DE60129046T2

DE60129046T2 - Verfahren und vorrichtung zur biofiltration von flüchtigen organischen verbindungen

Info

Publication number: DE60129046T2
Application number: DE60129046T
Authority: DE
Inventors: Imelda Newbridge EGAN; Ian Phillips
Original assignee: Bord na Mona PLC
Current assignee: Bord na Mona PLC
Priority date: 2001-05-03
Filing date: 2001-05-03
Publication date: 2008-02-28
Anticipated expiration: 2021-05-04
Also published as: US20040152185A1; US7919304B2; EP1383591A1; DE60129046D1; ES2288511T3; ATE365068T1; WO2002089959A1; CA2446000A1; EP1383591B1

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Biofiltration von flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs = Volatile Organic Compounds). Eine VOC kann als eine organische Spezies definiert sein, d.h. eine, die Kohlenstoff und Wasserstoff und mögliche andere Komponenten, wie zum Beispiel Stickstoff, Schwefel oder Halogene, enthält, die leicht bei Raumtemperatur verdampft. Der Begriff VOCs deckt einen breiten Bereich von chemischen Klassen ab, einschließlich aliphatischer, aromatischer und chlorinierter Kohlenwasserstoffe, Alkohole, Ketone, Säuren, Ether, Ester und Aldehyde.
Diese Spezies tragen entweder direkt oder indirekt zu einer Vielzahl von Umweltfragen und -anliegen bei, die Art und das Ausmaß der Beiträge hängen von den chemischen Strukturen der einzelnen Verbindungen ab. Die Hauptfragen zur Besorgnis sind:
Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und auf die natürlichen Ökosysteme durch die Toxizität, Karzinogenität und andere negative physiologische Auswirkungen;
Bildung von troposphärischen photochemischen Oxidationsmitteln;
stratosphärischer Ozonabbau;
globale Klimaveränderung;
Geruch; und
bodennahe Ozonbildung.
VOCs entstehen durch die Handlungen des Menschen und auch aus natürlichen Quellen. Die Handlungen, die zu erhöhten VOC-Konzentrationen in der Umwelt beitragen, schließen Folgende ein:
Druck- und Beschichtungsindustrie, die Lösungsmittel verwendet;
Transportwesen-Verbrennung und Lagerung von Kohlenwasserstoff-Brennstoff;
Abfalldeponien, Wasseraufbereitungsanlagen;
petrochemische Industrien; und
pharmazeutische Produktion.
Es ist seit langem anerkannt, dass Biofiltration ein geeignetes und kostengünstiges Verfahren zum Abbau von VOC-Emission für niedrige und mittlere Konzentrationssysteme ist. Konventionelle Ausführungen schreiben vor, dass die Effizienzen zur Entfernung umso größer sind, desto länger die Verweildauer des ausströmenden Gases in einem Biofilter ist (Ottengraf, S. P. P., J. J. P. Meesters, A. H. C. van der Oever, H. R. Rozema. Biological Elimination of Volatile Xenobiotic Compounds in Biofilters). Die Verweildauer von normalerweise 60-90 Sekunden in dem Filtermedium wird empfohlen. Dies folgt allgemein einer Kinetik der nullten Ordnung zur Entfernung, wo ein Konzentrationsgradient im Biofilter mit der größten Konzentration am Einlass gebildet wird, und die Entfernung ist somit bei längerer Retention größer. Es wurde gefunden, dass Retentionszeiten von größer als etwa 90 Sekunden nicht anwendbar sind, da sich die Luft so langsam durch den Filter bewegt, dass „Channelling" auftreten kann. Außerdem wird es sehr unwirtschaftlich, da Filtergrößen bedeutend erhöht werden müssen. Die Literatur behauptet, dass die VOC-Eliminierungskapazität für konventionelle Biofilter im Bereich von 10 bis 40 g VOC/m³ Medium/Std. liegt.
Unsere britische Patentschrift Nr. 2300824 und unser US-Patent Nr. 6 019 810 beschreiben und beanspruchen verschiedene neue Packungsmaterialien, die beträchtliche Vorteile gegenüber hier zuvor verwendeten Packungsmaterialien aufweisen. Eines der Hauptprobleme, das in diesen Patentschriften identifiziert wurde, war die Tatsache, dass beim Umgang mit der Behandlung von Ausstrom die Höhe von produziertem Kontaminant weitgehend schwanken kann. Industrieabfall kann in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen der Anlage, der Quelle des Abfalls, weitgehend schwanken. Somit können erhebliche tägliche Abweichungen der VOC- Höhen auftreten, was sowohl in Kläranlagen als auch in industriellen und landwirtschaftlichen Anlagen beobachtet wurde. Weitere Faktoren, wie in diesen Patentschriften beschrieben wurde, können die Höhen von erfahrungsgemäßen Kontaminanten beeinflussen. Ein Hauptproblem ist, dass, wenn die durchschnittliche Einlasskonzentration von VOCs in der Entwurfsschrift verwendet wird, dann könnte das System nicht geeignet sein, Höchstniveaus zu bewältigen. Wenn im Gegensatz dazu das System für Höchstbeladungen entworfen wird, dann könnte es aufgrund von Nährmangel von Mikroorganismen innerhalb des Biofilters bei den viel niedrigeren VOC-Höhen kein optimales Ergebnis erzielen. Ein weiteres Problem beim Entwerfen für Höchstniveaus ist offensichtlich das der Kosten, da das Filterbett und folglich der Biofilter größer sein müssen als es für durchschnittliche Bedingungen notwendig ist. Das System dieser Patentschriften ist ein bedeutender Schritt in Richtung zur Erhöhung des Vermögens eines Biofilters, um diese verschiedenen Beladungen zu handhaben.
Es sollte angemerkt werden, dass wir in dieser vorliegenden Patentschrift, wenn wir auf Biofiltration verweisen, auch auf Biowäsche-Systeme verweisen und dass der erstere Begriff zur Beschreibung von beiden Systemen verwendet wird.
Es sollte auch angemerkt werden, dass der Begriff „Biofilter-Durchsatzrate" die Rate bezeichnet, bei der ausströmendes Gas durch den Gaseinlass und -auslass strömt, wie von der „Filtermedium-Durchsatzrate" unterschieden wird, die die Rate bezeichnet, bei der ausströmendes Gas durch das eigentliche Filtermediumbett gezogen wird.
Die Begriffe „Packung", „Packungsmaterialien", „Filtermediumbett", „Medium" und „Schalenmedium", wie in dieser Patentschrift verwendet, sollen dieselbe Bedeutung haben und werden synonym gebraucht, sodass, während eine Bezugnahme zu Schalenmedium als eine spezielle Bezugnahme zu einer Art von Medium gebraucht werden kann, einzusehen ist, dass andere geeignete Medien verwendet werden können.
Wie vorstehend erwähnt, scheint eines der Hauptprobleme und Entwurfsbeschränkungen zu sein, dass, wenn die Konzentration der VOCs über eine bestimmte Höhe ansteigt, das Biofiltrationssystem dann nicht fähig zu sein scheint, ausreichende Mengen zu entfernen, und es notwendig ist, entweder den Gasfluss zu reduzieren, wodurch die Verweildauer erhöht wird, oder das einströmende Gas zu verdünnen. Leider führten beide dieser Wege zuvor zu einer Zunahme der Biofiltergröße.
US-Patent Nr. 4 421 534 offenbart einen Turm zur Entfernung von Gerüchen aus Gasen, der mit einem Gasumlaufsystem bereitgestellt wird. Die Vorteile von Gasumlauf sind, dass die Vermeidung von unansehnlichen großen Türmen realisierbar wird. Außerdem führt der Anstieg des Flusses von Gas zum Turm zu größerer günstiger Turbulenz mit einer größeren Sicherheit, dass alle Durchgänge im Medium offen gehalten werden.
Ein offensichtliches Erfordernis für einen effizienten Biofilter ist, dass Mikroorganismen bei ausreichenden Zelldichten vorliegen, um die Höhen von Kontaminanten, die in den Biofilter gelangen, abzubauen. Außerdem, sobald ein Biofilm gebildet wird, kann der Anteil von aktiver Biomasse zur gesamten Biomasse relativ klein sein. Somit folgt, dass, umso konzentrierter die organischen Stoffe im Luftstrom sind, desto mehr Biomasse gebildet werden wird.
Dies ist ein Problem mit Biofiltern allgemein, d.h. die Notwendigkeit zur Vermeidung von übermäßigem Aufbau von Biomasse aufgrund von hohen VOC-Konzentrationen. Die Konsequenzen der Biomassebildung sind, dass es Verstopfen des Biofilters und Behinderung des Umlaufwassers verursachen kann. Forschungen und Pilotstudien, die vom Antragsteller durchgeführt wurden, haben gezeigt, dass der Gegendruck bis auf das Fünffache des ursprünglichen Werts durch ein verstopftes Mediumbett ansteigen kann. Dies führt zu einer Abnahme der Effizienz des Biofilters und einem Anstieg der benötigten Energie, um das ausströmende Gas durch den Biofilter zu befördern. Insbesondere bei Partikelfiltermedium überbrücken die Mikroorganismen die Lücke zwischen den Partikeln und es beginnen Verstopfungen aufzutreten. Das bevorzugte Wachstum von fadenförmigen Bakterien innerhalb des Biofilms könnte einer der Hauptgründe sein, dass das Filtermedium verstopft wird. Dies verursacht einen Anstieg der Druckabnahme über dem Filterbett und somit wird die Behandlung der Kontaminanten bedeutend reduziert, wenn nicht gestoppt. Daher besteht eine Notwendigkeit für einen präventiven Mechanismus, der die Proliferation von übermäßiger Biomasse inhibiert, während die Vitalität der „erwünschten" Mikroorganismen nicht beeinträchtigt wird.
Ein weiteres gut bekanntes Problem, das mit Biofiltern in Verbindung gebracht wird, ist die relative Unlöslichkeit von VOCs in Wasser. Eine gut bekannte Besonderheit der Biofiltration von Kontaminanten in der Luft ist die Notwendigkeit, den Schadstoff in die wässrige Phase zu überführen, bevor der biologische Abbau stattfinden kann.
Die vorliegende Erfindung ist auch auf die Begünstigung von effizienterem Massenübergang von VOCs in die wässrige Phase ausgerichtet.
Mikrobielles Hunger kann auch aufgrund von niedrigen Einlasshöhen von Luft auftreten. Die britische Patentschrift Nr. 2300824 war ein bedeutender Schritt in Richtung der Gewährleistung, dass das biologische System angemessen mit Bakterien ausgelegt war und dass die Kultur Hungerperioden, wenn die Einlasskonzentrationen von VOC abfallen, überleben würden.
Ein weiteres der Hauptprobleme bei einem Biofiltrationssystem ist die Notwendigkeit, den Energieverbrauch niedrig zu halten. Dies bedeutet gewissermaßen, dass ein geringer Gegendruck, der in dem Packungsmaterial erzeugt wird, vorliegen muss. Somit ist die richtige Wahl des Packungsmaterials entscheidend.
Es besteht ein Bedarf für derartige Systeme zur Handhabung von hohen und schwankenden Höhen von kontaminierten Gasen im Allgemeinen und im Besonderen von hohen und schwankenden Konzentrationen von VOCs. Die vorliegende Erfindung ist darauf ausgerichtet.
Darlegung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Biofiltration von flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs = Volatile Organic Compounds) der Art bereitgestellt, die das Zuführen von kontaminiertem ausströmendem Gas durch einen Biofilter umfasst, wobei der Biofilter einen Einlass, Auslass und ein Mikroorganismus-beladenes Filtermediumbett hat, wobei das Filtermediumbett zusätzlich feuchtigkeitserhaltende Eigenschaften hat und welches Filtermediumbett zur Absorption, mikrobiellen Oxidation und Degradation der VOCs geeignet ist und welches Verfahren auch das Zuführen von Flüssigkeit quer durch das Filtermediumbett einschließt, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren Folgendes umfasst:-
Zuführen von kontaminiertem ausströmendem Gas zum Biofiltereinlass bei einer Biofilter-Durchsatzrate und Entfernen des gefilterten Gases durch den Auslass bei der gleichen Rate;
Umlaufen des kontaminierten ausströmenden Gases innerhalb des Biofilters, wodurch die Rate, bei der Gas durch das Filtermedium strömt, die Biofilter-Durchsatzrate am Einlass und Auslass übersteigt und worin das Einlassgas innerhalb des Biofilters effektiv verdünnt wird; und
elektromagnetisches Stimulieren der Flüssigkeit, die quer durch das Filtermediumbett zugeführt wird.
Dieses Verfahren zum Umlauf der Luft innerhalb der Biofiltervorrichtung hat den Effekt einer bedeutenden Steigerung der Entfernungseffizienz von VOCs aus kontaminierten ausströmenden Gasen ohne eine bedeutende Zunahme der Lauf- und Wartungskosten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Dieser neuartige Umlauf von kontaminierter Luft führt zu etlichen Vorteilen gegenüber traditionellen Beseitigungssystemen. Zuvor waren derartige Systeme nicht sehr effizient bei der Handhabung von kontaminierter Luft, in der VOC-Höhen mit der Zeit schwanken. Umlauf durch Verwendung dieses Verfahrens führt zu einer offensichtlichen Verdünnung des eingehenden ausströmenden Gases. Daher werden die Effekte von schwankender VOC-Konzentration minimiert und die Entfernung kann effizienter erfolgen. Traditionell würde ein System, das weit schwankende VOC-Höhen bewältigt, sehr groß sein müssen. Folglich nehmen die Laufkosten bedeutend zu. Ein Umlaufverfahren hat keinen Bedarf an einer großen kostspieligen Vorrichtung, wodurch die Lauf- und Wartungskosten verringert werden.
Es ist vorteilhaft, dass das Filtermediumbett feucht gehalten wird, da der Abbau von VOCs durch die Mikroorganismen durch eine feuchte Umgebung begünstigt wird.
Wenn die VOC-Höhen in dem ausströmenden Gas jedoch niedrig sind, kann dies zu mikrobiellem Hunger führen, wie zuvor dargelegt. Bewusste Zugabe von VOC, um eine lebensfähige Biomasse aufrechtzuerhalten, durch die Flüssigkeit, die quer durch das Filtermediumbett zugeführt wird, garantiert, dass die VOCs gleichmäßig innerhalb des Filtermediumbetts verteilt werden.
Die Feuchtigkeitsretention ist ein Hauptproblem in jedem Biofiltrationssystem und dies wurde seit langem durch die Verwendung von Material bei der Bildung des Mediums, das schon an sich zur Erhaltung der Feuchtigkeit eingestellt ist, wahrgenommen. Leider bestehen Folgeprobleme bei der Verwendung derartiger Materialien. Somit ist es bekannt, dass einige von diesen mit kalkhaltigen Materialien verwendet werden. Bei einem kalkhaltigen Material ist es entscheidend, dass ausreichend Feuchtigkeit innerhalb des Mediums erhalten wird, um das Wachstum von Bakterian darauf zu garantieren. Dies kann nur erfolgen, wenn das Medium ausreichend Feuchtigkeit zurückhält, und es ist vordem erforderlich, dass es mit beispielsweise Torf gemischt oder tatsächlich kontinuierlich besprüht werden sollte. Die Verwendung von Flüssigkeitsreservoirs löst dieses Problem.
Es ist fast unmöglich die Bedeutung des Flüssigkeitsretentionsanteils der kalkhaltigen Elemente für den effizienten Betrieb des erfindungsgemäßen Ableitungsbehandlungssystems überzubetonen. Wie zuvor erwähnt, ist die Feuchtigkeitsretention, wie bei traditionellen Biofiltern, von äußerster Bedeutung, um den Bedarf an Flüssigkeit der mikrobiellen Population zu befriedigen. Zweckmäßigerweise ermöglichen die feuchtigkeitserhaltenden Eigenschaften der vorliegenden Erfindung auch, durch Bereitstellen eines Reservoirs von gelösten VOCs zur Erhaltung der Mikroben, dass die mikrobielle Population für anhaltende Perioden von niedrigen VOC-Höhen oder für Perioden, wenn keine VOCs in den Biofilter gelangen, lebensfähig bleibt.
In weiteren Ausführungsformen wird die VOC-Konzentration am Einlass und Auslass überwacht. Diese Messung der VOC-Höhen am Einlass und Auslass ermöglicht die Durchführung einer Bestimmung der Effizienz des Biofiltrationsverfahrens. Wenn die Auslasshöhen der VOC oberhalb von vorbestimmten Höhen liegen, dann können Maßnahmen ergriffen werden, um diese Höhen auf unterhalb des Grenzwerts zu verringern. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die VOC-Konzentration im Auslassgas überwacht und wenn die VOC-Konzentration einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt, wird der Umlauf ausgeführt. Außerdem, wie zuvor dargelegt wurde, ist es offensichtlich wünschenswert, so niedrige Laufkosten wie möglich zu haben. Durch Überwachen des VOC-Gehalts des Einlass- und Auslassgases kann das Umlaufverfahren in Abhängigkeit von der VOC-Konzentration an- und ausgeschaltet werden. Bei hohen VOC-Konzentrationen wird der Umlauf angeschaltet und bei niedriger Konzentration ist der Umlauf ausgeschaltet.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird die Biofilter-Durchsatzrate unter Berücksichtigung des Volumens von ausströmendem, zu verarbeitendem Gas bestimmt. Das Volumen von ausströmendem, zu verarbeitendem Gas kann weitgehend schwanken und es ist schlichtweg wünschenswert, dass die Biofilter-Durchsatzrate eingestellt wird, um die schwankenden Volumina von Gasen zu bewältigen. Wenn sich beispielsweise das erzeugte Volumen von ausströmenden Gasen erhöht, dann kann es notwendig sein, die Biofilter-Durchsatzrate zu erhöhen, um dieses erhöhte Volumen zu bewältigen, und vice versa.
Die Rate, bei der sich kontaminierte Luft durch das System bewegt, ist sehr wichtig, um eine konstante und effiziente Enfernung von VOCs aufrechtzuerhalten. Wenn sich Gas bei einer zu hohen Rate hindurchbewegt, dann kommen die VOCs nicht für ausreichende Zeit mit dem Filtermediumbett in Kontakt, um eine effiziente Entfernung von VOC zu bewirken. Wenn sich das Gas zu langsam hindurchbewegt, dann kann „Channelling" auftreten und es wird keine effiziente Behandlung des gesamten kontaminierten Gases bewirkt.
In einer weiteren Ausführungsform hängt die Anzahl der Male, die der Umlauf ausgeführt wird, und folglich der erzielte Medium-Durchsatz vom Gegendruck, der vom Filtermedium erzeugt wird, ab.
Die Aufrechterhaltung des Gegendrucks bei einer niedrigen Höhe ist für den energieeffizienten Betrieb von Biofiltern sehr wichtig. Wenn der Gegendruck bedeutend ansteigt, erhöht sich die Energieleistung beträchtlich, da mehr Energie benötigt wird, um Luft durch das Filtermedium zu ziehen. Um ein energieffizientes System aufrechtzuerhalten, wird die maximale Rate, bei der sich Luft durch das System bewegt, und die Anzahl der Male, dass die Luft im Umlauf geführt wird, somit gesteuert, um einen übermäßigen Aufbau von Gegendruck zu vermeiden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die VOC-Konzentration in der Auslassluft überwacht und wenn die VOC-Konzentration einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt, wird der Umlauf ausgeführt.
Die Zahl der koloniebildenden Einheiten von Mikroben in dem Filtermediumbett muss auf Höhen gehalten werden, die eine effiziente Entfernung der VOCs bereitstellen werden. Das Umlaufverfahren wird bei einer Höhe ausgeführt und aufrechterhalten, die den Mikroorganismen ermöglicht, für eine Zeitdauer lebensfähig zu bleiben, wenn die VOC-Konzentration bei oder unterhalb der minimalen Höhe liegt. In einer Ausführungsform wird somit, wenn die VOC-Höhen des Einlassgases zu niedrig sind, der Umlauf ausgeführt. Alternativ werden in einer weiteren Ausführungsform, wenn die Einlasshöhe der VOCs für eine vorbestimmte Zeitlänge unterhalb eines vorgegebenen Grenzwerts fällt, VOCs zum Filtermediumbett gegeben. Traditionell können bei Biofiltern und den Biowäschern Nährstoffe zugegeben werden, um eine lebensfähige Biomasse während Mangelperioden aufrechtzuerhalten. Jedoch können Mikroben in einem erfindungsgemäßen Biofilter bis zu sieben Tage nach vollständigem Abschalten des Biofilters durch Nutzung von restlichen VOCs, die in dem Flüssigkeitsreservoir gelöst sind, lebensfähig bleiben. Wenn diese restlichen gelösten VOCs erschöpft sind, werden Spurenhöhen von VOCs zum Filtermedium über den Sumpf und die umlaufende Flüssigkeit in einer Ausführungsform oder durch Zuführen von Flüssigkeit mit gelösten VOCs quer durch das Filtermediumbett in einer weiteren Ausführungsform gegeben. Dies vermeidet noch einmal, dass die Mikroorganismen aufgrund von niedrigen VOC-Höhen im ausströmenden Gas sterben.
Ein weiteres wichtiges Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Rate, bei der Wasser durch das Biofiltrationssystem gelangt. Im Gegensatz zu traditionellen Biofilterverfahren, bei denen die Flüssigkeit nur bereitgestellt wird, um die Bedürfnisse der Mikroorganismen für Feuchtigkeit zu befriedigen, ist die Rate, bei der die Flüssigkeit durch das Mediumbett gelangt, bei der Gewährleistung einer effizienten VOC-Eliminierungskapazität des Biofilters wichtig. Im Vergleich zu traditionellen Biofiltern ist diese Rate sehr hoch. Eine hohe Rate ist vorteilhaft, da diese in Verbindung mit einer hohen Medium-Durchsatzrate von Gas einen effizienteren biologischen Abbau von gelösten VOCs begünstigt. Jedoch kann die Rate entsprechend der Höhe von VOCs, die durch den Biofilter gelangen, schwanken. Bei hohen VOC-Höhen ist die Rate höher. Bei niedrigen VOC-Höhen muss die Rate nicht so hoch sein und kann verringert werden, um Energieleistung der Pumpe zu sparen, wodurch die Laufkosten des Biofilters verringert werden.
Entsprechend wird ein Verfahren zur Biofiltration von VOCs bereitgestellt, worin die Rate, bei der die Flüssigkeit durch das Filtermediumbett gelangt, entsprechend der Höhe von VOCs, die durch das Filtermediumbett gelangen, variiert. Bevorzugt beträgt die Rate zwischen 20 und 50 l/m³ Medium pro Minute und idealerweise 30 l/m³ Medium pro Minute.
In einer weiteren Ausführungsform wird das Befeuchten durch Umlaufen von Wasser über die Packung aus einem Speichersumpf erzielt.
Erfindungsgemäß wird ein Biofiltrationssystem zum Entfernen von VOCs aus kontaminiertem ausströmendem Gas bereitgestellt. Das System ist von der Art, die Folgendes umfasst: ein Biofiltergehäuse, einen Gaseinlass im Gehäuse zur Aufnahme des kontaminierten ausströmenden Gases, einen Gasauslass zur Abführung des dekontaminierten Gases aus dem Biofilter, ein Mikroben-tragendes Filtermedium, das eine Vielfalt von zufällig angeordneten Elementen von kalkhaltigem Material mit einem Flüssigkeitsretentionsanteil umfasst, von denen viele zur Bildung eines individuellen und Flüssigkeit-zurückhaltenden Reservoirs innerhalb der Packung orientiert sind, und ein Mittel zum Befeuchten der Packung, dadurch gekennzeichnet, dass Gasumlaufmittel zum Abfangen von etwas Luft neben dem Gasauslass zur Rückführung in das Biofiltergehäuse neben dem Gaseinlass bereitgestellt werden und worin auch Mittel zur elektromagnetischen Stimulation der durch das Befeuchtungsmittel bereitgestellten Flüssigkeit bereitgestellt werden.
Idealerweise weist das Filtermedium eine Schüttdichte von kleiner als 900 g/Liter, in einigen Fällen von kleiner als 600 g/Liter auf, und in einer Ausführung weist es tatsächlich eine Schüttdichte von ungefähr 500 g/Liter auf. Umso leichter das Medium sein kann, desto weniger Probleme bestehen mit struktureller Intaktheit von einer Säule des Packungsmaterials, außerdem kann eine größere Tiefe von Packungsmaterial erzielt werden, bevor die strukturelle Intaktheit der Elemente wichtig wird.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung stellt das Filtermedium verbrauchte Schale von Schalentieren dar. Es entstehen enorme und ungeahnte Vorteile aus der Verwendung von verbrauchter Schale von Schalentieren. Zunächst ist es ein Abfallprodukt von verschiedenen Arbeitsgängen mit Lebensmitteln, bei denen Austern, Wellhornschnecken, Miesmuscheln, Venusmuscheln und so weiter in Fabriken verarbeitet werden, die eine große Menge von verbrauchten Schalen produzieren, die dann entsorgt werden müssen, was Umweltverschmutzung verursacht. Auf jeden Fall ist die Entsorgung von derartigen Schalen teuer. Alles, was die Notwendigkeit, Geld für die Ensorgung der Schalen auszugeben, aufhebt, doch diese zusätzlich zu einem wertvollen Erzeugnis macht, ist offensichtlich äußerst vorteilhaft. Es ist seit langem anerkannt, dass verbrauchte Schalen von Schalentieren eine Hauptquelle von Calciummaterial sind. Es wäre falsch, das Entsorgungsproblem, vor dem viele Verarbeiter von Schalentieren stehen, zu unterschätzen. Ein weiterer Vorteil der Verwendung von verbrauchten Schalen ist, dass sie eine besonders brauchbare Form derart aufweisen, dass einige der Schalen zerbrochen sein werden, andere werden ihre vollständige strukturelle Intaktheit besitzen und so weiter, sodass das Bett, das durch die Verwendung der verbrauchten Schalen entsteht, ein Bett sein wird, das einen angemessenen Fluss von Gasen und eine angemessene Retention und Feuchtigkeit durch Bereitstellen einer ausreichenden Anzahl von Schalen, die individuelle Flüssigkeitsreservoire bilden werden, gewährleisten wird. Es wurde gefunden, dass Muschelschale oder genauer eine halbe Muschelschale besonders vorteilhaft ist, da eine große Menge von Muschelschale nach der Verarbeitung in den Fabriken verfügbar ist. Es ist besonders angebracht, eine derartige Schale zu verwenden, da es nicht einzig effizient bei der Verwendung ist, sondern ebenso regelmäßig entsorgt werden muss. Somit ist das Grundmaterial für die anfängliche Herstellung der Systempackung, nebst seinem Ersatz, wenn die verwendete Schale ihre nutzbringende Lebensdauer überschritten hat, leicht zugänglich und preiswert. Weiterhin ist Muschelschale besonders strukturell starr.
Idealerweise ist das Schalenmaterial eine halbe Muschelschale und bevorzugt von der Spezies Mytilus Edulis. Mytilus Edulis, was leicht erhältlich ist, hat in der Praxis gezeigt, dass es als eine Schalenform zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung besonders brauchbar ist.
In einem erfindungsgemäßen Biofiltrationssystem kann die Packung ein oder mehrere zusätzliche Packungsmaterialien einschließen. In vielen Fällen wird es vorteilhaft sein, verschiedene Filtermediummaterialien bereitzustellen, da sie zur Effizienz der Ableitungsbehandlung beitragen, insbesondere wenn spezielle ausströmende Gase wahrscheinlich regelmäßig zu behandeln sind. Jedoch sind erfindungsgemäßes kalkhaltiges Material und insbesondere Elemente aus kalkhaltigem Material, die jeder einen Flüssigkeitsretentionsanteil aufweisen, besonders vorteilhaft zum Mischen mit anderen Medien im Sinne, dass diese Flüssigkeitsretentionsanteile auch ein Mittel zum Halten der anderen Medien in Stellung im Bett und zum Gewährleisten, dass derartige andere Medien nicht aus dem Bett ausgewaschen oder anderweitig entfernt werden, bereitstellen werden.
Einige oder alle der Elemente können aus gemahlenem kalkhaltigem Material, das mit einem Bindemittel gemischt ist, gebildet werden. Wenn das gemahlene kalkhaltige Material verwendet wird, um gewissermaßen ein gänzlich künstliches Element zur Bildung der Packung herzustellen, entstehen beträchtliche Vorteile. Zunächst kann das Bindemittel ausgewählt werden, um den richtigen Abbau des kalkhaltigen Materials bereitzustellen. Geeignete Spurenelemente und Additive können auch mit dem kalkhaltigen Material kombiniert werden, um die Effizienz des Systems weiter zu erhöhen. Da ein Bindemittel verwendet wird und das Medium hergestellt wird, kann außerdem die richtige Größe und Form des Mediums ausgewählt werden, um das effizienteste Filtrationssystem bereitzustellen.
Somit kann die gewählte Packung in der Form völlig gleichmäßig sein oder kann durch eine Anzahl von verschiedenen Formen bereitgestellt werden, um einen angemessenen Fluss von Gas durch das Medium zu gewährleisten. Die Verwendung von verschiedenen Formen kann auch das Vermischen mit anderen Materialien damit ermöglichen und das Medium kann derart geformt sein, dass gewährleistet wird, dass derartige andere zusätzliche Packungsmaterialien im Medium gehalten werden können. Strukturelle Anforderungen, um zu gewährleisten, dass derartige zusätzliche Packungsmaterialien angemessen getragen werden, können durch die Herstellung der Elemente in der gewünschten und optimalen Form erfüllt werden. Formen können gestaltet und entwickelt werden, um zu gewährleisten, dass beispielsweise unter Bedingungen, wo Verdampfung ein Problem sein könnte, der Flüssigkeitsretentionsanteil derart entwickelt wird, dass eine große Kapazität und ein relativ kleiner Oberflächenbereich, der Umgebungsbedingungen ausgesetzt ist, erhalten werden.
Bevorzugt ist das Bindemittel säurebeständig. Es wird eingesehen werden, dass die Bindematerialien derart sein müssen, dass gewährleistet ist, dass bei der Erzeugung von Säure innerhalb des Systems die Elemente nicht abgebaut werden und bewirken, dass die Packung ihre strukturelle Intaktheit verliert.
Idealerweise ist das Bindemittel Keratin. Dies ist ein besonders geeignetes Bindemittel zur Kombination mit dem erfindungsgemäß verwendeten, kalkhaltigen Material.
Viele zusätzliche Packungsmaterialien, wie zum Beispiel eines oder mehrere der Folgenden, können verwendet werden: Heidekraut, Torfklümpchen, aktivierter Kohlenstoff, Aluminiumoxid und Kunststoffmedien. Es wurde gezeigt, dass jedes von Heidekraut, Torfklümpchen, aktiviertem Kohlenstoff, Aluminiumoxid und Kunststoffmedien seine Vorteile hat. Während in vielen Fällen bestimmte von diesen nicht vollständig biologisch abbaubar sein könnten, haben sie andere Vorteile, bei beispielsweise einem Kunststoffmaterial, für den Beitrag zur strukturellen Starrheit der Struktur und für die Bereitstellung, wenn entsprechend geformt, von weiteren individuellen Flüssigkeitsreservoiren.
Idealerweise umfasst das Befeuchtungsmittel gewöhnlich einen Zerstäuber, der durch Gravitation betrieben wird. Es ist offensichtlich sehr nützlich, zu gewährleisten, dass die Packung ausreichend feucht ist. Das Befeuchtungsmittel kann intermittierend betrieben werden. Dies wird durch die Tatsache unterstützt, dass die erfindungsgemäße Packung aus einer Anzahl von zufällig angeordneten Elementen gebildet wird, wobei jedes einen Flüssigkeitsretentionsanteil besitzt, der in Abhängigkeit von der Orientierung des Elements innerhalb der Packung ein individuelles Flüssigkeitsreservoir bilden kann, und daher ist es nicht notwendig, die Packung kontinuierlich zu befeuchten, und dies führt zu sowohl betrieblichen als auch anderen Einsparungen. In vielen Fallen wird das Befeuchtungsmittel erfindungsgemäß kontinuierlich betrieben und kann tatsächlich durch Umlaufen von Wasser über die Packung erzielt werden. Es ist offensichtlich im Allgemeinen vorteilhaft, die Packung kontinuierlich zu befeuchten, wenn das Wasser zurückgewonnen werden kann und wieder in Umlauf gebracht werden kann. In vielen Fällen wird das verwendete Wasser das letzte Laufwasser der Behandlungsanlage selbst sein.
In einer besonders nützlichen Ausführungsform der Erfindung umfasst das Biofiltrationssystem Mittel zur Ausführung des Befeuchtens in gleichlaufendem Fluss zum Fluss des Gasstroms durch die Packung. Der Vorteil davon ist, dass bei gleichlaufendem Fluss die maximale Reaktion mit dem kalkhaltigen Material auf der oberen Fläche des Packungsbetts stattfindet und folglich der maximale Umfang der chemischen Reaktion mit den Elementen von kalkhaltigem Material auf der oberen Fläche der Packung auftritt und es somit, wenn es verfallt, durch seinen Verfall weniger zur allgemeinen Verringerung der strukturellen Starrheit der Packung beiträgt als im Fall, wenn das Wasser und Gas im Gegenstrom verlaufen würden.
Eine bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform weist ein Biofiltrationssystem zum Entfernen von VOCs aus kontaminiertem ausströmendem Gas der Art auf, die Folgendes umfasst: ein Biofiltergehäuse, einen Gaseinlass im Gehäuse zur Aufnahme der kontaminierten Luft, einen Gasauslass zur Abführung von dekontaminierter Luft aus dem Biofilter, eine Bakterien-tragende Packung, die eine Vielfalt von zufällig angeordneten Elementen von kalkhaltigem Material mit einem Flüssigkeitsretentionsanteil umfasst, von denen viele zur Bildung eines individuellen und Flüssigkeit-zurückhaltenden Anteils innerhalb der Packung orientiert sind, und ein Mittel zum Befeuchten der Packung, dadurch gekennzeichnet, dass Gasumlaufmittel zum Abfangen von etwas Luft neben dem Gasauslass zur Rückführung in das Biofiltergehäuse neben dem Gaseinlass bereitgestellt werden und worin auch Mittel zur elektromagnetischen Stimulation der durch das Befeuchtungsmittel bereitgestellten Flüssigkeit bereitgestellt werden.
Bevorzugt wird ein Biofiltrationssystem bereitgestellt, worin das Befeuchtungsmittel ein Sprühmittel umfasst. Idealerweise wird das Befeuchtungsmittel durch Umlaufen von Wasser über die Packung aus einem Speichersumpf erhalten.
Ein weiterer Aspekt des Systems schließt ein Filtermediumbett mit einer Schüttdichte von weniger als 900 g/Liter ein. Gemäß einem weiteren Aspekt ist das kalkhaltige Material eine halbe Muschelschale, die idealerweise von der Spezies Mytilus Edulis ist.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird durch die folgende Beschreibung von einigen Ausführungsformen davon, die nur als Beispiel gegeben sind, unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen deutlicher verstanden werden, in denen:-
1 eine schematische Aufrissansicht eines erfindungsgemäßen Biofilters darstellt,
2 eine zu 1 ähnliche Ansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Biofilters darstellt,
3 eine Teilansicht eines Filterbetts, das ein Packungsmaterial einschließt, darstellt,
4(a) bis (c) verschiedene andere Formen von erfindungsgemäßem Packungsmaterial veranschaulicht, und
5 bis 8 Ergebnisse von ausgeführten Tests zeigen.
Mit Bezug auf die Zeichnungen und zunächst auf 1 ist ein Biofilter dargestellt, der allgemein mit der Referenznummer 1 bezeichnet wird. In diesem Fall wirkt der Biofilter 1 als ein Gaswäscher und sollte genauer ein Biowäscher genannt werden. Der Biofilter 1 umfasst ein Biofiltergehäuse 2, das das Packungsmaterial 3 unterhalb eines Verteilers 4 für kontaminiertes Gas enthält. Das Gehäuse 2 hat einen Wassersumpf 5 und einen Wasserberieselungsstab 6 unterhalb bzw. oberhalb des Packungsmaterials 3. Der Sumpf 5 ist mit dem Berieselungsstab 6 über eine Wasserumlaufpumpe 7 und Leitung 8 verbunden. Der Sumpf 5 hat ein konventionelles Überlaufrohr 9 und ein Ablaufrohr 10, das ein Ablaufventil 11 einschließt. Eine Abzugsöffnung 12 ist ebenfalls in dem Überlaufrohr 9 bereitgestellt. Ein Wasserfüllrohr 13 speist den Wassersumpf 5 durch ein Schwimmerventil 14. Ein Gasauslassrohr 15 ist oben im Gehäuse 2 befestigt und enthält wiederum ein Ventil 16, das mit der Umlaufleitung 17 und einem Umlaufgebläse 18 verbunden ist, das bei 19 ein Haupteinlassrohr 20 für kontaminiertes Gas speist, das dann das Biofiltergehäuse 2 durch einen Einlass 21 unterhalb des Packungsmaterials 3 speist. Ein Gassensor 34 ist mit einer Steuereinrichtung, wie zum Beispiel einem programmierten PC 35, verbunden, die zur Steuerung des Ventils 16 genutzt wird. Ein Gerät 36 für elektromagnetische Strahlung ist im Wassersumpf 5 befestigt und mit dem PC 35 verbunden.
Nun mit Bezug auf 2 ist der dargestellte Biofilter 1 ein reiner Biofilter und Teile, ähnlich denen, die unter Bezugnahme zu 1 beschrieben wurden, werden durch die gleichen Referenznummern gekennzeichnet. In dieser Ausführungsform wird der Berieselungsstab 6 direkt von einer Hauptwasseranschlussleitung 25 oder, wo eine beträchtliche Menge von Flüssigkeitsabfluss vorliegt, aus einer Endleitung von Flüssigkeitsabfluss gespeist. Im Wesentlichen wird eingesehen werden, dass, streng genommen, der Biofilter 1 nur als ein Biofilter in 2 und als ein Biowäscher in 1 operieren kann, doch der Unterschied ist relativ gering und es ist zweckmäßig beide als Biofilter zu bezeichnen.
Die Packung 3 umfasst oder zumindest enthält ein schalenartiges Material mit einer Schüttdichte von kleiner als 900 g/Liter, bevorzugt kleiner als 600 g/Liter und normalerweise ungefähr 500 g/Liter. Das schalenartige Material ist in diesem Fall die verbrauchte Schale von Schalentieren, insbesondere kalkhaltige Schale, besonders Muschelschalen der Spezies Mytilus Edulis. Die Packung kann ein oder mehrere zusätzliche Packungsmaterialien einschließen. Zusätzliche Packungsmaterialien können eines oder mehrere der Folgenden einschließen: Torfklümpchen, aktivierten Kohlenstoff, Aluminiumoxid oder Kunststoffmedien und desgleichen. Tatsächlich kann jedes ähnliche Packungsmaterial verwendet werden.
Nun mit besonderem Bezug auf 3 ist ein Teil einer Packung von Muschelschalen, durch die Referenznummer 30 gekennzeichnet, dargestellt und zeigt die zufällige Weise der Anordnung.
Bei Verwendung werden die Elemente in das Gehäuse geschaufelt oder geworfen oder anderweitig grob beladen werden, sodass sie zufällig und nicht regelmäßig angeordnet sein werden. Idealerweise sollten diese Elemente zerbrochen sein. Zerbrochene Elemente können manchmal Bereiche innerhalb des Filtermediumbetts erzeugen, wo der Gasfluss im Vergleich zu anderen Bereichen verstärkt ist. Dies erzeugt einen Druckunterschied quer durch das Filtermediumbett, was zu uneffizientem Massenübergang von VOCs in die wässrige Phase führt. Die ideale Situation ist eine gleichmäßige Gasflussrate quer durch das Filtermediumbett.
Weiterhin wird diese zufällige Anordnung garantieren, dass einige Elemente auf eine Weise fallen werden und andere auf eine andere. Wenn die Elemente beispielsweise von schalenartiger Form sind, ob künstlich oder natürlich aufgebaut, werden sie sich ineinander verschachteln, miteinander verbrücken, aufrecht umgekehrt mit der Mündung nach unten liegen und kein Flüssigkeitsreservoir bilden usw. Eine derartige Verstreuung der Elemente wird eine Packung garantieren, die von einer ausreichend offenen Struktur ist, um den Durchgang eines Gasstroms dadurch zu begünstigen.
Der Begriff schalenartig, obwohl besonders angemessen, wenn Schalen marinen Ursprungs betrachtet werden, beschreibt in allgemeinen, wenn nicht in sehr genauen Begriffen den offenen, gefäßartigen Aufbau der individuellen Elemente, die die Packung ausmachen, ob künstlich hergestellt oder natürlich vorkommend.
4 stellt verschiedene künstlich geformte schalenartige Elemente dar, die durch die Referenznummern 31, 32 bzw. 33 gekennzeichnet sind. Jedes dieser Packungselemente 31, 32 und 33 kann aus jedwedem geeigneten kalkhaltigen Material und einem Bindemittel gebildet werden und kann durch jedwedes geeignete Gießen oder andere Formungstechniken geformt werden. Das Packungselement 31 ist der einfachste Aufbau, was im Wesentlichen eine schüssel- oder schalenartige Struktur hat, während das Packungselement 32 eine viel schmalere Mündung oder Öffnung allgemein als das Packungselement 31 aufweist. Das Packungselement 33 zeigt die Bereitstellung einer unregelmäßigen äußeren Oberfläche, die das Anhaften von Feuchtigkeit und biologisch aktivem Material daran weiter begünstigen sowie eine größere zugängliche Oberfläche bereitstellen wird.
Es ist vorgesehen, dass viele geeignete Bindemittel verwendet werden könnten. Es wäre möglich, ein Bindemittel bereitzustellen, das beispielsweise garantieren würde, dass ausreichend freies Calcium verfügbar wäre, um zu ermöglichen, dass die Packung mit Bakterien, die mit Natriumalginat gemischt sind, beimpft wird. Ein besonders geeignetes Bindemittel ist Keratin. Jedoch können andere geeignete Bindemittel verwendet werden.
In Betrieb kann der Biofilter 1 auf zwei Weisen betrieben werden, mit und ohne Umlauf von kontaminiertem Gas durch die Gasumlaufleitung 17. Wie dies erfolgt, wird nachstehend ausführlicher beschrieben werden. Wenn das Ventil 16 verwendet wird, um kontaminierte Gase in Umlauf zu bringen, kann es durch einen Gassensor, wie zum Beispiel Gassensor 30, gesteuert werden, entweder am Einlass 21, der weiter vorgeschaltet ist, oder am Gasauslassrohr 15. Der Betrieb wird aus den folgenden Beispielen ersichtlich werden.
Es gibt eine Anzahl von Bedingungen, die bestimmen werden, wann der Umlauf von kontaminiertem Gas stattfinden wird. Diese werden nachstehend ausführlich beschrieben werden. Während des Betriebs ohne Umlauf wird der Biofilter im Wesentlichen als traditioneller Biofilter arbeiten, wie zum Beispiel der in der Patentanmeldung Nr. GB 2300824 des Antragstellers beschriebene. In der Praxis wird das dekontaminierte Gas, das durch den Auslass gelangt kontinuierlich oder intermittierend überwacht. Wenn die VOC-Konzentration in dem Gasauslassrohr 15 einen vorgegebenen Grenzwert, wie zum Beispiel der von der Umweltschutzbestimmung vorgeschriebene für Abgase, übersteigt, wird das Umlaufverfahren eingeschaltet. Während des normalen Betriebs wird Gas bei einer Rate innerhalb eines optimalen Bereichs durch den Biofilter gezogen. Dies wird zwischen 100 bis 300 m³ Gas/m³ Medium/Stunde erfolgen. In einer Ausführungsform erfolgt der Umlauf durch Steuerung des Ventils 16 und durch Ermöglichen, dass ein Anteil des Gases erneut in Umlauf gebracht wird und erneut in das Biofiltergehäuse 2 über die Verbindung 19 mit dem Einlassrohr 20 eintritt. Der Umlauf erfolgt derart, dass das Volumen des Gases durch das Auslassrohr 15 ungefähr gleich dem Volumen des Gases durch das Einlassrohr 20 ist. Wenn das in Umlauf gebrachte Gas in das Einlassrohr 20 eintritt, wird ein Verdünnungeffekt für das Einlassgas erzielt, da von dem in Umlauf gebrachten Gas bereits ein Prozentanteil der VOC entfernt worden war. Wie zuvor erwähnt, fördert der Verdünnungseffekt die Aufhebung der zuvor problematischen Situation von schwankenden VOC-Höhen.
Vorstehend ist eine Situation beschrieben, d.h. die Reaktion auf schwankende VOC-Höhen, wo Umlauf erfolgt. Eine weitere Situation ist die, in der das Volumen des Abgases aus der Anlage mit der Zeit schwankt. Beispielsweise kann das Volumen von erzeugten Abgasen zu bestimmten Zeiten der Woche oder in der Tat zu bestimmten Zeiten des Jahres einen Höchststand aufweisen. In diesem Fall muss das Volumen des Gases, das durch den Biofilter gelangt, erhöht werden, um das erhöhte Volumen von Abgasen aufzunehmen. Eine derartige Erhöhung kann die Biofilter-Durchsatzrate über die maximale optimale Durchsatzrate zur effizienten und optimalen Entfernung von VOC bringen. Folglich wird die Effizienz der Entfernung von VOC sinken. Wenn jedoch Umlauf ausgeführt wird, wie vorstehend beschrieben, kann die Höhe der entfernten VOCs, selbst bei dieser nicht optimalen Durchsatzrate, die Höhen in den Auslassgasen dennoch unterhalb des vorgegebenen Grenzwerts bringen.
Kurzum, es ist vorgesehen, dass das Umlaufverfahren die Entfernung von VOCs aus Anlagen ermöglichen wird, wo erstens die VOC-Konzentration mit der Zeit schwanken kann und zweitens wo das Volumen von Abgasen aus den Anlagen auch mit der Zeit schwanken kann. Umlauf ermöglicht auch die Behandlung von Abgasen, worin die VOC-Konzentrationen über denen liegen, die mit konventionellen Biofiltern behandelt werden könnten. Umlauf bewirkt, dass die Gase eine erhöhte Anzahl von Malen mit dem Filtermediumbett in Kontakt kommen. Bei einem gegebenen Volumen von Gas, das dreimal in Umlauf gebracht wurde, werden ungefähr 30 bis 40% der VOCs enfernt werden. Dies entspricht konventionellen Biofiltern bei diesen VOC-Konzentrationen und Luftbeladungen und einer tatsächlichen Verweilzeit von 96 bis 110 Sekunden während jedes Durchgangs. Der akkumulierende Effekt ist, dass ungefähr 80 bis 95% Effizienzen zur Entfernung von VOC erzielt werden.
Jedoch vor der Beschreibung der verschiedenen Beispiele sollte eingesehen werden, dass die Erkenntnisse mit konventionellen Biofiltern vorschreiben würden, dass der Umlauf von Luft ohne Vorteil für die Biobehandlung von VOCs sein würde. Wir haben bestimmte ungewöhnliche Phänomene entdeckt, von denen wir nicht erwarteten, dass sie bei erfindungsgemäßen Biofiltern auftreten würden. Als der Biofilter auf konventionelle Weise mit einem Bereich von Luftvolumina zwischen 100 bis 300 m³ Luft/m³ Medium/Std., was einer Retentionszeit von zwischen 36 und 12 Sekunden mit stark kontaminierter Luft entspricht, beladen wurde, das heißt mit VOC-Konzentrationen der Größenordnung von 500 mg/m³ steigend, wurde beständig eine Effizienz der Enfernung von –30% erhalten. Dies steht im Widerspruch zu normalen Prinzipien der Entfernung, da bei der Senkung der Retentionszeit die Entfernung konstant blieb. Somit wurde die gleiche Effizienz der Entfernung beibehalten, ob der Luftfluss 100 m³ Luft/m³ Medium/Std. oder 300 m³ Luft/m³ Medium/Std. für diese VOCs betrug. Es ist schwierig, eine sichere Aussage zu machen, wieso dies auftreten sollte. Somit ist vieles von Folgendem spekulativ und erfordert weitere Analysen. Es scheint, dass bei einem erfindungsgemäßen Packungsmaterial eher ein Massenübergang von Schadstoffen in eine wässrige Phase auftritt als ein Konzentrationsgradient quer durch den Biofilter. Nach dieser Entdeckung wurde dann entschieden, einen Umlauf der Luft durch den Biofilter durchzuführen. Bei einer Einlassluft von 100 m³ Luft/m³ Medium/Std. bei dreimaligem Umlauf, was gewissermaßen eine Nettobeladung von 300 m³ [Luft]/m³ Medium/Std. darstellt, wurden größere Effizienzen der Entfernung erzielt. Diese lagen wieder in der Größenordnung von 30% bei jedem Durchgang der Luft durch den Biofilter und somit lag die gesamte Entfernung von VOC bei VOCs in der Größenordnung von > 500 mg/m³ bei einer Höhe von bis zu 90% Effizienz. Soweit ermittelt werden kann, scheint das umlaufende Gas eine reine effektive Verdünnung des Einlassgases durch einen Faktor des Umlaufverhältnisses bereitzustellen, jedoch ist dies keine Verdünnung im normalen Sinne des Wortes, da die Auslass- und Einlassvolumenflüsse von Gas die gleichen bleiben. Mit anderen Worten wird die Einlass- und Auslassrate nicht beeinflusst. Zweitens scheint die Behandlung des Gases für mehrere Male jedes Mal Entfernungen zu erreichen, die der Entfernung in konventionellen Biofiltern bei diesen VOC-Konzentrationen und Luftbeladungen entsprechen, was somit die Entfernungskapazität pro Kubikmeter Medium bedeutend erhöht.
Es scheint, dass eine radikale Änderung der Luftflussdynamik auftritt, die den Massenübergang von unlöslichen Verbindungen und den sich wiederholenden biologischen Abbau begünstigt. Der Massenübergang von relativ löslichen VOCs wird auch durch eine erhöhte Rate, bei der Wasser durch das Filtermediumbett gelangt, begünstigt. Bei hohen VOC-Beladungen kann diese Rate so hoch sein wie 50 l/m³ Medium pro Minute. Es ist wichtig, zu erkennen, dass diese Rate im Vergleich zu traditionellen Biofilterverfahren sehr hoch ist.
Es ist auch vorgesehen, dass, wenn VOC-Höhen für eine anhaltende Dauer niedrig oder Null sind, Spurenmengen von VOCs zum Filtermediumbett 3 gegeben werden. In einer Ausführungsform werden die VOCs separat in der Flüssigkeit innerhalb des Sumpfes 5 gelöst und die Flüssigkeit wird über eine Umlaufleitung 8 in Umlauf gebracht, sodass die gelösten VOCs durch das Befeuchtungsmittel 6 quer durch das Filtermediumbett 3 zugeführt werden. In einer alternativen Ausführungsform, wo die Flüssigkeit normalerweise nicht in Umlauf gebracht wird, sondern dem Biofiltergehäuse 2 eher durch einen Hauptanschluss (2) zugeführt wird, kann die Flüssigkeit in Umlauf gebracht werden.
Eine Anzahl von Versuchen des Antragstellers haben gezeigt, dass die Anwendung von elektromagnetischer Strahlung auf die Umlaufflüssigkeit einen bedeutenden Effekt zur Vermeidung der Anhäufung von Biomasse und zur Erhöhung der Auflösungseigenschaften der umlaufenden Flüssigkeit hat. Die elektromagnetische Strahlung scheint das Wachstum von bestimmten Bakterienspezies zu begünstigen, während das Wachstum anderer inhibiert wird. Die Vermehrung von fadenförmigen Bakterien, d.h. solchen, die Verstopfen der Biofilter verursachen können, wird durch die elektromagnetische Strahlung inhibiert, was somit eine Anreicherung von Biomasse an dem Filtermedium, die zum Verstopfen führen kann, und somit eine Abnahme der Effizienz der Entfernung verringert.
Der erste, erfindungsgemäß ausgeführte Test ist nachstehend angegeben, woraus recht deutlich erkennbar ist, dass, aufgrund der einzigartigen Weise der Packung, die Erhöhung der Luftflussbeladung pro Kubikmeter Medium bis zu 3-mal der Beladung auf konventionelle Biofilter (und somit die Abnahme der Retentionszeit) die Entfernungen von relativ hohen Konzentrationen von VOCs nicht verringerte. Als ein Umlauf stattfand, erhöhte sich somit die Effizienz enorm.
Test Nr. 1

– Der Luftfluss durch die Säulen wurde anfänglich auf 150 m³/Std./m³ Medium eingestellt.
– Die gesamte Lösungsmittelbeladung wurde eingestellt auf: > 500 mg/m³ in einem Verhältnis von 1 : 1 : 1 von Benzol : Xyol : Toluol (relativ unlösliche VOCs).
– Die Effizienzen der Entfernung des gesamten Lösungsmittels über eine Dauer von 2 Wochen verblieben bei 35-40%.
– Der Luftfluss zur Säule wurde für 2 Wochen auf > 300 m³/Std./m³ Medium erhöht. Die Effizienz der Entfernung fiel unterhalb von 25%.
– Der Luftfluss wurde anschließend auf 280-300 m³/Std./m³ Medium zurückgestellt.
– Die %-Entfernung stieg wieder auf 30-35%. Dies verblieb für einen Monat bei dieser Höhe.
– Folglich wurde die maximale optimale Beladung von 280-300 m³/Std./m³ Medium für eine einfache Anwendung eines Durchsatzes eines einzelnen Durchgangs ermittelt.
– An diesem Mal blieb der pH des Umlaufwassers bei allen Zeiten oberhalb von 6 pH-Einheiten.
– Als auf organische Verbindungen geprüft wurde, wies das Umlaufwasser nur Spurenmengen auf.
– Die Massenbilanzzahlen aus dem Lösungsmitteleinsatz und den Effizienzen der Entfernung waren über diese Dauer beständig.

Die Ergebnisse dieses Tests sind in 5 dargestellt.
Test Nr. 2 wurde, wie nachstehend aufgeführt, durchgeführt.
Test Nr. 2
Es wurde eine Umlaufleitung eingebaut.

– Die Einlassluft wurde auf 100-125 m³/Std./m³ Medium mit einem Auslassfluss des gleichen Volumens eingestellt.
– Die Umlaufluftleitung wurde durch ein Nadelventil gesteuert. Es wurde gefunden, dass der durch das System mögliche maximale Umlauf bei einem 1 : 3-Verhältnis 300-400 m³/Std./m³ erfolgte.
– Somit ging die Einlassluft 3-mal mit einer nominellen Retentionszeit von 36-28 Sekunden und einer effektiven Retentionszeit von 108-85 Sekunden durch das System.
– Die durchschnittliche Entfernung betrug zwischen 83-91% der gesamten Einlasskonzentrationen von Lösungsmittel.
– Die Massenbilanzberechnungen des Lösungsmitteleinsatzes im Vergleich zu Einlass- und Auslasskonzentrationen lagen innerhalb des experimentellen Fehlers von < 10%.
– Der Druckunterschied quer durch die Schalen blieb unter 500 Pascal, was keinen übermäßigen Aufbau von Biomasse zeigt.
– Bei der Untersuchung durch GC-MS (Gaschromatographie-Massenspektrophotometrie) wies das Umlaufwasser nur Spuren von organischen Spezies auf.
– Die bakterielle Aktivität auf dem Schalenmedium blieb bei 10⁷ koloniebildenden Einheiten pro Gramm Mediummaterial hoch.

Die Ergebnisse dieses Tests sind in 6 dargestellt.
Schlussfolgerung
Mit einem Durchsatz-Äquivalent zur optimalen Beladung für die maximale Extraktion bei Einspeisung von stark kontaminierter Luft durch den Biofilter erhöhte der Umlauf die Extraktion dramatisch.
Test Nr. 3

Im Test 3 (von dem die graphischen Ergebnisse in 7 dargestellt sind), ein 8-Farben-Heizdrucker, der 16 Stunden pro Tag, 5 Tage pro Woche, lief, wurde die Luft dreimal in Umlauf gebracht und es wurden die Entfernungsraten, wie sie nachstehend in der Tabelle angegeben sind, erhalten.

Datum	Einlass mg C/m³	Auslass mg C/m³	%-Entfernung	Eliminierung g/Std.
2/07	1259	309	75%	114
5/07	1752	336	81%	170
10/07	935	531	45%	48,5
19/07	2955	682	77%	272 5 : 1
20/07	2157	643	70%	182
21/07	1729	468	73%	151
22/07	1343	251	81%	131
04/08	1470	424	73%	105
21/08	1215	292	76%	111
24/08	1154	243	79%	109
24/08	1232	231	81%	120

Offensichtlich beträgt die Entfernung von hohen Konzentrationen von VOCs der Größenordnung von 1000 bis 5000 mg/m³ bei einem einzelnen Durchgang bei hoher Beladung von bis zu 200-250 mg/m³ Medium/Std. 20-30%. Dies scheint die maximale VOC-Entfernung zu sein, die erreicht werden kann. Jedoch wird die Entfernung bei Umlauf gewissermaßen außerordentlich erhöht. Es scheint, dass eine etwas andere kinetische Entfernung involviert sein muss, wie zum Beispiel Kinetik erster Ordnung, in dem Sinne, dass 20-30% Entfernung bei jedem Kreislauf der Luft durch den Filter erreicht werden.
Nun mit Bezug auf 8, zeigt das Chromatogramm noch einmal eine bedeutende Effizienz der Entfernung von VOC eines erfindungsgemäßen Biofilters.
Test Nr. 4
Erfindungsgemäße Pilotanlagen im Labormaßstab wurden durch Einbau von zwei Säulen, die bis zu 2500 mg/m³ VOC behandeln, installiert. Eine Säule enthielt ein Gerät zum Emittieren von elektromagnetischer Strahlung, die andere war eine Kontrolle. Ein derartiges Gerät ist in der PCT Patentschrift Nr. WO 96/22831 beschrieben. Vergleiche zeigten einige beachtenswerte Effekte.
die Systeme wurden neu konfiguriert, sodass die Einlassluft in Umlauf gebracht wurde,
Luft wurde bei einem Verhältnis von 1 : 4 mit einer gesamten Retentionszeit von ungefähr 25 Sekunden in Umlauf gebracht,
Xylol, Benzol und Toluol werden bei durchschnittlichen Gesamtkonzentrationen von 5000 mg/m³ Luft in den Luftstrom eingebracht,
die Effizienzen der Entfernung der Säulen bei einem Umlaufverhältnis von 1 : 4 sind:

Kontrolle: 80%

Elektromagnetische Stimulation: 87-91%

bei der mikrobiellen Analyse von sowohl dem Umlaufwasser als auch dem Schalenmedium wird offensichtlich, dass in den zwei Biofiltern unterschiedliche Populationen von Bakterien vorliegen,
das Gerät zur elektromagnetischen (EM) Strahlung reduzierte Schlammeffekte im Sumpf des stimulierten Wassers,
nach 3 Monaten Betrieb verringerte sich der Luftfluss durch den Kontroll-Biofilter beträchtlich, während er im Biofilter unter Verwendung der EM Strahlung konstant blieb,
es lagen unterschiedliche mikrobielle Populationen in den Biofiltern vor, dies wurde durch mikrobiologische Analyse des Wassers bewiesen.

Claims

Verfahren zur Biofiltration von flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs = Volatile Organic Compounds) der Art, die das Zuführen von kontaminiertem ausströmendem Gas durch einen Biofilter (1) umfasst, wobei der Biofilter (1) einen Einlass (20), Auslass (15) und ein Mikroorganismus-beladenes Filtermediumbett (3) hat, wobei das Filtermediumbett (3) zusätzlich feuchtigkeitserhaltende Eigenschaften hat und welches Filtermediumbett (3) zur Absorption, mikrobiellen Oxidation und Degradation der VOCs geeignet ist und welches Verfahren auch das Zuführen von Flüssigkeit quer durch das Filtermediumbett (3) einschließt, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren Folgendes umfasst:- Zuführen von kontaminiertem ausströmendem Gas zum Biofiltereinlass (20) bei einer Biofilter-Durchsatzrate und Entfernen des gefilterten Gases durch den Auslass (15) bei der gleichen Rate; Umlaufen des kontaminierten ausströmenden Gases innerhalb des Biofilters, wodurch die Rate, bei der Gas durch das Filtermedium (3) strömt, die Biofilter-Durchsatzrate am Einlass (20) und Auslass (15) übersteigt und worin das Einlassgas innerhalb des Biofilters effektiv verdünnt wird; und elektromagnetisches Stimulieren der Flüssigkeit, die quer durch das Filtermediumbett (3) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem die VOC-Konzentration am Auslass (15) überwacht wird.
Verfahren nach Anspruch 2, in dem die VOC-Konzentration in der Auslassluft überwacht wird und, wenn die VOC-Konzentration einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt, der Umlauf ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, in dem die VOC-Konzentration am Einlass (20) überwacht wird.
Verfahren nach einem vorstehenden Anspruch, in dem die Biofilter-Durchsatzrate unter Berücksichtigung des Volumens von ausströmendem, zu verarbeitendem Gas bestimmt wird.
Verfahren nach einem vorstehenden Anspruch, in dem die Anzahl der Male, die der Umlauf ausgeführt wird, und folglich der erzielte Medium-Durchsatz vom Gegendruck, der vom Filtermedium (3) erzeugt wird, abhängt.
Verfahren nach einem vorstehenden Anspruch, in dem der Umlauf ausgeführt wird, wenn die Höhe der durch den Biofilter (1) entfernten VOCs nicht ausreichend ist, um die Mikroorganismen innerhalb des Filtermediumbetts (3) aufrechtzuerhalten.
Verfahren nach einem vorstehenden Anspruch, in dem die Menge von Filtermedium unter Berücksichtigung von optimalem Betrieb unterhalb einer ausgewählten Basiseinlass-VOC-Konzentration ausgewählt wird und in dem die Luft in Umlauf gebracht wird, wenn die Konzentration die gewählte Basiskonzentration übersteigt.
Verfahren nach einem vorstehenden Anspruch, worin, wenn die Einlass (20)-Konzentration von VOC unterhalb eines vorgegebenen Grenzwerts für eine vorbestimmte Zeitlänge fällt, VOCs zum Filtermediumbett (3) gegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 9, worin VOCs zum Filtermediumbett (3) durch Zuführen von Wasser mit gelösten VOCs quer durch das Filtermediumbett (3) gegeben werden.
Verfahren nach einem vorstehenden Anspruch, worin die Flüssigkeit quer durch das Filtermediumbett (3) bei einer Rate von zwischen 20 bis 50 l/m³ Medium/Minute zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, worin die Rate 30 l/m³ Medium/Minute beträgt.
Verfahren nach Anspruch 11, worin die Rate in Abhängigkeit von den Höhen von VOC, die durch das Filtermediumbett (3) gelangen, steigt.
Verfahren nach einem vorstehenden Anspruch, worin das Befeuchten durch Umlaufen der Flüssigkeit über die Packung (3) aus einem Speichersumpf (5) erzielt wird.
Biofiltrations-Filtrationssystem zum Entfernen von VOCs aus kontaminierten ausströmenden Gasen der Art, die Folgendes umfasst: ein Biofiltergehäuse (1), einen Gaseinlass (20) im Gehäuse zur Aufnahme des kontaminierten ausströmenden Gases, einen Gasauslass (15) zur Abführung des dekontaminierten Gases aus dem Biofilter, eine Mikroben-tragende Packung (3), die eine Vielfalt von zufällig angeordneten Elementen von kalkhaltigem Material mit einem Flüssigkeitsretentionsanteil umfasst, von denen viele zur Bildung eines individuellen und Flüssigkeit-zurückhaltenden Reservoirs innerhalb der Packung orientiert sind, und ein Mittel zum Befeuchten der Packung, dadurch gekennzeichnet, dass Gasumlaufmittel zum Abfangen von etwas Gas neben dem Gasauslass (15) zur Rückführung in das Biofiltergehäuse neben dem Gaseinlass (20) bereitgestellt werden und worin auch Mittel zur elektromagnetischen Stimulation der durch das Befeuchtungsmittel bereitgestellten Flüssigkeit bereitgestellt werden.
Biofiltrationssystem nach Anspruch 15, worin das Filtermedium (3) eine Schüttdichte von kleiner als 900 g/Liter aufweist.
Biofiltrationssystem nach Anspruch 15 oder 16, worin das Filtermedium (3) eine Schüttdichte von kleiner als 600 g/Liter aufweist.
Biofiltrationssystem nach einem der Ansprüche 15 bis 17, worin das Filtermedium (3) eine Schüttdichte von ungefähr 500 g/Liter aufweist.
Biofiltrationssystem nach einem der Ansprüche 16 bis 18, worin das Filtermedium (3) verbrauchte Schale von Schalentieren darstellt.
Biofiltrationssystem nach Anspruch 19, worin das Schalenmaterial eine halbe Muschelschale (30) darstellt.
Biofiltrationssystem nach Anspruch 20, worin die Muschelschale von der Spezies Mytilus Edulis ist.
Biofiltrationssystem nach einem der Ansprüche 15 bis 21, worin zumindest einige der Elemente aus gemahlenem kalkhaltigem Material, das mit einem Bindemittel gemischt ist, gebildet werden.
Biofiltrationssystem nach Anspruch 22, worin das Bindemittel säurebeständig ist.
Biofiltrationssystem nach Anspruch 23, worin das Bindemittel Keratin ist.
Biofiltrationssystem nach einem der Ansprüche 15 bis 24, worin die Packung ein oder mehrere zusätzliche Packungsmaterialien einschließt.
Biofiltrationssystem nach Anspruch 25, worin das zusätzliche Packungsmaterial eines oder mehrere von Folgenden einschließt: Heidekraut, Torfklümpchen, aktivierten Kohlenstoff, Aluminiumoxid und Kunststoffmedien.
Biofiltrationssystem nach Anspruch 15, worin das Befeuchtungsmittel ein Sprühmittel (6) umfasst.
Biofiltrationssystem nach einem der Ansprüche 15 bis 27, worin das Befeuchtungsmittel intermittierend betrieben wird.
Biofiltrationssystem nach einem der Ansprüche 15 bis 27, worin das Befeuchtungsmittel im Wesentlichen kontinuierlich betrieben wird.
Biofiltrationssystem nach einem der Ansprüche 15 bis 29, worin das Befeuchten durch Umlaufen von Flüssigkeit über die Packung von einem Speichersumpf (5) erzielt wird.
Biofiltrationssystem nach einem der Ansprüche 15 bis 29, das Mittel zum Ausführen des Befeuchtens in gleichlaufendem Fluss zum Fluss des Gasstroms durch die Packung umfasst.
Biofiltrationssystem nach Ansprüchen 15 bis 31, das Mittel zum Zuführen der Flüssigkeit, die durch das Befeuchtungsmittel bereitgestellt wurde, quer durch das Filterbettmedium (3) bei einer Rate von zwischen 20 bis 50 l/m³ Medium/Minute umfasst.
Biofiltrationssystem nach Anspruch 32, das Mittel zum Zuführen der Flüssigkeit bei einer Rate von 30 l/m³ Medium/Minute umfasst.
Biofiltrationssystem nach Anspruch 32, das Mittel zum Zuführen der Flüssigkeit bei einer Rate, die von den Höhen von VOC, die durch das Filtermediumbett (3) gelangen, abhängt, umfasst.