WO2015092003A1 - Method for removing impurities from aqueous media - Google Patents

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WO2015092003A1
WO2015092003A1 PCT/EP2014/078839 EP2014078839W WO2015092003A1 WO 2015092003 A1 WO2015092003 A1 WO 2015092003A1 EP 2014078839 W EP2014078839 W EP 2014078839W WO 2015092003 A1 WO2015092003 A1 WO 2015092003A1
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reactor
treated
medium
oxygen
water
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Oliver Lüdtke
Michael SCHLIMBACH
Jan KÜHLING
Enrico Fichter
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Verbio Vereinigte Bioenergie Ag
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Definitions

  • the invention relates to a process for the removal of organic acids and / or aromatic compounds in aqueous media for the purpose of treatment, recovery and / or recycling as process water.
  • the present invention enables a very efficient treatment of partially heavily contaminated process water for a controlled in-process recirculation.
  • the invention may, under certain circumstances, together with further purification steps, also be used for the efficient treatment of contaminated process water for subsequent disposal.
  • the recirculation of a materially polluted process water often causes an impairment of the production process, for example, by a decreasing pH in the accumulation of organic acids.
  • increasing acid concentrations such as acetic and lactic acid or, for example, aromatic compounds such as cresols and phenols often lead to the inhibition of metabolic activity.
  • the traceable volume flow of such polluted process waters is thus limited by the content of foreign and / or impurities in the process water. If critical concentrations are exceeded, the potential of process water recycling can not be fully exploited. In practice, at least a proportionate replacement of the theoretically available process water by fresh water takes place in order to avoid critical concentrations of foreign substances and contaminants.
  • Solids often cause nonspecific adsorption and / or a clogging example of membranes and cause in this way a disturbance of the process water conditioning, which must be counteracted with increased technical and economic effort.
  • there is an upstream mechanical separation of the solids for example by centrifugation.
  • the regeneration of membranes and / or disposal of the process water-extracted substances for example in the form of sludges after precipitation reactions.
  • the main component of wastewater treatment is the aerobic stage, in which substances contained in the water are microbially oxidized.
  • the biodegradable substances contained in the waste water are proportionally converted into carbon dioxide and water as well as into separable sludge biomass.
  • the oxygen required for this process is supplied to the medium under high, technical and energy expense, usually by introducing air.
  • a disadvantage of classical aerobic wastewater treatment is the non-specific and almost complete oxidation of the substances contained.
  • nitrogen compounds are also microbially oxidized to nitrate. Depending on the composition of a process water to be treated such oxidation is associated with very high oxygen demand. This must be supplied by introducing air with high energy requirements.
  • nitrate and / or nitrite in the process water treatment and subsequent recycling of this water even lead to negative effects.
  • fermentation processes can be inhibited.
  • a denitrification is necessary, in which the nitrate formed is biologically reduced to molecular nitrogen.
  • biological denitrification is associated with further apparatus engineering and energy expenditure.
  • the activated sludge produced in the aerobic stage can be used under anaerobic conditions for biogas production and energy production.
  • the decomposition of organic substance in the absence of oxygen (anaerobic) essentially to carbon dioxide and methane.
  • anaerobic treatment For the treatment of wastewater or process water, direct anaerobic treatment is also possible.
  • a disadvantage of the anaerobic treatment is that in particular aromatic compounds are not or only partially degraded in the absence of oxygen. In technically relevant periods these substances would remain almost unchanged in the process water and be enriched during a continuous recirculation without the discharge of partial streams.
  • WO2004113549A1 described.
  • the method is designed such that after several separation steps only a medium with preferably less than 0.5% dry matter content is fed into the methane reactor.
  • the aqueous phase emerging from the methane reactor is accordingly a very low-loaded water, which has a very low dry matter content.
  • the described aerobic treatment of this process water corresponds to an aerobic treatment known in the art in the sense of a wastewater treatment.
  • the resulting processed process water can either be returned to the mashing process of ethanol production or introduced (disposed of).
  • the aerobic treatment of waste water from a methane plant for vinification is disclosed in EP1790732A1.
  • the methane fermentation and a separation of solids and nitrogen subsequent aerobic treatment corresponds to a well-known from the prior art wastewater treatment of industrial wastewater treatment plants, where expressly also a denitrification is described.
  • the obtained aerobically treated wastewater has a chemical oxygen demand (COD) of 40-190 mg / l.
  • COD chemical oxygen demand
  • an optional distillation of the aerobically treated wastewater is listed. It also mentions the options of discharging the treated water or returning it to the process.
  • WO2001060752A1 describes a process for the continuous processing of lignocellulose-containing material into biofuels. It is described that the recirculation of process water has a cost-reducing effect, but is limited by substrate treatment inhibiting substances such as acetic acid, furfurals and phenolic acids. The concentrations of corresponding substances can be reduced to such an extent by aerobic and anaerobic treatment that process inhibition is no longer present. It is not described in this publication how such an aerobic treatment can be designed. It is therefore to be assumed that this is a state-of-the-art aerobic wastewater treatment.
  • the inventive method is designed so that the molecular oxygen is introduced in the form of air in the reactor.
  • the method according to the invention is designed so that a part of the exhaust gas stream is returned to the reactor.
  • the inventive method is designed so that the introduction of molecular oxygen optionally takes place continuously in the form of air.
  • the process according to the invention is designed so that the reactor contents are optionally mixed using suitable stirring technology, such as at least one propeller agitator and / or at least one jet pump or other directed gas introduction systems.
  • suitable stirring technology such as at least one propeller agitator and / or at least one jet pump or other directed gas introduction systems.
  • the process according to the invention is designed such that the reactor is occasionally and / or continuously, if necessary together with the medium to be treated, active microbial biomass is supplied.
  • the method according to the invention is designed such that the active microbial biomass is at least partially immobilized in the reactor, for example by suitable carrier materials.
  • the process according to the invention is designed so that the average residence time in the reactor is at least as long as the doubling time of the active microbial biomass.
  • the method according to the invention is designed such that the supply of molecular oxygen, if appropriate also in the form of air, is limited to such an extent that no significant oxidation of nitrogen compounds contained in the reactor takes place.
  • the process according to the invention is designed such that the supply of molecular oxygen, if appropriate also in the form of air, is regulated by measuring the redox value in the reactor, the redox value in the reactor being in a range between 0 and -400 mV, preferably between 100 and -300mV, more preferably between -200 and -280mV.
  • the method according to the invention is designed so that the supply of molecular oxygen, if appropriate also in the form of air, is regulated by the measurement of the dissolved oxygen in the reactor, the content of dissolved oxygen in the reactor being in a range between 0 and 2 mg / 1, preferably less than 1 mg / l, more preferably less than 0.3 mg / l, most preferably less than 0.15 mg / l.
  • the process according to the invention is designed such that nutrients and / or trace elements are optionally fed to the reactor together with the medium to be treated.
  • the process according to the invention is designed such that the medium to be treated in the reactor is at least quantitatively sicontinually supplied and treated medium is discharged from the reactor at least quasi-continuous.
  • the method according to the invention is designed so that the medium treated in the reactor is recycled to a process which is directly or indirectly connected to the process from which the medium to be treated has previously been removed.
  • the inventive method is designed so that the treated medium in the reactor is returned to a process to replace, for example, drinking water, well water, condensate and / or other process water.
  • the inventive method is designed so that the COD of the supplied aqueous medium is reduced by not more than 50%, preferably not more than 30%, more preferably not more than 20%, most preferably not more than 15% ,
  • the process according to the invention is designed such that the pH in the reactor, if appropriate by adding an acidic or basic material stream in a range from 6.5 to 10.5, preferably from 7.5 to 9.5, is particularly preferred is set in a range of 8.0 and 9.0.
  • the inventive method is designed so that the temperature in the reactor, for example, directly via the inlet or, for example, is set indirectly by heat exchange.
  • the method according to the invention also relates to all combinations of the preferred embodiments described above.
  • Process water streams in particular from biological production processes, generally contain dissolved and suspended organic as well as inorganic components.
  • the TS content of such waters rarely exceeds 10%, usually much lower.
  • the content of the dissolved organic substance can be up to several percent.
  • organic acids and / or aromatic compounds are particularly relevant since these substances can interfere with subsequent processes or inhibit biochemical reactions. If such substances are organic acids (aliphatic and / or aromatic), they can be combined with the sum parameter FOS (Volatile Organic Acids) known from biogas technology.
  • FOS Volatile Organic Acids
  • impurities are short-chain organic acids (for example acetic acid, propionic acid, lactic acid, formic acid, succinic acid, oxalic acid, citric acid, butyric acid, valeric acid, caproic acid), long-chain organic acids (for example fatty acids such as oleic acid, palmitic acid, lauric acid) and or aromatic acids (for example phenolic acids such as, for example, benzoic acid, hydroxybenzoic acid, dihydroxybenzoic acid, phenylacetic acid, hydroxyphenylacetic acid, phenylpropionic acid, hydroxyphenylpropionic acid, ferulic acid, gallic acid, cinnamic acid, hydroxycinnamic acid, caffeic acid).
  • short-chain organic acids for example acetic acid, propionic acid, lactic acid, formic acid, succinic acid, oxalic acid, citric acid, butyric acid, valeric acid, caproic acid
  • aromatic compounds without an acid group such as benzene, phenol, cresol, furfural, hydroxymethylfurfural (HMF) and / or more complex compounds such as tannin, cutin and / or indolic compounds such as indole, skatole may also be present in process waters which can be present in relevant quantities depending on the process conditions.
  • HMF hydroxymethylfurfural
  • the dissolved contaminants can not be separated by solid-liquid separation process.
  • Thermal separation processes for the separation of these substances present in low concentrations have the disadvantage of a high expenditure on equipment, a high energy requirement and / or possibly an insufficient separation or too high a residual concentration of the contaminants.
  • the anaerobic degradation of FOS and / or other organic ingredients is possible for some contaminants. Part of the chemically bound in the resulting process water energy can be converted into biogas / methane and used materially and / or energetically.
  • anaerobic fermentation is a relatively slow process. This requires long substrate residence times, which at low concentrations of the impurities to be degraded means uneconomically large reaction volumes.
  • the degradation of more complex compounds is not possible at technically relevant residence times. For example, the anaerobic degradation of some phenolic compounds is hardly possible.
  • the aerobic decomposition of organic matter is carried out in sewage treatment plants in the form of an aerobic stage.
  • the dissolved organic substance is almost completely degraded while supplying oxygen.
  • oxygen contents of 2 mg / l to more than 5 mg / l in addition to the oxidation of organic matter, nitrification also takes place, in which ammonium nitrogen is bacterially converted via nitrite into nitrate.
  • nitrification is subsequently coupled with denitrification, with the conversion of nitrate into molecular nitrogen taking place, with the exclusion of oxygen and the consumption of dissolved organic matter.
  • Such or similar aerobic methods for the purification of wastewater are in principle well suited if the water meets the strict requirements of a single in rivers.
  • the very high energy expenditure of the oxygen supply is to be mentioned as a disadvantage.
  • the oxygen demand of an aerobic treatment with nitrification by the high COD of ammonia increases significantly.
  • a nitrification of contained ammonium as it takes place in an aerobic wastewater treatment may even be disadvantageous if the nitrate formed disturbs the subsequent processes and / or the ammonium would be used in a later process as a valuable and / or nutrient.
  • the suspended and / or fibrous materials can serve as a colonization area for bacteria.
  • the COD load which is often significant in process waters, in the form of nitrogen compounds (eg ammonium) or suspended TS (eg fibrous materials) is not oxidised or is not oxidized in non-relevant quantities.
  • the medium to be treated (process water) is fed into a reactor with active microbial biomass.
  • molecular oxygen is introduced directly and / or indirectly into this reactor and brought into contact with the medium to be treated, so that a selective oxidation of the organic contaminants is carried out by the microorganisms, but without reducing the majority of the supplied with the medium to be treated COD.
  • the introduction of oxygen can be done directly by, for example, injecting air and / or indirectly, for example, by supplying an oxygen-saturated liquid.
  • the treated medium (treated process water) and a carbon dioxide-containing exhaust gas are withdrawn.
  • Such a process is possible with respect to the liquid and / or gas streams both as a batch, semi-continuous or continuous process.
  • the process may be such that the active biomass is reformed in the reactor and / or occasionally and / or continuously supplied to the system with, for example, the medium to be treated. If the active biomass is to be newly formed in the reactor, the average residence time of the medium to be treated in the reactor should be at least as large as the doubling time of the active biomass.
  • temperatures in the mesophilic and thermophilic range are particularly advantageous. Compliance with a preferred temperature can be particularly advantageous by the temperature of the supplied medium to be treated (feed). Additionally or alternatively, known heat transfer methods can be used, such as the indirect heat exchange from a separate circulation stream of the reactor.
  • the microbial degradation of the contaminants takes place efficiently in a favorable pH range for the active biomass.
  • This can be regulated by feeding acidic and / or basic streams into the reactor in a range from 6.5 to 10.5, preferably from 7.5 to 9.5, more preferably in a range of 8.0 and 9.0 become.
  • the mass transfer from the gas phase into the liquid phase is promoted in particular by a high oxygen partial pressure, a large phase boundary and the longest possible contact times between gaseous and liquid phase.
  • Control of the degradation process is advantageously possible by measuring and controlling the content of dissolved oxygen in the liquid reaction space.
  • the content of dissolved oxygen in the reactor should be kept in a range between 0 and 2 mg / l, preferably below 1 mg / l, more preferably below 0.3 mg / l, most preferably below 0.15 mg / l.
  • the supply of molecular oxygen is optionally regulated in the form of air by measuring the redox value in the reactor, the redox value in the reactor in a range between 0 and -400mV, preferably between -100 and -300mV, more preferably between -200 and -280mV is kept.
  • the control can be carried out in such a way that the volume flow of the added molecular oxygen is adjusted and / or the mass transfer conditions are influenced by a changed mixing.
  • the volumetric flow of the added molecular oxygen can also be influenced, for example, by varying the oxygen content in the gas stream.
  • pure oxygen can also be used and / or part of the supplied gas stream can be replaced by recirculating exhaust gas.
  • Such a method is particularly advantageous if the oxygen input is limited to such an extent that, although the impurities have been broken down, the nitrogen compounds contained in the reactor are not or only to a small extent be oxidized to nitrate and / or nitrite.
  • the process is designed so that the COD is not more than 50%, preferably not more than 30%, more preferably not more than 20%, most preferably not more than 15% is reduced, while the impurities to the desired concentration be reduced.
  • FIG. 1 shows a possible first embodiment according to the invention
  • Fig. 2 shows a flow chart of a possible second embodiment according to the invention
  • Fig. 2a shows a possible second embodiment according to the invention
  • a process water from an evaporation plant charged with acetic acid is to be prepared for a downstream fermentation process so that the acetic acid concentration does not inhibit the fermentation process. This is achieved by microbially oxidizing the acetic acid.
