Naßwäscher / Absorptionswäscher

In einem Großteil der Anwendungsfälle, insbesondere bei Abluft aus biologischen Prozessen (Kläranlagen, Rest- und Biomüllaufbereitungsanlagen), aber auch in vielen Bereichen der Industrie (z. B. Halbleiterfertigung) fällt Abluft mit wasserlöslichen Verunreinigungen an. Diese können als Gase (z. B. HCl), Dämpfe (z. B. Alkohole), Flüssigkeitströpfchen oder Aerosolen (z. B. Salze aus sich neutralisierenden Abluftbestandteilen) zusammengesetzt sein. In solchen Fällen bietet sich das Verfahren der Naßwäsche oder Absorptionswäsche an.

Merkmal sämtlicher Naßwäscheverfahren ist das Waschmedium Wasser. Dieses kann bei der Absorption gut wasserlöslicher Komponenten (z. B. starke Säuren wie HCl oder HF) ohne Zusatzstoffe, oder zur Absorption schwach saurer oder basischer Verunreinigungen unter Dosierung von Laugen oder Säuren verwendet werden. Bei den meisten Wäschersystemen wird das Waschmedium mittels einer Pumpe aus einem Vorlagebehälter im Kreislauf gefördert und nach Erreichen eines bestimmten Sättigungsgrades entsorgt. Dies kann oft durch Einleiten in Betriebskläranlage oder Kanalnetz völlig problemlos geschehen.

Wichtige Voraussetzung für eine optimale Abscheidung der Schadstoffe aus der Abluft ist eine ausreichende Grenzfläche zwischen Gas- und Flüssigphase. Diese kann je nach Lage der Dissoziations- und Verteilungsgleichgewichte der korrespondierenden Stoffe durch Versprühen der Waschflüssigkeit oder den Einsatz einer oder mehrer Füllkörperschüttungen erreicht werden. Bei beiden Prinzipien wird die Abluft intensiv mit der Waschflüssigkeit, die entweder als Tröpfchennebel oder Flüssigkeitfilm auf den benetzten Füllkörpern vorliegt, verwirbelt, so daß ein inniger Kontakt von Gas- und Flüssigphase stattfindet. Ein weiterer Parameter zur Beeinflussung der Gleichgewichtslage ist der pH-Wert des Waschmediums. Dieser kann, wie oben erwähnt, durch pH-Wert- oder zeitgesteuerte Zudosierung einer Hilfschemikalie (meist NaOH oder HCl bzw. H2SO4) in die gewünscht Richtung verschoben werden.

In der Bauweise der Absorptionswäscher unterscheidet man liegende und stehende Systeme:

Ein optimaler Abscheidewirkungsgrad wird bei der Verwendung stehenden Gegenstrom-Kolonnen erzielt. Hier wird der Abluftstrom von unten nach oben durch die Reaktionszone (Sprühzone oder Füllköperschüttung) geführt, während das Waschmedium von oben über Düsenstöcke oder Rinnenverteiler aufgegeben wird. Bei festgelegter Gasgeschwindigkeit ergibt sich aus der benötigten Verweilzeit der Gasphase die Kolonnenhöhe. Wird bei dieser Bauart der Vorlagebehälter des Flüssigkeitskreislaufes in den Fuß der Kolonne integriert, so können minimale Aufstellflächen realisiert werden.

Bei geringer zur Verfügung stehender Raumhöhe kommen meist liegende Kreuzstromwäscher zum Einsatz. Hier wird die zu behandelnde Abluft in horizontaler Richtung durch die Reaktionszone geführt, während das Waschmedium ebenfalls von oben aufgegeben wird. Auch hier wird der Vorlagebehälter des Flüssigkeitskreislaufes meist in den Wäscherkorpus integriert. Diese Wäscherbauart benötigt zwar eine wesentlich größere Stellfläche, bietet aber gegenüber den stehenden Systemen eine wesentlich bessere Zugänglichkeit der relevanten Bauteile (Flüssigkeitsverteiler, Reaktionszone u. ä.).

Bei sämtlichen Bauformen wird der gereinigte Abluftstrom vor Verlassen des Absorbers durch einen Tropfenabscheider geführt, der den Mitriß von Flüssigkeitströpfchen minimiert.

Weiterhin können die Wäscheranlagen sowohl im Gebäude als auch im Freien errichtet werden. Bei letzterer Aufstellungsvariante kann der Flüssigkeitssumpf mit einer temperaturgeregelten Frostschutzheizung und die Umwälzleitungen mit Isolation und Begleitheizung versehen werden.


Oxidationswäscher

Ein besonderes Verfahren innerhalb der Naßwäscher-Technologie stellt die Oxidationswäsche dar. Hier wird dem Waschmedium zur chemischen Zerstörung giftiger oder schwer abbaubarer Substanzen ein starkes Oxidationsmittel zudosiert. In den meisten Fällen ist dies Ozon oder Wasserstoffperoxid, dessen Einsatz in einer sauren oder neutralen Wäscherstufe am effektivsten ist.

Klassische Anwendungsfälle dieser Technik sind die NOx -Abscheidung, wo wasserunlösliches NO zu wasserlöslichem NO2 aufoxidiert wird, oder die Abscheidung des giftigen H2S (z. B. im Kläranlagenbereich), das durch Oxidation in unkritisches SO4 überführt wird.


Mehrstufige Wäscher

Bei Belastung des Abluftstromes mit Substanzen verschiedenen chemischer Eigenschaften erfolgt die Abscheidung meist stufenweise in verschiedenen nacheinander geschalteten Waschstufen. Dies kann realisiert werden durch mehrere nebeneinander stehenden Gegenstromkolonnen oder mehrere Kreuzstrom-Waschstufen, die dann meist in einem gemeinsamen Wäscherkorpus untergebracht werden.

Klassisches Beispiel ist die Behandlung eines gemischten Abluftstromes aus Einlaufbereich und Schlammbehandlung einer Kläranlage mittels eines dreistufigen Kreuzstromwäschers. Hier werden in der ersten, neutralen, Stufe die leicht wasserlöslichen Schadstoffe ohne Chemikalienverbrauch abgeschieden. Die zweite Stufe wird zur Entfernung der basischen Inhaltsstoffe im sauren pH-Bereich betrieben, evtl. unter Zusatz eines Oxidationsmittels zur vollständigen Elimination der Geruchs- oder Giftstoffe. Die dritte Stufe wird zur Abscheidung der sauren Verunreinigungen mit alkalischen Medium betrieben.


Biofilter

Das Verfahren der Abluftreinigung durch Biofilter beruht auf dem Prinzip der Schadstoffadsorption und anschließendem Abbau durch biologische Metabolisierung (Stoffwechselvorgänge). Aufgrund der Fähigkeit der aktiven Mikroorganismen zur Spezialisierung und Adaptation eignet sich dieses Prinzip grundsätzlich zur Behandlung eines breiten Spektrums von luftverunreinigenden Stoffen organischen Ursprungs. Die wesentlichen Voraussetzungen für den biologischen Abbau solcher Substanzen sind niedriges Molekulargewicht, hydrophile und lipophile Lösungseigenschaften sowie am Molekül vorhandene funktionelle Gruppen.

Die Schadstoffe organischen Ursprungs werden von heterotrophen Mikroorganismen verarbeitet. Diese Bakterien und Pilze vermehren sich in einem günstigen Milieu nach einer exponentiellen Funktion. Bei geringer Nährstoffkonzentration kommt der Abbau zum Erliegen. Bei zu hohen Substratkonzentrationen kann es zur Wachstumshemmung kommen. Entscheidende Parameter bei der Entwicklung der Mikroorganismen sind Temperatur, Sauerstoffgehalt sowie ausreichende Feuchte der biologisch aktiven Schicht, da die Mikroorganismen in einem dünnen Flüssigkeitsfilm auf der Oberfläche eines Trägermaterials angesiedelt sind. Man unterscheidet psychrophile (kältevertragende), mesophile und thermophile (wärmebedürftige) Mikroorganismen, wobei die thermophilen die schnellsten Stoffwechselraten (entsprechend hoher Abbaugeschwindigkeit) aufweisen.

Bei den biologischen Verfahren zur Abluftbehandlung kommen in erster Linie Biofilter zum Einsatz. Zusätzlich ist in den meisten Fällen der Einsatz eines vorgeschalteten Naß- oder sogar Chemowäschers sinnvoll bzw. erforderlich, da durch diese zusätzliche Reinigungsstufe die Abluft auf den benötigten Wassergehalt angereichert und der Biofilter durch eine Vorabscheidung wasserlöslicher Abluftkomponenten entlastet wird.

Durch die Kombination von Vorwäscher und Biofilter sind Reinigungsleistungen von über 95% realisierbar.


Biofiltermaterialien und Abluftströmung

Das Biofiltermaterial ist über einem Luftverteilungssystem aufgeschichtet. Stand der Technik für die Luftverteilung sind Auflageroste mit einem durchlässigen Anteil von mind. 30 % der Fläche. Aufgrund der meist stark korrosiven Zusammensetzung der Abluft, müssen solche Rostsysteme aus entsprechenden Werkstoffen hergestellt sein. Meist werden Kunststoffe (PP oder PE), speziell Regranulate, verwendet.

