DE4104380A1

DE4104380A1 - Verfahren zur biochemischen entlastung von schadstoff- und osmogenhaltigen gasen

Info

Publication number: DE4104380A1
Application number: DE4104380A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr Ing Langhans; Hartmut Dr Ing Weissgaerber; Helmut Schlesier
Original assignee: Linde KCA Dresden GmbH
Current assignee: Linde Engineering Dresden GmbH
Priority date: 1991-02-08
Filing date: 1991-02-08
Publication date: 1992-08-13

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur biochemischen Entlastung von schadstoff- und osmogenhaltigen Gasen, insbesondere großer Gasvolumenströme der chemisch-pharma zeutischen Industrie, der Land- und Nahrungsgüterwirt schaft und der Abproduktaufbereitung.

Mit wenigen Ausnahmen handelt es sich bei den, in den Gasvolumenströmen emittierten, Verbindungen um organische Schwefel-, Stickstoff- und Sauerstoff-Verbindungen, in seltenen Fällen auch um Organo-Phosphor-Verbindungen.

Zusätzlich kommt der Einsatz des Verfahrens in Betracht bei der Reinigung kontaminierter Abluft von

- Gieß- und Kühlstrecken sowie Kernmachereien in Gieße reien
- Betrieben der Lebens- und Genußmittelindustrie
- Fermentationsprozessen,
- Druckereien,
- Lackierereien

bei denen die Beseitigung der Emission von Phenolen, Ke tonen, Estern, Alkoholen und organischen Lösungsmitteln erfolgen soll.

Bei einer Vielzahl chemisch-physikalischer und biochemi scher Prozesse werden eine Reihe Stoffe, auch geruchsin tensive Stoffe, freigesetzt, die erhebliche Umweltbeein trächtigungen bewirken und in mehrfacher Hinsicht zu öko logischen Schädigungen führen können:

- akute Toxizität (einschließlich kanzerogener Ef fekte) auf Mensch und Tier in Abhängigkeit von Konzentrationen und Einwirkungszeit,
- Phytotoxizität mit verschiedenen Schädigungen der Flora und der möglichen Schadstoffanreicherung über Nahrungs ketten,
- Geruchsbelästigungen durch osmogene Luftschadstoffe (auch in Verbindung mit toxischen Wirkungen).

Neben der ökologisch nicht zu vertretenden Methode, Luft schadstoffe durch Verdünnen und weiträumiges Verteilen zu "entsorgen", werden im wesentlichen physikalische und chemische Behandlungsverfahren für die Reinigung der Ab luft eingesetzt.

Sie haben den Nachteil, daß sie entweder sehr energieauf wendig sind oder die Abluftprobleme nur in die Bereiche Abwasserreinigung oder Abfallbeseitigung verlagern.

Durch das bei der Reinigung zunehmend geringer werdende Konzentrationsgefälle der Schadstoffe gestaltet sich, insbesondere die Schlußreinigung, immer aufwendiger.

Es ist bekannt, daß mit Hilfe von biologischen Verfahren sich diese Nachteile häufig vermeiden oder zumindest ver ringern lassen. Diese verursachen in der Regel auch er heblich geringere Betriebskosten.

Zudem gestatten sie eine effektive Reinigung bis in den Bereich von Spurenbelastungen, wie sie gerade bei Osmoge nen die Regel sind.

Bei der biologischen Abluftreinigung werden die organi schen Schadgaskomponenten bzw. oxidativ zerlegbaren Gase zunächst in einem wäßrigen Medium durch Auswaschen bei möglichst großer Gas-Flüssigkeits-Kontaktfläche absor biert. Anschließend werden die gelösten Gase von der ad aptierten Mikroflora utilisiert. Als Endprodukte des Stoffwechsels entstehen umweltverträgliche Produkte, wie H₂O, CO₂, N₂ und S.

