Reduktion von klimawirksamen Spurengasen in der Abluft von Biofiltern auf Bioabfallbehandlungsanlagen
Projektdurchführung
Gesellschaft für Wissenstransfer (GbR)
c/o Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn
Institut für Pflanzenernährung
Karlrobert-Kreiten-Str. 13
53115 Bonn
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens
In geschlossenen Bioabfallbehandlungsanlagen werden Biofilter zur Abluftreinigung eingesetzt und sind als Stand der Technik anerkannt. Allerdings zeigte sich bei Voruntersuchungen, dass bei hoher Raum-belastung des Biofilters mit Ammoniak der Biofilter einerseits eine relevante Quelle für Lachgas und Stickstoffmonoxid ist und andererseits der Abbau von gasförmigen Kohlenstoffverbindungen stark eingeschränkt ist. Ziel dieses Vorhabens ist es, eine NH3-Raumbelastung von unterschiedlichen Biofiltern zu ermitteln, unter derer der Biofilter keine Quelle von Spurengasen mehr darstellt und ein effizienter Abbau von Kohlenstoffverbindungen gewährleistet ist.
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIn einem ersten Schritt werden Biofilter an je einer Kompostierungs- und einer Vergärungsanlage ausgesucht, die genauer zu untersuchen sind. Bei dieser Vorauswahl ist es Ziel, möglichst viele Biofilter zu beproben. Jeweils im Roh- und Reingas werden die Gase NH3, N2O, NO, CH4, NMVOC und VOC bestimmt.
In einem zweiten Schritt werden an Laborfiltern die im Biofilter ablaufenden Prozesse untersucht. Dabei werden die VOC-Abbauleistung sowie die N2O- und NO-Neubildung in Abhängigkeit des NH3-Inputs untersucht.
Durch den Einsatz eines Säurewäschers, der einem Biofilter vorgeschaltet wird, soll in einem dritten Arbeitsschritt die NH3 Konzentration der Rohluft einer biologischen Abfallbehandlungsanlage sukzessive gesenkt und dabei die Gasemissionen aus dem Biofilter untersucht werden.
Ergebnisse und Diskussion
Die VOC-Abbauraten von im Betrieb befindlichen Biofiltern zeigten deutliche Unterschiede zwischen den Anlagen, wobei ein Zusammenhang zur Filtervolumenbelastung zu erkennen war. Aber auch innerhalb der Anlagen kam es an den verschieden Messterminen zu Unterschieden. Es ließ sich kein Zusammenhang nachweisen zwischen den VOC-Abbauraten und den NH3-Konzentrationen im Rohgas, welche zwischen 0 und 90 mg/m³ lagen. Alle untersuchten Biofilter stellten eine nennenswerte Quelle für N2O und NO dar, sofern über das Rohgas NH3 zugeführt wurde. Ein Zusammenhang zwischen der Spurengasbildung und dem NH3-Abbau im Biofilter ließ sich jedoch nur erkennen, wenn während der Untersuchungen einheitliche Bedingungen im Biofilter vorlagen. Ein CH4-Abbau fand in der Regel im Biofilter nicht statt. Bei ausreichend langen Verweilzeiten war ein CH4-Abbau jedoch möglich.
Der Zusammenhang zwischen der NH3-Belastung eines Biofilter und dem VOC-Abbau sowie der Spurengasbildung wurden im zweiten Teil der Arbeit mit vier Versuchsbiofiltern im Labormaßstab (30 x 200 cm) unter kontrollierten Bedingungen näher untersucht. Bei einer VOC-Zufuhr von 164 mg C/Nm³ (zusammengesetzt aus Ethanol, Isopropanol, Ethylacetat und Aceton) konnte selbst bei einer NH3-Zufuhr von 200 ppm (114 mg NH3-N/Nm³), welche deutlich über den in der Praxis gemessenen Werten lag, ein vollständiger VOC-Abbau erreicht werden. Ein hemmender Einfluss des NH3 auf den VOC-Abbau ließ sich also nicht nachweisen. Bei einer NH3-Zufuhr von 100 ppm konnte ein weitgehender NH3-Abbau im Biofilter festgestellt werden. Bei einer Zufuhr von 200 ppm sanken die Abbauraten jedoch zum Ende des Versuchs auf 68 % ab. Schon bei einer NH3-Konzentration von 5 ppm im Rohgas wurden N2O und NO gebildet, und es konnte ein enger Zusammenhang zwischen dem NH3-Abbau und der N2O- bzw. NO-Bildung im Biofilter festgestellt werden. Für die Bildung der Spurengase wurde die Nitrifikation verantwortlich gemacht. Es wurden etwa 29 % des abgebauten NH3-N zu N2O und 9 % zu NO umgewandelt. Im Profil des Biofilters lagen der wesentlichen NH3-Abbau und die N2O- bzw. NO-Bildung in der selben Zone. Es ist also bei jeder NH3-Zufuhr zum Biofilter mit einer Spurengasbildung zu rechnen. Sie kann nur unterbunden werde, wenn das NH3 vor Eintritt in den Biofilter aus dem Rohgas entfernt wird. Die hierfür notwendige Technologie steht in Form von sauren Wäschern zur Verfügung.
