Ammoniakverwijdering met behulp van het SHARON-ANAMMOX proces uit de afgasstroom van een kippenfokkerij

,~i·

T

U

Delft

Technische Universiteit Delft

FVO Nr.

1

0

rek

r(AovY'

\

I

0?O

~~

-lJ1~s~

Fabrieksvoorontwerp

Vakgroep Chemische Procestechnologie

Onderwerp

Ammoniakverwijdering met behulp van het

SHARON-ANAMMOX proces uit de afgasstroom

van een kippenfokkerij

Auteurs

Y.P

.11.

Driessens

D.T. Nguyen Phuc

ED.Oegema

D.P. Preyde

Keywords

Telefoon

015-2560556

015-2159549

015-2627968

015-2146071

SHARON, ANAMMOX, ammoniakvenvijdering, nitrificatie, denitrificatie, bioprocestechnologie

DatuJll opdracht:

Datum

verslag:

21 oktober 1997

19 januari 1998

Verdere toevoegingen

Tabel 2.1 wordt uitgebreid met de concentraties in kg/m3, de frakties in gewichtsprocenten, de volumestroom in m3Jh en de massastroom in kg/ho . De nieuwe tabel 2.1 wordt hernoemd tot tabel 2.1 a, waaraan tevens de tabel 2.l b wordt toegevoegd. Deze tabel geeft de specificatie van de melasse toevoer, de tweede voedingsstroom van het proces.

De volumestromen zijn berekend als het product van de molfractie (als het molpercentage gedeeld door 100) met de totale stroom, i.e. 230 000 m3 Jh voor het voedingsgas en 0.003 m3/h voor de melassetoevoer. Hieruit zijn de massastromen berekend als het product van de volumestroom met de concentratie in kg/m3.

De totale voedingsgasstroom (in kg/h) wijkt af van de waarde die in de componentenbalans is gebruikt (270669.52 tegen 271212.38 respectievelijk), doordat bij het opstellen van deze balans een oudere waarde gebruikt werd die door afrondingen verschilt van de precieze waarde. De afwijking bedraagt echter slechts 0.2

% en wordt daarom als onbelangrijk beschouwd. .

Het aantal decimalen lijkt gezien de nauwkeurigheid van de basisgegevens (lof 2 significante cijfers) in veel gevallen onrealistisch groot, zoals bij de mol- en gewichtspercentages. Deze notatie werd echter vanwege de duidelijkheid en overzichtelijkheid verkozen boven de wetenschappelijke notatie, waarin het realistische aantal significante cijfers wel naar voren zou komen.

\..J

..

_,

TabeI2.1a: S, ll" h d' '-·0-0 - -

-component formule molmassa concentratie mol % concentratie gewicht % volumestroom massastroom

glmol moVm3 kglm3 m3fh kg/h stikstof N2 28 32.20000 78.8245 0.901600 76.61299 181296.4 207368.00 zuurstof

O

2 32 8.50000 20.8077 0.272000 23.11306 47857.7 62560.00 waterdamp H20 18 0.13000 0.3182 0.002340 0.19884 731.9 538.20 koolstofdioxide CO2 44 0.02000 0.0490 0.000880 0.07478 112.7 202.40 ammoniak NH₃ 17 0.00025 0.0006 0.000004 0.00033 1.3 0.92 totaal 40.85025 100.0000 1.176824 100.00000 230000.0 270669.52 TabeI2.1b: 8 Lr .. ~~. _.-. d, ---.. _---_. --

-component formule molmassa concentratie mol % concentratie gewicht % volumestroom massastroom

g/mol mollm3 kg/m3 m3fh kg/h

melasse C6H1206 180 3127.8 11.4 563.0 56.3 0.000342 1.69

water H20 18 24278.0 88.6 437.0 43.7 0.002658 1.31

totaal 27406.0 100.0 1000.0 100.0 0.003000 3.00

Tenslotte is de componenten balans van bijlage 11 gecorrigeerd: Gecorrigeerde Stroom/Componentenstaat Apparaat Nr: StroomNr: Stroom Naam Temperatuur

eC)

Druk (abs bar) Componenten NH3 NH/ N2 CO2 HC0 3-CH20 H20 O2 K+ H+ Totaal M-deb ~()taa1 Q-deb Min kg/h QinkW 1 25 1 0.98 207920.00 202.40 529.00 62560.00 271212.38 22630.00 2 3 25 5 1.3 1 0.98 207920.00 202.40 1.69 529.00 1.31 62560.00 271212.38 3.00 22630.00 0.97 4 5 2 1.69 1.31 3.00 0.97

NB: Massabalans en warmtebalans zijn over componenten en bulk.

5 25 1.2 0.98 207920.00 202.40 529.00 62560.00 271212.38 22630.00 6 7 8 9 25 25 5 10 1.2 1.2 1.1 1.2 0.0002 0.98 0.02 0.08 0.88 41.5840 207878.42 207878.42 0.0405 202.36 201.39 0.13 1.44 0.1058 528.89 528.89 1495.50 12.5120 62547.49 62547.49 0.60 0.00 54.2425 271158.14 271156.21 1498.63 4.5260 22625.00 21107.00 492.40

-(:;'

Apparaat Nr: StroomNr: Stroom Naam Temperatuur (0C)

Druk (abs bar)

Componenten NH3 NH/ N2 CO2 HC0₃ -CH20 H20 O2 K+

W

Totaal M-deb Totaal Q-deb Min kgJh QinkW 10 25 2 0.0002 41.5840 0.0405 0.1058 12.5120 54.2425 4.5260 11 12 13 10 10 2 2 0.08 0.08 0.88 0.88 0.13 0.13 1.44 1.44 1.69 1495.50 1496.81 0.60 0.60 0.00 0.00 1498.63 1501.63 492.40 493.40

NB: Massabalans en warmtebalans zijn over componenten en bulk.

14 15 16 17 25 25 25 25 5 2 1.1 1.6 2 1.1 i 0.08 0.00 0.0001 0.0001 0.02 I 0.88 0.0033 0.0033 I 42.37 207920.79 0.13 2.55 0.0680 0.0680 203.94 1.44 0.5320 0.5320 1.69 1496.81 2.94 1495.5000 1495.5000 531.82 11.31 62558.80 0.60 0.6000 0.6000 0.00 0.0000 0.0000 1501.63 59.17 1496.7034 1496.7034 271215.37 519.58 4.94 517.9000 517.9000 21111.00

Het aantal decimalen wordt bepaald door de kleinste concentraties, i.e. die van ammoniak (NH3/NH4 +). In vergelijking met de concentratie van

de bulkcomponenten, N2 en H20 , is deze concentratie zo klein dat hij normaal gesproken verwaarloosd zou worden, maar dat wordt hier

natuurlijk niet gedaan in verband met de rol die ammoniak in het proces speelt. Er wordt steeds een zo klein mogelijk aantal decimalen genomen. Hierbij wordt de ammoniakconcentratie afgerond op 1 significant cijfer, wat gezien de nauwkeurigheid van de basisgegevens gerechtvaardigd is. In de meeste gevallen leidt dit tot 2 decimalen, alleen bij de stromen 6, 10, 15 en 16 is de concentratie zo laag dat 4 decimalen genomen moeten worden.

...

Errata

pag. 16 [lit] moet zijn [6]

17 _{Formule 2.15: in de vierde Monod-term van rechts: CC02 moet zijn CO2} 23 de eenheid van U (warmteoverdrachtscoëfficiënt) moet zijn W/m2·K 25 Tabel 4.1: CC02

=

2.10-2 mol/m3

26 eenheid D is m2/s

27 Tabel 4.2: Toevoegen drukval (M»

=

0.4 bar, zie lit [36]

49 MORE P: reactie moet zijn 'relief valve monteren' i.p.v. 'relief naar riool'

62 Toevoeging aan de lijst:

Bijlage 12

35. Chemisch Weekblad no.44, jaargang 93, 1 november 1997, pag. 2 36. H. van den Akker & R. Mudde, Dictaat Fysische

Transportverschijnselen !, D 1993

massa balans: eenheid: kg/h energie balans: eenheid: kW Toegevoegde literatuurverwijzingen pag. 25 Vergelijking 4.10: [10] 26 Vergelijking 4.11: [10] Vergelijking 4.12: [24] 27 Vergelijking 4.16: [10] Vergelijking 4.17: [36] Toegevoegde bijlageverwijzingen

pag. 20 Stroom 6 is 0.02% van strooml: zie bijlage 17.1 Uitgaande stroom van voorraadvat: zie bijlage 17.2 27 Berekening van de drukval: zie bijlage 17.3

Verdere toevoegingen

Tabel 2.1 wordt uitgebreid met de concentraties in kg/m3 en de frakties in gewichtsprocenten. De nieuwe tabel 2.1 wordt hernoemd tot tabel 2.1 a, waaraan tevens de tabel 2.1 b wordt toegevoegd. Deze tabel geeft de specificatie van de melasse toevoer, de tweede voedingsstroom van het proces.

T,bI21 a e . a: S amenste Il' mg van et voe mgsgas h d'

component formule molmassa concentratie mol % concentratie gewicht %

glmol mQVm3 kg/m3 _• stikstof N2 28 32)2 78 9 0904 76 7 zuurstof O2 32 850 20 8 0272 23 1 water~ H20 18 013 0 32 00023 0 20 koolstofdioxide CO2 44 002 0 49 000088 0 746 ammoniak NH3 17 000025 0 P0061 00000043 0 P0036 totaal 40~

_,

1001 118 100}

T, a e b 12 lb S : amenste mg van e me asse oe voer Il' d

component formule molmassa concentratie mol % concentratie gewicht %

glmol moVm3 kglm3

melasse C6H1206 180 312718 11 4 5630 56 3

water H₂0 18 24278 88 6 4370 43 7

totaal 27406 1001 1000} 1001

Tenslotte is de componentenbalans van bijlage 11 gecorrigeerd: Gecorrigeerde StroomlComponentenstaat Apparaat Nr: StroomNr: Stroom Naam Temperatuur

eC)

Druk (abs bar)

Componenten

NH

3

NH/

N2 CO2 HC0 3-CH20 H20 O2 K+

W

Totaal M-deb Totaal Q-deb Min kg/h QinkW 1 25 1 0~9775 ~ 207920\ 2024 52~ 62560 ( 271212138 22630 2 3 25 5 1.3 1 OJ9775

'-.

207920 2024 1.69 529 1.31 62560 ./ I 271212 8 3.00 22630 0.97 4 5 2 1.69 1.31 3.00 0.97

NB: Massabalans en warmtebalans zijn over componenten en bulk.

5 25 1.2 I 0(9775

"""

207920 202 4 529 6256C

,-271212 138 22630 6 7-1-

b

-

e,

25 25 1.2 1.2 I 00002 019773 ~

"

411584 207878 42 00405 202 36 ( 01058 528~942 12 1512 62547 88 { .'"\ 54 2425 271158.\14 4526 22625 8 5 1.1 f 0}0196

""

207878 42 201 ~9 f 528~942 62547 488 ~ 271156 ~1 21 07 2~~ 9

=

-

<

8.:

10 1.2 Op776 0~835 01267 1 ~433 ~ 149515

/

06000 00000 1498 6311 492.4

o~~

_ o_ih

t OJt{

,.

o.A

1

~

--C"

Apparaat Nr: StroomNr: Stroom Naam Temperatuur (0C) Druk (abs bar)

Componenten NH3 NH₄+ N2 CO2 HC0 3-CH20 H20 O2 K+ H+ Totaal M-deb Totaal Q-deb Min kglh QinkW 10 11 25 10 2 2 OP002 0.tn76

\

08835 41J;84 0 P405 01267 1 ~433

---0 1---058 1495\5 12 ~12

r

016000

,.

00000 5412425 1498 6311 4.526 492.4 12 13 10 25 2 2 00776 00776 08835 08835 01267 01267 114433 1 ~433

T

69 1169 1496 181 1496 81

r

r

06000 06000 00000 00000 1501 6311 1501 6311 493.4 519.58

NB: Massabalans en warmtebalans zijn over componenten en bulk.

~~\.

~

,4 ) 15 ~ 25 25 1.1 1.6 o pOOO o pOOl 00033 42 3729 25511 o P680 o ~320

""'

29372 149515 11 ~092 ~ 06000 0 0000 59 1702 1496 tJ034 Ll.937 517.9

,

16 17 25 5 2 1.1 o pOOl 0\0196 Ob033

"

207920}79 00680 203 411 0~320 ~ 149515 531 214 ~ 62558 r797 O~OOO OPOOO 1496 ~034 271215137 517.9 21111 I

Berekening van de luchtgift, stroom 10 in bijlage 1

Lucht door bellenkolom: 0.5% 02-uitputting per meter waterkolom Ingaande lucht: 21% O2

Uitgaande lucht: (21 - 0.5*H)% O2

Met H de hoogte van de waterkolom in de reactor: H

=

5 m Uitgaande lucht: 18.5 % O2

Molenbalans over de lucht door de reactor: IN: a mol/h O2

b mol/h N2 UIT: a-X mol/h O2

b mol/h N2 (productie van N2 in de reactor wordt hier niet meegenomen) Er geldt: a/(a+b)

=

0.21

(a-X)/(a-X+b)

=

0.185 Hieruit volgt: a = 6.85*X

b

=

25.75*X

en de luchtgift

=

32.6*X

X volgt uit de reactorsimulatie: deze is maximaal 43.4 mol/h (op het moment dat het voedingsgasdebiet maximaal is)

Daaruit volgt: luchtgift

=

1415 mol/h

=

34.0 m3fh

Het totale voedingsgasdebiet bedraagt 230 000 m3 fh luchtgift/totale voedingsgasdebiet = 0.0002 = 0.02 % Bijlage 17.2 Melassetoevoeging (pag. 20)

Melasse nodig: 1.69 kgfh

=

284 kg/week

Melasse wordt gestort in het voorraadvat en dit vat wordt aangevuld met water tot 500 liter. De uitgaande stroom van het vat is 3 l/h, dat wil zeggen 504 lIweek.

Bijlage 17.3 De warmteuitwisselingscapaciteit van de reactorwand

De maximale warmteproductie in de reactor vindt plaats als de ammoniakload maximaal is.

Wanneer aangenomen wordt, dat van deze maximale ammoniakload (instantaan) 98 % wordt geabsorbeerd in de scrubber, waarna daarvan ook 98 % omgezet wordt in de reactor, geldt:

waarbij 57.5 mol/h (230000*2.5.10-4)

300 kj/mol (schatting van gemiddelde) Qprod,max is dan 1.66.104 kJ/h = 4.6 kW

De warmteuitwisseling van de reactorwand met de omgeving wordt gegeven door: Qkoel

=

U· A ·IlT

waarbij

u

A

200 W/m2·K ([14], de reactor wordt opgevat als een met water gevulde tank gekoeld door lucht)

80 m2, gebaseerd op het watervolume in de reactor (D=5.1 m, H=5.1 m)

Als de Qkoel gelijk moet zijn aan Qprod,max, kan berekend worden, dat IlT gelijk moet zijn aan 0.29 K.

Bijlage 17.4 De drukval in de scrubber

!lP

=

-4·

f

.

P lucht • V sg 2·D k

Bijlage 17.5 De ammoniakconversie in de reactorsimulatie

ç

=

Cin -Cuit

Cin

De conversie wordt per cyclus van 7 weken berekend. In plaats van concentraties worden cumulatieve hoeveelheden in- en uitgestroomd ammoniak genomen. Er geldt dan, volgens vergelijking 4.18:

Uit het oppervlak van de piek in figuur 4.3 volgt 'Cuit': 'Cuit' = 1102

Voorwoord

Fabrieksvoorontwerp klinkt tamelijk technisch.

In de uitvoering blijkt het ook tamelijk technisch te zijn.

Zoals alles in de wereld staat of valt het echter door de mensen die erbij betrokken zijn. Wij bedanken de mensen, die ons bij dit FVO staande hebben gehouden.

Marc Strous liet ons in het diepe springen, maar was ook de eerste reddingsboei.

~(:

(6(8

~{-'2~~'

Mark van Loosdrecht. professor Heijnen en Mike letten hielden ons drijvende.

r <. .

Paul Lebens deed ons de principes van monolieten uit de doeken.

Chris Hellinga stond altijd klaar om ons, met zijn kennis van Simulink en de bioprocestechnologie, te helpen op onze moeizame weg naar een reactor;model in Simulink. Martijn Leskens stelde ons in zijn vrije weekend zijn computerruimte ter beschikking en rustte niet voordat hij vervanging voor alle hopeloos vastgelopen computers had gevonden. Frank Samuel en Valerie Carnet stelden ons hun computers onvoorwaardelijk ter beschikking, toen ook de vervangende computers hopeloos waren vastgelopen . .

De bewoners van verdieping 19 van de Krakeelhof tenslotte tolereerden, dat we hun huis een etmaal lang tot zenuwcentrum van operatie D-Day bombardeerden.

HJu~1

U-~~

~~--~W~k.

z;."