Aus technologischen Gründen sind bisher drei Hauptvarian ten biologischer Abluftreinigung angewendet worden:

1. Kompostfiltration unter Einsatz natürlicher Trägerma terialien zur Kultivierung der Mikroflora

Sie bringen gute Ergebnisse, wobei jedoch eine Reihe von Randbedingungen für den störungsfreien Betrieb einzuhal ten sind.

So darf das Kompostmaterial nicht austrocknen, jedoch auch nicht durch zu große Feuchtigkeit in den Kapillaren verschmieren. Die Betthöhen für Biofilter werden wegen des relativ großen Strömungswiderstandes und der Gefahr einer Kapillarverstopfung durch Eigengewicht und Feuch tigkeitseinfluß (bzw. infolge der Möglichkeit des Bettaufreißens und Durchtritts ungereinigten Gases über die Kavernen) in der Regel unter 1 m gewählt. Das führt bei großen zu behandelnden Gasmengen zu einem beträchtli chen Flächenbedarf der Anlage. Zusätzlich belästigend wirkt sich die Möglichkeit der Schwadenbildung in Boden höhe bei Kondensationserscheinungen in dem austretenden Gasstrom aus.

Durch anwachsende Biomasse und Stoffwechselprodukte ver schlammt das Bett im Laufe der Zeit, was ein periodisches Ersetzen der Kompostmasse durch neues Substrat bedingt.

2. Gaswäsche in Türmen konventioneller Art mit getrennter aerober Aufbereitung des Waschwassers nach dem Belebungs verfahren

Dieses Verfahren ist nur dann einfach und kostengünstig, wenn in der Nähe eine biologische Kläranlage betrieben wird, deren gereinigter Ablauf als Waschwasser verwendet wird mit anschließender Wiedereinleitung des schadgasbe ladenen Wassers in die biologische Aufbereitung.

Besteht diese Möglichkeit nicht, muß eine separate aerobe Biostufe für den Waschturm betrieben werden, was den Pro zeß energetisch sehr aufwendig und mit der Notwendigkeit der Überschußbioschlammverwertung arbeitsintensiv macht.

Bei der Gaswäsche werden die unerwünschten Schad- und Ge ruchsstoffe durch Absorption von der Gas- in die Flüssig phase überführt, und zwar solange, wie ein Konzentrati onsgefälle zwischen Gas und Waschwasser vorliegt. Ist das Konzentrationsgleichgewicht erreicht, findet kein Stoff übergang mehr statt; die Reinigungsleistung sinkt auf Null ab. Entscheidend für die kontinuierliche Wirksamkeit der Wäsche sind deshalb die ständige Erneuerung der Kon taktfläche Gas/flüssig und die Regeneration der beladenen Waschflüssigkeit, welche üblicherweise im Kreislauf ge führt wird.

3. Abluftbiofiltration unter Verwendung einer Träger fixierung

Der schadgasdurchströmte Reaktionsraum ist mit einem Trä germaterial gefüllt, das eine große Oberfläche sowohl für den Gas-Flüssigkeitskontakt als auch für den aufwachsen den Biorasen bei ausreichend niedrigen Druckverlusten be züglich der durchströmenden Gasphase sichern soll. Für die Belüftung der aeroben Biologie wird Sauerstoff aus der zu reinigenden Gasphase genutzt.

Bei dem, in DD-PS 2 48 514 beschriebenen Verfahren zur Desodorierung und Entkeimung der Abluft aus Abwasserbe lüftungsbecken wird die Abluft separaten Reaktoren zuge führt, in denen ein Trägermaterial als Bewuchsgrundlage für in den Aerosolen der Abluft befindliche Bakterien, Pilze und Protozoen eingebaut ist. Die dazu notwendige Biozönose wird in Form eines biologischen Rasens auf dem Trägermaterial aus in der Abluft befindlichen Keimen se lektiert. Für spezielle, schwer abbaubare Geruchsstoffe können Hochleistungsstämme speziell gezüchteter Organis men eingesetzt werden.

