Table Of ContentGunter Kobelt . Biologische Abluftreinigung
Biologische Abluftreinigung
Grundlagen - Planung - Betrieb
DipL-Ing. Gunter Kobelt
VDlVERLAG
Kobelt, Gunter:
Biologische Abluftreinigung: Grundlagen -Planung -Betrieb /
Giinter Kobelt. -Diisseldorf: VDI-VerI., 1995
ISBN-13: 978-3-540-62169-0 e-ISBN-13: 978-3-642-95759-8
DOl: 10.1007/978-3-642-95759-8
© VDI-Verlag GmbH, Diissseldorf 1995
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daher von jedermann benutzt werden diirften.
ISBN-13: 978-3-540-62169-0
v
Vorwort
Nachdem ich Anfang der 80er Jahre bereits liber zwei Jahrzehnte auf dem
Gebiet der Luftreinhaltung tatig war, begann ich mich damals eingehender mit
den Problemen der biologischen Abluftreinigung zu beschaftigen.
Zu dieser Zeit galt sie immer noch als ein eher exotisches Verfahren, als eine Art
"black box", deren genaues Funktionieren si~h einer genauen Voraussage
entzog. Hochrangige Fachleute sprachen damals abschatzig von "high tech im
Misthaufen" .
Aber die guten Ergebnisse bei der Geruchsbeseitigung durch Biofiltration und
die Tatsache, daB es sich urn ein sehr energiesparendes und damit urnwelt
freundliches Verfahren handelte fiihrten zu zunehmender Akzeptanz in Fach
kreisen und in der gesamten Wirtschaft.
Unter Forderung des BMFT wurden Ende der 80er Jahre Versuche zum Abbau
von Losemitteln speziell fUr die Druckereiindustrie durchgefiihrt, die ab etwa
1990 zum Einsatz der ersten kommerziell errichteten Biofilteranlagen besonders
fUr Siebdruckereien fiihrten.
Nach dem ich nun selbst seit mehreren Jahren in der Planung und beim Bau
derartiger schllisselfertiger Biofilteranlagen Uitig bin, mochte ich mit dieser
Veroffentlichung meine Erfahrungen einem breiteren Kreis von Interessenten
vermitteln und auch noch bestehende Vorurteile gegen die biologische
Abluftreinigung abbauen helfen.
Gleichzeitig mochte ich allen danken, die diese Abhandlung mit Rat und
konstruktiver Kritik unterstutzt haben, die mich in mikrobiologischen Fragen
berieten sowie der Firma be bioclean fUr die freundliche Unterstutzung.
Stellvertretend fUr alle moge hier der Name meiner Lektorin, Frau Zita Glaser
yom VDI- Verlag stehen, die einem vielbeschaftigten Autor die verspatete
Manuskriptlieferung verstandnisvoll nachgesehen hat.
GUnter Kobelt
Inhalt vn
Inhalt
1 Einleitung
1.1 Die Problemstellung 1
1.2 Geruchsemissionen und ihre sensorischen Wirkungen 1
1.3 Die Bewertung von Geruchsemissionen 2
1.3.1 Sensorische Analytik 2
1.3.2 Instrumentelle Detektoren 3
1.3.3 Angewandte MeBtechnik 3
1.3.4 Wirkungsgrade von Geruchsverminderungen 4
1.4 Vermeidungsstrategien 4
1.5 Gesetzliche Grundlagen der Luftreinhaltung 5
1.6 Literaturverzeichnis z. Abschnitt 1 6
1.7 Zusammenstellung der in Abschnitt 1 verwendeten 7
Formelzeichen
2 Moglichkeiten und Grenzen biologischer Abluftreinigung 9
2.1 Konventionelle Moglichkeiten der Reinigung 9
organisch belasteter Abluftstrome
2.1.1 Die thermische Abgasreinigung 9
2.1.1.1 Die Flammenverbrennung 9
2.1.1.2 Die thermische Verbrennung 10
2.1.1.3 Die katalytische Verbrennung 11
2.1.2 Die physikalischen Verfahren 11
2.1.2.1 Adsorptionsverfahren 11
2.1.2.2 Kondensation 12
2.1.3 Die Ozonisierung zur Geruchsbeseitigung 12
2.1.4 Die oxidierende Gaswasche 13
2.1.5 Abgasreinigung durch energetische Prozesse 14
2.2 Die biologische Abluftreinigung -eine echte Alternative 14
2.2.1 Anwendungskriterien 15
2.2.2 Kostenvergleiche verschiedener Anlagenarten 15
2.3 Literaturverzeichnis zum Abschnitt 2 17
3 Die proze8technischen Grundlagen der hiologischen Abluftreinigung 19
3.1 Die verfahrenstechnischen Grundlagen der Biofiltration 19
3.1.1 Biologische Oxidation der Schadstoffe (Mikrokinetik) 20
3.1.1.1 Bruttoumsatzgleichung und Zeitgesetz 20
VIII Inhalt
3.1.1.2 Ternperaturabhiingigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit 20
3.1.1.3 Reingaskonzentration 21
3.1.2 Der Stofft ransport 21
3.1.2.1 Theorien zurn Stofft ransport Gas/FliissigkeitlZelle 21
3.1.2.2 Abschatzung der geschwindigkeitsbestimmenden 24
Schritte in der Makrokinetik
3.1.3 Der EinfluB der biochemischen Reaktion auf den 27
Konzentrationsverlauf
3.2 Die verfahrenstechnischen Grundlagen des Biowaschers 27
3.2.1 Verfahrensbeschreibung 27
3.2.2 Absorption und biologischer Abbau 28
3.2.2.1 Der Stoffaustausch irn Waschturm 28
3.2.2.2 Die Regeneration der Waschfliissigkeit 31
3.3 Literaturverzeichnis zurn Abschnitt 3 33
3.4 Zusammenstellung der irn Abschnitt 3 verwendeten 34
Formelzeichen
4 Biochemische nod thermodynamische Grundlageo 35
4.1 Kohlenstoff-und Energiequellen der Mikroorganisrnen 35
4.2 Der Stoffwechsel 36
4.2.1 Katabolisrnus und Anabolisrnus 38
4.2.2 Enzyrnkatalysierte Reaktionen 39
4.3 Bioenergetik und ATP-Kreislauf 40
4.3.1 Die Anderung der Freien Energie 41
4.3.2 ATP als universeller Energieiibertrager 44
4.3.3 Ablauf der biologischen Oxidation 44
4.4 Literaturverzeichnis zum Abschnitt 4 46
4.5 Zusammenfassung der irn Abschnitt 4 verwendeten 47
Formelzeichen
5 Der Biofilter 49
5.1 Der Aufbau von Biofilteranlagen 49
5.1.1 Die Typisierung von Flachenbiofiltem 49
5.1.2 Der konstruktive Aufbau von Druckkammerfiltem 52
5.1.3 Der Wetterschutz bei Flachenfiltem 55
5.1.4 Die Abluftkonditionierung 58
5.1.5 Messen und Regeln 60
5.2 Das Filtermaterial 62
5.2.1 Bedeutung und Aufgaben 62
5.2.2 Arten und Auswahlkriterien 62
5.2.2.1 Kriterien fur die Wahl von Filtermaterialien 63
Inhalt IX
5.2.2.2 Einteilung und Eigenschaften 64
5.2.3 Die TemperaturverhaItnisse 68
5.2.4 Die Feuchtigkeit des Filtermaterials 69
5.2.4.1 Die Bindung des Wassers im Filterbett 69
5.2.4.2 Die Kapillarkondensation 70
5.2.5 Anstromgeschwindigkeit, Schiitthohe und Druckverlust 70
5.2.6 Die Berechnung von Druckverlust und Verweilzeit 71
5.2.7 Reaktionsprodukte und pH-Wert 74
5.2.8 Niihrstoffversorgung der Mikroorganismen 75
5.2.9 Die Wartung des Filterbetts wiihrend der Betriebszeit 75
5.2.10 Die Entsorgung von verbrauchtem Filtermaterial 78
5.3 Der Biofilter im praktischen Betrieb 79
5.3.1 Die Auslegung von Biofilteranlagen 79
5.3.2 Die Voraussetzung fUr den Einsatz von Biofiltern 80
5.3.3 Das Betriebsverhalten bei wechselnden Schadstofffrachten 81
5.3.4 Betrieb und Wartung 82
5.4 Die Wirksarnkeit von Biofilteranlagen 83
5.4.1 Der Zusarnmenbang zwischen dem physikalischen und dem 83
physiologischen Reinigungseffekt
5.4.2 In der Praxis erreichte Schadstoffminderungen 84
5.5 Literaturverzeichnis zum Abschnitt 5 85
5.6 Zusammenstellung der im Abschnitt 5 verwendeten 87
Formelzeichen
6 Der Biowascher 89
6.1 Die Technologie des Biowaschers 89
6.1.1 Typische altere AusfUhrungen von Biowaschern 89
6.1.1.1 Der Tropfkorperwascher nach Pruss/Blunk 89
6.1.1.2 Der Prallbodenwascher von Wilfering 91
6.1.1.3 Die Fiillkorperanlagen von Beuthe und Muller 91
6.1.1.4 GroBtechnische Biowascheranlagen nach einem 91
niederlandischen Patent [6.4]
6.1.2 Die Weiterentwicklung der Apparatetechnik 92
6.1.2.1 Eine neuartige Hochleistungsanlage nach Brauer [6.5] 92
6.1.2.2 Der Permeationsreaktor [6.6] 93
6.1.2.3 Der "Compact Gas Scrubber" [6.7] 93
6.2 Die patentrechtliche Situation 95
6.3 Aktuelle Entwicklungen und Verfahren 96
6.3.1 Ein neuartiges Biowascherkonzept 96
6.3.2 Das Biosolvverfahren 96
6.4 Literaturverzeichnis zum Abschnitt 6 100
x
Inhalt
7 Emittierte Schadstoffe und ihr mikrobiologischer Abbau 103
7.1 Abbaubarkeit und mikrobielle Anpassung 103
7.2 Der mikrobielle Abbau von Kohlenwasserstoffen 105
7.2.1 Die Verwertung von C1-Verbindungen 105
7.2.2 Die Oxydation von kurzkettigen n-Alkanen 106
7.2.3 Der Abbau aliphatischer Kohlenwasserstoffe 106
7.2.4 Die Spaltung von Aromaten 106
7.3 Der Abbau anorganischer Substanzen 107
7.4 Die Abscheidung biologisch schwer abbaubarer Substanzen 108
7.5 Literaturverzeichnis zum Abschnitt 7 110
8 Sachregister III
1 Einleitung 1
1 Einleitung
1.1 Die Problemstellung
Die extensive Erweiterung des StraBenverkehrs, der industriellen und gewerbli
chen Produktion sowie die BestandsvergroBerung bei der landwirtschaftlichen
und industriellen Tierhaltung einerseits und das gewachsene UmweltbewuBtsein
andererseits haben in den vergangenen Jahrzehnten ein Problem in das BewuBt
sein der Offentlichkeit geIiickt: die Geruchs- und andere Belastigungen durch
meist niedrig konzentrierte Luftinhaltsstoffe aus den verschiedenartigsten Emis
sionsquellen meist organischen Ursprungs.
