Browsing by Author "Engesser, Karl-Heinrich (Prof. Dr. rer. nat.)"

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Open Access
Entwicklung eines Systems zum mechanischen Biomasseaustrag bei Biorieselbettreaktoren
(2005) Piyaprasit, Chatchaval; Engesser, Karl-Heinrich (Prof. Dr. rer. nat.)
In dieser Arbeit wurde eine neue Entwicklung des Biorieselbettreaktors für die Abluftreinigung zur Entfernung von Überschussbiofilmen und zur Vermeidung von Verstopfungen "sog. Clogging" der Schüttung erarbeitet. Die Leistungsfähigkeit und Machbarkeit des Reaktors wurden parallel mit einem konventionellen Rieselbettreaktor (Festbettreaktor, FBR) im halbtechnischen Maßstab (Schüttungsvolumen 144 L) untersucht. Als Modellschadstoff wurde Toluol in der Untersuchung verwendet. Die beiden Reaktoren wurden mit der gleichen angereicherten Kultur aus einer Abwasserprobe der Scheibentauchkörper der Kläranlage der Universität Stuttgart betrieben. In dem Festbettreaktor (FBR) hing der Druckverlust und die Schadstoffabbauleistung von dem Wachstum und der Akkumulation der Biomasse ab, weil die spezifische Biofilmoberfläche mit zunehmender Dicke des Biofilms reduziert wurde und die Stoffübertragung durch die Verstopfung des Biofilms abnahm. Während der Druckverlust stiegt (von 0 bis etwa 1560 Pa m-1), sankt hingegen die Abbauleistung dieses Reaktors mit der Betriebslaufzeit. Die Verstopfung der Schüttung bei der Untersuchung (spez. Volumenbelastung 22 - 33 g C m-3 h-1) trat drei bis vier Monate nach dem Anfahren auf. In dem Mischbettreaktor (MBR) wurde der Biofilm erfolgreich durch mechanische Scherkräfte, die durch das periodische Mischen des entwickelten Mischwerkzeuges gebildet werden, abgelöst und dieser wurde mit der durchgerieselten Flüssigkeit aus der Schüttung ausgetragen. Im Laufe eines Zeitraums von zwei Jahren mit einem Füllkörpergemisch aus "Floating Ball" und "Polyhedral Hollow Ball" und in einer mehrmonatigen Untersuchung mit dem neu hergestellten Füllkörper war es stets erfolgreich zur Entfernung des Überschussbiofilms von der Füllkörperschüttung gekommen. Somit konnten die Druckverluste ständig niedrig gehalten werden (0 - 42 Pa m-1) und eine Verstopfung der Reaktorschüttung hat nicht stattgefunden. Im Vergleich zum FBR wies der MBR deutlich längere störungsfreie Betriebszeiten und geringere Druckverluste auf. Bei der zugeführten spezifischen Volumenbelastung von bis zu ca. 80 g C m-3 h-1 wurde der eingetragene Schadstoff zu fast 100% beim Betrieb mit einer Stromverweilzeit von 35 s und von 96 s in der quasistationären Phase abgebaut. Im gleichen Belastungbereich war die Eliminationkapazität bei einer Verweilzeit von 17 s geringer und die Schadstoff wurde ca. 80 % abgebaut. Die verwendeten Füllkörper spielten dabei eine wichtige Rolle für die Leistungs-fähigkeit des MBRs. Der geeignete Füllkörper für den MBR sollte sowohl die Anforderungen für den konventionellen Biorieselbettreaktor erfüllen als auch geeigneten Eigenschaften für die Mischverfahren besitzen. Eine komplizierte Füllkörperform zum teilweisen Schutz des Biofilms vor Scherkräften und ein hoherer Lückengrad der Füllköperschüttung des Füllkörpergemischs aus „Floating Ball“ und "Polyhedral Hollow Ball" wiesen dabei die höhere Leistungsfähigkeit in Phasen nach dem Mischen und in quasistationären Phasen auf als die Kugelform der neu hergestelleten Füllkörper, die eine höhere Rauheit aufwiesen. Bei MBR hatten Mischzustände Einfluss auf die Akkumulation der Biomasse in der Schüttung und die Akkumulation hatte weiter Effekte auf die Leistungsfähigkeit. Die Abbauleistung des MBRs wies eines deutlichen Unterschied zwischen 10 min und 2 min Mischdauer auf. Beim 2 min Mischdauer blieb viel abgelöste Biomasse in der Schüttung hängen wodurch Biomasseklumpen und anaeroben Zonen entstanden, so dass wärend einer langen Betriebslaufzeit die Abbauleistung geringer und instabiler wurde. Ein Vergleich der Abbauleistung in Abhängigkeit von der Schalthäufigkeit des Mischvorgangs von 1 mal alle 4 Tage bzw. von 1 mal jede Woche zeigt dabei keinen großen Unterschied. Untersuchungen mit dem Füllköpergemisch (aus "Floating Ball" und "Polyhedral Hollow Ball") zeigten, dass der Energiebedarf pro Mischvorgang des MBRs gering war. Bei längerer Betriebslaufzeit war der Energieverbrauch des MBRs durch Druckverluste und Mischen stabil. Im Gegensatz hierzu war der Energieverbrauch des FBRs durch Druckverluste abhängig von der Biomasseakkumulation und stieg mit der Laufzeit. Über einen Teil des Versuchszeitraums hinweg war er höher als der gesammte Energieverbrauch des MBRs (aus Druckverlusten und dem Mischen). Da der Druckverlust ein wichtiger Parameter für die Betriebskosten der biologischen Abluftreinigung ist, können die Betriebskosten für den MBR günstiger als für den FBR sein. Beim dem Konzept des MBRs können die Biomasse, der Druckverlust und die Abbauleistung im Betrieb durch eine Automatisierungssystem gesteuert und online kontrolliert werden.