Eine Möglichkeit zur Beseitigung von Überschußbiomasse, sowie die Schaffung eines optimalen Lebensraumes für die Biozönose sowie eine Entlastung der Abluft von Schadstof fen sind nicht offenbart.

Nachteil dieses Verfahrens ist, daß bei etwaiger Befeuch tung bzw. Animpfung der Biozönose (um sie lebensfähig zu erhalten) das bereits gereinigte Gas mit dem Impfmedium, welches sehr wahrscheinlich Geruchsstoffe oder Keime ent hält, in Kontakt treten kann. Das ist dadurch gegeben, weil im gleichen Raum eine Gegenstromführung zwischen Impfmedium und gereinigtem Gas erfolgt.

Die vorstehend genannten biologischen Verfahren eignen sich im wesentlichen nur zur Geruchsbeseitigung bei kom munaler Klärtechnik oder von Stallabluft bei Osmogenkon zentration kleiner 50 ppm.

Neben den schon genannten Nachteilen bieten sie insbeson dere bei höheren Schadstoffkonzentrationen keine Sicher heit gegen Durchschlagen und bergen damit für den Betrei ber ein hohes Betriebsrisiko in sich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einem ef fektiven, betriebssicheren Verfahren gasförmige Schadstoffe und Osmogene im Belastungsbereich größer 10 ppm bis ca. 10 000 ppm abzubauen, um biologische Ver fahren bis zum Anschlußbereich chem.-phys. Verfahren, also für höhere Stoffkonzentrationen, einsetzbar zu machen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, indem das mit gasförmigen Schadstoffen und Osmogenen belastete Gas durch einen Reaktionsraum geleitet wird, in dem sich ein Trägermaterial mit großer spezifischer Oberfläche und gleichzeitig hohem Lückenvolumen zur Immobilisierung spe zialisierter, an den Abbau der Abluftschadstoffe angepaß ter Mikroorganismen befindet.

Der Reaktionsraum wird über ein Düsensystem kontinuier lich oder periodisch mit wäßrigem Medium befeuchtet, das Impfbakterien sowie Mikro- und Makroelemente und weitere Substratbestandteile enthält, deren Menge und Zusammen setzung auf optimalen Schadstoffabbau durch die Mikroor ganismen abgestimmt ist.

Das wäßrige Medium kann entweder Biowasser, aus einer in Standortnähe befindlichen biologischen Abwasserreini gungsanlage entnommen, oder aus Frischwasser, Impfschlamm und Chemikalien zusammengemischt sein.

Das aus dem Reaktionsraum ablaufende wäßrige Medium wird in einem Sumpf aufgefangen und über einen Umwälzkreislauf wieder dem Düsensystem zugeführt. Die auf den Reaktions raum bezogene Befeuchtungsrate liegt bei 0,02 . . . 0,1 m³/m³/h, kann jedoch zur hydraulischen Be seitigung von Überschußbiomasse aus der Trägermatrix in einsatzspezifisch festzulegenden Zyklen auf 0,5 m³/m³/h erhöht werden.

Die Gaskomponenten werden über Grenzflächenkontakte in dem wäßrigen Medium gelöst und in dieser Form den träger fixierten Mikroorganismen als Substrat zugeführt. Wesent liches Verfahrensprinzip für diese Behandlung hochkonzen trierter in den Gasen emittierter Schadstoffe ist der ab wärtsgerichtete Gleichstrom von zu entsorgendem Gasvolu menstrom und wäßrigem Befeuchtungsmedium. Dadurch wird das Nachstrippen von Schadgasen aus dem wäßrigen Medium in die schon gereinigte Abluft im Kopf des Reaktionsrau mes ausgeschlossen, was den wesentlichsten Vorteil der Erfindung darstellt.

