Expanded Granular Sludge Bed

EGSB. Ein Reaktor mit erweitertem Granulatschlammbett (EGSB) ist eine Variante des UASB-Konzepts (Kato et al. 1994). Das Unterscheidungsmerkmal besteht darin, dass für das Abwasser, das das Schlammbett durchläuft, eine höhere Aufwärtsströmungsgeschwindigkeit vorgesehen ist.

Die erhöhte Strömung ermöglicht eine partielle Expansion (Fluidisierung) des körnigen Schlammbetts, wodurch der Kontakt zwischen Abwasser und Schlamm verbessert und die Entmischung kleiner inaktiver Schwebeteilchen aus dem Schlammbett gefördert wird. Die erhöhte Fließgeschwindigkeit wird entweder durch den Einsatz hoher Reaktoren oder durch eine Abwasserrückführung (oder beides) erreicht.

Das EGSB-Konzept eignet sich für schwach lösliche Abwässer (weniger als 1 bis 2 g löslicher CSB/l) oder für Abwässer, die inerte oder biologisch schwer abbaubare Schwebstoffe enthalten, die sich nicht im Schlammbett ablagern dürfen.

Überblick über die Leistung der Reaktoren. In einer kürzlich durchgeführten Erhebung (Frankin, 2001) wurden 1215 großtechnische anaerobe Hochgeschwindigkeitsreaktoren sorgfältig dokumentiert, die seit den 1970er Jahren weltweit für die Behandlung von Industrieabwässern gebaut wurden. Die überwältigende Mehrheit (72 % aller Anlagen) der bestehenden großtechnischen Anlagen basiert auf dem von Lettinga in den Niederlanden entwickelten UASB- oder EGSB-Konzept. Diese Statistik unterstreicht, dass das Konzept des anaeroben Granulatschlammbetts das erfolgreichste für Scale-up und Implementierung ist. Die durchschnittliche Auslegungsbelastung des UASB von 682 untersuchten großtechnischen Anlagen betrug 10 kg CSB/m3.d.

Anmerkung: CSB steht für chemischen Sauerstoffbedarf und bezieht sich auf die organische Substanz im Abwasser, ausgedrückt als das Gewicht des Sauerstoffs, um sie vollständig zu verbrennen. Die durchschnittliche Auslegungsbelastung des EGSB von 198 untersuchten großtechnischen Anlagen betrug 20 kg CSB/m3.d. Die CSB-Entfernungseffizienz hängt weitgehend von der Art des Abwassers ab; die Entfernungseffizienz in Bezug auf den biologisch abbaubaren CSB liegt jedoch im Allgemeinen bei über 85 oder sogar 90 %.

Der biologisch abbaubare CSB wird manchmal durch den Parameter biologischer Sauerstoffbedarf (BSB) ausgedrückt.

Die vier wichtigsten Anwendungen für anaerobe Hochlastreaktorsysteme sind:

• Brauereien und Getränkeindustrie
• Destillerien und Gärungsindustrie
• Lebensmittelindustrie
• Zellstoff und Papier.

Auf diese vier Industriezweige entfallen zusammen 87 % der Anwendungen. Die Anwendungsmöglichkeiten der Technologie erweitern sich jedoch rasch, einschließlich der Behandlung von Abwässern der chemischen und petrochemischen Industrie, der Textilindustrie, von Deponiesickerwasser sowie von Anwendungen, die auf die Umwandlung im Schwefelkreislauf und die Entfernung von Metallen abzielen (siehe Sonstige Anwendungen). Darüber hinaus eignet sich das UASB-Konzept in warmen Klimazonen auch für die Behandlung von Haushaltsabwässern.

Kontext: 

Quellen: 

Wang, Xu & Ding, Jie & Ren, Nan-Qi & Liu, Bing-Feng & Guo, Wan-Qian. (2009). CFD simulation of an expanded granular sludge bed (EGSB) reactor for biohydrogen production. International Journal of Hydrogen Energy. 34. 9686-9695. 10.1016/j.ijhydene.2009.10.027. Understanding how a bioreactor functions is a necessary precursor for successful reactor design and operation. This paper describes a two-dimensional computational fluid dynamics simulation of three-phase gas–liquid–solid flow in an expanded granular sludge bed (EGSB) reactor used for biohydrogen production. An Eulerian–Eulerian model was formulated to simulate reaction zone hydrodynamics in an EGSB reactor with various hydraulic retention times (HRT). The three-phase system displayed a very heterogeneous flow pattern especially at long HRTs. The core-annulus structure developed may lead to back-mixing and internal circulation behavior, which in turn gives poor velocity distribution. The force balance between the solid and gas phases is a particular illustration of the importance of the interphase rules in determining the efficiency of biohydrogen production. The nature of gas bubble formation influences velocity distribution and hence sludge particle movement. The model demonstrates a qualitative relationship between hydrodynamics and biohydrogen production, implying that controlling hydraulic retention time is a critical factor in biohydrogen-production.

Bild: http://ww25.uasb.org/

ID: 161

Upward-flow Anaerobic Sludge Blanket

Die anaerobe Granulatschlammbett-Technologie bezeichnet ein spezielles Reaktorkonzept für die anaerobe Behandlung von Abwässern mit hohem Durchsatz. Das Konzept wurde mit dem UASB-Reaktor (UASB = upward-flow anaerobic sludge blanket) eingeführt. Ein Schema eines UASB-Reaktors ist in der Abbildung dargestellt.

Aus der Sicht der Hardware ist ein UASB-Reaktor auf den ersten Blick nichts anderes als ein leerer Tank (also eine extrem einfache und kostengünstige Konstruktion).

Das Abwasser wird über entsprechend angeordnete Einlässe in den Tank geleitet. Das Abwasser fließt nach oben durch ein anaerobes Schlammbett, wo die Mikroorganismen im Schlamm mit den Abwassersubstraten in Kontakt kommen. Das Schlammbett besteht aus Mikroorganismen, die auf natürliche Weise Körnchen (Pellets) mit einem Durchmesser von 0,5 bis 2 mm bilden, die eine hohe Sedimentationsgeschwindigkeit aufweisen und daher auch bei hoher hydraulischer Belastung nicht aus dem System ausgewaschen werden. Der daraus resultierende anaerobe Abbauprozess ist in der Regel für die Produktion von Gas (z. B. CH4- und CO2-haltiges Biogas) verantwortlich. Die Aufwärtsbewegung der freigesetzten Gasblasen verursacht hydraulische Turbulenzen, die für eine Durchmischung des Reaktors ohne mechanische Teile sorgen. Am oberen Ende des Reaktors wird die Wasserphase in einem Dreiphasenabscheider (auch Gas-Flüssigkeits-Feststoffabscheider genannt) von den Schlammfeststoffen und dem Gas getrennt. Der Dreiphasenabscheider ist in der Regel eine Gaskappe, über der sich ein Absetzer befindet. Unterhalb der Öffnung des Gasdeckels werden Leitbleche verwendet, um das Gas zur Öffnung des Gasdeckels zu leiten.

Kurze Geschichte UASB

Das UASB-Verfahren wurde von Dr. Gatze Lettinga und Kollegen in den späten 1970er Jahren an der Universität Wageningen (Niederlande) entwickelt. Angeregt durch Veröffentlichungen von Dr. Perry McCarty (Stanford, USA) experimentierte das Team um Lettinga mit einem anaeroben Filterkonzept. Der anaerobe Filter (AF) ist ein anaerober Hochgeschwindigkeitsreaktor, in dem Biomasse auf einem inerten porösen Trägermaterial immobilisiert wird. Bei Versuchen mit dem AF hatte Lettinga beobachtet, dass sich neben der auf dem Trägermaterial fixierten Biomasse ein großer Teil der Biomasse zu freien körnigen Aggregaten entwickelte. Das UASB-Konzept kristallisierte sich während einer Reise von Gatze Lettinga nach Südafrika heraus, wo er in einer anaeroben Anlage zur Behandlung von Weinvinasse beobachtete, dass sich der Schlamm zu kompakten Granulaten entwickelte. Das Reaktordesign der besuchten Anlage war ein "Clarigestor", der als Vorläufer des UASB betrachtet werden kann. Der obere Teil des "Clarigestor"-Reaktors hat ein Klärbecken, aber keinen Gasdeckel.

Die Geburt des UASB

Das UASB-Konzept entstand aus der Erkenntnis, dass ein inertes Trägermaterial für die Biomassebefestigung nicht notwendig ist, um einen hohen Anteil an aktivem Schlamm im Reaktor zu halten. Stattdessen beruht das UASB-Konzept auf einem hohen Rückhaltegrad der Biomasse durch die Bildung von Schlammgranulat. Bei der Entwicklung des UASB-Konzepts berücksichtigte Lettinga die Notwendigkeit, die Ansammlung von körnigem Schlamm zu fördern und die Ansammlung von dispersem Schlamm im Reaktor zu verhindern. Die wichtigsten Merkmale für die Entwicklung von körnigem Schlamm sind erstens die Aufrechterhaltung eines Aufwärtsstroms im Reaktor, der Mikroorganismen auswählt, die sich zusammenballen, und zweitens die Gewährleistung einer angemessenen Trennung von Feststoffen, Flüssigkeit und Gas, um ein Auswaschen der Schlammkörner zu verhindern.

Erster UASB. Das UASB-Reaktorkonzept wurde rasch zur Technologie entwickelt, die erste Pilotanlage wurde in einer Rübenzuckerraffinerie in den Niederlanden (CSM suiker) installiert. Danach wurde in den Niederlanden eine große Anzahl von großtechnischen Anlagen in Zuckerraffinerien, kartoffelstärkeverarbeitenden Betrieben und anderen Lebensmittelindustrien sowie in Altpapierfabriken installiert. Die ersten Veröffentlichungen über das UASB-Konzept erschienen in den späten 1970er Jahren in niederländischsprachigen Fachzeitschriften, und die erste internationale Veröffentlichung erschien 1980 (Lettinga et al. 1980).

Grahik: By Tilley, E., Ulrich, L., Lüthi, C., Reymond, Ph., Zurbrügg, C. - Compendium of Sanitation Systems and Technologies - (2nd Revised Edition). Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology (Eawag), Duebendorf, Switzerland. ISBN 978-3-906484-57-0., CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=42267210

Kontext: