Biologische grondreiniging in een gasgesuspendeerde slurryreactor

(1)

I •

•

• 'b(

2,

W'r

f)

nb-Nr:

2686

laboratorium voor Chemische Technologie

Verslag behorende

bij het fabrieksvoorontwerp

van

A. Bosman R. de Krieger

, ... __ ... __ ... ______ ... _0_ ... -_ .... ..

onderwerp:

Biologische grond~einiging in een

... __ ... __ ... --_ ... .. gasgesuspendeerde slurryreactor ... _ ... -_ ... -_ ... .

adres:

A. Bosman Abtswoudseweg 157 2627 AK Delft R. de Krieger Sasboutstraat 150 2614 CV Delft

opdrachtdatum : nov. 1986

verslagdatum : feb. 1987

(2)

•

!

I

.

!

.

•

• I ... ,;. "'f~ •. 1 ' • •

Verslag behorende OlJ het

fabrieksvoorontwerp van

;::'~i.. Bosman

Biologische grondreiniging in een gasgesuspendeerde slurryreactor

Verslag in het Kaoer van een vier-jarig onderzoek naar het ontwerpen en testen van een gasgesuspendeerde slurryreactor bij de vakgroep Bioproces-technologie van de faculteit ~-,

(3)

I

.

•

i t

I

.

t l

f

I r

I

i

.

I

•

I I I III 1\/ • • T VJ. -- 1--I NHOüDSOPi3~"'-\VE :; .:3 r;~t (~iHI './ .:!-. t t i [Hl 9 Conclusies

Uitgangspunten voor het ontwerp Beschrijving van het proces

pi--"CJce"=>condi t.i E":;

T!)" 1 InlE'iding

IV.2 KineLiek van de micro-organismen

IV.3

Diffusie van verontreiniGino uit de gronddeeltjes

IV.4 Desorptie van hexadecaan van de gronddeeltjss

IV.S De snelheidsbepalende stap in de afbraak van hexadecaan

IV.6 Zuursiofconsumpiie door de micro-organismen IV.7 Reactiewarmte

IV.S Zuurstof overdracht

IV.9

pH

van het medium

It.):. 10

Tempet-a·è.ui..~t-IV.11

Nutriänten

Motivering van keuze van de appara~uur

V.l

Het reactorsysteem \}" 2 i....:omprl:=ssol·-t.j .. 3 De z(:e-f V.4 Hydrocyclonen t,,},,5 Be~~inkbak tv'. 6 Pompen Massa- en warmtebalans

VI.l De warmtebalans over een reactor

VI.2 Berekening van de reactortemperatuur Overzicht specificatie appara~uur

IX

Symbolenlijst

X

Literatuuroverzicht I IJ I I I Tl} .~. "0{ , I .... ' I ' ; ' '11. \l J.

Kenschets van de aard en toepassingsmogelijkheden van de

gen;?ini.gc:!l3 gt-ond

Beschrijving van biologische bodemsaneringstechnieken

Oplosbaarheden van enkele verontreinigingen (bij 25 Oe)

Berekening van de maximalE biomassaconcentratie in een monolaag op kleideeitjes

Verloop van de biomassa- en substraatconcentrati.e op een gronddeeitje als functie van de tijd

6 (;.:' 11. 11. 12 16 17 18 19 19 19 20 21 21 22 28 31 33 ..,.!..~ • ..: ... 1 36 .~.6 40 47 54 C l ·-'Cl 58 59 63 66 67 68 69 70

(4)

I

.

•

-2-SMîENVATTING

Biologische grondreiniging isgeschi~t voor het reinigen van grond die moeilijk afbreekbare organische stoffen bevat. De opdracht voor j i t

fabrie~svoorontwerp is om grond, die verontreinigd is met hexadecaan

(modelstof voor dieselolie-componenten), te reinigen met behulp van een PSEudomonas-soort, Bij de afbraa~ ~ordt hexadecaan in biomassa , kooldicxióe

en H2.ter ühil~P2.2t. ë:r is a.3ngE-"noilien dot he~{aciec.aan ei! h8t inerec:G2f::l \'-3.n de

biomassa geadsorbeerd zijn aan gronddeeitjes.

In het proces wordt ;0 ton grond per uur in een g~5ge5u5pendeerde slur -ryreactor gereinigd. Bij een gemiddelde verblijf tijd van de suspensie in de reactor van drie dagen is de hexadecaanconcentratie in de grond nog 3 % van

r---de beginconcentratie. De reactor heeft een volume van 3735 mI , een vierkante doorsnede, een bodemhoek van 600 _en _{een hoogte-diameter} _ve_r_houding _v_{an 2. De}

voorbewerking bestaat uit nat zeven. Er is aangenomen dat de fractie die wordt uitgezeefd geen hexadecaan bevat en eventueel kan worden opgemengd met

de gereinigde grond. Het water dat gebruikt wordt voor het nat zeven gaat met de grond de reactor in. De gereinigde grond wordt ontwaterd met behulp

van een bezinkbak en hydrocyclonen.

De economische beschouwingen zijn gebaseerd op een vergoeding van f 140,-per ton gereinigde grond. De Return On Investment bedraagt 19.4 X. De Pay

Out Time is 5.2 jaar. De methode zonder discountfactoren levert een Internal Rate of Return van 13.5 X. Bij gebruik van discountfactoren wordt 14 %_

(5)

•

'

.

•

I

'

.

• I

j

·

•

-.3-- voor het reinigen van grond, die verontreinigd is met hexadecaan (mod

el-stof voor dieselolie-componenten) is gekozen voor een çasgesuspendeerde

slurryreactor. In het microbiöle reinigingsproc2s zijn drie fysische fas2n

---bet r [1 k ken a D 2 i n g e ti r 0. C h t,; '+G--' • .r -. c. p die n t V Ct 0 r

de va.st:? f2.S2:- staf overdracht van de

en v 0 Cl r De me i1 9 i i! g van

-het in suspensie houden van

--Bij het gekozen reactarvoluffie (3735 mi ) is op basis van nog niet gepub

li-[eerde experimentele gegevens van de vakgroep Bioprocest~chnologie van De

faculteit der Scheikundige Technologie te Delft en een schaalafha

nkelijk-heidsformule voor het vermogen per reactorvolume [1] berekend dat er 0.12

V01L~iTje [Jas per reactorvolume per minuut nodig is om op deze scha..al een ~ )..,l~

~ y~

g2wï.51urry in suspen';ie te houden. iJ ,~'")

~

de r"·a ... -tu"r ""'oro't 11,,"'0' I"actlt [.::.n voor-.. ' "ri

&>-?'~~.

- De lucht die met de compressor In

~

.

~

~~

" r w

~;c

~.

in de zuurstofbehoefte van de micro-organismen. De karakteristieke tijd voor zuurstofopname is groter dan de karaktèristieke tijd voor

zuurstcf-overdracht , zodat er geen zuurstoflimitatie op zal treden.

De gemiddelde verblijf tijd van de suspensie is veel groter dan de mengtijd

zodat aangenomen kan worden dat de suspensie goed gemengd is.

De ver~erkingskosten worden voor een groot deel bepaald door de

bedrijfs-kosten van de compressor.

Het proces is enigszins flexibel, dat wil zeggen dat de capaciteit van de installatie geregeld kan worden door het instellen van de grootte of van het gewichtspercentage grond van de ingaande slurrystroom.

- Er zijn meer experimentele gegevens nodig om de toegepaste schaal ver-grotingsrelaties te toetsen.

(6)

I

'

.

,

i

.

