Entwicklung eines Biorieselbettreaktors zur Reinigung von lösemittelhaltiger Prozessabluft

Zusammenfassung und Ausblick

Im Projekt soll ein bereits bestehender Biorieselreaktor, welcher VOCs im Abgasstrom einer lackverarbeitenden Industrie abbaut, wissenschaftlich begleitet und der Schadstoffabbau erheblich verbessert werden. Eine Reihe von Analysen (Sauerstoff, Nährstoffsalze) wurde bereits im laufenden Betrieb des Reaktors durchgeführt. Es ist geplant, außerhalb des Reaktors eine bestimmte Auswahl an Mikroorganismen (Burkholderia sp., Micrococcus luteus, Pseudomonas fluorescens, Pseudomonas putida, Rhodococcus sp.) auf die Abbauleistung von VOCs in vitro (Schüttelkultur) zu untersuchen. Die Abbaurate wird dabei durch Gaschromatographie unterstützt. Der Biorieselbettreaktor wird daraufhin mit den abbauleistungsfähigsten Spezies beimpft werden.


In der lackverarbeitenden Industrie werden dem pigmenthaltigen Lack vor dem Versprühen Lösemittel beigemischt, um die gewünschte Konsistenz zu erreichen. Lackverarbeitende Betriebe setzen daher nach wie vor beträchtliche Mengen, vor allem organischer Lösemittel ein, die während des Trocknungs- und Aushärtungsprozesses aus dem Lackierfilm in die Umwelt entweichen. Diese flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs volatile organic compounds) führen in Verbindung mit Stickoxiden und ultravioletter Strahlung zur Bildung von bodennahem Ozon in der Umwelt. Aus diesem Grunde gelten für die Emissionen der Lack- und Druckfarbenindustrie strenge Grenzwerte, die in Deutschland in der 31. Bundes-Immissionsschutzverordnung und der TA Luft umgesetzt sind.

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Abb. 1: Zufuhr des lösemittelhaltigen Abgases in den mit Lavagestein gefüllten Biorieselbettreaktor
Abb. 2: VOC Konzentration im Gasstrom des Biorieselbettreaktors in ppm. Der Gaseingang ist in blauer Farbe und der Gasausgang ist in rot dargestellt.

Da Lösemittel einen hohen Dampfdruck aufweisen und somit leicht flüchtig sind, gelangt ein nicht unbeträchtlicher Teil gasförmig in die Atmosphäre. Industrielle Lackierbetriebe unterliegen daher einer Überwachung durch Landratsämter, um die Einhaltung der gesetzlichen VOC Grenzwerte zu gewährleisten. Dabei dürfen mittlere und große Betriebe nicht mehr als 50 mg organischen Kohlenstoff pro m3 Abluft ungereinigt in die Umwelt entlassen.
Um diese Grenzwerte einzuhalten, werden in der Regel thermische Nachverbrennungsanlagen eingesetzt, die allerdings wenig nachhaltig sind. Daher kommen vermehrt Biofilter als ökologischere Alternative zum Einsatz. Eine Unterklasse von Biofiltern stellen sogenannte Biorieselbettreaktoren dar, die auch unter dem Begriff Tropfkörperfilter bekannt sind. Biorieselbettreaktoren bestehen im Wesentlichen aus einem großem zylindrischen Reaktor, der mit Füllkörpern wie etwa Lavagestein befüllt ist. Durch die kontinuierliche Bewässerung wächst auf den Füllkörpern eine Mikroorganismenflora. Die in diesem Biofilm enthaltenen Mikroorganismen metabolisieren das kohlenstoffhaltige Abgas und setzen es in Biomasse und CO2 um. Diese Art der biologischen Abluftreinigung ist daher eine elegante und nachhaltige Alternativen zu thermischen Verfahren, allerdings ist die Zufuhr von nährstoffreichen VOCs an den Mikroorganismenrasen auch mit gewissen Herausforderungen verbunden. Eine der zu lösenden Schwierigkeiten in Biorieselbettreaktoren ist das unkontrollierte Zuwachsen des Filterbetts, verbunden mit einem mangelnden Austrag an Biomasse nach einigen Monaten Begasung. Dieses Phänomen wird im anglikanischen Sprachraum als clogging bezeichnet. Ziel dieses Projektes ist es, die Abbaurate der VOC Schadstoffe im Biorieselbettreaktor zu maximieren, auf einem konstanten Wert zu halten und langfristig sicherzustellen. In Abbildung 1 ist der Abgasstrom des von der Firma IDS (http://www.ids-miesbach.de/) entwickelten Biorieselbettreaktors mit Pfeilen dargestellt. Die Abluft wird über das Dach der Lackierkabinen von unten in den mit Lavagestein befüllten Biorieselbettreaktor eingeblasen. Gleichzeitig wird der Reaktor von oben über eine Düse mit Nährstofflösung berieselt. Der Biorieselbettreaktor wird somit im Gegenstromverfahren (Nährstofflösung – Abgas) betrieben.

