DE202011000946U1

DE202011000946U1 - Abluftreinigungsanlage

Info

Publication number: DE202011000946U1
Application number: DE202011000946U
Authority: DE
Original assignee: Big Dutchman International GmbH
Current assignee: Big Dutchman International GmbH
Priority date: 2011-04-20
Filing date: 2011-04-20
Publication date: 2011-08-08
Anticipated expiration: 2021-04-21

Abstract

Abluftreinigungsanlage, insbesondere für einen Nutztierstall, umfassend – eine Vorrichtung zum Zuführen eines zu reinigenden Rohgasstroms; – eine in Gasströmungsrichtung erste Reinigungsstufe (R1), in der die Abluft mit einer Waschflüssigkeit kontaktiert wird, und Mikroorganismen vorgesehen sind, die in der Lage sind, zumindest einen Teil des in der Abluft enthaltenen Ammoniaks in Nitrit umzuwandeln, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abluftreinigungsanlage außerdem vorgesehen sind: – ein Reaktionsbehälter (2) zur Umsetzung von Ammonium-Ionen und Nitrit-Ionen unter Bildung von gasförmigem Stickstoff; – eine Verbindungsleitung (1a) zum Transport von Waschflüssigkeit aus der ersten Reinigungsstufe (R1) in den Reaktionsbehälter (2); – eine Pumpe (1), um Waschflüssigkeit aus der ersten Reinigungsstufe (R1) über die Verbindungsleitung (1a) in den Reaktionsbehälter (2) zu fördern; – ein Sensor (LF) zur Erfassung der Leitfähigkeit der Waschflüssigkeit in der ersten Reinigungsstufe (R1); – eine Steuerungsvorrichtung, welche mit dem Sensor (LF) zur Erfassung der Leitfähigkeit der...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abluftreinigungsanlage, insbesondere für einen Nutztierstall, und einen Nutztierstall mit einer derartigen Abluftreinigungsanlage.
Die Haltung von Nutztieren ist mit Emissionen in die Umwelt verbunden. Als bedeutende Emissionen aus den Haltungssystemen der Nutztierhaltung sind Ammoniak, Staub und Geruch zu nennen. Stallabluft weist regelmäßig einen solchen Verschmutzungsgrad auf, dass sie der Umgebung nicht ohne Weiteres zugeführt werden sollte. In vielen Ländern ist die zulässige Konzentration an Schadstoffen in Stallabluft gesetzlich geregelt und die Betreiber von Nutztierställen sind gehalten, sicherzustellen, dass Schadstoffe nicht oder zumindest nicht in Konzentrationen oberhalb vorbestimmter Grenzwerte mit der Abluft aus dem Stall austreten. Insbesondere ist dabei die Belastung der Stallabluft mit Staub und Ammoniak zu reduzieren. Emissionen in Form von Ammoniak entstehen insbesondere bei der Haltung von Schweinen.
Aus der DE 201 21 192 U1 ist es bekannt, in einer Abluftreinigungsanlage zur Reduzierung von Schadgasen aus der Nutztierhaltung nitrifizierende Bakterien, insbesondere der Gattung Nitrosomonas sp. und Nitrobacter sp., einzusetzen.
Unter Nitrifikation wird die mikrobielle Oxidation von Ammoniak zu Nitrat verstanden. Sie besteht aus zwei gekoppelten Teilprozessen: Im ersten Teilprozess wird Ammoniak zu Nitrt oxidiert, das im zweiten Teilprozess zu Nitrat oxidiert wird.
Es wurde jedoch festgestellt, dass bei Erreichen einer bestimmten Höchstkonzentration an Nitrit- und/oder Ammonium-Ionen in der Waschflüssigkeit die Tätigkeit der nitrifizierenden Mikroorganismen stark gehemmt ist, so dass die Nitrifikationsrate signifikant abnimmt. Um dennoch eine zuverlässige Entfernung des Ammoniaks zu erreichen und gegebenenfalls gesetzlich vorgeschriebene Grenzwerte einzuhalten, ist es daher nötig, bei Erreichen einer die Tätigkeit der nitrifizierenden Mikroorganismen hemmenden Konzentration an Ammonium- und/oder Nitrit-Ionen die Waschflüssigkeit zu erneuern. Dadurch fallen erhebliche Mengen an stickstoffbelastetem Abwasser an, die gelagert, transportiert und entweder landwirtschaftlich verwertet oder entsorgt werden müssen.
Außerdem ist oft eine zweite Reinigungsstufe erforderlich, in welcher in der ersten, biologischen, Reinigungsstufe nicht aus der Abluft entfernter Ammoniak durch eine der Waschflüssigkeit zugesetzte Säure chemisch gebunden wird. Diese zweite Reinigungsstufe verursacht zusätzliche Kosten, wobei die Kosten für den Säureeinsatz umso hoher sind, je weniger effektiv die erste Reinigungsstufe hinsichtlich der Entfernung von Ammoniak aus der Abluft ist.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Abluftreinigungsanlage bereitzustellen, welche die oben genannten Nachteile überwindet oder zumindest verringert. Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine Abluftreinigungsanlage bereitzustellen, welche in wirtschaftlicherer Weise betrieben werden kann als bekannte Abluftreinigungsanlagen. Dazu müssen insbesondere das Aufkommen an Abwasser, der Bedarf an Frischwasser sowie der Bedarf an Säure einer gegebenenfalls vorhandenen chemischen Reinigungsstufe deutlich reduziert werden. Insbesondere ist es ein Ziel der Erfindung, die Effizienz und Zuverlässigkeit einer Abluftreinigungsanlage, die eine erste Reinigungsstufe umfasst, in der die Abluft mit einer Waschflüssigkeit kontaktiert wird und Mikroorganismen vorgesehen sind, die in der Lage sind, zumindest einen Teil des in der Abluft enthaltenen Ammoniaks in Nitrit umzuwandeln, hinsichtlich der Entfernung von Ammoniak aus der zu reinigenden Abluft zu verbessern.
Die vorgenannten Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch eine erfindungsgemäße Abluftreinigungsanlage insbesondere für einen Nutztierstall, umfassend

– eine Vorrichtung zum Zuführen eines zu reinigenden Rohgasstroms;
– eine in Gasströmungsrichtung erste Reinigungsstufe, in der die Abluft mit einer Waschflüssigkeit kontaktiert wird und Mikroorganismen vorgesehen sind, die in der Lage sind, zumindest einen Teil des in der Abluft enthaltenen Ammoniaks in Nitrit umzuwandeln,

– ein Reaktionsbehälter zur Umsetzung von Ammonium-Ionen und Nitrit-Ionen unter Bildung von gasförmigem Stickstoff;
– eine Verbindungsleitung zum Transport von Waschflüssigkeit aus der ersten Reinigungsstufe in den Reaktionsbehälter;
– eine Pumpe, um Waschflüssigkeit aus der ersten Reinigungsstufe über die Verbindungsleitung in den Reaktionsbehälter zu fördern;
– ein Sensor zur Erfassung der Leitfähigkeit der Waschflüssigkeit in der ersten Reinigungsstufe;
– eine Steuerungsvorrichtung, welche mit dem Sensor zur Erfassung der Leitfähigkeit der Waschflüssigkeit in der ersten Reinigungsstufe signaltechnisch in Verbindung steht und ausgebildet ist, um die Pumpe solcherart anzusteuern, dass bei Überschreiten eines bestimmten Grenzwerts der Leitfähigkeit Waschflüssigkeit aus der ersten Reinigungsstufe über die Verbindungsleitung in den Reaktionsbehälter gefördert wird zur Umsetzung zumindest eines Teils der in der Waschflüssigkeit enthaltenen Ammonium- und Nitrit-Ionen unter Bildung eines stickstoffhaltigen Gases.

Die erfindungsgemäße Abluftreinigungsanlage erlaubt die gezielte Entfernung von Ammonium- und Nitrit-Ionen aus der Waschflüssigkeit der ersten Reinigungsstufe. Dies führt zu einer vorteilhaften Verringerung der Abwassermenge, indem die Waschflüssigkeit so aufbereitet wird, dass sie in die erste Reinigungsstufe zurückgeführt werden kann. Auf diese Weise wird zudem die mikrobielle Oxidation unterstützt, indem hemmende Konzentrationen an Nitrit- und Ammonium-Ionen in der Waschflüssigkeit vermieden werden können.
Die Vorrichtung zum Zufuhren des zu reinigenden Rohgasstroms umfasst üblicherweise einen oder mehrere Sammelkanäle, in denen ein oder mehrere Abluftventilatoren zum Ansaugen der zu reinigenden Abluft angeordnet sind. Die so angesaugte Abluft bildet den in der erfindungsgemäßen Abluftreinigungsanlage zu reinigenden Rohgasstrom.
Die erfindungsgemäße Abluftreinigungsanlage umfasst eine in Gasströmungsrichtung erste Reinigungsstufe, in der die Abluft mit einer Waschflüssigkeit, vorzugsweise Wasser, kontaktiert wird, wobei in der ersten Reinigungsstufe Mikroorganismen vorgesehen sind, die in der Lage sind, zumindest einen Teil des in der Abluft enthaltenen Ammoniaks in Nitrit umzuwandeln. Vorzugsweise umfasst die erste Reinigungsstufe einen Biorieselbettreaktor. Derartige Biorieselbettreaktoren sind im Stand der Technik bekannt. Der Biorieselbettreaktor umfasst ein in einem Bett angeordnetes inertes Trägermaterial. Auf diesem Trägermaterial werden Mikroorganismen angesiedelt, die in der Lage sind, zumindest einen Teil des in der Abluft enthaltenen Ammoniaks in Nitrit umzuwandeln (nitrifizierende Mikroorganismen). Die beladene Abluft durchströmt das inerte Trägermaterial im Gegen-, Kreuz- oder im Gleichstrom zur das Trägermaterial berieselnden Waschflüssigkeit, wobei zumindest ein Teil der aus der Abluft zu entfernenden Verschmutzungen in die Waschflüssigkeit übergeht. Feuchtigkeit und gegebenenfalls für den Erhalt der Mikroorganismen notwendige Nährstoffe werden über die Waschflüssigkeit, vorzugsweise Wasser, zugeführt. Alternativ umfasst die erste Reinigungsstufe eine Sprühverdüsung der Waschflüssigkeit, in welcher die erforderliche Kontaktoberfläche zum Stoffübergang über eine Vernebelung der Waschflüssigkeit mit Düsen erzeugt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Biorieselbettreaktor der ersten Reinigungsstufe als Filterwand ausgebildet mit einer Flüssigkeitszufuhreinrichtung, die ausgebildet ist, um die Filterwand mit einer Waschflüssigkeit, z. B. Wasser, zu berieseln und/oder zu bedüsen, und einer Sammelvorrichtung, z. B. in Form eines Beckens, zum Auffangen von Flüssigkeit, die von der Filterwand abtropft. Die Flüssigkeitszufuhreinrichtung umfasst typischerweise eine Tauchpumpe, so dass Waschflüssigkeit aus der Sammelvorrichtung unmittelbar zum Berieseln des Trägermaterials des Biorieselbettreaktors zurückgeführt werden kann.