Die Kontaktierung des flüssigen Mediums mit den immobili sierten Mikroorganismen wird dabei in den o.g. Bereichen verändert bis zur Minimierung der Schadgasrestkonzentra tion. Reaktionsvolumen und Gasverweilzeit richten sich nach Art und Konzentration der Schadgaskomponenten.

Dabei liegt die Gasverweilzeit im Lückenvolumen des Trä germaterials im Bereich 10 s bis 500 s.

Durch Adaption baut sich in der Trägermatrix eine Mikro flora auf, die offenbar entweder das gelöste Schadgas gemisch komplex als Substrat verwertet oder bei spe zifisch toxisch wirkenden Komponenten auf einzelne Bak terienstämme aufeinanderfolgende Zonen hochspeziali sierter Populationen ausbildet, in denen einzelne Gas komponenten nacheinander umgesetzt werden.

Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß es durch entsprechend mögliche Adaption der immobilisierten Mikro flora an alle biologisch abbaubaren Gasinhaltsstoffe an gepaßt werden kann. Es ist besonders vorteilhaft beim Um satz hoher Schwefelwasserstoffkonzentrationen bis 15 000 ppm und hoher Ammoniakkonzentrationen bis 10 000 ppm einsetzbar.

Es können sowohl Osmogene als auch Schadstoffe vermindert oder beseitigt werden.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung soll anhand von Beispielen näher erläutert werden.

Es zeigen

Fig. 1 einen Kamin zur biochemischen Entlastung von Abluft aus einer Gülleaufbereitungsanlage

Fig. 2 Gesamtanlage ohne Kamin zur biochemischen Entlastung von Prozeßgas.

Beispiel 1

Für 10 000 m³/h Abluft aus der aeroben Intensivtankbiolo gie einer Gülleaufbereitungsanlage,
mit 5 . . . 30 ppm H₂S
und 1000 . . . 3000 ppm NH₃,
sowie weiteren, nichtspezifierten Osmogenen wird eine biochemische Abluftreinigung installiert.

Da die Abluft aus den Biotanks der Gülleaufbereitungsan lage in ca. 13 m Höhe anfällt, kann der Kaminfuß des vor handenen Abluftkamins als Filterraum für Schadstoffe und Osmogene genutzt werden, wie aus Fig. 1 ersichtlich ist.

Der Raum des Abluftkamins der Biotanks ist großvolumig ausgeführt, weil er neben der Abluftführung auch als Schaumsammelraum bei Betriebsstörungen dient.

Durch Einziehen eines zentralen Rohres 1 in dem vorhan denen Kamin 2 wird ein äußerer Ringraum 3 geschaffen. Dieser ist mit einer Trägermaterialschüttung, z. B. wie in den DD-PS 2 69 135 beschrieben, versehen, die der besseren Handhabung wegen in mehrere, durch Streckmetallzwischen böden 4 gehalterte Lagen aufgeteilt ist.

Am derzeitigen Abluftaustritt 5 wird der Ringquerschnitt verschlossen. Dadurch wird die Abluft gezwungen, in dem Ringraum 3 abwärts zu strömen. Die Schüttung wird gleich zeitig mit Biosuspension 6 berieselt. Die Möglichkeit ei ner alternativen Berieselung mit Frischwasser ist mög lich.

Der auf den Trägern mit großem Hohlraumvolumen anwach sende Biorasen bewirkt dann den schon vorstehend be schriebenen Abbau der Schadstoffe und der Osmogene. In dem Zentralrohr 1 wird die weitgehend entlastete und ent wässerte Abluft wieder nach oben geführt und tritt in ca. 20 m Höhe aus.

Die zusätzlich entstehenden Druckverluste in der Schüt tung können im Prinzip durch erhöhten Biotanküberdruck ausgeglichen werden. Da es jedoch ungünstig ist, den Überdrucksicherheitsspielraum der Biotanks auf diese Weise weitgehend zu verringern, wird ein anderweitiger Ausgleich der Druckverluste angestrebt.

