SE452879B - Forfarande for kontinuerlig anaerob nedbrytning av organiska foreningar - Google Patents

Description

452 879 sig på att man låter mikroorganismerna tillväxa på en inert bärare (se europapatentansökningen 0 028 846).

Vid denna teknik tillförs den för behandling avsedda vät- skan kontinuerligt till en med bakteriesuspension beskiktad reaktor, där man upprätthåller en uppehållstid som ligger under uttvättningspunkten. Under dessa stressbetingelser äger en selektionering rum, vid vilken endast de mikroor- ganismer kan förökas som kan utveckla motsvarande starka adhesionskrafter med avseende på bäraren och kan livnära sig på den erbjudna kolkällan. En ytterligare selektionering uppnår man genom olika starka skjuvkraftinverkningar bero- ende på vätskans strömningshastighet.

Den ovan angivna omsättningen i en virvelskiktsreaktor har visserligen den fördelen att en hög strömningshastighet kan väljas och att biogasseparationen sker utan problem och att dessutom inom reaktorn ungefär samma betingelser råder, men man måste räkna med en relativt hög nötnings- förlust genom intensivare friktion och bakterieförlust och relativt mycket energi måste användas för uppnående av virvelpunkten. (Vidare kan knappast det fasta materialet, som är lättare än bäraren, hållas kvar i virvelbädden, vil- ket visserligen i allmänhet är fördelaktigt).

En kontinuerligt genomströmmad fastfasreaktor skulle där- emot ge fördelen av mindre nötning och lägre energibehov men endast relativt låga strömningshastigheter är möjliga och i reaktorn bildas dödvolymer genom biogasbildning.

Vidare förefinns risken för tilltäppning genom suspenderat fast material och inom reaktorn utbildas en koncentrations- och pH-gradient från inloppet till utloppet.

Båda varianterna uppvisar således nackdelar.

Speciellt vad gäller den för närvarande intressanta ättik- syranedbrytningen är även följande aspekter viktiga: - Det höga kemiska syrebehovet hos det för behandling av- ._ 452 879 sedda ättiksyrahaltiga avloppsvattnet; - dess lâga pH-värde av 2-4; - den mycket långa fördubblingstiden för de ifrågakommande mikroorganismerna; - deras ringa benägenhet att bilda större aggregat eller flockar, så att endast svaga växelverkningar med avseen- de på bäraren kan uppnås; - det optimala pH-värdet för dess tillväxt ligger vid 6,4-7.

Av dessa skäl är det nödvändigt med mycket långa uppehålls- tider för de för behandling avsedda vätskorna i reaktorn och därmed är de uppnådda rum/tid-utbytena endast ringa.

Vidare måste pH-värdet hos den för behandling avsedda vät- skan övervakas; speciellt mâste pH-värdet före inloppet i reaktorn bringas till optimalt värde genom tillsats av buffert eller alkali. Förfarandets ekonomi är därför otill- fredsställande. Ändamålet med föreliggande uppfinning är att förbättra eko- nomin hos anaerob nedbrytning, speciellt vid ättiksyra- metanisering, varvid man speciellt skall utgå från en reak- tor med stationär bädd.

Det för uppfyllande av detta ändamål utvecklade förfarandet enligt uppfinningen av den inledningsvis beskrivna typen utmärks av att vätskan tillförs en reaktor med stationär bädd med på en fast bärare tillväxta mikroorganismer som tillflöde, blandat med en så stor mängd recirkulerat reak- torutflöde att den håller skillnaden mellan de vid den stationära bäddens övre och undre ände uppmätta pH-värdena hos vätskan vid högst 0,3 pH-enheter inom ett intervall av 6-7,2.

Vid detta förfarande utnyttjar man ovan nämnda fördelar med reaktorn med stationär bädd samtidigt som man emellertid undviker dess nackdelar genom att man nämligen under mot- svarande tillblandning av recirkulerat reaktorutflöde sör- 452' 879 jer för en så snabb genomströmning av reaktorn att praktiskt taget konstanta betingelser kommer att råda i reaktorn och nedbrytningen kommer att ske under optimala betingelser över reaktorns hela längd. Samtidigt àstadkoms därigenom utan vidare en klanderfri gasavgâng upptill från reaktorn och tilltäppningar kan icke uppträda.

Vid detta förfaringssätt kan reaktorvätskans pH-värde hål- las inom det för bakterietillväxten optimala intervallet genom recirkulering utan inverkan utifrân, varför man all- mänt kan bortse från en annars nödvändig kemikalietillsats för inställning av fördragbara betingelser.

Ekonomin hos en sådan drift i reaktor med fast bädd med genom autoselektion på en bärare uppodlade mikroorganismer under recirkulering av reaktorutflödet på ett sådant sätt att pH-gradienten i reaktorn praktiskt taget försvinner kan nu förbättras avsevärt på ett överraskande sätt genom att man väljer en "mycket försiktig" inledningsfas: i startfa- sen lyckas uppodling av tillräckliga mängder vidhäftande mikroorganismer endast med en genomsnittlig uppehâllstid som icke är mindre än 50% av generationstiden för mikro- organismerna ifråga. Efter det att en sådan uppodling har lyckats kan rum/tid-utbytet hos reaktorn höjas genom att man minskar den genomsnittliga uppehållstiden, varvid emellertid man måste arbeta i relativt små steg under iakttagande av jämviktsinställning i varje steg, medan vid en minskning av uppehållstiden med ca 50% eller mera man uppnår ett fullständigt negativt resultat, dvs. mikro- organismerna uttvättas fullständigt ur reaktorn så att to- talt sett en utbytesstegring först icke synes möjlig.

Vid den föredragna utföringsformen av uppfinningen företas därefter efter den första uppodlingen med en uppehâllstid, som icke är mindre än 50% av generationstiden för ifråga- varande mikroorganismer, en iterativ minskning av uppe- hâllstiden till dess rum/tid-utbytet icke längre kan höjas.

Som speciellt lämpligt har vid de utförda försöken antra- 452 879 cit visat sig vara som bärarmaterial, vilket bör användas i en kornstorlek av ca 2-8 mm, speciellt 4-6 mm. Detta ma- terial är mycket hårt och uppvisar ringa nötningsförluster och uppvisar en oregelbunden yta.

För utprovning av förfarandet enligt uppfinningen användes en laboratoriereaktor, som âskâdliggörs schematiskt i bifo- gade fig. 1.

Fig. 2 visar en mätserie avseende de dynamiska egenskaperna hos en cirkulationsreaktor med fast bädd med iterativ för- kortning av uppehàllstiden.

Den i fig. 1 åskådliggjorda reaktorn tillverkades i huvud- sak från en plexiglaskolonn med en höjd av 65 cm och en diameter av 5 cm med ett förhållande fyllningshöjd till diameter av 12:1 (i allmänhet är förhållanden av 8-16:1 lämpliga). Reaktorns innervägg var på jämna avstånd för- sedda med ringformiga insatser (som "strömningsbrytare") för att förhindra kanalbildning längs väggarna av den sta- tionära bädden. Temperaturen hölls genom termostatisering vid 37-3s°c.

Som bärarmaterial användes Filter-Anthrazit N från PREUSSAG AG derLagerstätte Ibbenbüren. Detta antracit hade följande karakteristiska egenskaper: Täthet = 1,40-1,45 g/cm3 skakvikt = 740 kg/cm3 Kolhalt : över 90% Kornstorlek : Typ 1 Typ 2 Typ 3 0,8-1,6 mm 1,4-2,5 mm 2,5-4,0 mm Det rör sig vid detta antracit om en naturprodukt, som nedbryts, mals och siktas. Det är ett icke poröst material med en definierad kornstorlek.

På denna bärare fixerades mikroorganismen Methanosarcina barkeri. 452' 879 Genom olika fyllningshöjder ändrades den fria kontaktvoly- men på vilken den ifrågavarande uppehâllstiden beräknas.

För nedbrytningsförsöken användes ättiksyrahaltigt test- vatten, som försågs med vitaminer samt med mineral- och spårelement och hade ett kemiskt syrebehov (CSB-värde) av ca 20 kg/m3 och ett pH-värde av 4. Tillflöde och recirku- leringsström tillfördes separat och förenades med varandra kort före inflödet i reaktorn vid reaktorns botten.

I den övre delen av reaktorn var en nivåsond anordnad för maximal begränsning av fyllningshöjden hos reaktorn, från vilken vätskan avdrogs med hjälp av en av nivåregulatorn styrd vätskepump. Vätskans pH-värde vid den övre och undre änden av reaktorn övervakades dagligen och förhållandet mellan cirkulerande flöde och tillflöde inställdes så att i reaktorn praktiskt taget ett konstant pH-värde rådde (varvid det cirkulerande flödet vanligen utgjorde 15-20 gånger tillflödet). vid uppträdande oregelbundenheter i driften av reaktorn, då man icke kan uppnå en eftersträvad utjämning av pH- värdet via en (manuellt företagen) styrning av cirkulatio- nen, stryps tillfälligtvistillflödet för återställande av systemet. En konstant pH-kontroll i den mellersta delen av anläggningen är förhanden av säkerhetsskäl, vilken kon- troll i nödfall griper in i systemet genom korrigerings- tillsats.