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Abb. 3: Vereinfachte Skizze des Stofftransportes von Sauerstoff und Abgasschadstoff in die Flüssigphase des Biofilms
Abb. 4: Henry-Löslichkeitskonstante Hcp in Wasser bei 20 bis 25 °C in der Einheit mol pro m³ pro Pa für die am häufigsten verwendeten Lösemittel im lackverarbeitenden Betrieb

Laufende Messungen

Neben einer kontinuierlichen Erfassung von Temperatur, pH-Wert, Druckverlust und Gasstrom wird als wichtigster Kontrollparameter die Konzentration der VOCs im Gasstrom erfasst. Abbildung 2 zeigt die Messung mittels Photoionisationsdetektor (PID), der den Gasstrom permanent sowohl am Boden des Reaktors (Eingang) als auch am Kopf des Reaktors (Ausgang) bezüglich des Anteils an VOCs misst. Da die Messwerte des PID einmal pro Minute aufgezeichnet werden, werden die hohen Frequenzen des Datenstroms durch Fouriertransformation entfernt, um Kurzzeitschwankungen des Graphen zu unterdrücken.

Um einen adäquaten Abbau der VOC Schadstoffe durch Bakterien und andere Mikroorganismen zu erreichen, sind sowohl konvektive als auch diffusive Massentransportvorgänge von Bedeutung, wie in Abbildung 3 ersichtlich. Der Schadstoff strömt durch erzwungene Konvektion am Biofilm vorbei und diffundiert dabei an der Phasengrenzfläche in diesen hinein. In der Flüssigphase des Biofilms soll dann der Abbau des Schadstoffes durch die vorhandenen Mikroorganismen erfolgen. Die Diffusionsrate von der Gas- in die Flüssigphase des Biofilms hängt beträchtlich von der Henry-Löslichkeitskonstante Hcp des Abgases ab. Manche Lösemittel gehen sehr schnell von der Gas- in die Flüssigphase über, während andere Lösemittel nur sehr träge in die Flüssigkeit übergehen. Der mittelständische Industriebetrieb verarbeitet eine Reihe von üblichen Lacken und Lösemitteln. Die am häufigsten eingesetzten Lösemittel sind in Abbildung 4 zusammen mit der zugehörigen Henry-Löslichkeitskonstante Hcp graphisch dargestellt. Aus Abbildung 4 ist offensichtlich dass die Migrationswilligkeit einer Verbindung von der Gas- in die Flüssigphase bei Zimmertemperatur für die verschiedenen Lösemittel beträchtlich schwankt. Voraussetzung für einen mikrobiologischem Abbau ist, dass der Schadstoff in die Flüssigphase des Biofilms übergeht. Daher ist anzunehmen, dass Lösemittel mit hohem Hcp Wert leichter abgebaut werden als Lösemittel mit niedrigem Hcp Wert.

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Abb. 5: Lavagestein führt zu einer Erhöhung des pH-Wertes einer wässrigen Lösung auf Werte über 8

Aktueller Stand der Ergebnisse

Im Projekt wird natürliches, gewaschenes Lavagestein als Trägermaterial für den Biofilm und Mikroorganismen benutzt. Wie aus Abbildung 5 ersichtlich, erhöht Lavagestein aufgrund seiner auswaschbaren Bestandteile den pH-Wert beträchtlich, was zu einer bevorzugten Ansiedlung einer alkaliphilen Mikroorganismenpopulation führen sollte. Der hohe pH-Wert lässt sich auch im laufenden Betrieb des Industriereaktors nachweisen. Eine Mischprobe des Biofilms aus dem bestehenden Biorieselbettreaktor (siehe Abb. 6) wurde einer sogenannten 16S rRNA Genabschnittsuntersuchung unterzogen. Da der bestehende Biorieselbettreaktor nicht aktiv beimpft wurde, ist eine enorme Vielzahl an Mikroorganismen vorzufinden (siehe Abb. 7). Die phylogenetische Einordnung der Gensequenzen erfolgte mit Hilfe von BLAST (Basic Local Alignment Search Tool). Hierbei werden die ermittelten Sequenzdaten mit denen von bereits bekannten Organismen verglichen und eine Ähnlichkeitsabschätzung vorgenommen. Sequenzen die keiner Bakterienspezies zugeordnet werden konnten, wurden nicht berücksichtigt.

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Abb. 6: Blick in die, mit einem Biofilm bewachsene Oberfläche der Lavagesteinschüttung im Biorieselbettreaktors
Abb. 7: Genetische 16S rRNA Untersuchung einer Biofilmprobe aus dem bestehenden Reaktor

Projektleitung


Projektbearbeitung

Projektdauer

01.09.2017 - 31.01.2020

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Projektträger

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