I

•

• r

•

-4-I

INLEIDING

In de gevallen dat bodemsanering wordt toegepast is meestal een groot volume grond verontreinigd met een relatief kleine hoeveelheid verontreinigende

stoffen. Zonder reinigingsproceskan deze grond meestal nergens meer voor

worden gebruikt en zou de grond als afvalstof moeten worden gestort. De

vraag "waarom een moeizaam reinigingsproces wanneer je verontreinigde grond

soms al voor fl0,~ tot f60,- per mI op een officiêle stortplaats kunt

stor-ten" valt nog weleens te beluisteren. Reinigen met de optie van hergebruik

komt op basis van het afvalstoffenbeleid en het bodembeschermingsbeleid van

de regering in principe eerder in beeld dan definitief storten van v

eront-Eerst zal nader worden ingegaan op de plaats die biologische reiniging

s-methoden hebben temidden van het hele beschikbare scala van technieken. De

huidige technieken kunnen in een drietal hoofdgroepen worden ingedeeld, tp

weten thermische-, extractie- en biologische technieken. Van elke groep kan

ee~ kenschets worden gegeven de aard en toepassingsmogelijkheden van de

gereinigde grond (~~e bijlage Il. Uit deze gegevens blijkt dat elke reini

-gingstechniek _. Jn eIgen kwaliteiten en problemen kent. Biologische

tecn-nieken biede~ op termijn goede perspectIeven voor grondreiniging; teqen

lagere kosten Dan andere bestaande technieken, echter slechts voor bepaalde

IS aan ook niet zonder meer goed mog~lijk of ZlnVOl. Het IS beter om er van

uit te gaan dat elke techniek zijn specifieke aandeel in de markt kan

,I • • :..t: ..... ..;:~1"'.:I:..'-.: ••.

(7)

L _ _ _ Figuur I.1 on I,omolal SUl landlormIng (ondllp)

opan .yllllm - nlal gtloerd, glIOICIt,d btluchl

Schema biodegradatietechnieken

C

t

_'!>l

criteriuml ontwikkclings- milte vnn proces- duur' emissic' beperkingen techniek stadium optilllnlisntic: reiniging

IN SITU: - hlmHnrllling ol'enltioneel + - biurestauratic (operationcel) + ON (HEMOTE) SITE: - Ilindrarming operationeel + - eomposerings-sysleelll upen in onderzoeks- ++ sl:a<lillm • gesloten in nndcrzocks- +++ swdilllll - !>jurenklor in omlerzueks- +++ stadium , Stnr· en cunccnlratie· .. nmnkclijk Tabel I_1

1:\ 2groei- _ percol:ltiewuter tijdsduur scÎzoens-seizoenen , gas on,unkclijk

I j .... r IIr .. alwllter horizonlllle doorlatendheid homogeniteit

1 A2 groei- drnilHigewllter tijdsduur

seizoenen g:ls benodigde opp, vlak

seizocmunl,

nmlllldcn geen (gns) lucl'ldoorllltcnd dlillen-weken gecn (gas) c .. p .. eiteit un:n.dllgen gecn.(g .. s) capncilcit

Vergelijking van microbiologische grondreinigingstechnieken C , ) 1

kostenindic:llie per ton grond 1985 f 40,-àf 60" 1 60,-111 80,-f 110,-à f I3S,-f ItKI,- u f ISO,' f SO,-u/120,

-,

•

'..,/

• '-'

I

•

·

1

•

• .'

"

,

•

\

..

•

I I

(8)

~' ..

•

" . : ... : '

..

•

"'::,. [I ll.i CL !-.,. I~. ::r::- UI ('r r.u !ll rt· fil ~~ !ti I!I ::1 I!I 1,1 ::1 _~

,

n ~ Q < ~

,

~

,

W ~ Q ~. ~ _~ m ... :J IJl ,-i" !11 1-· !ll 1'"1- ....

.

111

.;::. Ct ""i 1li :::1 lT.i ."., rij :::i ""lj !D CL

1.0 =1 n:i ["i" Cl" 1,1 n 1)., _TJ !],l n 1-1- 1,1 1-'

.

.-+. < ({I

,

CL. ilI r[i 1--' Cl. Cl .< 1'[1

,

CL Itl CL '"'j 1'[1 1-'. ::J I.n r'l" ftl ~-, ~ I 111 r1" 1-" ltI IJl t-"l :1

"0 iJ.l til ,_.;- u! <: CL l1i ::'ï I::'~I _rD _::0:- Cl IJl îi

p

ilI :J .< 1).1 ::1 Ci.. 111 1".1 ([I <.: I] Cl -j CT Itl 'Ij.' ~i ''''j A' .... ,. ::J 1.0

,

I~' n :1" ,-r _"0 ï ,~. '-". iIi -h t··J .:;.

'Ll !ti .... j I-i" o _::1

•

, ... c f[i d- fl:! _"Cl !l! IJl tri fD =1

m'

,"'I" .(., rti ""i :E 1-" L_

••

CL iT.I ~j ({I -' <.: !.I.I ~ _-0 ,-' :J !:: 1-"

,

... Cl.. Itl ₁.0

,

Cl ::J CL ;."=:,,, 1)., :J 0.. Il' :J n III ::J r. '''j !ll !11' 1

-' ;_ ... , Cl f": !l! ;-;" ;--:. ft! !Ti riJ ::1 ,-1 p fD ;::..f In n :::ï Itl 1T.1 >~ ,-1- ''''j i !l n ïj" n:; <: 111 1 111 ::1 cr !-., .

Cl Cl _1.0 lil n ::r rn _'D -j Cl ::1 C!w

,

111 ~,,1 _I.CI ~

..

::J _1.L1 ll1 I-t

· Itl n :J 1-' . Itl ':0: -._::,. Ci iTl c·, 1-': ' i ." , ~ 'M'; Cl _

0" c ~-,. CL III I-·~ '-,. ::.:~. CL !l.' 'r' CL ITI Ci ... 1'[: -'i ::""f' tI! !-..

,

.

Ct ::r !T.I i-1- ..::: Cl o -Oi :::1 11:! :"1 itl ::J 1" - ;;:1 fT; +, 1'''1- Cl :::1 ;:) _''CI iÎJ" r[t· .. _I

nJ ~ 1; ::::1 _u:: fD 11" '." _"0

•

!TI :,:~. ~I lP I-t· fT; 11! ::! :::! ITI Cl.. ITI

~i

.... j .• ;:<:: !D ""j -< I)J ::J :~T ID I-~' _1.0 "'j §: CL . ..::; f[I ''''j t·.1 lT.i ,N.!

"

ry 1li Cl..

,

1-" 1_,. -I-. <:: '1' ::J Êi:: ç ~i Jo_I. ,N"" Irl :E Ci (1- ('

:"

Ci :::1 Ci .. iD ...~ 1'·., Ct ITi .::: :T.l ~i -'j n I··:~ ::1 !11 !ll "~I III ili ::i _lCI !),i In _I.C

!

!TI IJl !::. 1.11 I"~

S.

", _.. <:: ~i III !11 1"1 1'-'" (I " """I !-,

.

I~I, Cl.. m ~;:t Ui U" n:~ !]l C! tV cr 11.1 :.''1 _in _I.n ""'i [I ::'ï 0.. til [I [I ""j ,-1" 11:1 ::J !1.1 IJ! 1-,-, !l! 1-" IJ:I !_ ..

,.

Cl. f[!

w

~. n ~ .~ n ~ III W ~ ID n ~ ~ o 1-'" [I Ij:;) It

i

•

i'·.: Cl !J,! Lfl C:L !-,. ru w !l! 1-

-'

[I lIi n ,N', '-' '=1 "C.l n :j 1'[1 ~J i-i" 1'[1 ~:! .< iIi -'j o ::; ;-'r IIi 1-'" ::1 _I.Cl Cl. m _'.Ci "j Cl .-' CL 111 ::1 .(- r.:.ï Cl

,

:~I j=, 111 ~ ..

...

1-'. 1-:

.

::0::"

!~~

!

"

1-', o !-.,,' o _I.CI !-.,. 1.11 r-l ::r !TI -'j rD

=,

U:i ~. ::1 _iJ:, < '11 ::1 0" fD :"1 ib ,-I" E~ 11:; 1-.

•

1-'. I_~. ..,.

_.

.... 11' --h cr -;i 11.1 111 ~<:: .. Cl" (IJ ;"'i IIi o 1 I.CI !:tI ::1 1-'

,

lil ,:.., ::.r f[l iJ! ,-i" Cl .+, ··h III :1

!J::; rn I.n r 'l" _:Ti _i-·~ CL f··J (.) CL !l! ,_.;- CL m §i rl" ::E ;:r-:.- in j_.~ _r-'" Ir i -( !li r:.r (I "'j m !l; n I-~ ' Cl ~"i IT.I ::J ... !l,1 =1 0" m 1-" u' ::J I . CI 1'_:' _I.n _<' cl _Cl_~j _0" _Itl :: :1 _n ''''j

•

8

·

)_.:. Cl Ci _Ij:i 1",0· IJl _n _::1" i1) _'.0 " o :J CL. ''''j i!I 1-" :1 ",.1. _cD ::1 _1.1::1 IJl r"l"

'

III n :::r- ::J ,~

.

ltI :.<:~' IT.I ::1 .< III ""j _te! ITI 1-" 111 ;:<:;- III ::J 1-

-1 ::J ~J ' 1'[ 1 .-: " !).I t-... '

lCi 111 fT!

'"

ili ::1 ~; ""i CL ïl

"

I.n !_.! -' · ... i I~. <: _1.0 I.CI m I.C! 11) .< m ::; <: !1.; CL III 1-" j11 !l; ,-I" UI I

-·t-1

.0 'I -' I] jTj ;::i CL !Ti r-~' !Ti n ::r- IT.I ::-::- ITI ::; H ::J ,-I" !lI re -' ITI 1-" ... I"~ 1-.

1

•

i ... ::1 i-'" r":" _!,L-J III _U:l !l! !11 ::1 <: !l! ::1 ::;" m ri- lil n ::r Itl ~; 1-" ::1 -h _I.CI !:: !~-~ _"i _....

,

!~ '--I :::1 u 1_,. I-'~ !lI _I.CI

.111 t--j ...

,

~ C'J -''j 0.. ,"'I" 11! m ::i 7:- (I .':j I-~' f[I Cl" III !

•

tr·, 1-" 1._.,. CL fD 1-1- ,"', '-' _{i'D -0} !li tri Ijl _IJ:' '-!11 e -I

".

' _....,.

Cl Cl III I.Ci '''1 _!11 _CL

1)) ;..:!~ Ili !l!

...

Ijl lT e CL ID :::~ In !ll ::::1 !TI · ... i 1-" _I.CI Lii ,"'''' 111 n :r :1 1-'. i1I ?::" ::-::. !11 :: :l': o -'j CL Itl

-,

en i

(9)

• L

• I

.

•

• .

.

./

-6-Ir UITGANGSPUNTEN

VOOR

HET ONTWERP

De capaciteit van de biologische grondreinigingsinstallatie bedraagt 10 ton

g~ond per uur. De installatie is 24 uur per dag in gebruik. In tabel 11.1 zijn gegevens van de zware-, slib- en kleifractie van grond vermeld. Het vochtgehalte van d~ grond wordt op basis van een experiment geschat op 15 gewichtsprocent water .

.

_---

-

-_._---

-

---

-

-di ametet- aantal deeltjes buiten opp. gewichts-(trim) BES 2.00-1.00 1 .. 00-0 .. 50 ml~d i urn z a.nel 0=50-0,,25 0,. 25-0 .. 10 ZEer ~l]n zand 0.10-0.05 0.,05-0,,002 6E6 0.002 9El0

per gram (m2/o) - - - . ~"'_w~ __ c.. ____nercentaue _____ _ _ . l _ _ __(Xl _ _ _ _ t:"!'·ï ...JOl 1264 iE5 t:",-'~ -1 ..Ja. I 2:=;. i 13.1

Tabel 11.1 Karakteristieken van anorganische bodemcomponenten [28].

Als opdracht werd gegeven om hexadecaan (C16Hl~' M=226,45 g/mol , - - .; ,-, .. -;

111. l-I • .i.C', J. I

üc~ !]"p .. 287

oc,

p=77~:' kg/co:r [~~4J) als modelstCJ+ te nemen VOûj'" de mDgelijke

verontreinigingen die in grond voor kunnen komen (bijlage 111). De

begin-concentratie van 10 9 he:adecaan/kg grond (droge stof) kan met behulp van

. " ....

· ,-

· ... ··

·1

(10)

•

biom2sS2concentratie (PsEudomona~) cp een gronddeeitje dat de reactor net

binnen is gekomen bedraagt 0.1 9 biomassa/kg grond door be~nting.

Als sproeivloeistof bij het zeven wordt leidingwater met een druk van 7 bar

•

gebruikt! omdat bij gebruik van rivierwater een extra pomp nodig zou zijn en

er kans bestaat dat extra verontreiniging uit het water in de grond komt. De

slurry die uiteindelijk het reactorsysteem binnengaat bevat 15 gew% droge

stof. Voor het in suspensie houden van zo'n slurry in een vat van 5 mi

blijkt experimenteel een luchtdebiet van 0.083 mIls nodig te zijn.

De zuurstoLspanning bedraagt 20 yol% en de luchtvochtigheid is 70 % ue

•

minimaal benodigde zuurstofconcentratie In oe vloeistoffase bedraagt lE-3

kg./rn3: "

•

; ," ~"';~.~'

(11)

:

.

•

• i

.

I

i

I

j

.

J

I

i

I

_j

.

•

I1

l

~

1[." I '

iL

Po TOIT!~; ",-u pg psJ. i b Cp(~r-, .. ' , -r··.~ ms < re::-.I. c.-.J r " ï 7 -i!::" ..:~ j . ..:, 11 J.d 0( '-', 1.\j 5000

o.

l~·8 -I .-, 1 • ..;: -I r-"" i c.,~, .-, 7 r 7 .~ 11 ... )c. . ..:. 2.49E3 0--' ,"",'7' L .. ', .. }.I c. ... ) 2.03E3 ·1 r--;r . lC·..:· 4.18E3 7.5E2 9E-3 -I, ..,. 1 C:' --.,:,. < ., J.. 11 1 (). :t8 , " . l . 1 0 I r -:s' Oe. -,~, kg/in! kg/in] kg/ml klJ/ml kg/mI kg/m1 'T l l ... 'I," u" ~:.y! f·· . J/kg/K k'J/m:i kg/mI l/h g/g q/g/h

-

8

-[24J bi j p=:ü, r -I . , . , L 1 .. J r' r-, ,"~ -, l. ,,;:,_, J [20J

(12)

•

• _•

•

4 - - TRANSPORT- EN ZEEFINRICHTING ~ AFBRAAKREACTIE ~ INDIKKING EN TRANSPORT ~

VERONTREINIGDE GRCKl WATER ~ ) ( ~ P4 20 LUCHT .. (4) ~ " ~K'.'~-.)., " HOPPER TRANSPORTBAl{)

TRIllEEr MET SPROEIER

POMP REAKTOR 20 COMPRESSOR • KOELERS C6 STEENTJES (D > 1 MM) ~) ~ 20 BEZINKBAK POMP TRANSPORTBAND ~ LUCHT ~ 4 ~

I~

R5 M7 PROCESSCHEMA in EEN A.9c»man R. de Krie-ger

o

Stroomn.rnme-r van BIOLOGISCHE GASGESUSPENDEEROE

DJ

T~atwr in ·C NATTE GEREINIGDE GROND 16) ~

cv

GRONDREINIGING SLURRYREACTOR r.v.o. No, 2666 rebruari 1967 Absolut~ cruk in bar

(13)

-9-I -9-I -9-I

BESCHRIJVING VAN HET PROCES

De verontreinigde grond wordt met een shovel in een hopper gestort, waardoor het mogelijk is om een constante hoeveelheid grond per tijdseenheid door middel van een transportband op een trilzeef te brengen. De grond wordt gezeefd, omdat gronddeeitjes met een diameter groter dan + 1 mm een

segrega-•

tiegedrag zullen vertonen, waardoor ze niet homogeen in de slurry voorkomen en zullen ophopen in de reactor. Omdat van de grond uiteindelijk toch een slurry gemaakt wordt, kan nat zeven worden toegepast. Boven het

zeefop-•

pervlak worden watersproeiers geplaatst waardoor drie effecten op kunnen treden. De klontjes grond zullen sneller opbreken door de kracht van de waterstralen, de gronddeeitjes worden meegespoeld door het water en de

•

deeltjes die het scherm niet passeren zullen worden schoongespoeld. Deze steentjes zullen indien nodig nabehandeld moeten worden, bijvoorbeeld via

•

De slurry wordt in een gasgesuspendeerde reactor gepompt, waarin de micro-biêle afbraak van hexadecaan plaatsvindt. De zanddeeitjes uit de gereinigde slurry worden in een bezinkbak afgescheiden. De slibfractie en een deel van

•

de ~leifractie van de overloop van de bezinkbak worden afgescheiden met behulp van zes parallel geschakelde hydrocyclonen. De bovenloop van de

hydrocyclonen wordt naar de reactor teruggevoerd. De afvoer van de bezinkbak en de onderloop van de hydrocyclonen worden door één transportband afgevoerd en op een hoop gestort.

Bij verandering van het aanbod verontreinigde grond moet de volumestroom

-

----

'

water door de reactor zodanig aangepast worden dat de totale volumestroom slurry, en daarmee de verblijf tijd in de reactor, constant blijft. Die

I

J

(14)

- - - -- - - - -- -- - - -- - - --

-'

.

•

-,10-te ve~ande~en. Bij verlaging van de capaciteit zullen de reactortemperatuur

en het benodigde comp~essorvermogen dalen.

•

Bij het ln bed~ijf stellen van de installatie wordt de ~eactor gevuld met

afbreken. De micro-o~gani5men kunnen nu, mits e~ voldoende substraat

aan-•

wezig is, exponentieel groeien tot de biomassaconcentratie 0.254 kg/mI

slurry bed~aagt. Na deze batchgewijze aanloopfase kan de continue

slur-~ydoo~voe~ beginnen.

•

(15)

•

,

',

.

• -11-IV

PROCESCONDITIES IV.l Inleidin';J

Hexadecaan kan door een Pseudomonas soort worden omgezet in biomassa,

kool-dioxide en water volgens de vergelijking

0.094 C16Hl~ + 1.242 O2 + 0.200 NH] ~ CHl '800'SNO'2 + 0.497 CO2 + 0.990 HzO

t'

."'<.

ue stoeichiometrie is bepaald uit de elementenbalans en de gasanalyses door

Mokveld [17J. Mokveld rekent een model door van een ideaal gemengde

tank-reactor in serie met een ideale buisreactor. Daarbij wordt uitgegaan van

groei van biomassa op submicron druppels van hexadecaan tot het vrije

op-pervlak van de druppels is volgegroeid. In de propstroomreactor groeit de

bi,--,:;"'.0111_._-J.:;I, ·::.- nipI _ t 111 ___

--""""t- .-'"

c l l h""t ._ ·"'i:::-I.. .. w '··,c:.-j-··__ .r -'·C.C._ :'-;-I· ('-p··· II_H::\ ... -dp-"l;'r· )·,;r·t-dt .. _Lc._.\ I. \:..J '''j',l 'v __q':::',nc- een oseudo _ - : : : l : " _

kinetiekvergelij~ingen worden II ,- == ( pma;.;

*

Cs / !<s -;.. Cs ) " Rs,tank - Rx / Vsx - 3 .. 4 "*. Rs ') r ru

~

\.

~\..J...::1

\:

.M_.e~

v

<oL '

... ~'''V\Ii vi-

','i

1.,~' vi

l,.,.,y

Bij een gemiddelde verblijf tijd in het systeem yan drie daqen wordt

gr~nd

aanwezige mOde(stof.

omzetting berekend van 99 % van de in

' , ' .; .... (IV. i) (IV.2) (I 'v' • ;:::) (IV.4) (IV.5) een

(16)

•

-12-Omdat de oplo5baa~heid van hexadecaan in wate~

BE-5

mg!l bedraagt (als alle

•

hexadecaan in de wate~fase aanwezig zou zijn, zou voor een 15 gew% slur~ie

met een concent~atie van 10 g/kg grond de hexadecaanconcent~atie 1.76

gIl water zijn), is het waarschijnlijk dat hexadecaan aan de gronddeeitjes

•

geadsorbeerd blijft. Toevoegen van bio-afbreekbare detergenten heeft geen

invloed op het desorberen van hexadecaan [23J. De biomassa adsorbeert in een

monolaag Cl0J aan het oppervlak van de gronddeeitjes en na adsorptie kunnen

~ . de microben zich vaster aan het oppervlak binden door middel van een in de

celwand aanwezige polymeermatrix (glycolax) [4J. Wanneer wordt aangenomen

dat alleen adsorptie plaatsvindt aan het oppervlak van de kleideeitjes, dan

kan een maximale concentratie behaald worden van ongeveer 160 gram biomassa

per kilogram grond (bijlage

IV).

Bij een onbelemmerde overdracht van zuurstof, substraat en nutri~nten wordt

•

de afbraaksnelheid uitsluitend bepaald door de kinetiek van de microben die

het substraat afbreken. Substraatoverdrachtslimitatie kan echter

plaatsvin-Gen door diffusie sn/of desorptie.

• _IV.2

_Kinetiek _van _de _{micro-organismen}

•

Uitgangspunt voor het hierna beschreven kinetiekmodel is een benodigde

verblijf tijd van drie dagen om een omzetting van hexadecaan van 97 ... J..

h Le

bereiken. De aangroei van biomassa! die in hoofdzaak gelocaliseerd is op de

•

vaste deeltjes, verlangt dat in een continu systeem de vers inkomende grond

intensief gemengd wordt met de reeds aanwezige en met micro-organismen

beladen deeltjes. Dan kunnen de nieuwe deeltjes op een effectieve wijze

•

be~nt worden met celmateriaal. Biomassa die door attritie in suspensie gaat,

adsorbeert weer aan gronddeeitjes. Voor de berekeningen wordt aangenomen dat

(17)

! .

•

· e

e

•

1 e

I

,

l

e

j.

I

,

!

~

e

I 1

~

I

e

I

!

'

:

'

e

t J{

e

!.;' f:~;: .... ~.~ L .. ':, ~. "R 1 - r .i. .•• ' in de biomassa'· en :.::: P F l'~' r- v 1 .:l k (IV.6) ,. "'\,. r r .•. ~: (1\.) .. 8)

ijking lV.8 valt af te leiden dat we te maKen hebben met een

\:',-.. ,.'

:~:. r::· "',

imiteerd is. Met Cs)}Ks kan vergelIjKIng IV.8

(I\,)" 1. (;)

(18)

i

I t I .

.

:

.

•

• I

.

I

:1

,J

.

~

i

l

• i

j

:

•

l .: I' .. ~. J. 4-'w

is om met een biomassa-entconcentratie van 1 9 : . ..,

iJ 1 oma ':;:;.; / ~:: iJ su~~tr~~t!~g grond '-~ J. n Uit CJ0.' ~.~ 9 5utstraat!~~ t .:;:. t e (IV.12)

D2 E-curv2 voor een gemende tan~reactor wordt gegeven door

02 i~a=ti2 van de gronddeeitjes OlS de reactor verlaat tussen ti en tz kan

bsr2~cnd worden met

i:>. .

.'.. :l,':! ·K l~': t;;!~.:: p (_. i~ / T) cl t -- E~ :.:: p ( .. ,. t :l / T) Ei ~{P <:.-t. 2 ./ T) t ::: t (1'/.15)

e

De gemiddelde 5ubstraatconcentratie ~p de deeltjes die uit OE reactor komen

. .. 'p. L.$ E: J .. ₎ Cs ( t ) .11. . .' '. , . UL ( I\,1. 16) 0 of ,,_. ~. C ':;:. ... ,., _Cs .:~. { ! r; T i I T I I ~ - T " \ J. V Ol 1 / )

(19)

o

·

•

I !

,

•

I !

•

i

!

.

i

I

t

,

.

1

•

~f E;:~c) dt » ~-15--(11 ,) .. 18)

Het verloop van de biomassaconcentratie op een aronddeeltje als functie varl

de tI iJ wordt gegeven door

) -', , ₍ t '. _.- i-',~ _t ... , •.. ! ~ ~ ..... e i-' '. t ) : _C;.: _t '-' ,.~ e , • I • • D1QmaSSaCQncen~ra~le

-.. ' t e t e t e (1\).1.9) \ L l) :20 ) ( _I\j r) j ₎ .. :. "

attritie. De gemiddElde biomassaconcentratie op qronddeeltjes waarvoor g~la~

j,:. E~ L c;~< . ~. ·f. / E (I'v'.22) e l I 1 J __ . L· _ k ~rt:.' E ( 1:.) d t 1 !} (1\/" 23)

voor moet ook de biom2ssa die aan het afsterven is ~orden meeg~nomen. Voor

d~ zuurstefconsumptie en de warmteproductieis alleerl de groeiende biomassa

" " --1 . , ._. "._ ,

~ma~=l. 1 h en CXI0)=1.0 gikg grond volgt t =2 .. 3 h en

e

(20)

•

ij/kg ;Jr~ond.

•

\

•

de diffusi2C0~ffici~nt

v9rDtn.Jl~gen in grond de vergel1]Klng

~.

D ::... :::.~ :~. ( .. f;- _bi _~A' _Dü

,) .. ~. 0,,5 is dE~ di··;:·rU~1iecDe·f-ficient D ::: 2.;6E---l:~ _-,0;' ! _ ilIJ· I '=:-.. De

tijd ~oür diffusie t(diFf) - 12 / D 15 dan voor ee~ porielengte van

- lE-6 m gSll]K aan '.)" !.;. S" ['.en ·::;cha.tt:~'.ng

tie~2 ti id kan tevens uit een mouel v2rkregen Norden. Stel dat alle

veront-~elnlg~ng zich acn~er in de poriên bevindt en dat de dittusle aanvangt

dN(x,t)/dt - D+d~N(x,t)!dx2 met N(x:t:

'

.

nag niet gepas3eerd .~ :achterin de porie ~s ~=O

J

;

.

I

t-J { ~~ ':-. J. t.)

NUi1!i'=i··-ii=ke intt--:g(-ai.:i.e \'-3.il \/~·?r-gelijking 1\' .... :.::t:.: met üEnUlp l : , \/ail de methode van

(21)

I

1-

.

• I

.

I

_I 1

:

.

i I I I

I

.

I

i

.

•

1

•

.1

J

11•

I

:I

.

i

l

I

~;

t'-•

-- 17-t -- 10 ':::. E.:::~~

..

E2~·::~~~_

..

__

.

__

_

..

_

..

__

_ . _ . __

_

.

__

_ .. .. ____ .

_

. __

.. _

_

. __

_

____

..

__

.

_____ ._.

_

__

.

________ .

.

____ .

_

________

_

____

_

__

_

___

.

__

_

0.10 0.01 0 .. 10 0,,03 0.01 gronddeeitjes bevindt.

verbinding van een vaste stof naar de Vl0eloare fase1 wordt het volgende

""clC /elt a.ci

!.,'

". f'

'd:~':; mr:.'t [C:a.d J 9 h:~;<adecaan pE.·

~'f-D2 ge~esorbeerde mOleCUlen worGen direct ~

(22)

I

I.

.

I

•

• '

.

•

• _.

_.

, ", ...

,

,;'~,'

-18-IV.5 De snelheidsbepalende stap in de afbraak van hexadecaan

Het mechanisme dat bepalend is voor de verandering van de concentratie

he::';.3.deci:l.ëi.n in de tijd

is

het mecha.nis·me met de (]t-ootste kari:l.ktet-is-cieke

t i j ci.

1. De karakteristieke tijd voor het substraatverbruik door de

micro-orqanismen t(m.o.) = Cs / Rs. _.::.

~, ~ l.<J~

I

...lj r;I ,t,-)

h. l ~ l

L. De karakteristieke tijd voor de desorptie van substraat van het oppervlak

van de gronddeeitjes t(de::.} ::: C _..J

d.U

3. De karakteristieke tijd voor het subs-craattransport vanuit de poriên van

grond naar de micro-organismen tediff) =

1

2 ;

D

.

Als 1,:(iTI"O.) »t(di~Ff) en t(m.D.) ... t(des) da.ÏI is de kinetiek \/ët.n

organismen snelheidsbepalend. Deze aanname wordt gedaan bij gebrek

experimentele gegevens. Tabel T i l .-, i V . 4 t t (m.o.) (h) ( s) 0.0 ..,..-y-r ... ,t:" . ..:. I i 4.J 0.5 20~.38 1.0 10797 1.5 4904 2.0 1509 2.2 .:)10

De karakteristieke tijd voor het substraatverbruik als functie

(23)

'

.

•

r

/

-I

I

I I

I

.

!

I

!

J

.

)

~

!J --19-

-IV.6 Zuurstofconsumptie doo~ de micro-o~g2nismen

Uit de r~acti2vergeli iking in parag~aaf VII.l volgt d0t voor de omzetting

van 1 0r"am hexadecaan 1.87 g~am zu~r5tof nodig is. voor Ge lUuF3tofcon

-De gewenste zuu~stofcGncenlratie in de vloeistof is iE'~ gi~.

IV.7 Reactiewarmte

t/CJOi '·· door micro-organismen door

[2GJ

(IV.28)

i rl l;i Ë,b 1. d.Z 2 rOl lucht en vloeistof

(kç~/m:I /s) (n/.29)

:-.. 1 stafoverdrachtscoêfficiênt dEi.!!

specifiek oppervlak

verz2Jigingsconcentratie O2 in de vloeistof - 9E-3 kg/mI

bulkconcentratie O2 In de vloeistof (k\]/m:\ )

Bos L .I;'._! geeft een empirische vergelijking voor het schatten

(24)

i !

•

• '

.

I ! I

I

i

'

.

•

t .1,-, VL.!

--:.::u--waarin 10 luchtdebiet aan het vloeistufoppervlak

T

-

reactordiameter

(IiJ,30,

(mi

De zuurstofoverdrachtssnelheid bedraagt 8.25E-4 kg/mIls. De maximale locale

zuurstofopnamesnelheid vindt plaa~s als het op een gronddeeitje

de bijbehorende zuurstofopnamesnelheid '+E-'4 kg/mIls of 10:51

zu.Ut-s-co-f di i~"

Cl .:i ._--F' Pi'! zuurstoflimitatie cp en de lucht die met de compressor

IV-9 pH van het medium

optimum voor de ast-obs afbraak iyt tussen 7 en u . Beneden pH 6 treedt geen

(25)

I

f

,

I

•

• :

.

I

i

I

.

/ . -21-IV.lO Temperatuur

De optimum temperatuurrange voor aerobe afbraak van hexadecaan door

Pseudoffionas ligt tussen 20 en 35

oe.

Tot 35

oe

neemt de afbraaksnelheid toe,

daarna neemt de activiteit snel af [17J.

De bi j de a-fbt-aak betnJkken mi cro-organi smen hebben behoefte aan nutri ënten,

zoals stikstof, fosfor, kalium en zwavel, die veelal in de bodem voorkomen.

?'il.s de bDdem at-m is d.ëln nutr-i.ëntell, zal toevoeging van deze elementen

nood-;;: Elkel ijk ;;: i. jn. Hi et-b i j i s het van bel ang dat de nutr i ëntenbal ans van het

(26)

• V MOTIVERING VAN KEUZE VAN DE APPARATUUR

•

V.l Het reactorsysteem

•

Het belangrijkste uitgangspunt van het reactorontwerp is dat ongewenste

componenten verwijderd kunnen worden door interactie tussen de afzonderlijke

I

.

verontreinigde gronddeeitjes en aanwezige micro-organismen. Om tot de ,

gewenste microbiêle activiteit te kunnen komenl moet aan een aantal

voorwaarden worden voldaan

•

1) Er moet een goed contactproces zijn tussen de afzonderlijke gronddeeitjes

en de micro-organismen.

D Er- moeten voldoende nutr-iënten in het -::;ysteem aani-lezig Zi jn. Belangrijk

•

1S vooral het zuurstofgehalte, omdat de afbraak van veel organische

verontreinigingen aeroob is.

31 Er moet in het systeem een voor microbiële activiteit gunstige pH en

temperatuur heersen.

In tabel V.l zijn de resultaten vermeld van experimenten met grond die

(27)

•

• .

I

i

.

(

!

;

I

.

! I i

I

.

j i j I

I

.

behandel ing

---na.tte gr-ond, belu.cht

na.tte gt-ond l belucht,slib

sI un-y, belucht

·:;lunr-y, sI ib

,

belucht ~~tcmmol en, sI Lwry

~..,. -,L.":,-to 357 + 369

_±

424 ± 412

_±

343 + r. 0 1 " .'1" 18 57 18 _ _ ____ ~lll.. 204 ± 16 222

_±

1 '.;' ..:.. 7~; _± " ,. ...J 83 + 1

.-

r.:, '-1'":"'1::' L·~'...J

±

19

Tabel V.l Verandering van de hexachloorcyclohexaan-concentraties (mg/kgl

na 30 dagen (Soczó [23]).

De afbraak van hexachloorcyclohexaan verloopt in een beluchte slurry sneller

dan in een betonmolen, omdat er in een beluchte slurry minder

zuurstofover-drachtslimitatie is. De zuurstof overdracht van de gas+ase naar de vlo

eistof-fase IS de beperkende factor voor de afbraak van verontreiniging door de

micro-organismen.

In het microbi~le reinigingsproces zijn drie fysische fasen betrokken

1) de vaste fase, bestaande uit de gronddeeitjes met daarop een film van

groeiende micro-organismen,

2) de vloeistoffase waarin stof transport plaatsvindt en

3) de gasfase van waaruit zuurstof wordt overgedragen naar de vloeistoffase.

Om er voor te zorgen dat geen zuurstofoverdrachtslimitatie optreedt wordt,

gebaseerd op de gegevens in tabel V.l (snellere afbraak bij toename van het

gewichtspercentage water en toepassen van beluchting), gekozen voor een

(28)

'

.

•

-24-Er zijn twee hoofdtypen drie-fasen-reactoren te onderscheiden [21J: de

•

reactoren waarin de deeltjes onbeweeglijk zijn (fixed bed reactor) en die

waarin de deeltjes in de flufde fase circuleren Cfluidized bed- of

suspen-siereactorl. Voor grondreiniging komt alleen het laatste type

drie-fasen-•

systeem in aanmerking, omdat een continu bedreven suspensiereactor (met een

continue stroom van gronddeeitjes door de reactor) de voorkeur verdient

boven een discontinu systeem. Naast de algemene technologische bezwaren

•

tegen een discontinu systeem, zoals optredende temperatuurwisselingen en

~anloopverschijnselen, maakt de eis van continue beweging om de suspensie in

stand te houden en het feit dat vers binnenkomende grond alleen maar be~,t

•

kan worden door een intensief contact met reeds begroeide gronddeeItjes

(paragraaf IV.21 I het gebruik van een continu systeem voor de hand liggend.

Er zijn vier verschillende drie-fasen-suspensie-reactoren [21J

1) de mechanisch gesuspendeerde S-L-G reactor, 2) de gas gesuspendeerde S-L-G reactor,

3) de vloeistof gesuspendeerde reactor en

4) een combinatie van 2 en 3, bijvoorbeeld doordat in de suspenderende

vloeistofstroom gas aanwezig IS.

i

.

Voor het noodzakelijke stof transport, menging en het in suspensie houden van

de gronddeeitjes is een mengsysteem noodzakelijk. Het erosieve karakter van

•

de suspensie maakt een mechanisch roersysteem zeer kwetsbaar. Bovendien mag

men verwachten dat zodra het roerwerk om één of andere reden stil komt te

liggen, zodat de gronddeeItjes zullen bezinken, het opnieuw starten veel

•

problemen zal geven.

Om voldoende zuurstof overdracht in de overige reactortypen te bewerkstel-ligen is een hoogte-diameter verhouding van 2 nodig [12J. Dijkshoorn [9]

(29)

•

• 't

•

vindt dat het ve~mogen nodig om te suspende~en minimaal is bij een bodemhoek

van 600 • De diamete~ T van een ~eactor die voldoet aan beide eisen kan

wo~den be~ekend met :

, !

V l."~, -li- TI ('..j.1)

Bij het model voo~ de afb~aak van hexadecaan wo~dt e~ van uitgegaan dat de

ve~ontreiniging en de biomassa aan de gronddeeitjes adsorbe~en. Doo~

att~itie zal 10 % van de biomassa niet geadsorbeerd zijn en doo~ deze

micro-organismen zullen g~onddeeltjes die het reactorsysteem binnenkomen worden beênt. Om nu een voldoende hoge ent te verkrijgen zal de concentratie

biomassa op de gronddeeitjes dus ook hoog genoeg moeten zijn. i\ _ _ _ Î _ _ _

Heil I ut=.: t= eis

wordt voldaan wannee~ de groei van de micro-organismen in een ideaal

gemengoe tankreactor p1aats vindt.

reactor, gebaseerd op een capaciteit van 10 ton

0.014 mIls. Met een gemiddelde verblijf tijd van 3 oagen volqt dat er een volume nodiq is van 3735 mlo De 1"""tOogte en

Glame~er van de ~eactor zijn dan H=28.4 m en T= 14.2 m. In verband met de

constructiekosten van de reactor wordt voor een vierkante dwarsdoorsnede

gekozen. Bij het bedrijven van de reactortypen 3 en 4 wordt de slurry in de

reactor in beweging gehouden door de vloeistof die onder in de reactor

binnenkomt. Omdat het debiet door de reactor kleiner is dan de

vlöeistof-st~oom die nodig is voor suspendering, zal slurry gerecirculeerd moeten

worden. In de slur~ypomp die voor suspendering zorgt zullen grote

afschuif-krachten opt~eden die de biomassafilm op de deeltjes vernietigen. Bovendien

zal in de recirculatieleiding zuurstoflimitatie optreden. Daarom is een

(30)

I

I'

·

•

--26-1) de stof overdracht van de gasfase naar de suspensie,

2) de menging van de suspensie en

3) het in suspènsie houden van de vaste stof.

Lamont [16J relateert de energieafgifte van het gas tijdens het doorlopen

van een vat ~an de vloeistofhoogte in het vat.

!"'.

,-

₊ _psl

_*

_g

_*

_H_I _{Po )} ('v'. 2)

Chapman [IJ heeft experimenteel voor de gemiddelde waarde van het

gedis-sipeerde vermogen gevonden

F' ;' V .,I -0.28 (V.3)

waarin T

=

reactordiameter (m),

In de industrie wordt toegepast Cl]

(V.4)

Uit hoofdstuk IJ volgt dat er voor het suspenderen van een 15 gew% slurry in

een reactor van~5 mI een gasdebiet is van 0.083 mIls. Met behulp van deze

gegevens en de vergelijkingen V.2 en V.4 kan worden berekend dat voor een

reactor van 3735 mI het gasdebiet 7.42 mIls bedraagt.

Het idee 0an een gasgesuspendeerde reactor is gebaseerd op de

impulsover-dracht van een jet (met een snelheid van circa 250 mis) naar de vloeistof.

De diameter van de inlaatopening voor het gas kan worden berekend met :

-'

(31)

I ')

• .

1t

-

.

•

0 .

-27-Omdat ~ gedefinieerd 15 'als het °gasdebiet bij de top van de reactor moet

het gasdebiet voor de druk ~ecorrigeerd worden. De diameter van de

inlaat-opening bedraagt 0.096 m.

Een relatie tussen de mengtijd in de reactor en het gasdebiet doot- de

reactor, die bij het onderzoek naar het ontwerpen en testen van een

gas-gesuspendeerde slurryreactor bij de vakgroep Bioprocestechnologie wordt

toegepast, luidt :

t

=

4

*'

V I 0.16 / (H'!"

*'

Io

*

g) 1/3

m

"iaarin t

=

mengtijd in de reactor

m

V

=

reactorvolume

H

₌

hoogte van de vloeistofkolom

T

=

gasdebiet ~c g

₌

zwaartekrachtsversnelling (s) (ml ) (m) (rol Is) (mIs:! ) (V.b)

De gemiddelde ~erblijftijd van de suspensie in de reàctor (drie dagen) is

veel groter d~n de mengtijd (258 5) zcdataangenomen ka~ worden dat de

suspensIe goed gemengd is .

-"----. : j , .. ? ;:.:: .• J, .• r" .. I: !:J J' • j. ,i

(32)

-_

...

_----

---

-

--

-

---

---•

\..-..

,

~

...

~

-~

_~

•

. J

\

Reciprocoting Centrifugol

1\

I

j

j. 10 I

-

....

"

Axiol \ -flow J

-102 103 104 105

Flow rote, m3/h ot anlet conditions

(33)

•

• !

.

I

••

-28-V.2 Compressor

De

jet die voor impulsoverdracht van ingeblazen lucht naar vloeistof zorgt

moet stationair zijn [29J. Om hieraan te voldoen is een recht stuk leiding

nodig met een diameter die gelijk is aan die van de inlaatopening en met een

lengte van 15 maal de diameter. Het drukverlies in deze leiding samen met de

appendage die zorgt voor vernauwing kan berekend worden met:

Pi = (Nim': ) (',,/.7)

waarin 4*f=O.02 en Kw=O.44 en pg=4.87 kg/mlo

De drukval over de slurrykolom in de reactor wordt gegeven door

P 2 = psl ~. g ii· H (Nim:!) (V.8)

De drukval in het stuk leiding met bochten vanaf de compressor tot vernauw-ing is te verwaarlozen ten opzichte van de overige termen vanwege de lagere

snelheid van de lucht. De compressiedruk is de som van

Pi'

pz en de

buitenluchtdruk Po en bedraagt 5.19E5 N/m2 •

Uit figuur V.l [SJ volgt dat voor het betreffende werkgebied <iinlet=2.7E3

mI/hl Pdischarge=5.2 bar) een centrifugaalcompressor toegepast kan worden.

Een dergelijke compressor kan door middel van een variabele

omwen-telingssnelheid een variabel gasdebiet leveren bij een constante

opvoer-hoogte. Het vermogen voor isentropische compressie per trap kan berekend

(34)

IOOOr--;-~--r-TT~--r--~-r--.

_kp':m' I I r / J / ' j ,

i~J

I

1"1'1

/!

1/

"i

700 I

T

"_/!

:/ :

/

~ S90 1 T [I' !' 1 I /

~ tol) .'.-, I...A J . I ' . -;.' /'--i-I---l

~ JOOl I I V ; j I /

~

100

1

'iA

7./

i j, 0.:: ~---+I_

"

-

~ .

/ /

~ 1S0

I'.!

_,

~';;'

/

'

/ '

-~ 100 • I _! • ~ 70 I 11!/"'~7: ~co--~-I-/+-~ ~ SO I TI-jr7~... -~ ' / ' ~ IQ • I 1, !t7;, .. -:---+--+-1

?:

:/1~

A

'

.

~'

~

..

+

~ 1$ 1// ~L 1 Y I I ~ i .~ 10

'I /

I~ 1/ I I

Y

~ .. <::: ]

'!L'

I ~LL I : 1./ I "'1:

sz'~~rz.--;-

· --!

:~,

i._ ~ , 11 / ~ ./.: I

-]

J~"{... ~I :/ 1 I

..:::

.

I

I 7 ~

1./

:

I ~ /~-~~~~-+~---~-+-~ .. I I / i ! I ~

'"

_{1~~~~-~-+~~~-~~}!I/i

I

i

I ; S " J t f 7. I) 1/ IJ' Figuur V.2 SllInnqmlrrlrM/lnis

n, -

"l[;'

Totale drukverhouding als functie van de drukverhouding per compressietrap (14J

•

• .

1

I

•

.

i

I

•

(35)

•

I I

•

-2'7'-waat-i n _Po = omgevingsdruk (Nim;') r = drukverhouding per trap (-)

iog

₌

gasdebiet ~p = compressierendement - 0.9 [14J

K - Cp i Cv ~e

=

motorrendement = 0.9 [6J

Een schatting voor de eindtemperatuur na een compressietrap wordt gegeven

(V.l0)

waarin T2 - uitgangstemperatuur (K)

Ti

=

ingangstemperatuur (Kl

Voor een totale drukverhouding 5.19 en een maximale temperatuurstijging van 150

oe

per trap volgt uit vergelijking V.lO en figuur V.2 dat een

compressor kan worden gebruikt.

b~S-

Î

L~\f\P~\

(36)

•

• StandardgröBen, Abrnessungen

A=Sieblän

e

zoo

[

•

• H

8

• o

G

F

E

TabeJle 6 Typ MotorgröBe A B C 0 E F G H J K

•

SRK 10/4-1 DV-B4/45 1000 400 300 920 -1180 -1600 696 800 -365 56 SRK 10/5,5-1 DV-C4/60 1000 550 400 920 -1330 -1600 846 800 -365 56 SRI( 15/6-1 DV-D4/120 1500 600 400 1420 -1440 -2100 896 1300 -365 91

•

Figuur V.3 Voorbeeld van een tril zeef [SRK MaschinenJ .

• .

>

:

•

(37)

•

• I

-I

I

,

•

- -30-V.3 De zeef

Voor het voorbewerken van de grand wordt een trilzeef gekozen. Door de

trillende beweging van het scherm worden krachten op aanwezige klontjes

grond uitgeoefend waardoor deze zullen opbreken. Uit de deeltjesgroottever-deling van grond volgt dat een maasgrootte van 1 mm nodig is om de deeltjes met een diameter groter dan die van zand te scheiden van zand-, slib- en

kl ei deel tjes.

Een capaciteit van 10 ton grond per uur komt overeen met 8500 kg droge stof per uur (exp~rimenteel is circa 15 gew% water gevonden). Bij het zeven

blijft 4.7 % daarvan op het scherm achter en 8100 kg droge stof per uur gaat

door het scherm heen. Wanneer kan worden aangetoond dat aan de steentjes met

een diameter groter dan 1 mm nog veel verontreiniging geadsorbeerd blijft,

dan zullen deze vergruisd moeten warden, zodat ze ook in het proces behan-deld kunnen warden. Een andere manier om deze steentjes te reinigen is ze te

")

wassen met een vluchtige organische vloeistof.

---

.---Omdat van de grond uiteindelijk toch een slurry gemaakt wordt, kan nat zeven worden toegepast. Boven het zeefoppervlak worden waterspraeiers geplaatst waardoor drie effecten op kunnen treden. De klontjes grond zullen sneller opbreken door de kracht van de waterstralen, de gronddeeitjes worden

meege-spoeld doo~ het water en de deeltjes die het scherm niet passeren zullen

worden schoongespoeld. Een massacapaciteit van 10 ton grond per uur met een stortdichtheid van 1500 kg/mI komt overeen met een volumecapaciteit van 6.66 ml _{grond per uur. Om genoemde effe}_c_{ten op te laten treden is experimenteel}

gebleken dat het waterdebiet uit de sproeiers ook ongeveer deze grootte moet hebben.

(38)

I

(Screening)

I - - - -,

Filtration Pressing (expression) ~

~

(sedimentation)

I

Gravity Centrifugal Gravity

t

ThiCkeners Clorifiers

t

Hydrocyclones Centrifuges

Pressure Vacuum Centrifugal

- - - - - S o l i d product - -

-- -- -- -- Increasing leed solids concentration

Figuur

v.4

Vast-vloeistof scheidingstechnieken [5} .

100,000 Screens 10,000

I

VI c

e

u _1,000 'Ë oj

g-e

Q) N 'iii 100 .!! u :;;;

'-&

10r---~,---~---~--~--L-4-4-~ Figuur V.5 10 F:"eed. % solids 100

Vast-vloeistof scheidingstechnieken (51 '

•

.1

•

• .

'

• I

•

• I

I

(39)

•

r

1

i

.

! • i,.

I

::;;'

De benodiode massastromen volgen uit de massabalans (hoofdstuk VII.

gewichtsfractie vaste stof in de voeding is gelijk aan

(Mf,~lei+Mf,51ib) / (Mf,klei+Mf,slib+Mf,waterl ('.,i. 1 i. )

Uit figuur V.4 en V.S volgt dat wanneer men uit een voeding die 7.6 gew%

vaste stof bevat een fractie van de kleide21tjss (met een gemiddelde

diame-ter van 2 ~ml wil verwijderen, dan kan daartoe een hydrocycloon toegepast

worden. De concentratie deeltjes in de voeding IS te laag om een filter te

gebruiken en de deeltjes hebben een zodanige be~inksnelheid dat een

bezinkbak met een diameter van CIrca 200 meter nodig zou zIjn.

De

deeltjesdiameLer

bedraagt wordt gegeven door [5J

ds ü

~- l~

.

"

5 ':;f De 3

-:~.

!J /

(ps-~

pI )

- deeltjssdiameter

De - cycloondiameter

,1.2

/ L

- viscositeit van vloeistof

- dichtheid van vloei3tof

- djchtheid vaste (,ï,N" :;/m2 ;' (li'iÏ:ln; (,;]/cmI j ('~/C!ïII ) "I ;:JU / • ':11 .; . - : \ \v. ,i.LJ

De scheidingsefficiêntie voor alle andere deeltjes is qerelateerd aan de dsc

(40)

È _.... z E ~ IQ " " ·5 g " ~ o " "

"

"ë5 /05 ~ 0' // E 02 / / ~ Ol

"

..

/ : 005 ~ 003 ~ 002 :; OOr " :: ~ ~ ~ / Cl:

"

,

"

,

"

,

05

"

, 1 0

/ .. ~ 20 o 30 I: , 50 !! ~OO ~ ZOO .. 300 ' ~ 500 " Ö I<XX> " ~ ~~ 5CCO 10.ccc N

·

~

· ..

~

·

~ '; Cl:

~

:: .~ I ~ 15 :;, Z .. r~O ~

..

E o <;

..

" .;;; 5 Ö

FIG. 10.23. ehamller di •. D, from now·ratt physical properties. and d,. particIe siu (Equation 10.4.

Zanker. 1977) (Ex.mple 10.2)

Figuur

v.6

Grafische bepaling van de kamerdiameter Duitgaande

het debiet, fysische eigenschappen en d

50

c

_{(51 .}

10.

3 r---------====-

.

-

.

-

_

-

_

----r---_-

..

-

~_

-

.

~_

.

-

_

.-

.

~

-

~

.

-

~.

-

--r

_ rondr oprning

10·4~=========J2=t==t===î'S~D==========~~~~~~~~~:?~==

.

~

.

=

.

~-~

.

~ï1~p~.==~'0

Figuur

V.'7

~[lVi2 t . -Rr diViPc

'&-'1\-,--Grafische bepaling van de drukval over een

hydro-cycloon met een bepaalde geometrie

[2'71

.

•

1 I

·

1 '

1 I

-

I

•

I I ·1 1

.

1 I

I

•

(41)

•

I. I I

•

I

i

I I I

• :

.

i

I

.

I1 I1

~

l ~. I

I

;

·

..,. il - 100

* {

1 -~ E.~;.:: p (_ .. (d / d S 0 -·0 eli 5) '.:' -, J l il ol 7 \ \ v" l. . ..: .. i

De gewenste efficiêntie voor deeltjes van 2 ~m bedraagt 52 %. Uit

verge-lijkinCJ ',·.),,1.3 \/CJlqt. dE:\rl d_s_{ü :-.:::l,,9ï'i} JJlïi .. \)üGj'"' L:::::E:4t:... ],/ITii.n, (ps-·pl):::l.O~~~ Çj/C!T!'1 E'n

w=l roN.5/m 2 volgt uit vergelijking V.12 een cycloondiameter Dc=11.4 cm. Uit

...::. ..,. ii :"i' L-':: ' .. ' Ci I I - , \;'" i is t.ë::,bel 1.0 '...J I ,1-::-~L;' 37 ~.-:; .... ..:.. ,-j-r ... :. / ... 1 1-":;,....J 24 100 6 V.2 geconstrueerd. ,ï ; ':J .. Q 7.3 ,. '" o ...... 1 1:.- ... ,-} . G r.::: '-:', ' .• Ja,': .. < ,--, 1 . 0

-

- - -

--

---

-

---

-

- -

-Tabel 2 Drukval als functie van h8t aantal cyclonen.

Er wo~dt voor 6 hydrocyclondn gekozen, omd~t de drukval over 6 of meer

(42)

e

• I

!

e

!

I

e

1

I

e

I

f

i

I

,

~

e

1

I

o

e

~

" I, I r c:-V ~ "-I it.: .1. !...l i. l. :33--L .. L L. <.:! i) t',' !

o.~ m0. DE mini~a12 b0zin~sn~lh~id van d0~2 fractie is

\ .. :;; t CJ k i~~~ .:; d p ~, . ..1,'::. ~

*

U

*

Ap I 18 I ~ P - d22ltjesdiameter ~J.: ._,_ J~ L. _ ; . .J _ .. _ ._. ___ L .• .: , : . .1.' t.IILij!:'=lU::iV'.::'i '::)Li!.!..L (:"1",) (kg/mi)

Er wo("dt een correctie gemaa~t voor hindered settling (Richardson

&

Zaki)

" 1 - ;

-; ~. _.

ö...'-t:::.!!

1 .- [ \ ~'1-.. 0 /

} (\/ .. iS)

De bezinksn~lheid van de zandfractie is dan minimaal 4[-3 mis. De

bezink-snelheid van de slibdeeItjes bedraagt 7[-4 mis. De verblijf tijd van de vloeistof moet minimaal gelijk zijn aan de benodigde verblijf tijd voor

!-"! ~" I

::~. ,!. i}j

(43)

•

• I

I

.

I

• '

.

•

,

...

:{

I! i V;. f..j c: , --- 2 ':"~:' _fl _I _ïl IJ /" -n .. ::, i~} "i"M'

~p - pomprendement

~e - motorrendement .' ; i 1 ...., , V ! (mI/s) (---)

Op basis van gegevens uit het polytechnisch zakboekje [6J zijn de volgende

ïlP ... () {':J

iY:? M'" ( )

.

9

(44)

I·

.

I

•

-35-V.7 Veiligheids- en co~~osieaspecten

•

De biomassa (Pseudomonasl in de ge~einigde g~ond vo~mt geen belasting voo~

het milieu. Om eventuele stankove~last te voo~komen zou een compostfilter

qebruikt kunnen worden. Bijlage VI geeft info~matie over de

veiligheids-•

aspecten van enkele ve~bindingen die als verontreiniging in grond voor

kunnen komen.

Droge grond is niet corrosief. Doo~ wate~ en water-oplosbare zouten kan

•

g~ond echter als een elect~olyt gaan functioneren. Wate~-oplosbare

materi-alen in grond kunnen bijvoorbeeld zouten van aluminium, calcium, magnesium

en natrium zijn of sulfaten, chloriden, carbonaten, fosfaten en silicaten.

•

De corrosiviteit van grond voor een bepaald materiaal hangt af van de

samen-stelling, de pH, het biomassa- en zuurstofgehalte, de redoxpotentiaal en het

type grond [8J.

;

I

:

.

(45)

•

-·2'0

-VI MASSA-

EN

WARMTEBALANS

VI.1

De wa~mtebalans over de ~eactor

Om de warmtebalans ove~ het hele systeem op te kunnen stellen moet het

wa~mte-effect van de reactor bekend zijn. De warmtebalans over de reactor wordt gegeven door

Rhm + Rha + Rhr + Rhs + Rhw + Rhb + Rhe + Rhv (W)

waarIn

Rht totale warmteopname of afgifte ten opzichte van de omgeving

-

~.

Rhm = warmtetoevoer door metabole activiteit van de micro-organismen Rha = warmtetoevoer door inqeblazen lucht

Rhr

=

ingeb~acht vermogen door het inblazen van lucht

Rhs - warmteafvoe~ door toevoer van grond en water Rhw - wa~mteafvoer via de reacto~wand

Rhb wa~mteafvoer Vla het bovenoppervlak van de reacto~

F:he warmte geabsorbeerd doo~ het expande~ende gas Rhv warmteafVDe~ door verdamping van water

Elke term zal kort worden toegelicht.

_. ~~h in

De wa~mtep~oductie door de mic~o-organismen is

(46)

•

• I

.

I

!

~

.

~

•

?-Rhm = 4.6EB

*

R0 2

*

Vslurry .,.-r -,~, 1 -<IV.28)

De zuurstofconsumptiesnelheid Ro (paragraaf IV.6l kan berekend worden met

(kmol /m1 jc;,) (VI.2)

met [ex] = kg/mI slurry.

- F:ha

Het comprimeren van de lucht resulteert in een temperatuurstijging. Het

temperatuurverschil tussen de ingeblazen lucht en de reactorinhoud leidt tot

Rha - Cpg

*

11

*

pg

*

eTg (VI.3)

Doot- de e;.;pa.nde;·-ende l ·:::;ti jgende bel I en wor-di: er- \"iat-m'ce gept-oduceer-d ("roer-en

---met gas")

c~ v1

v1

tvd

g..L '-"'\ti'l..ev.{!tZ,f .

Rhr = Po

*

~o * ln«po + psl*g*H)!po) (VI.4)

.- Fhs

De toe- en afvoer van grond en water zorgt voor een warmteverlies

Rhs (VI.5)

- nhv-J