För igångsättandet av reaktorn inställdes tillflödet på ml/timme (uppehâllstid 3,1 dagar) och dess pH-värde buffrades pâ 5,0 för att förhindra en översyrning av reak- torn till följd av den i början endast ringa omsättningen.

Efter ca 2 veckor hade en tillfredsställande bakterie- population bildats på bäraren (vilket kunde konstateras genom ättiksyranedbrytning och biogasbildning i reaktorn), så att tillflödet utan föregående pH-inställning stegvis 452 879 kunde matas snabbare genom reaktorn, varigenom uppehâlls- tiden i motsvarande grad förkortades.

Fig. 2 visar acetatkoncentrationen i reaktorutflödet som funktion av tiden vid olika uppehållstider. Såsom framgår minskades uppehâllstiden från steg till steg med ca 30% och de ändrade betingelserna bibehölls ca 12 dagar varje gång.

Efter varje förkortning av uppehâllstiden ökar ättiksyra- koncentrationen, såsom framgår, medan den under de statio- nära betingelserna i föregående steg tillväxta bakterie- populationen först icke kommer någon vart med Överskotts- utbudet på organisk kolkälla. (En speciellt kraftig ökning är att hänföra till en "uttvättning“ av mikroorganismer, som emellanåt till att börja med uppträder på grund av genomströmningsökningen).

Något senare bildas dock, såsom man ser, mer biomassa och ättiksyra nedbryts ånyo i stor utsträckning. Efter inställ- ning av stationära betingelser upprepas denna procedur (förkortning av uppehâllstiden med jämviktsinställning) och närmare bestämt under så lång tid att en tydlig för- sämring av ättiksyraomsättningen tydligt inträder respek- tive en ytterligare stegring av rum/tid-utbytet icke mer är möjlig. I föreliggande fall inträffar detta vid en uppe- hâllstid av ca 7 timmar.

Totala tiden från igångsättandet till dess màn uppnår så korta uppehållstider uppgår till ca 10-12 veckor.

Större språng i uppehållstidsförkortningen eller t.o.m. en språngvis förändring av uppehâllstiden från begynnelse- tillståndet är med hänsyn till ekonomiskt optimala beting- elser (från ca-3 dagar till ca 8 timmar) icke utförbara, eftersom systemet genast skulle komma ur balans.

Såsom redan nämnts anpassas cirkulationshastigheten efter pH-gradienten mellan den undre och den övre delen av reak- 40 452 879 torn och inställs på sådant sätt att denna gradient nätt och jämnt försvinner (pH-värdet i reaktorn ökar för det ' första genom en nedbrytningsbetingad minskning av ättik- I syrakoncentrationen och för det andra genom den buffrande I inverkan av den bildade kolsyran så att under stationära 1 betingelser ett pH-värde av 6,7-7,0 inställs i reaktorn. ; 1 Exempel 1 Man använde den i fig. 1 âskâdliggjorda reaktorn med en 4 höjd av 65 cm och en diameter av 5 cm. Denna fylldes med 300 g Filter-Anthrazit N från PREUSSAG med en kornstorlek ä av 1,4-2,5 mm. Den fria reaktionsvolymen uppgick därvid l till 0,76 liter.

Tillflödet ökades på beskrivet sätt till upp till 83 ml/- timme (hydraulisk uppehållstid 9:2 timmar) motsvarande en utrymmesbelastning av 56 kg-CSB per m3 och dag. Under sta- tionära betingelser uppnâddes en CSB-reduktion av 95%; den volymspecifika biogasbildningen uppgick därvid till 41 m3 per m3 och dag.

Exempel 2 I detta fall fylldes reaktorn endast med 100 g Filter- Anthrazitrimaisæma kornstorlek som i exempel 1. Den fria kontaktvolymen var 1,1 liter.

Genom den ringa erbjudna ytan fixerades totalt mindre bio- massa, så att driftsgränsen klart framträdde vid en uppe- hållstid av ca 17 timmar.

Under dessa betingelser uppgick utrymmesbelastningen i be- traktande av den alltför ringa bärarmängden till 32 kg-CSE per m3 och dag och den volymspecifika biogasbildningen 3 till 19 m3 per m och dag.

Exempel 3 Vid ett ytterligare försök fylldes reaktorn med 320 g Filter-Anthrazit N med en kornstorlek av 2,5-4,0 mm. Den fria kontaktvolymen uppgick därvid till 0,75 liter. Till- flödet ändrades stegvis upp till 100 ml/timme motsvarande 452 879 en uppehållstid av 7,5 timmar och en utrymmesbelastning av _70 kg-CSB per m3 och dag. Vid en CSB-reduktion av ca 80% uppgick den volymspecifika biogasbildningen till 42 m3 per m3 och dag.

Exempel 4 Vid ett ytterligare försök upparbetades under användning av 300 g Filter-Anthrazit N ângkondensat från cellulosa- industrin med ett kemiskt syrebehov av 14 kg per m3. Detta innehåller jämte ättiksyra även metanol, furfurol, myr- syra och sulfit. I detta fall användes i stället för den ättiksyranedbrytande mikroorganismen Methanosarcina barkeri en blandkultur innehållande mikroorganismer, som dessutom nedbröt furfurol, metanol och oxiderade svavelföreningar.

Inom en tidsrymd av 4 veckor kunde uppehållstiden ned- bringas till 15 timmar. Därvid uppgick utrymmesbelastning- en till 23 kg per m3 och dag och den volymspecifika biogas- bildningen till 14 kg per m3 och dag vid en CSB-reduktion av mer än 90%.

Det ovan angivna förfarandet enligt uppfinningen, som i detalj har åskådliggjorts med hänvisning till ättiksyra- nedbrytning, kan på analogt sätt användas för anaeroba processer, som bryter ned andra lägre karboxylsyror och/- eller metanol och/eller furfurol.

Nyligen kunde den genomsnittliga uppehâllstiden vid ett förfarande för anaerob SEC-behandling reduceras till mel- lan ca 4 och 10 timmar (beroende på avloppsvattnets spe- ciella ursprung) med en CSB-reduktion av ca 90%.

Bryggeriavloppsvatten, som huvudsakligen innehöll glukos, ättiksyra och etylalkohol, renades enligt uppfinningen med slutliga uppehållstider av 6-7 timmar.

En överraskande effektiv sönderdelning erhölls vid använd- ning av poröst sintrat glas som bärare för mikroorganismer- do 452 879 na i reaktorn med stationär bädd.

I synnerhet användes porösa borsilikatglaskuber eller Raschig-ringar med en porositet av ca 60-80% och porstor- lekar av storleksordningen 50-90 pm (kunde erhållas från Schott, Mainz, Västtyskland) som fyllningsmaterial för den stationära bädden i reaktorn av ovan beskrivna typ. Genom att utnyttja ett dylikt material exempelvis vid anaerob behandling av ett kraftigt förorenat SEC (44 kg-CBS per m3) kunde sman uppnå en förbättring av volym/tid-utbytet med en faktor av ca 2 jämfört med användningen av ovan- nämnda Filter-Anthrazit N.

Claims (3)

U 452 879 PATENTKRAV

1. Förfarande för kontinuerlig anaerob nedbrytning av organiska föreningar, varvid en vattenhaltig vätska, som innehåller en lägre karboxylsyra och/eller furfurol och/- eller metanol och med ett eventuellt till 2-4 buffrat pH- värde, i en reaktor vid 30-40°C och ett pH av 6-7 under- kastas inverkan av mikroorganismer, som selektivt nedbryter substratet, vid kontinuerlig drift under biogasalstring, k ä n n e t e c k n a t därav, att vätskan tillförs en reaktor med stationär bädd med på en fast bärare tillväxta mikroorganismer som tillflöde, blandat med en så stor mängd recirkulerat reaktorutflöde att den håller skillnaden mellan de vid den stationära bäddens övre och undre ände uppmätta pH-värdena hos vätskan vid högst 0,3 pH-enheter inom ett intervall av 6-7,2.

2. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att man använder en kornformig bärare med en korn- storlek av 2-8 mm och arbetar med en genomsnittlig uppe- hâllstid, som är mindre än generationstiden för ifråga- varande mikroorganismer - företrädesvis 4-10 timmar.

3. Förfarande enligt krav 1 eller 2, 4 k ä n n e t e c k - n a t därav, att man som bärarmaterial för mikroorganismer- na använder antracit med en kornstorlek av 2-8 mm eller porösa sintrade glaskroppar.