DE4322738A1

DE4322738A1 - Verfahren und Vorrichtung zur mikrobiellen Reinigung schwefelwasserstoffhaltiger Brenngase

Info

Publication number: DE4322738A1
Application number: DE4322738A
Authority: DE
Inventors: Norbert Dr Volk; Klaus Krueger; Michal Zielinski
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-07-08
Filing date: 1993-07-08
Publication date: 1995-01-12

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur mikrobiellen Reinigung schwefelwasserstoffhaltiger Brenngase (wie z. B. Biogas oder Faulgas) sowie die Anwendung des erfin dungsgemäßen Verfahrens. Bio- oder Faulgase entstehen beim anaeroben Abbau organischer Materialien. In der Abwassertech nik anfallende Bio- oder Faulgase können auf Grund des hohen Methananteils thermisch verwertet werden. Das Brenngas hat abhängig vom Ausgangssubstrat und den Prozeßbedingungen der anaeroben Aufarbeitung eine Zusammensetzung von etwa 60-65 % Methan, 35-40% Kohlendioxid und bis zu 0,5% Schwefel wasserstoff, sowie in Spuren Ammoniak und Wasserstoff.

Einer angestrebten und zum Stand der Technik gehörenden thermischen Verwertung steht der hohe Anteil an Schwefelwasserstoff und Ammoniak entgegen. Bei einer Verbrennung entstehen aus Schwe felwasserstoff und Ammoniak umweltschädliches Schwefeldioxid und NOx-Gase. Der im Bio- bzw. Faulgas enthaltene Schwefel wasserstoff wirkt zusätzlich in dissoziierter Form korrosiv und beeinträchtigt erheblich die Standzeit der Verwer tungseinrichtungen. Es ist eine technische Aufgabe, die durch anaerobe Prozesse erzeugte Brenngase von den Schwefelwasser stoff- und Ammoniakanteilen zu reinigen. Bekannte Verfahren nutzen physikalisch-chemische Prozesse oder die mikrobielle Oxidation von Schwefelwasserstoff zur Gasreinigung. Die physi kalischen Verfahren (Adsorption an Aktivkohle, Auswaschen der Schadgase DE 37 16 199 A1) und die chemischen Verfahren (Oxi dation an Eisenhydroxid DE 32 01 393 A1) sind aufwendig und es entstehen nichtverwertbare Abfallstoffe oder es sind aufwen dige Regenerierungsverfahren notwendig. Als Alternative sind mikrobielle Verfahren zur Schwefelwasserstoffentfernung aus Brenngasen beschrieben, bei denen Schwefelwasserstoff durch Mikroorganismen, die Schwefelverbindungen zum Energiestoff wechsel nutzen können, oxidiert wird. Da die mikrobielle Schwefelwasserstoffoxidation ein aerober Prozeß ist, muß eine zur mikrobiellen Oxidation notwendige Menge an Sauerstoff zugeführt werden. Bio- oder Faulgase enthalten keinen Sauer stoff, so daß nach dem Stand der Technik, dem zu reinigenden Brenngas Luft oder ein geeignetes Oxidationsmittel beigemischt wird. Die beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen basieren auf der Nutzung aufwendiger Regelungsmechanismen (EP 0 402 704, DE-OS 35 42 345). Als Oxidationsmittel wird typischerwei se Luft genutzt. Bei der Dosage von Luft als Oxidationsmittel werden beträchtliche Mengen an Inertgasen in das Biogas einge tragen, wodurch eine Verschlechterung des Brenngases eintritt. Die Dosage eines gasförmigen Oxidationsmittels führt zu dem, zur notwendigen sicherheitstechnischen Überwachung der Explo sionsgrenzen im Gasgemisch und die notwendige Regelung der Gasströme. Die aufwendige Meß- und Regelungstechnik stellt eine Schwachstelle der bekannten Verfahren dar.

