DE19608805C1 - Verfahren zur biologischen Abluftreinigung in Rieselbettreaktoren mit kontrolliertem Biomasseaustrag - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur biologischen Abluftreinigung in Rieselbettreaktoren mit kontrolliertem Biomasseaustrag.

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.

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. Die DE 42 32 992 A1 beschreibt ein Verfahren zur biologischen Abluftreinigung in einer derartigen Anlage durch gezielte Berieselung der Mikroorganismen auf den Tropfkörpern, was eine erhöhte biologische Abbauleistung der in der Abluft enthaltenen Schadstoffe zur Folge hat. Der Schadstoffabbau vollzieht sich dadurch, daß die Mikroorganismen den Schadstoff zu u. a. CO₂, H₂O und vor allem Biomasse verstoffwechseln. Die entstehende Biomasse führt zum Zuwachsen und letztlich Verstopfen des Reaktors, da sie die freien Zwischenräume der Füllkörperschüttung zusetzt. Der Druckverlust steigt an, die Abbauleistung wird durch Kanalbildung und Totzonen erheblich beeinträchtigt. Insbesondere Rieselbettreaktoren mit hohen Raum-Zeit-Ausbeuten verstopfen entsprechend schnell.

Um die Leistungsfähigkeit von Rieselbettreaktoren zu erhöhen, muß man die Biomassebildung entweder unterdrücken oder diese kontinuierlich oder sporadisch aus dem System entfernen.

In VDI-Berichte 1104, Biologische Abgasreinigung, VDI-Verlag GmbH, Düsseldorf 1994 (R) wird die Verzögerung des Aufwachsens der Biomasse durch gezielte Nährsalzlimitierung oder auch Nährsalzerhöhung beschrieben. Mit diesem Verfahren wird der Zeitpunkt des Verstopfens jedoch nur hinausgezögert. Ein Aufwachsen von Mikroorganismen und damit verbunden das Verstopfen des Rieselbettreaktors kann letztendlich nicht verhindert werden.

Eine Möglichkeit zum Austrag von überschüssiger Biomasse stellt die DE-OS 32 27 678 vor. Nach dem beanspruchten Verfahren wird die bewachsene Füllkörperschüttung dadurch gereinigt, daß der Reaktionsraum derart geflutet wird, daß die Trägerkörper aufgrund ihres Auftriebs in Bewegung zueinander versetzt werden und überschüssige Biomasse ausgespült wird. Somit ist dieses Reinigungsverfahren auf schwimmfähige Füllkörper beschränkt, d. h. Füllkörper, deren Dichte größer als die Dichte von Wasser ist, können mit diesem Verfahren nicht gereinigt werden. Weiterhin scheint dieses Verfahren nicht geeignet, stark bewachsene Füllkörperschüttungen erfolgreich zu reinigen, da die Scherwirkung, die allein aus dem Aufschwimmen der Füllkörper resultiert, auf die anhaftenden Biofilme gering ist.

Die DE 37 42 219 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur biologischen Reinigung von Abgas. Die unerwünschten Abgasbestandteile werden entweder direkt mit dem gesamten Abgas in einen flüssigkeitsgefüllten Reaktor eingeleitet, oder sie werden zuvor aus dem Abgas durch Besprühen mit einer Flüssigkeit ausgewaschen und zusammen mit der Flüssigkeit dem Reaktor zugeführt. In dem mit einer Flüssigkeit gefüllten Reaktor schweben einzelne Trägerteilchen für Mikroorganismen in stückiger und/oder granulierter Form frei beweglich. Die auf den Trägerteilchen angesiedelten Mikroorganismen bauen die unerwünschten Abgasbestandteile zu unschädlichen Produkten ab.

