DE19539839A1

DE19539839A1 - Verfahren zur adsorptiven Elimination von Spurenstoffen aus Deponiegasen mittels Aktivkohle in Kombination mit deren anschließenden biologischen Regeneration in derselben Anlage oder einer separaten Regenerationseinheit

Info

Publication number: DE19539839A1
Application number: DE19539839A
Authority: DE
Inventors: Mustafa Dr Ing Jaar
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-10-26
Filing date: 1995-10-26
Publication date: 1997-04-30

Description

1. Verfahrensbeschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur adsorptiven Elimination von Spurenstoffen aus De poniegasen mittels Aktivkohle in Kombination mit deren anschließenden biologischen Rege neration in derselben Anlage oder einer separaten Regenerationseinheit.

Aufgrund der potentiellen Umweltbelastung ist es heute in Deutschland nicht mehr zulässig, Deponiegas unbehandelt in die Atmosphäre entweichen zu lassen. Emissionen durch Methan und Halogenkohlenwasserstoffe tragen nachweislich zur Klimaproblematik bei. Außerdem sind die Toxizität einiger Spurenstoffe und die Explosivität von Methan eine Gefahr für Mensch und Natur.

Deponien müssen aus diesen Gründen mit Einrichtungen zur gezielten Erfassung und Be handlung der entstehenden Gase ausgestattet werden. Aufgrund des hohen Energiepotenti als bietet sich alternativ zur einfachen Abfackelung die energetische Nutzung der Gase an. Oftmals ist dafür jedoch eine vorausgehende Gasreinigung erforderlich. Die adsorptive Rei nigung kann auf diesem Gebiet als das klassische Verfahren betrachtet werden. Die Kosten adsorptiver Reinigungsstufen werden entscheidend durch die Art der Regenerationsmög lichkeit der beladenen Aktivkohle beeinflußt. Zusammengefaßt liegt die Problematik der konventionellen Regenerationsverfahren (mittels Heißluft oder Heißdampf) im Anfall pro blematischer Rückstände, in der Entstehung toxischer Emissionen (z. B. Dioxine und Fura ne) sowie in einem relativ hohen Energiebedarf, der sich negativ auf die Betriebskosten auswirkt. Die entstehenden Regenerationskosten liegen bei 60 bis 80% des Frischkohle preises.

Vor dem Hintergrund dieser Situation müssen neue umweltschonende und kostengünstige Regenerationsverfahren entwickelt werden. Die biologische Regeneration stellt hierfür eine interessante Möglichkeit dar.

Die Verfahrensführung soll dabei wie folgt ablaufen:

a) Die verdichteten und getrockneten Deponiegase werden über zwei hintereinander geschaltete Aktivkohlefilter geleitet. In der ersten Stufe wird mittels einer katalyti schen Adsorption der in Form von H₂S vorliegende Schwefel eliminiert. In der zweiten Reinigungsstufe werden CKW, FCKW und BTEX-Aromaten abgeschieden.
Beide Reinigungsstufen bestehen aus zwei parallel geschalteten Aktivkohlefiltern, von denen jeweils der eine beladen und der andere regeneriert wird. Die biologische Regeneration läßt sich nur für die zweite Stufe anwenden.
b) Wird der Grenzwert am Filteraustritt erreicht, wird der parallel geschaltete Aktiv kohlefilter für die Reinigung in Betrieb genommen. Der beladene Aktivkohlefilter der zweiten Stufe wird an den Regenerationskreislauf angeschlossen.
Die Regeneration wird zunächst anaerob und anschließend aerob betrieben. Um eine optimale Abbauleistung zu erzielen ist der Einsatz adaptierter Mikroorganismen vorgesehen. Zudem findet eine pH-Wert-Optimierung sowie eine Zudosierung von Nähstoffen statt. Zur Aufrechterhaltung des biologischen Stoffwechsels ist in der Anfangsphase die Zugabe von Co-Substrat vorgesehen. Der Sauerstoffeintrag wäh rend der aeroben Phase wird mit Hilfe einer Membranbegasung realisiert.
c) Nach Erreichen des gewünschten Regenerationsgrades wird die Aktivkohle mittels Rückspülung mit Heißdampf und/oder einem Oxidationsmittel vom Biofilm befreit und kann erneut zur Adsorption eingesetzt werden.

Mit einem derartigen Verfahren können die folgenden Vorteile erzielt werden:

1) Es handelt sich bei der Erfindung aufgrund der vorliegenden enzymatischen Reakti onsprozesse um ein energetisch günstiges Verfahren. Der Energieaufwand stellt bei den konventionellen Regenerationsverfahren einen primären Kostenfaktor dar.
2) Aufgrund der biologischen Abbauprozesse erfolgt eine Zerstörung der adsorbierten Schadstoffe anstelle einer Aufkonzentration bei den herkömmlichen Verfahren. Es fallen somit keine umweltschädlichen Reststoffe an, die entsorgt werden müssen.
3) Bei der Regeneration von mit chlororganischen Verbindungen beladener Aktivkohle mit konventionellen Regenerationsverfahren besteht die Gefahr einer Dioxin- und Fu ranbildung. Da es sich bei der biologischen Regeneration um ein nahezu abluftfreies Verfahren handelt, entfällt diese Problematik.
4) Ein Problem biologischer Verfahren stellt das Ausstrippen leichtflüchtiger Schadstoffe bei Anwendung einer Blasenbegasung dar. Diesem Problem wird hier mit der Anwen dung einer blasenfreien Membranbegasung begegnet. Strippeffekte können auf diese Weise minimiert werden. Mit Hilfe einer entsprechenden Regelung wird zudem nur die zum biologischen Abbau notwendige Sauerstoffmenge zugeführt und die entste hende Abluftmenge somit zusätzlich gering gehalten.

Weitere Vorteile des Verfahrens ergeben sich aus der Kombination von Biologie und Aktiv kohle:

5) Der schädliche Einfluß toxischer und hemmender Substanzen auf die Biologie ver ringert sich dadurch, daß sie an der Aktivkohle adsorbiert sind und sukzessive in verträglichen Konzentrationen in die flüssige Phase desorbiert werden.
6) Durch die Adsorption der Schadstoffe wird die Aufenthaltszeit von schwer abbauba ren Substanzen auf der Oberfläche der Aktivkohle um ein Vielfaches verlängert. Den Mikroorganismen wird dadurch die Möglichkeit einer Adaption gegeben.

2. Beschreibung der biologischen Regeneration

Findet auf adsorbierenden Oberflächen ein mikrobieller Abbau statt, so sind dafür Mikroor ganismen verantwortlich, die auf der Aktivkohle adsorbiert wurden und zu einem Biofilm angewachsen sind. Es überlagern sich dann die Mechanismen der Adsorption mit denen der biochemischen Umsetzung im Biofilm. Ein Biofilm ist eine Matrix aus Mikroorganismen und extrazellulärem Material, die sich auf mit Wasser überströmten Flächen bilden kann, wenn abbaubare Substanzen vorhanden sind.

Die Oberfläche von Aktivkohle bietet eine attraktive Aufwuchsfläche für Mikroorganismen. Die zahlreichen Nischen und Klüfte bieten Schutz gegenüber den im Adsorberbett wirken den Scherkräften. Außerdem stellt die Adsorption von Sauerstoff einen gewissen Puffer für sauerstoffarme Zeitabschnitte dar. Aufgrund dieser Vorteile können auch Mikroorganismen mit geringen Wachstumsraten im System gehalten werden. Dies betrifft vor allem die auf schwer abbaubare Stoffe adaptierten Bakterien.

Nach einer Theorie von Andrews und Tien erfolgt die Regeneration durch biologische Ak tivität an der Oberfläche der Aktivkohle in Wechselwirkung mit Adsorption, Desorption und Porendiffusion. Mit Erreichen einer kritischen Aktivität des Biofilmes, der sich um das Aktivkohlekorn herum lagert, kommt es in den Poren der Aktivkohle zu einer Umkehr der Konzentrationsgradienten. Adsorbierte Substanzen desorbieren und werden in den Biofilm zurücktransportiert und abgebaut.

Grundbedingungen für die Wiederherstellung der Adsorptionskapazität von Aktivkohle mit Hilfe biologischer Verfahren sind die Desorbierbarkeit der adsorbierten Schadstoffe und das Vorhandensein eines biologischen Abbaupotentials für diese Schadstoffe. Dabei muß eine ausreichende Zufuhr von Mineralnährlösung für das Wachstum der Organismen gewährlei stet sein. Bei aeroben Verfahren ist darüber hinaus eine ausreichende Sauerstoffversorgung notwendig.