  • the process water In addition to acetic acid, it also contains significant amounts of organic suspended solids and other organic components.
  • This process water is the feed (101) into the reactor (8).
  • the reactor is predominantly filled with the treated process water and contains active biomass, which ensures the acetic acid degradation.
  • the feed is conveyed with the feed pump (11) via the feed entry (1) in the reactor.
  • the feed is conveyed into a region of intensive mixing in order to promote the mass transfer.
  • the intensive mixing is achieved by a circulation (7) of the reactor contents by means of a mixer (6) and the ascending gas flow, which is introduced and distributed via the gas supply (3) in the lower part of the reactor.
  • the necessary for the oxidation of acetic acid oxygen (103) is conveyed through the compressor (13) in the system.
  • another oxygen-containing gas stream such as air can be used.
  • the exhaust gas flow is discharged via the exhaust gas outlet (4) from the reactor or from the entire system (4a).
  • Via the gas recirculation (4b) a circulation of the gas within the system is possible. A portion of the exhaust gas can thereby be led to the compressor (13) and fed together with the gas stream 103 into the system.
  • Such a circulation can on the one hand increase the conversion of the oxygen supplied with the stream 103.
  • the oxygen content in the reactor can be influenced by the circulation of the gas.
  • the circulation of the gas increases the gas volume flow through the reactor and thereby improves the mixing in the reactor, which has a positive effect on the mass transfer, in particular on the oxygen input into the liquid phase.
  • the control of acetic acid degradation is based on the oxygen content in the reactor. This is possibly detected together with other process parameters such as pH value, redox value and / or temperature by the measuring device (9).
  • the oxygen content in the reactor is advantageously kept below 0.5 mg / l, preferably in the suboxic range.
  • the volume flow 103, the exhaust gas recirculation and / or the inlet are varied.
  • An alternative control can be realized on the basis of the redox value.
  • the microorganisms responsible for acetic acid degradation are initially metered into the system as a starting culture or recurring, for example, as an adjuvant stream (105) via a separate pump (15) and the excipient feed (5).
  • This arrangement also doses pH-effective auxiliaries, such as, for example, caustic soda, as well as nutrients such as, for example, ammonium bicarbonate and trace elements.
  • the temperature in the reactor results from the temperatures of the incoming streams and the heat of reaction released during the oxidation reaction and the heat losses of the system.
  • suitable process-engineering heat transfer technology This can be done for example via a temperature of the incoming streams and / or by tempering the reactor contents.
  • the microorganisms are enriched in the reactor, for example, by carrier materials suspended in the water.
  • the microorganisms colonize these support materials, which are mixed in the reactor, but are not removed by the appropriate constructions on the effluent (2) from the reactor.
  • carrier materials are installed in the reactor as fixed growth surfaces in order to increase the microorganism concentration in the reactor.
  • the reactor contents are discharged via the effluent from the reactor.
  • the process (102) still contains relevant amounts of the ingredients fed with the feed and the supplied auxiliaries, but only traces of acetic acid.
  • the process can thus be supplied for further use, if appropriate after further conditioning steps.
  • the quality of the process is controlled by determining the acetic acid content by conventional analytical methods such as liquid or gas chromatography.
  • FIGS. 2 and 2 a A further possibility of a technical execution of the method is illustrated below with reference to the removal of aromatic compounds from a process water of a biorefinery, whereby a process-comprehensive recirculation of the process water within the biorefinery is made possible in a very efficient and cost-effective manner.
  • Essential features of the embodiment are shown in FIGS. 2 and 2 a.
  • the raw materials and products mentioned in Fol ⁇ constricting are just some examples.
  • the process of removal of contaminants can be easily applied or transferred to a person skilled in the art for other raw materials and / or coupled production processes.
  • Further raw materials may be, for example, straw, carbohydrate-rich, fatty and / or protein-rich substances.
  • coupled production processes are the production of second generation ethanol, fermentative butanol production, the production of pulp, cellulose and / or paper, protein separation, fermentative production of phenolic compounds, biodiesel and / or glycerine production and feed production.
  • bioethanol in a biorefinery, for example, cereals (120) produce bioethanol (123) and biogas (133).
  • bioethanol is first fermentatively produced from grain in a bioethanol plant (20) and recovered as valuable material.
  • For the mashing of the grain water (121) is used. While most streams are recirculated within the bioethanol plant, the by-product is the stillage (122).
  • the vinasse contains essentially not only water but also the organic and inorganic constituents of the cereal which have not been converted to ethanol and has a DM content of about 10-20%, the organic content of the dry substance generally being more than 90%. It is used as a raw material for the production of biogas in the biogas plant (30).
  • biogas plant bio ⁇ gas preparation it may also be the biomethane fuel stream 133 of a specific embodiment of the method.
  • biomethane fuel stream 133 of a specific embodiment of the method.
  • most of the organic ingredients are degraded to methane and carbon dioxide.
  • the organic and inorganic components are more or less completely hydrolyzed, reduced and / or degraded. Accordingly, there are still significant amounts of suspended and dissolved dry matter in the digestate.
  • the dry matter content is typically in the range of 2-8% and consists of inorganic and organic components. Standard values of 20-120 g / l for the digestate are given for the customary measure of COD in sewage technology.
  • the plant for selective oxidation consists essentially of a treated with treated digestate reactor (8), in which the microbial conversion takes place, as well as some internals and ancillaries.
  • the process occurring in this plant is operated continuously as well as the upstream and downstream processes, although a quasi-continuous and / or discontinuous operation is possible.
  • the fermentation residue loaded with the aromatic compounds constitutes the feed (101). It is conveyed together with the feed pump (11) together with recirculated discharge into the liquid feed (2b). This leads the liquid to one or more ejectors (14).
  • air is mixed with the liquid according to the propulsion jet principle and introduced finely distributed into the reactor.
  • the air so the oxygen-containing gas (103) is passed from the environment via at least one compressor (13) and the gas supply with the necessary form to the ejector.
  • a good mass transfer of the oxygen is achieved in the liquid.
  • the mass transfer is favored by a mixing of the reactor contents, for example by one or more mixers (6). These may be, for example, laterally arranged propeller stirrers.
  • a circulation (7) of the reactor contents and thus a good metabolic rate are achieved.
  • the microorganisms required for the degradation of the aromatic compounds are continuously fed to the process with the fermentation residue. These are various facultative anaerobes. These absorb the oxygen introduced into the liquid and oxidize the aromatic impurities. Within certain limits, the system has a self-regulating effect, since it is exactly the bacteria that reproduce which are able to live particularly well with the supplied impurities as a substrate in the existing process conditions.
  • the pH determined by the feed is usually in a favorable range for the bacteria degrading the impurities. However, it is of course possible, for example, to influence the pH value in the reactor (8) by a preceding conditioning of the fermentation residue.
  • the temperature in the reactor results from the temperatures of the incoming streams and the heat of reaction released during the oxidation reaction and the heat losses of the system. Due to the released reaction enthalpy of the oxidation reaction, depending on the content of impurities to be converted in the feed, a significant temperature rise of more than 10-15 Kelvin can occur in the system. It is possible to operate the degradation process at mesophilic as well as thermophilic conditions. In the case of deviations between the temperature which arises and the temperature which is favorable for the microbial conversion, it is possible, in an advantageous embodiment of the method, to install suitable process-engineering heat transfer technology. This can be done for example via a temperature of the incoming streams and / or by tempering the reactor contents.
  • the process is operated in the suboxic range at very low levels of dissolved oxygen to selectively remove predominantly the impurities and not oxidize other organic and / or inorganic constituents or only to a very limited extent.
  • Advantageously controllable is the method of controlling the redox value in the reactor. With the measuring device (9), the redox value is measured in the reactor. By maintaining a redox value of less than 0 mV, preferably less than -100 mV, it is possible to suppress most of the oxidation reactions, such as the oxidation of ammonium to nitrate, while the oxidation of the aromatic impurities is realized. As a result, the required air volumes are significantly lower compared to classic aerobic wastewater treatment processes.
  • the regulation of the redox value takes place by adjusting the supplied air quantities and / or the inflow quantities.
  • ammonium to nitrate The oxidation of ammonium to nitrate is not significant at these process conditions. Only through the gas flow through the reactor portions of the ammonium are discharged in the form of ammonia. This ammonia can be recovered from the exhaust (104) by a downstream condenser and / or scrubber. The content of ammonium nitrogen of the effluent (102) is temperature- and pH-dependent at over 90% of the content in the feed.
  • the exhaust gas discharged from the reactor via the exhaust gas outlet (4) contains significant amounts of carbon dioxide in accordance with the effluent reactions.
  • the average residence time of the feed in the reactor is up to 30 days, preferably about 15 days, more preferably less than 10 days.
  • the conversion of impurities is usually limited by the mass transfer of oxygen from the gaseous to the liquid phase and not by the degradation reaction itself.
  • the freed from the impurities, drained from the system process contains in addition to the predominant proportion of nitrogen also almost the same amount of fiber and a total of only slightly reduced compared to the feed TS.
  • the COD degradation during the selective oxidation is, depending on the composition of the feed and the content of impurities not more than 50%, preferably not more than 30%, more preferably not more than 20%, most preferably not more than 15%.
  • the process is run directly or after conditioning as recirculated into the bioethanol plant.

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Abstract

The invention relates to a method for removing at least one organic impurity from an aqueous medium, comprising the following steps: • a) feeding the aqueous medium (101) to be treated into a reactor, with active microbial biomass (8), • b) directly and/or indirectly introducing molecular oxygen (103) into said reactor (8), • c) implementing a microbial selective oxidation in the suboxic conditions of at least one of the supplied organic impurities, without the majority of the supplied COD being reduced, • d) discharging the treated aqueous medium (102) from the reactor (8), and • e) discharging a waste gas flow (104) containing carbon dioxide from the reactor (8).

Description

Beschreibung HINTERGRUND DER ERFINDUNG Technisches Gebiet  Description BACKGROUND OF THE INVENTION Technical Field
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung von organischen Säuren und/oder aromatischen Verbindungen in wässrigen Medien zum Zweck der Aufbereitung, Rückgewinnung und/oder Wiederverwertung als Prozesswasser. The invention relates to a process for the removal of organic acids and / or aromatic compounds in aqueous media for the purpose of treatment, recovery and / or recycling as process water.
Die Produktion von industriellen Gütern stellt unterschiedliche Anforderungen an die Wasserqualität von Prozesswässern. In der Regel ist der Einsatz von Frischwasser für die ablaufenden Prozesse von Vorteil. Einem hohen Frischwassereinsatz stehen jedoch ein ökologisch nicht vertretbarer hoher Wasserverbrauch der entsprechenden Produktionsprozesse als auch insbesondere hohe Kosten für das Frischwasser selbst, die Abwasserreinigung und/oder die Entsorgung gegenüber. Besonders für Industrien mit produktionsbedingt hohen Wasserverbräuchen wie beispielsweise der Textil- und Lederverarbeitung, bei Zellstoff- und Papierproduktionsanlagen, in Bioraffinerien sowie Brauereien oder Biogasproduktionsanlagen ist das Recyceln von Prozesswasser ökologisch und wirtschaftlich sinnvoll, in vielen Fällen jedoch durch den Produktionsprozess negativ beeinflussende Stoffe begrenzt. The production of industrial goods places different demands on the water quality of process water. In general, the use of fresh water for the running processes is beneficial. A high fresh water use, however, is an ecologically unacceptable high water consumption of the corresponding production processes as well as in particular high costs for the fresh water itself, the wastewater treatment and / or disposal. Especially for industries with production-related high water consumption such as textile and leather processing, pulp and paper production plants, biorefineries and breweries or biogas production plants, the recycling of process water is ecologically and economically sensible, but in many cases limited by the production process negatively affecting substances.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine sehr effiziente Aufbereitung von zum Teil stark verunreinigtem Prozesswasser für eine kontrollierte prozessinterne Rezirkulation. Gegebenenfalls kann die Erfindung, unter Umständen auch zusammen mit weiteren Reinigungsschritten, auch für die effiziente Aufbereitung von verunreinigtem Prozesswasser für eine anschließende Entsorgung eingesetzt werden. The present invention enables a very efficient treatment of partially heavily contaminated process water for a controlled in-process recirculation. Optionally, the invention may, under certain circumstances, together with further purification steps, also be used for the efficient treatment of contaminated process water for subsequent disposal.
Beschreibung des Standes der Technik Description of the Prior Art
Vielen Produktionsprozessen immanent ist eine Anreicherung von wasserlöslichen Stoffen unterschiedlichen Ursprungs im Prozesswasser. Dies können beispielsweise Nebenprodukte und Reaktanden oder auch sogenannte Ab¬ gangsgruppen bei chemischen und/oder biochemischen Reaktionen sein. Zum Beispiel können bei Fermentationsprozessen unerwünschte Stoffwechselendprodukte wie beispielsweise Essigsäure, Milchsäure oder auch Glyzerin an das Medium abgegeben und dort angereichert werden. Many production processes inherent in an accumulation of water-soluble substances of different origin in the process water. This may for example be by-products and reactants or so-called From ¬ gang groups in chemical and / or biochemical reactions. To the For example, in fermentation processes unwanted metabolic end products such as acetic acid, lactic acid or glycerol can be delivered to the medium and enriched there.
Die Rückführung eines stofflich belasteten Prozesswassers verursacht häufig eine Beeinträchtigung des Produktionsprozesses beispielsweise durch einen abfallenden pH-Wert bei der Anreicherung von organischen Säuren. Vor allem bei industriellen Fermentationsprozessen mit Mikroorganismen führen steigende Säurekonzentrationen wie zum Beispiel Essig- und Milchsäure oder zum Beispiel auch aromatischen Verbindungen wie beispielsweise Kresole und Phenole häufig zur Inhibition der Stoffwechselaktivität. Der rückführbare Volumenstrom derart belasteter Prozesswässer wird damit von dem Gehalt der Fremd- und/oder Störstoffe im Prozesswasser begrenzt. Beim Überschreiten von kritischen Konzentrationen kann das Potenzial der Prozesswasserrückführung nicht vollumfänglich ausgeschöpft werden. In der Praxis erfolgt in der Regel ein zumindest anteiliges Ersetzen des theoretisch zur Verfügung stehenden Prozesswassers durch Frischwasser, um kritische Konzentrationen an Fremd- und Störstoffen zu vermeiden. The recirculation of a materially polluted process water often causes an impairment of the production process, for example, by a decreasing pH in the accumulation of organic acids. Especially in industrial fermentation processes with microorganisms, increasing acid concentrations such as acetic and lactic acid or, for example, aromatic compounds such as cresols and phenols often lead to the inhibition of metabolic activity. The traceable volume flow of such polluted process waters is thus limited by the content of foreign and / or impurities in the process water. If critical concentrations are exceeded, the potential of process water recycling can not be fully exploited. In practice, at least a proportionate replacement of the theoretically available process water by fresh water takes place in order to avoid critical concentrations of foreign substances and contaminants.
