DE3628030A1 - Verfahren und vorrichtung zur gasreinigung mit biologischer aufbereitung der gasverunreinigung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur gasreinigung mit biologischer aufbereitung der gasverunreinigung

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Description

Die Reinigung von technisch nutzbaren Gasen, oder der in die Atmosphäre entlassenen Abgase technischer Prozesse bringt Rückstände in flüssiger oder fester Form. Diese sind in den meisten Fällen zunächst Abfälle und bedürfen somit einer weiteren Behandlung, wenn sie wiederverwertet oder ohne Umweltbelastung abgelagert werden sollen. Als bekannte Verfahren zur Gasreinigung sind zu nennen:
Trockensorptionsverfahren, Naßwäschen, Gewebefilter, Elektrofilter, Biofilter, Naßwäschen mit biologischer Aufbereitung der Waschflüssigkeit.
Um eine weitestgehende Abscheidung von Gasverunreinigungen zu erhalten, werden die vorgenannten Verfahren auch unter­ einander gekoppelt.
Besonders wirkungsvolle Kombinationen sind:
die Verbindung von Sorptionsabscheidern mit Gewebe- und Elektrofiltern zur Abscheidung von Verunreinigungen aus technischen Verbrennungsprozessen, sowie Naßwäschen mit biologisch aktivierter Waschflüssigkeit zur Abscheidung biologisch abbaubarer Gasverunreinigungen aus chemischen bzw. biochemischen Prozessen.
Nach der sorptiven Bindung der aus dem Gasstrom zu ent­ fernenden Teilchen an einen Sorptionsstoff, wird bei den nicht biologisch wirkenden Verfahren eine chemische Fest­ legung der Teilchen angestrebt, um so durch mechanische Filter-, Schwerkraft- oder elektrostatische Abscheidung eine Ausschleusung aus dem Gasstrom vornehmen zu können. Dabei wird akzeptiert, daß die so entstehende gesamte Abfallmasse im Volumen größer ist als die reine aus den Gasen zu entfernende Gasverunreinigungsmasse und somit zu einer erheblichen Vergrößerung der Abfallproblematik führt. Im Gegensatz hierzu stehen die Massenverhältnisse bei sorptiv-biologisch wirkenden Gasreinigungsverfahren. Hierbei wird nach der sorptiven Bindung der abzuschei­ denden Gasverunreinigungen an den Sorptionsträgerstoff, die biologische Umwandlung in einen umweltverträglichen Endzustand mit geringst möglichem Volumen angestrebt. Dies wird im Wesentlichen dadurch erreicht, daß die, aus den Gasen zu entfernenden Verunreinigungen mit der Waschflüssigkeit ein ideales Substrat für bestimmte Mikroorganismen ergeben.
Hierzu wird in der Literatur ausgeführt:
"Die Optimierung von biologischen Abbauprozessen setzt neben der Kenntnis von beteiligten Organismen und deren Wachstumsansprüchen auch das Verständnis der Kinetik und Regulation des bakteriellen Stoffwechsels voraus. Die Abbaugeschwindigkeit als wichtigste kinetische Größe wird von verschiedenen Parametern beeinflußt. In bezug auf Geruchsstoffe, die wegen ihres geringen Geruchsschwellen­ wertes selbst in kleinsten Konzentrationen noch eine Umweltbelastung hervorrufen, ist es besonders wichtig, daß die Bakterien auch bei geringem Substratangebot noch eine ausreichende Umsetzungsgeschwindigkeit erreichen." (Zitat: Dr. Claus, Inst. f. Mikrobiologie der TH Darmstadt. Veröffentlicht am 28.10.82 durch GVC-VDI-Gesellschaft Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen).
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe vorteilhaft durch ein 3-stufiges physikalisch-biologisch wirkendes Gasreinigungsverfahren.
