Luchtemissiebeperkende techniek – Biotricklingfilter

Inhoud

• Varianten en synoniemen
• Verwijderde stoffen
• Werkingsprincipe
• Toepasbaarheid
• Varianten techniek
• Installatie, ontwerp en onderhoud
• Milieuaspecten
• Financiële aspecten

Varianten en synoniemen

• Biotrickling (BTF), lavafilter
• Moving bed trickling filter (MBTF)

Verwijderde stoffen

Vooral: geur, H₂S, VOS

In mindere mate: ammoniak

Werkingsprincipe

Het werkingsprincipe van een biotricklingfilter is hetzelfde als dat van een biofilter, namelijk biologische omzetting van organische stoffen in een afgas en zuurstof (in lucht) in biomassa, kooldioxide (CO₂) en water. Een biotricklingfilter is een installatie bestaande uit een gesloten reactor met micro-organismen, waar doorheen niet alleen het te behandelen afgas wordt geleid maar ook een waterstroom.

De micro-organismen leven op een dragermateriaal dat als vast bed is uitgevoerd in het geval van een biotricklingfilter, of op los materiaal in het geval van een moving bed filter. Het dragermateriaal bestaat uit kunststofschuim, uit lava, uit plastic gestructureerde pakking of kunststof bolletjes. De micro-organismen op het dragermateriaal zetten de verontreinigingen in het afgas om middels microbiologische processen om in leven te blijven, voor groei en de daarvoor benodigde energie.

Om het biofilter actief te houden moeten er meestal nutriënten worden toegevoegd, evenals zuren of logen om de zuurtegraad te stabiliseren. De omzetting gebeurt meestal aeroob, dat wil zeggen met zuurstof, maar anaeroob (zonder zuurstof) is ook mogelijk.

Naast omzetting naar biomassa worden koolwaterstoffen in aerobe omstandigheden omgezet in water en kooldioxide en voorkomende stikstof- en zwavelhoudende verbindingen in respectievelijk nitraat en sulfaat. De gevormde nitraat en sulfaat worden als zouten opgelost in water afgevoerd. Onder anaerobe omstandigheden zullen methaan, ammoniak/ammonium, zwavelwaterstof/sulfide worden gevormd. Dankzij de waterstroom is de afvoer van zouten beter mogelijk dan bij biofilters met een ‘stationaire’ waterfase.

Een biotricklingfilter met vast bed wordt zo bedreven dat er netto geen aangroei van de micro-organismen (biomassa) plaatsvindt. Dit is mogelijk doordat micro-organismen energie nodig hebben voor hun voortbestaan en die energie uit de (aangegroeide) biomassa halen. In het geval van een moving bed filter kan de aangegroeide biomassa worden afgescheiden en het dragermateriaal gerecycleerd en teruggevoerd in de reactor.

Toepasbaarheid

Een biotricklingfilter wordt vooral gebruikt voor het verwijderen van geurstoffen maar wordt ook wel toegepast voor het reinigen van lage concentraties van wateroplosbare verontreinigen in koude afgassen zoals zwavelwaterstof (H₂S), ammoniak (NH₃), koolstofdisulfide (CS₂) en koolwaterstoffen.

Biotrickling wordt toegepast bijvoorbeeld in de volgende sectoren:

• (petro)chemische industrie
• afvalwaterzuivering, slib- en afvalverwerkingsinstallaties
• drukkerijen, houtbe- of verwerking, meubelindustrie, metaalbewerkende industrie
• tabaksindustrie
• textielindustrie
• veehouderij

Zeer Zorgwekkende Stoffen

Biotricklingfilters kunnen geschikt zijn voor de reiniging van luchtstromen met ZZS Klik hier voor uitleg over dit begrip (opent in popup), maar dit zal niet vaak voorkomen. De toepassing is sterk afhankelijk van de te reinigen stof. Deze dient wateroplosbaar te zijn, biologisch afbreekbaar en niet giftig voor de micro-organismen. Er zijn niet veel ZZS die voldoen aan deze criteria. De uitgangsconcentratie van een biotricklingfilter kan laag genoeg zijn om te voldoen aan de emissiegrenswaarden voor ZZS.

Combinatie van technieken

Afhankelijk van de voorgaande processen moet het afgas worden voorbehandeld. Dit betreft meestal afkoelen tot een geschikte temperatuur, stof afvangen en eventueel verwijderen van stoffen die giftig zijn voor de micro-organismen. Vaak worden stoffilters voor het biofilter geplaatst. De reactor van een biotricklingfilter heeft vaak een sectie die als gaswasser dient. Het is niet gebruikelijk om na een biotricklingfilter een andere techniek te plaatsen.

Het Moving Bed Trickling Filter (MBTF) is een systeem dat vooral bedoeld is om afgassen te behandelen samen met afvalwater.

Milieuprestaties

De milieuprestaties zijn in de volgende tabel aangegeven. De gepresenteerde waarden zijn afhankelijk van de specifieke configuratie en bedrijfscondities. De waarden zijn in principe gebaseerd op halfuurgemiddelde waarden. In voorkomende situaties kunnen afwijkende waarden gerechtvaardigd zijn.

Randvoorwaarden

Debiet [Nm³/uur]: 1.000 - 500.000 (biotrickling), of 5.000 – 40.000 (MBTF)

Temperatuur [°C]: 15 – 40, optimum tussen 30 – 35

Druk [bar]: Atmosferisch

Drukval [mbar]: 2 – 10

Concentratie micro-organismen: >15 gram/liter droge stof

Varianten techniek

Biotricklingfilter

Een biotricklingfilter bestaat uit een gepakte absorptiekolom, die continu of discontinu door circulatie of enkelvoudige toevoer wordt bevochtigd en van nutriënten wordt voorzien. De bedoeling hierbij is dat de biomassa op de pakking achterblijft en niet met het water wordt meegevoerd. Het filter kan worden geënt met een actief slib of met een entcultuur die gericht is op de beoogde zuivering.

Na oplossen (absorptie) in de dunne waterfilm worden de verontreinigingen afgebroken door een op de pakking groeiende laag micro-organismen (‘biofilm’); de gevormde zouten worden door het water afgevoerd. Dankzij de mobiele waterfase is de afvoer van verzurende afbraakproducten beter mogelijk dan bij biofilters met een stationaire waterfase. De zuurgraad van de circulatiestroom kan gecorrigeerd worden door dosering van loog of suppletiewater.

Bij recirculatie kan slechts een beperkte cultuur groeien waar bij enkelvoudige, discontinue toevoer meerdere culturen kunnen ontstaan waarmee in één systeem diverse componenten kunnen worden afgebroken. Biotricklingfilters worden vaak toegepast als tweefase filters met een sectie voor verwijdering van verzurende stoffen als H₂S en een sectie voor verwijdering van overige geurcomponenten.

Het filtermateriaal bestaat uit kunststofschuim, uit lavastenen of uit kunststofvormen. Het oppervlak is van een dusdanige structuur zijn dat de biomassa zich er goed aan kan vasthechten. Lavastenen worden vaak toegepast als dragermateriaal, bijvoorbeeld bij afvalwaterzuiveringsinstallaties. Kunststofvormen (bijvoorbeeld uit polypropyleen) zijn in vergelijking lichter en hebben meer vrije ruimte voor de micro-organismen en zijn minder gevoelig voor dichtslibben.

Moving bed biotricklingfilter

Het Moving Bed Trickling Filter (MBTF) is een systeem dat vooral bedoeld is om afgassen te behandelen samen met afvalwater. Het MBTF bestaat in basis uit:

• een reactor gevuld met los dragermateriaal, zoals bijvoorbeeld gegroefde kunststofballetjes
• vloeistofrecirculatiesysteem, en
• slibafscheider

Het te zuiveren afvalwater wordt met een regelbare circulatiepomp naar de bovenkant van de reactor gepompt, en door middel van een ronddraaiende sproeiarm over het bed verdeeld. Het gereinigde water wordt opgevangen in de buffer/bezinkruimte, waar eventueel aanwezige slibdeeltjes kunnen bezinken. Het afgas wordt met een externe ventilator in meestroom met het afvalwater de reactor ingeblazen. Onderin zorgen speciale secties in de zeefplaat vervolgens voor een goede afscheiding van lucht en water, waarna de gezuiverde lucht naar de atmosfeer wordt afgelaten.

Zoals in elke biologische zuivering, wordt een deel van de aangevoerde verontreinigingen omgezet in biomassa. De hoeveelheid biomassa in de reactor zal hierdoor toenemen. Zonder maatregelen leidt dit in conventionele tricklingfilters tot verstopping. In het MBTF wordt verstopping voorkomen door een deel van het begroeide dragermateriaal naar de top van de reactor te pompen, waar het losse dragermateriaal via een cycloon op een zeefplaat worden gestort.

Door de cycloonwerking en de daaropvolgende valenergie wordt een groot deel van de biomassa van het dragermateriaal verwijderd. Het gereinigde dragermateriaal valt bovenop het bed en neemt weer deel aan het zuiveringsproces. Het afgescheiden slib moet worden afgevoerd.

Installatie, ontwerp en onderhoud

De handhaving van de biologische filmlaag (biofilm) van de pakking is van essentieel belang. Een te grote aanwas kan leiden tot (lokale) verstoppingen die uiteindelijk resulteren in voorkeursstromingen, waardoor het uitwisselingsoppervlak en dus de werking van het biotricklingfilter wordt verminderd. Dit is vooral een punt van aandacht in systemen die koolwaterstoffen verwijderen, minder bij systemen die gericht zijn op het verwijderen van H₂S of NH₃.

De aanwas en de dikte van de biofilm kan onder andere worden beheerst door de dikte van de biofilm op mechanische wijze te beïnvloeden (bijvoorbeeld variatie van de bevochtiging), of de groeisnelheid van de micro-organismen te beïnvloeden door de zuurgraad en/of het zoutgehalte te variëren.

Bij biotricklingfilters waaraan hoge H₂S-concentraties worden aangeboden, bestaat de kans op de vorming van elementair zwavel door onvolledige biologische oxidatie. Dit uit zich door duidelijk herkenbare gele korrelige structuren en kan uiteindelijk leiden tot verstoppingen en voorkeursstromen.

Biotricklingfilters die hoge concentraties anorganische verbindingen (NH₃ of H₂S) verwerken, hebben meestal micro-organismen, die CO₂ uit de lucht gebruiken als koolstofbron. Gezien de over het algemeen meer dan voldoende hoge concentraties CO₂ in de lucht, dient extra rekening te worden gehouden met sterke aanwas van de biofilm.

Monitoring

De samenstelling van het water moet worden bepaald door continu metingen van pH, temperatuur en geleidbaarheid.

Milieuaspecten

De belangrijkste voordelen zijn:

• betere betrouwbaarheid dan een biofilter
• compacter dan een biofilter
• een MBTF kan waterstromen en luchtstromen tegelijk reinigen
• weinig gebruik van additieven
• reinigt ontvlambare en/of explosieve gassen op relatief veilige wijze

Nadelen zijn:

• een constante luchtstroom is nodig, fluctuaties in debiet en ingangsconcentraties leiden tot lagere reinigingsefficiëntie (niet bij MBTF)
• groeiende biomassa kan een biotricklingfilter doen verstoppen, MBTF heeft dit probleem niet
• niet geschikt voor stoffen die slecht in water oplossen
• productie van afvalwater

Hulpstoffen en energie

Waterverbruik: Het waswater van een biotricklingfilter moet worden gespuid en aangevuld.

Chemicaliën: Zuren, basen, oxidatiemiddelen om de condities van het water geschikt te maken voor micro-organismen. Vaak is het noodzakelijk om specifieke voedingsstoffen (nutriënten) toe te voegen.

Energieverbruik: Het biotricklingfilter verbruikt zelf weinig energie (ca. 0,5 kW/1.000 m³/uur). Daarnaast is er elektriciteitsverbruik voor de drukval die de ventilator moet overwinnen. Deze drukval bedraagt circa 2-6 mbar, afhankelijk van de gasbelading van het systeem en de mate van biologische dichtgroei.

Milieuafwegingen

Terugwinning: Terugwinning van product is niet mogelijk. Het gevormde sulfaat of nitraat kan nuttig worden gebruikt maar dat is ongebruikelijk.

Lucht: Er ontstaan geen andere vormen van luchtverontreiniging. Wel zal een gekoelde gasstroom minder pluimstijging vertonen, wat nadelig is voor de verspreiding van de emissies in de buitenlucht.

Afvalwater: Er ontstaat een kleine hoeveelheid afvalwater om verzuring van het bed tegen te gaan en om de gevormde zouten af te voeren.

Afval: Bij een biotricklingfilter ontstaat er vanuit het proces geen afval; bij een MBTF komt een slibstroom vrij, vergelijkbaar met afvalwaterzuiveringsslib. Periodiek dient (een gedeelte) van de pakking te worden vervangen / ververst. Dit is vaker met lavastenen dan met kunststofvormen. Afhankelijk van de toepassing is de vervanging bij een gestructureerd kunststofvormen tussen 5 jaar bij CS₂ toepassingen en 20 jaar bij H₂S toepassingen.

Veiligheid: Er zijn geen bijzondere veiligheidsaspecten anders de gevaareigenschappen van eventuele zuren of basen voor het stabiliseren van de zuurtegraad. Ontvlambare en/of explosieve gassen kunnen op relatief veilige wijze worden behandeld door de gunstige omstandigheden bij biologische processen.

Financiële aspecten

Investeringen [EUR per 1.000 Nm³/uur]: 10.000 – 30.000

Operationele kosten [EUR per 1.000 Nm³/uur]: niet bekend

Operationele kosten

Dit is een opsplitsing van de operationele kosten. Ze tellen dus niet apart mee bij een kostenberekening. Zie ook Financiële aspecten op de pagina Opbouw van de factsheets.

Personeel [uur/week]: Circa 4

Materiaal: Pakkingsmateriaal gaat normaal gesproken vele jaren mee.

Energieverbruik [kWh/1.000 Nm³]: 0,5 - 1

Baten: Zelden behalve bij teruggewonnen product (bijvoorbeeld zwavel).

Kostenbepalende parameters: Debiet, concentratie en type verontreiniging, verlangde efficiëntie

Informatiebronnen

1. Handreiking luchtemissiebeperkende technieken; DHV, 15 april 2009
2. BREF Waste Gas Management and Treatment Systems in the Chemical Sector; first draft, 2019
3. BREF Common Waste Water and Waste Gas Treatment/Management Systems in the Chemical Sector, 2016
4. BVT 2016
5. VITO LUSS: Biotricklingfilter
6. Leverancier Azzuro