Projekt 37210/01

Entwicklung und Erprobung eines neuartigen Bioreaktors zur Abluftreinigung mittels lateral angeströmter mikrobiologisch aktiver Oberflächen

Projektdurchführung

Reinluft Umwelttechnik Ingenieurgesellschaft mbH
Immenhofer Str. 22
70180 Stuttgart

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Biologische Abluftreinigungsverfahren haben sich als effektive Alternative zu herkömmlichen thermischen Verfahren etabliert. Die Hauptkategorien umfassen Biofilter, Biowäscher und Biotricklingfilter. Gemeinsam ist diesen Verfahren, dass die zu reinigende Abluft durch Kontakt mit Mikroorganismen in einer Waschflüssigkeit oder einem Filtermedium gereinigt wird, wobei Schadstoffe biologisch abgebaut werden. In der Industrie wird überwiegend der Biofilter mit organischem Trägermaterial genutzt, der sich durch Robustheit, Betriebssicherheit und Kosteneffizienz auszeichnet. Ein Nachteil ist jedoch das oft erforderliche größere Anlagenvolumen im Vergleich zu Verbrennungsanlagen.

Im Kontrast dazu nutzen Biotricklingfilter inerte Trägermaterialien, die eine höhere Reinigungsleistung ermöglichen und kleinere Anlagenkonstruktionen erlauben. Diese Materialien sind dauerhaft strukturstabil und anpassungsfähig. Allerdings kann ein unkontrolliertes Wachstum der Biomasse, das zu einer Verstopfung der Anlagen führt (Clogging), die langfristige Leistungsfähigkeit beeinträchtigen. Bisherige Lösungsansätze für dieses Problem waren nicht zufriedenstellend.

Das Ziel dieses Projekts ist es, eine verbesserte Anströmtechnik des biologisch aktiven Trägermaterials zu entwickeln, die das Verfahren weitgehend unabhängig von den negativen Einflüssen des Biomassenwachstums macht. Dies soll die Vorteile des biologischen Biotropfkörperverfahrens nachhaltig für den industriellen Einsatz sichern. Sofern das Projekt erfolgreich ist, könnten biologische Filteranlagen bei gleichbleibender Leistungsfähigkeit deutlich kompakter und einfacher gestaltet werden. Zudem würden sich die Betriebskosten durch anhaltend geringe Druckverluste signifikant verringern, der Anlagenbetrieb ließe sich weiter automatisieren und die Wartungskosten erheblich reduzieren. Auch die bisher aufwändige Herstellung, sowie der Transport und der Ein- und Ausbau des Filtermaterials würden einfacher und kostengünstiger.



Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas neue Verfahren wurde sowohl im Labormaßstab als auch im halbtechnischen Maßstab getestet. Im Labor wurde eine vorhandene Anlage modifiziert, die ein Gehäuse aus transparentem Kunststoff besitzt, um die Versuche optisch zu überwachen. Für die halbtechnischen Tests wurde eine komplett neue Anlage aus Edelstahl entwickelt.

In beiden Anlagen wurden verschiedene Trägermaterialien eingesetzt, darunter Textilien aus Kunststoff sowie organische Materialien auf Basis von Hanf- und Kokosfasern. Zu Beginn der Tests wurden wichtige anlagenspezifische Parameter, wie die Verweilzeit durch Tracergastests und die Strömungsverteilung, ermittelt. Dabei traten kaum Druckverluste auf.

Für die schnelle Besiedlung der Trägermaterialien mit Mikroorganismen wurde Rücklaufschlamm aus einer Kläranlage verwendet. Die Abbauleistung wurde unter variierenden Bedingungen wie Rohgaskonzentrationen und Abluftvolumenströmen getestet, wobei verschiedene Lösungsmittel wie Ethanol, Aceton, 2Butanon, Ethylacetat und ein Lösemittelgemisch auf Basis von 2-Butanon zur Erzeugung synthetischer Abluft genutzt wurden.

Die Messungen erfolgten mittels Flammenionisationsdetektor, Fourier-Transformations-Infrarot-Spektrometer und Gaschromatographie mit Massenspektrometer. Diese Verfahren dokumentierten den Abbau organischer Kohlenstoffverbindungen im Roh- und Reingas sowie den biologischen Abbau, erkennbar an erhöhten Kohlendioxid-Werten im Reingas. Unvollständige Oxidationen der Eingangsstoffe wurden nur in geringem Umfang festgestellt, was auf einen effektiven biologischen Abbau der getesteten Verbindungen hinweist.



Ergebnisse und Diskussion

Die Luftvolumenströme in den Versuchen sowohl bei der Labor- als auch bei der halbtechnischen Anlage wurden so gewählt, dass sie die Belastungen eines industriellen Biofilters simulieren. Die gemessenen Druckverluste in den Versuchsreaktoren waren sehr gering und lagen zwischen 10 und 30 Pa, was unter technischen Gesichtspunkten vernachlässigbar ist.

In speziellen Absorptions- und Desorptionsversuchen wurde das Sorptionsverhalten der Trägermaterialien für Ethanol untersucht. Sowohl die Polypropylen-Matten als auch die Kokosfasermatten zeigten eine gute absorbierende Wirkung. Zudem entwickelte sich auf den Oberflächen der Matten ein homogener Bewuchs aus Mikroorganismen, der sich farblich über die Zeit veränderte, ohne zu übermäßigem Bewuchs oder Verstopfung (Clogging) zu führen.

Langzeitversuche konzentrierten sich auf den Abbau von drei Stoffklassen – Alkohol, Keton und Ester – sowie einem Lösemittelgemisch auf 2-Butanonbasis. Die Versuche variierten mit unterschiedlichen Eingangsfrachten und Verweilzeiten. In der Laboranlage wurden bei einem Volumenstrom von 20 m³/h, entsprechend einer Verweilzeit von etwa 14 Sekunden, Wirkungsgrade von 35 bis 53 % erreicht. Kürzere Verweilzeiten waren aus technischen Gründen nicht möglich. Die halbtechnische Anlage erzielte bei einem Volumenstrom von 500 bis 2.000 m³/h, bzw. einer Verweilzeit von etwa 3,5 bis 14 Sekunden sehr vielversprechende Wirkungsgrade von 45 % bis über 90 %.



Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse dieses Projekts wurden in mehreren Abschlussarbeiten publiziert, die in Zusammenarbeit mit der Hochschule Rhein-Main und der Universität Stuttgart entstanden sind. Gegen Ende des Projektes wurden zudem Kontakte zu verschiedenen potenziellen Anwendern geknüpft, um ein erstes industrielles Feedback zu erhalten und das Marktpotenzial besser einschätzen zu können.


Fazit

Die durchgeführten Versuche zeigten durchgehend gute bis sehr gute Eliminationsleistungen. Es wurde kein Zusetzen der Trägermaterialien (Clogging) festgestellt, und die Druckverluste blieben über längere Zeiträume hinweg konstant niedrig. Diese Ergebnisse unterstützen die Empfehlung, das Verfahren unter realen Industriebedingungen weiter zu erproben. Seitens der Industrie wurde bereits Interesse an einer solchen Erprobung geäußert.