Die einzelnen Stufen sind wie folgt gekennzeichnet:
  • -in der 1. Stufe werden alle kondensierbaren und sublimentierbaren Gasverunreinigungen durch Wärme­ entzug augeschieden. Es bildet sich ein biologisch wirkender Rasen,
  • - in der 2. Stufe werden die aus dem Gasstrom in der 1. Stufe abgeführten, mit Substrat für eine biologische Kultur, gemischten Gasverunreinigungen wieder in den Gasstrom eingebracht, über eine Füllkörperkolonne geleitet, im Kreislauf geführt und hierbei biologisch abgebaut,
  • - in der 3. Stufe werden alle nicht kondensierten und sublimierten Gasverunreinigungen, die die 1. Stufe passierten, durch Sorption in einem festen Filterbett aus Substrat abgeschieden und dann von den im Filter­ bett festangesiedelten Organismen bei immer gleichen Milieubedingungen abgebaut.
Diese Betriebsweise hat den Vorteil, daß die im biologisch wirkenden Filter angesiedelten Mikroorganismen durch Substratstöße nicht überbelastet, aber auch durch Substrat­ mangel nicht unterversorgt werden. Weiterhin herrscht im Biofilter immer der gleiche Wasserdampfpartialdruck. Auf diese Weise wird weiterhin gewährleistet, daß überschüs­ siges Kondensat und/oder Sublimat aus der 1. und 3. Reinigungsstufe biologisch gereinigt aus dem Verfahren austreten kann.
Die aufgrund des Zellwachstums der Mikroorganismen ent­ stehende Biomasse der 2. Stufe wird zu einem Festbett konditioniert und in der 3. Stufe als Substrat verwendet.
Überschüssige Biomasse wird in umweltverträglichem Zustand dem Verfahren entnommen und abgelagert, oder für boden­ verbessernde Maßnahmen wiederverwendet.
Je nach Art der zu reinigenden Gase kann die Prozeßführung biologisch aerob oder anaerob erfolgen.
Das beschriebene Verfahren hat gegenüber anderen Gasreini­ gungsverfahren folgende Vorteile:
  • - da das Substrat biologisch abgebaut wird, ent­ stehen lediglich enzymatisch bedingte Stoffwechselrest­ produkte d. h. Bio-Oxydations-Produkte mit großer Stabi­ lität. Die Masse dieser Reststoffe ist erheblich geringer als die, aus chemischen Neutralisationsprozessen resul­ tierenden Reststoffe (z. B. Molverhältnis Ca/S = 2 : 1 bei Rauchgasentschwefelungsverfahren),
  • - durch die 3-stufige Verfahrensweise werden insbesondere die, bei bisher gebräuchlichen Biofiltern erreichten Standzeiten für das Substrat erheblich verlängert (3- 4fache Zeit),
  • - die spezifische Filterflächenbelastung kann bis auf das 10fache gesteigert werden und das gesättigte Substrat bedarf keiner weiteren biologischen Aufbereitung für eine umweltverträgliche Lagerung,
  • - hochbelastetes Kondensat als Filtersickerwasser fällt nicht mehr an.
Folgende frühere Patentanmeldungen sind bekannt:
  • 1. Verfahren zur Biofiltration (Erfinder: Dr. Henning Vollmer, 1983),
  • 2. Einrichtung zum Abscheiden gasförmiger organischer Verunreinigungen aus Abgasen (OS 24 45 315, Erfinder: Franz X. Kneer),
  • 3. Verfahren und Vorrichtung zur Entfernung von Verunrei­ nigungen aus Gasströmen (Pat. 34 14 044.1, Erfinder: Karl E. Schnorr).
Nachfolgend wird eine mögliche Ausführungsvariante beschrieben, deren Aufbau als beispielhaft für das hiermit zum Patent angemeldete Verfahren mit Vorrichtung anzusehen ist.
In einem gemeinsamen Gehäuse (2) befindet sich im unteren Raum das Kühlaggregat (1). Mit der zusätzlich möglichen Wärmerückgewinnungsvorrichtung (13) kann die aus dem Abgas abgeführte Wärme für Heizzwecke (z. B. Kondensateindampfung) genutzt werden.