Als Mikroorganismen werden in der ersten Reinigungsstufe der erfindungsgemäßen Abluftreinigungsanlage vorzugsweise nitrifizierende Mikroorganismen eingesetzt, insbesondere Mikroorganismen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Nitrosomonas, Nitrosospira, Nitrosovibrio, Nitrosolobus, Nitrosococcus, und Kombinationen von Mikroorganismen aus dieser Gruppe. Diese bewirken in einem mehrstufigen Prozess bei einem pH-Wert im Bereich von ca. 7 bis 7,5 eine mikrobielle Oxidation von Ammoniak mit molekularem Sauerstoff zu Nitrit-Ionen gemäß folgender Bruttoreaktionsgleichung: 2NH₃ + O2 → 2NO₂ ^– + 2H⁺ + 2H₂O (1)
Zusätzlich löst sich Ammoniak in der wässrigen Waschflüssigkeit der ersten Reinigungsstufe: NH₃ + H₂O → NH₄ ⁺ + OH^– (2)
Aufgrund dieser Prozesse reichern sich in der Waschflüssigkeit Ammonium- und Nitrit-Ionen an (Aufsalzung der Waschflüssigkeit).
Die erfindungsgemäße Abluftreinigungsanlage umfasst separat von der oben beschriebenen ersten Reinigungsstufe, die vorzugsweise einen Biorieselbettreaktor umfasst, einen Reaktionsbehälter zur Umsetzung von Ammonium-Ionen und Nitrit-Ionen unter Bildung von gasförmigem Stickstoff gemäß folgender Bruttoreaktionsgleichung: NH₄ ⁺ + NO₂ ^– → N₂ + 2H₂O (3)
Der Prozess gemäß Bruttoreaktionsgleichung (3) läuft unter Umgebungsbedingungen (Atmosphärendruck, Temperatur in Bereich von 15 bis 45°C) ab, durch Erhöhung der Temperatur, des Druckes und der Konzentration der Ausgangsstoffe lässt sich die Geschwindigkeit der Stickstoffbildung jedoch steigern. Das Konzentrationsverhältnis der Ausgangsstoffe (Ammonium-Ionen und Nitrit-Ionen) zueinander beträgt bevorzugt 1,5:1 bis 1:1,5, weiter bevorzugt 1,2:1 bis 1:1,2, besonders bevorzugt 1:1.
Für die Reaktion (3) wird ein von der ersten Reinigungsstufe räumlich getrennter Reaktionsbehälter benötigt, da sie unter anderen Bedingungen als die Reaktion (1) in der ersten Reinigungsstufe abläuft. So ist wie bereits erwähnt im Reaktionsbehälter eine hohe Konzentration an Ammonium- und Nitrit-Ionen erwünscht, während in der ersten Reinigungsstufe bei Erreichen einer bestimmten Höchstkonzentration an Nitrit- und/oder Ammonium-Ionen in der Waschflüssigkeit die Tätigkeit der nitrifizierenden Mikroorganismen stark gehemmt ist. Vorzugsweise ist im Reaktionsbehälter auch der pH-Wert niedriger als in der ersten Reinigungsstufe.
Daher weist in einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abluftreinigungsanlage der Reaktionsbehälter Mittel zur Erfassung und Regelung des pH-Werts auf. Bevorzugt wird im Reaktionsbehälter ein pH-Wert im Bereich von 3,5 bis 4,5 eingestellt. Zur Einstellung des pH-Werts der Waschflüssigkeit im Reaktionsbehälter wird bevorzugt eine Säure ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Schwefelsäure und Salzsäure eingesetzt. Die Säure wirkt bezüglich der Reaktion (3) als Katalysator.
Es kann vorteilhaft sein, die Reaktion (3) in Gegenwart eines weiteren Katalysators durchzuführen. Daher ist in einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abluftreinigungsanlage im Reaktionsbehälter ein Katalysator vorgesehen oder wird im Reaktionsbehälter bereitgestellt.
In der erfindungsgemäßen Abluftreinigungsanlage sind eine Verbindungsleitung zum Transport von Waschflüssigkeit, in der Ammonium- und Nitrit-Ionen angereichert sind, aus der ersten Reinigungsstufe in den Reaktionsbehälter sowie eine Pumpe, um Waschflüssigkeit, in der Ammonium- und Nitrit-Ionen angereichert sind, über die Verbindungsleitung in den Reaktionsbehälter zu fördern, vorgesehen. Im Reaktionsbehälter werden wie oben beschrieben in der Waschflüssigkeit angereicherte Ammonium- und Nitrit-Ionen gemäß der Bruttoreaktionsgleichung (3) unter Bildung von gasförmigem Stickstoff umgesetzt.
In der ersten Reinigungsstufe der erfindungsgemäßen Abluftreinigungsanlage ist ein Sensor zur Erfassung der Leitfähigkeit der Waschflüssigkeit vorgesehen. Vorzugsweise erfolgt die Erfassung der Leitfähigkeit mittels einer Kohlrausch-Zelle oder einer induktiven Leitfähigkeits-Messsonde.
