Herausforderungen in der biologischen und nicht-biologischen Abluftreinigung

Abstract

Jüngste Entwicklungsszenarien der International Energy Agency (IEA) sowie des Energiekonzerns British Petroleum (BP) zeigten, dass bis zum Jahr 2040 gegenüber dem heutigen Stand die Weltbevölkerung um 23 % wachsen und die Einkommen von insgesamt 2,5 Mrd. einkommensschwachen Menschen ansteigen werden. Das ‚bussiness-as-usual‘ - Szenario sagt aufgrund des Anstiegs in Weltbevölkerung und Wohlstand, trotz bestehender Bemühungen zur Steigerung der Energieeffizienz, eine Steigerung der weltweiten CO2-Emissionen um gut 30 % voraus. Berücksichtigt man dabei die jüngsten technischen und wissenschaftlichen Tendenzen wie beispielsweise ‚low-carb‘ - Kraftstoffe oder erneuerbare Energien, so wird weiterhin ein Anstieg der CO2-Emissionen um ca. 10 % vorausgesagt. Da die Weltgemeinschaft eine Restriktion der Erderwärmung auf deutlich unter 2 °C bis 2100 anstrebt, diese aber in den Industriestaaten eine Minderung der Emissionen an CO2-Äquivalenten von ca. 12 t CO2,eq·a-1·Bewohner-1 auf unter 1 t CO2,eq·a-1·Bewohner-1 bis zum Jahr 2050 erfordert, sind alle Möglichkeiten der Vermeidung und Minderung von treibhausrelevanten und umweltrelevanten Schadstoffen zu ergreifen. Die Minderung relevanter gasförmiger Emissionen kann durch geeignete Abluftreinigungsmaßnahmen wie Kondensation, Absorption, Membranverfahren, oxidative Verfahren, oxidative Katalyse, nicht-thermische Plasmen, UV-Oxidation, thermische Plasmen und Adsorption wie auch durch nicht-biologische Verfahren oder Verfahrenskombinationen aus nicht-biologischen und biologischen Verfahren umgesetzt werden. Speziell im gewerblichen und industriellen Umfeld wird der Stand der Technik durch thermisch oxidative Verfahren definiert. Da diese in der Regel nicht unter adiabaten Bedingungen betrieben werden können, ist der Zusatz von Primärenergieträgern erforderlich, der zu zusätzlichen Emissionen an treibhausrelevanten Gasen wie CO2, CH4 und N2O führt. Da in biologischen Abluftreinigungsverfahren die Schadstoffe durch biochemische Abbauprozesse mineralisiert werden, treten in der Regel keine sekundären Abfallströme oder zusätzlichen treibhausrelevanten Emissionen auf. Obwohl die biologischen Abluftreinigungsverfahren somit einen wichtigen Beitrag zum 1,5 °C - Ziel der Weltgemeinschaft leisten können, sind sie im Marktsegment der Umwelttechniken mit Ausnahme der landwirtschaftlichen Massentierhaltung bisher kaum vertreten und zumeist auf Nischenanwendungen restringiert. Für biologische Abluftreinigungsverfahren ist eine Reihe an vermeintlichen Einschränkungen bekannt, die sicherlich die geringe Marktdurchdringung mitverantworten. Für eine breite Akzeptanz dieser Verfahren ist es daher erforderlich diese vermeintlichen Einschränkungen kritisch zu hinterfragen und wenn möglich zu widerlegen. Gelingt diese Widerlegung nicht und scheiden biologische Abluftreinigungsverfahren bei ausgewählten Applikationen aus, so sind geeignete Alternativverfahren erforderlich - auch wenn verschiedene Abluftsituationen existieren, die auch nicht-biologische Verfahren an den Rand der Machbarkeit führen. Die vorliegende Arbeit thematisiert daher die bekannten Restriktionen für biologische Abluftreinigungsverfahren und verfolgt das Ziel die bestehenden Applikationsgrenzen zu erweitern und den sich hieraus ergebenden Herausforderungen unter der Prämisse der Etablierung eines Prozesses mit hoher technischer Stabilität, hoher Reinigungseffizienz und einer ökonomisch interessanten Kostenstruktur zu begegnen. Die identifizierten Restriktionen wurden an folgenden Applikationsbeispielen widerlegt bzw. alternative nicht-biologische Reinigungsverfahren vorgestellt: • Herausforderung Platzbedarf und Clogging: Der durch höhere Kontaktzeiten bedingte erhöhte Platzbedarf von biologischen Abluftreinigungsanlagen stellt ein signifikantes Vermarktungshindernis dar. Bestrebungen zur kompakteren Bauweise führen jedoch zu höheren spezifischen Schadstofffrachten und der erhöhten Gefahr von Biomasse bedingtem Clogging. Am Beispiel des biologisch leicht abbaubaren Schadstoffs 2 Butoxyethanol wurde die technische und ökonomische Machbarkeit eines mit Natronlauge und Druckluftinjektion als Anti-Clogging-Maßnahme ausgestatteten, rückspülbaren Biotricklingfilters sowohl im Labor- als auch Pilotmaßstab erfolgreich demonstriert. • Herausforderung Stoffgemischabbau und Xenobiotikaabbau: Durch genetische und enzymatische Regulationsmechanismen erweist sich der biologische Abbau von Schadstoffgemischen als zunehmend schwieriger je komplexer das Gemisch bzw. je xenobiotischer die Struktur der enthaltenen Schadstoffe ist. Auch erfordert der Abbau xenobiotischer Verbindungen häufig den Einsatz adaptierter Spezialbiozönosen, deren biotechnologische Bereitstellung mit erhöhten Kosten verbunden ist. Am Beispiel eines in der Kautschukverarbeitung zum Einsatz kommenden Lösemittelgemisches aus 70 Vol% tert. Butanol und 30 Vol% Aceton wurde der erfolgreiche Gemischabbau im Verfahrensvergleich zweier Biotricklingfilter und eines Biowäschers gezeigt und das Potential innovativer Kompostitträger, die keine zusätzliche Beimpfung mit Leistungsbiozönosen erfordern, dargelegt. • Herausforderung biologische Persistenz: Mit zunehmendem xenobiotischen Charakter von Schadstoffen sinkt deren biologische Abbaubarkeit, da häufig spezialisierte Enzyme oder innovative Abbauwege für deren Mineralisierung erforderlich sind und geeignete mikrobielle Isolate entweder nicht existent sind oder eine zu geringe Transformationskinetik für eine technische Applikation aufweisen. Der Einsatz biologischer Abluftreinigungsverfahren erscheint hier unter technischen und ökonomischen Aspekten zumeist nicht sinnvoll. Diese Einschätzung wurde am Beispiel des bakteriellen Abbaus des Xenobiotikums 2-Chlortoluol widerlegt, welches durch insgesamt vier neu gewonnene Isolate mineralisiert und deren Anwendbarkeit in Biotricklingfiltern zur Behandlung von 2-Chlortoluol haltiger Abluft erfolgreich gezeigt werden konnte. Die Stabilität des Inokulums in der sich etablierenden Biozönose konnte in einer Langzeitstudie über 985 Tage erfolgreich bestätigt werden, wodurch sich die initialen Kosten für die Beimpfung der Anlage relativierten. • Herausforderung begrenzte Transformationskinetik: Neben xenobiotischen Einflüssen führen insbesondere eine steigende Lipophilie sowie steigende Dampfdrücke von Abluftinhaltsstoffen zu einer stark restringierten Transformationskinetik, wodurch das Anlagenvolumen und somit die Kosten der biologischen Behandlung stark ansteigen. Der Ansatz einer Verfahrenskombination aus nicht-thermischem Plasma zur partiellen Oxidation und somit Hydrophilisierung der lipophilen Schadstoffe mit nachfolgender biologischer Mineralisierung erscheint unter technischen und ökonomischen Aspekten ein interessanter Ansatz zu sein. Die Verfahrenskombination weist dabei eine kompaktere und kleinere Baugröße sowie geringere Betriebskosten als ein alleinstehendes NTP-/BTF-Verfahren auf. Die Machbarkeit dieses Anlagenkonzepts konnte sowohl im Labor- als auch Pilotmaßstab an acht verschiedenen artifiziellen Abluftströmen sowie an drei Realabluftströmen erfolgreich gezeigt werden. • Herausforderung Temperatur: Abluftströme weisen häufig Temperaturen von 50 °C bis knapp 150 °C auf, insbesondere wenn sie aus thermisch betriebenen Produktionsprozessen entstammen. Nach erfolgter Vorkonditionierung liegen die Ablufttemperaturen zumeist bei 50 - 70 °C. Im Vergleich zu mesophil betriebenen biologischen Verfahren ist der Betrieb thermophil betriebener biologischer Abluftreinigungsanlagen deutlich anspruchsvoller. Neben verfahrenstechnischen Problemstellungen ist die Ursache hierfür vor allem in steigenden Dampfdrücken und somit geringeren Bioverfügbarkeiten sowie ggf. steigende Toxizitäten der Schadstoffe zu suchen. Am Beispiel der Abgase von drei Biogasanlagen nach dem Verbrennungsprozess, die sich durch hohe Konzentrationen an Methan, NOx, CO, aber auch dem kanzerogenen Formaldehyd auszeichnen, wurde die technische und ökonomische Machbarkeit einer Vefahrenskombination aus chemischem Wäscher und thermophil betriebenen Biofilter zur erfolgreichen Behandlung dieser Abgase untersucht. Im Kontext von Vorversuchen zur Behandlung von Methan und Formaldehyd im thermophilen Temperaturbereich trat erwartungsgemäß eine sehr geringe Reinigungseffizienz des Biofilters auf. Hingegen konnte durch gezieltes Sauerstoffmanagement und optionale H2O2-Dosierung die Leistungsfähigkeit des Basenwäschers insbesondere gegenüber Formaldehyd auf über 95 % gesteigert werden. • Herausforderung Biopersistenz und allgemein fehlende Reinigungseffizienz: Die Anwendbarkeit biologischer Abluftreinigungsverfahren ist hingegen gänzlich bei hoch-persistenten Abluftkomponenten wie polyhalogenierten Kohlenwasserstoffen überschritten, die trotz Restriktionen des Kyoto-Protokolls aufgrund fehlender Substituierbarkeit immer noch in der Halbleiterindustrie, bei der Verhüttung von Aluminium oder seltenen Erden, Luft- und Raumfahrtindustrie oder Entsorgungswirtschaft freigesetzt werden. Dabei erweist sich insbesondere die Behandlung des chemisch hochstabilen CF4 als erhebliche Herausforderung. Das Scheitern etablierter Abluftreinigungsverfahren und somit die Notwendigkeit der Implementierung hoch-innovativer Verfahrenskonzepte konnte an diesem exemplarischen Abluftschadstoff eindrucksvoll gezeigt werden. Das hierfür zum Einsatz kommende strahlungsgekühlte Wasserdampfplasma wies nach ersten Optimierungsschritten eine Reinigungseffizienz von 99,6 % bei einem SIE-Wert von 2222 kWh·1000 m3 auf, während eine konventionelle thermische Nachbehandlung gemäß Referenzanlagen nur einen Wirkungsgrad von ca. 18 % erreichte.