~?./~

~~~

sk. ...

_6,...~~

I

..

Samenvatting

Samenvatting

k.-~

~A-I()

',0<"0

_tt.u~

,

Door strengere milieuwetgeving worden kippenfçkkerijen in Nederland genoodzaakt de

ammoniakuitstoot te verminderen. In dit Fabrieksvoorontwerp wordt onderzocht, of voor een

specifiek geval het Sharon-Anammoxproces hiervoor kan worden toegepast. De combinatie

van Sharon, en J\nammoxbacteriën kan amfn4niak omzetten in stik~fg_as, zonder dat

da~.ty r een organische rondstof nodi is. Sharonbac.teriën zetten een deel van het

ammoniak ~b om in nitriet terwijl ammox he r~sterende amm~ni . k met het gevorrride

mtrIet anaëroob in stikstofgas omzet.

-===. - -

_#

_..,...3.

?

De afgasstroom 7 d e kippenfokkerij bestaat uit lucht, die ammoniak in een concentratie van

2.5.10-4 mol/m3 bevat. Het afgasdebiet varieert inëIëtijd in cyc'ti van 7 wpken. In de eerste 6

weken stijgt het debiet van 0 naar 230.000 m3!h, in de zevende week is het debie't nul. Er dient

een reinigingsinstallatie ontworpen te worden, die de dynamische ammonfakload kan

verwerken en oP. jaarbasis voor 95% reductie van de uitstoot zorgt. De installatie ~oet

technisch zo eenvoudig mogelijk zij!).2!r~en kracht langdurig te kunnen draaien.

(~~ .

In de gekozen procesroute wordt

ammoniak

~

liet

scrubber in water

geabsor~eerd

en daarna in een c~ntinue react.or omgeze~ bij jltmOsfer{sche druk en een terp.peratuur van 25

o . De sc

ber~

ontworpen

op

~

fficiency

~

98%. Het proceswater is met

bi

~

arbona

'

ät

~

'ebulfero en wordt in e;;--n

~leter

r

1êiiilgloo

tussen reactor en scrubber erul.2e:pejmpt. Door deze gesloten kringloop blijft e biomassa i het systeem behouden, wat

belangrijk is vanwege de langzame groei van Anamm r ubbelingstijd 13' dagen). Door

de buffering van het proceswater lost arrn:noniak zo goed op, dat er een relatief kleine

hoeveelheid watiMimhg is. De waterstroom heeft een constant debiet van 1.5 m3 !h. Ophoping

van dode biomasse wordt voorkomen door de aanwezigheid van heterotrofe bacteriën, die op de dode biomassa groeien. De reactor is uitgevoerd als een bellenkolom met een

vloeistofyolume van 100 m3. Er wordt ge_, v7erkt onder zuurstoflimitatie,

~-;;-;'

ij

~

m

de juiste

verhouding tussen Sharon en Anammoxactiviteit te bereiken, anderzijds vanwege lJet obligaat

anaërobe kara ter van Anamrriox.

?

. = -

=-

(y/J!!K-~~.J ~ .

De reactor werd in MATLAB/SIMULINJÇ-gesimuleerd. Uit de resultaten bleek, dat bij een

zuurstofconcentratie van 1.10-3 mol/m3 voor een volledige omzetting van ammoniak naar

stikstof een verhouding tussen Sharon e~ Anammox van ~ de 1 :20 nodig is. De

totale biomassaconcentrati~ bedraagt hierbij 250 C-molll (6 gil). Onder deze omstandigheden

bleek niet alle gevormde nitraat door de Heterotro~n omgeiet te kunnen worden, doordat

deze door dode biomassa gelimiteerd werden.

D

it

kan door toevoeging van additionele

koolstofbron in de vorin van melasse wordèn verho~~~:.... ~.(

d't.

.f

tt!

(I;....

>

De dynamische ammoniakload heeft een variabele ammoniakconcentratie in het proceswater tot gevolg. Door de schommelingen in de ammoniakload is de biomassaconcentratie niet

constant. De hoeveelheid biomassa in de reactor volgt de varIatIe in de

ammoniakconcentratie. Zo ontstaat een typerend periodiek patroon van schommelende

concentraties, dat vaR tQsJ3assiRg is 9fJ ammoniak, de bacteriepopulaties, nitraat en oOk de

temperatuur. ~

ii

De simulatie van het re'lS!Prmodel kon niet volledig doorgevoerçi worden. Ten eerste konden

de p~ten nog niet in het simqlatiemodel ingevoerd worden, ten tweede kon de

kopp rn van de reactor aan de scrubber: niet gesimuleerd worden. Hierdoor is er uiteindelijk geen dynamische simulatie van het gehele proces verkregen, maar moest er volstaan worden met het doorrekenen van de stromen op basis van de maximale ammoniakload, die hierbij als constante voeding wen! genomen. Bij de onvo-lledige simulati_e vàn de' reactor bleek er per cyclus ~ conversie berei~t te worden. Aan de doelstelling ~an het proces, 95% conversie, is dus nog niet voldaan.

De totale investeringskosten van de installatie bedragen hfl 632.000. De jaarlijkse lasten bedragen hfl 83.000, indien er geen inve~dien effect is in d~ vo van subsidies, kortingen op milie~heffing, enz. Met het pro~es wordt ámmoniak verwijderd t gen een prijs van hfl 20 per

!9,lQ.

Er wordfgeen geld terugverdiend rpet het proces, omdat er gèen~eV e product(en) gevormd worden. De heffing op de uitstoot van ammoniak beáraa t hfl 60 ch~er, pas bij overschrijding van een bepaalde normwaarde. De:ze normwaaide bepaa juiteindelijk, of hét economisch is om de installatie in gebruik te nemen. / /

/

I

u/>~'

r

-/

);Cl/6

~

.

(

-=- \..

'C~(&C.

,/t.

~?

,

_.-

----_._----

_ _ _ ,P' ,'"

Inhoudsopgave

Inhoudsopgave

Voorwoord i Samenvatting. ii 1. Inleiding 4 1.1 Achtergrond 4

1.2 Beschrijving van de opdracht. 5

2. Uitgangspunten 6

2.1 Externe specificaties en randvoorwaarden 6

2.2 Keuze procesroute en blokschema 8

2.2.1 Mogelijke processchema's 9

2.2.2 De gekozen procesroute 11

2.3 Stoichiometrie en kinetiek 12

2.3.1 Inleiding 12

2.3.2 De vergelijkingen 16

2.3.3 Overzicht van stoffen 19

3. Beschrijving van de procesroute 20

3.1 Procesflowschema 20 3.1.1 De voeding 20 3.1.2 De scrubber 20 3.1.3 De reactor 20 3.2 Hulpstoffen 21 3.2.1 Buffer 21 3.2.2 Medium- en spore-elementen 21 3.2.3 Melasse . 21 4. Proces- en apparaatberekeningen 22

4.1 Pompen, compressor en warmtewisselaar 22

4.1.1 Ontwerp van de compressor en blower. 22

4.1.2 Ontwerp van de pompen 23

4.1.3 Ontwerp van de warmtewisselaars 23

4.2 De scrubber 24

4.2.1 Argumentatie voor een monolietscrubber 24 4.2.2 Berekening van de dimensies van de sc rubber 24 4.2.3 Berekening van het benodigde uitwisselende

opperv lak 26

4.2.4 Bepalen van de afmetingen van de scmbber 26

4.2.5 Berekening van het vloeistofdebiet 27

4.3 Bioreactor. 4.3.1 Introductie 4.3.2 Randvoorwaarden en aannames 4.3.3 Wiskunde model 4.3.3.1 Modellering 4.3.3.2 Simulink model 4.3.3.3 Simulatie

4.3.3.4 Resultaten van de simulatie 4.3.3.5 Definitief ontwerp van de reactor 5. Massa en warmte balans

5.1 De massabalans 5.2 De warmtebalans

6. Overzicht en specificatie apparatuur 6.1 Apparatenlijst voor toren en reactor 6.2 Apparatenlijst voor warmtewisselaar

6.3 Apparatenlijst voor pompen, blowers en compressoren 7. Procesbeheersing 7.1 Inleiding 7.2 De scrubber 7.3 De reactor. 7.3.1 De 02-control 7.3.2 De LIAZ-control op de reactor 7.3.3 De T-control

7.3.4 LIAZ control op het voorraad vat met melasse. 7.4 Procesregeling ten behoeve van procesveiligheid.

8. Procesveiligheid 8.1 Inleiding 8.2 Basisfactoren

8.3 HAZOP-analyse van het proces

8.3.1 BAZOP-analyse van de scrubber 8.3.2 BAZOP-analyse van de reactor. 9. Economie . 9.1 Inleiding 9.2 Algemeen . 9.3 Productiekosten 9.4 Loonkosten 9.5 Investeringskosten.

9.5.1 Investeringen volgens Lang

28 28 29 31 31 32 33 35 39 41 41 41

42

42 42 43

44

44 44 44 44 45 45 45 45

46

46 46 48 48 49 50 50 50 51 51 52 52

9.5.3 Zevnik-Buchanan TI

9.5.4 Investeringen volgens Taylor 9.5.5 Investeringen volgens Wilson 9.5.6 Investering in biomassa.

Afuh;ijv

~

. .

en e over de lening Opbrengsten

Berekening van de winst of verlies 9.10 Pay Out Time (POT)

9.11 Return on Investment (ROl) 9.12 Internal Rate of Return (IRR) 9.13 Conclusie 10. Conclusies en aanbevelingen 11. Symbolenlijst 12. Literatuur BIJLAGEN Flowsheet Opdracht

Gegevens van firma Dorset

Anammox groei snelheid als f (pH en temp.) Zes processçhema' s

Scrubberdimensies Simulink programma Simulatie scrubber Simulatie Batch model Simulatie Steady State model Simulatie Dynamisch model Simulatieprocedure Kinetiek v.h. proces Parameters v.h. model Berekeningen equipment Componentenbalans Warmte- en massabalans

Berekening van m en stroomverbuik Methode van Zevnik-Buchanan Methode van Taylor

Methode van Wilson Berekening van de IRR Berekening massabalans

Debiet en stikstofvracht in de tijd

Inhoudsopgave 53 54 54

I

. 55

·

e

'

SS

--=::>

Ç.

.

-ss-55 56 56 56 57 57 58 59 61

~~J.-­

l~.~~

~~~

-Bijlage 1 Bijlage 2 Bijlage 3 Bijlage 4 Bijlage 5 Bijlage 6 Bijlage 7 Bijlage 8.1 Bijlage 8.2 Bijlage 8.3 Bijlage 8.4 Bijlage 9.1 Bijlage 9.2 Bijlage 9.3 Bijlage 10 Bijlage 11 Bijlage 12 Bijlage 13.1 Bijlage 13.2 Bijlage 13.3 Bijlage 13.4 Bijlage 13.5 Bijlage 14 Bijlage 15

1. Inleiding

1.1 Achtergrond

/"

Nederland heeft per vierkante . ometer de grootste ammoniak1.!itstoot van Europa. Jaarlijks wordt meer dan achthonderd miljoen kil2.,stikstof in de vorm van vee,voer en kunstmest geïmpqrteerd. Het grootste gedeelte verdwijnt 'via diffuse emissies(-mest, inefficiënt kunstmestgebruik ) direct uit de

statisti~ken

.

