Biofilter

Synoniemen, afkortingen en/of procesnamen

—  Biobed
—  Biobedfilter
—  Biologische filter
—  Compostfilter

Verwijderde componenten

—  VOS
—  Geur
—  (NH3)
—  (H2S)

Principeschema

Procesbeschrijving

Bij biofiltratie wordt de te zuiveren gasstroom opwaarts doorheen een filterbed geleid, dat is opgebouwd uit biologisch materiaal, bv. compost, boomschors of turf. Het filtermateriaal is drager van een dunne waterfilm waarin micro-organismen leven. De verontreinigingen in de gasstroom worden door ad- en absorptie op het filtermateriaal weerhouden, en vervolgens door de aanwezige micro-organismen afgebroken. Het filtermateriaal doet hierbij dienst als leverancier van de nodige nutriënten. De afbraakproducten van de omzetting zijn koolstofdioxide, sulfaat, nitraat e.d.

Het droge stofgehalte van de filter varieert typisch van 40 tot 60 %. Om uitdroging van het bed tegen te gaan dient de gasstroom vrijwel verzadigd te zijn met water. Daarom wordt de te behandelen lucht meestal vooraf bevochtigd. Dit kan met een voorafgeschakelde wasser. Het gas moet 95 % relatieve vochtigheid hebben [5]. In de praktijk is het steeds beter om een bevochtiger voor te schakelen om de biofilter tegen uitdrogen te beschermen.

Voor gemakkelijk afbreekbare stoffen bevat het filtermateriaal van nature voldoende diverse soorten micro-organismen. Voor moeilijk afbreekbare stoffen kan de filter met speciale culturen worden geënt om een snellere opstart van de filter te verkrijgen en is een nauwgezette opvolging om de correcte werkingsparameters te behouden cruciaal. Toevoeging van mineralen en voedingsstoffen kan gewenst zijn indien het filtermateriaal te weinig voedingsstoffen vrijzet.

Voornamelijk mengsels van makkelijk en moeilijk afbreekbare stoffen zijn moeilijk af te breken in een biofilter omdat in de eerste plaats de makkelijk afbreekbare stoffen worden verwijderd en de complexere stoffen niet worden afgebroken.

Bij het ontwerp van de biofilter wordt via de afbraaksnelheid van de componenten in het afgas het benodigde bedvolume berekend. Indien de bedhoogte gekend is (meestal 1 -1,5 m) kan het vereiste biofilteroppervlak worden berekend. De biofilter kan op maat ter plaatse worden gemaakt of kan in vaste modules worden aangekocht. Afhankelijk van de belading en het debiet worden meerdere modules in parallel naast elkaar geplaatst. De typische oppervlaktebelading van een biofilter bedraagt 50 – 300 m³/m²h, maar kan dalen tot 5 en stijgen tot 500 m³/m²h.

Bij biofiltratie is het belangrijk dat het filtermateriaal een pH tussen 7 en 8 heeft voor afbraak van organische componenten. Bij een pH kleiner dan 6,5 wordt de afbraaksnelheid snel minder.

De verblijftijd van het gas door de filter moet minimaal 30 – 45 seconden zijn om een goede verwijdering te hebben van geur en solventen. Volgens de BBT [13] ligt de benodigde verblijftijd tussen 20 seconden en 1 minuut.

Bij het aanbrengen van de pakking moet er voor worden gezorgd dat het filtermateriaal zeer eenvormig is verdeeld en dat er geen vaste en losse zones zijn. Deze kunnen zorgen voor kortsluitstromen zodat de lucht slecht wordt behandeld en het effectieve filteropppervlak kleiner wordt. Op de plaatsen waar de lucht preferentieel doorgaat, droogt de filter sterker uit zodat dit effect nog wordt versterkt. Indien het filtermateriaal vanuit één zijde stelselmatig ophoogd wordt met vrachtwagens tot creëert dit makkelijk en moeilijk doorlaatbare zones waardoor de biofilter na korte tijd slecht zal functioneren.

Een goede opvolging van de filterwerking is noodzakelijk zodat snel kan worden ingegrepen wanneer de efficiëntie van het filtermateriaal vermindert.

Varianten  

—  Meerdere lagen van filtermateriaal

Soms worden meerdere lagen gebruikt om verschillende bacterieculturen te verkrijgen. In de eerste laag worden de makkelijk afbreekbare componenten verwijderd. In de tweede laag zullen vooral de moeilijk afbreekbare componenten in de afgassen zitten. Hier kunnen de gespecialiseerde (meestal traag groeiende) bacteriën overleven.

—  Open of gesloten

De biofilter kan boven open of gesloten zijn. Bij een open biofilter is de biofilter onderhevig aan regen, zon, vorst, … . Dit kan plantengroei veroorzaken, bij overvloedige regen een te natte biofilter, bij zon een te droge biofilter. Een gesloten biofilter is meer van de externe weersinvloeden afgeschermd en kan beter opgevolgd en gestuurd worden.

—  Luchtinlaat onder of boven het filterbed

Dit is de meest toegepaste vorm van biofiltratie. Bij de inlaat onder het bed gebeuren de biologische afbraak en de irrigatie in verschillende gebieden. In de filter kan vochtophoping optreden vanwege luchtkanalisering waardoor op deze plaatsen
anaërobe zones kunnen optreden. Door een buizenstelsel kort bij de luchtinlaat te plaatsen onderin het bed kunnen verontreinigde afbraakproducten en stof uit het bed gespoeld worden met weinig schade aan het filtermateriaal. Vermits aan de bovenkant van het bed de concentraties aan verontreinigende stoffen normaal laag is kan de filter meestal gemakkelijk geïnspecteerd worden met weinig voorzorgsmaatregelen.

Bij de inlaat boven het bed gebeuren irrigatie en biologische afbraak vooral bovenaan het bed. Het bed zal een constantere vochtigheid hebben vermits de eventueel onverzadigde lucht en de bevochtiging op dezelfde plaats in het bed gaan. Hierdoor is ook het gevaar voor lokale vochtophoping kleiner. Bijproducten zoals zuren kunnen evenwel door het bed percoleren waardoor het filtermateriaal kan beschadigd worden. Deeltjes kunnen ook niet van het bed worden gewassen. Uit veiligheidsoverweging moet voor een onderhoud de installatie afgezet en goed geventileerd worden om de organische stoffen te verwijderen uit de ruimte boven de biofilter.

—  Biofilter met bacteriën of schimmels

De klassieke biofilters functioneren meestal met bacteriën. Een nieuwere ontwikkeling is de inzet van schimmels. Deze zijn beter bestand tegen uitdroging, verzuring, tijdelijke stilstand van de filter. Van biofilter met schimmels bestaan voor zover gekend geen full-scale installaties. Verder onderzoek moet deze techniek nog marktrijp maken..

—  Type filtermateriaal

Afhankelijk van de beschikbaarheid en eisen aan de biofilter kan de samenstelling van het biofiltermateriaal aangepast worden. Voorbeelden van filtermateriaal zijn compost, boomschors, heide, turf, wortelhout, kokosmateriaal, geëxpandeerde kleimaterialen,…. Ieder van deze vulmaterialen heeft zijn specifieke eigenschappen naar specifiek oppervlak, stabiliteit en levensduur, bestendigheid tegen verzuring en luchtweerstand. Een combinatie van verschillende materialen kan worden toegepast. Om verzuring te verminderen kunnen aan het vulmateriaal bufferende stoffen worden toegevoegd zoals kalk of dolomiet.

Voorschakeling van een chemische gaswasser wordt uitgevoerd om verzurende componenten te verwijderen voor de biofilter. Deze verzurende componenten zijn ammoniak, amines, zwavelcomponenten, chloriden, … . De wasser zorgt dan voor een voorbehandeling en de biofilter voor de verdere afbraak van de verontreinigingen.

Werkingsgraad

Typische verwijderingefficiënties liggen tussen 60 en 100 % afhankelijk van de samenstelling van het afgas en de fysische toestand van het filtermateriaal [1].  

Component

Rendement (%)

Eindconcentratie

(mg/Nm³)

KWS

75 – 95

> 5

Geur

75 – 95

> 5 000 ge/m³

Styreen

80 – 90

> 10

Tolueen

80 – 95

> 5

Het rendement op geur (concentratie uitgedrukt in geureenheden per m³, ge/m³) voor afgassen van verwerking van dierlijk afval in een renderij bedraagt gemiddeld 95,6 – 99,76 % [4] voor een goed werkende biofilter.

Een eindconcentratie kleiner dan 500 ouE/m³ [6] is verplicht in Duitsland. De restgeur van de biofilter zelf bedraagt evenwel 200 – 500 ouE/m³ [2] zodat dit moeilijk haalbaar kan zijn.

Bij geurproblemen moet eveneens aandacht besteed worden aan de leidingen voor de biofilter. Deze kunnen een secundaire geurbron worden indien door stof de leidingen dichtslibben en een anaërobe laag vormen.

Het rendement op verwijdering van KWS bedraagt 80 – 99 %. Bij een debiet van 20 000 m³/h en een ingaande concentratie tussen 643 en 1 300 mgC/Nm³ is de uitgaande concentratie 40 – 100 mgC/Nm³ [12].

Randvoorwaarden

—  Debiet:      100 – 100 000 m³/h  
—  Temperatuur:        15 – 35 °C ; bij T < 15 zal de werking verminderen;   
                                       indien T > 35 °C is koeling nodig behalve bij thermofiele werking (45 - 60 °C), thermofiele werking is
                                       echter minder stabiel dan de normale werkingstemperatuur [6];    
—  Relatieve vochtigheid:     > 95 % (plaatsen van een sproeitoren indien nodig)
—  Druk: atmosferisch
—  KWS: 200 – 2 000 mg/m³ [2]: max. 800 mg C/Nm³ [6]
—  Geur: 20 000 – 200 000 ge/m³ [2]
—  Tolueen: 20 – 100 mg/m³ [2]
—  Styreen: 50 – 500 mg/m³ [2]
—  De te behandelen lucht dient stofvrij te zijn om verstopping van het bed te voorkomen. [2]
—  Emissie moeten vrij continu zijn zowel in debiet en samenstelling om goede adaptatie van de biologie te verkrijgen.
      Sterk wisselende concentratie en belading kunnen voor een vermindering van het rendement zorgen. Bij sterk
      wisselende belading kan een actieve koolfilter of een andere buffer worden gebruikt om de concentraties uit te
      middelen.
—  De emissie moet relatief continu worden aangeboden. Bij een werkingsregime van 8 uur per dag, 5 dagen per week
      en minder zijn biologische technieken niet of minder geschikt.
—  Na een stilstand van 3 weken kan het enkele weken duren vooraleer de biofilter terug zijn rendement heeft van voor de
      stilstand. Belangrijk is om tijdens de stilstand de biofilter constant te beluchten om anaërobe omstandigheden te
      vermijden.
—  Zwavel-, chloor en stikstofhoudende organische componenten kunnen in concentraties groter dan 10 – 20 mg/m³ het
      biofiltermateriaal verzuren door vorming van respectievelijk zwavelzuur, zoutzuur en salpeterzuur en voor een
      verminderde verwijderingefficiëntie zorgen. De verzuring zorgt ervoor dat het filtermateriaal veel sneller moet worden
      vervangen. De verzuring kan worden tegengegaan door toevoeging van bufferende stoffen zoals kalksteen waardoor
      de standtijd van het filterbed kan worden verlengd.
—  Een hoge concentratie aan NH3 in de afgassen kan zorgen voor verzuring en verzilting van de biofilter door vorming
      van nitraat en ammoniumnitraat. De maximale concentratie aan NH3 is 10 mg N-NH3/Nm³ voor werking zonder
      verzuring. Concentraties tot 50 mg/Nm³ zijn mogelijk maar het filtermateriaal moet dan vaker worden vervangen.

Hulpstoffen

Filtermateriaal

Periodiek (om 0,5 – 5 jaar) moet het filtermateriaal worden vervangen. De termijn waarbinnen het moet worden vervangen is afhankelijk van het type vulmateriaal en de samenstelling van de afgassen. Het materiaal moet worden vervangen indien de pH te laag is, de drukval te hoog wordt door het compacteren van de biomassa of het dragermateriaal verzilt is waardoor de efficiëntie van de filter te laag wordt.

Sproeiwater om het filtermateriaal en de inkomende lucht te bevochtigen.

Milieu-aspecten

Er komt een weinig percolaatwater uit de biofilter vrij. Dit water is beladen met de afbraakproducten (nitraat, sulfaat,…) en een weinig organische stoffen en moet worden geloosd op de riolering of oppervlaktewater na een eventuele behandeling van het percolaat.

Er komt periodiek (om de 0,5 – 5 jaar) dragermateriaal vrij dat moet worden afgevoerd en verwerkt via composteren, storten of verbranden.

Energieverbruik

De biofilter verbruikt zelf weinig energie (< 1 kW/1 000 m³/h). Het is vooral de drukval die de ventilator moet overwinnen die het energiegebruik bepaalt. Deze drukval bedraagt 500 Pa voor een compostfilter en 1 500 Pa voor een grondfilter [1].

Een richtwaarde van 0,05 – 0,1 kWh/1000 m³ wordt vermeld door BBT [11] waarbij met een drukval van 100 – 250 Pa wordt gerekend.

Vermits een biofilter constant moet worden belucht, ook wanneer er geen productie is, moet op 8760 uur per jaar worden gerekend. Tijdens de uren dat er geen productie is, kan wel aan een gereduceerd debiet worden gewerkt zodat de drukval, het debiet en dus ook de energiekost dan wordt beperkt.

Kostprijs

  • Investering
    — 
    5 000 – 20 000 EUR per 1 000 Nm³/h [2]
    —  290 – 13 100 EUR per m³ filtervolume [2]
    —  10 000 – 15 000 EUR per 1 000 m³/h [6]
    —  4 500 – 114 000 EUR per 1000 m³/h [12]
    —  een kostencurve "Investering vs. debiet" is verkregen op basis van industriële gevalstudies [9]:   

I = 45,424 x FR0,808

          I: inversteringskosten (€)
          FR: debiet (m³/h)

Om de extra kosten voor randapparatuur enz. in rekening te brengen, moet een factor van 1,85 toegepast worden op deze investering. Deze factor houdt rekening met instrumentatie, transport, fundering en constructie, plaatsing elektriciteit, piping ,isolatie van de ventilatiebuizen, verven, engineering, kosten voor contractanten, opstart, controle van de werking en onverwachte kosten.

Itotaal = I x 1,85

  • Werkingskosten
    — 
    Personeelskosten:    1 manuur per filter per week + 2 mandagen per jaar [2]
    —  Hulp & reststoffen:    5 liter water per 1 000 Nm³ [2]
                                                Ongeveer 200 EUR/m³ filtermateriaal (vervanging om 0,5 – 5 jaar) [2]
    —  Totale werkingskosten: 725 – 1 450 EUR/1 000Nm³/h [2]
    —  Totale werkingskost: 0,36 EUR/1 000 m³ [6]
    —  Totale werkingskosten 10 – 50 EUR per 1 000 Nm³ afgas vanaf debieten van 5 000 Nm³/h [10,12]

             Invloedsfactoren op de kostprijs zijn:

             —  Gasdebiet
             —  Concentratie van verontreinigingen
             —  Samenstelling afgas
             —  Temperatuur afgas
             —  Emissiekarakteristieken
             —  Benodige efficiëntie
             —  Type filtermateriaal
             —  Type voedingsstoffen toegevoegd

  •  Specifieke projecten:

afgas van waterzuivering met geur en VOS [3]

—  debiet:       60 000 – 75 000 m³/h
—  concentratie: chloorhoudende KWS = 25 – 50 mg/m³, alifatische KWS = 50 – 100 mg/m³, aromatische KWS = 200 –
      250 mg/m³, andere KWS = 50 – 100 mg/m³.
—  werking: 80 % verwijdering
—  investeringskost: 4 000 000 USD (1990); volgens deze constructeur kan deze installatie aan 50 % van deze prijs
      worden gebouwd.
—  werkingskost: 1,44 USD per 1 000 m³

afgas van een geur en smaakstoffenfabriek [3]

—  debiet:       22 000 m³/h
—  concentratie: geurcomponenten: concentratie van 2 000 ouE/m³
—  werking: 95 – 99 % geurverwijdering
—  investeringskost: 375 000 USD incl. plaatsing (1995)
—  werkingskost: 0,06 USD per 1 000 m³

afgas van droging van drukinkten [3]

—  debiet:       76 000 m³/h
—  concentratie: 100 mg/m³
—  werking: 85 – 95 % voor niet methaan componenten
—  investeringskost: 1 000 000 USD incl. plaatsing (1997)
—  werkingskost: 0,065 USD per 1 000 m³

geuremissie van een gieterij [6]

—  ingaand:  80 000 m³/h
                        50 – 140 mg C/Nm³
                        500 – 1 000 ge/m³

—  werkingsgraad:     TOC: 35 – 70 %
                                       geur: 77 – 93 %

—  investeringskost:     biofilter                                  385 000 EUR
                                          Filtermateriaal (750 m³)       50 000 EUR
                                          venturiwasser                      280 000 EUR
                                          FID meting                              50 000 EUR
                                          Afvalwaterzuivering             200 000 EUR
                                          Overig                                    100 000 EUR
                                          Totaal                                 1 065 000 EUR

—  Werkingskosten:      elektriciteit                                         75 000 EUR/jaar
                                           waterverbruik                                   10 000 EUR/jaar
                                           filtermateriaal (8 jaar standtijd)    10 000 EUR/jaar
                                           onderhoud                                        75 000 EUR/jaar
                                           Totaal                                               170 000 EUR/jaar

De elektriciteitskosten komen voornamelijk van de venturiwasser die een hoge drukval heeft.

Geuremissie van een afvalverwerker [8]

—  debiet:       35 000 m³/h
—  afzuiging van de bewerkingshallen en opslagtanks
—  tweetraps biofilter met 140 m² oppervlak
—  sproeibevochtiger voorzien voor bevochtiging en ontstoffing
—  werking: 95 % vooropgesteld met minimaal 3 000 ge/m³ aan de uitgang
—  investeringskost: 243 500 EUR excl. BTW
—  investering

  • inclusief plaatsing onderdelen + opstart
  • exclusief leidingwerk tussen de verschillende onderdelen, bouwkundige werken, aansluitingen op de utilities van het bedrijf

behandeling van de ventilatielucht van een varkensstal [8]

—  debiet:       43 000 m³/h
—  investeringskost: 34 700 EUR excl. BTW
—  jaarlijkse kosten 0,02 EUR per 1000 m³

Toepassingen

Biofiltratie wordt voornamelijk toegepast bij grote debieten en lagere solventconcentraties en wanneer er geurhinder is.

Typische toepassingen zijn:

—  Waterzuiveringsinstallaties
—  Composteringsinrichtingen
—  Smaakstoffenindustrie
—  Gieterijen
—  Scheikundige industrie
—  Kunststofproductie
—  Voedingsindustrie
—  Vlees en visverwerkende industrie

Voor- en nadelen

  • Voordelen
    — 
    Lage investerings- en werkingskosten
    —  Eenvoudige constructie
    —  Goede verwijdering van biologisch afbreekbare componenten (ook slecht wateroplosbare componenten zoals
          xylenen, styreen,…)
    —  Lage drukval
    —  Weinig afvalwater (percolaatwater)
    —  Weinig afvalmateriaal (enkel vervangen filtermateriaal)
  • Nadelen
    — 
    Groot oppervlakte nodig (dit kan worden opgelost door container biofilter op elkaar te plaatsen zodat het
          grondoppervlak kleiner wordt; dit verhoogt echter de kostprijs)
    —  Filtermateriaal moet periodiek worden vervangen
    —  Vochtigheid en pH van het filtermateriaal moeilijk te controleren
    —  Weinig regelparameters om de efficiëntie te verbeteren
    —  Verstoppingsgevaar door stof
    —  Fluctuaties in concentratie hebben grote invloed op de werkingsefficiëntie
    —  Bed moet continu worden belucht om anaërobe condities te vermijden

Referenties

  1. Factsheets luchtemissie beperkende technieken, www.infomil.nl, Infomil
  2. Common waste water and waste gas treatment and management systems in the chemical sector, BREF document, European IPPC Bureau, http://eippcb.jrc.es, 2002
  3. Procestechnieken en –engineering, Basishandboek voor de ingenieur, Kluwer ed. i.s.m. de Vlaamse Ingenieurskamer, 2002
  4. VDI 2590: “Emission control: plants for the utilization and disposal of animal carcasses, either wholly or partially, and for the processing of animal products (rendering plants)”, December 1996
  5. VDI 3477: “Biologische abgasreinigung biofilter”, entwurf, august 2002
  6. VDI Seminar 434802 am 25 november 2003: Optimieren der biologischen abluftreinigung
  7. J.S. Devinny et Al.:"Biofiltration for air pollution control"Lewis publishers, 1999
  8. leveranciersinfo
  9. EPA Air pollution Control Cost Manual. EPA-452-02-001. January 2002.
  10. A. Jacobs, B. Gielen, I. Van Tomme, Ch. De Roock en R. Dijkmans., “Beste Beschikbare Technieken voor de houtverwerkende nijverheid”, oktober 2003
  11. T Feyaerts, D. Huybrechts en R. Dijkmans., “Beste Beschikbare Technieken voor mestverwerking editie 2”, oktober 2002
  12. L. Goovaerts, M. De Bonte, P. Vercaemst en R. Dijkmans., “Beste Beschikbare Technieken voor de metaalbewerkende nijverheid”, december 2003
  13. A. Derden, J. Schrijvers, M. Suijkerbuijk, A. Van de Meulebroecke1, P. Vercaemst en R. Dijkmans., “Beste Beschikbare Technieken voor de slachthuissector”, juni 2003