Für die Zirkulation und/oder gegebenenfalls auch für eine mögliche nachfolgende Entsorgung ist es von Vorteil die Fremd- und/oder Störstoffe dem Prozesswasser zu entziehen. Dafür existieren physikalische und/oder chemische Verfahren. Dies sind zum Beispiel Adsorptions- und Membranverfahren oder auch Ionenaustauscher. Auch durch Fällungsrektionen können beispielsweise ionisch geladene Moleküle sowie Fette und Proteine dem Prozesswasser entzogen werden. Nachteilig bei diesen Verfahren ist die nur bedingte Eignung für feststoffbelastete Prozesswässer. For the circulation and / or possibly also for a possible subsequent disposal, it is advantageous to extract the foreign and / or contaminants from the process water. There are physical and / or chemical methods for this. These are for example adsorption and membrane processes or ion exchangers. By precipitation reactions, for example, ionically charged molecules as well as fats and proteins can be withdrawn from the process water. A disadvantage of these methods is the only conditional suitability for solids-laden process waters.
Feststoffe bewirken häufig unspezifische Adsorption und/oder eine Verblo- ckung beispielsweise von Membranen und verursachen auf diese Weise eine Störung der Prozesswasserkonditionierung, welcher mit erhöhtem technischem und wirtschaftlichem Aufwand entgegengewirkt werden muss. In der Regel erfolgt eine vorgeschaltete mechanische Abtrennung der Feststoffe zum Beispiel durch Zentrifugation. Nachfolgend bedarf es beispielsweise der Regeneration von Membranen und/oder einer Entsorgung der dem Prozess- wasser entzogenen Stoffe beispielsweise in Form von Schlämmen nach Fällungsreaktionen. Solids often cause nonspecific adsorption and / or a clogging example of membranes and cause in this way a disturbance of the process water conditioning, which must be counteracted with increased technical and economic effort. As a rule, there is an upstream mechanical separation of the solids, for example by centrifugation. Subsequently, for example, the regeneration of membranes and / or disposal of the process water-extracted substances, for example in the form of sludges after precipitation reactions.
Eine alternative Konditionierung von Prozesswasser ist die klassische Abwasserbehandlung in sogenannten Klärwerken. Diese aerobe und die anaerobe Abwasserreinigung durch Mikroorganismen wurden vielfach beschrieben. An alternative conditioning of process water is the classical wastewater treatment in so-called sewage treatment plants. These aerobic and anaerobic wastewater treatment by microorganisms have been widely described.
Hauptbestandteil der Abwasserreinigung ist die aerobe Stufe, in der im Wasser enthaltene Stoffe mikrobiell oxidiert werden. Die im Abwasser enthaltenen biologisch abbaubaren Stoffe werden anteilig in Kohlendioxid und Wasser sowie in abtrennbare Schlammbiomasse umgewandelt. Der für diesen Pro- zess notwendige Sauerstoff wird unter hohem, technischem und energetischem Aufwand dem Medium in der Regel durch Einleiten von Luft zugeführt. Ein Nachteil der klassischen aeroben Abwasserbehandlung besteht in der unspezifischen und nahezu vollständigen Oxidation der enthaltenen Stoffe. So werden insbesondere auch Stickstoffverbindungen mikrobiell zu Nitrat auf- oxidiert. Je nach Zusammensetzung eines zu behandelnden Prozesswassers ist eine derartige Oxidation mit sehr hohem Sauerstoffbedarf verbunden. Dieser muss durch Einleiten von Luft unter hohem Energiebedarf zugeführt werden. Darüber hinaus kann die Bildung von Nitrat und/oder Nitrit bei der Prozesswasserbehandlung und anschließender Rückführung dieses Wassers sogar zu negativen Effekten führen. Beispielsweise können Fermentationsprozesse inhibiert werden. In diesen Fällen ist eine Denitrifizierung notwendig, bei der das gebildete Nitrat zu molekularem Stickstoff biologisch reduziert wird. Eine solche biologische Denitrifizierung ist mit weiterem apparatetechnischem und energetischem Aufwand verbunden. The main component of wastewater treatment is the aerobic stage, in which substances contained in the water are microbially oxidized. The biodegradable substances contained in the waste water are proportionally converted into carbon dioxide and water as well as into separable sludge biomass. The oxygen required for this process is supplied to the medium under high, technical and energy expense, usually by introducing air. A disadvantage of classical aerobic wastewater treatment is the non-specific and almost complete oxidation of the substances contained. In particular, nitrogen compounds are also microbially oxidized to nitrate. Depending on the composition of a process water to be treated such oxidation is associated with very high oxygen demand. This must be supplied by introducing air with high energy requirements. In addition, the formation of nitrate and / or nitrite in the process water treatment and subsequent recycling of this water even lead to negative effects. For example, fermentation processes can be inhibited. In these cases, a denitrification is necessary, in which the nitrate formed is biologically reduced to molecular nitrogen. Such biological denitrification is associated with further apparatus engineering and energy expenditure.
Der in der aeroben Stufe anfallende Belebtschlamm kann unter anaeroben Bedingungen zur Biogaserzeugung und Energiegewinnung eingesetzt werden. Dabei erfolgt der Abbau von organischer Substanz in Abwesenheit von Sauerstoff (anaerob) im Wesentlichen zu Kohlenstoffdioxid und Methan. The activated sludge produced in the aerobic stage can be used under anaerobic conditions for biogas production and energy production. In this case, the decomposition of organic substance in the absence of oxygen (anaerobic) essentially to carbon dioxide and methane.
Zur Reinigung von Abwasser- bzw. Prozesswasser ist auch eine direkte anaerobe Behandlung möglich. Nachteilig bei der anaeroben Behandlung ist, dass insbesondere aromatische Verbindungen in Abwesenheit von Sauerstoff gar nicht oder nur bedingt abgebaut werden. In technisch relevanten Zeiträumen würden diese Stoffe nahezu unverändert im Prozesswasser verweilen und während einer kontinuierlichen Rückführung ohne das Ausschleusen von Teilströmen angereichert werden. For the treatment of wastewater or process water, direct anaerobic treatment is also possible. A disadvantage of the anaerobic treatment is that in particular aromatic compounds are not or only partially degraded in the absence of oxygen. In technically relevant periods these substances would remain almost unchanged in the process water and be enriched during a continuous recirculation without the discharge of partial streams.
Die anaerobe Behandlung von Schlempe zur Erhöhung der Rückführung von Prozessflüssigkeit in den Ethanolprozess bei gleichzeitiger Gewinnung von Biogas ist in DE102010005818A1 beschrieben. Demnach ist es möglich, signifikante Mengen anaerob behandelter Schlempe direkt in den Ethanolprozess zurückzuführen und dadurch den Wasserbedarf des Gesamtverfahrens zu reduzieren. Es wird ferner beschrieben, dass im Gesamtsystem Auslässe für nicht abbaubare Stoffe vorhanden sein müssen. The anaerobic treatment of stillage to increase the recirculation of process fluid into the ethanol process with the simultaneous production of biogas is described in DE102010005818A1. Thus, it is possible to recycle significant quantities of anaerobically treated vinasse directly into the ethanol process and thereby reduce the water requirement of the overall process. It is further described that outlets for non-degradable substances must be present in the overall system.
Die Rezirkulation von Prozesswasser innerhalb eines Verfahrens zur kombinierten Produktion von Bioethanol und Biogas ist beispielsweise in The recirculation of process water within a process for the combined production of bioethanol and biogas is, for example, in
WO2004113549A1 beschrieben. Bei diesem Prozess wird aber ausdrücklich auf die Nachteile des Vorhandenseins von Proteinen und Feststoffen für die ethanolische Gärung bzw. die nachfolgende Biogasproduktion hingewiesen. Aus diesem Grund ist das Verfahren derart gestaltet, dass nach mehreren Trennschritten nur eine Medium mit vorzugsweise kleiner als 0,5% Trockensubstanzgehalt in den Methanreaktor geführt wird. Die aus dem Methanreaktor austretende wässrige Phase ist dementsprechend ein sehr gering belastetes Wasser, welches einen sehr geringen Trockensubstanzgehalt aufweist. Zudem ist es durch die vorherige Proteinabtrennung nicht mit komplexen Verbindungen aus dem anaeroben Proteinabbau belastet. Die beschriebene aerobe Behandlung dieses Prozesswassers entspricht einer dem Stand der Technik bekannten aeroben Behandlung im Sinne einer Abwasseraufberei- tung. Das daraus gewonnene aufbereitete Prozesswasser kann entweder in den Anmaischprozess der Ethanolherstellung zurückgeführt oder eingeleitet (entsorgt) werden. WO2004113549A1 described. In this process, however, the disadvantages of the presence of proteins and solids for the ethanolic fermentation or the subsequent production of biogas are expressly pointed out. For this reason, the method is designed such that after several separation steps only a medium with preferably less than 0.5% dry matter content is fed into the methane reactor. The aqueous phase emerging from the methane reactor is accordingly a very low-loaded water, which has a very low dry matter content. In addition, it is not burdened by the previous protein separation with complex compounds from the anaerobic protein degradation. The described aerobic treatment of this process water corresponds to an aerobic treatment known in the art in the sense of a wastewater treatment. The resulting processed process water can either be returned to the mashing process of ethanol production or introduced (disposed of).
Die aerobe Behandlung eines Abwassers einer Methananlage zur Schlempevergärung ist in EP1790732A1 offenbart. Dabei wird der Methananlage nach einer Feststoffabtrennung nur die wässrige Phase der Schlempe zugeführt. Die der Methangärung und einer Feststoff- und Stickstoffabtrennung nachfolgende aerobe Behandlung entspricht dabei einer aus dem Stand der Technik bekannten Abwasserbehandlung industrieller Kläranlagen, wobei ausdrücklich auch eine Denitrifikation beschrieben ist. Das gewonnene aerob behandelte Abwasser weist einen Chemischen Sauerstoffbedarf (CSB) von 40-190mg/l auf. Zusätzlich wird eine optionale Destillation des aerob behandelten Abwassers aufgeführt. Es werden ferner die Optionen einer Einleitung des aufbereiteten Wassers oder einer Rückführung in den Prozess genannt. The aerobic treatment of waste water from a methane plant for vinification is disclosed in EP1790732A1. In this case, only the aqueous phase of the slurry is fed to the methane plant after a solids separation. The methane fermentation and a separation of solids and nitrogen subsequent aerobic treatment corresponds to a well-known from the prior art wastewater treatment of industrial wastewater treatment plants, where expressly also a denitrification is described. The obtained aerobically treated wastewater has a chemical oxygen demand (COD) of 40-190 mg / l. In addition, an optional distillation of the aerobically treated wastewater is listed. It also mentions the options of discharging the treated water or returning it to the process.
WO2001060752A1 beschreibt ein Verfahren zur kontinuierlichen Verarbeitung von lignocellulosehaltigem Material zu Biokraftstoffen. Es wird beschrieben, dass sich die Rezirkulation von Prozesswasser kostenreduzierend auswirkt, aber durch bei der Substratbehandlung entstehende inhibierende Substanzen wie beispielsweise Essigsäure, Furfurale und phenolische Säuren limitiert ist. Die Konzentrationen entsprechender Substanzen können durch aerobe und anaerobe Behandlung soweit reduziert werden, dass keine Prozessinhibierung mehr vorliegt. Es wird in dieser Veröffentlichung nicht beschrieben wie eine solche aerobe Behandlung ausgestaltet werden kann. Es ist daher davon auszugehen, dass es sich um eine dem Stand der Technik entsprechende aerobe Abwasserbehandlung handelt. WO2001060752A1 describes a process for the continuous processing of lignocellulose-containing material into biofuels. It is described that the recirculation of process water has a cost-reducing effect, but is limited by substrate treatment inhibiting substances such as acetic acid, furfurals and phenolic acids. The concentrations of corresponding substances can be reduced to such an extent by aerobic and anaerobic treatment that process inhibition is no longer present. It is not described in this publication how such an aerobic treatment can be designed. It is therefore to be assumed that this is a state-of-the-art aerobic wastewater treatment.
Bisher bekannte Verfahren zur Prozesswasserreinigung beinhalten aufwendige Trennungsoperationen und/oder eine umfassende aerobe Behandlung. Dabei wird mit hohem apparativem und energetischem Aufwand der überwiegende Teil des enthaltenen CSB entfernt. Verfahren zur energiesparenden selektiven Oxidation relevanter Störstoffe wären deutlich energiesparender und damit ressourcenschonender, sind nach derzeitigem Stand der Technik jedoch nicht bekannt. Previously known methods for process water purification involve complex separation operations and / or comprehensive aerobic treatment. In this case, the vast majority of the COD contained is removed with high equipment and energy expenditure. Methods for energy-saving selective oxidation of relevant impurities would be much more energy-efficient and thus resource-saving, but are not known in the current state of the art.
AUFGABE UND LÖSUNG TASK AND SOLUTION
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, in wässrigen Medien enthaltene Störstoffe energetisch effizient und kostengünstig zu entfernen, so dass eine prozessinterne Rückführung und/oder eine Entsorgung dieses Wassers ermöglicht werden. Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, welches folgende Schritte um- fasst: It is therefore an object of the invention to remove energy contained in aqueous media energetically efficient and inexpensive, so that an in-process feedback and / or disposal of this water are possible. The problem is solved by a method comprising the following steps:
a) Zuführung des wässrigen zu behandelnden Mediums in einen Reaktor mit aktiver mikrobieller Biomasse a) Supply of the aqueous medium to be treated in a reactor with active microbial biomass
b) direkte und/oder indirekte Einleitung von molekularem Sauerstoff in diesen Reaktor b) Direct and / or indirect introduction of molecular oxygen into this reactor
c) Durchführung einer mikrobiellen selektiven Oxidation unter suboxischen Bedingungen von mindestens einem der zugeführten organischen Störstoffe ohne mehrheitlichen Abbau des zugeführten CSB c) carrying out a microbial selective oxidation under suboxic conditions of at least one of the supplied organic impurities without major degradation of the supplied COD
d) Abführung des behandelten wässrigen Mediums aus dem Reaktor d) removal of the treated aqueous medium from the reactor
e) Abführung eines kohlendioxidhaltigen Abgasstroms aus dem Reaktor. e) removal of a carbon dioxide-containing exhaust gas stream from the reactor.
Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung ein Verfahren gemäß Anspruch 1 bereit. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen genannt. Der Wortlaut aller Ansprüche wird durch die Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht. To solve this problem, the invention provides a method according to claim 1 ready. Advantageous developments are mentioned in the dependent claims. The wording of all claims is incorporated by reference into the content of the specification.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Verfahren so ausgestaltet, dass der molekulare Sauerstoff in Form von Luft in den Reaktor eingeleitet wird. In a preferred embodiment, the inventive method is designed so that the molecular oxygen is introduced in the form of air in the reactor.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Verfahren so ausgestaltet, dass ein Teil des Abgasstroms in den Reaktor zurückgeführt wird. In a preferred embodiment, the method according to the invention is designed so that a part of the exhaust gas stream is returned to the reactor.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Verfahren so ausgestaltet, dass die Einleitung von molekularem Sauerstoff gegebenenfalls in Form von Luft kontinuierlich erfolgt. In a preferred embodiment, the inventive method is designed so that the introduction of molecular oxygen optionally takes place continuously in the form of air.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Verfahren so ausgestaltet, dass der Reaktorinhalt gegebenenfalls unter Einsatz geeigneter Rührtechnik wie zum Beispiel mindestens einem Propellerrührwerk und/oder mindestens einer Strahlpumpe oder anderer gerichteter Gaseinleitungssysteme durchmischt wird. In a preferred embodiment, the process according to the invention is designed so that the reactor contents are optionally mixed using suitable stirring technology, such as at least one propeller agitator and / or at least one jet pump or other directed gas introduction systems.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Verfahren so ausgestaltet, dass dem Reaktor gelegentlich und/oder kontinuierlich, ge- gebenenfalls zusammen mit dem zu behandelnden Medium, aktive mikrobielle Biomasse zugeführt wird. In a preferred embodiment, the process according to the invention is designed such that the reactor is occasionally and / or continuously, if necessary together with the medium to be treated, active microbial biomass is supplied.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Verfahren so ausgestaltet, dass die aktive mikrobielle Biomasse zum Beispiel durch geeignete Trägermaterialien im Reaktor zumindest teilweise immobilisiert wird. In a preferred embodiment, the method according to the invention is designed such that the active microbial biomass is at least partially immobilized in the reactor, for example by suitable carrier materials.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Verfahren so ausgestaltet, dass die mittlere Verweilzeit im Reaktor mindestens so lang ist wie die Verdopplungszeit der aktiven mikrobiellen Biomasse. In a preferred embodiment, the process according to the invention is designed so that the average residence time in the reactor is at least as long as the doubling time of the active microbial biomass.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Verfahren so ausgestaltet, dass die Zufuhr von molekularem Sauerstoff gegebenenfalls auch in Form von Luft soweit limitiert wird, dass keine signifikante Oxidation von im Reaktor enthaltenen Stickstoffverbindungen erfolgt. In a preferred embodiment, the method according to the invention is designed such that the supply of molecular oxygen, if appropriate also in the form of air, is limited to such an extent that no significant oxidation of nitrogen compounds contained in the reactor takes place.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Verfahren so ausgestaltet, dass die Zufuhr von molekularem Sauerstoff gegebenenfalls auch in Form von Luft durch die Messung des Redoxwerts im Reaktor geregelt wird, wobei der Redoxwert im Reaktor in einem Bereich zwischen 0 und - 400mV, vorzugsweise zwischen -100 und -300mV, besonders bevorzugt zwischen -200 und -280mV gehalten wird. In a preferred embodiment, the process according to the invention is designed such that the supply of molecular oxygen, if appropriate also in the form of air, is regulated by measuring the redox value in the reactor, the redox value in the reactor being in a range between 0 and -400 mV, preferably between 100 and -300mV, more preferably between -200 and -280mV.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Verfahren so ausgestaltet, dass die Zufuhr von molekularem Sauerstoff gegebenenfalls auch in Form von Luft durch die Messung des gelösten Sauerstoffs im Reaktor geregelt wird, wobei der Gehalt an gelöstem Sauerstoff im Reaktor in einem Bereich zwischen 0 und 2mg/l, vorzugsweise unter lmg/l, besonders bevorzugt unter 0,3mg/l, ganz besonders bevorzugt unter 0,15mg/l gehalten wird. In a preferred embodiment, the method according to the invention is designed so that the supply of molecular oxygen, if appropriate also in the form of air, is regulated by the measurement of the dissolved oxygen in the reactor, the content of dissolved oxygen in the reactor being in a range between 0 and 2 mg / 1, preferably less than 1 mg / l, more preferably less than 0.3 mg / l, most preferably less than 0.15 mg / l.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Verfahren so ausgestaltet, dass dem Reaktor gegebenenfalls zusammen mit dem zu behandelnden Medium Nährstoffe und/oder Spurenelemente zugeführt werden. In a preferred embodiment, the process according to the invention is designed such that nutrients and / or trace elements are optionally fed to the reactor together with the medium to be treated.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Verfahren so ausgestaltet, dass dem Reaktor zu behandelndes Medium mindestens qua- sikontinu ierlich zugeführt und behandeltes Medium aus dem Reaktor mindestens quasikontinuierlich abgeführt wird. In a preferred embodiment, the process according to the invention is designed such that the medium to be treated in the reactor is at least quantitatively sicontinually supplied and treated medium is discharged from the reactor at least quasi-continuous.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Verfahren so ausgestaltet, dass das im Reaktor behandelte Medium einem Prozess zurückgeführt wird, der direkt oder indirekt mit dem Prozess verbunden ist, aus dem das zu behandelnde Medium zuvor abgeführt wurde. In a preferred embodiment, the method according to the invention is designed so that the medium treated in the reactor is recycled to a process which is directly or indirectly connected to the process from which the medium to be treated has previously been removed.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Verfahren so ausgestaltet, dass das im Reaktor behandelte Medium einem Prozess zurückgeführt wird, um zum Beispiel Trinkwasser, Brunnenwasser, Kondensat und/oder anderes Prozesswasser zu ersetzen. In a preferred embodiment, the inventive method is designed so that the treated medium in the reactor is returned to a process to replace, for example, drinking water, well water, condensate and / or other process water.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Verfahren so ausgestaltet, dass der CSB des zugeführten wässrigen Mediums um nicht mehr als 50%, vorzugsweise nicht mehr als 30%, besonders bevorzugt nicht mehr als 20%, ganz besonders bevorzugt nicht mehr als 15% reduziert wird. In a preferred embodiment, the inventive method is designed so that the COD of the supplied aqueous medium is reduced by not more than 50%, preferably not more than 30%, more preferably not more than 20%, most preferably not more than 15% ,
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Verfahren so ausgestaltet, dass der pH-Wert im Reaktor gegebenenfalls durch Zuführung eines sauren oder basischen Stoffstroms in einem Bereich von 6,5 bis 10,5, vorzugsweise von 7,5 bis 9,5, besonders bevorzugt in einem Bereich von 8,0 und 9,0 eingestellt wird. In a preferred embodiment, the process according to the invention is designed such that the pH in the reactor, if appropriate by adding an acidic or basic material stream in a range from 6.5 to 10.5, preferably from 7.5 to 9.5, is particularly preferred is set in a range of 8.0 and 9.0.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Verfahren so ausgestaltet, dass die Temperatur im Reaktor beispielsweise direkt über den Zulauf oder beispielsweise indirekt durch Wärmetausch eingestellt wird. In a preferred embodiment, the inventive method is designed so that the temperature in the reactor, for example, directly via the inlet or, for example, is set indirectly by heat exchange.
Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft insbesondere auch alle Kombinationen der oben beschriebenen, bevorzugten Ausführungsformen. In particular, the method according to the invention also relates to all combinations of the preferred embodiments described above.
Beschreibung der Lösung Description of the solution
Prozesswasserströme insbesondere aus biologischen Produktionsprozessen beinhalten in der Regel gelöste sowie suspendierte organische als auch anorganische Bestandteile. Der TS-Gehalt solcher Wässer liegt selten über 10%, in der Regel deutlich niedriger. Der Gehalt der gelösten organischen Substanz kann dabei bis zu mehrere Prozent betragen. Process water streams, in particular from biological production processes, generally contain dissolved and suspended organic as well as inorganic components. The TS content of such waters rarely exceeds 10%, usually much lower. The content of the dissolved organic substance can be up to several percent.
Für eine Rezirkulation solcher Prozesswässer, insbesondere in biologische Prozesse zum Beispiel innerhalb einer Bioraffinerie, sind vor allem die Gehalte organischer Säuren und/oder aromatischer Verbindungen relevant, da diese Stoffe nachfolgende Prozesse stören bzw. biochemische Reaktionen inhibieren können. Handelt es sich bei solchen Stoffen um organische Säuren (aliphatische und/oder aromatische) können diese mit dem aus der Biogastechnik bekannten Summenparameter FOS (Flüchtige Organische Säuren) zu- sammengefasst werden. For a recirculation of such process waters, in particular in biological processes, for example within a biorefinery, the contents of organic acids and / or aromatic compounds are particularly relevant since these substances can interfere with subsequent processes or inhibit biochemical reactions. If such substances are organic acids (aliphatic and / or aromatic), they can be combined with the sum parameter FOS (Volatile Organic Acids) known from biogas technology.
Beispiele für derartige Störstoffe sind kurzkettige organische Säuren (zum Beispiel Essigsäure, Propionsäure, Milchsäure, Ameisensäure, Bernsteinsäure, Oxalsäure, Zitronensäure, Buttersäure, Valeriansäure, Capronsäure), langket- tige organische Säuren (zum Beispiel Fettsäuren wie beispielsweise Ölsäure, Palmitinsäure, Laurinsäure) und/oder aromatische Säuren (zum Beispiel phenolische Säuren wie Beispielsweise, Benzoesäure, Hydroxybenzoesäure, Dihydroxybenzoesäure, Phenylessigsäure, Hydroxyphenylessigsäure, Phenyl- propionsäure, Hydroxyphenylpropionsäure, Ferulasäure, Gallussäure, Zimtsäure, Hydroxyzimtsäure, Kaffeesäure). Examples of such impurities are short-chain organic acids (for example acetic acid, propionic acid, lactic acid, formic acid, succinic acid, oxalic acid, citric acid, butyric acid, valeric acid, caproic acid), long-chain organic acids (for example fatty acids such as oleic acid, palmitic acid, lauric acid) and or aromatic acids (for example phenolic acids such as, for example, benzoic acid, hydroxybenzoic acid, dihydroxybenzoic acid, phenylacetic acid, hydroxyphenylacetic acid, phenylpropionic acid, hydroxyphenylpropionic acid, ferulic acid, gallic acid, cinnamic acid, hydroxycinnamic acid, caffeic acid).
Darüber hinaus können in Prozesswässern auch andere aromatische Verbindungen ohne Säuregruppe wie zum Beispiel Benzol, Phenol, Kresol, Furfural, Hydroxymethylfurfural (HMF) und/oder komplexere Verbindungen wie zum Beispiel Tannin, Cutin und/oder indolische Verbindungen wie zum Beispiel Indol, Skatol vorhanden sein, welche je nach Prozessbedingungen in relevanten Mengen gelöst vorliegen können. In addition, other aromatic compounds without an acid group such as benzene, phenol, cresol, furfural, hydroxymethylfurfural (HMF) and / or more complex compounds such as tannin, cutin and / or indolic compounds such as indole, skatole may also be present in process waters which can be present in relevant quantities depending on the process conditions.
Die gelösten Störstoffe können nicht durch Fest-Flüssig-Trennverfahren abgetrennt werden. The dissolved contaminants can not be separated by solid-liquid separation process.
Thermische Trennverfahren zur Abtrennung dieser in geringen Konzentrationen vorhandenen Stoffe haben den Nachteil eines hohen apparativen Aufwands, eines hohen Energiebedarfs und/oder gegebenenfalls einer unzureichenden Abtrennung bzw. einer zu hoher Restkonzentration der Störstoffe. Der anaerobe Abbau von FOS und/oder von anderen organischen Inhaltsstoffen ist für einige Störstoffe möglich. Ein Teil der im anfallenden Prozesswasser chemisch gebundenen Energie kann dadurch auch zu Biogas/Methan umgesetzt und stofflich und/oder energetisch genutzt werden. Die anaerobe Gärung ist jedoch ein vergleichsweise langsamer Prozess. Dadurch werden lange Substratverweilzeiten benötigt, was bei geringen Konzentrationen der abzubauenden Störstoffe unwirtschaftlich große Reaktionsvolumina bedeutet. Insbesondere der Abbau komplexerer Verbindungen ist bei technischwirtschaftlich relevanten Verweilzeiten nicht möglich. Beispielsweise ist der anaerobe Abbau von einigen phenolischen Verbindungen kaum möglich. Thermal separation processes for the separation of these substances present in low concentrations have the disadvantage of a high expenditure on equipment, a high energy requirement and / or possibly an insufficient separation or too high a residual concentration of the contaminants. The anaerobic degradation of FOS and / or other organic ingredients is possible for some contaminants. Part of the chemically bound in the resulting process water energy can be converted into biogas / methane and used materially and / or energetically. However, anaerobic fermentation is a relatively slow process. This requires long substrate residence times, which at low concentrations of the impurities to be degraded means uneconomically large reaction volumes. In particular, the degradation of more complex compounds is not possible at technically relevant residence times. For example, the anaerobic degradation of some phenolic compounds is hardly possible.
Im Vergleich zum anaeroben Abbau wesentlich kürzere Verweilzeiten werden beim aeroben Abbau organischer Stoffe benötigt. Der Abbau von beispielsweise Indol-Derivaten wie Skatol, Furan-Derivaten wie Furfural und Benzol- Derivaten wie Phenol oder Benzoesäure aber auch von Milch- und Essigsäure erfolgt unter aeroben Bedingungen schneller als unter anaeroben. In Gegenwart von Sauerstoff wird organische Substanz durch Mikroorganismen vollständig zu Kohlenstoffdioxid und Wasser oxidiert. Über die Atmungskette ist es den Mikroorganismen überdies möglich, mehr Energie im Vergleich zum anaeroben Abbau zu generieren und zu speichern. Dadurch wird es auch möglich, die chemisch äußerst stabilen Ringsysteme von aromatischen Verbindungen durch Mono- und/ oder Dioxygenasen aufzubrechen. In comparison to anaerobic degradation much shorter residence times are required for the aerobic degradation of organic substances. The degradation of, for example, indole derivatives such as skatole, furan derivatives such as furfural and benzene derivatives such as phenol or benzoic acid but also of lactic and acetic acid is faster under aerobic conditions than under anaerobic. In the presence of oxygen, organic matter is completely oxidized by microorganisms to carbon dioxide and water. In addition, via the respiratory chain it is possible for the microorganisms to generate and store more energy compared to anaerobic digestion. This also makes it possible to break up the chemically extremely stable ring systems of aromatic compounds by mono- and / or dioxygenases.
