Entwicklung eines Systems zum mechanischen Biomasseaustrag bei Biorieselbettreaktoren

Abstract

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.

In this work, a mixed bed reactor (MBR) was developed. It was then applied in a biotrickle bed reactor for waste gas treatment to remove excess biomass and prevent clogging in the bed of the reactor.

The performance and feasibility of the MBR were investigated and compared with a conventional trickle bed reactor (fixed bed reactor, FBR) in the semi-technical scale (packing volume of 144 L). Parallel operation of the MBR and the FBR were performed. Toluene was used as a pollutant in the experiment. The two reactors were inoculated with the same enriched culture from an effluent sample derived from the rotating biological contractor located at University of Stuttgart, Germany.

In the FBR, the pressure drop and the pollutant elimination capacity depended on growth and the accumulation of the biomass as the specific biofilm surface area was reduced by an increasing biofilm thickness. This also caused considerable mass transfer reduction when the clogging of biofilm developed. After biomass was accumulated in the FBR, the pressure drop increased (from 0 to 1560 Pa m -1), the clogging occurred and the elimination capacity decreased. The clogging appeared after the start-up for three to four months with specific volume load of 22 - 33 g C m -3 h -1.

In the MBR, the excess biofilm on the packing material was successfully detached by periodic movement of the bed owing to a rotation of the developed mixing equipment. The excess biomass was removed from the bed together with the operational trickling water. During the two year-operation with the mixed packing media of "Floating Ball" and "Polyhedral Hollow Ball" and the operation with the newly developed packing material for several months, the excess biofilm was successfully removed from the bed. As a result, the low pressure drop (0 -42 Pa m -1) could be maintained and no clogging in the bed was found. Comparing with the FBR, the MBR significantly showed a longer operation period and lower pressure drop. For specific volume load up to 80 g C m -3 h- 1, the toluene was almost completely eliminated by the MBR in quasi steady state at the gas empty bed detention time of 35 s and 96 s. The elimination capacity was lower (80%) in the same load at detention time of 17 s.

The packing media played an important role in the performance of the MBR. Apart from meeting general requirements for the conventional biotrickle bed reactor, the suitable media for the MBR should be easily moveable so as to reduce the friction in the mixing process. The mixed packing media of "Floating Ball" and "Polyhedral Hollow Ball" showed the higher performance in both operational phases (after mixing and quasi steady state) than the new media, which has a sphere form with high roughness surface. This was because the complex form of "Polyhedral Hollow Ball" of the mixed packing media could protect part of biofilm. It also had higher porosity to support the better gas distribution.

For the MBR, the mixing condition had an influence on the accumulation of biomass in the bed and on the performance. The result showed a significant difference of the elimination capacity between the mixing conditions of 2 min and 10 min mixing period. For the mixing period of 2 min, some detached biofilms still remained in the bed, causing the agglomeration of biomass and anaerobic zone. Consequently, the efficiency and the stability were lower in a long term operation. In the comparison between the mixing frequency conditions: once every 4 days and once a week, no significant difference of the efficiency could be observed.

Based on the experiment, the result indicated that the MBR consumed low energy for both bed mixing (with the mixed packing media) and for pressure drop in the bed. In contrast, the power requirement of the FBR depended on the pressure drop from the biomass accumulation, which increased during the operation over time. At a certain operational period, the power requirement of the FBR was higher than the total power requirement of the MBR (for pressure drop and mixing). As the pressure drop is an important parameter of the operation cost for the biological waste gas treatment, the lower energy requirement for pressure drop would lead to the lower operation cost in the case of the MBR compared to the FBR.

With the functional concept of the MBR, the automatic control of biomass, pressure drop and efficiency of the reactor could be achieved.