7/6 H20 + OH-.

Uit deze reactievergelijken volgt dat de protonenbalans neutraal wordt, dat wil zeggen dat er geen titranten of grote hoeveelheden buffer nodig zijn. Het circulatiewater kan langdurig intern worden hergebruikt, terwijl het bij lozing, bijvoorbeeld via effluent-leiding 14 in effluent-reservoir 15 nauwelijks stikstofverbindingen bevat. Met behulp van thermostaat 16 kan de temperatuur van het circulatiewater op een optimale temperatuur, bijvoorbeeld 30 °C worden gehouden.

Voorbeeld 1

In een proefinstallatie met een configuratie volgens Fig.l wordt afgas met een concentratie variërend van 15 - 30 mg NH3/m3 gereinigd. De installatie omvat een op zich bekende wasinstallatie ('scrubber') met een volume van 7,5 liter, een oxidatiebed met een volume van 10 liter en een denitrificatie-reactor met een volume van 2,2 liter. De verwijderingscapaciteit van de opstelling bedraagt 0,23 g NH4-/U. bij een temperatuur van 30 °C.

De concentraties in de circulerende vloeistof bij een gemeten pH-waarde 7,2 bedragen als volgt (mg/1): NH4-N:28 N03-Nj15 N02-Ns2,6

Resultaat: 99 % NH3 uit het afgas 1s verwijderd.

De verwijderde NH3 is omgezet 1n {*): N2:98,5 nitraat in effluent: 0,6 ammonium in effluent: 0,9.

Wordt als typische waarde voor de afgasstroom van een intensieve varkenshouderij bijvoorbeeld uitgegaan van 6000 m3/u., waarbij de NHs-concentratle 15 mg/m3 bedraagt, dan bedragen de afmetingen voor een Installatie volgens F1g.l als volgt: volume 'scrubber': 3 m3 volume oxldatiebed: 4 m3 volume denitrificatlevat: 1 m3

Voorbeeld 2

Als absorptie-inrichtlng voor een installatie volgens Fig.l wordt een membraan geïnstalleerd met een membraanoppervlakte van 0,1 m2, bestaande uit 40 micro-poreuze capillaire buisjes van polypropyleen met een lengte van 50 cm (ND 020 CP 2N, microdyn, Wuppertal BRD). Het gas-debiet bedraagt 1,2 m3/u., de concentratie ammoniak in het instromende gas bedraagt 31 mg/m3; de gas- en vloei stofstroom hebben tegengestelde richting (tegenstroom-principe). U1t concentratiemetingen aan het instromende en het uitstromende gas wordt vastgesteld dat de in het gas aanwezige ammoniak met een rendement van 63 % door het membraan wordt opgenomen.

Voorbeeld 3

Het gasdeblet in de absorptle-inrichting uit voorbeeld 2 wordt ingesteld op 0,4 m3. Uit concentratiemetingen aan het instromende en het uitstromende gas wordt vastgesteld dat de in het gas aanwezige ammoniak met een rendement van 99 < wordt opgenomen.

Claims (22)

1. Werkwijze voor het op blotechnologlsche wijze verwijderen van een vluchtige stikstofverbinding uit een die verbinding bevattend gas, omvattend 1. het in een eerste inrichting uitvoeren van een eerste stap, waarin de stikstofverbinding wordt opgelost in een vloeibaar transportmedium, gevolgd door 2. het in een van de eerste inrichting separate tweede inrichting uitvoeren van een tweede stap, waarin de in het transportmedium opgeloste stikstofverbinding met behulp van micro-organismen wordt geoxideerd.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk dat de stikstofverbinding wordt geoxideerd door een biomassa die in de tweede inrichting aanwezig is in een hoeveelheid van ten minste 10 kg droge stof/m3 inhoud van die inrichting.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk dat de biomassa aanwezig is in een hoeveelheid van tussen ca. 20 en ca. 30 kg droge stof/ m3 inhoud van de inrichting.

4. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de stikstofverbinding ammoniak is en het vloeibare transportmedium in hoofdzaak water bevat.

5. Werkwijze volgens conclusie 4, met het kenmerk dat de tijdens de tweede stap in het water opgeloste ammoniak in hoofdzaak wordt geoxideerd tot nitraat.