Der aerobe Abbau organischer Substanz wird in Abwasserreinigungsanlagen in Form einer aeroben Stufe durchgeführt. Dabei wird unter Sauerstoffzufuhr die gelöste organische Substanz nahezu vollständig abgebaut. Bei Sauerstoffgehalten von 2mg/l bis über 5 mg/l findet neben der Oxidation organischer Substanz auch eine Nitrifikation statt, bei der Ammoniumstickstoff bakteriell über Nitrit in Nitrat umgewandelt wird. In der klassischen Abwasserreinigung wird nachfolgend die Nitrifikation mit der Denitrifikation gekoppelt, wobei unter Ausschluss von Sauerstoff und Verzehr von gelöster organischer Substanz die Umwandlung von Nitrat in molekularen Stickstoff erfolgt. Solche oder ähnliche aerobe Verfahren für die Reinigung von Abwasser sind prinzipiell gut geeignet, wenn das Wasser die strengen Anforderungen einer Einlei- tung in Fließgewässer erfüllen muss. Dabei ist insbesondere der sehr hohe energetische Aufwand der Sauerstoffzufuhr als Nachteil zu nennen. The aerobic decomposition of organic matter is carried out in sewage treatment plants in the form of an aerobic stage. In this case, the dissolved organic substance is almost completely degraded while supplying oxygen. At oxygen contents of 2 mg / l to more than 5 mg / l, in addition to the oxidation of organic matter, nitrification also takes place, in which ammonium nitrogen is bacterially converted via nitrite into nitrate. In classic wastewater treatment, nitrification is subsequently coupled with denitrification, with the conversion of nitrate into molecular nitrogen taking place, with the exclusion of oxygen and the consumption of dissolved organic matter. Such or similar aerobic methods for the purification of wastewater are in principle well suited if the water meets the strict requirements of a single in rivers. In particular, the very high energy expenditure of the oxygen supply is to be mentioned as a disadvantage.
Insbesondere bei Vorhandensein von Ammoniak bzw. Ammonium im Prozesswasser erhöht sich der Sauerstoffbedarf einer aeroben Behandlung mit Nitrifikation durch den hohen CSB von Ammoniak signifikant. Zudem kann eine Nitrifikation von enthaltenem Ammonium wie sie bei einer aeroben Abwasserbehandlung stattfindet sogar von Nachteil sein, wenn das gebildete Nitrat die nachfolgenden Prozesse stört und/oder das Ammonium in einem späteren Prozess als Wert- und/oder Nährstoff Verwendung finden würde. Especially in the presence of ammonia or ammonium in the process water, the oxygen demand of an aerobic treatment with nitrification by the high COD of ammonia increases significantly. In addition, a nitrification of contained ammonium as it takes place in an aerobic wastewater treatment may even be disadvantageous if the nitrate formed disturbs the subsequent processes and / or the ammonium would be used in a later process as a valuable and / or nutrient.
Für die Aufbereitung von Prozesswasser für eine Rezirkulation und/oder eine Entsorgung ist die vollständige Oxidation aller gelösten Inhaltsstoffe wirtschaftlich nicht sinnvoll. Hier reicht im Allgemeinen die Umsetzung der relevanten Störstoffe aus, während der überwiegende Teil der Inhaltsstoffe im rezirkulierten Prozesswasser verbleiben kann. Eine entsprechende selektive Oxidation der Störstoffe führt zu einem signifikant geringeren Sauerstoffbedarf und damit auch zu einer signifikanten wirtschaftlichen und schließlich auch ökologischen Verbesserung. For the treatment of process water for recirculation and / or disposal, the complete oxidation of all dissolved ingredients is not economically viable. Here, the conversion of the relevant contaminants is generally sufficient, while the majority of the ingredients can remain in the recirculated process water. A corresponding selective oxidation of the contaminants leads to a significantly lower oxygen demand and thus also to a significant economic and finally also ecological improvement.
Wünschenswert ist demzufolge die gezielte Entfernung bestimmter organischer Störstoffe bei signifikant niedrigerem apparatetechnischem und energetischem Aufwand. Accordingly, the targeted removal of certain organic impurities is desirable with significantly lower technical equipment and energy costs.
Überraschenderweise konnte in Experimenten mit Prozesswässern, die fakultative Anaerobier enthielten, die Oxidation von FOS zu Kohlenstoffdioxid und Wasser in Gegenwart von gasförmigem Sauerstoff gefunden werden, wobei die Zufuhr von Luftsauerstoff die vollständige Oxidation von aromatischen Verbindungen signifikant beschleunigte. Darüber hinaus konnte festgestellt werden, dass durch geregelte Luftzufuhr die Nitrifikation von enthaltenem Ammonium nahezu vollständig unterbunden werden konnte, während der beschleunigte Abbau organischer Substanz erhalten blieb. Die Umwandlung von Ammoniumstickstoff zu Nitrat- und/oder Nitritstickstoff kann bei hinreichend geringer Sauerstoffzufuhr deutlich unter 2% des zugeführten Ammoniumstickstoffs gehalten werden. Ferner wurde gefunden, dass Schwebstoffe sowie Faserstoffe den Abbau der gelösten organischen Störstoffe nicht signifi- kant beeinflussen. Eine vorherige Fest-Flüssig-Trennung ist somit nicht zwingend erforderlich. Zudem können die Schweb- und/oder Faserstoffe als Besiedlungsfläche für Bakterien dienen. Die bei Prozesswässern oftmals signifikante CSB-Fracht in Form von Stickstoffverbindungen (z.B. Ammonium) oder suspendierter TS (z.B. Faserstoffe) wird nicht bzw. in nicht relevanten Mengen oxidiert. Surprisingly, in experiments with process waters containing facultative anaerobes, the oxidation of FOS to carbon dioxide and water in the presence of gaseous oxygen could be found, with the supply of atmospheric oxygen significantly accelerating the complete oxidation of aromatic compounds. In addition, it was found that controlled air supply could almost completely inhibit the nitrification of contained ammonium while retaining the accelerated decomposition of organic matter. The conversion of ammonium nitrogen to nitrate and / or nitrite nitrogen can be kept well under 2% of the supplied ammonium nitrogen with sufficiently low oxygen supply. It has also been found that particulate matter and fibrous materials do not significantly reduce the decomposition of dissolved organic impurities. influence. A previous solid-liquid separation is therefore not mandatory. In addition, the suspended and / or fibrous materials can serve as a colonization area for bacteria. The COD load, which is often significant in process waters, in the form of nitrogen compounds (eg ammonium) or suspended TS (eg fibrous materials) is not oxidised or is not oxidized in non-relevant quantities.
Demzufolge ist die selektive Entfernung von organischen Störstoffen aus einem wässrigen Medium durch gezielte Einleitung von molekularem Sauerstoff bei Anwesenheit von aktiver mikrobieller Biomasse möglich. Im Vergleich zu einer klassischen aeroben Stufe wird signifikant weniger Sauerstoff benötigt. Consequently, the selective removal of organic contaminants from an aqueous medium by targeted introduction of molecular oxygen in the presence of active microbial biomass is possible. Compared to a classic aerobic stage, significantly less oxygen is needed.
Es wurde in vergleichenden Batchversuchen mit Prozesswasser aus einem anaeroben Gärprozess gefunden, dass FOS sowie phenolische und indolische Verbindungen aus einem anaeroben Medium unter die Nachweisgrenze abgebaut wurden, nachdem über einige Zeit Sauerstoff in das Medium diffundieren konnte. Demgegenüber fand bei Vergleichsversuchen ohne Sauerstoffkontakt kein signifikanter Abbau dieser Verbindungen statt. It was found in comparative batch experiments with process water from an anaerobic fermentation process that FOS as well as phenolic and indolic compounds from an anaerobic medium were degraded below the detection limit after oxygen could diffuse into the medium over a period of time. In contrast, no significant degradation of these compounds took place in comparative experiments without oxygen contact.
In weiterführenden Rührkessel-Versuchen wurde gefunden, dass für einen Abbau der Störstoffe keine signifikante Konzentration an gelöstem Sauerstoff erforderlich ist. Bei einer Einleitung und Verteilung von Luftsauerstoff in das Medium findet ein Abbau auch dann statt, wenn die Konzentration an gelöstem Sauerstoff im suboxischen Bereich liegt. Der Abbauprozess ist in der Regel durch die Diffusion des Sauerstoffs in die wässrige Phase limitiert, während der biochemische Umsatz des gelösten Sauerstoffs vergleichsweise schnell abläuft. In further stirred tank experiments, it was found that no significant dissolved oxygen concentration is required for degradation of the contaminants. Upon introduction and distribution of atmospheric oxygen into the medium, degradation also occurs when the concentration of dissolved oxygen is in the suboxic range. The degradation process is usually limited by the diffusion of oxygen into the aqueous phase, while the biochemical conversion of dissolved oxygen proceeds comparatively quickly.
In einem energetisch effizienten und kostengünstigen technischen Verfahren wird das zu behandelnde Medium (Prozesswasser) in einen Reaktor mit aktiver mikrobieller Biomasse geführt. Zudem wird in diesen Reaktor molekularer Sauerstoff direkt und/oder indirekt eingeleitet und mit dem zu behandelnden Medium in Kontakt gebracht, so dass durch die Mikroorganismen eine selektive Oxidation der organischen Störstoffe vollzogen wird, jedoch ohne den mit dem zu behandelnden Medium zugeführten CSB mehrheitlich abzubauen. Die Einleitung des Sauerstoffs kann direkt durch zum Beispiel Eindüsen von Luft und/oder indirekt beispielsweise durch Zuführung einer sauerstoffgesättigten Flüssigkeit erfolgen. Aus dem Reaktor werden das behandelte Medium (aufbereitetes Prozesswasser) sowie ein kohlendioxidhaltiges Abgas abgezogen. In an energy-efficient and cost-effective technical process, the medium to be treated (process water) is fed into a reactor with active microbial biomass. In addition, molecular oxygen is introduced directly and / or indirectly into this reactor and brought into contact with the medium to be treated, so that a selective oxidation of the organic contaminants is carried out by the microorganisms, but without reducing the majority of the supplied with the medium to be treated COD. The introduction of oxygen can be done directly by, for example, injecting air and / or indirectly, for example, by supplying an oxygen-saturated liquid. From the reactor, the treated medium (treated process water) and a carbon dioxide-containing exhaust gas are withdrawn.
Ein solches Verfahren ist in Bezug auf die Flüssigkeits- und/oder Gasströme sowohl als Batch, semi-kontinuierlicher oder kontinuierlicher Prozess möglich. Wobei der Prozess so ausgestaltet sein kann, dass die aktive Biomasse im Reaktor neu gebildet wird und/oder dem System zum Beispiel mit dem zu behandelnden Medium gelegentlich und/oder kontinuierlich zugeführt wird. Soll die aktive Biomasse im Reaktor neu gebildet werden, sollte die mittlere Verweilzeit des zu behandelnden Mediums im Reaktor mindestens so groß sein wie die Verdopplungszeit der aktiven Biomasse. Zudem ist es möglich, die aktive Biomasse im Reaktor zum Beispiel durch geeignete Trägermaterialien zu immobilisieren. Such a process is possible with respect to the liquid and / or gas streams both as a batch, semi-continuous or continuous process. The process may be such that the active biomass is reformed in the reactor and / or occasionally and / or continuously supplied to the system with, for example, the medium to be treated. If the active biomass is to be newly formed in the reactor, the average residence time of the medium to be treated in the reactor should be at least as large as the doubling time of the active biomass. In addition, it is possible to immobilize the active biomass in the reactor, for example by means of suitable support materials.
Sollte der Nährstoffbedarf der aktiven mikrobiellen Biomasse nicht durch die zugeführten Stoffströme ausreichend gedeckt werden, müssen dem Reaktor entsprechende Nährstoffe bzw. Spurenelemente zugeführt werden. Vorteilhaft kann dies direkt mit dem zu behandelnden Medium oder aber durch eine separate Zuführung erfolgen. If the nutrient requirement of the active microbial biomass is not sufficiently covered by the supplied material flows, appropriate nutrients or trace elements must be supplied to the reactor. Advantageously, this can be done directly with the medium to be treated or by a separate feed.
Je nach zu entfernendem Störstoff und aktiver bakterieller Biomasse können unterschiedliche Temperaturen vorteilhaft sein. In der Regel sind Temperaturen im mesophilen und thermophilen Bereich besonders vorteilhaft. Die Einhaltung einer bevorzugten Temperatur kann besonders vorteilhaft durch die Temperatur des zugeführten zu behandelnden Mediums (Zulauf) erfolgen. Zusätzlich oder alternativ können auch bekannte Wärmeübertragungsverfahren eingesetzt werden, wie zum Beispiel der indirekte Wärmetausch aus einem separaten Kreislaufstrom des Reaktors. Depending on the contaminant to be removed and the active bacterial biomass, different temperatures may be advantageous. As a rule, temperatures in the mesophilic and thermophilic range are particularly advantageous. Compliance with a preferred temperature can be particularly advantageous by the temperature of the supplied medium to be treated (feed). Additionally or alternatively, known heat transfer methods can be used, such as the indirect heat exchange from a separate circulation stream of the reactor.
Der mikrobielle Abbau der Störstoffe erfolgt effizient in einem für die aktive Biomasse günstigen pH-Bereich. Dieser kann durch Zuführung von sauren und/oder basischen Stoffströmen in den Reaktor in einem Bereich von 6,5 bis 10,5, vorzugsweise von 7,5 bis 9,5, besonders bevorzugt in einem Bereich von 8,0 und 9,0 reguliert werden. Es ist von Vorteil, bekannte verfahrenstechnische Maßnahmen zur verbesserten Einleitung des Sauerstoffs in die wässrige Phase einzusetzen. Der Stoff- Übergang von der Gasphase in die flüssige Phase wird insbesondere durch einen hoher Sauerstoffpartialdruck, eine große Phasengrenzfläche sowie möglichst lange Kontaktzeiten zwischen gasförmiger und flüssiger Phase begünstigt. Dies kann technisch zum Beispiel durch Einsatz von Ejekto- ren/Strahlpumpen und/oder Einsatz von reinem Sauerstoff anstelle von Luftsauerstoff, durch hohe schlanke Reaktoren mit entsprechend hohem hydrostatischem Druck und/oder durch den Einsatz von Rührern oder anderen Mischaggregaten realisiert werden. The microbial degradation of the contaminants takes place efficiently in a favorable pH range for the active biomass. This can be regulated by feeding acidic and / or basic streams into the reactor in a range from 6.5 to 10.5, preferably from 7.5 to 9.5, more preferably in a range of 8.0 and 9.0 become. It is advantageous to use known process engineering measures for the improved introduction of oxygen into the aqueous phase. The mass transfer from the gas phase into the liquid phase is promoted in particular by a high oxygen partial pressure, a large phase boundary and the longest possible contact times between gaseous and liquid phase. This can be technically realized, for example, by the use of ejectors / jet pumps and / or use of pure oxygen instead of atmospheric oxygen, by high, slim reactors with a correspondingly high hydrostatic pressure and / or by the use of stirrers or other mixing units.