Ziel der Er findung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur mikro biellen Reinigung von Brenngasen zu schaffen, die die be schriebenen Nachteile der bekannten Verfahren beseitigt. Diese Aufgabe wird nach der Erfindung verfahrensgemäß dadurch ge löst, daß das zu reinigende Brenngas durch einen Bioreaktor geleitet wird. In dem Bioreaktor sind Mikroorganismen, mit der Fähigkeit Schwefelwasserstoff zu oxidieren, auf Trägern immo bilisiert. Durch diesen Bioreaktor wird das zu reinigende Brenngas im Gleich- oder Gegenstrom mit einer Prozeßflüssig keit geleitet. Die Prozeßflüssigkeit wird im Sumpf des Biore aktors abgepumpt und durch einen Absorber im Gleich- oder Gegenstrom mit einem Luft- oder Oxidationsmittelstrom geführt. Im Absober wird die Prozeßflüssigkeit mit Sauerstoff gesät tigt. Im Sumpf des Absobers wird die mit Sauerstoff gesättigte Prozeßflüssigkeit abgepumpt und dem Bioreaktor zugeführt. Überraschenderweise wurde gefunden, daß die Prozeßflüssigkeit dem Bioreaktor eine zur mikrobiellen Schwefelwasserstoffoxida tion ausreichende Menge an Sauerstoff zuführt und sich im Bioreaktor eine stabile Mikroorganismenpopulation ausbildet. Die Mikroorganismen oxidieren den in der Prozeßflüssigkeit absorbierten Schwefelwasserstoff im Bioreaktor. Die sich bil denden Oxidationsprodukte werden teilweise abgeschieden oder weiter zu Schwefelsäure oxidiert. Der sich bildende Schwefel wird teilweise auf den Trägern durch die Mikroorganismen abge lagert, zum Teil in der Prozeßflüssigkeit suspendiert. Über raschenderweise wurde gefunden, daß beim Betrieb eines mit Schwefel beladenen Bioreaktors als Absorber eine Abreinigung der beladenen Trägerelemente erfolgt. Verfahrensgemäß wird vorgeschlagen, zur Abreinigung der beladenen Trägermaterialien die Kolonnen alternierend als Bioreaktor und als Absorber zu betreiben. Durch einen Wechsel der zugeführten Prozeßgase wird der alternierende Betrieb ermöglicht, dabei werden die Gass tröme durch eine geeignete Vorrichtung umgeleitet. Die Abrei nigung ist als Regenerierungsphase bei sich durch Ablagerungen erhöhenden Druckverlusten notwendig. Das Oxidationsprodukt Schwefelsäure verschiebt den pH-Wert in saure Bereiche, wo durch das Auswaschen der im Brenngas enthaltenen Ammoniakan teile ermöglicht wird. Die Prozeßflüssigkeit wird kontinuier lich im Kreislauf zwischen Bioreaktor und Absorber geführt. Das Verfahren ermöglicht erfindungsgemäß die kontinuierliche Reinigung der Bio- oder Faulgase von Schwefelwasserstoff und Ammoniak und verhindert zugleich eine Vermischung von Brenngas und Oxidationsmittelstrom. Die Aufgabe wird nach der Erfindung vorrichtungsgemäß dadurch gelöst, daß der Bioreaktor als Füll körper- oder Bodenkolonne ausgelegt ist. Die Mikroorganismen mit der Fähigkeit Schwefelwasserstoff zu oxidieren, sind auf Trägern im Bioreaktor immobilisiert. Die Prozeßflüssigkeit, die erfindungsgemäß im Kreislauf zwischen Bioreaktor und Ad sorber gefördert wird, benetzt die Mikroorganismen. Die Pro zeßflüssigkeit überträgt den in der Absorberkolonne aufgenom menen Sauerstoff in den Bioreaktor. Durch eine geeignete Vor richtung kann Prozeßflüssigkeit ausgekreist werden. Damit wer den zugleich in der Prozeßflüssigkeit enthaltene Oxidations produkte ausgetragen. Die ausgekreiste Prozeßflüssigkeit wird durch eine mit den für das Mikroorganismenwachstum notwendigen Nährstoffen versetzte Prozeßflüssigkeit ersetzt. Der Flüssig keitsaustausch erfolgt in Abhängigkeit vom pH-Wert. Der für den Betrieb aufrechtzuerhaltende pH-Wert liegt im Bereich von 0,5-1,5 pH. Eine in den Kreislauf der Prozeßflüssigkeit ge schaltete Sedimentationsstufe ermöglicht in Verbindung mit der Vorrichtung zum Austragen der Prozeßflüssigkeit das Auskreisen eines Teils des suspendierten Schwefels. Zur Abreinigung von mit dem Oxidationsprodukt Schwefel beladenen Trägermaterialien und Anlagenteilen wird der Bioreaktor alternierend als Absor ber bzw. der Absorber als Bioreaktor betrieben. Vorrichtungs gemäß werden die Gaseintritts- und Gasaustrittsströme mit Hilfe geeigneter Stellorgane umgeschalten. Dabei wird je nach Betriebszustand der zu reinigende Gasstrom, sowie der Oxida tionsmittelstrom durch die entsprechende Kolonne geleitet.