De rest komt via

agrari~

pro ucten uiteinde Ijk als ammoniak terecht in de lucht of in afvalwater. Ammoniak in het oppervlakte~ater, de bodem en de atmosfeer is medê-veroorzaker van milieuprob ~. als eutrofiëring en verzuring, alhoewel sommigen dit laatste ontkenne [35].) In elk ~vaf probeert ~ overheid al sinds lange tijd de ammonia uitsr e't terug te dringen. In 1998 zal het op het oppervlakt~water geloosde afvalwater nog slechts 10 mg stikstof pe~ liter mogen bevatten.

In Nederland vormen de huishoudens, de ind~trie en de agrarische sector de drie grote groepen van ammoniakproducenten. Vrijwel al het huishoudelijk afvalwater wordt in Nederland géreinigd in de grote ' gemeentelijke rioolwaterzuiveringsinstallaties (RWZ!,s): Grote industrieën hebben vaak een eigen afvalwaterbehandelingsinstallatie. De kleinere bedrijven in de agrarische sector worden door scherpere milieuwetgeving meer en meer gedwongen, hun ammoniakuitstoot te beperken. ,IIT>~

Biologische processen zijn bij uitstek

ge~ch.

i

voor de omzetting van ammoniak in verdunde afvalstromen. Deze ~lie.ubiotec ologische processen vinden normaliter in de waterfase pl':lats. Ammoniakhou~ de afgasstromen kunnen weliswaar met biofilters gerei~igd worden, maar dr capaciteit, stabiliteit en flexibili~eit van deze biofilters is beperkt. Voor grotere en niet-constante stromen moet ammonia~ opgelost worden in water, de ideale omg~ving voor de meeste bacterjën.

In Nederland is de afvalwaterzuiveringstechnologie ver ontwikkeld. Het Sharonproces (Single reactor system for High rate Ammonium Removal Over Nitrite) is de laatste tZchnische ontwikkeling,

d~

in 1998

in

praktisch gebruik

z~ wo;cte~

genomen. In de bestaande, 'klassieke' installaties wordt ammollium met zuurstof in nitraat .omgezet. Vervolgens wordt nitraat met methancl ir; stikstof omgezet. Bij Sharon loopt deze

C)

route naar stikstof ~, maar ~ nitr!~ waardoor de benodigde ~ ~ hoeveelheid zuurstof

~1einer

is dan in d,e klassieke

procesvoer~ng.

--'''-'1>

I~?

.

Een verdere verbetering van het waterzuiveringsproces is mogelijk me,t het Anammox-proces. Anammox-bacteriën' zetten ammoniak om in stikstof met behulp van nit,riet, zonder zuurstof en zonder methanol. Wanneer nu Sharon' en Anarnrllox aan elkaar geKoppeld worden, ontstaat een hoog-efficiënt proces, dat geen methanol

meer verbruikt en nog slechts één derde van het zuursto'fverbruik van het klas~ieke 1/ / IJ

??

proces nodig-heeft.

~

~a;::{

~

4u...

~7

iJer;..f

~

t..

,

&J

.I

1/

~

.

.

Inleiding

gedaan, echter uitsluitend in het Kluyverlab van de TU Delft en aan de Universiteit van Sydney. De Anarnmox-bacteriën hebben_ nog lang niet al hun geheimen prijsgegeven, maar de toepassing in de afvalwaterzuivering is zo veelbelovend, dat aan de TU Delft ook onderzoek naar de praktische haalbaarqeid van het Sharon-Anammox-proces is gestart. De aanleiding voor dit FVO was de vraag van de firma Dorset (procestechnologie op het gebied van de voedingsmiddelenindustrie) aan de TU Delft, om een onderzoek in te steUèn naar de mogelijkheden'voor de verwijdering van ammoniak uit het af~as van een 'kippenfokkerij. ' ,

1.2 Beschrijving van de opdracht

Een kippenfokkerij in de gemeente Barneveld gebruikt een biofilter om de afgasstroorn uit de kippenstal te reinigen. De afgasstr.oom bestaat uit lucht die ammoniak, afkomstig uit de kippenrnest, beva,t. In de fokkerij brengen de kuikens, nadat ze

Ult

h~i ei gekomen zijn, 6 weken in de stal door. De kuikèns hebben een massaverdubbelingstijd van 2 wyken en worden na 6 wek~n geslacht. De stal wordt daarna gereinigd, wateen week duurt. Na de zevende week komt er een nieuwe lading kuikens in de stal en begint een nieuwe çyclus. .

eerste 6 weken van de cyclus op. De lucht in de stal wordt verver~t door een ventilator. De ammoniakconcentratie in de stal moet beneden een bepaalde grens /'

blijven in'verband

~heid

van kip en mens. De ventilator wordt dus steeds / '

harder

,

gez~t, en

berei~t na zes weken zijn

~maie

doorzet van 230.00@3/h.

'

fu

..A 0. \\

~

..

de zevende week wordt geen gas afgevoerd. • , ~"'Y _~

De waarde van de ammoniakconcentratie in het afga, bedraagt 2.5· JO-4 mol/m' en lig;'

~~

Y

ruim beneden de norm voor geuroverlast. Toch wordt de fokkerij door de wetgever

gedwongen de uitstoot te verminderen, omdat deze in absolute hoeveelheden te groot

IS.

4~

&~?

De ammoniakuitstoot moet op jaarbasis met 95% verminderd worden.

otere fokkerijen een grotere totale ammoniakuitstoot mogen hebben, kan e uctie van de uitstoot in de praktijk betekenen, dat er meer kippen kunnen worden gehouden, bij gelijkblijvende ammoniakemissie.

Het biofilter voldoet niet goed, omdat het niet in staat is, de piek van de

---->

-ammoniakload op te vangen. In dit FVO wordt onderzocht, of het Sharon-Anammox-proces een goed alternatief is dat wel aan de doelstelling kan voldoen.

De opdracht, zoals die aan ons is uitgereikt, is opgenomen i

2

Uitgangspunten

2.1 Externe specificaties en randvoorwaarden

De belangrijkste criteria waaraan het procesontwerp moet voldoen zijn:

• Minimale kosten: met de installatie wordt enkel aan een milieuwet voldaan. Er wordt geen winst of voordeel mee' behaald, hooguit een besparing op emmissiebelastingen. De installatie moet dus zo goedkoop mogelijk zijn;

• Gebruiksvriendelijkheid: de installatie moet nagenoeg zonder inspannit:tg van de fokkerij houder zelfstandig kunnen blijven draaien; ,

• Levensduur van 15 jaar;

Het afgas uit de stal is het voedingsgas voor het proces. Het wordt op atmosferische druk aangeleverd met een ventilator en bevat stQf en andere deeltjes (kippe.nveren). De temperatuur is constant gedurende het hele jaar en bedraagt 25°C. De firma Dorset

~

leverde de gegevens van het' gasèiebiet en de ammoniakconcentrat~e. Deèe egev~ms zijn verkregen als gemiddelde waarden van 6 cycli en weergegeven' bijlage 3.)

Tijdens een cyclus werd elke week gemeten aan de gas stroom. ----.~ "

De ammoniakconcentratie in de lucht wor~t gemodelleerd met een stapfunctie. Gedurende de eerst~ twee weken van elke cyçlus is de concentratie verwaarloosbaar klein en gedurende week 3 tot en met 6 heeft de con tratI de constante waarde van 2.5·10-4 mol/m3. Deze concentratie komt overeen t 6 m. De wettelijke norm voor

de concentratie in verband met stankoverlast heeft èn a m ne waarde, maar wordt per geval vastgesteld aan de hand van de omstandigheden. D norm zal echter nooit scherper worden dan de MAC-waarde, id est 25 ppm.