Die erfindungsgemäße Abluftreinigungsanlage umfasst eine Steuerungsvorrichtung, welche mit dem Sensor zur Erfassung der Leitfähigkeit der Waschflüssigkeit in der ersten Reinigungsstufe signaltechnisch in Verbindung steht. Diese Steuerungsvorrichtung ist ausgebildet, um die Pumpe solcherart anzusteuern, dass, sobald die vom Leitfähigkeitssensor erfasste Leitfähigkeit der Waschflüssigkeit in der ersten Reinigungsstufe einen bestimmten Grenzwert überschreitet, Waschflüssigkeit aus der ersten Reinigungsstufe über die Verbindungsleitung in den Reaktionsbehälter gefördert wird zur Umsetzung zumindest eines Teils des in der Waschflüssigkeit enthaltenen Ammoniaks und Nitrits unter Bildung eines stickstoffhaltigen Gases gemäß der Bruttoreaktionsgleichung (3).
Die Leitfähigkeit hängt von der Konzentration der in der Waschflüssigkeit enthaltenen Ionen ab. Somit ist die Leitfähigkeit ein Maß für die Konzentration an Nitrit- und Ammonium-Ionen in der Waschflüssigkeit, die in der ersten Reinigungsstufe durch die Auflösung von Ammoniak in der Waschflüssigkeit und die Umsetzung von Ammoniak zu Nitrit-Ionen durch die nitrifizierenden Mikroorganismen gebildet werden. Die Konzentration an Ammonium- und Nitrit-Ionen in der Waschflüssigkeit der ersten Reinigungsstufe ist von entscheidender Bedeutung für die Effizienz der Entfernung von Ammoniak aus dem zu reinigenden Gasstrom, denn es hat sich gezeigt, dass die Tätigkeit der nitrifizierenden Mikroorganismen stark gehemmt ist, so dass die Nitrifikationsrate signifikant abnimmt, sobald eine bestimmte Höchstkonzentration an Nitrit- und/oder Ammonium-Ionen erreicht ist.
Der Grenzwert der Leitfähigkeit der Waschflüssigkeit, bei dessen Überschreiten die Steuerungsvorrichtung die Pumpe ansteuert, um mit Ammonium- und Nitrit-Ionen angereicherte Waschflüssigkeit aus der ersten Reinigungsstufe in den Reaktionsbehälter zu fördern, wird anhand der Leitfähigkeit einer Waschflüssigkeit festgelegt, in der die Konzentration an Ammonium- und/oder Nitrit-Ionen so groß ist, dass die Tätigkeit der nitrifizierenden Mikroorganismen in einer solchen Weise eingeschränkt ist, dass keine ausreichende Entfernung mehr gewährleistet ist. Diese Konzentration kann beispielsweise durch Versuchsreihen mit unterschiedlichen Konzentrationen an Ammonium- und/oder Nitrit-Ionen ermittelt werden, oder es wird auf Erfahrungswerte aus herkömmlichen Abluftreinigungsanlagen zurückgegriffen. Erfahrungswerte aus der Praxis belegen, dass die Nitrifikation bei Stickstoff-Konzentrationen (in Form von Ammonium- und Nitrit-Ionen) oberhalb von ca. 4 g/l nachhaltig gehemmt wird.
Durch die Entfernung eines bestimmten Volumens der mit Ammonium- und Nitrit-Ionen angereicherten Waschflüssigkeit aus der ersten Reinigungsstufe, das durch ein entsprechendes Volumen frischer bzw. aus dem Reaktionsbehalter zurückgeführter, an Ammonium- und Nitrit-Ionen verarmter Waschflüssigkeit ersetzt wird, wird die Konzentration an Ammonium- und Nitrit-Ionen in der Waschflüssigkeit der ersten Reinigungsstufe herabgesetzt, so dass die Tätigkeit der nitrifizierenden Mikroorganismen ungehemmt weitergehen kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abluftreinigungsanlage ist eine zweite Verbindungsleitung vorgesehen zum Transport von Waschflüssigkeit, in der die Konzentration an Ammonium- und Nitrit-Ionen durch Reaktion (3) reduziert worden ist, aus dem Reaktionsbehälter in die erste Reinigungsstufe sowie eine zweite Pumpe, um Waschflüssigkeit aus dem Reaktionsbehälter über die zweite Verbindungsleitung in die erste Reinigungsstufe zu fördern. Durch die Rückführung der an Ammonium- und Nitrit-Ionen verarmten Waschflüssigkeit aus dem Reaktionsbehälter in die erste Reinigungsstufe wird der Bedarf an fischer Waschflüssigkeit reduziert. Der niedrigere pH-Wert der aus dem Reaktionsbehälter zurückgeführten Waschflüssigkeit ist dabei unkritisch, da das Volumen der Waschflüssigkeit in der ersten Reinigungsstufe deutlich größer ist als das Volumen der aus dem Reaktionsbehälter zurückgeführten, an Ammonium- und Nitrit-Ionen verarmten Waschflüssigkeit. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt beispielsweise das Verhältnis zwischen dem Volumen der Waschflüssigkeit im Reaktionsbehälter und dem Volumen der Waschflüssigkeit in der ersten Reinigungsstufe 1:10 bis 1:30, bevorzugt 1:15 bis 1:25 und besonders bevorzugt 1:20.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abluftreinigungsanlage ist eine Gasleitung vorgesehen, welche den Reaktionsbehälter mit der Vorrichtung zum Zuführen des zu reinigenden Rohgasstroms der erfindungsgemäßen Abluftreinigungsanlage verbindet. Diese Gasleitung ist so ausgebildet, dass im Reaktionsbehälter gebildetes stickstoffhaltiges Gas in den der Abluftreinigungsanlage zuzuführenden Rohgasstrom eingeleitet wird. Dadurch wird die Schadstoffkonzentration des Rohgasstroms und damit die Belastung der Abluftreinigungsanlage vermindert.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abluftreinigungsanlage ist sowohl eine zweite Verbindungsleitung vorgesehen zum Transport, d. h. zur Rückführung von Waschflüssigkeit, in der die Konzentration an Ammonium- und Nitrit-Ionen durch Reaktion (3) reduziert worden ist, aus dem Reaktionsbehälter in die erste Reinigungsstufe als auch eine Gasleitung, welche den Reaktionsbehälter mit der Vorrichtung zum Zuführen des zu reinigenden Rohgasstroms verbindet und ausgebildet ist, um im Reaktionsbehälter gebildetes stickstoffhaltiges Gas in den der Abluftreinigungsanlage zuzuführenden Rohgasstrom einzuleiten.
