| Forside | | Indhold | | Forrige | | Næste |

Forebyggelse af lugt og andre barrierer for biogasanlæg

Bilag A
Luftrensemetoder

Der findes en lang række metoder til rensning af luft for indhold af forurenende stoffer. Hver især har sine egne fordele og ulemper og kan anvendes til særlige formål.

Ventilationsluft fra biogasfællesanlæg er karakteriseret ved, at der her ofte er tale om en relativt stor luftmængde, som indeholder en forholdsvis lav koncentration af mange forskellige forurenende stoffer, som til gengæld ofte har en meget lav lugttærskel.

En række af metoderne er derfor ikke relevante, når der er tale om rensning af luft fra biogasfællesanlæg, og vil derfor ikke blive behandlet nærmere her. Desuden har de forskellige metoder hver deres styrker, i forhold til om der er tale om store eller små luftmængder indeholdende høje eller lave koncentrationer af forurenende stoffer.

1.1 Forbrænding

Termisk forbrænding sker ved 700 – 1400 °C, mens katalytisk forbrænding sker ved 300 – 700 °C. Begge metoder er vidt udbredte i industrien og særdeles effektive. Men omkostningerne til brændsel er høje, når der er tale om store luftmængder med et lavt indhold af forurenende stoffer. Desuden vil der blive produceret NO_x i afkastrøgen.

1.2 Adsorption

Ved adsorption bindes de forurenende stoffer til et faststof (granulat).

Adsorption praktiseres normalt med aktivt kul eller zeolit og er særligt effektivt til behandling af gasser med lav koncentration af flygtige, organiske stoffer med høj molekylvægt.

Adsorptionsevnen bruges op med tiden, hvilket dog kan være vanskeligt at afgøre præcist, hvornår sker, og er medvirkende til at hæve driftsomkostningerne. Adsorptionsmaterialet kan regenereres, men ofte er det billigere at behandle affaldet som farligt affald og f.eks. deponere eller afbrænde det.

1.3 Kemisk scrubber

I et kemisk scrubberanlæg behandles luften først i et såkaldt scrubbertårn i et surt miljø (syretilsætning), dernæst i et basisk miljø (natriumhydroxid) og endelig i et oxiderende miljø (hypochlorit). Metoden er effektiv og robust over for varierende belastninger. Til gengæld er den dyr både i investering og drift (udgifter til kemikalier og en stor produktion af ekstra vandmængde, som skal bortskaffes). Desuden kan der være arbejdsmiljømæssige problemer ved omgangen med kemikalier. Metoden er anvendt med held på Lemvig biogasanlæg, men til gengæld har f.eks. kødfoderfabrikken DAKA opgivet den og er gået over til biofiltre.

1.4 Membransystemer

Membraner kan anvendes til at overføre flygtige organiske stoffer fra en luftstrøm til en væske. Overførslen sker ved at etablere et højere tryk på luftstrømssiden af membranen end på permeatsiden. Luftstrømmen vil sjældent kunne renses fuldstændigt for alle organiske stoffer, hvis der er mange forskellige. Permeatet kræver herefter videre behandling.

1.5 Biologisk behandling

Ved biologisk behandling udnyttes mikroorganismers evne til at nedbryde organiske og uorganiske stoffer. De forurenende stoffer skal overføres fra gasfasen til væskefasen for at mikroorganismerne kan foretage nedbrydningen. Metoderne er specielt anvendelige og økonomiske ved lave koncentrationer og store luftmængder og over for organiske stoffer med enkle kemiske bindingsstrukturer.

Organiske stoffer som alkoholer, aldehyder, ketoner og visse simple aromatiske forbindelser nedbrydes effektivt ved biologisk behandling. Det samme gør uorganiske stoffer som svovlbrinte og ammoniak. Mindre effektivt nedbrydes f.eks. phenoler og chlorerede hydrocarboner. Og en række syntetiske stoffer nedbrydes slet ikke, fordi mikroorganismerne ikke har de nødvendige enzymer til formålet.

Det betyder, at biologisk behandling bl.a. er velegnet til behandling af luft fra husdyrbrug, kompostindustrier, fødevareindustrier, losseplads-gas-udvinding, papirindustrier, spildevandsanlæg, trævareproduktion /A.1/.

Biologisk behandling er den hyppigst anvendte metode til luftrensning på danske biogasanlæg.

Der findes principielt tre forskellige typer anlæg til biologisk behandling.

Biotrickling filtre (´Bio-sive filtre´)

I Biotrickling filtre er mikroorganismerne hæftede til et uorganisk filtermateriale som bibringer en stor overflade. Væske ledes ind i toppen af reaktoren og siver langsomt gennem filtermaterialet. Luften kan enten, efter at være blevet vandmættet, sendes samme vej eller ledes fra bunden mod toppen. Både adsorptionen som nedbrydningen sker således i den samme reaktor. Væsken, der kan være pH- og næringsstofjusteret, recirkuleres, men må med mellemrum udskiftes.

1.5.1 Bioscrubbere

I en bioscrubber adsorberes skadelige stoffer i en recirkuleret væske, principielt på samme måde som i trickling filtret. Men i scrubberen, hvor væske sprayes i modstrøm med lufttilførslen, er der ofte ikke filtermateriale til vedhæftning for mikroorganismerne, og nedbrydningen sker derfor i en separat tank i væsken, hvor de rette mikrobielle betingelser for nedbrydningen opretholdes, f.eks. mht. beluftning, næringsstoftilsætning og pH-justering. Der er således ikke risiko for tilstopning af en scrubber, som der kan være for et trickling filter.

1.5.2 Biofiltre

Biofiltres evne til at rense luft for forurenende stoffer beror på, at mikroorganismer vokser i en biofilm, der dannes i vandfasen, og hæfter sig til et porøst filtermateriale. Filtermaterialet er relativt inert og skal blot bidrage med en stor overflade og eventuelt med næringsstoffer. Biofiltres effektivitet er således i høj grad en funktion af porøsitet, pakningsgrad, vandbindingsevne og evne til at huse mikroorganismer og tilvejebringe vedhæftningsmuligheder.  Kritiske parametre for filtres effektivitet omfatter tilstedeværelsen af de rigtige mikroorganismer, pH, temperatur, fugtighed og næringsstofforsyning.

Typiske operationsbetingelser for biofiltre /A.1/

1.6 Effektivitet og omkostning af teknologierne

Af nedenstående figur fremgår ved hvilke koncentrationer af forurenende stoffer og luftmængder de forskellige teknologier er mest anvendelige.

Anvendelighed af forskellige teknikker til kontrol af luftforurening i forhold til koncentration og flow rate Efter/A.2/.

Luft fra biogasanlæg falder så vidt det kan bedømmes inden for de biologiske teknikker. Luftmængden ligger ofte mellem nogle hundrede og 10 - 15 tusinde m³ pr. time. Koncentrationen af lugtstoffer fra biogasanlæg ligger i skalaens nederste ende.

Af nedenstående tabel fremgår fordele og ulemper af teknologierne.

Fordele og ulemper ved forskellige luftrensemetoder

Af nedenstående figur fremgår henholdsvis investeringsomkostningerne og de årlige driftsudgifter for tre forskellige luftrensemetoder for varierende luftmængder.

Anlægs- og driftsomkostninger i forhold til kapacitet for luftrensning ved adsorption, katalytisk forbrænding, kemisk scrubber og biofilter (beregnet på grundlag af BAT–dokument for affald/C.3/ for kemisk scrubber er indsat data fra Lemvig biogasanlæg)

Den maksimale ventilationsmængde på nuværende danske biogasfællesanlæg ligger typisk omkring ca. 5.000 - 15.000 m³ luft pr. time ved maksimal belastning, som er den luftrenseanlægget bør dimensioneres efter. Kurverne viser, at et biofilter er væsentligt billigere at anvende til luftrensning end adsorption, katalytisk oxidation og scrubberanlæg både i forhold til investering og driftsomkostning. Denne konklusion understøttes også af erfaringerne fra anlæggene.

1.7 Virkning af biofilter

Langt de fleste biogasfællesanlæg anvender simple eller avancerede biofiltre til luftrensning. Som ovenstående antyder, er det både anlægs- og driftsmæssigt det billigste.

Da biofiltre samtidig vitterlig også er en af de mest velegnede rensemetoder til den type forurening, der kommer fra biogasanlæg, er det forventeligt, at også de fleste af fremtidens biogasanlæg vil blive udstyret med biofilteranlæg til luftrensning.

Tilfredsheden med biofiltrene har ikke altid været helt i top. Vores undersøgelse tyder imidlertid på, at årsagerne til at nogle anlæg ikke har fungeret optimalt i visse tilfælde, skyldes forkert dimensionering og udformning. I andre tilfælde manglende forståelse for anlæggenes virkemåde og dermed manglende tilsyn og vedligehold.

Derfor gennemgås her kort gennemgå nogle enkle parametre, som er af vital betydning for anlæggenes effektivitet.

1.7.1 Luftrensning

I et biofilter sker luftrensningen udelukkende ved, at mikroorganismer nedbryder de organiske eller uorganiske kemiske forbindelser, som er indeholdt i og som tilføres med ventilationsstrømmen. Det betyder for det første, at det hele drejer sig om at bibringe organismerne så gode livsbetingelser som overhovedet muligt, og for det andet, at sammensætningen af mikroorganismer med nogen tilvænning vil tilpasse sig sammensætningen af forurenende stoffer i luften.

I princippet er der tale om en kompostering, og det er de samme betingelser, der er gældende i dette tilfælde, om end omsætningen i et biofilter ikke er så kraftig, som den kan være i en kompostbunke. Restprodukterne fra nedbrydningen vil i et velfungerende anlæg udelukkende bestå af CO₂, vand, sulfat, nitrat og mikrobiel biomasse.

1.7.2 Substrat

Substratet i et biofilter har som hovedopgave at skabe en stor overflade, hvortil en vandfilm kan klæbe og hvorigennem lugtstoffer kan blive adsorberet og transporteret til mikroorganismerne.

Herudover er der en række andre væsentlige karakteristika for hvordan et godt substrat kan være sammensat, og hvad det bør eller kan indeholde:

• et vist indhold af næringsstoffer, primært kvælstof, fosfor og kalium – til mikroorganismernes vækst
• ved diskontinuert drift, et vist indhold af organisk materiale - til brug for mikroorganismernes overlevelse ved stop for tilførsel
• evt. inaktive stoffer – for at modvirke sammenpresning og mindske modtryk (leca) eller mindske effekten af fluktuerende tilførsel (f.eks. aktivt kul)
• vandindhold 40 – 60 % - for lidt og for meget er lige skidt for mikroorganismerne
• surhedsgrad – pH mellem 6 og 8
• Vandkapacitet og porøsitet – forurenende stoffer skal først opløses i vand før mikroorganismerne kan tage over. Derfor skal der dels være en stor overflade hvor overførslen fra luft til vandfasen kan ske, og der skal dels være en stor mængde vand i filteret for at sikre en stor population af organismer
• stor overflade – til bakteriel tilhæftning
• stor stabilitet – ringe nedbrydelighed for at modvirke tilstopning
• lav pakningsomkostning og lang levetid – prisen for udskiftning inkl. bortskaffelse bør være så lav som muligt. En rimeligt lang – 2 – 4 år levetid er en fordel

I nedenstående skema er opstillet en række anvendelige substrater med fordele og ulemper for de enkelte.

Det fremgår, at ingen af substraterne er i besiddelse af alle de bedste egenskaber samtidig. Det er derfor almindeligt at blande substrater for at få et effektivt filter.

1.7.3 Kontrolfaktorer

1.7.3.1 Vand

Som nævnt kan mikroorganismerne ikke trives og vokse, hvis vandmængden i filteret er for stort eller for lavt. En tilstrækkelig fugtighed i filteret er derfor en altafgørende faktor for, om anlægget fungerer eller ej.

Risikoen for at vandindholdet efterhånden falder i et biofilter er stor. Selvom det ser vådt og fugtigt ud på overfladen, kan det udmærket være tørt inden i. Årsagen er, at et velfungerende filter danner varme pga. mikroorganismernes aerobe nedbrydning af organiske stoffer, og da varm luft kan indeholde mere vand end kold mistes en stor vandmængde med luftgennemstrømningen. Er vandindholdet for lavt, kan de forurenende stoffer ikke adsorberes og mikroorganismerne kan derfor heller ikke nedbryde dem.

Med et meget porøst materiale, f.eks. træflis, kan filteret næppe overvandes. Siver vand ud i bunden ved vanding er filteret mættet. Af samme grund skal et filter derfor kunne drænes i bunden og det skal kunne kontrolleres, om der kommer vand ud i drænet. Det giver samtidig mulighed for at måle pH i den afdrænede væske.

Tilført luft bør desuden indeholde så meget vand som overhovedet muligt. I tilfælde med biogasanlæg er det sandsynligt, at den relative luftfugtighed ofte vil være tæt på 100 %. I særlige tilfælde, f.eks. om sommeren, når ventilationen øges fra læsse/lossehallen, kan det forventes at den relative fugtighed kommer for langt ned. I så fald vil der blive fraført filteret en stor vandmængde. Det kunne i så fald overvejes at installere en luftbefugter, som samtidig evt. vil kunne anvendes til at tilføre anlægget/luften lidt varme om vinteren.

Vandes der ikke regelmæssigt eller tilføres væske på anden måde, skal substratets vandindhold kontrolleres med jævne mellemrum. Det gøres ved at udtage en prøve i ca. ½ m’s dybde og tørre den i et tørreskab efter vejning og herefter beregne hvor stor vandmængden har været.

1.7.3.2 Temperatur

Temperaturen har stor betydning for lugtstoffernes opløselighed i vand og for den mikrobielle aktivitet. Høje temperaturer giver lav opløselighed men stor mikrobiel aktivitet. De to faktorer modvirker altså hinanden. Som en tommelfingerregel fordobles reaktionshastigheden ved en temperaturforøgelse på 10 °C. Under 5 °C er aktiviteten meget ringe, og for typiske biofiltre benyttet på danske biogasanlæg ligger det optimale niveau mellem 25 og 35 °C. Et filter kan udmærket med den samme bakteriekultur være velfungerende ved både høj og lav temperatur, men skiftet fra høj til lav temperatur eller omvendt, skal i så fald ske langsomt.

Indeholder den forurenede luft store mængder organisk stof, som nedbrydes i filteret, vil det give anledning til en intern temperaturstigning. Luftstrømmen fra danske biogasanlæg indeholder dog kun organisk stof i små mængder, og temperaturstigningen bliver derfor ofte beskeden, men kan dog i visse tilfælde erkendes, enten pga. afgivelse af synlig damp under særlige temperaturforhold, eller ved at sne om vinteren hurtigt smelter på filterets overflade. I mange tilfælde, især for små, uisolerede anlæg med en relativt stor overflade og et stort varmetab, må det antages at temperaturen i særligt kolde vinterperioder kommer under den kritiske grænse og derfor midlertidigt ikke vil have nogen renseeffekt ud over simpel adsorption.

Der er næppe tvivl om at vintereffektiviteten af biofiltre kunne øges ved at isolere anlægget og rørledninger og/eller ved at opvarme den tilførte luftstrøm f.eks. med overskudsvarme (returvarme) fra bygninger eller afgasset biomasse.

1.7.3.3 Surhedsgrad

Forskellige bakterier har forskellig tolerance over for pH. Nogle tåler store udsving, andre kun små. De fleste, som er ønskelige i et biofilter, trives dog bedst omkring neutral, pH 6 – 8. Store og hurtige udsving i surhedsgraden tåles kun af de færreste bakterier.

Mange nye substrater er ikke neutrale. F.eks. kan tørv og bark fra nåletræer være sure. Det måles ved at blande en lille mængde substrat op i vand og måle surhedsgraden heri. Er den for lav, må den justeres med f.eks. kalk.

pH kan også ændre sig i filtret med tiden pga. de stoffer der tilføres, eller hvis nedbrydningsprodukter af stofferne er syrer. Oftest nedbrydes syrerne dog videre til vand og kultveilte. Ophobning af syrer sker som regel kun ved overbelastning af filteret (på samme måde, som det kan ske i biogasanlægget, hvor processen blot er anaerob). Risikoen kan mindskes ved at anvende et filtermedium med en høj bufferkapacitet som f.eks. kompost blandet med flis eller ved tilsætning af kalkrigt materiale, f.eks. muslingeskaller.

1.7.3.4 Næringsstoffer

Med luftstrømmen tilføres i forbindelse med biogasanlæg i hovedsagen kulstof i forskellige organiske forbindelser og kvælstof i form af ammoniak. Andre mikro- og makronæringsstoffer tilføres ikke eller kun i meget små mængder.

Med sammensætningen af filtermaterialet kan det sikres, at materialet i forvejen indeholder en vis mængde af de nødvendige næringsstoffer. Kompost er i den henseende ideelt, idet det er dannet ved nedbrydning af organiske planterester og derfor indeholder alle de næringsstoffer, der er nødvendige for liv.

Anvendes imidlertid filtermaterialer uden eller med et meget lavt indhold af næringsstoffer, må disse i stedet med mellemrum tilføres i små mængder med f.eks. vandingsvandet – (N)PK-gødninger kan anvendes. Mængden må afstemmes efter belastningen og filterets aktivitet.

1.7.3.5 Belastning

Forureningsbelastningen af biofiltre på biogasanlæg er oftest beskeden, måske ikke meget højere en 1 g/m³ luft. Desuden vil der være en vis variation dels i lufttilførslen (m³ pr. time) og belastningen. Biofiltre opererer bedst ved konstante belastninger, men den variation, der vil findes for biogasanlæg er ikke stor og burde ikke påvirke et biofilters effektivitet, hvis det er dimensioneret rigtigt.

1.7.3.6 Ilt

Mikroorganismerne i biofilteret skal bruge ilt til nedbrydningen af de organiske stoffer. Under normale omstændigheder vil der for biogasanlæg være rigelig med ilt i indblæsningsluften, fordi luften kun er svagt belastet, og fordi der er stor porøsitet i filteret.

1.7.3.7 Mikroorganismer

De mikroorganismer – i særdeleshed bakterier og svampe - der forestår nedbrydningen af forurenende stoffer, er ofte i høj grad specialiserede til at nedbryde netop et bestemt stof. Et eksempel kunne være svovlbakteriers nedbrydning af svovlbrinte, eksemplificeret af hele svovlcyklussen, som den sker i naturen:

Svovlcyklus i naturen. Mikroorganismerne er specialiserede til blot at nedbryde et enkelt stof. Antallet af arter der skal til at nedbryde mange forskellige lugtstoffer i et biofilter er således stort.

Antallet af arter af mikroorganismer, der deltager i nedbrydningen er meget stor. Alene ved nedbrydning af det svovlholdige metylmercaptan er identificeret 15 aktive bakteriestammer (8 Pseudomonas, 2 bacillus, 2 nocardia, 1 flavobacterium, 1 micrococcus og 1 rhizobium). Det er derfor forståeligt, at antallet af arter i det hele taget er meget stort i et biofilter, når substratet er så sammensat, som det er med den store mængde forskellige organiske og uorganiske stoffer i ventilationsluften.

Lige som i biogasreaktoren er nogle organismer ofte afhængige af, at andre har gjort forarbejdet for dem. Dvs. i biofilteret lever en lang række ofte specialiserede mikroorganismer i et økosystem, hvor tingene hænger sammen på en måde, som er bestemt af de givne forhold, substrat, sammensætning af stoffer i den forurenede luft, temperatur, pH etc. Bakterier er oftest de hurtigste nedbrydere, mens svampene er noget langsommere, men til gengæld ofte mere modstandsdygtige over for ekstreme betingelser såsom tørke, lav pH etc.

Hvad enten man gør noget eller ej, vil mikroorganismerne efter et stykke tid indfinde sig i filteret, båret af aerosoler og støv. En hurtigere måde at få et filter til at virke er imidlertid at pode med de rette bakterier ved start. Iblandes kompost eller jord, er dette ikke nødvendigt, men anvendes ren træ- eller barkflis er det anbefalelsesværdigt for at få filteret hurtigt i gang.

Under alle omstændigheder vil mikroorganismerne dog have en vis tilpasningsperiode og filteret dermed en indkøringsperiode på ofte op til en måned, hvor de helt rigtige populationer udvikler sig i forhold til den tilførte forurening og de specifikke forhold forskellige steder i filteret. Egentlig steady state med tilpasning af en række prædatorer på bakterierne og svampene – f.eks. protozoer – tager lang tid for at indstille sig. I starten kan der desuden være tale om en midlertidig hæmning fra visse stoffer, f.eks. ammoniak og svovlbrinte, som begge er giftige over for de fleste organismer i for høje koncentrationer.

1.7.4 Lugtrenseeffektivitet

Biofiltres renseeffektivitet angives ofte til at fjerne omkring 90 % til 99 % af lugten.  Af nedenstående figurer fremgår specielle filtertypers effektivitet over for henholdsvis ammoniak og svovlbrinte.

Effekt af biofilter på Ammoniakemission fra rensningsanlæg (Efter: /A.3/ Zeisig, H.-D. (1990): Biologische Abluftreinigung an kläanlagen. Verband Schweizerischer Abwasserfechleute.)

Ammoniak er, ud over at lugte kraftigt, et stof, der kan give anledning til næringsstofforurening af de nærmeste omgivelser til udslipstedet. Udslip af ammoniak fra et biogasanlæg er derfor af flere årsager uønsket for at undgå eutrofiering af vandmiljøer eller andre sårbare naturområder.

Figuren viser, at biofiltre kan være særdeles effektive til rensning af luft for ammoniak på rensningsanlæg. Desuden viser figuren, at biofiltre er effektive selv ved varierende belastninger/varierende koncentrationer. En varierende belastning må forventes på et biogasanlæg, dels over døgnet, som følge af indpumpning/ikke-indpumpning af biomasse, evt. kombineret med varieret ventilation, dels over ugen med tilførsler på hverdage og ingen i weekenden. Denne egenskab er væsentlig for begrænsningen af ammoniakemissionen fra biogasanlæg. Ammoniak anvendes af mikroorganismerne som næringsstof og indbygges derfor i stort omfang i cellemassen.

Svovlbrintekoncentration i tilgangs- og afgangsluft fra filter med kraftig muldjord. /A4/

Også svovlholdige forbindelser, som f.eks. svovlbrinte, der er et andet kraftigt lugtstof (’rådne æg’), fjernes effektivt i biofiltre. I filtret iltes svovlbrinte enten spontant, eller også klares nedbrydningen af almindelige jordbakterier, som f.eks. Bacillus mycoides, Streptomyces og Thiobacillus.

Ovenstående figur viser, at et velfungerende biofilter vil kunne rense luften for indhold af svovlbrinte fra en indgangskoncentration på omkring 500 ppm til under lugtgrænsen, som er ca. 1 ppm. Normalt vil indholdet af svovlbrinte i ventilationsluft fra et biogasanlæg dog aldrig blot tilnærmelsesvis komme op på så høje koncentrationer, men måske blot omkring 1/10-del.

Svovl afsættes enten som rent svovl i filteret eller udvaskes som svovlsyre med perkolatet.

1.8 Spredning af lugt fra filter

Pga. fortynding bliver lugten fra en lugtkilde, f.eks. et biogasanlæg svagere i større afstand fra kilden. Hvor effektiv denne fortynding er, afhænger af især vindforhold, men også fugtighed, temperatur og topografi. Fysiske forhold, som man selv evt. er herre over som skorstenshøjde, spiller også en rolle. Man kan forestille sig forskellige spredningsstrategier. Et lavt afkast med lav hastighed giver en lille spredning, så lugten kun påvirker de nære omgivelser. Et højt afkast påvirker et stort område men med en meget fortyndet lugt.

| Forside | | Indhold | | Forrige | | Næste | | Top |

Version 1.0 Januar 2007, © Miljøstyrelsen.