DE69502313T2 - Verfahren zur biologischen Reinigung von Gasströmen - Google Patents
Verfahren zur biologischen Reinigung von GasströmenInfo
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Description
- Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Reinigen von Gasströmen unter Verwendung biologischer Reinigungsverfahren.
- Die biologische Reinigung von Gasströmen und insbesondere von Gasströmen, die flüchtige Schadstoffe, wie flüchtige Schwefelverbindungen (Dimethylsulfid, H&sub2;S usw.), Fettsäuren, Kohlenwasserstoffe und dergleichen, enthalten, ist schon lange bekannt. Diese Reinigungstechnik beruht auf dem mikrobiologischen Abbau und der mikrobiologischen Umwandlung von Schadstoffen, die im Abgas vorhanden sind.
- Um die Schadstoffe für die Mikroorganismen verfügbar zu machen, müssen sie absorbiert oder adsorbiert werden. Für diesen Zweck stehen verschiedene Techniken zur Verfügung, und zur Zeit unterscheidet man zwischen drei grundsätzlich verschiedenen Verfahrensgestaltungen: Biofilter, Biowäscher und Tropffilter.
- Biologische Reinigungstechniken können für den biologischen Abbau von organischen zersetzbaren Komponenten eingesetzt werden; dazu gehören: Aldehyde, Alkohole, Ketone, Carbonsäuren, Ester, Ether, Alkene, mehrere aromatische Verbindungen, mehrere Terpene, heterocyclische Verbindungen und organische Verbindungen mit einer NH&sub2;-Gruppe (z.B. Amine), einer SH- Gruppe (z.B. Mercaptane) oder einer Halogengruppe. Diese Techniken eignen sich auch zur Entfernung anorganischer Verbindungen wie H&sub2;S und NH&sub3;.
- Im Falle der Biofiltration wird das verunreinigte Gas durch ein geschüttetes Bett, das Biofilter, geleitet, das mit biologisch aktivem Filtermaterial (Humus, Kompost, Torf) gefüllt ist, das gegebenenfalls mit einem gröberen, mehr oder weniger inerten Anteil (Rinde, Heidekraut, Kunststoff, Lava usw.) gemischt ist. Die Aktivität des Filtermaterials beruht auf der natürlichen Gegenwart von Mikroorganismen im Filtermaterial, die die Schadstoffe zu zersetzen vermögen.
- Je nach dem zu behandelnden Abgas kann das Biofilter mit angepaßten Organismen geimpft werden. Das Filter wird angefeuchtet, und falls notwendig, können Nährstoffe oder Pufferzusätze hinzugefügt werden. Im Filterbett gebildete Restprodukte können gegebenenfalls durch extreme periodische Befeuchtung entfernt werden. Die maximal behandelbare Schadstoffkonzentration in den Abgasen ist durch die Sauerstoffübertragung beschränkt.
- In der Literatur ist schon viel über Biofilter veröffentlicht worden, insbesondere über die Natur der zu verwendenden Filtermaterialien. In den Europäischen Patentanmeldungen EP-A- 80747 und EP-A-142872 werden Biofiltersysteme beschrieben, die auf einem Anteil aktiven Materials und einem inaktiven Anteil beruhen, wobei der letztere Anteil gegebenenfalls eine andere Teilchengröße haben kann als der aktive Anteil.
- Ein Tropf(bio)filter besteht typischerweise aus einer Säule, die mit einem Füllmaterial mit einem relativ großen Teilchendurchmesser (einigen cm) gefüllt ist. In der gefüllten Säule ist eine Mikrobenflora als Biofilm um das Füllmaterial herum vorhanden. Sprühwasser wird über die Schüttung geleitet. Eine Stoffübertragung aus der verunreinigten Gasphase auf den Biofilm findet statt, wo die übertragenen Komponenten von den Mikroorganismen abgebaut werden. Schlammflocken, die sich ablösen, können erforderlichenfalls in einem Absetztank abgetrennt werden. Additive und Nährstoffe werden zu dem Sprühwasser gegeben, um eine optimale natürliche Umgebung (pH, Nährstoffe) für die Mikroorganismen zu erhalten.
- Beide Systeme der biologischen Reinigung von Gasströmen haben mehrere Vorteile und unterliegen mehreren Einschränkungen. Im Falle der Biofiltration liegen diese Einschränkungen hauptsächlich in der Entfernungseffizienz und dem Konzentrationsniveau und der Natur der Komponenten, die entfernt werden können. Wenn Tropffilter verwendet werden, treten Einschränkungen beim Transport von Substanzen zur flüssigen Phase auf; infolgedessen ist die Gasmenge, die pro Volumeneinheit gereinigt werden kann, beschränkt. Anscheinend ist es auch schwierig, Verbindungen, die weniger gut für biologischen Abbau geeignet sind, wie chlorierte Kohlenwasserstoffe, aus Gasströmen zu entfernen, die mehrere Komponenten enthalten.
- In Anbetracht der Nachteile der verschiedenen Systeme wurde vorgeschlagen, zwei- oder mehrstufige Biofilter oder Kombinationen von Biofiltern mit einer physikochemischen Vorbehandlung zu verwenden. Diese Systeme sind jedoch relativ teuer und können zu beträchtlichen Restströmen (Abwasser und/oder feste (chemische) Abfälle) führen.
- Es wurde auch schon früher vorgeschlagen, verschiedene biologische und andere Reinigungssysteme miteinander zu kombinieren. DE-A-3628030 beschreibt ein System, das aus einemdreistufigen biophysikalischen Reinigungssystem besteht, wobei unter Verwendung einer komplizierten Prozeßsteuerung zunächst ein Gasstrom in mehrere Komponenten aufgetrennt wird, dann ein Teil der Komponenten in einem Tropffilter und ein anderer Teil in einem Biofilter behandelt werden, während außerdem mehrere Ströme in den Kreislauf zurückgeführt werden.
- Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein einfaches und unkompliziertes System zur biologischen Reinigung von verunreinigten Gasströmen bereitzustellen, bei dem wenigstens ein Teil der oben skizzierten Nachteile nicht auftritt, und insbesondere ein System bereitzustellen, das sich zur Reinigung von Gasströmen eignet, die komplexe Gemische von Schadstoffen enthalten, ohne zur Versauerung oder anderen nachteiligen Wirkungen zu führen.
- Die Erfindung beruht auf der überraschenden Einsicht, daß die Reinigung von Gasströmen, die ansonsten schwierig biologisch zu reinigen sind, effizient und einfach durch eine Kombination aus einem Biofilter und einem Tropffilter durchgeführt werden kann, wobei das Tropffilter auf einem Trägermaterial beruht, auf dem sich ein oder mehrere Mikroorganismen der Gattung Hyphöinicrobium befinden, die zum Zersetzen von organischen Schwefelverbindungen geeignet sind.
- Ein geeigneter Stamm des gewünschten Mikroorganismus kann mit Hilfe von Anreicherungstechniken aus Abwasserschlamm (Belebtschlamm) isoliert werden, wobei man ein Nährmedium verwendet, das Dimethylsulfid enthält, wie es zum Beispiel im später noch zu erwähnenden Artikel von A.Pol et al. beschrieben ist.
- Insbesondere wird in dem Tropffilter ein Stamm von Hyphomicrobium verwendet, der als Hyphomicrobium VS bekannt ist, ein schwefelzersetzender Mikroorganismus, der in A. Pol et al., Isolation of a dimethyl sulfide-utilizing Hyphomicrobiuin species and its application in biofiltration of polluted air, Biodegradation, 5, S. 105-112, 1995, beschrieben ist.
- Gemäß der Erfindung ist es möglich, je nach der Natur des zu reinigenden Gasstroms zunächst entweder ein Tropffilter oder ein Biofilter zu verwenden. Überraschenderweise wurde gefunden, daß man durch die kombinierte Verwendung der beiden Systeme eine wesentlich verbesserte Effizienz der Entfernung übelriechender Verbindungen erhält. Insbesondere bei der Behandlung komplexer Gemische findet man, daß das kombinierte System beträchtlich besser arbeitet als jedes der getrennten Systeme.
- Bei der kombinierten Anwendung eines Biofilters und eines Tropffilters wird das aus den beiden Filtern kommende Wasser vorzugsweise über das Tropffilter in den Kreislauf zurückgeführt. Dadurch entfällt die Notwendigkeit einer getrennten Abwasserreinigung, ohne dem System eine unannehmbar viel höhere Belastung aufzuerlegen.
- Der wichtigste Vorteil der vorgeschlagenen kombinierten biologischen Systeme besteht darin, daß man viel stabilere Teilprozesse erhält und infolgedessen die Entfernungseffizienz merklich steigt und langfristig stabil bleibt.