Bei bestimmungsgemäßer Benutzung des Reaktionsbehälters entstehen praktisch keine Sekundärbelastungen in Form von Schadgasen oder schadstoffbelasteten Abwässern. Das im Reaktionsbehälter gebildete Gas enthält keine nennenswerten, insbesondere keine die gesetzlich festgelegten Grenzwerte überschreitenden Konzentrationen an unerwünschten Beimengungen aus der Gruppe bestehend aus Ammoniak (NH₃), Lachgas (N₂O) und Stickoxiden (NO_x), und in der den Reaktionsbehälter verlassenden Waschflüssigkeit ist die Konzentration an Ammonium-, Nitrit- und Nitrat-Ionen soweit reduziert, dass die Waschflüssigkeit erneut in der ersten Reinigungsstufe eingesetzt werden kann.
Dennoch ist es vorteilhaft, die Konzentration an diesen unerwünschten Beimengungen zu überwachen, denn so ist es möglich, Funktionsstörungen des Reaktionsbehälters rechtzeitig zu erkennen und bei Überschreiten festgelegter Grenzwerte geeignete Gegenmaßnahmen zu ergreifen. Ein Ansteigen der Konzentration einer oder mehrerer der genannten unerwünschten Beimengungen könnte nämlich ein Hinweis auf nicht optimal eingestellte Reaktionsbedingungen im Reaktionsbehälter sein.
Daher sind in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abluftreinigungsanlage Mittel vorgesehen zur Überwachung der Konzentrationen einer oder mehrerer Substanzen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ammoniak, Lachgas und Stickoxiden in dem im Reaktionsbehälter gebildeten stickstoffhaltigen Gas. Zur Überwachung der Konzentration an NO_x werden typischerweise Chemiluminiszenz, Gassensoren oder die Technik der Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie (FT-IR) eingesetzt, zur Überwachung der Konzentration an N₂O Infrarot-Spektroskopie, insbesondere Fourier-Transform-Infrarot Spektroskopie (FT-IR).
Zusätzlich können Mittel vorgesehen werden zur Überwachung der Konzentrationen eines oder mehrerer Ionen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ammonium-, Nitrit- und Nitrat-Ionen in der aus dem Reaktionsbehälter entnommenen, gegebenenfalls in die erste Reinigungsstufe zurückzuführenden Waschflüssigkeit.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abluftreinigungsanlage ist eine in Gasströmungsrichtung zweite Reinigungsstufe in Form eines Abluftwäschers mit einer eine Säure enthaltenden Waschflüssigkeit vorgesehen. Durch die Reaktion mit der Säure der Waschflüssigkeit, z. B. Schwefelsäure, wird Ammoniak in Form von Ammonium-Ionen in der Waschflüssigkeit gebunden und so aus der zu reinigenden Abluft entfernt: 2NH₃ + H₂SO₄ → 2NH₄ + SO₄ ^2– (4)
Bevorzugt ist die in der Waschflüssigkeit des Abluftwäschers enthaltene Säure ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Schwefelsäure und Salzsäure. Bevorzugt wird Schwefelsäure eingesetzt, da ihr Reaktionsprodukt mit Ammoniak, Ammoniumsulfat, als Düngemittel landwirtschaftlich nutzbar ist.
Bevorzugt wird die Säure der Waschflüssigkeit der zweiten Reinigungsstufe so zudosiert, dass der pH-Wert der Waschflüssigkeit 5 oder weniger, bevorzugt 4 beträgt. Bevorzugt sind in der zweiten Reinigungsstufe Mittel zur Erfassung und Regelung des pH-Werts der Waschflüssigkeit vorgesehen.
Je mehr Ammoniak bereits in der ersten Reinigungsstufe aus der Abluft entfernt wird, desto geringer sind der Bedarf an Säure und das Aufkommen von Abwasser in der zweiten Reinigungsstufe. Bereits bei einer Verdopplung der Abscheidung von Stickstoff in Form von Ammoniak in der ersten Reinigungsstufe und einer Entfernung von lediglich 50% des in der Waschflüssigkeit der ersten Reinigungsstufe in Form von Ammonium- und Nitrit-Ionen gebundenen Stickstoffs durch die Reaktion (3) kann der Säurebedarf der zweiten Reinigungsstufe um mehr als 28% reduziert werden. Der Waschwasseranfall der zweiten Stufe sinkt hierbei ebenfalls um 28%. Das Einsparpotential an Säure und Abwasser der 2. Stufe kann bei optimalem Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung bis zu 85% betragen.