Eine Steuerung des Abbauprozesses ist vorteilhaft durch Messung und Regelung des Gehaltes an gelöstem Sauerstoff im flüssigen Reaktionsraum möglich. Der Gehalt an gelöstem Sauerstoff im Reaktor sollte in einem Bereich zwischen 0 und 2mg/l, vorzugsweise unter lmg/l, besonders bevorzugt unter 0,3mg/l, ganz besonders bevorzugt unter 0,15mg/l gehalten werden. Control of the degradation process is advantageously possible by measuring and controlling the content of dissolved oxygen in the liquid reaction space. The content of dissolved oxygen in the reactor should be kept in a range between 0 and 2 mg / l, preferably below 1 mg / l, more preferably below 0.3 mg / l, most preferably below 0.15 mg / l.
Besonders vorteilhaft ist die Regelung des Redoxwerts im Reaktor, um den Abbauprozess zu steuern. Dabei wird die Zufuhr von molekularem Sauerstoff gegebenenfalls auch in Form von Luft durch die Messung des Redoxwerts im Reaktor geregelt, wobei der Redoxwert im Reaktor in einem Bereich zwischen 0 und -400mV, vorzugsweise zwischen -100 und -300mV, besonders bevorzugt zwischen -200 und -280mV gehalten wird. It is particularly advantageous to control the redox value in the reactor in order to control the decomposition process. The supply of molecular oxygen is optionally regulated in the form of air by measuring the redox value in the reactor, the redox value in the reactor in a range between 0 and -400mV, preferably between -100 and -300mV, more preferably between -200 and -280mV is kept.
Die Regelung kann derart erfolgen, dass der Volumenstrom des zugeführten molekularen Sauerstoffs angepasst wird und/oder die Stoffübergangsbedingungen durch ein verändertes Durchmischen beeinflusst werden. Der Volumenstrom des zugeführten molekularen Sauerstoffs kann zum Beispiel auch dadurch beeinflusst werden, dass der Sauerstoffgehalt im Gasstrom variiert wird. So kann neben Luft beispielsweise auch reiner Sauererstoff eingesetzt werden und/oder ein Teil des zugeführten Gasstroms durch rezirkulierendes Abgas ersetzt werden. The control can be carried out in such a way that the volume flow of the added molecular oxygen is adjusted and / or the mass transfer conditions are influenced by a changed mixing. The volumetric flow of the added molecular oxygen can also be influenced, for example, by varying the oxygen content in the gas stream. Thus, in addition to air, for example, pure oxygen can also be used and / or part of the supplied gas stream can be replaced by recirculating exhaust gas.
Besonders vorteilhaft ist ein derartiges Verfahren, wenn der Sauerstoffeintrag so weit limitiert wird, dass zwar die Störstoffe abgebaut, aber die im Reaktor enthaltenen Stickstoffverbindungen nicht bzw. nur in geringem Anteil zu Nitrat und/oder Nitrit oxidiert werden. Darüber hinaus ist es von Vorteil den Sauerstoffeintrag so weit zu limitieren, dass der mit dem zu behandelnden Medium zugeführte CSB mehrheitlich nicht abgebaut wird. Vorzugweise wird der Prozess so ausgestaltet, dass der CSB nicht mehr als 50%, bevorzugt nicht mehr als 30%, besonders bevorzugt nicht mehr als 20%, ganz besonders bevorzugt nicht mehr als 15% reduziert wird, während die Störstoffe bis auf die gewünschte Konzentration abgebaut werden. Such a method is particularly advantageous if the oxygen input is limited to such an extent that, although the impurities have been broken down, the nitrogen compounds contained in the reactor are not or only to a small extent be oxidized to nitrate and / or nitrite. In addition, it is advantageous to limit the oxygen input to such an extent that the COD supplied with the medium to be treated is not degraded by a majority. Preferably, the process is designed so that the COD is not more than 50%, preferably not more than 30%, more preferably not more than 20%, most preferably not more than 15% is reduced, while the impurities to the desired concentration be reduced.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGSFIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWING FIGURES
FIG. 1 zeigt eine mögliche erste Ausführungsform gemäß der Erfindung; FIG. 1 shows a possible first embodiment according to the invention;
Fig. 2 zeigt ein Fließschema einer möglichen zweiten Ausführungsform gemäß der Erfindung; Fig. 2 shows a flow chart of a possible second embodiment according to the invention;
Fig. 2a zeigt eine mögliche zweite Ausführungsform gemäß der Erfindung; Fig. 2a shows a possible second embodiment according to the invention;
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DETAILED DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend näher beschrieben. Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be described in more detail below.
101 Zulauf (mit Störstoffen belastetes Medium) 101 inlet (contaminated medium)
102 Ablauf  102 process
103 Sauerstoffhaltiger Gasstrom  103 Oxygen-containing gas stream
104 Abgas  104 exhaust
105 Hilfsstoffe  105 auxiliaries
120 Getreide  120 cereals
121 Frischwasser  121 fresh water
121a Anmaischwasser  121a mashing water
122 Schlempe  122 vinasse
123 Bioethanol  123 bioethanol
132 Gärrest (Ablauf der Bioraffinerie)  132 digestate (biorefinery outflow)
132a Gärrest (Ablauf der Biogasanlage) 133 Biogas 132a digestate (drainage of the biogas plant) 133 biogas
1 Zulaufeintrag  1 feed entry
2 Ablaufabzug  2 drainage
2a Ablaufrückführung  2a process return
2b Flüssigkeitseintrag  2b fluid entry
3 Gaszuführung  3 gas supply
4 Abgasabführung  4 exhaust gas removal
4a Abgasabführung  4a exhaust gas removal
4b Gasrückführung  4b gas recirculation
5 Hilfsstoffeintrag  5 excipient entry
6 Mischer  6 mixers
7 Umwälzung  7 revolution
8 Reaktor  8 reactor
9 Messeinrichtung  9 measuring device
10 Anlage zur selektiven Oxidation  10 plant for selective oxidation
11 Zulaufpumpe  11 feed pump
12 Kreislaufpumpe  12 circulation pump
13 Verdichter  13 compressors
14 Ejektor  14 ejector
15 Hilfsstoffpumpe  15 auxiliary pump
20 Bioethanolanlage  20 bioethanol plant
30 Biogasanlage  30 biogas plant
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 1 EMBODIMENT 1
Die Möglichkeit einer technischen Ausführung des Verfahrens sei im Folgenden an der Entfernung von Essigsäure aus einem Prozesswasser veranschaulicht. Wesentliche Merkmale dieses Ausführungsbeispiels sind auch der Fig. 1 zu entnehmen. The possibility of a technical implementation of the process is illustrated below by the removal of acetic acid from a process water. Essential features of this embodiment are also shown in FIG. 1.
Ein mit Essigsäure belastetes Prozesswasser aus einer Eindampfanlage soll für einen nachgelagerten Fermentationsprozess so aufbereitet werden, dass die Essigsäurekonzentration den Fermentationsprozess nicht inhibiert. Dies wird erreicht, indem die Essigsäure mikrobiell oxidiert wird. Das Prozesswas- ser enthält neben Essigsäure auch signifikante Mengen organischer Schwebstoffe und anderer organischer Komponenten. A process water from an evaporation plant charged with acetic acid is to be prepared for a downstream fermentation process so that the acetic acid concentration does not inhibit the fermentation process. This is achieved by microbially oxidizing the acetic acid. The process water In addition to acetic acid, it also contains significant amounts of organic suspended solids and other organic components.
Dieses Prozesswasser stellt den Zulauf (101) in den Reaktor (8) dar. Der Reaktor ist überwiegend mit dem behandelten Prozesswasser gefüllt und enthält aktive Biomasse, welche den Essigsäureabbau gewährleistet. Der Zulauf wird mit der Zulaufpumpe (11) über den Zulaufeintrag (1) in den Reaktor gefördert. Vorteilhaft wird der Zulauf in einen Bereich intensiver Durchmischung gefördert, um den Stoffaustausch zu begünstigen. Die intensive Durchmischung wird durch eine Umwälzung (7) des Reaktorinhalts mithilfe eines Mischers (6) sowie des aufsteigenden Gasstroms erreicht, welcher über die Gaszuführung (3) im unteren Teil des Reaktors eingeleitet und verteilt wird. This process water is the feed (101) into the reactor (8). The reactor is predominantly filled with the treated process water and contains active biomass, which ensures the acetic acid degradation. The feed is conveyed with the feed pump (11) via the feed entry (1) in the reactor. Advantageously, the feed is conveyed into a region of intensive mixing in order to promote the mass transfer. The intensive mixing is achieved by a circulation (7) of the reactor contents by means of a mixer (6) and the ascending gas flow, which is introduced and distributed via the gas supply (3) in the lower part of the reactor.
Der für die Oxidation der Essigsäure notwendige Sauerstoff (103) wird über den Verdichter (13) in das System gefördert. Neben reinem Sauerstoff kann alternativ auch ein anderer sauerstoffhaltiger Gasstrom wie zum Beispiel Luft eingesetzt werden. Mit entsprechend niedrigerem Sauerstoffanteil im Strom 103 erhöht sich jedoch der zu verdichtenden Volumenstrom sowie entsprechend auch der Abgasstrom (104). Der Abgasstrom wird über die Abgasabführung (4) aus dem Reaktor bzw. aus dem Gesamtsystem (4a) abgeführt. Über die Gasrückführung (4b) ist eine Kreislaufführung des Gases innerhalb des Systems möglich. Ein Teil des Abgases kann dadurch zum Verdichter (13) geführt und zusammen mit dem Gasstrom 103 in das System geführt werden. Eine solche Kreislaufführung kann zum einen den Umsatz des mit dem Strom 103 zugeführten Sauerstoffs erhöhen. Zudem kann durch die Kreislaufführung des Gases der Sauerstoffgehalt im Reaktor beeinflusst werden. Darüber hinaus erhöht die Kreislaufführung des Gases den Gasvolumenstrom durch den Reaktor und verbessert dadurch die Durchmischung im Reaktor, was sich positiv auf den Stoffübergang, insbesondere auf den Sauerstoffeintrag in die Flüssigphase auswirkt. The necessary for the oxidation of acetic acid oxygen (103) is conveyed through the compressor (13) in the system. In addition to pure oxygen, alternatively, another oxygen-containing gas stream such as air can be used. With a correspondingly lower proportion of oxygen in the stream 103, however, the volume flow to be compressed increases, and accordingly also the exhaust gas flow (104). The exhaust gas flow is discharged via the exhaust gas outlet (4) from the reactor or from the entire system (4a). Via the gas recirculation (4b) a circulation of the gas within the system is possible. A portion of the exhaust gas can thereby be led to the compressor (13) and fed together with the gas stream 103 into the system. Such a circulation can on the one hand increase the conversion of the oxygen supplied with the stream 103. In addition, the oxygen content in the reactor can be influenced by the circulation of the gas. In addition, the circulation of the gas increases the gas volume flow through the reactor and thereby improves the mixing in the reactor, which has a positive effect on the mass transfer, in particular on the oxygen input into the liquid phase.
Die Steuerung des Essigsäureabbaus erfolgt anhand des Sauerstoffgehalts im Reaktor. Dieser wird eventuell zusammen mit anderen Prozessparametern wie pH-Wert, Redoxwert und/oder Temperatur durch die Messeinrichtung (9) er- fasst. Für einen effizienten Essigsäureabbau wird der Sauerstoffgehalt im Reaktor vorteilhaft unter 0,5mg/l, vorzugsweise im suboxischen Bereich gehal- ten. Bei Abweichungen vom Sollwert werden der Volumenstrom 103, die Abgasrückführung und/oder der Zulauf variiert. Eine alternative Steuerung kann anhand des Redoxwertes realisiert werden. The control of acetic acid degradation is based on the oxygen content in the reactor. This is possibly detected together with other process parameters such as pH value, redox value and / or temperature by the measuring device (9). For efficient acetic acid degradation, the oxygen content in the reactor is advantageously kept below 0.5 mg / l, preferably in the suboxic range. In the event of deviations from the setpoint, the volume flow 103, the exhaust gas recirculation and / or the inlet are varied. An alternative control can be realized on the basis of the redox value.
Die für den Essigsäureabbau verantwortlichen Mikroorganismen werden dem System initial als Startkultur oder wiederkehrend zum Beispiel als Hilfsstoff- strom (105) über eine separate Pumpe (15) und den Hilfsstoffeintrag (5) dosiert. Über diese Anordnung werden auch pH-wirksame Hilfsstoffe wie zum Beispiel Natronlauge sowie Nährstoffe wie zum Beispiel Ammoniumhydrogen- carbonat und Spurenelemente dosiert. Die Temperatur im Reaktor ergibt sich durch die Temperaturen der eintretenden Stoffströme sowie die bei der Oxi- dationsreaktion freiwerdende Reaktionswärme sowie die Wärmeverluste des Systems. Bei Abweichungen zwischen der sich einstellenden Temperatur und der für den mikrobiellen Umsatz günstigen Temperatur kann in einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens geeignete verfahrenstechnische Wärmeübertragungstechnik installiert sein. Dies kann beispielsweise über eine Temperierung der eintretenden Stoffströme und/oder durch Temperierung des Reaktorinhalts erfolgen. The microorganisms responsible for acetic acid degradation are initially metered into the system as a starting culture or recurring, for example, as an adjuvant stream (105) via a separate pump (15) and the excipient feed (5). This arrangement also doses pH-effective auxiliaries, such as, for example, caustic soda, as well as nutrients such as, for example, ammonium bicarbonate and trace elements. The temperature in the reactor results from the temperatures of the incoming streams and the heat of reaction released during the oxidation reaction and the heat losses of the system. In the case of deviations between the temperature which is established and the temperature which is favorable for the microbial conversion, it is possible, in an advantageous embodiment of the method, to install suitable process-engineering heat transfer technology. This can be done for example via a temperature of the incoming streams and / or by tempering the reactor contents.