6. Werkwijze volgens conclusie 4 of 5, gekenmerkt door 3. het in een van de eerste en de tweede inrichting separate derde inrichting uitvoeren van een derde stap, waarbij het in de tweede stap geoxideerde stikstofverbinding in hoofdzaak wordt gereduceerd tot stikstof.

7. Installatie voor het op biotechnologische wijze verwijderen volgens een werkwijze volgens conclusie 1 van een vluchtige stikstofverbinding uit een die verbinding bevattend gas, ten minste omvattend een eerste inrichting voor het oplossen van dat gas in een vloeibaar transportmedium, een van de eerste inrichting separate tweede inrichting voor het met behulp van micro-organi smen oxideren van de in het transportmedium opgeloste stikstofverbinding, en een eerste leiding voor transport van het transportmedium van de eerste naar de tweede Inrichting.

8. Installatie volgens conclusie 7, met het kenmerk dat de eerste Inrichting een membraan omvat voor het daarlangs leiden van het transportmedium, welk membraan in hoofdzaak wordt gevormd door van m1cro-por1ën voorziene holle vezels voor het door die vezels doen stromen van het gas met de vluchtige stikstofverbinding, een en ander zodanig dat het vluchtige bestanddeel door het transportmedium geabsorbeerd kan worden.

9. Installatie volgens conclusie 8 voor het oxideren van een stikstofverbinding volgens een werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk dat de tweede inrichting een biomassa bevat in een hoeveelheid van ten minste 10 kg droge stof/m3 inhoud van die inrichting.

10. Installatie volgens conclusie 9, met het kenmerk dat de biomassa aanwezig 1s in een hoeveelheid van tussen ca. 20 en ca. 30 kg droge stof/ m3 inhoud van de inrichting.

11. Installatie volgens conclusie 9 of 10, met het kenmerk dat de tweede inrichting een oxldatlebed omvat, dat in hoofdzaak is samengesteld uit een op een dragerstructuur gedragen hoeveelheid stukken kunststofschuim.

12. Installatie volgens conclusie 11, met het kenmerk dat het kunststofschuim polyurethaanschulm is.

13. Installatie volgens conclusie 9 of 10, met het kenmerk dat de tweede inrichting een gefluïdlseerd-bedreactor omvat.

14. Installatie volgens conclusie 9 of 10, met het kenmerk dat de tweede inrichting een airlift-reactor omvat, waarin actief slib op een dragermateriaal aanwezig is.

15. Installatie volgens conclusie 7, gekenmerkt door een van de eerste en tweede inrichting separate derde inrichting voor het volgens de werkwijze volgens conclusie 6 reduceren tot stikstof van het in het transportmedium opgeloste, in de tweede inrichting geoxideerde stikstofverbinding, en een tweede leiding voor transport van het transportmedium van de tweede naar de derde inrichting.

16. Installatie volgens conclusie 15, met het kenmerk dat de eerste leiding een circulatieleiding is voor circulatie van het transportmedium door achtereenvolgens de eerste en de tweede inrichting, en de tweede leiding met de derde Inrichting een deel vormt van een op twee plaatsen 1n de circulatleleldlng uitmondende omloopleidlng, een en ander zodanig dat het debiet door de omlooplei-ding lager is dan dat door de c1rculat1eleid1ng.

17. Installatie volgens conclusie 15 of 16, met het kenmerk dat de derde Inrichting een den1tr1f1cat1e-reactor is en middelen aanwezig zijn voor toevoeging van een additionele stof aan deze reactor.

18. Installatie volgens conclusie 17, met het kenmerk dat de additionele stof een elektronendonor bevat.

19. Installatie volgens conclusie 18, met het kenmerk dat de elektronendonor methanol 1s.

20. Installatie volgens conclusie 18, met het kenmerk dat de elektronendonor een uit afvalwater afkomstige organische verbinding is.

21. Installatie volgens conclusie 17, met het kenmerk dat de additionele stof een nutriënt voor een deni-trificerende bacterie bevat.

22. Installatie volgens conclusie 17, met het kenmerk dat de denitrificatie-reactor een hoeveelheid stukken polyurethaanschuim bevat.