Gewählt wurde ein Injektor zum Einblasen von Frischluft in das Zentralrohr, die noch eine erhöhte Kondensatab scheidung durch den Kühleffekt der eingetragenen Umge bungsluft ermöglicht.

Die Entwässerung der "Kamin"-Kolonne erfolgt über das an lageninterne Schleusennetz.

Die Fläche des Zentralrohres 1 beträgt AZ = 0,385 m², die des Ringraumes 3 A_RR = 2,15 m². Daraus folgen als Strö mungsgeschwindigkeiten und Druckverluste

V_Z = 6,5 m/s
mit ΔP_Z = 15 Pa

V_RR = 1,16 m/s
mit ΔP_RR = 1000 Pa (einschl. Träger)

Beispiel 2

In einem Chemiebetrieb besteht die Notwendigkeit, verfah rensbedingt anfallende, mit H₂S, NH₃ und Spuren von Mer captanen belastete Abluftströme umweltgerecht zu entsor gen.

Eine Belebtschlammanlage steht nicht zur Verfügung, so daß die Abluftentsorgung autark erfolgen muß.

Die Gasströme betragen:

- 500 m³/h
Abluft aus der Destillation
mit 1,5 kg/h H₂S 2113 ppm
1,5 kg/h NH₃ 4225 ppm
0,5 g/h Mercaptan 0,5 ppm

- 4250 m³/h
Abluft aus der Absorption
mit 5,5 kg/h H₂S 915 ppm
3,5 kg/h NH₃ 1155 ppm
4,25 g/h Mercaptan 0,5 ppm

Sie fallen bei etwa Normaldruck und Temperatur 35°C an und sind auf folgende Konzentrationen zu entlasten

- 20 mg/m³ 14,1 ppm für H₂S
- 10 mg/m³ 14,1 ppm für NH₃
- 0,003 mg/m³ 0,0015 ppm für Mercaptan

Gemäß der in Fig. 2 dargestellten Zeichnung werden die beiden Gasströme 1 aus Absorption und Destillation im Kopf des Biofilters 8 zusammengeführt und als Gemischt strom behandelt.

Damit gelten als Eingangsparameter

V_ges = 4750 m³/h mit

. 1,474 g/m³ = 1038 ppm H₂S
. 1,053 g/m³ = 1483 ppm NH₃
. 1 mg/m³ = 0,5 ppm Mercaptan

Die erforderlichen Abbauwirkungsgrade zur Erreichung der geforderten Reinluftkonzentrationen betragen

ηH2S = 98,6%
ηNH₃ = 99,0%

Dafür sind Reaktor-(Biofilter-)Flächenbelastungen von (20 . . . 30) m³/m²/h zulässig. Unter Einsatz der Träger, wie im Beispiel 1 beschrieben, mit:

a = 210 m²/m³/; ε = 0,85;
a: Fläche
ε: Verhältnis Raumbedarf der Träger zum Gesamtraum

zulässigen freien Schütthöhen von ca. 10 m und einem spe zifischen Durchströmdruckverlust von (80 .. 150) Pa/m bedingt das einen Reaktionsraum von 200 m³ mit

d_R = 5 m, h_R = 10 m
d_R: Durchmesser Reaktionsraum
h_R: Höhe Reaktionsraum

Der gesamte Biofilter 8 wird isoliert ausgeführt, um Wär meverluste zu reduzieren und die Winterbetriebssicherheit bei geringstem Energieaufwand zu sichern. Am Kopf des Re aktors befindet sich ein Gasdom 9, in den die Schad gaseinleitung 10 erfolgt und der gleichzeitig eine Ver teileranlage 11 für das Befeuchtungswasser enthält.

Darunter befindet sich ein Sumpf 13 für das Befeuchtungs wasser, der gleichzeitig verfahrenstechnische Funktionen hat, wie

- Gewährleistung einer Denitrifikation,
- Einstellung der technologischen Parameter des Befeuch tungswassers (Mikro-/Makroelemente, pH, Salzgehalt, Ge löstgaskonzentration, Schlammabzug, Temperatur mittels Wärmeübertrager 14),
- Überschußwasserablauf 15 bei Druckhaltung in der Gas phase.

Das gereinigte Gas wird zwischen Füllkörperschüttung und Spiegel-Sumpfwasser aus dem Reaktionsraum abgeführt und nach Aerosolabscheidung 16 in den in Fig. 2 nichtdarge stellten Kamin 2 entsprechend Fig. 1 eingeleitet.

Beispiel 3

In einer Biogasanlage entstehen erhebliche Mengen Ammo niak, welche mit der in Fig. 2 dargestellten Gesamtanlage weitgehend beseitigt werden sollen. Für den Ammoniakabbau erfolgt im Reaktor unter aeroben Bedingungen eine Nitri fikation.

Die Nitratverbindungen werden mit dem wäßrigen Medium (Befeuchtungswasser) über die Verteileinrichtung 5 in den Sumpf gewaschen und dort unter anoxischen Bedingungen de nitrifiziert. Zur Fixierung der Denitrifikanten kann auch der Flüssigkeitssumpf mit einem Trägermaterial gefüllt sein. Die Flüssigkeitsverweilzeit im Sumpf betragt 0,5 h bis 10 h.

Die Temperatur im Reaktionsraum liegt zwischen 20°C und 40°C. Sie wird durch Isolierung sowie Temperierung des Befeuchtungswassers mittels Wärmeübertrager 11 im Außen kreislauf aufrechterhalten.

Die Ablufttemperaturen können im Eintritt zwischen 5°C und 75°C betragen.

Wegen der hohen Biotoxizität von Ammoniak im basischen Bereich wird das Befeuchtungswasser über eine nicht in Fig. 2 dargestellte pH-Regeleinrichtung im Bereich pH = 6,5 bis 7,5 gehalten.

Um zusätzlich Ammoniakaustrag infolge seiner leichten Flüchtigkeit über die schon gereinigte Abluft zu vermei den, wird die pH-Regelung über einen Teilstrom angesäuer ten wäßrigen Mediums gleichzeitig als finale Gaswäsche genutzt, um auch noch NH₃-Spuren zu binden und in den Sumpf zurückzuwaschen.

Nach Erfordernis kann der Aerosolabscheider 8 in der Gasabführung installiert sein.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1 zentrales Rohr
2 Kamin
3 Ringraum mit Trägermaterial
4 Streckmetallzwischenböden
5 Abluftaustritt
6 Biosuspension
7 Injektor
8 Biofilter mit Trägermaterial
9 Gasdom
10 Schadgaseinleitung
11 Verteileranlage
12 Spaltenrost
13 Sumpf
14 Wärmeübertrager
15 Überschußwasserablauf
16 Aerosolabscheidung

Claims

1. Verfahren zur biochemischen Entlastung von schadstoff- und osmogenhaltigen Gasen, indem belastetes Gas einen Reak tionsraum durchströmt, der auf Trägermaterial immobili sierte, an den Schadstoff- und Osmogenabbau speziell anpaß bare Mikroorganismen enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Inhalt des Reaktionsraumes mit einem wäßrigen Me dium befeuchtet wird, welches mit an den jeweiligen Schadstoff- und Osmogenabbau anpaßbaren Impfbakterien, Mi kro- und Makroelementen sowie Substratbestandteilen ange reichert wird und dabei der zu entlastende Gasvolumenstrom sowie das wäßrige Medium in gleicher Richtung durch den Re aktionsraum geleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Inhalt des Reaktionsraumes mit 0,02 bis 0,1 m³/m³/h wäßrigem Medium befeuchtet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Inhalt des Reaktionsraumes mit 0,1 bis 0,5 m³/m³/h wäßrigem Medium befeuchtet und dadurch von Überschußbio masse befreit wird.