- Mit dem kombinierten System aus Biotropffilter und Biofilter werden zuerst Substanzen, die eine pH-Reduktion im Filter verursachen, wie Ammoniak und Schwefelwasserstoff, im Biotropffilter unter definierten Bedingungen (pH, T, Nährstoffe) entfernt, woraufhin andere spezielle flüchtige geruchsintensive Stoffe (flüchtige Schwefelverbindungen (VSC) und flüchtige organische Substanzen (VOS)) im Biofilter effektiv entfernt werden.
- Mit dem kombinierten System aus Biofilter und Biotropffilter werden im Biofilter eigentlich abfangbare und zersetzbare organische Substanzen entfernt, woraufhin spezielle hartnäckige Verbindungen, wie zum Beispiel Dimethylsulfid (DMS), im Biotropffilter unter geeignet kontrollierbaren Bedingungen effektiv entfernt werden.
- Ein weiterer sehr wichtiger Vorteil des kombinierten Systems, bei dem im Biotropffilter ein aus Belebtschlamm isolierter Hyphorril crobi um-Stamm, zum Beispiel Hyphomicrobium VS, verwendet wird, besteht darin, daß es zum Zwecke der Behandlung flüchtiger Schwefelverbindungen einschließlich H&sub2;S das Arbeiten bei einem neutralen pH-Wert erlaubt, im Gegensatz zu bestehenden Tropffiltersystemen, bei denen H&sub2;S bei niedrigeren pH-Werten entfernt werden muß.
- Gemäß der Erfindung wird im Tropffilter ein schwefelzersetzender Mikroorganismus verwendet, der zur Gattung Hyphoinicrobium gehört, insbesondere Hyphoinicrobium VS. Es wurde gefunden, daß diese Mikroorganismen in hohem Maße zur Entfernung flüchtiger Schwefelverbindungen, wie DMS, H&sub2;S, Methylmercaptan, Dimethyldisulfid, Dimethyltrisulfid und CS&sub2;, aus Gasströmen geeignet sind. Insbesondere wurde gefunden, daß solche schwefelzersetzenden Mikroorganismen der Gattung Hyphoinicrobium in hohem Maße zur Zersetzung übelriechender Schwefelverbindungen geeignet sind, die in sehr geringen Konzentrationen in einem Gas vorhanden sein können. Durch die Verwendung dieser Mikroorganismen in dem System, bei dem ein Biofilter und ein Tropffilter miteinander kombiniert sind, ist es möglich, diese Verbindungen bis zu einer Konzentration unterhalb der Geruchsgrenze abzubauen, ohne komplizierte Reinigungssysteme zu verwenden.
- Ein wichtiger Vorteil dieser biologischen Kombisysteme besteht darin, daß das erzeugte, aus dem Biofilter ablaufende Wasser zuerst in einer gewöhnlichen Wasserkonditionierungskammer neutralisiert und dann im Tropffilter abgebaut werden kann. Die ablaufenden organischen Substanzen werden dadurch beträchtlich reduziert.
- Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß das Tropffilterbett eine in hohem Maße effiziente Befeuchtung der Abgase liefert. Eine getrennte Befeuchtereinheit ist nicht notwendig.
- Die gemäß der Erfindung zu verwendenden Filter entsprechen im wesentlichen den aus der Literatur und aus der Praxis bekannten Biofiltern und Tropffiltern. Was Biofilter betrifft, sei auf die oben genannten Europäischen Patentanmeldungen EP-A- 80747 und EP-A-142872 verwiesen. Tropffilter beruhen auf einem natürlichen oder synthetischen Trägermaterial, wie Lavagestein, Kork, Rinde, keramische Materialien und Kunststoffe, auf denen sich ein oder mehrere geeignete Mikroorganismen befinden.
- Die Erfindung eignet sich insbesondere zur Behandlung von Gasströmen, die solche flüchtigen Schwefelverbindungen enthalten, wie Gasströme, die aus der chemischen Industrie, der petrochemischen Industrie, der Milchindustrie, Abwasseraufbereitungen, Schlammverarbeitung, Papierindustrie, Mülldeponien, dem Kompostieren, der Kompostherstellung für Pilzkulturen und dergleichen kommen.
- Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert, in denen die beiden genannten Kombisysteme dargestellt sind.
- Figur 1 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines Biotropf- Biofilter-Kombisystems. Das Filtergehäuse 1 besteht aus einer Wasserbehandlungskammer 2 für die Konditionierung von Sprühwasser für das Tropfbett 3. Die verunreinigten Abgase werden an der Oberseite durch das Rohr 17 in die Wasserbehandlungskammer 2 eingeführt und durchqueren nacheinander ein Tropffilterbett 3 und ein Biofilterbett 4. Die gereinigte Luft wird durch die Austrittsöffnung 5, gegebenenfalls durch eine Meßund Probenahmevorrichtung, in die Atmosphäre entlassen. Oberhalb des Tropffilterbettes 3 und des Biofilterbettes 4 sind Sprüheinrichtungen 6 bzw. 7 angeordnet. Der Sprüheinrichtung 6 wird kontinuierlich oder diskontinuierlich konditioniertes Wasser aus der Wasserbehandlungskammer 2 zugeführt. Zur Steuerung der Acidität und der optimalen Nährstoffkonzentration wird eine Lösung von Natriumhydroxid 8 bzw. von Nährstoffen 9 zugeführt. Mit Hilfe der Wasserpumpe 10 wird das Sprühwasser zur Sprüheinrichtung 6 hochgepumpt, und außerdem wird der Inhalt der Wasserbehandlungskammer 2 durch ein Rückführrohr 11 zugemischt. Der optimale Gehalt an anorganischen Salzen wird mit Hilfe einer Schleuse 12 und einer Frischwasserzufuhr 13 aufrechterhalten. Das Sprühwasser wird mit Hilfe eines Wärmetauschers 14 auf der richtigen Temperatur gehalten.
- Falls notwendig, kann der Feuchtigkeitsgehalt im Biofilterbett 4 erhöht werden, indem man Frischwasser durch eine Frischwas serzufuhr 13 und eine Sprüheinrichtung 7 zudosiert. Falls notwendig, können dem Sprühwasser Nährstoffe 9 zugesetzt werden.
- Das aus dem Biofilterbett 4 ablaufende Wasser wird unter dem Bett im Wassersammelbehälter 15 aufgefangen und durch das Auslaßrohr 16 der Wasserbehandlungskammer 2 zugeführt.
- Figur 2 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines Biofilter- Biotropffilter-Kombisystems. Das Filtergehäuse 1 besteht aus einer Wasserbehandlungskammer 2 für die Konditionierung von Sprühwasser für das Tropfbett 4. Die verunreinigten Abgase werden an der Oberseite durch das Rohr 17 in die Wasserbehandlungskammer 2 eingeführt und durchqueren nacheinander ein Biofilterbett 3 und ein Tropffilterbett 4. Die gereinigte Luft wird durch die Austrittsöffnung 5, gegebenenfalls durch eine Meß und Probenahmevorrichtung, in die Atmosphäre entlassen. Oberhalb des Biofilterbettes 3 und des Tropffilterbettes 4 sind Sprüheinrichtungen 6 bzw. 7 angeordnet.
- Falls notwendig, kann der Feuchtigkeitsgehalt im Biofilterbett 3 erhöht werden, indem man Frischwasser durch eine Frischwasserzufuhr 13 und eine Sprüheinrichtung 7 zudosiert. Falls notwendig, können dem Sprühwasser Nährstoffe 9 zugesetzt werden.
- Der Sprüheinrichtung 7 wird konditioniertes Wasser aus der Wasserbehandlungskammer 2 zugeführt. Zur Steuerung der Acidität und der optimalen Nährstoffkonzentration wird eine Lösung von Natriumhydroxid 8 bzw. von Nährstoffen 9 zugeführt. Mit Hilfe der Wasserpumpe 10 wird das Sprühwasser zur Sprüheinrichtung 6 hochgepumpt, und außerdem wird der Inhalt der Wasserbehandlungskammer 2 durch ein Rückführrohr 11 zugemischt. Der optimale Gehalt an anorganischen Salzen wird mit Hilfe einer Schleuse 12 und einer Frischwasserzufuhr 13 aufrechterhalten. Das Sprühwasser wird mit Hilfe eines Wärmetauschers 14 auf der richtigen Temperatur gehalten.
- Das Sprühwasser aus dem Biofilterbett wird unter dem Bett im Wassersammelbehälter 15 aufgefangen und durch das Auslaßrohr 16 der Wasserbehandlungskammer 2 zugeführt.
- Das Verfahren gemäß der Erfindung wird nun in und anhand der folgenden Beispiele erläutert.
- Einer Vorrichtung gemäß der Erfindung, die aus einem Kombisystem aus einem Biofilter und einem Tropffilter, die wie in Figur 2 beschrieben hintereinander geschaltet waren, bestand, wurde kontinuierlich ein synthetisches Abgas einer Bäckerhefe gärung zugeführt. Das Biofilterbett bestand aus einem Gemisch von Rinde und Kompost der Marke VAMFIL , und das Tropffilter enthielt Lavagestein als Trägermaterial. Das Biofilter wurde mit Belebtschlamm aus einer Abwasserreinigungsanlage geimpft. Das Tropffilterbett wurde mit einem aus Belebtschlamm isolierten DMS-zersetzenden methylotrophen Organismus Hyphomicrobium VS geimpft.
- Das Abgas enthielt 100 mg Kohlenwasserstoffe pro m³ (hauptsächlich Ethanol und weitere höhere Alkohole und Aldehyde) sowie 4 mg Dimethylsulfid (DMS) pro m³. Die Temperatur betrug 30 ºC. Die Kohlenwasserstoffe wurden in dem Biofilter während einer Testzeit von etwa 3 Monaten mit einer Effizienz von > 90% und einer Oberflächenbelastung von 100 m³/m²/Stunde entfernt. Die DMS-Entfernung in dem Biofilter war < 20%. Im Tropffilter bei einem pH-Wert von 7 wurde DMS bis unterhalb der Nachweisgrenze (0,025 mg/m³ oder 0,01 ppm) entfernt. Die Gesamteffizienz des Kombisystems war > 98%co für Kohlenwasserstoffe, > 99% für DMS und > 99,9% für Geruch.
- Einer Vorrichtung gemäß der Erfindung, die aus einem Kombisystem aus einem Tropffilter und einem Biofilter, die wie in Figur 1 beschrieben hintereinander geschaltet waren, bestand, wurde kontinuierlich ein Abgas aus einer Abwasseraufbereitungsanlage zugeführt. Das Tropffilter enthielt Lavagestein als Trägermaterial, und das Biofilterbett bestand aus einem Gemisch von Rinde und Kompost der Marke VAMFIL . Das Biofilter wurde mit Belebtschlamm aus einer Abwasserreinigungsanlage geimpft. Das Tropffilterbett wurde mit einem aus Belebtschlamm isolierten DMS-zersetzenden methylotrophen Organismus Hyphomicrobium VS geimpft.
- Das Abgas enthielt 140 mg H&sub2;S pro m³ sowie 20 ppm andere geruchsintensive Komponenten (Kohlenwasserstoffe wie Indol, Skatol sowie Aldehyde und Mercaptane). Die Temperatur des Abgases variierte zwischen 15 und 25ºC. Die Temperatur des Sprühwassers des Tropfbettes wurde auf 30 ºC gehalten, und der pH-Wert wurde auf pH = 7 eingestellt. Die eingesetzte Oberflächenbelastung variierte zwischen 100 und 200 m³/m²/Stunde.
- Die Entfernung von H&sub2;S während einer Testzeit von etwa 3 Monaten war im Mittel > 99,9%, die von Kohlenwassserstoffen > 90%, und die Gesamtgeruchsreduktion war > 95%.
Claims (8)
1. Verfahren zum Entfernen flüchtiger Verunreinigungen aus
Gasströmen, welches die Behandlung der Gasströme unter
Verwendung einer Kombination aus einem Biofilter und einem
Tropffilter umfaßt, wobei das Tropffilter auf einem
Trägermaterial basiert, auf dem sich ein oder mehrere
Mikroorganismen der Gattung Hyphomicrobium befinden, die zum
Zersetzen von organischen Schwefelverbindungen geeignet
sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Biofilter auf einem
organischen Trägermaterial basiert, wahlweise in
Kombination mit einem inerten Füllstoff.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das organische
Trägermaterial aus Kompost, Torf, Humus und Mischungen derselben
ausgewählt ist.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1-3, bei dem der zu
reinigende Gasstrom zunächst durch das Biofilter und
anschließend durch das Tropffilter geleitet wird.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1-3, bei dem der zu
reinigende Gasstrom zunächst durch das Tropffilter und
anschließend durch das Biofilter geleitet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Biofilter mit einer
wäßrigen Lösung befeuchtet wird, wobei jeglicher Überschuß
der vom Biofilter kommenden wäßrigen Lösung dem
Tropffilter zugeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem ein Gas
behandelt wird, das relativ viel H&sub2;5 und wenige
geruchsintensive Bestandteile enthält.
8. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem ein Gas gereinigt
wird, das relativ wenige schwefelhaltige Bestandteile und
relativ viele Kohlenwasserstoffe und/oder flüchtige
Fettsäuren enthält.
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