De CO2-concentratie is gedurende de hele cyclus 0.02 mol/m3. Verder is de lucht

verzadigd met H20. Tabel 2.1 geeft de samenstelling van het voedingsgas. T,bl21S a e .. amenste zng van

zr

h et voe zng.s-gas

component formule mol/m3 mol %

stikstof N2 3.23.101 _.I 79.0 ·

zuurstof

0

2

_~

O.~.lo·· 20.8 waterdamp H2

0

1.3.10-1 o.lOn.to _- ... · 0.20 koolstofdioxide CO2 2.00·1O~2 4.89.10-4 ammoniak NH3 2.50.10-4 6.11.10-6 -totaal

"

4.09'101

lQO

~~

~&

~

_'1

..!>

~~I

O·t~D 6) .2.0R 0..001.

0.

0

0oit"\?3

O. DO 0006//

Uitgangspunten

Figuur 2.1 Het voedingsgasdebiet en de ammoniakconcentratie als fUllctie I/an de tijd.

De fokkerij is gelegen in de gemeente Barneveld, ongeveer 5 kilometer buiten de bebouwde kom. De omgeving heeft een landelijk, agrarisch karakter. Op het bedrijfsterrein zijn een woonhuis, een grote kippen stal en enkele bijgebouwen aanwezig. Een van de bijgebouwen is een oude stal die niet meer als zodanig in gebruik is; deze wordt nu gebruikt voor de opslag van werk- en voertuigen, grondstoffen en velerlei andere zaken. Dit gebouw is echter dusdanig groot, dat een deel van de ruimte vrijgemaakt kan worden. De hoogte van de ruimte is maximaal 8 meter (schuin oplopend dak). Er is een centraal verwarmingssysteem aanwezig en een waterafvoersysteem naar het riool.

De temperatuur van de omgeving kan ' s winters tot onder het vr~nt dalen en in de zomer tot maximaal 35°C. Met de centrale verwarming kan de temperatuur in de

_-===-

_.

bedrijfsruimte bij extreme koude altijd op m~gehouden worden. De maximale temperatuur in de ruimte is gelijk aan de maximale omgevingstemperatuur,

.35

oe.

S- --

~ ~~

C

,

'

-=:-De groei snelheid c.q. de activiteit van de Sharon- en Anammox-bacteriën is afhankelijk van de, temperatuur. De activiteit neemt toe bij toenemende temperatuur, van nul bij het vriespunt tot aan de maximale activiteit bij 35,oC <J6f" on eI,140

°c

( ~ .

--..

~

voor Anammox (zie bijlage 4). Bij overschrijding van de optimale temperatuur sterven de bacteriën zeer snel. af; bij 5

°c

overschrijding 1:) •• geen' levende populatie over. ' .

~hi

.

te

~

..

~

~

.

,

Atmosferische druk is optimaal voor de groei van de ba~teriën, maar hogere drukken hoeven niet direct nadelig te zijn. Door microbiologen wordt 10 bar genoemd als maximale druk waarbij de micro-orgànismèn nog zonder problemen over'leven.

Bij het ontwerpen werden de volgende aannames gedaan:

•

•

•

•

2.

Alle parameters die met de ~~pen te maken hebben, zijn

onafhankelijk van druk en temperatuur;

De activiteit van de micro-organismen wOJ;d niet nadelig beïnvloed door

rondpompen; / / '

Warmte-effecten in de leidi!lge~/zfJn verwaarloosbaar;

Er is geen groei in de scruq,h6r en in de leidingen, de conversie vindt alleen in de reactor plaats;

_{- .}

. / .Y~~

ocesroute en blokschema

In het erna van het proces zijn 2 functionele units te onderscheiden, namelijk een absorptie-unit en een reactie-unjt.(Figuur 22).

'"----"---

. F A B eed gas Melasse

I

~ A ~

-Figuur 2.2: Blokschema van het proces

Water

.

~ ~

.

~

I

B

~~

I

gezuiverd gas

Voor de keuze ' van de procesroute werden 6 verschillende processchema' s ontwikkeld. Gekeken werd onder andere naar

d~ogelijkheid

om membranen te gebruiken, en om beide processen (Sharon en Anammox) in één reactor te laten plaatsvinden. Het bleek, dat het centrale vraagstuk in het ontwerp bestaat uit de manier, waarop de variërende ammoniakload ~s wordt opgevangen. Het gevaar dat op

k~rganismen

onvoldoende v.QS.Q.ing krijgen in de periode in elke cyclus waarin er niet of nauwelijks ammoniakaanvoer is, terwijl in het andere deel van de cyclus de ammoniaklo d snel stijgt. De moeilijkheid van dit

ontwerp zit in belangrijke mate in de vraag, ho deze dynamiek verwerkt kan worden

f

Uitgangspunten

2.2.1 Mogelijke processchema's

In de beginfase zijn er ~ potentiële procesroutes bedacht. Het belangrijkste criterium is vanzelfsprekend dat de installatie in staat moet zijn om de zes-wekelijkse wisselingen in de ammoniakvracht op te vange~ en t Üjke '-'d zo eenvoudig mogelijk in elkaar zit. De processchema's staan vermeld 'n bijlage 5. 'eronder wordt een beknopt overzicht gegeven van de voor- en nadelen v elk ro

Schema 1

_.

Hier is gekeken naar de mogelijkheid om absorptie en Sharon-r~actie in één en hetzelfde reactievat te laten plaatsvinden. Dit heeft als voordeel dat het aantal ~nits sterk beperkt blijft, doordat een scrubber overbodig wordt. Een groot nadeel zijn echter de hoge compressiekosten, gezien de waterkolom waar het gas doorheen moet. Voor de Anammox -reactie is een aparte reactor nodig, aangezien deze bacteriën obligaat anaëroob zijn.

Schema 2

Ook hier is net als in schema 1 gekeken naar de mogelijkheid om zowel de absorptie als de reactie in één vat te laten verlopen. Hier wordt verder echter nog gebruik gemaakt van een membraan waar zuurstof en ammoniak doorheen kunnen diffunderen. Hierdoor onTstaan er twee compartimenten: één waar het gas doorheen stroomt en één waar de reactie plaatsvindt. Ook hier is het voordeel dat er weinig units nodig zijn. Een groot nadeel is echter het membraan dat zeker niet ideaal werkt en bovendien erg kostbaar is. De compressiekosten zijn erg hoog gezien de waterkolom waar het gas doorheen moet stromen.

C\

' )

Schema 3

~~.

Dit schema lijkt erg veel op sc ma 5, a een gaat hier één flow door beide reactoren. Tussentijds wordt de pH aange ast in en apart vat om de Anammox-reactie op gang te kunnen houden. Er moet onder zuurstoflimitatie worden gewerkt om de reacties in de juiste verhoudingen te laten verlopen.

'\

Schema4

~'

Hier is gekeken naar de mogelijkheid om de twee reacties in één reactor te laten verlopen, als s~quencing batch reactor. Deze reactor is s~h, hij loopt vol gedurende de cyc1us en wordt aan het einde van een cyclus, na bezinking van de bacteriën, voor een groot deel leeggepompt. Deze vorm van reac~or in combinatie met een scrubber, maakt het noodzakelijk 'Om twee buffervaten toe te voegen aan het systeem. Hierdoor kan de scrubber gedurende de gehele zevenweekse cyclus nat blijven en dus optimaal benut worden.

~~5

.

{

BIJ dIt schema werd gekeken naar twee reactoren, e~ voor de Sharonreactie en één voor de Anarnrnoxreactie. De voeding naar de Anamme.xreactor (reactor 1) gaat niet door de Sharonreactor (reactor 2). Hierdoor hoeft

e

';'

~

rea tor 1 niet onder zuurstoflimitatie gewerkt te worden en kan de omzetting an/ammon! naar nitriet volledig plaatsvinden. Nadelen zijn echter dat er zowel ee extra reactor Is een extra

~ nodig is. De flows naar reactor 1 en reactor. 2 moeten op aar wor en afgestemd, opdat na reactor 2 alle ammoniak is omgezet I . . .Dit houdt een extra regeling in wat het proces zowel duurder als gecompliceerder maakt.

~

Schema6

~~.

Dit schema is hetzelfde als schema 3, met het verschil dat de pH-aanpassing nu in de Sharonreactor gebeurt. Dit betekent dat er één unit minder nodig is in vergelijking met schema 3. Nadeel is dat de reactor zo moet worden ontworpen dat slechts de helft van het aanwezige ammoniak wordt omgezet tot nitriet. Ook hier zijn twee buffervaten nodig, om de flow door de reactor te kunnen ontkoppelen van de flow die nod'ig is om de scrubber continu te bevochtigen.

Bij alle schema' s is gekeken naar de mogelijkheid om de periodes met niet of nauwelijks arnrnoniakaanvoer te overbruggen zonder verlies van biomassa. Dit is vooral van belang voor êle f\nammox:b'acterilin, gezien hun lange verdubbelingstijd. Een ander gevolg van deze lange verduooelingstijd is', dat de biomassa in het systeem gehouden moet worden. Om dit te bereiken is gekeken naar de mogelijkheden van een volledig gesloten watercirculatie en de mogelijkheden om gebruik te maken van filters en cyclonen.

