Biofilter

Biofilter sind biologisch wirkende Festbettreaktoren zur Reinigung von Luft oder Wasser. Es handelt sich hierbei nicht um Filter im eigentlichen Sinne, da der Hauptzweck die Abscheidung von gasförmigen bzw. gelösten Substanzen und nicht von festen Partikeln ist.

Die Idee, Abluft auf biologischem Wege zu reinigen, war bereits in den 1970er Jahren bekannt, konnte jedoch erst in den 1980ern dank intensiver Forschung in die Praxis überführt werden. Basierend auf einem mikrobiologischen Verfahren entstand daraus mit den Jahren ein modulares Anlagenkonzept mit nahezu universellen Einsatzmöglichkeiten.

Funktionsweise

Die Biofiltration stellt eine relativ einfache und kostengünstige Methode zur Reinigung von geruchstoffhaltiger und VOC-haltiger Abluft dar. Mikroorganismen zerlegen dabei Schad- und Geruchsstoffe in harmlose Produkte wie Kohlenstoffdioxid und Wasser. Eingesetzt werden Biofilter überwiegend für die Abluftreinigung. Für spezielle Aufgaben werden aber auch Biofilter in der Wasser- und Abwasserreinigung verwendet. Die nachfolgenden Angaben beziehen sich auf die Abluftreinigung. Die Verfahren für die Biofilterung von Wässern basieren auf den gleichen Grundlagen und sind dem flüssigen Medium angepasst.

Die biologische Abluftreinigung nutzt Mikroorganismen, um Schadstoffe aus der Luft durch mikrobiellen Abbau zu entfernen. Der Abbau, der in der Luft enthaltenen Substanzen, erfolgt durch verschiedene Organismen, wie Bakterien und Pilze. Vereinfacht dargestellt, wandeln die Mikroorganismen die Schadstoffe mit Hilfe von Sauerstoff in Kohlenstoffdioxid und Wasser um, das heißt es handelt sich um ein stoffzerstörendes Verfahren. Diese Reaktion kann nur dann ablaufen, wenn die Schadstoffe von der Gas- in die Wasserphase überführt werden, da das Wasser den Lebensraum der Mikroorganismen bildet. Deshalb ist der Übergang der Schadstoffe in die wässrige Phase ein wichtiger Faktor bei allen biologischen Verfahren. Es setzen sich diejenigen Mikroorganismen durch, die sich am besten an die herrschenden Bedingungen und an das Nahrungsangebot, also die zu reinigenden Schadstoffe anpassen können. Dabei handelt es sich immer um eine Mischung aus verschiedenen heterotrophen Arten, welche die Schadstoffe in der Luft als Kohlenstoff- und Energiequelle nutzen.

Bauformen und Betriebsweise

Biofilter werden in vielen verschiedenen Bauformen betrieben, wie zum Beispiel Flächenfilter, Containerfilter, Etagenfilter, Wabenfilter und Turmfilter. Bei allen Bauformen durchströmt die Abluft eine Filtermaterialschüttung. Vor dem Biofilter ist in manchen Fällen ein Luftwäscher angeordnet, in welchem die Luft auf einen Sättigungsgehalt von nahezu 100 % relative Luftfeuchte gebracht wird. Dies soll das Austrocknen des Materials verhindern. Außerdem kann im Luftwäscher auch je nach Bedarf die Entfernung von Partikeln aus der Abluft stattfinden. Das wasserdampfgesättigte und staubfreie Rohgas wird dann dem Biofilter zugeführt, in dem sich das Filtermaterial befindet. Dieses wird stets durch eine zusätzliche Bewässerung feucht gehalten. Die Mikroorganismen sind auf dem Filtermaterial immobilisiert. Beim Durchströmen der Filterschicht sorbieren die Abluftinhaltsstoffe auf der Oberfläche des Materials und stehen so den Mikroorganismen zum Abbau zur Verfügung. Um eine hohe mikrobielle Aktivität im Filter zu gewährleisten, müssen optimale Bedingungen für die Mikroorganismen hinsichtlich pH-Wert, Feuchtigkeit des Filtermaterials, Temperatur und Nährstoffversorgung eingehalten werden. Die Praxis zeigt, dass die sich in Biofiltern entwickelnden mikrobiellen Mischpopulationen sehr robust sind, wenn gewisse Parameter eingehalten werden.

