DE19608834C1

DE19608834C1 - Biological treatment process treats effluent air

Info

Publication number: DE19608834C1
Application number: DE19608834A
Authority: DE
Inventors: Horst Dr Ebeling; Jann-Michael Giebelhausen; Hubertus Spieker
Original assignee: CARBO CONSULT GES fur UMWELT
Current assignee: CARBOTEX PRODUKTIONS-UND VEREDELUNGSBETRIEBE GMBH,
Priority date: 1996-03-07
Filing date: 1996-03-07
Publication date: 1997-09-11
Anticipated expiration: 2016-03-08

Abstract

A micro-biological process cleans effluent air carrying a load of water-soluble and/or water-insoluble organic and/or inorganic pollutants. The air is discharged continually or intermittently, and bears a varying pollution load. The novelty of the process is that the air flows through a treatment assembly which incorporates in sequence: (a) an active carbon granule adsorption unit whose volume is 0.25-0.75 times that of the bio-reactor volume; (b) a washer operated in contra-flow to the flow of effluent air, the water in the washer is also used to moisten the bio-reactor; (c) a heat exchanger by means of which the air temperature is adjusted to that of the bio-reactor; and (d) a bio-catalytic converter which takes up \- 50%-90% of the bio-reactor volume, and has high adsorption performance and good growing conditions for micro-organisms.

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.The present invention relates to a method for biological exhaust air purification of with water-soluble and / or water-insoluble organic pollutants polluted exhaust air flows and is particularly suitable for continuous or occurring discontinuously with fluctuating concentrations of pollutants Exhaust air flows.

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.The basic principle of biological exhaust air purification has been known for a long time. One Overview of development, state of the art and potential of biological Sabo, Schneider, Fischer and Motz provide exhaust air purification in wlb Markttspiegel Umwelttechnik 1996, p. 50 ff. The first technical applications are based on essentially on the passage of the harmful gases through organic Fillings.

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.The bio-washers and developed as technical process variants the biofilter. The main areas of application for the bio-washers are in elimination readily water-soluble pollutants from the exhaust air. But these have the disadvantage that fluctuations in load can only be buffered to a very limited extent. Conventional biofilters work with organic fillers whose surface is biomass immobilized. Standard in design are open Area biofilter with a large area. Due to weather influences as well by degradation of the organic carrier material that occurs at certain intervals the performance is limited. The use is made essentially for exhaust air flows with low and relatively constant Pollution.

Weitere Entwicklungen befaßten sich mit dem Aufbau gekapselter Anlagen sowie dem Einsatz inerter Trägermaterialien für die Mikroorganismen.Further developments dealt with the construction of encapsulated plants as well the use of inert carrier materials for the microorganisms.

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.DE-OS 32 27 678 describes a compact system for exhaust air purification Use of inert carrier bodies of defined geometry with good growing conditions for microorganisms. For applications with discontinuous pollution as well as for significant fluctuations in pollutant concentrations such systems have a limited buffer effect.

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.DE-OS 32 27 375 describes a method in which a buffer capacity to absorb shock loads by adding activated carbon Activated sludge washing liquid is reached. The absorption efficiency of the The system can be increased from around 30% to 85% by using activated carbon will. The use of powdered coal has the disadvantage that with Excess biomass that is occasionally withdrawn from the system parts of the coal which are replaced by fresh coal are also removed have to.

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.A process with higher flexibility with changing loading of the exhaust air Pollutants are described by EP-A 0442110 A1. According to the invention the higher flexibility achieved in that the exhaust air flow and Washing liquid periodically alternating in cocurrent and countercurrent through the Trickling filter. To ensure high mining performance, the Washing liquid is recirculated through the trickling filter and through a cleaning filter passed, which is also designed as a trickling filter. The flexibility with fluctuating pollutant pollution results essentially from the Operation with a downstream bioreactor.

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.A method for biological exhaust gas / exhaust air purification and carrier material includes DE 43 41 467 A1. It is characterized in that with Exhaust gas or exhaust air contaminated by a biofilter and a downstream adsorption stage is passed, which in the adsorption stage separated pollutants can be recycled into the biofilter. The filter bed consists of treated and untreated brown and hard coal, preferably Molded activated carbon with a defined grain size and a microflora or an inoculated one Mixed population and other additives.

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.The invention has for its object a method for biological To design exhaust air purification in such a way that investment costs are as low as possible continuously or discontinuously with fluctuating pollutant concentrations resulting pollutant flows can be cleaned with high efficiency.

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.This object is achieved in that the Exhaust air flow containing pollutants through a technological unit consisting of an activated carbon adsorber with a 0.25 to 0.75 times the volume of the bioreactor, a scrubber operated in countercurrent to the exhaust air, the Water reservoir is used for additional humidification of the bioreactor, a heat exchanger to adjust the exhaust air temperature to the predetermined bioreactor temperature and the actual bioreactor, whose Volume at least 50%, but max. 90%, from a biocatalyst with high Adsorption performance and favorable growth conditions for microorganisms is taken, flows.

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).The described combination of the individual process steps ensures one high effectiveness of exhaust air purification in plants and facilities with relative constant pollutant emissions, as z. B. in the chemical industry and are common in animal husbandry facilities and has a special one Efficiency in plants and facilities with discontinuous Pollutant emissions (shutdown of the systems on weekends and public holidays).

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.The activated carbon adsorption upstream of the actual bioreactor Intercepted pollutant peaks, the reactor with the biology becomes one in its Composition of relatively constant exhaust air flow offered. In the start-up phase of the system, this adsorber performs the main function of cleaning the Exhaust air flow, and the biomass builds up on the carrier material in the reactor. If the saturation limit is reached, the pollutants are removed by the biodegradation. Thanks to the biocatalyst with its high inner surface the system is then buffered again. The exhaust air cleaning takes place both through adsorption as well as through biodegradation. In phases when none Pollutants are offered via the exhaust air, the supply takes place Microorganisms with pollutants to maintain the metabolism through Desorption of pollutants from the activated carbon adsorber and the biocatalyst.

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.Constant humidification is required to ensure stable biology in the reactor of the exhaust air flow is necessary. In particular, with water-soluble pollutants it is advantageous that the water pumped in the scrubber in the cycle is low in pollutants Use phases for moistening the carrier material. The humidified Exhaust air flow is tempered in the heat exchanger so that that for the bioreactor specified temperature is maintained with high constancy. In the bioreactor is carried out by the microorganisms immobilized on the biocatalyst, which in the Be adapted in advance to the pollutants to be broken down, the conversion of the Pollutants in environmentally friendly degradation products with the simultaneous formation of Biomass. Excess biomass is separated using known methods.

Zur Sicherung der Abbauraten wird das Festbett sporadisch mit einer vor allem Stickstoff- und Phosphorverbindungen sowie Spurenelemente enthaltenden Nährlösung besprüht.To secure the breakdown rates, the fixed bed is sporadically with one above all Containing nitrogen and phosphorus compounds as well as trace elements Sprayed nutrient solution.

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.Due to the buffering effect of the activated carbon adsorber and the biocatalyst, combined with biological pollutant degradation, are compared to conventional plants achieved significantly higher mining performance. This affects especially advantageous if the pollutants are intermittent fluctuating concentration occur.