Für die Verfolgung der Abbauwege sind ein Grundwissen über die Mechanismen des Stoff abbaus sowie seine analytische Kontrolle unbedingt erforderlich. Wichtig ist zudem die Kenntnis der für die Mikroorganismen optimalen Milieubedingungen (pH-Wert, Tempera tur, Konzentration, etc.).

Zur Überwachung der Regenerationsdauer von Aktivkohle gibt es folgende Möglichkeiten:

- Online-Messung von Sauerstoff, Kohlendioxid oder charakteristischen mineralischen Endprodukten
- Wenn der pH-Wert durch den Abbau sinkt oder steigt, erfolgt die Kontrolle des Rege neratonsprozesses durch Beobachtung der jeweils zur Stabilisierung notwendigen Men ge an Säure oder Base.

Das Ausmaß der Regenerationsleistung der Aktivkohle sollte durch Aufnahme von Adsorp tionsisothermen regenerierter Kohle sowie frischer, unbeladener und Vergleich der Adsorp tionskapazität beider Kohlen miteinander überprüft werden.

3. Anlagenbeschreibung 3.1. Adsorptionseinheit

In Fig. 1 ist die Adsorptionseinheit dargestellt. Die bereits getrockneten und verdichteten Roh-Deponiegase werden zunächst über einen speziell behandelten Aktivkohlefilter geleitet. In dieser ersten Reinigungsstufe (1) wird mittels einer katalytischen Adsorption (Einsatz imprägnierter Aktivkohle) der in Form von H₂S vorliegende Schwefel eliminiert. Im folgen den Aktivkohlefilter der zweiten Reinigungsstufe (2) werden CKW, FCKW und BTEX-Aromaten physikalisch adsorbiert. Beide Reinigungsstufen bestehen aus zwei parallel ge schalteten Aktivkohlefiltern, von denen jeweils der eine beladen und der andere regeneriert wird. Die biologische Regeneration läßt sich nur für die zweite Stufe anwenden.

Druck (3), Temperatur (4) und Volumenstrom (5) werden vor und nach den Aktivkohlefil terstufen gemessen. Zwischen den Reinigungsstufen ist eine zusätzliche Druckkontrolle vorgesehen, um ein Zusetzen bzw. Veränderungen in den Filtern besser lokalisieren zu kön nen. Zur Ermittlung des Schadstoffgehaltes im Deponiegas ist jeweils vor und nach den Fil tern eine Gasprobenahme (6) vorgesehen. Die Gasanalyse kann diskontinuierlich oder bei Bedarf on-line erfolgen. Wird der Grenzwert am Filteraustritt erreicht, wird der parallel geschaltete Aktivkohlefilter für die Reinigung in Betrieb genommen. Die Regelung der Vo lumenströme erfolgt über diverse Absperrventile (7). Zudem sind vor den Reinigungsstufen eine Rückschlagklappe (8) und ein Druckregler (9) vorgesehen.

3.2. Regenerationseinheit

Fig. 2 zeigt die Regenerationseinheit. Der beladene Aktivkohlefilter (10) der zweiten Ad sorptionsstufe wird an den Regenerationskreislauf angeschlossen. Die Regeneration kann entweder direkt in die Adsorptionsanlage integriert werden oder nach Ausbau des Filters in einer separaten Anlageneinheit erfolgen.

In der Regenerationseinheit werden im Wasser suspendierte Mikroorganismen im Kreislauf gepumpt und bilden nach einiger Zeit auf der Aktivkohle einen Biofilm aus, der, wie in Kap. 3 beschrieben, die Regeneration der Kohle bewirkt.

Zum Abbau der hochchlorierten Kohlenwasserstoffe wird die Regeneration zunächst unter anaeroben Bedingungen (Kreislauf A) ohne Sauerstoffeintrag betrieben. Um eine optimale Abbauleistung zu erzielen ist der Einsatz adaptierter Mikroorganismen vorgesehen. Zudem findet eine Zudosierung von Nähstoffen und Co-Substrat (11) sowie eine pH-Wert-Regelung statt. Der pH-Wert wird über einen Regler (12) aufgenommen. Je nachdem ob der pH-Wert über oder unter dem Optimum liegt wird entweder die Säurezudosierung (13) oder die Laugezudosierung (14) angesprochen.