Filtermaterial

An das Filtermaterial werden vielfältige Anforderungen gestellt. Es soll eine große spezifische Oberfläche und damit eine große Aufwuchsfläche für die Mikroorganismen aufweisen, die Feuchtigkeit gut speichern können, einen geringen Druckverlust beim Durchströmen verursachen, eine gewisse Pufferkapazität gegen pH-Wert Schwankungen aufweisen, ein gleichmäßiges Durchströmen des Filterbettes ermöglichen und eine geringe Verrottungsgeschwindigkeit haben. Außerdem sollen die Mikroorganismen mit anorganischen Nährstoffen und Spurenelementen versorgt werden. Folgende Stoffe, auch als Gemische, sind als Filtermaterial geeignet:^[1]

• Kompost aus Rinden oder Müll
• Heidekraut, Reisig oder Kokosfasern
• Torfprodukte
• Papiergranulat

Zusätzlich zur Auflockerung werden diesen Materialien inerte Zuschlagsstoffe wie Blähton, Styropor oder Schaumstoff zugesetzt. Das Filtermaterial ist dabei nicht nur Träger für die Mikroorganismen, sondern auch ein Nährstofflieferant.

Vor- und Nachteile der Biofiltration

Beim Betrieb eines Biofilters liegt ein Hauptproblem darin, eine stellenweise Austrocknung oder Vernässung des Filtermaterials zu verhindern und dadurch ein gleichmäßiges Durchströmen des Filterbettes zu ermöglichen. Dies lässt sich vor allem durch die Kapselung der Biofilter erreichen. Nachteilig kann auch der große Platzbedarf dieser Anlagen sein. Im Vergleich zu konkurrierenden thermischen Verfahren überzeugt das biologische Reinigungsverfahren oftmals durch CO₂-Einsparungen und zahlreiche ökonomische Aspekte, wie kostengünstige Anschaffungskosten, langjährige Filterstandzeiten und geringe Betriebskosten.

Verfahrenstechnische Grundlagen ^[2]

Die verfahrenstechnische Grundlage ist im Wesentlichen eine biochemische Oxidation und damit Abbau und Umwandlung der Stoffe durch Bakterien, Pilze und Hefen in unschädliche und geruchlich nicht störende Substanzen. Voraussetzungen sind, dass die schädlichen Stoffe wasserlöslich, biologisch abbaubar und für die Mikroorganismen nicht toxisch sind. Die auf geeignetem Filtermaterial sessilen Mikroorganismen verwerten die in der Abluft enthaltenen VOC-Substanzen für ihre Stoffwechselvorgänge. Der Abbau erfolgt unter aeroben Bedingungen und genügend Sauerstoff muss vorhanden sein. Letzteres ist durch den in der Abluft enthaltenen Sauerstoff üblicherweise gegeben. Wasserdampfgesättigte Abluft ist zu verwenden, da das Filtermaterial feucht sein muss.

Anwendungsgebiete für Biofilter der Abluftreinigung

Biofilter finden hauptsächlich Anwendung zur Abluftreinigung bei nachfolgenden Anlagen:^[3]

Abwasserreinigung (sowohl kommunal als auch industriell)

Abfallverwertung, Kompostierungsanlagen, MBAs

Oberflächenbeschichtungen mit Lösemitteln (Metalle, Holz und Kunststoffe)

Lebensmittelverarbeitung, Pilzzucht, Räuchereien

Ölmühlen und Mälzereien

Landwirtschaftlichen Anlagen

Biogasanlagen, Deponiegasentsorgungen

Tierkörperverwertungsanlagen

Futtermittelproduktionsanlagen

Schlachthöfe

Abluft der Schlammtrocknungsanlagen

Geruchsbelastete Produktionsabluft

Biofilter zur Geruchsbeseitigung

Das Haupteinsatzgebiet von Biofilteranlagen liegt traditionell in der Reinigung von geruchstoffbelasteter Abluft. Der mikrobielle Abbau der Geruchs- und Schadstoffe zu CO₂ und H₂O bzw. geruchlich nicht mehr wahrnehmbaren Verbindungen erfolgt bei Umgebungstemperatur, so dass keine zusätzliche Energie und Zusatzstoffe eingesetzt werden müssen. Die Betriebskosten sind bei diesem Verfahren folglich sehr gering. In vielen Bereichen gehört die Biofiltration zum Stand der Technik. In Deutschland und Europa werden tausende Biofilteranlagen zur Geruchsreduzierung aus den unterschiedlichsten Emissionsquellen eingesetzt. Geruchsprobleme treten häufig in der Nähe von Kläranlagen, Deponien, Gießereien, Brauereien, Nahrungsmittelindustrie, Tierkörperverwertungsstellen, Müllaufbereitungsanlagen, Landwirtschaftlichen Betrieben und Schlachtereien auf. Die Biofiltration stellt das kostengünstigste und verlässlichste Verfahren zur Geruchsstoffbeseitigung dar - es werden Wirkungsgrade bis zu 99% erzielt.

Biofilter zur Lösemittelelimination

Mit der Neufestlegung und Verschärfung der Emissionsgrenzwerte der 31. Bundes-Immissionsschutzverordnung kommen bei der Reinigung von lösemittelbelasteter Abluft aus unterschiedlichsten Industriezweigen wie z.B. Möbellackierung, Oberflächenbeschichtung, chemischer Industrie, Galvanik, Kunststoffverarbeitung, Lackierung von Autoteilen usw. auch vermehrt Biofiltersysteme zum Einsatz.

Die meisten Lösemittel stellen für die Mikroorganismen eine gut geeignete Kohlenstoffquelle dar, die sie für ihre Energiegewinnung oxidieren und in nicht schädliche Verbindungen überführen können. Bei diesem Prozess werden keine Stützbrennstoffe wie Öl oder Gas benötigt. Vorteile der Biofiltration gegenüber den thermischen Verfahren sind somit die CO₂–neutrale Funktionsweise, sowie die geringen Betriebskosten.

Ab einer Kohlenwasserstoffkonzentration von mehr als 1.500 mg/m³ sind biologische Verfahren zu Lösemittelelimination nur noch bedingt geeignet - hier sollte auf andere Verfahren der Abluftreinigung wie beispielsweise die regenerative Nachverbrennung zurückgegriffen werden.

Biofilter für Kanalschächte

Ein Einsatzgebiet ist zum Beispiel der Biofilter für Kanalschächte, der unter dem Schmutzfänger in einen Kanalschacht gehängt wird und das Austreten von starken Gerüchen aus der Kanalisation, vor allem am Auslauf von Druckrohrleitungen, verhindern soll. Er enthält einen integrierten Schmutzfänger und eine Filterfüllung (Gemisch aus Torf und Füllkörpern für Mikroorganismen). Das anfallende Oberflächenwasser wird über einen Auffangtrichter unter dem Schlammfang aufgefangen und über ein Fallrohr abgeleitet. Eine Gummidichtung verhindert den Austritt ungereinigter Luft. Moderne Filter behindern den Luftdurchtritt nicht mehr. Moderne Filter auf Papierbasis sind wartungsfrei und funktionieren 5 bis 6 Jahre ohne ständige Überwachung und Pflege. Der Wirkungsgrad liegt bei 99%.

Anforderungen an die Abluft zur biologischen Abluftreinigung

Die wichtigsten Voraussetzungen für das Funktionieren von Biofiltern sind:

• Einhaltung günstiger Temperaturen (5 bis 40 °C, in bis 55 °C).
• Befeuchtung des Filtermaterials um ein Austrocknen des Filtermaterials zu verhindern.^[4]
• Homogenes Filtermaterial um keinen ungefilterten Durchtritt durch das Material in Rissen und Spalten zu ermöglichen.
• Zu reinigende Inhaltsstoffe der Abluft müssen wasserlöslich sein.
• Zu reinigende Inhaltsstoffe der Abluft müssen biologisch abbaubar sein.
• Ergänzende Nährstoffe im Filtermaterial.^[5]

Abwasserreinigung in Biofiltern

Abwässer können in den meisten Fällen auf biologischem Wege gereinigt werden, dabei ist zu beachten, dass die Wasserqualität von den Inhaltsstoffen abhängig ist. Das Wasser wird durch die Adsorption, durch natürliche Fällungsreaktionen, durch Pflanzen und Mikroorganismen sowie durch Bakterien auf biologische Weise gereinigt. Dieses Verfahren wird bei den Pflanzenkläranlagen angewandt, um ungereinigtes Wasser zu reinigen und damit die Wasserqualität erheblich zu verbessern. In den technischen Klärwerken werden die Abwässer unter anderem auf biologische Weise gereinigt.

Einzelnachweise