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.The invention is explained in more detail below on the basis of an exemplary embodiment as illustrated in the flow diagram:
The exhaust air to be cleaned is conveyed via the exhaust air line 1 from bottom to top through the activated carbon adsorber 2 , which is equipped with commercially available activated carbon for exhaust air purification. Depending on the loading state of the coal, pollutant adsorption or desorption takes place here. The exhaust air leaving the adsorber is moistened in the scrubber 3 by continuously spraying water out of the storage vessel 4 by means of a pump 5 and nozzle 19 over a packed bed. A constant water level is ensured in FIG. 4 via the fill level control 17 . The washing liquid 4 can be used to moisten the reactor 8 via the three-way valve 18 and the pump 12 . This will preferably be done if no or very few pollutants are introduced into the system via the exhaust air. The humidified exhaust air is fed into the bioreactor at the head via the heat exchanger 6 . The temperature control 7 adapts the exhaust air temperature to the temperature specified for the mode of operation of the bioreactor. The bioreactor 8 contains the biocatalyst with the adapted microorganisms. The immobilization can take place either by an upstream step in a separate container or directly in the reactor via the pump 12 by pumping around the microorganism cultures which are adapted to the pollutant. The pH is regulated in the reactor sump homogenized by the agitator 10 and the nutrients are supplied by means of the pump 16 via the sump. The fill level controls 13 and 14 ensure a constant liquid level in the reactor sump. The cleaned exhaust air is released into the open via the clean gas line 11 .

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.With the system described with a fixed bed volume of the activated carbon adsorber of 50 l and a 150 l bioreactor with a fixed bed volume of the biocatalyst (manufactured according to DD 2 83 279) of 90 l was a volume flow of 12 m³ / h with fluctuating toluene content from 0 to 500 mg / l over a period of 60 days cleaned. Immobilization of the microorganisms adapted to the toluene the biocatalyst was done separately in an upstream step. Of the Biocatalyst had a low microbial growth at the start of the experiment. The activated carbon adsorber was equipped with fresh activated carbon. The air was on average 87-93% rel. Conditioned air humidity. The heat exchanger was operated so that a temperature of 25 ° C above the was maintained throughout the entire test period. Every 4 hours 0.5 l of nutrient solution (P, N, Ca, Mg, trace elements) are added to the reactor sump and 2 min. pumped around. The pH was set at 6.5 and became automatic regulated.

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.In the first 16 days, a toluene content in the exhaust air of on average 250 mg / l an increasing loading of the activated carbon. Of the The toluene content of the exhaust air exiting the adsorber averaged 30 mg / m³ and after flowing through the bioreactor at <10 mg / m³. In this phase there was an increasing growth of biomass on the biocatalyst particles detected. By the 30th day, the activated carbon was almost saturated Exhaust air entering the bioreactor had a toluene content of approx. 230 mg / m³, which Concentration in the clean gas was <10 mg / m³. This way of driving was 10 days maintained without significant changes in values. The toluene concentration was then increased to 500 mg / m³ for 10 days Clean gas concentration in this phase was between 12 and 18 mg / m³. To Simu An interruption in the supply of pollutants was toluene dosing interrupted for 72 hours and pure air passed through the system. once 5 l of water were washed from the scrubber onto the fixed bed of the bioreactor per day sprayed. Subsequently, until the 60th day with a toluene concentration of 400 mg / m³ continued. The immediately after the increase in Toluene concentration in the clean gas measured value of 14 mg / m³ toluene confirmed, that the efficiency of the system by interrupting the Pollutant supply was not adversely affected.

Claims

Process for biological exhaust air purification of exhaust air streams contaminated with water-soluble and / or water-insoluble organic and / or inorganic pollutants, in particular for exhaust air streams which occur continuously or discontinuously with fluctuating pollutant concentrations, characterized in that the pollutant-containing exhaust air stream is characterized by a technological unit consisting of an activated carbon adsorber with a 0.25 to 0.75 times the volume of the bioreactor, a scrubber operated in countercurrent to the exhaust air, the water reservoir of which is used for additional humidification of the bioreactor, a heat exchanger for adapting the exhaust air temperature to the specified bioreactor temperature and the actual bioreactor, the volume of which is at least 50%, but max. 90% of a biocatalyst with a high adsorption capacity and favorable growth conditions for microorganisms can flow.