Das Prinzip der Auflockerung von biologisch abbaubaren organischen Filtermaterialien in der biologischen Abluftreinigung durch Einbau von Rührwerken ist bereits aus der DE 39 38 507 und der DE-OS 32 04 597 bekannt. Im ersten Fall wird ein Schneckenrührer senkrecht in ein Laufwerk eingebracht und sorgt durch den schneckenartigen Transport für eine Auflockerung der Filtermasse. Ein Einsatz in einem großflächigen Filterbett wird durch eine flexible Lagerung des Schneckensystems an einer Laufkatze gewährleistet. Im zweiten Fall wird das organische Filtermaterial am Boden des Filters mit der Schnecke entnommen, ggf. mit neuem, unverbrauchtem Filtermaterial gemischt und aufgelockert oben auf die Filterschüttung wieder aufgegeben. Beide Verfahren bewirken jedoch nur die Auflockerung des organischen Filtermaterials und verzögern die Bildung von Kanälen und Totzonen, was die Abbauleistung positiv beeinflußt. Der notwendige sporadische Austausch des abbaubaren organischen Filtermaterials und damit eine periodische Außerbetriebnahme bleiben ein Nachteil dieser Biofilter.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, im Vergleich zu bekannten Lösungen ein Verfahren zur biologischen Abluftreinigung durch Verstoffwechselung der Schadstoffe unter Bildung von Biomasse im Rieselbettreaktor so zu gestalten, daß auf einfache und wirtschaftliche Weise überschüssige Biomasse, die zur Verstopfung des Reaktors führt, von den Füllkörpern abgelöst und aus dem Reaktor transportiert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man zur Abtrennung von überschüssiger Biomasse bei Überschreitung eines bestimmten Druckverlustes über die Füllkörperschütthöhe einen im Festbett angeordneten Rührer anlaufen und die Füllkörperschüttung von Wasser durchströmen läßt. Für die Fahrweise des Rieselbettreaktors ist es günstig, daß man den Reinigungsprozeß bei einem Druckverlust über die Füllkörperschütthöhe < 100 Pa/m Schütthöhe einleitet. Für die Abtrennung der überschüssigen Biomasse ist es vorteilhaft, daß die Laufzeit des Rührers mind. 5 min., aber max. 60 min. und seine Drehzahl mind. 3, aber max. 30 U/min. beträgt. Durch die so erreichte Bewegung des Trägerkörpers gegeneinander schert die Biomasse ab. Die verbleibenden Mikroorganismen verteilen sich gleichmäßig über die gesamte Füllkörperschicht. Zur Entfernung der abgescherten Biomasse hat es sich als günstig erwiesen, daß man während der gesamten Laufzeit des Rührers einen Wasserstrom von mind. 0,05 m³ pro m² Reaktorfläche und Stunde, aber max. 5 m³ pro m² Reaktorfläche und Stunde von oben nach unten durch die Füllkörperschicht strömen läßt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, näher erläutert:
Die schadstoffhaltige Abluft durchströmt im Reaktor 1 die mit Mikroorganismen bewachsene Füllkörperschüttung 4 über den Gaseintritt 6 von oben nach unten und verläßt den Reaktor über den Abgasaustritt 7. Zur Versorgung der Mikroorganismen mit Nährstoffen wird mittels Pumpe 11 aus dem Vorratsgefäß 10 über die Düsen 12 Nährlösung über die Füllkörperschüttung versprüht. Über die Nährlösungszufuhr 8 wird dem System frisches Nährmedium hinzugefügt und über die Leitung 9 verbrauchte Flüssigkeit abgezogen.

Zentriert in der Füllkörperschüttung 4 befindet sich der Schneckenrührer 2, der über den Motor 3 angetrieben wird. Die Rührerschnecke reicht nahezu auf den Filterboden, was sich günstig auf den Füllkörpereinzug und damit auf den Transport auswirkt. Die Schnecke 2 transportiert die Trägerkörper 4 in einem begrenzten Bereich des Schneckenganges vertikal von unten nach oben. Im äußeren Bereich fallen die Füllkörper 4 locker von oben nach unten, wobei eine tangentiale Bewegung überlagert ist.