Ausführungsbeispiel

Im folgenden sei die Erfindung und Vorrichtung anhand einer beispielhaften Ausgestaltung vorgestellt. Die Ausführungsform wird in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung beschrieben. Die Vorrichtung besteht aus einem Bioreaktor/Absorber (7), durch den die Prozeßflüssigkeit im Kreislauf gefördert wird. Der Bioreaktor/Absorber (7) ist eine Füllkörperkolonne. Die Mikroorganismen, die in der Lage sind, Schwefelwasserstoff zur Energiegewinnung zu oxidieren (Thiobazillus sp.), sind auf Füllkörpern (8) immobilisiert. Die Prozeßflüssigkeit (11) wird im Gleichstrom mit dem zu reinigenden Gas (1) in die als Bio reaktor betriebene Kolonne (7) so eingebracht, daß die immobi lisierten Mikroorganismen von ihr benetzt werden. Der im zu reinigenden Brenngas (1) enthaltene Schwefelwasserstoff wird sorbiert und von den Mikroorganismen oxidiert. Ammoniak wird in der sauren Prozeßflüssigkeit (pH 0,5-1,5) (11) sorbiert. Die Prozeßflüssigkeit (11) wird aus dem Kolonnensumpf des Bioreaktors (1) so abgepumpt, daß ein Gasübertritt in die als Absorber (7) betriebene Kolonne vermieden wird. In dem Absor ber (7) wird die Prozeßflüssigkeit im Gleichstrom mit einem Luftstrom (3) durch einen Gasflüssigkeitsverteiler (6) einge bracht. Im Absorber (7) wird die Prozeßflüssigkeit (11) mit Sauerstoff gesättigt. Die hohe spezifische Oberfläche, der mit Prozeßflüssigkeit (11) benetzten Füllkörper (8), sichert einen guten Stoffübergang. Die sauerstoffgesättigte Prozeßflüssig keit (11) wird am Sumpf der Absorberkolonne so abgepumpt, daß ein Gasübertritt in den Bioreaktor vermieden wird. Die Prozeß flüssigkeit wird dann wiederum über den Gasflüssigkeitsver teiler (6) in den Bioreaktor (7) eingeleitet. In der Sedimen tationsstufe (12) kann sich suspendierter Schwefel absetzen und wird über den pH-geregelten Ablaß (14) ausgekreist. Durch den pH-geregelten Ablaß wird die mit Oxidationsprodukten (Schwefel und Sulfat) beladene Prozeßflüssigkeit (11) ausge kreist. Der Anteil der ausgekreisten Prozeßflüssigkeit wird durch mit Nährstoffen angereicherte Flüssigkeit (13) ersetzt. Zweckmäßigerweise wird der Flüssigkeitsaustausch über eine ge eignete Füllstandsregelung (16) realisiert. Mit Hilfe der Gasarmaturen (5) werden in Abhängigkeit vom Druckverlust im Bioreaktor (7), gemessen über den Differenzdruck (18), die Gasströme (1, 2, 3, 4) so geschalten, daß der Bioreaktor alter nierend als Bioreaktor bzw. als Absorber bzw. der Absorber als Absorber und Bioreaktor betrieben wird.

Bezugszeichenliste

1 - zu reinigendes Brenngas
2 - gereinigtes Brenngas
3 - Luft- oder Oxidationsmitteleingangsstrom
4 - Luft- oder Oxidationsmittelausgangsstrom
5 - Gasarmaturen
6 - Flüssigkeitsverteiler
7 - Bioreaktor/Absorber
8 - Füllkörper
9 - Pumpen
10 - Flüssigkeitsarmaturen
11 - Prozeßflüssigkeit
12 - Sedimenter
13 - Vorratsbehälter für Nährlösung
14 - Ablaß für Prozeßflüssigkeit
15 - Volumenstrommessung
16 - Füllstandsmessung
17 - pH-Messung
18 - Differenzdruckmessung

Claims

1. Verfahren zur kontinuierlichen Reinigung brennbarer Gase von Schwefelwasserstoff und Ammoniak, bei dem der im Brenngas enthaltene Schwefelwasserstoff durch Mikroorganismen aerob zu Schwefel und Sulfat oxidiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das zu reinigende Brenngas durch einen Bioreaktor, in dem Mikroorganismen mit der Fähigkeit Schwefelwasserstoff zu oxi dieren auf Trägern immobilisiert sind, im Gleich- oder Gegen strom mit einer Prozeßflüssigkeit geleitet wird und diese wird nach Austritt aus dem Bioreaktor derart durch einen Absorber im Gleich- oder Gegenstrom mit einem Luft- oder Oxidations mittelstrom geführt, so daß keine Vermischung des zu reinigen den Brenngases mit dem Luft- oder Oxidationsmittelstrom er folgt und eine sauerstoffgesättigte Prozeßflüssigkeit nach Austritt aus dem Absorber in den Bioreaktor eingetragen wird, so daß sich eine zur mikrobiellen Schwefelwasserstoffoxidation ausreichende Menge an Sauerstoff im Bioreaktor einstellt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Bioreaktor und der Absorber als Füllkörper oder Bodenkolonne ausgelegt sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikroorganismen auf Trägermaterialien im Biorektor immobilisiert sind und von der Flüssigkeit, die im Kreislauf durch den Bioreaktor und durch den Absorber gefördert wird, benetzt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abreinigung des mit Schwefel als Oxidationsprodukt be ladenen Trägermaterials des Bioreaktors alternierend als Ab sorber und der Absorber als Bioreaktor betrieben wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über eine geeignete Vorrichtung Flüssigkeit und darin enthaltene Oxidationsprodukte ausgekreist werden können.

6. Verfahren nach Anspruch 1 und 4 dadurch gekennzeichnet, daß der pH-Wert der Prozeßflüssigkeit im Bereich von 0.5-1.5 pH gehalten wird, so daß der im Brenngas enthaltene Ammoniak sauer ausgewaschen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zu ersetzende Flüssigkeit mit den für das Mikroorga nismenwachstum notwendigen Nährstoffen angereichert ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Prozeßflüssigkeit in Berührung kommenden Anlagen teile aus säurebeständigen Material gefertigt sind.