Abluftwäscher sind im Stand der Technik bekannt. Ein Abluftwäscher umfasst mit einer Waschzone und einer Vorlage für die Waschflüssigkeit zwei getrennte Funktionsbereiche. Das Waschwasser wird der Waschzone über eine Versorgungspumpe zugeführt. Die Waschzone kann in Form einer Sprühverdüsung oder in Form einer berieselten Füllkörperkolonne ausgebildet sein. Bei der Sprühverdüsung wird die erforderliche Kontaktoberfläche zum Stoffübergang über eine Vernebelung des Waschwassers mit Düsen erzeugt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Abluftwäscher der zweiten Reinigungsstufe als Filterwand ausgebildet mit einer Flüssigkeitszufuhreinrichtung, die ausgebildet ist, um die Filterwand mit einer eine Säure enthaltenden Waschflüssigkeit, z. B. angesäuertem Wasser, zu berieseln und/oder zu bedüsen, und einer Sammelvorrichtung, z. B. in Form eines Beckens, zum Auffangen von Flüssigkeit, die von der Filterwand abtropft. Die Flüssigkeitszufuhreinrichtung umfasst typischerweise eine Tauchpumpe, so dass Waschflüssigkeit aus der Sammelvorrichtung unmittelbar in die Flüssigkeitszufuhreinrichtung zurückgeführt werden kann.
Vorzugsweise weist die oben beschriebene besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abluftreinigungsanlage, in der eine zweite Reinigungsstufe in Form eines Abluftwäschers vorgesehen ist, auch einzelne oder sämtliche der weiteren in der vorhergehenden Beschreibung als besonders bevorzugt hervorgehobenen Merkmale auf (siehe dazu auch das Ausführungsbeispiel).
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abluftreinigungsanlage ist in Gasströmungsrichtung nach der zweiten Reinigungsstufe eine dritte Reinigungsstufe in Form eines Biofilters vorgesehen.
Biofilter sind im Stand der Technik bekannt. In Biofiltern werden organische Filtermaterialien, typischerweise aus der Gruppe bestehend aus Torf, Kokosfaser, Kompost, Baumrinde und Wurzelholzfaser eingesetzt, wobei Wurzelholzfasern besonders bevorzugt sind. Das Filtermaterial ist entweder in einem Flach- oder Etagenfilter ruhend angeordnet oder wird in einem Filterturm im Gegenstrom zur Gasphase bewegt. Die Geruchsstoffe (gas- oder aerosolförmig) werden vom Filtermaterial bzw. vom umgebenden Biofilm adsorbiert und von den Mikroorganismen zusammen mit Abbauprodukten aus den Trägermaterialien als Kohlenstoff- und Energie-Quelle genutzt, so dass eine kontinuierliche mikrobielle Regenerierung des beladenen Filtermaterials stattfindet.
Darüber hinaus ist es nicht ausgeschlossen, dass die erfindungsgemäße Abluftreinigungsanlage weitere Reinigungsstufen umfasst.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird nachfolgend anhand des Ausführungsbeispiels und der Figur näher beschrieben, ohne dass diese den Schutzbereich der Ansprüche beschränken. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abluftreinigungsanlage. Diese umfasst:

– eine Vorrichtung zum Zuführen eines zu reinigenden Rohgasstroms (In 1 durch den Pfeil mit dem Wort „Rohgas” symbolisiert);
– eine in Gasströmungsrichtung erste Reinigungsstufe R1 in Form eines Biorieselbettreaktors mit einer Waschflüssigkeit und Mikroorganismen, die in der Lage sind, zumindest einen Teil des in der Abluft enthaltenen Ammoniaks in Nitrit umzuwandeln, wobei der Biorieselbettreaktor als Filterwand ausgebildet ist, mit einer Wasserzufuhreinrichtung 7, um die Filterwand mit einer wässrigen Waschflüssigkeit zu berieseln und/oder zu bedüsen und einer Sammelvorrichtung W1 in Form eines Beckens zum Auffangen von Flüssigkeit, die von der Filterwand abtropft, wobei in der Sammelvorrichtung W1 eine Tauchpumpe 8 zum Betrieb der Wasserzufuhreinrichtung 7 angeordnet ist;
– eine Pumpe 1, um mit Ammonium- und Nitrit-Ionen angereicherte Waschflüssigkeit aus dem Biorieselbettreaktor R1 über eine erste Verbindungsleitung 1a in einen Reaktionsbehälter 2 zu fördern;
– einen Reaktionsbehälter 2 zur Umsetzung von in der Waschflüssigkeit der ersten Reinigungsstufe angereicherten Ammonium-Ionen und Nitrit-Ionen unter Bildung von gasförmigem Stickstoff gemäß Bruttogleichung (3);
– Mittel 3 zur Erfassung und Regelung des pH-Werts der Waschflüssigkeit im Reaktionsbehälter 2;