In einer vorteilhaften Ausführung werden die Mikroorganismen zum Beispiel durch im Wasser suspendierte Trägermaterialien im Reaktor angereichert. Die Mikroorganismen besiedeln diese Trägermaterialien, welche im Reaktor vermischt, jedoch durch geeignete Konstruktionen nicht über den Ablaufabzug (2) aus dem Reaktor entfernt werden. In einer anderen vorteilhaften Ausführung sind im Reaktor Trägermaterialien als feststehende Aufwuchsflächen installiert, um die Mikroorganismenkonzentration im Reaktor zu erhöhen. In an advantageous embodiment, the microorganisms are enriched in the reactor, for example, by carrier materials suspended in the water. The microorganisms colonize these support materials, which are mixed in the reactor, but are not removed by the appropriate constructions on the effluent (2) from the reactor. In another advantageous embodiment, carrier materials are installed in the reactor as fixed growth surfaces in order to increase the microorganism concentration in the reactor.
Entsprechend der für eine ausreichende Abreicherung der Essigsäure notwendigen Verweilzeit im Reaktor wird der Reaktorinhalt über den Ablaufabzug aus dem Reaktor abgeführt. Der Ablauf (102) enthält noch relevante Mengen der mit dem Zulauf zugeführten Inhaltsstoffe sowie die zugeführten Hilfsstoffe, jedoch nur noch Spuren der Essigsäure. Der Ablauf kann somit der weiteren Verwendung, gegebenenfalls nach weiteren Konditionierungs- schritten, zugeführt werden. Die Qualität des Ablaufs wird durch Bestimmung des Essigsäuregehalts mit üblichen analytischen Methoden wie zum Beispiel Flüssigkeits- oder Gaschromatographie kontrolliert. AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 2 According to the time required for a sufficient depletion of acetic acid in the reactor, the reactor contents are discharged via the effluent from the reactor. The process (102) still contains relevant amounts of the ingredients fed with the feed and the supplied auxiliaries, but only traces of acetic acid. The process can thus be supplied for further use, if appropriate after further conditioning steps. The quality of the process is controlled by determining the acetic acid content by conventional analytical methods such as liquid or gas chromatography. EMBODIMENT 2
Eine weitere Möglichkeit einer technischen Ausführung des Verfahrens sei im Folgenden anhand der Entfernung von aromatischen Verbindungen aus einem Prozesswasser einer Bioraffinerie veranschaulicht, wodurch eine prozess- übergreifende Rezirkulation des Prozesswassers innerhalb der Bioraffinerie sehr effizient und kostengünstig ermöglicht wird. Wesentliche Merkmale des Ausführungsbeispiels sind der Fig. 2 und Fig. 2a zu entnehmen. Die im Fol¬ genden aufgeführten Rohstoffe und Produkte sind dabei nur beispielhaft genannt. Das Verfahren der Störstoffentfernung lässt sich für einen Fachmann leicht auch für andere Rohstoffe und/oder gekoppelte Produktionsverfahren anwenden bzw. übertragen. Weitere Rohstoffe können zum Beispiel Stroh, kohlenhydratreiche, fetthaltige und/oder proteinreiche Stoffe sein. Beispiele für gekoppelte Produktionsprozesse sind die Produktion von Ethanol der zweiten Generation, die fermentative Butanolherstellung, die Herstellung von Zellstoff, Cellulose und/oder Papier, die Proteinabtrennung, die fermentative Herstellung von phenolischen Verbindungen, die Biodiesel- und/oder Glyzerinherstellung sowie die Futtermittelherstellung. A further possibility of a technical execution of the method is illustrated below with reference to the removal of aromatic compounds from a process water of a biorefinery, whereby a process-comprehensive recirculation of the process water within the biorefinery is made possible in a very efficient and cost-effective manner. Essential features of the embodiment are shown in FIGS. 2 and 2 a. The raw materials and products mentioned in Fol ¬ constricting are just some examples. The process of removal of contaminants can be easily applied or transferred to a person skilled in the art for other raw materials and / or coupled production processes. Further raw materials may be, for example, straw, carbohydrate-rich, fatty and / or protein-rich substances. Examples of coupled production processes are the production of second generation ethanol, fermentative butanol production, the production of pulp, cellulose and / or paper, protein separation, fermentative production of phenolic compounds, biodiesel and / or glycerine production and feed production.
In einer Bioraffinerie wird beispielsweise aus Getreide (120) Bioethanol (123) und Biogas (133) erzeugt. Dabei wird zunächst in einer Bioethanolanlage (20) aus dem Getreide fermentativ Bioethanol hergestellt und als Wertstoff gewonnen. Für die Anmaischung des Getreides wird Wasser (121) eingesetzt. Während die meisten Stoffströme innerhalb der Bioethanolanlage rezirkuliert werden, fällt als Nebenprodukt die Schlempe (122) an. Die Schlempe enthält im Wesentlichen neben Wasser die nicht zu Ethanol umgewandelten organischen und anorganischen Bestandteile des Getreides und hat einen TS-Gehalt von etwa 10-20%, wobei der organische Anteil der Trockensubstanz in der Regel über 90% liegt. Sie wird als Rohstoff für die Erzeugung von Biogas in der Biogasanlage (30) eingesetzt. Beinhaltet die Biogasanlage auch eine Bio¬ gasaufbereitung so kann es sich beim Stoffstrom 133 einer speziellen Ausführung des Verfahrens auch um Biomethan handeln. In der anaeroben Fermentation der Schlempe werden die organischen Inhaltsstoffe mehrheitlich zu Methan und Kohlendioxid abgebaut. Dabei werden die organischen und anorganischen Bestandteile mehr oder weniger vollständig hydrolysiert, reduziert und/oder abgebaut. Dementsprechend befinden sich im Gärrest noch signifikante Mengen suspendierter sowie gelöster Trockensubstanz. Der Trockensubstanzgehalt liegt typischerweise im Bereich von 2-8% und besteht aus anorganischen und organischen Komponenten. Für das in der Abwassertechnik gebräuchliche Maß CSB ergeben sich Richtwerte von 20-120g/l für den Gärrest. In a biorefinery, for example, cereals (120) produce bioethanol (123) and biogas (133). In the process, bioethanol is first fermentatively produced from grain in a bioethanol plant (20) and recovered as valuable material. For the mashing of the grain water (121) is used. While most streams are recirculated within the bioethanol plant, the by-product is the stillage (122). The vinasse contains essentially not only water but also the organic and inorganic constituents of the cereal which have not been converted to ethanol and has a DM content of about 10-20%, the organic content of the dry substance generally being more than 90%. It is used as a raw material for the production of biogas in the biogas plant (30). Includes the biogas plant, bio ¬ gas preparation it may also be the biomethane fuel stream 133 of a specific embodiment of the method. In the anaerobic fermentation of the vinasse, most of the organic ingredients are degraded to methane and carbon dioxide. The organic and inorganic components are more or less completely hydrolyzed, reduced and / or degraded. Accordingly, there are still significant amounts of suspended and dissolved dry matter in the digestate. The dry matter content is typically in the range of 2-8% and consists of inorganic and organic components. Standard values of 20-120 g / l for the digestate are given for the customary measure of COD in sewage technology.
Insbesondere beim Abbau von Proteinen entstehen aromatische Verbindungen, welche nur sehr langsam oder unter anaeroben Bedingungen praktisch gar nicht abgebaut werden. Diese in der Regel gelösten aromatischen Verbindungen finden sich dann im Ablauf der Biogasanlage, dem flüssigen Gärrest (132a), wieder. Faserhaltige Bestandteile des Getreides, die sich ebenfalls in der Schlempe befinden, werden in der Biogasanlage nur teilweise abgebaut und finden sich suspendiert ebenfalls im Gärrest. Der mit der Schlempe zugeführte gebundene Stickstoff wird während der anaeroben Fermentation zu mindestens 50% zu Ammoniumstickstoff umgewandelt. Je nach Prozessführung innerhalb der Biogasanlage und/oder der Bioraffinerie können sich Gehalte an Ammoniumstickstoff von 2.000-10.000mg/l im Gärrest ergeben. Entsprechend des stöchiometrischen Umsatzes zu Nitrat ergibt sich allein aus den angegebenen Gehalten für Ammoniumstickstoff ein CSB von ca. 9-50g/l. In particular, in the degradation of proteins, aromatic compounds are formed, which are only very slowly degraded very slowly or under anaerobic conditions. These aromatic compounds which are generally dissolved are then found again in the course of the biogas plant, the liquid digestate (132a). Fibrous components of the grain, which are also in the vinasse, are only partially degraded in the biogas plant and are also suspended in the digestate. The nitrogen fed with the vinasse is converted to at least 50% ammonia nitrogen during anaerobic fermentation. Depending on the process control within the biogas plant and / or the biorefinery, levels of ammonium nitrogen of 2,000-10,000 mg / l can result in the digestate. Corresponding to the stoichiometric conversion to nitrate, a COD of approximately 9-50 g / l results solely from the stated contents for ammonium nitrogen.
Durch die Rückführung von Gärresten als Ersatz von Wasser in der Anmai- schung der Bioethanolanlage könnten wesentliche Ressourceneinsparungen realisiert werden. Während der überwiegende Teil der Inhaltsstoffe für eine Rezirkulation des Gärrests in die Bioethanolanlage unkritisch ist, können die enthaltenen aromatischen Verbindungen zu einer Hemmung der Fermentation führen und die Rückführung limitieren oder sogar unmöglich machen. Dieses Problem wird erfindungsgemäß gelöst, indem in der Anlage zur selektiven Oxidation (20) die relevanten aromatischen Verbindungen mikrobiell aus dem Gärrest entfernt werden und der Ablauf dieser Anlage (102) in die Ethanolan- lage zurückgeführt werden kann. Das Anmaischwasser (121a) zur Ethanolan- läge enthält in diesem Fall signifikant weniger Frischwasser, wodurch der Gärreststrom 132 reduziert und die ökonomische und ökologische Effizienz des Gesamtverfahrens signifikant verbessert wird. Substantial resource savings could be realized by recycling digestate as a substitute for water in the bioethanol plant. While most of the ingredients are not critical for recirculation of the fermentation residue into the bioethanol plant, the contained aromatic compounds can inhibit fermentation and limit or even make repatriation impossible. This problem is inventively solved by the relevant aromatic compounds are microbially removed from the digestate in the plant for selective oxidation (20) and the flow of this plant (102) can be returned to the ethanol plant. The mashing water (121a) for ethanol In this case, there would be significantly less fresh water, which would reduce the digestate stream 132 and significantly improve the economic and ecological efficiency of the overall process.
Die Anlage zur selektiven Oxidation besteht im Wesentlichen aus einem mit behandeltem Gärrest gefüllten Reaktor (8), in welchem die mikrobielle Umsetzung stattfindet, sowie einigen Einbauten und Nebenaggregaten. Das in dieser Anlage ablaufende Verfahren wird ebenso wie die vor- und nachgelagerten Verfahren kontinuierlich betrieben, wenngleich auch ein quasikontinuierlicher und/oder diskontinuierlicher Betrieb möglich ist. The plant for selective oxidation consists essentially of a treated with treated digestate reactor (8), in which the microbial conversion takes place, as well as some internals and ancillaries. The process occurring in this plant is operated continuously as well as the upstream and downstream processes, although a quasi-continuous and / or discontinuous operation is possible.
Der mit den aromatischen Verbindungen belastete Gärrest stellt den Zulauf (101) dar. Er wird mit der Zulaufpumpe (11) zusammen mit rezirkuliertem Ablauf in den Flüssigkeitseintrag (2b) gefördert. Dieser führt die Flüssigkeit zu einem oder mehreren Ejektoren (14). Im Ejektor wird nach dem Treibstrahlprinzip Luft mit der Flüssigkeit vermischt und fein verteilt in den Reaktor eingetragen. Die Luft, also das sauerstoffhaltige Gas (103), wird aus der Umgebung über mindestens einen Verdichter (13) und die Gaszuführung mit dem notwendigen Vordruck zum Ejektor geleitet. Durch dieses bekannte Prinzip wird ein guter Stoffübergang des Sauerstoffs in die Flüssigkeit erreicht. Zusätzlich begünstigt wird der Stoffübergang durch eine Durchmischung des Reaktorinhalts zum Beispiel durch ein oder mehrere Mischer (6). Dies können beispielsweise seitlich angeordnete Propellerrührwerke sein. So werden eine Umwälzung (7) des Reaktorinhalts und dadurch ein guter Stoffumsatz erreicht. The fermentation residue loaded with the aromatic compounds constitutes the feed (101). It is conveyed together with the feed pump (11) together with recirculated discharge into the liquid feed (2b). This leads the liquid to one or more ejectors (14). In the ejector, air is mixed with the liquid according to the propulsion jet principle and introduced finely distributed into the reactor. The air, so the oxygen-containing gas (103) is passed from the environment via at least one compressor (13) and the gas supply with the necessary form to the ejector. By this known principle, a good mass transfer of the oxygen is achieved in the liquid. In addition, the mass transfer is favored by a mixing of the reactor contents, for example by one or more mixers (6). These may be, for example, laterally arranged propeller stirrers. Thus, a circulation (7) of the reactor contents and thus a good metabolic rate are achieved.
Die für den Abbau der aromatischen Verbindungen benötigten Mikroorganismen werden mit dem Gärrest kontinuierlich dem Prozess zugeführt. Dabei handelt es sich um verschiedene fakultativ anaerob lebende Bakterien. Diese nehmen den in die Flüssigkeit eingetragenen Sauerstoff auf und oxidieren die aromatischen Störstoffe. Dabei wirkt das System in gewissen Grenzen selbstregulierend, da sich genau die Bakterien vermehren, welche bei den existierenden Prozessbedingungen mit den zugeführten Störstoffen als Substrat besonders gut leben können. Der durch den Zulauf bestimmte pH-Wert liegt in der Regel in einem für die die Störstoffe abbauenden Bakterien günstigen Bereich. Es ist aber selbstverständlich möglich zum Beispiel durch eine vorhergehende Konditionierung des Gärrests den pH-Wert im Reaktor (8) zu beeinflussen. The microorganisms required for the degradation of the aromatic compounds are continuously fed to the process with the fermentation residue. These are various facultative anaerobes. These absorb the oxygen introduced into the liquid and oxidize the aromatic impurities. Within certain limits, the system has a self-regulating effect, since it is exactly the bacteria that reproduce which are able to live particularly well with the supplied impurities as a substrate in the existing process conditions. The pH determined by the feed is usually in a favorable range for the bacteria degrading the impurities. However, it is of course possible, for example, to influence the pH value in the reactor (8) by a preceding conditioning of the fermentation residue.
Die Temperatur im Reaktor ergibt sich durch die Temperaturen der eintretenden Stoffströme sowie die bei der Oxidationsreaktion freiwerdende Reaktionswärme sowie die Wärmeverluste des Systems. Durch die freiwerdende Reaktionsenthalpie der Oxidationsreaktion kann es je nach Gehalt an umzusetzenden Störstoffen im Zulauf zu einem signifikanten Temperaturanstieg von über 10-15 Kelvin im System kommen. Es ist möglich den Abbauprozess bei mesophilen als auch thermophilen Bedingungen zu betreiben. Bei Abweichungen zwischen der sich einstellenden Temperatur und der für den mikro- biellen Umsatz günstigen Temperatur kann in einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens geeignete verfahrenstechnische Wärmeübertragungstechnik installiert sein. Dies kann beispielsweise über eine Temperierung der eintretenden Stoffströme und/oder durch Temperierung des Reaktorinhalts erfolgen. The temperature in the reactor results from the temperatures of the incoming streams and the heat of reaction released during the oxidation reaction and the heat losses of the system. Due to the released reaction enthalpy of the oxidation reaction, depending on the content of impurities to be converted in the feed, a significant temperature rise of more than 10-15 Kelvin can occur in the system. It is possible to operate the degradation process at mesophilic as well as thermophilic conditions. In the case of deviations between the temperature which arises and the temperature which is favorable for the microbial conversion, it is possible, in an advantageous embodiment of the method, to install suitable process-engineering heat transfer technology. This can be done for example via a temperature of the incoming streams and / or by tempering the reactor contents.
Der Prozess wird im suboxischen Bereich bei sehr niedrigen Gehalten an gelöstem Sauerstoff betrieben, um überwiegend die Störstoffe selektiv zu entfernen und andere organische und/oder anorganische Bestandteile nicht oder nur in sehr begrenztem Umfang zu oxidieren. Vorteilhaft steuerbar ist das Verfahren über die Regelung des Redoxwerts im Reaktor. Mit der Messeinrichtung (9) wird der Redoxwert im Reaktor gemessen. Durch Einhaltung eines Redoxwerts von kleiner 0mV, vorzugsweise kleiner -100mV ist es möglich, die meisten Oxidationsreaktionen, wie zum Beispiel auch die Oxidation von Ammonium zu Nitrat, zu unterdrücken, während die Oxidation der aromatischen Störstoffe realisiert wird. Dadurch sind die benötigten Luftmengen signifikant niedriger im Vergleich zu klassischen aeroben Verfahren der Abwasserreinigung. Die Regelung des Redoxwerts erfolgt durch Anpassung der zugeführten Luftmengen und/oder der Zulaufmengen. The process is operated in the suboxic range at very low levels of dissolved oxygen to selectively remove predominantly the impurities and not oxidize other organic and / or inorganic constituents or only to a very limited extent. Advantageously controllable is the method of controlling the redox value in the reactor. With the measuring device (9), the redox value is measured in the reactor. By maintaining a redox value of less than 0 mV, preferably less than -100 mV, it is possible to suppress most of the oxidation reactions, such as the oxidation of ammonium to nitrate, while the oxidation of the aromatic impurities is realized. As a result, the required air volumes are significantly lower compared to classic aerobic wastewater treatment processes. The regulation of the redox value takes place by adjusting the supplied air quantities and / or the inflow quantities.
Die Oxidation des Ammoniums zu Nitrat ist bei diesen Prozessbedingungen nicht signifikant. Lediglich über den Gasstrom durch den Reaktor werden Anteile des Ammoniums in Form von Ammoniak ausgetragen. Dieses Ammoniak kann aus dem Abgas (104) durch einen nachgeschalteten Kondensator und/oder Wäscher zurückgewonnen werden. Der Gehalt an Ammoniumstickstoff des Ablaufs (102) liegt temperatur- und pH-abhängig bei über 90% des Gehalts im Zulauf. The oxidation of ammonium to nitrate is not significant at these process conditions. Only through the gas flow through the reactor portions of the ammonium are discharged in the form of ammonia. This ammonia can be recovered from the exhaust (104) by a downstream condenser and / or scrubber. The content of ammonium nitrogen of the effluent (102) is temperature- and pH-dependent at over 90% of the content in the feed.
Das aus dem Reaktor über die Abgasabführung (4) abgeleitete Abgas enthält entsprechend der ablaufenden Reaktionen signifikante Mengen Kohlendioxid. The exhaust gas discharged from the reactor via the exhaust gas outlet (4) contains significant amounts of carbon dioxide in accordance with the effluent reactions.
Die mittlere Verweilzeit des Zulaufs im Reaktor beträgt je nach Störstoffgehalt bis 30 Tage, vorzugsweise etwa bis 15 Tage, besonders bevorzugt unter 10 Tagen. Dabei wird der Umsatz der Störstoffe in der Regel durch den Stoffübergang des Sauerstoffs von der gasförmigen in die flüssige Phase und nicht von der Abbaureaktion selbst limitiert. Der Austrag des Ablaufs (102) erfolgt über einen Ablaufabzug (2). Von diesem aus geht eine Ablaufrückführung (2a) zur Kreislaufpumpe (12), welche einen Teil des Ablaufs (zusammen mit dem Zulauf) über den Ejektor als Treibstrahl zurück in den Reaktor fördert. Der von den Störstoffen befreite, aus dem System abgeführte Ablauf enthält neben dem überwiegenden Anteil an Stickstoff auch noch nahezu die gleiche Menge an Faserstoffen und insgesamt einen nur geringfügig im Vergleich zum Zulauf reduzierten TS. Der CSB-Abbau während der selektiven Oxidation beträgt je nach Zusammensetzung des Zulaufs und dem Gehalt an Störstoffen nicht mehr als 50%, vorzugsweise nicht mehr als 30%, besonders bevorzugt nicht mehr als 20%, ganz besonders bevorzugt nicht mehr als 15%. Der Ablauf wird direkt oder nach einer Konditionierung als Rezirkulat in die Bioethanolanlage gefahren. The average residence time of the feed in the reactor, depending on the content of impurities, is up to 30 days, preferably about 15 days, more preferably less than 10 days. The conversion of impurities is usually limited by the mass transfer of oxygen from the gaseous to the liquid phase and not by the degradation reaction itself. The discharge of the process (102) via a drain (2). From this, a recirculation (2a) goes to the circulation pump (12), which promotes a part of the process (together with the inlet) via the ejector as propulsion jet back into the reactor. The freed from the impurities, drained from the system process contains in addition to the predominant proportion of nitrogen also almost the same amount of fiber and a total of only slightly reduced compared to the feed TS. The COD degradation during the selective oxidation is, depending on the composition of the feed and the content of impurities not more than 50%, preferably not more than 30%, more preferably not more than 20%, most preferably not more than 15%. The process is run directly or after conditioning as recirculated into the bioethanol plant.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Entfernung von mindestens einem organischen Störstoff aus einem wässrigen Medium, welches folgende Schritte umfasst: A process for removing at least one organic contaminant from an aqueous medium, comprising the steps of:
a) Zuführung des wässrigen zu behandelnden Mediums in einen Reaktor mit aktiver mikrobieller Biomasse  a) Supply of the aqueous medium to be treated in a reactor with active microbial biomass
b) direkte und/oder indirekte Einleitung von molekularem Sauerstoff in diesen Reaktor  b) Direct and / or indirect introduction of molecular oxygen into this reactor
c) Durchführung einer mikrobiellen selektiven Oxidation unter suboxi- schen Bedingungen von mindestens einem der zugeführten organischen Störstoffe ohne mehrheitlichen Abbau des zugeführten CSB  c) carrying out a microbial selective oxidation under suboxic conditions of at least one of the supplied organic impurities without majority degradation of the supplied COD
d) Abführung des behandelten wässrigen Mediums aus dem Reaktor e) Abführung eines kohlendioxidhaltigen Abgasstroms aus dem Reaktor.  d) removal of the treated aqueous medium from the reactor e) removal of a carbon dioxide-containing waste gas stream from the reactor.
2. Verfahren nach Anspruch 1, 2. The method according to claim 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass  d a d u r c h e c e n c i n e s that
der molekulare Sauerstoff in Form von Luft in den Reaktor eingeleitet wird.  the molecular oxygen is introduced in the form of air into the reactor.
3. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass 3. The method of claim 1, wherein:
ein Teil des Abgasstroms in den Reaktor zurückgeführt wird.  a portion of the exhaust stream is recycled to the reactor.
4. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass 4. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that a
die Einleitung von molekularem Sauerstoff gegebenenfalls in Form von Luft kontinuierlich erfolgt.  the introduction of molecular oxygen optionally takes place continuously in the form of air.
5. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass 5. The method according to claim 1, wherein:
der Reaktorinhalt gegebenenfalls unter Einsatz geeigneter Rührtechnik wie zum Beispiel mindestens einem Propellerrührwerk und/oder mindestens einer Strahlpumpe oder anderer gerichteter Gaseinleitungssysteme durchmischt wird. the reactor contents are optionally mixed using suitable stirring technology such as at least one propeller agitator and / or at least one jet pump or other directed gas introduction systems.
6. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass 6. Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that a
dem Reaktor gelegentlich und/oder kontinuierlich, gegebenenfalls zusammen mit dem zu behandelnden Medium, aktive mikrobielle Biomasse zugeführt wird.  occasionally and / or continuously, optionally together with the medium to be treated, active microbial biomass is supplied to the reactor.
7. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, 7. The method according to at least one of the preceding claims,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass  d a d u r c h e c e n c i n e s that
die aktive mikrobielle Biomasse zum Beispiel durch geeignete Trägermaterialien im Reaktor zumindest teilweise immobilisiert wird.  For example, the active microbial biomass is at least partially immobilized in the reactor by suitable carrier materials.
8. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, 8. The method according to at least one of the preceding claims,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass  d a d u r c h e c e n c i n e s that
die mittlere Verweilzeit im Reaktor mindestens so lang ist wie die Verdopplungszeit der aktiven mikrobiellen Biomasse.  the mean residence time in the reactor is at least as long as the doubling time of the active microbial biomass.
9. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, 9. The method according to at least one of the preceding claims,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass  d a d u r c h e c e n c i n e s that
die Zufuhr von molekularem Sauerstoff gegebenenfalls auch in Form von Luft soweit limitiert wird, dass keine signifikante Oxidation von im Reaktor enthaltenen Stickstoffverbindungen erfolgt.  the supply of molecular oxygen, if appropriate also in the form of air, is limited to such an extent that no significant oxidation of nitrogen compounds contained in the reactor takes place.
10. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, 10. The method according to at least one of the preceding claims,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass  d a d u r c h e c e n c i n e s that
die Zufuhr von molekularem Sauerstoff gegebenenfalls auch in Form von Luft durch die Messung des Redoxwerts im Reaktor geregelt wird, wobei der Redoxwert im Reaktor in einem Bereich zwischen 0 und -400mV, vorzugsweise zwischen -100 und -300mV, besonders bevorzugt zwischen - 200 und -280mV gehalten wird.  the supply of molecular oxygen, if appropriate also in the form of air, is regulated by measuring the redox value in the reactor, the redox value in the reactor being in a range between 0 and -400 mV, preferably between -100 and -300 mV, particularly preferably between -200 and 280mV is maintained.
11. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, 11. The method according to at least one of the preceding claims,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass  d a d u r c h e c e n c i n e s that
die Zufuhr von molekularem Sauerstoff gegebenenfalls auch in Form von Luft durch die Messung des gelösten Sauerstoffs im Reaktor geregelt wird, wobei der Gehalt an gelöstem Sauerstoff im Reaktor in einem Bereich zwischen 0 und 2mg/l, vorzugsweise unter lmg/l, besonders bevorzugt unter 0,3mg/l, ganz besonders bevorzugt unter 0,15mg/l gehalten wird. optionally controlling the supply of molecular oxygen in the form of air by measuring the dissolved oxygen in the reactor is maintained, wherein the content of dissolved oxygen in the reactor in a range between 0 and 2mg / l, preferably below lmg / l, more preferably below 0.3mg / l, most preferably below 0.15mg / l is maintained.
12. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, 12. The method according to at least one of the preceding claims,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass  d a d u r c h e c e n c i n e s that
dem Reaktor gegebenenfalls zusammen mit dem zu behandelnden Medium Nährstoffe und/oder Spurenelemente zugeführt werden.  optionally, nutrients and / or trace elements are fed to the reactor together with the medium to be treated.
13. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, 13. The method according to at least one of the preceding claims,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass  d a d u r c h e c e n c i n e s that
dem Reaktor zu behandelndes Medium mindestens quasikontinuierlich zugeführt und behandeltes Medium aus dem Reaktor mindestens quasikontinuierlich abgeführt wird.  The medium to be treated to the reactor to be treated at least quasi-continuously fed and treated medium is removed from the reactor at least quasi-continuous.
14. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, 14. The method according to at least one of the preceding claims,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass  d a d u r c h e c e n c i n e s that
das im Reaktor behandelte Medium einem Prozess zurückgeführt wird, der direkt oder indirekt mit dem Prozess verbunden ist, aus dem das zu behandelnde Medium zuvor abgeführt wurde.  the treated in the reactor medium is recycled to a process that is directly or indirectly connected to the process from which the medium to be treated was previously removed.
15. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, 15. The method according to at least one of the preceding claims,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass  d a d u r c h e c e n c i n e s that
das im Reaktor behandelte Medium einem Prozess zurückgeführt wird, um zum Beispiel Trinkwasser, Brunnenwasser, Kondensat und/oder anderes Prozesswasser zu ersetzen.  the treated in the reactor medium is returned to a process to replace, for example, drinking water, well water, condensate and / or other process water.
16. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, 16. The method according to at least one of the preceding claims,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass  d a d u r c h e c e n c i n e s that
der CSB des zugeführten wässrigen Mediums um nicht mehr als 50%, vorzugsweise nicht mehr als 30%, besonders bevorzugt nicht mehr als 20%, ganz besonders bevorzugt nicht mehr als 15% reduziert wird. the COD of the supplied aqueous medium is reduced by not more than 50%, preferably not more than 30%, more preferably not more than 20%, most preferably not more than 15%.
17. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass 17. Method according to claim 1, wherein:
der pH-Wert im Reaktor gegebenenfalls durch Zuführung eines sauren oder basischen Stoffstroms in einem Bereich von 6,5 bis 10,5, vorzugsweise von 7,5 bis 9,5, besonders bevorzugt in einem Bereich von 8,0 und 9,0 eingestellt wird.  the pH in the reactor is optionally adjusted by supplying an acidic or basic material stream in a range from 6.5 to 10.5, preferably from 7.5 to 9.5, particularly preferably in a range from 8.0 to 9.0 becomes.
18. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, 18. The method according to at least one of the preceding claims,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass  d a d u r c h e c e n c i n e s that
die Temperatur im Reaktor beispielsweise direkt über den Zulauf oder beispielsweise indirekt durch Wärmetausch eingestellt wird.  the temperature in the reactor is set, for example, directly via the inlet or, for example, indirectly by heat exchange.
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