Hieronder staan de belangrijkste voor- en nadelen van de zes processchema's kort samengevat (Tabel 2.2)

Y; a b l 2 2 e ~ erge look' lJJ mg processen ,,/

Proces Voordelen Nadelen

/ /

1 Geen scrubber nodig Compressiekosten hoog / /

slechte bufferwerking

2 Geen scrubber nodig Compressiekosten hoog /

' - »

Membraan werkt niet ideaal bufferend en is erg duur

3 Sharon / Anarnrnox gescheiden 6 units is veel

4 Een SBR geeft hoge conversie twee buffervaten nopig 5 Sharonreactie kan verder verlopen dan regeling gecompliceerd

1:1

-6 Zeer hoge conversie mogelijk door grootte van de installatie grote verblijf tijd

Uitgangspunten

2.2.2 De gekozen proces route

Schema 6 werd gekozen als beste en meest reële van de zes mogelijkheden. Aan dit schema werd nog een aantal dingen ~eranderd om zo de investeringskosten en de complexiteit van de installatie te verminderen. Het uiteindelijke schema waarop het ontwerp is gebaseerd staat afgebeeld in figuur 2.3.

I

S Feed gas

I

I

Melasse I

_I

H20 / ,-lucht -,. "

Figuur 2.3: Het gekozen pro06'~chema

,/ ~,,;f:~' ~.,.' ,t ,.-~ Reactor _",,/" .' ".i'~' J r--" j' "

Dit sc.

a~

slechts twee units, een absorber en een reactor. In een scrubber m

f11onoli;t~"'~n~~

den NH3 en CO2 uit het voedingsgas geabsorbeerd in een et aliumbicarbonaat buffercje waterstroom. Er is een gesloten waterkringloop waari de biomassa

~

rondgepompt.

In de reactor vindt de omzetting van het opgeloste ammoniak door Sharon en_

Anammox plaats. Een derde groep bacteriën, de Heterotrofen,~an

biomassa. Toevoeging van melasse zorgt voo~ttmg van eventueel zich

~d

~at.

Een deel

v~t voedings~as

wordt als beiuchting voor de reactor gebruikt. Dè1Uchtvracht is dusdanig klein, dat de lage zuurstofconcentratie in de tapk voor limitatie van Sharon zorgt. Uiteindelijk wordt am~oniak in stikstof omgezet, dat

in de uitgaande luchtstroom wordt a~evoerd, .

D e procescon d· ltle);~ J~ .

~s

zH'f mI "--Idot , zoa s gang aar IS IJ

U--

I - b . b" b' 10 I . OglSC e processenh . D d k e ru I' 19t tussen -Len 2 bar, de reactortemperatuur is 25

oe.

De waterfase wordt gebufferd met

een kaliumbicaroonaatoplossing. /'~

Het uiteindelijke proces flow sheet staat

i

~

'-')

~

1J<c'~t.

'

J

De Battery Limit staat afgebeeld in figuur 2,4

t~

,

-~'>~~

---,

- - 4

/;\tJA.A

~

~

~?

Atmosfeer

~t~

r - - - - - - - - - -- - - --- - ------- - - -- - - ----- -- -, ~ , , ,

s

Reactor \ Mela

Figuur 2.4 Black-box schema van het proces, met Battery Limit

Het voedingsgas wordt uit de stal aangevoerd. De gereinigde lucht wordt naar de bestaande biofilters geleid en van daar uit naar de atmosfeer. De stroom is verzadigd met water, relatief rijk aan stikstof en arm aàn ammoniak en zuurstof. .

2.3 Stoichiometrie en kinetiek

2.3.1 Inleiding

De omzetting van ammoniak vindt in twee stappen in de waterige fase plaats. De aërobe Sharon-bacteriën katalyseren de eerste stap, waarin een de~l van het ammoniak met zuurstof wordt omgezet in nitriet:

{;!!

3

+

~

0,

-@

H

,

O+W

(2.1)

ilG

=

-267.1 kj/mol ilH = -292.3 ki/mol ~

De anaërohLl Anammox-bacteriën katalyseren de tweede stap, waarin het resterende ammoniak met nitriet wordt omgezet in stikstof:

f!:

3

(Çi)

w

--> N,

+2H

,

q

.

(2.2)

ilG

=

-415.2 kj/mol LlH

=

-386.4 kJ/moL?

Nt\

Uitgangspunten

Naast de biokatalysatoren S~n en ~x is er nog een c4crde groep bacteriën nodig: de Heterotrofen. Deze bacteriën zorgen voor de afbraak ~an afgestorven biomassa. In

~niakconversie

spelen ze geen belangrijke rol, maar voor de regeling van het proces zifn ze onontbeerliiLIn te'genstelling tot de autotrofe Sharon en AnaItlmox, die alleen met CO als olstofbron kunnen groeien, verbruiken de heterotrofe bacteriën de hoogmoleculaire doae biomassa als koolstofbron. De Heterotrofen is een groep bacteriën bestaande uit zowel aërobe als anaërobe stammen. De laatsten verbruiken nitraat in pla~ts van zuurstof. '" -

J;.

(ft. ~h.o..~

Er vinden 3 soorten biologische reacties plaats: groei, afsterving en hydrolys.e. Bij groei wordt levende biomassa gevormd uit substraat ' (en een aantal andere noodzakelijke stoffen). Bij afsterving wordt levende biomassa in dode omgezet en in de hydrolyse wordt dode biomassa omgezet lil subs~raat dat door de Heterotrofen

verwerkt kan worden.

Een wezenlijk aspect van biokatalyse is de groei van biomassa, die gekoppeld is aan de omzetting van het substraat. De cellen verbrui~en 'substraat om te groeien en om in leve t~ (maintemince) en katalyseren tegelijkertijd de omzetting van het sub raat in een be ,aald product. De opbouwen het ondeihoud van bio~assa, oftewel het anabolisme, be taat uIt een comp'lex van ch~mi~pe reacties met netto ~en pos ti'te

LiG.

Dez reacties kunnen aIleen pI

Át

s

VT

nde~

door oppeling aan andere

chem~~a&ri'es met een n~ie~ ~G, de katabole reactie? In het metabolisme van de cellen komt deze koppeIT"ng tot sta

~door

gebrui van

~P/ADP,

de universele energiedrager (Figuur 2.5). " ~,

-C~*~~???

-ATP,

C-bron geoxydeerde donor

"'-1"2-N-bron gereduceerde acceptor

H2O ,'

~

---'

_l1fe,

_ht

₄

(J»'-~

-1'

/),&

-

<Je;:.

;? I ~ ~ ~~ biomassa elektronendonor

C~)

ADP e\ektronenacceptor

Figuur .2,5 Koppeling tussen anabolisme en katabolisme van bacteriën

'

-

-Reactievergelijking~n (2.1) en (2.2) zijn de katabole r~a~ties van respectievelijk Sharon en Anammox. Het geheel van anabolisme en katabolisme wordt weergègeven in de g[oeivergelijking, die de vólledige stoichiometrie geeft voor de vorming van 1 C-mol biomassa,

1

~

J,

);5;

?'

'

13

-De koppeling van productvorming aan groei heeft tot gevolg, dat de yield van product op substraat beperkt wordt door de substraatbehoefte voor groei en maintenance. Deze productyield wordt als volgt gedefinieerd:

Waarin

Y

sP

rp

-rs

yield van product op substraat vonningssnelheid van product omzettingssnelheid van substraat

(mol/mol) (mol/m3.h) (moll m3.h)

(2.3)

De p'roductyield is maximaal wanneer roei en maintenance minimaal zijn, doch in dit geval kan er slec6ts een zeer kleine hoeveelheid (leven e) cellën zijn en is de productie Jaag. Voor een hoge productie -is een grote hoeveelheid cellen nodig, wat

echter wee~ere productyield zal veroorzaken. dit oces is ~tikstof het

uiteindelijk rodu en ammodi~k het oorspronkelijk substraat Aangezie_n stikstof enerzijds een . e100s en an erzijds een onschadelijk is, is de productyield in principe. niet van belang. Waar het in de eerstè plaats om gaat, is de omzetting van ammoniak, waarbij hèt niet veel uitmaakt, of deze omzetting in stikstof of in'biomassa

resulteert. ~

De stoichiometrische coëfficiënten in de groeiver~eliiking zijn gelijk aan de reciproke maximale yield van de betreffende component op 'bioI1).assa. De kinetiek van elke component in een gro'eisysteem kan als volgt geschreven worden:

" , 1 r = - - · r I ymax X I c.-~

-

(2.4) Waarbij

vormings- of omzettingssnelheid van component ~ (mol/m3:h) maximale yield van component i op biomassa (moI/C-mol) vormingssnelheid van biomassa (C-mol/m3.h) ',' .

, . , !

en

(2.5)

waarbij

M- specifieke groei snelheid (h-l)

Cx biomassaconcentratie (C-mol/m3)

De_totale :rnzertting van

com~one~t

i in ee," systee@ assapOPUlatieSiS:

rj -

I.

ymax ij (2.6)

/

S

~f

.

-I

~

,

_ ~ Uitgangspunten

DeliSnelheid van een bacteriepopulatie kan in de meeste gevallen beschreven worden met een zogenaamde Monod-vergelijking, die er in algemene vorm als volgt uitziet:

waarbij

Ilmax maximale specifieke groei snelheid (h-I)

Cs concentratie van een (limiterend) substraat (mol/m3) Ks <1finit,eitscoÛficient (mol/m3)

cp concentratie van een (inhiberend) product (mol/m3) Kp inhibitieconstante (mol/m3)

N.B. zowel affiniteits- als inhibitiecoëfficiënten worden ook verzadigTngscoëfficiënten genoemd

---(2.7)

De llliiximale specifieke groeisnelh.eid is een fysiologische eigenschap van de bacteriepopulatie, die alleen beïnvloed wordt door de ~ en de temperatuur. De pH-en temperatuurafhankelijkheid wordt experimpH-enteel bepaald pH-en vaak in de groeikinetiek opgenomen door middel van Arrhenius-achtige termen in de Ilmax•

In de Monod-vergelijking geven de zogenaamde Mon.od-termen

(C~+c

~

f

~

+è

~

de

invloed van het chemische milieu weer. Cellen nemen de verschillende substraten_{. .} k et verschillende snelheden op en zijn voor inhibitie door de verschillende produkten meer of minder gevoelig. De Monod-termen quantificeren de' invloed van de verschillende a~nwezige corpponenten. Substraten die in relatieve overmaat (ten opzichte van een of meer andere substraten) aanwezig zijn en producten die geen.

inhiberende w~rking, .v~erto.!len, vallen uit de MonodvergeJijking weg" doordat hun verzadigingscoëfficiënten zeer klein respectievelijk zeer groot zijn in verhouding tot hun concentraties (de betreffende Monod-term wordt dan gelijk ~an 1).

Vaak is één van de substraten te identificeren als het snelheidsbepalende ofwel limiterende substraat. Limitatie met een substraat is een van de sterkste middelen voor de regeling van een bioiogisch proces. Door een van de concentraties zo laag te houden dat deze limiterend wordt, kan de groeisnelheid van een populatie geregeld worden. Verzadigingscoëfficiënten worden voor elke populatie exgerimenteel bepaald of, indien beschikbaar, uit de literatuur overgenomen.

De stoichiometrische coëfficiënten van de groeivergelijkingen worden experimenteel bepaald, onder omstandigheden waarbij de groei maxntraal is en dientengevolge de energiebehoefte voor maintenance verwaarloo~baar. Het maintenance-effect is hierdoor niet in de groeivergelijking, meegenomep en dient daarom op een andere manier verdisconteerd te worden, tenzij ook in de procesvoering maintenance verwaarloosbaar is. Dit is echter niet het geval. Tijdens langdurige procesvoering zal er een grote levende populatie ontstaan die een duidelijke maintenantebehoefte zal

hebben. . . .

Het maintenance-effect kan op 2 manieren verdisconteerd worden:

1. Door toevoeging van een Il1:aintenan~~terrn aan de kinetische vergelijking voor een bepaalde component, waardoor deze wordt uitgebreid tot:

1

l

l-~

~L~

(2.8)

waarbij

(TI

de maintenancefactor is, die doorgaans expe~nteel bepaald of geschat wordt.

2. Door correctie voor maintenance via de afsterving, waarvoor doorgaans een 'decay rate' wordt gedefinieerd en experimenteé bepaald of geschat. .In dit ontwerp is deze optie geko,zen. Voor d~/déêay rate an elke pop,ulatie wordt een bepaald

per~

'

an

de Jlmax genom n [lit

J,

w rbij de correctiefactor voor

maintenance inbegrepen is: " .

I

r. áxxi =

death·

pIrfL'(

.

c

.

). :g

Waarbij

rj,dood afstervingssnelheid van populatie j death decay rate

(2,9)

Afgestorven cellen_~ordewI!..Y ... ~~rkt d,Q.qr de_UrgSliQ&lOfen, die de dode bio~assa als koolstofbron gybruiken. Daartoe moet de dode lOmassa wel eerst door middel van hydrolyse omgezet worden in lager moleculaire stoffen, omdat de hoogmoleculaire

biomassa als zodapig niet door~ opgenomen kan worden. De

hydrolyse kan zowel a~ob als an!i0ob plaatsvinden .en wordt gek~eerd door de Heterotrofen .

...

2.3.2 De vergelijkingen

De reactiekinetiek wordt m t groeivergelijkinger ufstervingsvergelijkingen erQ)

hydrolyseyer~elijkingen besc reven. reactievergelij19ngen komen in totaal 13 componenten voor, te weten:

;;;:::::- .~

.

NH3,NO;,NO;,02,N2,H?O,HÇO;,H+ ';r.Xs,Xa,Xh,Xdood,Xe'er

~

f!)2.,. 1.

I

ç

~ ~

.

.

