DE10321846B4

DE10321846B4 - Vorrichtung zur biologischen Reinigung von Abluft/Abgas sowie Verfahren unter Anwendung einer solchen Vorrichtung

Info

Publication number: DE10321846B4
Application number: DE10321846A
Authority: DE
Inventors: Carsten Dr.-Ing. Cuhls; Roman Jabusch; Manfred Dr.rer.nat. Jank; Rainer Prof. Dr.-Ing. habil. Schnabel; Clemens Ochmann
Original assignee: Hermsdorfer Institut fuer Technische Keramik eV HITK
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2003-05-15
Filing date: 2003-05-15
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2023-05-16
Also published as: DE10321846A1

Abstract

Vorrichtung zur biologischen Reinigung von Abluft/Abgas, dadurch gekennzeichnet, dass in dieser Vorrichtung als Biofilter biologisch abbaubare Kunststoffe, auf denen Mikroorganismen fixiert sind, zur Anwendung kommen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur biologischen Reinigung von Abgasen/Abluft, wo luftverunreinigende Stoffe oder Stoffe vorliegen, die biologisch abbaubar sind.
Im einzelnen betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren, bei welchen die biologisch abbaubaren Stoffe in auf Aufwuchskörpern ausgebildeten definierten Biofilmen mit aeroben, anoxischen und anaeroben Zonen der Wirkung von Mikroorganismen ausgesetzt und die Abluft bzw. das Abgas dadurch gereinigt wird. Dies wird dadurch erreicht, dass in diesen Zonen der simultane Ablauf oxidativer – und reduktiver Stoffwechselvorgänge durch die immobilisierten Mikroorganismen erfolgt.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur biologischen Reinigung von Abgasen/Abluft, wo luftverunreinigende Stoffe vorliegen, die biologisch abbaubar sind. Insbesondere soll das Verfahren dort eingesetzt werden, wo bisher bekannte Verfahren Stoffe zu problematischen Zwischen- oder Abbauprodukten umsetzen, die sich in Biofiltern anreichern oder die weiterhin problematisch sind. Das betrifft in hervorgehobener Weise besonders die Entstehung von Lachgas in bekannten Verfahren und Vorrichtungen.
Die biologische Reinigung von Abgasen/Abluft oder Tricklingfilter kann dort angewendet werden, wo luftverunreinigende Stoffe vorliegen, die biologisch abbaubar sind. Die Abluftinhaltsstoffe werden zunächst vom Trägermaterial sorbiert und anschließend von den auf dem Trägermaterial siedelnden Mikroorganismen biologisch abgebaut. Als Trägermaterial werden biologisch aktive Filtermaterialien, vorwiegend Komposte, Rindenrmulch, Holzhäcksel sowie deren Mischungen verwendet. Es werden jedoch auch andere Materialien anorganischen Ursprungs sowie Kunststoffe mit vorzugsweise großer innerer Oberfläche eingesetzt (Lava, Blähton, Raschig-Ringe, Kunststoffkörper).
Die Auslegung von Biofilteranlagen richtet sich nach dem Volumenstrom, der zu erwartenden Stoffkonzentration im Rohgas und den möglichen Schwankungsbreiten. Außerdem sind die Art und die Zusammensetzung des Filtermaterials für die Bemessung von Filterfläche und Filtervolumen maßgebend. Bei ausgeführten Filtern wurden Flächenbelastungen um 100 m³ Rohgas pro m² Filterfläche und Stunde (m³/(m²·h)) bei offenen Flächenfiltern mit ca. 1,5 m Schütthöhe oder höhere Werte bei geschlossenen Filtern mit Schütthöhen von bis zu 3 m realisiert.
Dem Biofilter vorgeschaltet werden in der Regel eine Befeuchtungseinrichtung und bei Bedarf eine Entstaubung. Es ist auf ein ausgeglichenes Verhältnis von Substrat und Nährstoffen zu achten (C/N/P/S/K). Weitere wichtige Faktoren sind: ausreichende Feuchtigkeit und Luftdurchlässigkeit, Temperatur und pH-Wert.
Neben Kohlenwasserstoffverbindungen, die unproblematisch zu CO₂ und H₂O abgebaut werden, können grundsätzlich alle biologisch abbaubaren Verbindungen mit den o. g. Verfahren eliminiert werden. Als ungünstig erweisen sich jedoch Stoffe, die zu problematischen Zwischen- oder Abbauprodukten (Salze, Gifte) umgesetzt werden und sich im Biofilter anreichern können. Dazu gehört z. B. das Ammoniak (NH₃) bzw. Ammonium (NH₄), welches im Biofilter zunächst zu Nitrit (NO₂) und dann zu Nitrat (NO₃), nitrifiziert wird. In rein aeroben Systemen ist ein weiterer Abbau zu gasförmigem N₂ nicht möglich, so dass Nitrit und Nitrat akkumulieren. In der Folge kommt es

1. zur Hemmung der biologischen Aktivität und
2. zur Bildung von unerwünschten Gasen, wie NO und N₂O.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur biologischen Reinigung von Abgasen/Abluft zu schaffen, wobei die luftverunreinigenden Stoffe biologisch abbaubar sind und Aufwuchskörper verwendet werden, auf denen Biofilme ausgebildet werden, die Zonen aufweisen.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die Ansprüche 1 bis 9.
Damit unterscheidet sich das entwickelte Verfahren und die Vorrichtung von bisherigen Lösungen insbesondere dadurch, dass auf den Aufwuchskörpern Biofilme mit definierter Dicke ausgebildet werden. Durch gezielte Nutzung der diffusionslimitierten Stofftransportprozesse innerhalb des Biofilms wird es möglich, in diesem sowohl aerobe, anoxische als auch anaerobe Zonen auszubilden. Dadurch wird der simultane Ablauf oxidativer und reduktiver Stoffwechselvorgänge durch die immobilisierten Mikroorganismen ermöglicht. Im Gegensatz zu porösen anorganischen Trägermaterialien erfolgt bei den Biocompounds die Bildung des Porensystems durch die Mikroorganismen selbst, indem sie die biologisch leichter abbaubare Komponente des Trägers verstoffwechseln.
Neben einem weitestgehenden Abbau von organischen Verbindungen und einer Nitrifikation wird eine unerwünschte Bildung von N₂O bzw. eine Akkumulation von NO₃ ^–-Ionen vermieden.
Verfahrensgemäß wird das Abgas/die Abluft zuerst befeuchtet. Danach durchströmt sie die Biofilter z. B. in Modulbauform oder auch mehrere Module. Insbesondere beseitigt das Verfahren und die Vorrichtung Nachteile bekannter Verfahren, wie die Entstehung von Lachgas.
Die Kombination eines hydrophoben Aufwuchskörpers mit den Mikroorganismen bei gleichzeitiger Steuerung der Feuchte im Reaktor ermöglicht auch die adsorptive Bindung von sowohl polaren als auch unpolaren Molekülen und deren anschließenden biologischen Abbau. Die Effektivität dieser Prozesse kann noch durch eine Reihenschaltung von zwei Reaktoren verstärkt werden.
Durch die Auswahl der Compounds und der Prozessbedingungen ist das Verfahren auch für die Elimination von Methan geeignet.
Nachstehend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Die beigefügten Zeichnungen stellen dar:
1: Biofilter in Modulbauform,
2: Abdeckung des Biofilter-Moduls in drei Ansichten,
3: Grundplatte des Biofilter-Moduls in zwei Ansichten,
4: Vergrößerte Ansicht eines Ausschnittes aus dem Compound,
5: Vergrößerter Ausschnitt aus dem Compound mit Darstellung einer Pore.
Abgas/Abluft wird befeuchtet und durch den Biofilter geleitet. 1 zeigt beispielhaft ein solches Biofilter in Modulbauform. Die 2 und 3 zeigen den Aufbau des Moduls. Das in den 4 und 5 angegebene Biocompound ist in geeigneter Weise auf den stabförmigen Trägerelemente fixiert.
Das feuchte Abgas/die feuchte Abluft durchströmt den Biofilter in Modulbauform.
Die biologisch abbaubaren Verbindungen werden auf den Aufwuchskörpern, auf denen sich Biofilme mit definierter Dicke ausbilden, in aeroben, anoxischen als auch anaeroben Zonen durch den simultanen Ablauf oxidativer und reduktiver Stoffwechselvorgänge durch die immobilisierten Mikroorganismen abgebaut.
Das verwendete Biopolymer bestand aus 70 Ma-% Polycaprolactan als biologisch langsam und 30 Ma-% Polyhydroxybuttersäure als biologisch schnell abbaubare Komponente. Die Herstellung des Compounds erfolgte mittels Extrusion.
Die auf den Trägerelementen des Biofilters befindlichen Biocompounds (siehe Bild 1) wurden in einer wässrigen Phase mit Mikroorganismen aus einer kommunalen Kläranlage inkubiert und danach in den Laborbiofilter (vgl. Bilder 1 bis 3) eingebracht. Es folgte eine kontinuierliche Zudosierung einer synthetischen Abluft (vgl. Tabelle 1) mit einem Volumenstrom von 1000 1/h und einer Luftfeuchtigkeit > 100 % (ca. 105%). Tabelle 1: Schadstoffkonzentration in Zu- und Ablauft des Biofilters

Claims

Vorrichtung zur biologischen Reinigung von Abluft/Abgas, dadurch gekennzeichnet, dass in dieser Vorrichtung als Biofilter biologisch abbaubare Kunststoffe, auf denen Mikroorganismen fixiert sind, zur Anwendung kommen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die biologisch abbaubaren Kunststoffe auf Trägerelementen fixiert sind.
Vorrichtung nach einem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die biologisch abbaubaren Kunststoffe in Form von Compounds eingesetzt werden, die aus mindestens zwei unterschiedlich schnell biologisch abbaubaren Kunststoffen bestehen.
Vorrichtung nach einem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Komponente des Compounds chemische Verbindungen enthält, die selektierend auf die Populationszusammensetzung im Biofilm wirken.
Vorrichtung nach einem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die biologisch abbaubare Kunststoffe aus der Gruppe Polyhydroxybuttersäure, Polycaprolacton, Polymilchsäure, modifizierte Stärken, Copolyester ausgewählt sind.
Vorrichtung nach einem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Biocompounds auf Trägerelementen fixiert sind.
Vorrichtung nach einem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerelemente im Reaktor Abstände von 1 mm bis 5 mm voneinander aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 6 und 7, bei der die Trägerelemente als Platten, Rohre oder Stäbe ausgebildet sind.
Verfahren unter Anwendung von Vorrichtungen nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, das die zu reinigende Abluft bzw. das reinigende Abgas und/oder der Biofilter durch eine Berieselungsvorrichtung befeuchtet wird (werden).