– eine zweite Pumpe 4, um an Ammonium- und Nitrit-Ionen verarmte Waschflüssigkeit aus dem Reaktionsbehälter 2 über eine zweite Verbindungsleitung 4a in den Biorieselbettreaktor R1 zu fördern;
– eine Gasleitung 5, welche den Reaktionsbehälter 2 mit der Vorrichtung zum Zuführen des zu reinigenden Rohgasstroms verbindet und ausgebildet ist, um im Reaktionsbehälter 2 gebildetes stickstoffhaltiges Gas in den der Abluftreinigungsanlage zuzuführenden Rohgasstrom einzuleiten;
– Mittel zum Überwachen der Konzentrationen von Ammoniak, Lachgas und Stickoxiden in dem im Reaktionsbehälter gebildeten stickstoffhaltigen Gas (nicht dargestellt);
– Mittel zum Überwachen der Konzentrationen von Ammonium-, Nitrit- und Nitrat-Ionen in der im Reaktionsbehälter vorliegenden Waschflüssigkeit (nicht dargestellt);
– einen Sensor LF zur Erfassung der Leitfähigkeit der Waschflüssigkeit im Biorieselbettreaktor;
– eine Steuerungsvorrichtung (nicht dargestellt), welche mit dem Sensor LF zur Erfassung der Leitfähigkeit der Waschflüssigkeit im Biorieselbettreaktor R1 signaltechnisch in Verbindung steht und ausgebildet ist, um die Pumpe 1 solcherart anzusteuern, dass bei Überschreiten eines bestimmten Grenzwerts der Leitfähigkeit Waschflüssigkeit aus dem Biorieseibettreaktor R1 über die Verbindungsleitung 1a in den Reaktionsbehälter 2 gefördert wird zur Umsetzung zumindest eines Teils des in der Flüssigkeit enthaltenen Ammoniaks und Nitrits unter Bildung eines stickstoffhaltigen Gases gemäß Bruttogleichung (3);
– eine in Gasströmungsrichtung zweite Reinigungsstufe R2 in Form eines Abluftwäschers mit einer eine Säure, bevorzugt Schwefelsäure, enthaltenden Waschflüssigkeit, wobei der Abluftwäscher als Filterwand ausgebildet ist, mit einer Wasserzufuhreinrichtung 9, um die Filterwand mit einer wässrigen Waschflüssigkeit zu berieseln und/oder zu bedüsen und einer Sammelvorrichtung W2 in Form eines Beckens zum Auffangen von Flüssigkeit, die von der Filterwand abtropft, wobei in der Sammelvorrichtung W2 eine Tauchpumpe 10 zum Betrieb der Wasserzufuhreinrichtung 9 angeordnet ist;
– Mittel 6 zur Erfassung und Regelung des pH-Werts der Waschflüssigkeit in der zweiten Reinigungsstufe.

Wenn die Konzentration an Ammonium- und Nitrit-Ionen in der Waschflüssigkeit der ersten Reinigungsstufe R1 einen die Tätigkeit der nitrifizierenden Mikroorganismen hemmenden Wert erreicht hat, überschreitet die vom Sensor LF erfasste und an die Steuerungsvorrichtung übermittelte Leitfähigkeit den vordefinierten Grenzwert. Die Steuerungsvorrichtung steuert nun die Pumpe 1 an, so dass über die Verbindungsleitung 1a die an Ammonium- und Nitrit-Ionen angereicherte Waschflüssigkeit aus der Sammelvorrichtung W1 des Biorieselbettreaktors R1 in den Reaktionsbehälter 2 gefördert wird.
Durch die Mittel 3 zur Erfassung und Regelung des pH-Werts der Waschflüssigkeit wird im Reaktionsbehälter 2 ein pH-Wert im Bereich von 3,5 bis 4,5 eingestellt. Dort erfolgt – gegebenenfalls in Gegenwart eines Katalysators – die Umsetzung von Ammonium- und Nitrit-Ionen unter Bildung von gasförmigem Stickstoff gemäß Bruttogleichung (3). Wenn durch diese Reaktion die Konzentration an Ammonium- und Nitrit-Ionen in der Waschflüssigkeit soweit reduziert worden ist, dass die Tätigkeit nitrifizierender Mikroorganismen nicht mehr gehemmt ist, wird die an Ammonium- und Nitrit-Ionen verarmte Waschflüssigkeit aus dem Reaktionsbehälter 2 mittels der Pumpe 4 durch die Leitung 4a in die Sammelvorrichtung W1 des Biorieselbettreaktors R1 zurückgeführt.
Die Stickstoff-Bilanz der Umsetzung von Ammonium- und Nitrit-Ionen zu einem stickstoffhaltigen Gas im Reaktionsbehälter der erfindungsgemäßen Abluftreinigungsanlage stellt sich wie folgt dar:
In der mit Ammonium- und Nitrit-Ionen angereicherten Waschflüssigkeit, die bei Erreichen des Grenzwerts der Leitfähigkeit aus dem Biorieselbettreaktor entnommen und durch die erste Leitung in den Reaktionsbehälter befördert wird, ist Stickstoff in Form von Ammonium-Ionen (65 bis 75% des Gesamtgehalts an Stickstoff, z. B. 71,6%) sowie in Form von Nitrit-Ionen (25 bis 35% des Gesamtgehalts an Stickstoff, z. B. 28,4%) vor.