Durch den Gaseintrittsstutzen (3) tritt das zu reinigende Abgas in den Kondensationsraum mit Kondensator (5) ein. Durch Unterschreitung der Kondensations- bzw. Sublimations­ punkte aller aus dem Gas auszuscheidenden Gasverunreinigun­ gen - im Gemisch oder in fraktionierter Betriebsweise durch übereinander angeordnete Kondensatoren, wobei sich daraufein biologisch wirkender Rasen bildet, - wird das Gas in der 1. Stufe gereinigt. Das abtropfende Kondensat und/oder Sublimat wird in der Wanne (4) aufgefangen. Der hierbei erzielte Reinheitsgrad kann bis zu ca. 96% betragen. Danach durchströmt das vorgereinigte Gas in abgekühltem Zustand mit entsprechend niedrigen Partialdampfdrucken eine Füllkörperkolonne mit biologischem Rasen (11). Die abtropfende Substratflüssigkeit (6) tritt über Leitbleche (12) in die Auffangwanne (4) zurück und wird mit der Pumpe (10) wieder auf die Füllkörper aufgegeben. Die Füllkörper können so ausgeführt sein, daß sie neben einer oberflächenvergrößern­ den Eigenschaft noch ionenaustauschende Fähigkeit besitzen. Auf diesem Wege können dann auch Schwermetalle fixiert und aus dem Gasstrom ausgeschleust werden. Es ist bekannt, daß den im Gas mitgeführten Verunreinigungen meist das stoff­ spezifische Bakterium bereits anhaftet. Somit liegt nahe, durch Kreislaufführung die vorhandenen Milieubedingungen zu nutzen und damit den biologischen Stoffwechselprozeß zu beschleunigen. Ein vorhandenes Milieu muß nicht erst neu entstehen. Der alle biologische Stoffwechselprozesse bestim­ mende Faktor Zeit wird damit optimiert.
Sind die Milieubedingungen im Gasstrom wachstumshemmend, so kann auch auf die Kreislaufführung des mit Gasverunreini­ gungen angereicherten Substrates verzichtet und eine bio­ logische Fermentation (19) im offenen System durchgeführt werden. Dabei treten dann die aus dem Gasstrom abgeschiedenen Stoffe in einen biologisch wirkenden Fermenter (14) ein und werden hier unter geeigneten Milieubedingungen biologisch abgebaut. Die Stoffwechselrestprodukte werden über den Auslaß (15) bzw. (16) abgeführt.
Nach dem Gasdurchtritt durch die Füllkörperkolonne (11) und (12) durchströmt dann das zu reinigende Gas das Biofilter (7) und wird mit dem Ventilator (8) abgesaugt. Soweit es sich um Luft handelt, tritt diese gereinigt frei in die Atmos­ phäre aus. Handelt es sich um ein technisch nutzbares Gas (z. B. Methan), so wird ein Auffangbehälter nachgeschaltet. Der Biofilter (7) wird durch den annähernd gleichen Gas­ eintritts- und Austrittszustand immer unter gleichen Milieubedingungen betrieben. Die Milieubedingungen entsprechen dabei der stationären Phase einer Wachstumskurve, wobei den, an den Biomassefilterpartikeln festangesiedelten Bakterien, Nahrungsteilkomponenten in Form von noch aus dem Gasstrom abzuscheidenden Verunreinigungen, auf sorptivem Weg zugeführt werden. Stoffwechselrestprodukte der Abluftreinigung werden soweit gasförmig (CO2 oder Wasserdampf) hiernach nicht mehr aus dem Gasstrom entfernt, da dann ein atmosphärischer Zustand erreicht ist. Feste Bestandteile in Form von anwach­ sender Zellmasse wird durch Filterwechsel abgeführt.
Durch einfache aerobe Fermentation der ausgewechselten Filter­ masse wird eine Stoffmengenreduktion bis fast zur vollen Mineralisation (d. h. angenäherter Aschezustand) erreicht. Sie kann danach wieder eingesetzt werden. Bei der Reinigung technisch nutzbarer Gase kann der Biofilter (7) nochmals eine 2. Kondensationsstufe (17) nachgeschaltet werden, um so letz­ te gasverunreinigende Spuren zu entfernen. Dabei kann das Kondensat auf das Biofilter zurücktropfen, wobei gleichfalls ein Austrocknen des Biofilters verhindert wird.
Zur Entkeimung des austretenden Gasstromes können UV- Lampen (18) beitragen, die letzte eventuell vom Gasstrom mitgerissene Mikroorganismen abtöten.
