Projekt 05374/01

Optimierter Einsatz von Aktivkohlefiltern bei der Reinigung von Eluaten aus der Altlastensanierung

Projektdurchführung

Universität StuttgartInstitut für Siedlungswasserbau,Wassergüte- und Abfallwirtschaft
Bandtäle 2
70569 Stuttgart

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Bei der Behandlung von Eluaten aus der Altlastensanierung ist als letzte Stufe häufig ein Aktivkohlefilter notwendig. Durch die Beladung der Aktivkohle mit Schadstoffen entsteht jedoch ein Sekundärproblem, da die beladene Aktivkohle entweder deponiert oder thermisch regeneriert werden muss. Durch eine optimale Ausnutzung der Beladungskapazität der Aktivkohle kann die Umweltbelastung durch die Entsorgung der beladenen Aktivkohle reduziert und die Betriebskosten können gesenkt werden. Zielsetzung des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung einer Betriebs- und Regelstrategie zur optimierten Ausnutzung der Beladungskapazität von Aktivkohlefiltern bei der Reinigung von Eluaten aus der Altlastensanierung.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie für die Entwicklung einer Betriebs- und Regelstrategie erforderlichen Versuche sollen mit Sickerwässern und anderen Eluaten aus der Altlastensanierung in einer Versuchsanlage im Labormaßstab durchgeführt werden. Die geplanten Arbeitsschritte gliedern sich in drei Projektabschnitte:
1. Projektabschnitt: Untersuchung der Einflüsse der temporären Außerbetriebnahme von Filterkolonnen, der gezielten Rückspülung des Filters, der Strömungsumkehr und der temporären Umwälzung des Aktivkohlebetts auf die optimale Ausnutzung der Beladungskapazität der Aktivkohle.
2. Projektabschnitt: Entwicklung einer Regelstrategie mit Strömungsumkehr, gezieltem Rückspülen, temporärer Umwälzung und zeitweiliger Außerbetriebnahme von Adsorberkolonnen zum optimalen Einsatz von Aktivkohlefiltern bei der Reinigung von Eluaten aus der Altlastensanierung.
3. Projektabschnitt: Entwicklung eines computergestützten Auslegungsverfahrens für Aktivkohlefilter auf der Basis von Laborversuchen.


Ergebnisse und Diskussion

Als Verschaltungsstrategien wurden neben der konventionellen Reihenschaltung einer Adsorberkolonne, die Reihenschaltung mit umgekehrter Durchströmungsrichtung sowie die Parallelschaltung zweier Adsorber untersucht. Es zeigte sich, dass allein die Betriebsweise Reihenschaltung mit Strömungsumkehr eine Verbesserung der Adsorbenskapazität bzw. der Standzeit des Adsorbers gegenüber der konventionellen Reihenschaltung erbringt. Die Standzeit bei konventioneller Reihenschaltung beträgt bis zum Erreichen des Ablaufgrenzwertes ca. 670 Stunden. Bei der Betriebsweise Reihenschaltung mit Strömungsumkehr verlängerte sich die Standzeit des Adsorbers um mehr als 60 Stunden, was einer Standzeitverlängerung von ca. 9 % entspricht. Die Möglichkeit einer Strömungsumkehr muss allerdings mit wesentlich höheren Investitionskosten durch den höheren technischen Aufwand bezahlt werden. Durch Parallelschalten von Adsorbern unterschiedlicher Beladungszustände kommt es zu einer höheren Zulaufkonzentration des nachfolgenden Adsorbers, was eine Standzeitverkürzung dieses Adsorbers bedeutet. Die Betriebsweise Parallelschalten von Adsorbern hat somit keine Standzeitverlängerung sondern eine Standzeitverkürzung der Adsorber zur Folge.
Es konnte gezeigt werden, dass für die maximale Ausnutzung der Beladungskapazität die Filtergeschwindigkeit so gewählt werden muss, dass die Korndiffusion gleich der Filmdiffusion ist. Bei 15°C wurde für die Filtergeschwindigkeit ein optimaler Bereich bei 1 - 2 m/h ermittelt. Die in der Literatur angegebenen Filtergeschwindigkeiten von 5 - 15 m/h sind somit für Adsorptionsprozesse mit Deponiesickerwasser als zu hoch einzustufen.
Laborversuche ergaben, dass durch eine Unterbrechung des Adsorptionsprozesses bzw. durch eine temporäre Außerbetriebnahme des Adsorbers oder des Adsorptivs zwar eine verbesserte Adsorptionsrate erzielt werden konnte, die jedoch bereits 3,5 Betriebsstunden nach Wiederaufnahme des Adsorptionsprozesses nicht mehr feststellbar war. Diese kurzen Zeiträume lassen keinen wirtschaftlichen Einsatz dieser Methode zu.
Um genauere Aussagen über die erzielbare Standzeitverlängerung von Aktivkohleadsorbern aufgrund von Rückspülungen treffen zu können, wurden Untersuchungen an Aktivkohleadsorbern an zwei bestehenden Deponiesickerwasserbehandlungsanlagen durchgeführt. Die Ergebnisse der Rückspülversuche zeigen, dass durch Rückspülungen keine positive Wirkung auf die Adsorptionskapazität und damit auf die Standzeit von Aktivkohleadsorbern erzielt werden kann. Es konnte jedoch festgestellt werden, dass durch die Verwirbelung der im Adsorber befindlichen Aktivkohle die Gefahr besteht, dass der gleichmäßige Anstieg der Durchbruchskurve im Ablauf eines Adsorbers gestört wird. Hierdurch wird eine sichere Einhaltung der Ablaufgrenzwerte erschwert. Die Durchführung von Rückspülungen mit dem Ziel einer Standzeitverlängerung von Aktivkohleadsorbern kann daher nicht empfohlen werden.
Im Rahmen des Forschungsprojektes ist es gelungen praxisorientierte Berechnungs- und Auslegungsmethoden zu erarbeiten, mit deren Hilfe eine Vorausbestimmung der Durchbruchskurve eines Adsorbers bzw. die optimale Auslegung einer Adsorberkolonne bei dynamischen Betriebsbedingungen möglich wird. Für diese neu entwickelten Berechnungs- und Auslegungsmethoden sind mehrere Parameter zur Beschreibung des Adsorbens, des Adsorptionsgleichgewichts und der Adsorptionskinetik erforderlich. Ein Schwerpunkt lag hierbei in der Auswahl von Methoden zur Bestimmung dieser Parameter. Einige Meßmethoden wurden neu entwickelt oder so modifiziert, dass eine einfachere Parameterbestimmung möglich wird.
Durchgeführte Laborversuche belegen, dass die neu entwickelten Berechnungsmethoden in Kombination mit den ausgewählten bzw. modifizierten Parameterbestimmungsverfahren eine sehr genaue Vorausberechnung der Durchbruchskurve bei dynamischen Betriebsbedingungen ermöglichen. Die Untersuchungen an großtechnischen Adsorbern zeigen eine etwas größere Abweichung zwischen den gemessenen und den berechneten Durchbruchskurven als bei den Laborversuchen. Dies ist vermutlich auf eine Ände-rung der qualitativen Sickerwasserzusammensetzung während der Adsorberbetriebszeit zurückzuführen. Die durchgeführte Überprüfung der Auslegung einer Adsorberkolonne und der Vergleich mit gemessenen Konzentrationen einer realen Kolonne ergibt, dass mit dem neu entwickelten Auslegungsverfahren eine Adsorberkolonne mit geringem Aufwand geplant und überprüft werden kann.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Detter, A: Ein Beitrag zur Berechnung und Auslegung von Festbettadsorbern am Beispiel der Deponiesickerwasserbehandlung. Dissertation Universität Stuttgart (1997)


Fazit

Die Beladungskapazität von Aktivkohle kann am vollständigsten bei Filtergeschwindigkeiten von 1 bis 2 m/h ausgeschöpft werden. Die neu entwickelten Berechnungs- und Auslegungsmethoden sind sehr gut geeignet, eine Adsorberkolonne optimal auszulegen und die Durchbruchskurve eines Adsorbers unter dynamischen Betriebsbedingungen zu berechnen, um damit eine wirtschaftliche Anwendung des Kornkohle-Adsorptionsverfahrens für die Deponiesickerwasserreinigung zu ermöglichen.