Im Reaktionsbehälter wird der in der Waschflüssigkeit in Form von Ammonium- und Nitrit-Ionen enthaltene Stickstoff typischerweise zu 50–55% in elementaren gasförmigen Stickstoff umgesetzt. Insgesamt nur ca. 0,1% des ursprünglich in der Waschflüssigkeit in Form von Ammonium- und Nitrit-Ionen enthaltenen Stickstoffs liegen als gasförmige Beimengungen aus der Gruppe bestehend aus Ammoniak, Lachgas und Stickoxiden vor. Stickoxide entstehen aus Nitrit bei saurem pH-Wert durch folgende Reaktion 2HNO₂ → H₂O + NO + NO₂ (5)
In der zurückbleibenden Waschflüssigkeit, die aus dem Reaktionsbehälter in den Biorieselbettreaktor zurückgeführt wird, verbleiben 45–50% (z. B. 47,6%) des ursprünglich in der Waschflüssigkeit in Form von Ammonium- und Nitrit-Ionen enthaltenen Stickstoffs. Der in der Waschflüssigkeit verbleibende Stickstoff liegt überwiegend in Form von Ammonium-Ionen vor (z. B. 42,5% des ursprünglich in der Waschflüssigkeit in Form von Ammonium- und Nitrit-Ionen enthaltenen Stickstoffs), neben geringen Anteilen an Nitrit-Ionen (z. B. 0,15% des ursprünglich in der Waschflüssigkeit in Form von Ammonium- und Nitrit-Ionen enthaltenen Stickstoffs) und Nitrat-Ionen (z. B. 4,86% des ursprünglich in der Waschflüssigkeit in Form von Ammonium- und Nitrit-Ionen enthaltenen Stickstoffs). Nitrat entsteht als Folgeprodukt aus der Reaktion des Nebenprodukts Stickoxid NO₂ NO₂ + H₂O → NO₃ ^– + NO₂ ^– + 2H⁺ (6).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 20121192 U1 [0003]

Claims

Abluftreinigungsanlage, insbesondere für einen Nutztierstall, umfassend – eine Vorrichtung zum Zuführen eines zu reinigenden Rohgasstroms; – eine in Gasströmungsrichtung erste Reinigungsstufe (R1), in der die Abluft mit einer Waschflüssigkeit kontaktiert wird, und Mikroorganismen vorgesehen sind, die in der Lage sind, zumindest einen Teil des in der Abluft enthaltenen Ammoniaks in Nitrit umzuwandeln, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abluftreinigungsanlage außerdem vorgesehen sind: – ein Reaktionsbehälter (2) zur Umsetzung von Ammonium-Ionen und Nitrit-Ionen unter Bildung von gasförmigem Stickstoff; – eine Verbindungsleitung (1a) zum Transport von Waschflüssigkeit aus der ersten Reinigungsstufe (R1) in den Reaktionsbehälter (2); – eine Pumpe (1), um Waschflüssigkeit aus der ersten Reinigungsstufe (R1) über die Verbindungsleitung (1a) in den Reaktionsbehälter (2) zu fördern; – ein Sensor (LF) zur Erfassung der Leitfähigkeit der Waschflüssigkeit in der ersten Reinigungsstufe (R1); – eine Steuerungsvorrichtung, welche mit dem Sensor (LF) zur Erfassung der Leitfähigkeit der Waschflüssigkeit in der ersten Reinigungsstufe (R1) signaltechnisch in Verbindung steht und ausgebildet ist, um die Pumpe (1) solcherart arizusteuern, dass bei Überschreiten eines bestimmten Grenzwerts der Leitfähigkeit Waschflüssigkeit aus der ersten Reinigungsstufe (R1) über die Verbindungsleitung (1a) in den Reaktionsbehälter (2) gefördert wird zur Umsetzung zumindest eines Teils der in der Waschflüssigkeit enthaltenen Ammonium- und Nitrit-Ionen unter Bildung eines stickstoffhaltigen Gases.
Abluftreinigungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Reinigungsstufe (R1) einen Biorieselbettreaktor umfasst.
Abluftreinigungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktionsbehälter (2) Mittel (3) zur Erfassung und Regelung des pH-Werts aufweist.
Abluftreinigungsanlage nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Reaktionsbehälter (2) ein Katalysator vorgesehen ist.
Abluftreinigungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Verbindungsleitung (4a) vorgesehen ist zum Transport von Waschflüssigkeit aus dem Reaktionsbehälter (2) in die erste Reinigungsstufe (R1) sowie eine zweite Pumpe (4), um Waschflüssigkeit aus dem Reaktionsbehälter (2) über die zweite Verbindungsleitung (4a) in die erste Reinigungsstufe (R1) zu fördern.
Abluftreinigungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gasleitung (5) vorgesehen ist, welche den Reaktionsbehälter (2) mit der Vorrichtung zum Zuführen des zu reinigenden Rohgasstroms verbindet und ausgebildet ist, um im Reaktionsbehälter (2) gebildetes stickstoffhaltiges Gas in den der Abluftreinigungsanlage zuzuführenden Rohgasstrom einzuleiten.
Abluftreinigungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind zur Überwachung der Konzentrationen einer oder mehrerer Substanzen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ammoniak, Lachgas und Stickoxiden in dem im Reaktionsbehälter (2) gebildeten stickstoffhaltigen Gas.
Abluftreinigungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abluftreinigungsanlage eine in Gasströmungsrichtung zweite Reinigungsstufe (R2) in Form eines Abluftwäschers mit einer eine Säure enthaltenden Waschflüssigkeit umfasst.
Abluftreinigungsanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Waschflüssigkeit des Abluftwäschers (R2) enthaltene Säure ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Schwefelsäure und Salzsäure.
Abluftreinigungsanlage nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Reinigungsstufe (R2) Mittel (6) zur Erfassung und Regelung des pH-Werts der Waschflüssigkeit der zweiten Reinigungsstufe vorgesehen sind.
Abluftreinigungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abluftreinigungsanlage eine in Gasströmungsrichtung dritte Reinigungsstufe in Form eines Biofilters umfasst.
Nutztierstall mit einer Abluftreinigungsanlage gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.