Besonders günstig auf den Transport wirkt sich ein an den Seiten ansteigender Behälterboden 5 aus, da die Füllkörper 4 besser von der Schnecke 2 eingezogen werden können. Der Transport führt zu einer Lockerung und einem Mischvorgang. Durch die Bewegung werden die Füllkörper 4 gegeneinander bewegt, und es kommt zu einer Abtrennung der Biomasse, die verbleibenden Bakterien sind im gesamten Reaktor 1 relativ gleichmäßig verteilt. Die abgescherte Biomasse wird durch Besprühen der Füllköperschicht mit Wasser über die Leitung 9 aus dem System ausgetragen.

Mit der beschriebenen Anlage mit einem Schüttungsvolumen von 5,3 l bei einer Schüttungshöhe von 305 mm wurde ein Abluftstrom mit einer Filterflächenbelastung von 110 Nm³/m²h und einer Eintrittskonzentration des Schadstoffs Toluol von 300 mg/Nm³ gereinigt. Der Druckverlust der unbewachsenen Schüttung betrug 10 Pa/m.

Bei einer durchschnittlichen Abbaurate von 92% war der Druckverlust durch die bewachsene Schüttung nach 21 Tagen auf 410 Pa/m Schütthöhe angestiegen. Der Rührer mit einem Durchmesser von 100 mm und 6 Schneckengängen wurde bei fortlaufendem Schadgasdurchsatz mit einer Drehzahl von 6,67 U/min. in Betrieb genommen. Gleichzeitig wurde die Flüssigkeitsmenge, die über Düsen auf die Schüttungsoberfläche gesprüht wird, von 0,5 auf 21,3 l/h erhöht, so daß parallel zum Schadgasstrom die Flüssigkeit von oben nach unten durch den Reaktor läuft und die abgescherte Biomasse austrägt. Die durchschnittliche Abbaurate in der Regenerierungsphase betrug 58%. Nach 32 min. wurde der Rührer abgestellt und die Flüssigkeitsbedüsung auf 0,5 l/h reduziert. Der Reaktor ging wieder in den Normalbetrieb über. Der Druckverlust der gereinigten Schüttung lag bei 15 Pa/m Schütthöhe.

Weitere Reinigungszyklen unter gleichen Bedingungen bei Druckdifferenzen durch die bewachsene Schüttung von 100 bis 550 Pa/m führten immer wieder zu einer Druckdifferenz, die annähernd der unbewachsenen Schüttung entsprach.

Claims (5)

1. Verfahren zur biologischen Abluftreinigung in Rieselbettreaktoren mit kontrolliertem Biomasseaustrag durch Verstoffwechselung der Schadstoffe unter Bildung von Biomasse im Rieselbettreaktor, in welchem schadstoffhaltige Abluft von unten nach oben oder umgekehrt eine mit Mikroorganismen besiedelte Füllkörperschüttung unter kontinuierlicher oder diskontinuierlicher Befeuchtung und Nährstoffversorgung sowie unter Einhaltung einer definierten Temperatur und eines definierten pH-Wertes durchströmt, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Abtrennung von überschüssiger Biomasse bei Überschreitung eines bestimmten Druckverlustes über die Füllkörper­ schütthöhe einen im Festbett angeordneten Rührer anlaufen und die Füllkörperschüttung von Wasser durchströmen läßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Reinigungsprozeß bei einem Druckverlust über die Füllkörperschütthöhe < 100 Pa/m Schütthöhe einleitet.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzeit des Rührers mind. 5 min., aber max. 60 min. beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl des Rührers mind. 3, aber max. 30 U/min. beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man während der gesamten Laufzeit des Rührers einen Wasserstrom von mind. 0,05 m³ pro m² Reaktorfläche und Stunde, aber max. 5 m³ pro m² Reaktorfläche und Stunde von oben nach unten durch die Füllkörperschicht strömen läßt.