DE19608834C1 - Verfahren zur biologischen Abluftreinigung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur biologischen Abluftreinigung von mit wasserlöslichen und/oder wasserunlöslichen organischen Schadstoffen belasteten Abluftströmen und ist besonders geeignet für kontinuierlich oder diskontinuierlich mit schwankenden Schadstoffkonzentrationen anfallende Abluftströme.

Das Grundprinzip der biologischen Abluftreinigung ist seit langem bekannt. Einen Überblick über Entwicklung, Stand der Technik und Potential der biologischen Abluftreinigung geben Sabo, Schneider, Fischer und Motz in wlb Marktspiegel Umwelttechnik 1996, S. 50 ff. Erste technische Anwendungen beruhen im wesentlichen auf dem Hindurchleiten der Schadgase durch organische Schüttungen.

Als technische Verfahrensvarianten entwickelten sich daraus die Biowäscher und die Biofilter. Die Haupteinsatzgebiete für die Biowäscher liegen in der Eliminierung gut wasserlöslicher Schadstoffe aus der Abluft. Diese haben aber den Nachteil, daß Belastungsschwankungen nur sehr eingeschränkt abgepuffert werden können. Konventionelle Biofilter arbeiten mit organischen Füllmaterialschüttungen, auf deren Oberfläche Biomasse immobilisiert ist. Standard in der Bauart sind offene Flächenbiofilter mit großer Flächenausdehnung. Durch Witterungseinflüsse sowie durch Abbau des organischen Trägermaterials, das in bestimmten Intervallen ausgetauscht werden muß, ist die Leistungsfähigkeit begrenzt. Der Einsatz erfolgt im wesentlichen für Abluftströme mit geringer und relativ konstanter Schadstoffbelastung.

Weitere Entwicklungen befaßten sich mit dem Aufbau gekapselter Anlagen sowie dem Einsatz inerter Trägermaterialien für die Mikroorganismen.

Die DE-OS 32 27 678 beschreibt eine kompakte Anlage zur Abluftreinigung unter Einsatz inerter Trägerkörper definierter Geometrie mit guten Aufwachsbedingungen für Mikroorganismen. Für Anwendungsfälle mit diskontinuierlichem Schadstoffanfall sowie auch für deutliche Schadstoffkonzentrationsschwankungen besitzen derartige Systeme nur eine begrenzte Pufferwirkung.

In der DE-OS 32 27 375 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem eine Pufferkapazität zum Auffangen von Stoßbelastungen durch die Zugabe von Aktivkohle zur Belebtschlamm-Waschflüssigkeit erreicht wird. Der Absorptionswirkungsgrad der Anlage kann durch den Einsatz der Aktivkohle von etwa 30% auf 85% gesteigert werden. Der Einsatz von Pulverkohle hat aber den Nachteil, daß mit überschüssiger Biomasse, die sporadisch aus dem System abgezogen wird, immer auch Anteile der Kohle entfernt werden, die durch frische Kohle ersetzt werden müssen.

Ein Verfahren mit höherer Flexibilität bei wechselnder Beladung der Abluft mit Schadstoffen wird durch die EP-A 0442110 A1 beschrieben. Erfindungsgemäß wird die höhere Flexibilität dadurch erreicht, daß der Abluftstrom und die Waschflüssigkeit periodisch alternierend im Gleich- und Gegenstrom durch die Tropfkörper geführt werden. Zur Sicherung einer hohen Abbauleistung wird die Waschflüssigkeit durch den Tropfkörper rezirkuliert und durch ein Reinigungsfilter geleitet, das ebenfalls als Tropfkörper ausgebildet ist. Die Flexibilität bei schwankenden Schadstoffbelastungen resultiert im wesentlichen aus der Fahrweise mit einem nachgeschalteten Bioreaktor.

Ein Verfahren zur biologischen Abgas-/Abluft-Reinigung und Trägermaterial dazu beinhaltet die DE 43 41 467 A1. Es ist dadurch gekennzeichnet, daß das mit Schadstoffen belastete Abgas bzw. die Abluft durch ein Biofilter und eine nachgeschaltete Adsorptionsstufe geleitet wird, wobei die in der Adsorptionsstufe abgeschiedenen Schadstoffe in das Biofilter recykliert werden. Das Filterbett besteht aus behandelter und unbehandelter Braun- und Steinkohle, vorzugsweise Formaktivkohle mit definierter Korngröße und einer Mikroflora oder einer beimpften Mischpopulation sowie weiteren Zusatzstoffen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur biologischen Abluftreinigung so zu gestalten, daß bei möglichst geringen Investitionskosten kontinuierlich oder diskontinuierlich mit schwankenden Schadstoffkonzentrationen anfallende Schadstoffströme mit hohem Wirkungsgrad gereinigt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man den schadstoffhaltigen Abluftstrom durch eine technologische Einheit, bestehend aus einem Aktivkohleadsorber mit einem 0,25 bis 0,75fachen Volumen des Bioreaktors, einem im Gegenstrom zur Abluft im Kreislauf betriebenen Wäscher, dessen Wasserreservoir man zur zusätzlichen Befeuchtung des Bioreaktors einsetzt, einem Wärmeaustauscher zur Anpassung der Ablufttemperatur an die vorgegebene Bioreaktortemperatur sowie dem eigentlichen Bioreaktor, dessen Volumen zu mind. 50%, aber max. 90%, von einem Biokatalysator mit hoher Adsorptionsleistung und günstigen Aufwachsbedingungen für Mikroorganismen eingenommen wird, strömen läßt.

Die beschriebene Kombination der einzelnen Verfahrensschritte gewährleistet eine hohe Wirksamkeit der Abluftreinigung bei Anlagen und Einrichtungen mit relativ gleichbleibender Schadstoffemission, wie sie z. B. in der chemischen Industrie und in Tierhaltungsanlagen häufig anzutreffen sind, und besitzt eine besondere Leistungsfähigkeit bei Anlagen und Einrichtungen mit diskontinuierlichem Schadstoffausstoß (Abstellen der Anlagen an Wochenenden und Feiertagen).

Durch die dem eigentlichen Bioreaktor vorgeschaltete Aktivkohleadsorption werden Schadstoffspitzen abgefangen, dem Reaktor mit der Biologie wird ein in seiner Zusammensetzung relativ konstanter Abluftstrom angeboten. In der Anfahrphase des Systems übernimmt dieser Adsorber die Hauptfunktion der Reinigung des Abluftstroms, und die Biomasse baut sich auf dem Trägermaterial im Reaktor auf. Ist die Sättigungsgrenze erreicht, erfolgt die Entfernung der Schadstoffe durch den biologischen Abbau. Durch den Biokatalysator mit seiner hohen inneren Oberfläche erfolgt dann eine weitere Pufferung des Systems. Die Abluftreinigung erfolgt sowohl durch Adsorption als auch durch biologischen Abbau. In Phasen, in denen keine Schadstoffe über die Abluft angeboten werden, erfolgt die Versorgung der Mikroorganismen mit Schadstoffen zur Aufrechterhaltung des Stoffwechsels durch Schadstoffdesorption aus dem Aktivkohleadsorber und dem Biokatalysator.

Zur Sicherung einer stabilen Biologie im Reaktor ist eine konstante Befeuchtung des Abluftstroms notwendig. Insbesondere bei gut wasserlöslichen Schadstoffen ist es vorteilhaft, das im Wäscher im Kreislauf gepumpte Wasser in schadstoffarmen Phasen zur Befeuchtung des Trägermaterials einzusetzen. Der befeuchtete Abluftstrom wird im Wärmeaustauscher so temperiert, daß die für den Bioreaktor vorgegebene Temperatur mit hoher Konstanz eingehalten wird. Im Bioreaktor erfolgt durch die auf dem Biokatalysator immobilisierten Mikroorganismen, die im Vorfeld an die abzubauenden Schadstoffe adaptiert werden, die Umwandlung der Schadstoffe in umweltfreundlichen Abbauprodukte unter gleichzeitiger Bildung von Biomasse. Überschüssige Biomasse wird nach bekannten Verfahren abgetrennt.

Zur Sicherung der Abbauraten wird das Festbett sporadisch mit einer vor allem Stickstoff- und Phosphorverbindungen sowie Spurenelemente enthaltenden Nährlösung besprüht.

Durch die puffernde Wirkung des Aktivkohleadsorbers und des Biokatalysators, kombiniert mit dem biologischen Schadstoffabbau, werden im Vergleich zu konventionellen Anlagen deutlich höhere Abbauleistungen erreicht. Dies wirkt sich insbesondere dann vorteilhaft aus, wenn die Schadstoffe diskontinuierlich mit schwankenden Konzentration auftreten.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels, wie es im Fließschema dargestellt ist, näher erläutert:
Die zu reinigende Abluft wird über die Abluftleitung 1 von unten nach oben durch den Aktivkohleadsorber 2, der mit handelsüblicher Aktivkohle für die Abluftreinigung bestückt ist, gefördert. Je nach Beladungszustand der Kohle erfolgen hier Schadstoffadsorption bzw. -desorption. Die den Adsorber verlassende Abluft wird im Wäscher 3 angefeuchtet, indem aus dem Vorratsgefäß 4 mittels Pumpe 5 und Düse 19 kontinuierlich Wasser über ein Füllkörperbett gesprüht wird. Über die Füllstandsregelung 17 wird in 4 ein konstanter Wasserstand gesichert. Über das Dreiwegeventil 18 sowie die Pumpe 12 kann die Waschflüssigkeit von 4 zur Befeuchtung des Reaktors 8 eingesetzt werden. Dieses wird bevorzugt erfolgen, wenn über die Abluft keine oder nur sehr wenige Schadstoffe in das System eingetragen werden. Die befeuchtete Abluft wird über den Wärmetauscher 6 am Kopf in den Bioreaktor eingespeist. Über die Temperaturregelung 7 erfolgt die Anpassung der Ablufttemperatur an die für die Fahrweise des Bioreaktors vorgegebene Temperatur. Der Bioreaktor 8 enthält den Biokatalysator mit den adaptierten Mikroorganismen. Die Immobilisierung kann entweder durch einen vorgelagerten Schritt in einem separaten Behälter oder auch direkt im Reaktor über die Pumpe 12 durch Umpumpen von den dem Schadstoff angepaßten Mikroorganismenkulturen erfolgen. Im über das Rührwerk 10 homogenisierten Reaktorsumpf erfolgt die pH-Wert-Regulierung sowie über den Sumpf mittels Pumpe 16 die Nährstoffversorgung. Die Füllstandsregelungen 13 und 14 sichern einen konstanten Flüssigkeitsstand im Reaktorsumpf. Über die Reingasleitung 11 wird die gereinigte Abluft ins Freie abgegeben.