Wahrend in :l'riiheren Jahren von derartigen Auswirkungen wenig oder gar nicht
Notiz genommen wurde oder diese als unumganglich galten, fiihren heute erhOh
te AnspIiiche an die Lebensqualitat und das gestiegene UmweltbewuBtsein der
BUrger zu massiven Reaktionen der Betroffenen, was sich z.B. in einer groBen
Anzabl von Beschwerden sowohl bei den verursachenden Betrieben und Institu
tionen als auch bei staatIichen Stellen und Aufsichtsorganen ausdIiickt, Damit
stellt sich die Beseitigung oder zumindest eine erhebliche Verminderung derarti
ger belastigender Emissionen eine umweltschutztechnische Aufgabe dar, deren
Wichtigkeit der der Bekampfung gesundheits- und umweltschadigender
toxischer Luftschaftstoffe gleichzusetzen ist.
Damit stellen sich der Umwelttechnik bei der Elemination organische Luftverun
reinigungen zwei Aufgaben, die sowohl einzeln als auch komplex zu losen sind:
- der Abbau von Schadstoffen organischen Ursprungs in solchen Konzentratio-
nen, die echte Umweltschadigungen hervorrufen oder auf Lebewesen toxisch
wirken konnen und
- die Vermeidung von Belastigungen, d.h. im allgemeinen von Geruchsemissio
nen.
1.2 Geruchsemissionen und ihre sensorischen Wirkungen
Nach Kohler u.a. [1.1] ist Geruch eine chemisch und physikalisch nicht de
finierte GroBe, sein Auftreten immer an das Auftreten dampf- oder gasformiger
chemischer Verbindungen gebunden. Die Geruchswahrnehmung beruht nun auf
einer selektiven Reaktion zwischen diesen fluchtigen chemischen Verbindungen
und hochspezialisierten Sinneszellen [1.2].
2 1 Einleitung
Der Wirkmechanismus der Geruchsstoffe bzw. ihrer Wahmehmung lauft dabei
in folgenden Schritten ab:
- Emittierung der Geruchsstoffe,
- Transport mit dem Tragergas (d.h. i.a. der Luft),
- Diffusion durch Schleim-und Lipidschicht
- Auslasen einer Reaktion am Rezeptor
Die Wahmehmbarkeitsgrenze fUr viele Verbindungen, der sogenannte Schwel
e
lenwert s, liegt dabei zum Teil extrem niedrig, was neben der problematischen
(individuell unterschiedlichen) Wirknngsfeststellung auBerdem zu· einer chemi
schen Analytik in kleinstem Mal3stab fuhrt, wodurch die Gesamtproblematik
weiter kompliziert wird.
In der Vergangenheit sind eine Vielzahl von Geruchstheorien aufgestellt worden,
wobei die von Moncrieff und Amdore weiterentwickelte "Schliissel-SchloB"
Theorie (nach Fischer) den heutigen Wissensstand iiber die Wechselbeziehung
zwischen Geruch und Molekularstruktur darstellt [1.3].
1.3 Die Bewertung von Geruchsemissionen
Der InformationsgehaIt der Geruchswahmehmung wird nach Jager/
Schildknecht [1.1.] durch die drei folgenden Komponenten charakterisiert:
- die Geruchsart, d.h., den qualitativen Geruchseindruck,
- die Geruchsstarke, d.h., den quantitativen Geruchseindruck und
- die hedonische Geruchswirknng, d.h., die (individuell unterschiedliche) phy-
siologische Wirknng,
die aile stoff- und konzentrationsabhangige GraBen darstellen. Dabei solI nach
CainIMoskowitz [1.3.] die Geruchsstarke GS logarithmisch von der Kon
zentration 19 c abhangen.
1.3.1 Sensorische Analytik (Der Detektor "Nase" )
Durch Zumischung von geruchloser Reinluft VR zur geruchbeladenen Probe Vp
wird ein Gemisch erzielt, das gerade noch eindeutig von Reinluft zu unter
scheiden ist [1.3.]. Damit wird die Geruchseinheit GE aIs dimensionslose Kenn
zahl aus dem Verdiinnungsverhaltnis abgeleitet:
