Biowäscher und Biofilter. Prinzipien der biologischen Abluftreinigung

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Grundlagen
2.1 Biologische Abgasreinigung
2.2 Die physikalische Absorption
2.3 Grundlagen der biologischen aeroben Abwasserreinigung

3. Biofilter

4. Biowäscher

5. Zusammenfassung

Literaturverzeichnis

1. Einleitung

Die neuen Verordnungen und die festgelegten Grenzwerte für den Feinstaub belegen, dass auch weiterhin mit Verschärfungen und Erweiterungen der Gesetzgebung hinsichtlich der Luftreinhaltung zu rechnen ist. Ferner werden stetig neue Substanzen in der Abluft und im Abgas entdeckt, die eine Gesundheits- und Umwelt schädigende Wirkung entwickeln können. Dies wird umso plausibler, wenn man bedenkt, dass bis heute insgesamt nur ein Bruchteil der existierenden chemischen Verbindungen und deren Wirkungen bekannt sind. Und fast täglich werden neue Produkte und Produktionsverfahren entwickelt, die mit einer veränderten Abluftzusammensetzung einhergehen. Ebenso können hierbei neuartige Emissionen entstehen, deren Wirkung sich erst nach einiger Zeit offenbaren kann. Darüber hinaus werden bisweilen einige zuvor als harmlos eingestufte Substanzen nach einer genaueren Erforschung als schädlich erkannt. Aber nicht ausschließlich schädliche Effekte für die Umwelt und der Gesundheit können die Betreiber von Produktionsanlagen dazu zwingen, die Abluft oder das Abgas zu reinigen. In einigen Fällen macht sich die Abluft primär durch geruchsintensive Inhaltsstoffe bemerkbar. Dies kann zur Belästigung in der näheren Umgebung (z.B. benachbarte Einwohner), und damit zu zahlreichen Beschwerden führen, noch bevor eine mögliche Gesundheitsgefährdung durch die Inhaltsstoffe festgestellt würde. Für den Verursacher kann eine optimale Abluftbehandlung jedoch oftmals günstiger als ein Standortwechsel sein.

Die rechtlichen Vorgaben bezüglich der Abluftimmissionen werden u. a. im Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImschG) beschrieben, welches ein umfassendes, bundeseinheitliches Recht zur Luftreinhaltung darstellt. Hierin wird die Genehmigungspflicht für Anlagen mit schädigender Abluft gefordert. Die Anlagenbetreiber werden verpflichtet, durch Primärmaßnahmen die Entstehung einer Luftverschmutzung zu vermeiden. Sollte dies nicht möglich sein, muss die Abluft durch Sekundärmaßnahmen nach Stand der Technik behandelt, bzw. gereinigt werden.

Zusätzlich schafft das BImschG die Grundlage weiterer Verordnungen, z.B. die TA-Luft (Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft). Sie konkretisiert die gesetzlichen Emissions- und Immissionswerte.

Da die einzelnen Schadstoffkomponenten unterschiedliche physikalische und chemische Eigenschaften besitzen, kommen dementsprechend verschiedene Behandlungs- und Reinigungsmethoden in Betracht. Die bisher üblichen Verfahren sind in den VDI-Richtlinien im Einzelnen erläutert.

Zur Behandlung und Reinigung der Abluft können je nach Eigenschaften der Immissionen

- mechanische,
- thermische,
- chemische und
- biologische

Methoden angewendet werden, die miteinander kombiniert werden können. Als besonders interessant sind die physikalisch-biologischen Verfahren durch den Biowäscher und den Biofilter zu bezeichnen. Sie zeichnen sich durch ihre Effektivität, Unempfindlichkeit und den niedrigen Kosten aus.

[2, 4]

2. Grundlagen

2.1 Biologische Abgasreinigung

Die Verfahren der biologischen Abgasreinigung erlangten in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung. Der hohe technische Aufwand, der bei den thermischen, adsorptiven und chemischen Methoden für die Regeneration und Reststoffbeseitigung aufgewendet werden müsste, entfällt bei den biologischen Verfahren. Die hier eingesetzten Bakterien wandeln die Schadstoffe in unbedenkliche Produkte (z.B. CO2, H2O und Biomasse) um. Die Mikroorganismen sind nur in wässriger Umgebung lebensfähig und stoffwechselaktiv. Daher ist eine ausreichende Befeuchtung der Systeme notwendig. Die biologischen Verfahren können zum Abbau zahlreicher Stoffgruppen, wie Kohlenwasserstoffe, sauerstoff-, schwefel-, und stickstoffhaltige Verbindungen eingesetzt werden. In der Tabelle 1 ist die biologische Abbaubarkeit einiger Stoffgruppen aufgeführt, welche deren Eignung für den Einsatz der biologischen Reinigungsverfahren beschreibt. Allerdings ist das Abbauverhalten von Einzelstoffen nicht ohne weiteres auf das Abbauverhalten von Stoffgemischen übertragbar.

Gemeinsame Voraussetzungen für die Anwendbarkeit dieser Verfahren sind die Wasserlöslichkeit und die biologische Abbaubarkeit der Abgasbestandteile.

Dies beinhaltet, dass die Substrate nicht toxisch auf die Bakterien wirken dürfen, und den Bakterien ausreichend Zeit für die Verstoffwechselung zur Verfügung stehen muss. Würden die Schadstoffe nicht oder nicht ausreichend abgebaut, können sich diese im System anreichern. Dieser Effekt hätte die Entstehung eines enormen Volumens an Sondermüll zur Folge, deren Entsorgung bekanntlich sehr aufwendig und kostenintensiv ist.

Selbst bei gut abbaubaren Substanzen in der Abluft können zu hohe Substratkonzentrationen und Abluftströme, sowie starke Schwankungen der Substratströme hinsichtlich der Substratkonzentrationen und der Substratzusammensetzungen die biologischen Systeme in die Grenzen zwingen. Eine zu starke Schadstofffracht kann das System überladen, und starke Substratschwankungen verhindern die Adaption der Biologie an diese Schadstoffe. Diese Punkte sind bei der Planung der Anlagen im Vorfeld zu beachten.

Ferner ist die mikrobielle Abbauleistung stark abhängig von folgenden Rahmen- und Umgebungsbedingungen: Temperatur, pH-Wert, Nährstoffangebot und Sauerstoffgehalt. Zu dem Sauerstoffgehalt ist anzumerken, dass die zu reinigende Abluft zumeist mit Sauerstoff angereichert ist. Aus diesem Grund sind für den Schadstoffabbau die aeroben Verfahren geeignet.

Die Bakterien benötigen für den Abbau insbesondere die Nährstoffe Kohlenstoff, Stickstoff, und Phosphor in einem Verhältnis von rund 100:10:1. Da nicht jedes Abgas diese Zusammensetzung aufweist, ist vielfach eine gesonderte Zufuhr der noch fehlenden Substanzen als Nährstoffergänzung erforderlich. Ein Überangebot dieser Substanzen führt zu einem Aufbau von Biomasse, d. h. die Organismen verwerten die Nährstoffe für ihre Vermehrung.

Die biologische Abgasreinigung lässt sich in zwei wesentliche Verfahren unterteilen, deren Entwicklungsstand in den VDI-Richtlinien verzeichnet ist:

- Biofilter (VDI-R.L. 3477)
- Biowäscher (VDI-R.L. 3478)

Da die biologischen Abgasreinigungsverfahren bislang sehr häufig zur Geruchsverminderung der Abluft verwendet werden, musste eine einheitliche Methode zur Geruchsbewertung festgelegt werden. Diese sind in den VDI-Richtlinien 3881 und 3882 (olfaktorische Geruchsbestimmung) aufgeführt.

Die wesentlichen und gemeinsamen Grundvoraussetzungen für das funktionieren der beiden Verfahren zur biologischen Abgasreinigung sind:

- Absorption (Übergang der Schadstoffkomponenten aus der Gasphase in die Flüssigkeit.)
- Biologischer Abbau der Schadstoffkomponenten (in der Flüssigkeit)

Für das Verständnis der biologischen Abluftreinigung ist es erforderlich, diese Voraussetzungen im Vorfeld darzustellen. Daher werden diese in den folgenden Kapiteln kurz beschrieben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1: Darstellung der biologischen Abbaubarkeit von Stoffgruppen [1,4]

[1, 2, 4]

2.2 Die physikalische Absorption

Als Absorption wird die Aufnahme von Abgasen, bzw. Abgaskomponenten (Absorptiv) in eine Flüssigkeit (Absorbens, Lösungsmittel, Waschflüssigkeit) bezeichnet. Bei der physikalischen Absorption lösen sich die Abgasbestandteile im Lösungsmittel, ohne dass sich die Substanzen verändern, oder mit dem Lösungsmittel Verbindungen eingehen. Es bestehen zwischen Absorptiv und Absorbens dadurch nur schwache Wechselwirkungsenergien. Somit steht das Absorptiv relativ unverändert den Bakterien als Nährstoff zur Verfügung, wodurch das Absorbens biologisch regeneriert werden kann. Da Mikroorganismen nur im Wasser existieren können, wird für die biologischen Verfahren Wasser als Lösungsmittel verwendet. Die darin gelösten Substanzen aus der Abluft werden von den Bakterien abgebaut.

Einen Unterschied dazu stellt die chemische Absorption dar. Hierbei wird die Absorption durch chemische Lösungsmittel oder durch chemische Zusätze zum Wasser bewirkt, bzw. optimiert. Dadurch kann der Übergang der Stoffe aus der Gasphase in die Flüssigkeitsphase erhöht werden. Allerdings lassen sich die neu entstandenen Verbindungen möglicherweise nur sehr schwer aus dem Lösungsmittel entfernen. Dies würde die Regeneration des Lösungsmittels behindern.

Die Absorption ist im Übrigen nicht mit der Adsorption zu verwechseln. Als Adsorption wird die Anlagerung von Gasen oder gelösten Substanzen an der Oberfläche eines festen Stoffes (Adsorbens oder Adsorptionsmittel) bezeichnet. In der Umweltverfahrenstechnik werden häufig Aktivkohle oder Kieselsäuregel als Adsorptionsmittel verwendet.

Grundlage für die Absorption der Schadstoffe aus der Abluft in das Lösungsmittel ist das Vorhandensein eines Konzentrationsgefälles. Das Lösungsmittel muss daher stets einen geringeren Anteil an gelösten Stoffen aufweisen, als die Abluft. Das Lösungsmittel wird soviel Substanzen aus der Abluft aufnehmen können, bis sich ein Lösungsgleichgewicht eingestellt hat. Umgekehrt können auch Stoffe aus der Flüssigkeit in die Abluft übergehen, sofern die Abluft einen geringeren Anteil an Inhaltstoffen als die Flüssigkeit aufweist. Die Höhe des Konzentrationsgefälles hat zudem Einfluss auf die Geschwindigkeit der Absorption. Mit fortschreitender Gleichgewichtseinstellung verlangsamt sich der Stoffübergang.

Sofern die in der Flüssigkeit absorbierten Stoffe durch die Mikroorganismen abgebaut werden, stellt sich dieses (thermodynamische) Gleichgewicht zugunsten des Absorptionsvorganges nicht ein. Mit anderen Worten: je höher der biologische Abbau in der Flüssigkeitsphase, desto besser ist die Aufnahmefähigkeit der Flüssigkeit. Und je höher der Übergang der Inhaltsstoffe in die flüssige Phase, desto höher ist die Reinigungsleistung der Anlage.

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