Bei explosionsgefährlichen Gasen oder Gas-Luftgemischen wird die Zündgrenze über ein entsprechendes Überwachungs­ gerät kontrolliert und die Anlage abgeschaltet, wenn eine unzulässige Konzentration entsteht.

Claims (21)

1. Verfahren zur Gasreinigung mit biologischer Aufberei­ tung der Gasverunreinigungen, dadurch gekennzeichnet, daß alle kondensierbaren und/oder sublimierbaren Gasver­ unreinigungen durch Wärmeentzug aus dem zu reinigenden Gasstrom abgeschieden, durch biologische Verfahren auf­ bereitet, dem Gasstrom über Tropfkörper im Kreislauf­ betrieb wieder ausgesetzt und nach biologischer Stabi­ lisierung aus dem Prozeß abgeführt, konditioniert und/ oder wiederverwendet bzw. abgelagert werden; wobei der Gasstrom in einem nachgeschalteten Biofilter, dessen Milieu durch die vorgeschaltete Tropfkörper-Fermenta­ tionsstufe im Gleichgewicht gehalten wird, eine weitere sorptiv bedingte, biologisch intensivierte Reinigung er­ fährt, anschließend in einer weiteren Kondensations- und Sublimationsstufe wieder flüchtig gewordene Stoffe abgeschieden und danach durch ultraviolette Strahlen eine Keimabtötung vor Gasaustritt erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß damit Gase aus aerob verlaufenden Prozessen gereinigt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Gase aus anaerob verlaufenden Prozessen gereinigt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensations- und/oder Sublimationsprodukte im Kreislauf direkt in den Gasstrom zurückgeführt und unter milieuspezifischen Voraussetzungen biologisch fermen­ tiert werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensations- und/oder Sublimationsprodukte aus dem Gasstrom entfernt und in einem separaten Fer­ mentationssystem biologisch stabilisiert werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensations- und/oder Sublimationsprodukte aus dem Gasstrom entfernt und danach zur direkten Ablagerung und/oder Wiederverwertung konditioniert werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die konditionierten Gasverunreinigungen als Tropf­ körper verwendet werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die konditionierten Gasverunreinigungen zum Aufbau eines biologisch wirkenden Filters benutzt werden.
9. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus wenigstens einer Kondensationsstufe besteht, auf der sich ein biologisch wirkender Rasen aufbaut.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensations- bzw. Sublimationsstufe eine Tropfkörperstufe zur biologischen Reinigung des Kondensats mit den aufgenom­ menen Gasverunreinigungen nachgeschaltet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Herstellung günstiger Sorptions- und Milieube­ dingungen das Milieu im Tropfkörper für die nachfolgende Sorption der Stoffwechselprodukte und/oder für weitere, noch im Gasstrom enthaltene Verunreinigungen steuerbar ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Kondensat bzw. Suplimat aus dem Auf­ fangbehälter unmittelbar wieder in den Gasstrom rückführbar ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Kondensat bzw. Suplimat in einen separaten biologisch wirkenden Fermenter förderbar ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß nach der Kondensations- bzw. Suplimations­ stufe ein biologisch wirkendes Filterbett installiert ist, dessen Filterpartikel aus Biomasse bestehen, auf deren Ober­ fläche gasspezifische Mikroorganismen ansiedelbar sind.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß dem Biomassefilterbett zwecks Abscheidung stoffwechselbedingter Produkte des Biofilters eine weitere Kondensations- bzw. Suplimationsstufe nachgeschaltet ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwecks Abtötung vom Gasstrom mitgerissener Keime in einem Austrittskanal eine Ultraviolettbestrahlung des Gases erfolgt.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sie in kompakter Bauweise mit integriertem Kühlsystem errichtet ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Einzelstufen in getrennter Bauweise errichtet sind.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 18, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sie ein eigenes Gastransportaggregat umfaßt und ihr das zu reinigende Gas zuführbar ist.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 19, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Reinigung gefährlicher Gase Sicher­ heitsschaltkreise mit Überwachungsgeräten für unzulässige Gaskonzentrationen vorgesehen sind.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 20, dadurch ge­ kennzeichnet, daß durch Wärmeisolierung nach außen äußere Einflüsse unwirksam sind.
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