_--_.".

~~~~

Xs staat voor Sharon-biomassa, Xa voor Anammox-biomassa, Xh voor heterotrofe biomassa, Xdood voor dode

'

bioma~sa

en Xeet voor

ge

.

hy~rolyseerde

dode (en daardoor voor de Heterotrofen 'eetbare') biomassa. Voor alle sOOlten biomassa wordt de

sta~~ telling genomen:

Uitgangspunten

De vergelijkingen luiden:

.Ctn

~

: n , groei:

!~~

1Le-~k~ ~c..Y

K

t,!-

''<..k

~

~

~l,~tk

15.3NH, 22.10, + HCO; -4 X, +14.43W

+15.83H,0

(

15.4~

(2.10) { e e K _

~

YV2

)

_ _NHJ 02. _s,N02 r. J1' . . ·C (2 11) 1 - max,s K K

+

K . "'x,y/' ./ . s,NHJ

+

C NHJ s,02 CO2 s N0₂-

+

C N0₂- ~ -'

-

' / /

/

~H

=

-4020.5 kj/mol afsterving: (2.12) r2 = death . Ilmax.s . C x.s (2.13) Anammox, groei: 16.772H+

+

HCO~ ~ Xa

+

30.71H₂0+ 15.361N2 +3.333NO; (2.14) ~H

=

-5647.3 kJ/mol afsterving: X_a ~ X_dood (2.16)

r4 = death . Ilmax,a . C X,A (2.17)

Heterotrofen, aërobe groei:

(2.18)

Co C r. - 11 2 X.eet 5 - f""max.h . K

+

C K

+

C . C X•h h.02 O2 h.eet X.eet (2.19) MI = -601.7 kJ/!,Äol .... C/~o. , He/ ofen.

anaëro

~

:

2Xeet

+

1.2NO; ~ Xh

+

Heo;

+

O.2ij+

+

0.2NH3

+

0.6N2 )

Ko C _CNO

-2 X.eet 2

r6 = 1] H • J.Lmax.h . -K--=-=-- K K . C X.h

h 0

'2 2 .

+

Co heet

+

C X

. .

eet h NO-

2 2

+

_CNO-

/

r-. / ' 1../' óH = -367.8 kj/mol (2.20) (2.21) afsterving: X_h ~ X_dood (2.22) r7 = death . f.1max.h . C X.h (2.23) MI=O

p

o

Hydrolyse, aëroob: X_dood ~ X_eet (2.24) ra = kit' (

J

K + CX.dood h.X CX •h (2.25) Llli

=

0 Hydrolyse, anaëroob: X dood .--j X eet (2.26)

\

Uitgangspunten

(2.27)

i1H = 0

Naast de biologische reacties vindt er een aantal fysische en chemische reacties in het systeem plaats: gas/vloeistof- en pH-evenwichten.

NH3, e02 , N2 en O2 komen zowel in de gas- als in de vloeistoffase voor.

Het watersysteem is gebufferd met kaliumbicarbonaat, zodat ammoniak beter oplosbaar is. Beide componenten vormen in water een zuur-base evenwicht, evenals

/ ~~aat:--- . . . I/ NH: Ç:} NH₃ + H+ KI = 5.8.10-10 (2.28) H₂CQ3 Ç:} HCO; + H+ \ HN0₂ Ç:} NO; +

Ir

}

1

HN0₃ Ç:} NO; + H+ ( J

,//

/ '

2.

.~zictit

van stoffen

Tabel 2.3: Overzicht van stoffen

Stof Molgewicht g/mol N2 28.02

O

2 32.00 NH3 17.04 N0₂- _46.01 N0_3- 62.01 H20 18.02 e02 44.01

~'i+?

_

I

t1eo~ ~

CH'lD ;

e

k

-~~?

Kookpunt oe - 195.8 - 183.0 - 33.4 -+100.0 -78.5 K2 = 4.4.10-7 (2.29) K3 = 4.7.10-4 (2.30) ~» 1 (2.31)

{1SCUUl

&

t-t-a-.(

Smeltpunt Dichtheid MAe oe _{kg/l bijT oe ppm} - 209.9 0.8081 bij -198.5°e -- 218.4 1.1490 bij -183°C --77.7 0.8170 bij -79°C 25 - 1.4910 bij ooe 2 - 1.5027 bij 25°C 2 +0.0 1.0000 bij ooe -- 56.6 1.9770 bij ooe

-I~

19

L.L

~

...

3 Beschrijving van de procesroute

3.1 Procesflowschema

Het procesflowschema staat in bijlage 1.

~

_ _

l'B

()

l

ç

C

e

0

3.1.1 De voeding

/'

~

~

~;J.

~

~-~

Het voedings,g,as

~

~er

van de kippen stal naar de installatie

gevoerd. De ~e,r

-leVert

genoeg druk om de drukval van het filter en de scrubber te overwinnen. Een deel van het voedingsg als beluchtingsgas naar de reactor gevoerd (stroom 6). Stroom 6 is stee 0.02 % van st~oom 1. Dit percentage is gebaseerd op de benodigde hoeveelheid z in de reactor, die gelijk oploopt met de ammoniakload. Er hoeft dus geen lucht van buiten het systeem te worden aangevoerd, waardoor er een heater voor de gasstroom (nodig in de winter) wordt uitgespaard.

Melasse (stroom 4) wordt, opgelost in een geringe hoeveelheid water, vanuit het voorraadvat samengevoegd met de waterstroom (stroom 11) en naar de reactor gevoerd. Het debiet is

con~stant.

Het volume van het vat is 0.5 m3. Bij een debiet van

3 l/h betekent dit, dat het vat 1 maal per we~k gevuld moet wO:sJèn.

-

-

~

~'"tro.,e

2

~ ~

3.1.2 De scrubber

~

't.

~ ~

da

2~

.~

~

De voedingsgasstroom (stroom 7) wordt onderin de scrubber gebracht. ~ tegenstroom met water (stroom 16) worden ammoniak. en koolstofdioxide geabsorbeerd. De waterstroom heeft gedurende de hele 7-weekse cyclus een constant debiet. De ammoniakconcentratie in de uitgaande water~troom (stroom ,9) is 'hierdoor niet

constant, maar varieert GfJ @@R 6S8Ftg8hjll8 mtmisF lik de ammoniakload van het )(

voedingsgas. H;t...Iit..~

~&.Äf~kt~~?

3.1.3 De reactor

..---/;

Door de gesloten waterkringloop wordt d1 bio.massa i het proces gehouden en is het verbruik van water en grondstoffen mini~. Wat r kan het systeem slechts door verdamping verlaten, maar dit verlies bUl wor en gecompenseerd dOOF de, toevoeging van eenzelfde hoeveelheid water yia de melassestroom. De waterstroom wordt met kaliumbicarbonaat gebufferd, om de absorptie van ammoniak te verbeteren en om de pH binnen acceptabele grenzen te houden.

Met behulp van zuurstofdosering wordt de olJlzettin ssnelheid va moniak geregeld. De zuursto oncentratie wordt zo ingesteld,' dat de helf van de ammoniakload door aron wordt omgezet en de

ander

C

~oor

Anammox. Een andere reden voor roei met zuurstoflimitatie van

Sha~t

obligaat

ana~robe

karakter van z ox-organismen.

Beschrijving van de proces route

De reactortemperatuur wordt op 25°C ingesteld. Door de warmteproductie van de

reacties kan de temperatuur nog maximaal 3 °C stijgen, hetgeen alleen maar gunstig is

r

voor de

~zettingssnelheid.

De

warmteuitwisselin~scapaciteit

van de reactorwand is \

evenwel groot genoeg om de temperatuur min of meer constant te houden. ~ ~ •

'& ~ ~

..

.

3.2

Hulpstoffen

1,

I. '

L

(

1

./

~~:.,."

vv."-d

,

~

,

3.2.1 Buffer

, / ' . , - - - -

- - -

v V"

Met kaliumbicarbonaat (KHC03) als buffer wordt de pH van de waterfase ingesteld

en gehouden op waardes binnen het gewenste bereik 7.5-8.5. Bicarbonaat is gekozen, omdat het eenvoudig verkrijgbaar is en in tegenstelling tot bijvoorbeeld fosfaatbuffers niet schadelijk is voor de bacteriën in het systeem. Bicarbonaat dient niet alleen als buffer, maar is ook een belangri 'ke voedin sstof voor zowel Sharon ars Anammox. Het gaat een evenwicht met het CO2 aan d uit de gas stroom wordt opgenomen. De pH van de vloeistofstroom, zoals die de re tor in komt;

IS

ingesteld op 7.5.

3.2.2 Medium- en spore-elementen

--'

~~l

Medium- en spore-elementen zijn noodzakelijk voor de groei van de micro-organismen. Bij de opstart wordt medium samen met de bufferoplossing toegediend. Bij continue, stabiele operatie is verdere toediening niet nodig, daar het systeem gesloten is.

De benodigde componenten in het medium zijn ammonium, sulfaat, fosfaat, chloride en diverse metaal i on en (Na+, Ca2+, Zn2+ enz). Er hoeft geen synthetisch, nauwkeurig samengesteld medium gebruikt te worden, omdat op de fokkerij veel goedkopere grondstoffen in overvloed aanwezig zijn. Kippenvoer bevat alle genoemde componenten. Het zou zelfs wel eens mogelijk kunnen zijn, dat ook kippenmest goed genoeg is als voeding voor de bacteriën. Wat betreft grondstoffen is dit welhaast een ideale situatie.

3.2.3 Melasse

/

Melasse is een chemisch synoniem van sucrose, oftewel gewone suiker, C6H1206, op

----C-mol basis CH20. Het wordt als additionele koolstofbron voor de Heterotrofen aan de reactor toegevoerd, om eventueie resten nitraat om te zetten. Melasse wordt veel / /

gebruikt als veevoeradditief en is in het boerenmilieu g~ ...

verkrijgbaar. Het kan worden opgeslagen in een voorraadvat van waar uit het naar de reactor wordt gepompt. Het vat kan handmatig worden gevuld.

In plaats van melasse zou ook methanol gebruikt kunnen worden, omdat het een

\

\

\

betere koolstofbron is voor de Heterotrofen en niet duurder is dan melasse. Toch /

wordt dit niet gedaan, omdàt het vluchtige en brandbare karakter van methanol extra _

Ç7

veiligheidsrisico' s zou veroorzaken. ~

;J

4

Proces-

en

Apparaatberekeningen

4.1 Pompen, compressor en warmtewisselaar

In het procesontwerp zijn 3 pompen, 1 compressor, 1 blower en 1 warmtewisselaar opgenomen. Hieronder volgt een theoretische beschrijving van de gedane berekeningen. De totale berekeningen zijn opgenomen in bijlage 10

4.1.1 Ontwerp van de compressor en blower

Om het benodigde compressor- en blowervermogen te berekenen wordt uitgegaan van isentrope compressie. Hiervoor is gebruik gemaakt van de volgende vergelijking.

PS.isen = cp m .

f

vdp (4.1)

Waarin

PS.isen+ = isentropisch vermogen van de compressor watt

<1>m

=

massastroom kg/s

v

=

volume m3

p

=

druk bar

Om het werkelijke vermogen uit te rekenen wordt het isentropische vermogen gedeeld door de mechanische efficiency _{. ,} (l1mech) en de hydraulische efficiency _. (l1h).

PS'

P _{c -}_ ./sen

77 meeh . 77 h

Voor een ideaal gas bij lage druk en temperatuur geldt:

P

-=const _pI( waann . 1 ( = -Cp

Cv

(4.2)

(4.3)

Uitgaande van bovenstaande vergelijkingen geldt voor het benodigde vermogen bij isentropische compressie van een ideaal gas de volgende vergelijking:

l

1(_1]

PS.is.,. = cp m • P;n.

~

l ' (;ir

J-;-

-1

Pin

1( In

Proces- en apparaatberekeningen

Voor het werkelijke vermogen moet het isentropische vennogen gedeeld worden door het product van de hydraulische en mechanische efficiency, de compressorefficiency. Deze efficiency ligt tussen de 70 en 80 %.Voor de in dit proces gebruikte compressor is uitgegaan van een efficiency van 75 %. De uiteindelijke resultaten staan venne1d in de specificatieformulieren.

4.1.2 Ontwerp van de pompen

Hier is gekozen voor het isentropisch verpompen van de vloeistof. Hiervoor geldt de volgende vergelijking.

PS,isen = cp v ·l1p (4.5)

Om het werkelijke vermogen uit te rekenen, wordt het isentropische vennogen gedeeld door de mechanische efficiency (llmech) en de hydraulische efficiency (llh). Het product van deze twee efficiencies is gelijk aan de pompefficiency (llp). Het werkelijke pompvennogen wordt dan:

(4.6)

Voor de pompefficiency is uitgegaan van een waarde van 70 %. Verder moet ook de

' " "

-opvoerhoogte (hman) berekend worden.

h = p pers - P zuig

man (4.7)

p'g

De resultaten van de pomp berekeningen staan venne1d in de specificatieformulieren

(H6).

4.1.3 Ontwerp van de warmtewisselaars

Het procesontwerp bevat 1 wanntewisselaar, voor de waterstroom naar de reactor. Bij het ontwerpen van de warmtewisselaar is gebruik gemaakt van de volgende vergelijking voor het maken van een schatting van het wannte uitwisselend oppervlak.

Waarin

Q

= de wannteoverdrachts per tijdseenheid U

=

de overallcoefficient A

=

warmteuitwisselend oppervlak J/s JIK.s m2 (4.8) 23