Der dritte Teil der Untersuchungen dienten dazu, unter Praxisbedingungen zu überprüfen, inwieweit sich nach Unterbindung der NH3-Zufuhr mittels saurer Wäsche die Abbauleistung eines Biofilters optimieren lässt. Sie wurden in enger Zusammenarbeit mit der Fa. Wessel-Umwelttechnik durchgeführt, die hierfür das System aus saurem Wäscher und Biofilter zur Verfügung gestellt hat. Das NH3 konnte mit dem sau-ren Wäscher vollständig aus dem Rohgas entfernt werden, weshalb auch hier kein N2O und NO im Bio-filter gebildet wurde. Der NMVOC-Abbau im Biofilter war jedoch zunächst äußerst gering. Hierfür konnte die Temperatur im Biofilter verantwortlich gemacht werden, die zeitweise nur bei etwa 10 °C lag. Durch eine Beheizung des Biofilter konnte der NMVOC-Abbau deutlich gesteigert werden. Zufriedenstellende Abbauraten konnten aber erst durch eine Düngung des Biofilters erreicht werden. Mit der Stickstoffzu-fuhr über die Düngung kam es jedoch auch wieder zu einer N2O-Bildung im Biofilter, wobei etwa 10 % des mit dem Dünger zugeführten Stickstoffs als N2O aus dem Biofilter ausgetragen wurden.
Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation
Berger J., Trimborn M., Clemens J. (2002): Klimagase aus Biofiltern bei der biologischen Abluftbehandlung: Hsg: Vorstand des Dachverbandes Agrarforschung. In: Umweltrelevante Spurengase in der Land- und Fortwirtschaft. agrar spectrum Nr. 34, 154-156. ISBN 3-7690-5033-9, Verlags-Union Agrar.
Trimborn M., Berger J., Cuhls C., Clemens J. (2002): VOC and ammonia removal and trace gas formation in biofilters from biological waste treatment, 223-226; In: GVC (Eds.): The Future of Waste Manage-ment in Europe, Strassbourg 7-8.10.2002; Koblenz
Fazit
Aus den durchgeführten Untersuchungen können folgende Schlussfolgerungen abgeleitet werden:
Der NMVOC-Abbau im Biofilter wird durch eine NH3-Zufuhr im Bereich von 0?200 ppm (0?114 mg NH3-N/m³) nicht beeinflusst. Toxische Einflüsse des NH3 sind somit in diesem Konzentrationsbereich auszuschließen.
Sobald NH3 in einen Biofilter gelangt, ist mit der Bildung der klimarelevanten Spurengase N2O und NO zu rechen. Dabei werden unabhängig von der Höhe der NH3-Zufuhr mit dem Rohgas, ca. 29 % des abgebauten NH3 zu N2O und ca. 9 % zu NO umgewandelt.
Die Bildung von N2O und NO in Biofiltern ist somit eine umweltrelevante Größe und muss bei der Bilanzierung und Beurteilung von Biofiltern berücksichtigt werden.
Die Bildung von N2O und NO im Biofilter kann durch eine Abscheidung des NH3 vermieden werden. Die hierfür geeignete Technik (saure Wäsche) steht zur Verfügung.
Durch die Abscheidung von NH3 ist nicht mit einem verbesserten VOC-Abbau zu rechnen.
Die Effektivität eines Biofilters kann durch ein geeignetes Management deutlich gesteigert werden. Hierbei ist unter anderem auf eine ausreichende Nährstoffzufuhr, Temperierung und Befeuchtung des Biofilters zu achten.