Mit der beschriebenen Anlage mit einem Festbettvolumen des Aktivkohleadsorbers von 50 l und einem 150 l Bioreaktor mit einem Festbettvolumen des Biokatalysators (hergestellt nach DD 2 83 279) von 90 l wurde ein Volumenstrom von 12 m³/h mit schwankendem Toluolgehalt von 0 bis 500 mg/l über einen Zeitraum von 60 Tagen gereinigt. Die Immobilisierung der an das Toluol adaptierten Mikroorganismen auf dem Biokatalysator war separat in einem vorgelagerten Schritt erfolgt. Der Biokatalysator wies zu Versuchsbeginn einen geringen mikrobiellen Bewuchs auf. Der Aktivkohleadsorber war mit frischer Aktivkohle bestückt. Die Luft wurde auf durchschnittlich 87-93% rel. Luftfeuchte konditioniert. Der Wärmeaustauscher wurde so gefahren, daß im Bioreaktor eine Temperatur von 25°C über den gesamten Versuchszeitraum konstant eingehalten wurde. Alle 4 Std. wurde dem Reaktorsumpf 0,5 l Nährlösung (P, N, Ca, Mg, Spurenelemente) zudosiert und 2 min. umgepumpt. Der pH-Wert war mit 6,5 vorgegeben und wurde automatisch geregelt.

In den ersten 16 Tagen erfolgte bei einem Toluolgehalt in der Abluft von durchschnittlich 250 mg/l eine zunehmende Beladung der Aktivkohle. Der Toluolgehalt der aus dem Adsorber austretenden Abluft lag bei durchschnittlich 30 mg/m³ und nach Durchströmen des Bioreaktors bei < 10 mg/m³. In dieser Phase wurde ein zunehmender Bewuchs mit Biomasse auf den Biokatalysatorpartikeln festgestellt. Bis zum 30. Tag war die Aktivkohle nahezu gesättigt, die in den Bioreaktor eintretende Abluft hatte einen Toluolgehalt von ca. 230 mg/m³, die Konzentration im Reingas betrug < 10 mg/m³. Diese Fahrweise wurde 10 Tage beibehalten, ohne daß signifikante Änderungen in den Werten auftraten. Anschließend wurde für 10 Tage die Toluolkonzentration auf 500 mg/m³ erhöht, die Reingaskonzentration lag in dieser Phase zwischen 12 und 18 mg/m³. Zur Simu­ lierung einer Unterbrechung der Schadstoffzuführung wurde die Toluoldosierung für 72 Std. unterbrochen und reine Luft durch das System gefahren. Einmal pro Tag wurden 5 l Wasser aus dem Wäscher auf das Festbett des Bioreaktors gesprüht. Anschließend wurde bis zum 60. Tag mit einer Toluolkonzentration von 400 mg/m³ weitergefahren. Der sofort nach der erfolgten Erhöhung der Toluolkonzentration im Reingas gemessene Wert von 14 mg/m³ Toluol bestätigte, daß der Wirkungsgrad des Systems durch die Unterbrechung der Schadstoffzuführung nicht negativ beeinflußt wurde.

Claims (1)

1. Verfahren zur biologischen Abluftreinigung von mit wasserlöslichen und/oder wasserunlöslichen organischen und/oder anorganischen Schadstoffen belasteten Abluftströmen, insbesondere für kontinuierlich oder diskontinuierlich mit schwankenden Schadstoffkonzentration anfallende Abluftströme, dadurch gekennzeichnet, daß man den schadstoffhaltigen Abluftstrom durch eine technologische Einheit, bestehend aus einem Aktivkohleadsorber mit einem 0,25 bis 0,75fachen Volumen des Bioreaktors, einem im Gegenstrom zur Abluft im Kreislauf betriebenen Wäscher, dessen Wasserreservoir man zur zusätzlichen Befeuchtung des Bioreaktors einsetzt, einem Wärmeaustauscher zur Anpassung der Ablufttemperatur an die vorgegebene Bioreaktortemperatur sowie dem eigentlichen Bioreaktor, dessen Volumen zu mind. 50%, aber max. 90% von einem Biokatalysator mit hoher Adsorptionsleistung und günstigen Aufwachsbedingungen für Mikroorganismen eingenommen wird, strömen läßt.