Der anaeroben Regenerationsphase schließt sich die aerobe Phase (Kreislauf B) mit Sauer stoffzufuhr an. Hierfür wird dem Regenerationskreislauf ein Membranbegasungsmodul (15) zugeschaltet. Durch die blasenfreie Membranbegasung wird das Ausstrippen leichtflüchtiger Schadstoffe unterbunden. Zudem wird mittels einer geeigneten Regelung (16) nur soviel Sauerstoff eingetragen, wie für die biologischen Abbauprozesse benötigt wird. Die Zufuhr findet über ein Magnetventil (17) statt, das immer dann angesprochen wird, wenn der Sau erstoffgehalt im System einen bestimmten Grenzwert unterschreitet. Auf diese Weise kön nen die Betriebskosten sowie die entstehende Abluftmenge minimiert werden. Die Begasung wird zudem nach dem "dead end"-Prinzip betrieben. D.h., daß kein Sauerstoffkreislauf vor liegt sondern die Begasung an einem Absperrventil (18) endet. Dieses wird nur dann geöff net, wenn der gemessene Druck (19) den vorgegebenen Grenzwert übersteigt. Die zuge führte Sauerstoffmenge und der Abluftstrom werden mittels Durchflußmesser (20, 21) auf genommen.

Der Filter ist mit einer Füllstandsmessung (22) ausgestattet. Hinzu kommen Anschlüsse für Frisch- (23) und Brauchwasser (24) sowie ein Anschluß für die Filterrückspülung mittels Heißdampf (25) zur Entfernung des Biofilmes. Der kondensierte Dampf wird in einem Sammelbehälter (26) aufgefangen.

Eine Kontrolle der während des Abbaus entstehenden Zwischenprodukte kann über eine Probenahmeeinrichtung (27) erfolgen. Der Regenerationsvorgang wird anhand von Online-Messungen des pH-Wertes (12), des Sauerstoffverbrauches (16) und der Abbauprodukte (28) kontrolliert.

Zur Ermittlung des Regenerationsgrades werden Adsorptionsisothermen der Kohle während und nach der Regeneration aufgenommen und mit denen von Frischkohle verglichen. Eine Beprobung der Aktivkohle kann über dafür vorgesehene Kugelhahnventile (29) am Aktiv kohlefilter erfolgen.

Zur Kontrolle des Druckabfalls im Aktivkohlefilter ist eine Druckmessung (30) vorgesehen. Zudem werden Temperatur (31) und Volumenstrom (32) aufgenommen.

Claims

Verfahren zur adsorptiven Elimination von Spurenstoffen aus Deponiegasen mittels Aktivkohle in Kombination mit deren anschließenden biologischen Regeneration in der selben Anlage oder einer separaten Regenerationseinheit, die dadurch gekennzeichnet sind, daß:
- a) eine anaerobe und eine aerobe Regenerationsphase durchlaufen wird und währenddes sen die Zwischenprodukte kontrolliert werden.
- b) der Regenerationsvorgang anhand von Online-Messungen des pH-Wertes, des Sauer stoffverbrauches und der Abbauprodukte sowie durch die Aufnahme von Adsorptions isothermen kontrolliert wird.
- c) durch die Regulierung des pH-Wertes sowie die Zugabe von Nährstoffen, Co-Substrat und Sauerstoff während der aeroben Phase optimale Bedingungen für eine Biofilmbil dung geschaffen werden.
- d) durch die unter c) genannten Maßnahmen sowie den Einsatz adaptierter Mikroorganis men optimale Milieubedingungen zur Verkürzung der Regenerationszeit geschaffen werden.
- e) der Biofilm auf der Aktivkohle nach Beendigung der Regeneration mittels Heißdampf und/oder Oxidationsmitteln entfernt wird.
- f) der Sauerstoffeintrag während der aeroben Phase blasenfrei über Membranen aus Sili konkautschuk erfolgt
- g) zur Minimierung der Betriebskosten sowie der entstehenden Abluftmenge über eine Regelung nur soviel Sauerstoff ins System eingetragen wird, wie zum biologischen Ab bau notwendig ist ("dead end"-Betriebsweise).