Festbettreaktor mit umwälzbaren Partikeln (Festbett-Umlaufreaktor) zur Abwasserreinigung

Festbettreaktoren werden in der Anaerobtechnik eingesetzt, um die aktive Biomasse, die sich auf und zwischen den Partikeln immobilisieren kann, zu erhöhen und somit eine Steigerung der Umsetzungsgeschwindigkeit zu erreichen.

Beim Betrieb herkömmlicher anaerober Festbettreaktoren kann aus verschiedenen Gründen ein Verblocken der freien Strömungskanäle auftreten. Hierzu zählen übermäßiger Bewuchs der Partikel, Auskristallisieren von gelösten Stoffen sowie vom Festbett zurückgehaltene Feststoffe aus dem Zulauf.

Am Fraunhofer IGB wurde ein Festbettreaktor mit umwälzbaren Partikeln entwickelt, bei dem zu bestimmten Zeiten das Festbett partiell umgewälzt und dadurch ein dauernder, störungsfreier Betrieb ermöglicht wird.

Auslegungsparameter

Die Auslegung eines Festbettreaktors mit umwälzbaren Partikeln ist abhängig von den Fließeigenschaften der zur Immobilisierung der Biomasse ausgewählten Partikel. Als Grundlage zur Identifikation dieser Fließeigenschaften konnten Messmethoden und Berechnungsansätze aus der Schüttguttechnik herangezogen werden. Die Dimensionierung des Festbettreaktors erfolgt anhand von Auslegungsdiagrammen. Dabei wird Massenfluss angestrebt, wobei (im Gegensatz zu Kernfluss) das gesamte Schüttgut in Bewegung ist, sobald unten ein Teil abgezogen wird.

Prototypen

Mit Hilfe der ermittelten Auslegungsdaten wurden verschiedene Festbettreaktoren mit umwälzbaren Partikeln dimensioniert, aufgebaut und hinsichtlich der strömungstechnischen Funktion im Demonstrationszentrum für prozessintegrierte Umwelttechnik des Fraunhofer IGB untersucht. Es handelt sich um zwei Glasreaktoren (Durchmesser = 200 mm, Volumen = 20 l und 60 l), die sich besonders gut für die Beobachtung der Strömungszustände eignen, sowie um zwei Edelstahlreaktoren im Technikumsmaßstab (Durchmesser = 600 mm, Volumen = 400 l; Durchmesser = 1000 mm, Volumen = 3500 l).

Funktionsprinzip der Partikelumwälzung

Um die Partikelumwälzung zu realisieren, sind die Reaktoren mit einem inneren Förderrohr ausgerüstet. Während des Umwälzens wird Flüssigkeit aus dem Kopfraum des Reaktors abgezogen und über eine Pumpe unten in das Förderrohr eingedüst. Dadurch werden die bewachsenen Partikel hydraulisch nach oben gefördert und aufgrund der Turbulenzen auf diesem Weg gereinigt. Dieser Umwälzbetrieb ist beim Glasreaktor gut zu erkennen. Die Umwälzung im Edelstahlreaktor (Volumen = 400 l) konnte anhand von Videoaufnahmen der Abwärtsbewegung der Partikel in der Schüttung durch die Längsschaugläser des Festbettreaktors verfolgt und gemessen werden. Untersucht wurden Betriebseinstellungen sowie An- und Abfahren der Umwälzung für verschiedene Geometrien, Einbauten, Partikelmaterialien, -abmessungen und -formen.

Ausblick

Abwärtsbewegung der Partikelschüttung an einem Längsschauglas des Edelstahlreaktors nach 0, 30 und 90 Sekunden (von links nach rechts).

Die durchgeführten Experimente zeigen, dass Festbettreaktoren mit umwälzbaren Partikeln durch die beschriebenen Vorgehensweisen grundsätzlich ausgelegt werden können. Zukünftige Untersuchungen sollen dazu führen, das Fließen des Festbettes sowie den Fördervorgang noch besser zu beschreiben und somit Festbettreaktoren mit umwälzbaren Partikeln für unterschiedliche Anwendungsfälle sicher auslegen und betreiben zu können.

Derzeit sind bereits Prototypen bei verschiedenen Unternehmen im Einsatz.

Referenzprojekte

Biotechnische Metallfällung im Festbett-Umlaufreaktor

Bevor industrielle Abwässer gereinigt und entsorgt werden können, müssen sie ganz unterschiedlich aufgearbeitet werden. Dies hängt von einzelnen Faktoren ab wie z. B. Verschmutzungsart und Konzentration, Durchsatz und Reinigungsgrad, aber auch wirtschaftliche und technische Umsetzungsmöglichkeit. Der Reinigungsprozess kann dabei biologische, chemische oder mechanische Verfahrensschritte erfordern, wobei es in den meisten Fällen von Vorteil ist, verschiedene geeignete Verfahrensschritte in einem Prozess zu kombinieren.

zum Projekt

Reinigung lösemittelhaltiger Abwässer im Festbett-Umlaufreaktor

Festbettreaktoren werden in der Biotechnik eingesetzt, um die aktive Biomasse, die sich auf und zwischen den Partikeln immobilisieren kann, zu erhöhen und somit eine Steigerung der Umsetzungsgeschwindigkeit zu erreichen. Am Fraunhofer IGB wurde ein Festbett-Umlaufreaktor entwickelt, bei dem zu bestimmten Zeiten das Festbett partiell umgewälzt und dadurch ein dauernder störungsfreier Betrieb ermöglicht wird.