Die Abluft wird mittels Ventilatoren durch die Filterschicht gefördert. Die Geruchs- und Schadstoffe werden in der Flüssigkeitsschicht auf der Oberfläche des Filtermaterials gelöst (Adsorption) und diffundieren durch den Wasserfilm zum Biofiltermaterial, wo Sie den angesiedelten Mikroorganismen als Nährstoffe dienen und so zum Abbau gelangen.

Das Biofiltermaterial selbst erfüllt mehrere Funktionen: Es dient den Organismen als Trägermaterial zur Ansiedlung, kann durch die große freie Oberfläche des Wasserfilmes Belastungsspitzen adsorptiv aufnehmen, die später abgebaut werden (Pufferkapazität), und dient bei Minderbelastungen als zusätzliche Nährstoffquelle für die Organismen.

Das Biofiltermaterial sollte folgende Eigenschaften besitzen:

Bei der Auslegung angestrebte Kenngrößen eines optimalen Biofilters sind:

Als Filtermaterialien werden Fasertorf, Heidekraut, Wurzelholz, Reisig, Rindenprodukte oder Mischungen aus den o. g. Materialien eingesetzt. Die Reingasbelastung richtet sich stark nach dem Eigengeruch des Filtermaterials und beträgt bei Einsatz eines Biofilters mit Befeuchter bei herkömmlicher Auslegung (100 bis 120 m/mh) ca. 150 GE/m. Hierbei ist zu beachten, daß der Eigengeruch von etwa Wurzelholzmaterialien einen waldartigen Eindruck vermittelt und daher bei olfaktorischer Messung meist nicht negativ bewertet wird.

Durch den niedrigen Strömungswiderstand baut sich im Druckraum vor dem Filter ein geringer statischer Überdruck auf, dessen Überwachung (z. B. optisch durch U-Rohr-Manometer) eine Beurteilung des Filtermaterials ermöglicht. Luftdurchbrüche am Filterrand werden durch Einlegen von Prallplatten und Leitblechen vermieden.


Standzeit des Biofiltermaterials

Das Filtermaterial wird im Laufe der Zeit durch biologischen Abbau mineralisiert. In den ersten 2 Jahren nimmt der organische Anteil um ca. 40 % ab, danach verläuft der Abbau wesentlich langsamer. Der pH-Wert sollte im neutralen bis schwach alkalischen Bereich liegen, um den Mikroorganismen ein optimales Milieu zu bieten. Die Standzeit des Biofilters hängt stark vom eingesetzten Filtermaterial ab. So weisen Torf- und Kompostmaterialien bei gleichzeitig relativ hohem Strömungswiderstand eine Standzeit von maximal drei Jahren auf, während Wurzelholzprodukte bei sehr niedrigem Druckverlust eine Standzeit von über fünf Jahren erreichen können.

Bei hoher Staubbelastung der Abluft kann eine Abscheidevorrichtung notwendig sein, da das Porenvolumen des Filters sonst durch Ablagerungen rapide abnimmt. Der Filter "verstopft" und verliert seine Reinigungsfähigkeit.


Befeuchtung und Temperatur

Der Abbaugrad der Schad- und Geruchsstoffe nimmt in einem gewissen Bereich mit der Feuchte des Filtermaterials zu. Es empfiehlt sich eine Feuchtigkeit der Biofilterschicht zwischen 30 und 60 %, in Abhängigkeit vom Filtermaterial. Höhere Feuchtegrade wirken sich negativ aus, da sich bei einer Durchnässung des Filterkörpers anaerobe Zonen (Sauerstoffmangel) ausbilden können, die wiederum selbst übelriechende Substanzen (Faulgase) freisetzen können. Um eine optimale Feuchte zu erzielen, muß die Abluft mit einer relativen Feuchte von 95 bis 98 % in den Biofilter eintreten.

Weiterhin ist zur Sicherstellung einer gleichbleibend hohen Reinigungsleistung eine relativ konstante Temperatur des Rohgases wichtig. Herkömmliche Biofilter werden in der Regel im mesophilen Bereich zwischen 15 und 40C betrieben. Bei zu geringer Temperatur der Abluft werden die Lebens- und Wachstumsbedingungen der Mikroorganismen gestört und die Abbauleistung geht stark zurück.

Als Abluftkonditionierung fungiert in erster Linie die Naßwäsche, mit der eine relative Luftfeuchte von über 95 % erzielt wird. Selbst Aerosole, Stäube und Fette, die den Filter verkleben würden, können damit entfernt werden. Zusätzlich dient die Naßwäsche zur Vorabscheidung der wasserlöslichen Geruchs- und Schadstoffe und entlastet somit den Biofilter.


Filterflächenbelastung

Der Biofilter sollte unabhängig vom Anfall der Abluft mit einem kontinuierlichen Volumenstrom beaufschlagt werden. Bei einer starken Reduzierung des Abluftstromes kann es im Biofilter zu Sauerstoffmangel kommen, eine Ausbildung anaerober Zonen, wie vorab beschrieben, wäre die Folge

Eine Mindestbelüftung von ca. 20 m/h pro m Filterfläche sollte immer gewährleistet sein. Eine Richtwert zur Auslegung eines Biofilters für übliche Rohgasbelastungen, wie sie in Klär- und Abfallbehandlungsanlagen auftreten, liegt bei ca. 100 m/mh; bei geringem Raumangebot für die Aufstellung des Filters kann dieser Wert auch bis auf 130 m/mh erhöht werden.

Geruchsspitzen kann ein gut funktionierender Biofilter auch bei schwankenden Filterflächenbelastungen gut abpuffern, so daß im Reingas nur sehr geringe Konzentrationsänderungen auftreten. Dies wird gewährleistet durch die Trennung von Adsorption und Abbau der Geruchsstoffe im Biofiltermaterial. Während die Abbauleistung bei höherem Substratangebot relativ langsam ansteigt (Wachstumsphase der Mikroorganismen) können bei hohen Rohgaskonzentrationen durch das Konzentrationsgefälle zwischen Wasserfilm und Gasphase sofort mehr Geruchsstoffe adsorbiert werden. Die so gepufferten Substanzen gelangen zeitversetzt zum Abbau.


Biofilter in Flächenbauweise

Bei großen Abluftvolumenströmen und den entsprechend benötigten Filterflächen ist es sinnvoll, Biofilter in Flächenbauweise anzuwenden. In diesem Fall wird der gesamte Filterkörper mehrere Kammern unterteilt, die meist in einer gemeinsamen Einfassung untergebracht sind und mit separaten Abluftzuleitungen mit Drossel- und Absperrorgan ausgerüstet sind. So kann bei Revisions- und Reparaturarbeiten stets ein Teil des Filters in Betrieb bleiben und für die Dauer der Arbeiten mit der erhöhten Abluftmenge beaufschlagt werden. Für diese Bauart bieten sich verschiedenen Ausführungsvarianten an:

Im Bodenbereich des Flächenfilters befindet sich das Luftverteilungssystem, die Bodenplatte selbst ist mit einem leichten Gefälle zur Ableitung des anfallenden Kondens- und Regenwassers über einen Kondensatschacht ausgeführt.

Das Filtermaterial ist in der Regel bis auf eine Höhe von 1,50 bis 2,00 m auf den Verteilungsboden aufgeschüttet.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, den Filter abzudecken und die Abluft über einen Kamin abzuleiten.

Die Konditionierung der Abluft wird gegebenenfalls mittels eines vorgeschalteten Wäschers realisiert, der als liegender oder stehender Wäscher ausgeführt werden kann.


Biofilter in Containerbauweise

Für die Anwendung auf begrenzten Flächen oder für kleinere bis mittlere Abluftströme, bietet die etha Anlagenbau GmbH Kompakt- oder Etagenfilter in Containerbauweise an.

Die modulare Bauweise ermöglicht durch Parallelschaltung mehrerer Filter die problemlose Erweiterung der Reinigungskapazität. Die Container werden in verschiedenen Normgrößen angeboten und in beschichtetem Stahl (stapelbare Container) oder in Kunststoff gefertigt. Da jeder Container über einen eigenen Gaseintrittsstutzen mit Drossel- und Absperrorgan mit der Abluft beaufschlagt wird, kann die Verteilung der einzelnen Teilluftströme auf die Module bei Inbetriebnahme bzw. nach Anlagenerweiterung zuverlässig einreguliert werden. Ebenso ist das Stillsetzen einzelner Container zu Reinigungs- oder Wartungszwecken ohne Beeinträchtigung der übrigen Module möglich.

Im Bodenbereich der Container befindet sich das Luftverteilungssystem, auf dem das Filtermaterial in der Regel bis auf eine Höhe von ca. 1,50 m aufgeschichtet ist. Der Containerboden ist mit einem leichten Gefälle zur Ableitung des anfallenden Kondens- und Regenwassers über einen Siphon ausgeführt.

Auch hier besteht die Möglichkeit, die einzelnen Filtermodule zur gefaßten Ableitung der Fortluft über einen Kamin abzudecken.

Die Befeuchtung der Abluft wird durch eine Waschstufe realisiert, diese kann als separate oder integrierte Waschstufe ausgeführt werden (siehe Ausführungsbeispiele im Anhang).