Fachartikel zu den UgnCleanPellets - UGN Umwelttechnik

UgnCleanPellets ® -
ein biologisch reaktives Filtermaterial
mit ökologischen und ressourcenschonenden Eigenschaften
- Eine echte Alternative zu Aktivkohle -
Immer mehr richten auch die gewerblichen Kunden ihren Fokus bei der Auswahl der
benötigten Produkte auf Fragestellungen wie Energieeffizienz, Umweltverträglichkeit,
Klimaschutz und Nachhaltigkeit. Dabei wird auch zunehmend akzeptiert, dass das
Produkt, welches diese Zielstellung erfüllt, preislich sich von einem günstigeren
Produkt distanziert. Im Falle der UgnCleanPellets ® , ein Cellulosefaserverbund-
filtermaterial und Eigenentwicklung der UGN-Umwelttechnik GmbH, wird auch diese
Fragestellung nachstehend beantwortet. Seit mehreren Jahren forscht, entwickelt
und erprobt die UGN-Umwelttechnik GmbH Filtermaterialien auf der Basis von
Cellulosefasern für die Abreinigung von Geruch und Schadstoffen aus Gas- und
Luftgemischen.
Die UGN-Umwelttechnik GmbH wurde 2002 mit drei Mitarbeitern gegründet und
gehört seit 2011 zur Dr. Rietzler-Gruppe. Heute hat die UGN-Umwelttechnik GmbH
14 festangestellte Mitarbeiter und davon 4 Fachingenieure. Der Kernpunkt der
Geschäftstätigkeit konzentrierte sich von Beginn an auf das Thema Abluft- und
Gasreinigung sowie der Entwicklung neuer Produkte.
Den Schwerpunkt der Produktentwicklung legte das Unternehmen, seit seiner
Gründung, auf die Nutzung von Vorteilen der biologischen Filtration in Kombination
mit chemischen und physikalischen Verfahrenstechniken aus der Abluft- und
Gasreinigung. Technische und industrielle Produktionsprozesse, insbesondere
charakterisiert durch unterschiedliche Produktionsabläufe, wechselnde
Rohstoffeinsätze und diskontinuierliche Emissionsverhalten, schränken die
vorteilhafte Nutzung reiner biologischer Verfahrensprozesse für
Emissionsminderungs- und Gasreinigungsverfahren in industriellen
Produktionsprozessen stark ein. Auch die unterschiedlichen Bedingungen für die
biologische Abbaubarkeit der zu eliminierenden Luft- und Gasgemischbestandteile
wirken sich sehr stark auf die Rentabilität, den Wirkungsgrad und die technisch
sinnvolle Anwendbarkeit von reinen biologischen Verfahren im verarbeitenden
Gewerbe aus.
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Aufgrund der technischen Besonderheiten biologischer Verfahren und der hohen
Anforderungen einschlägiger Rechtsvorschriften bezüglich der Einhaltung von
Emissionswerten und Gasqualitäten kommen oft nur rein chemisch (z. B. auf
diversen Säuren oder Basen beruhend) oder physikalisch (z. B. Einsatz diverse
Aktivkohlen) wirkende Filterverfahren bzw. Filtermaterialien zum Einsatz. Diese sind
aber im Allgemeinen weder ressourcen- und klimaschonend noch nachhaltig.
Die konventionellen biologischen Abluft- und Gasreinigungsverfahren haben sich als
äußerst ökologisch und preiswert, aber als nicht wirklich stabil berechenbar
erwiesen. Das führt dazu, dass in der industriellen Gas- und Abluftreinigung oft
reinen oder kombinierten chemischen und physikalischen Verfahren (wie z. B.
thermischen Nachverbrennungen oder chemischen Wäschern) der
Investitionsvorrang gegeben wird. Deren wirtschaftliche und ressourcenschonende
Bedeutung wird dabei, auch mangels Alternativen, nur inkonsequent hinterfragt.
Mit der Entwicklung der UgnCleanPellets ® (siehe Bild 1) ist es der
UGN ® -Umwelttechnik GmbH in enger Zusammenarbeit mit renommierten
Forschungseinrichtungen gelungen, ein industriell anwendbares Filtermaterial auf der
Basis eines Cellulosefaserverbundes zu entwickeln. Dieses Filtermaterial vereinigt in
sich die verfahrenstechnischen Vorteile der reinen biologischen Filtration gepaart mit
den Möglichkeiten chemischer Absorption und der physikalischen Adsorption. (siehe
Tabellen 1 und 2)
Bild 1: UgnCleanPellets ® B
autoregeneratives
Cellulosefaserverbund-
material unter Zugabe diverser
natürlich verfügbarer Additive
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Welche Schwachstellen und Grundprobleme biologischer Abluft- und
Gasreinigungsverfahren werden durch die UgnCleanPellets ®
optimiert bzw. gelöst?
Grundprobleme Optimierung durch
Sicherung einer ausreichenden
definierten Menge frei verfügbaren
Wassers
langzeitstabiles und effizientes Raumund
Grenzflächenverhältnis, mikrobiell
verfügbare Besiedlungsflächen
langzeitstabiles, ausreichendes und
verfügbares Nährstoffdepot
optimale Durchströmungseigenschaften
und geringe Druckverluste,
begrenztes Biofilmwachstum
keine Toxizität oder andere biologische
Hemmungen
Sicherung des Durchbruchverhaltens bei
Veränderung der Fracht- und
Betriebsbedingungen
- angepasste definierbare
Wasserrückhaltekapazität
- große Besiedlungsfläche durch
offenporiges Pellet
- dosierte Einlagerung von Nährstoffen
und Nährsalzen im
Herstellungsprozess der Pellets
- kein signifikantes Quell- und
Verdichtungsverhalten durch
optimierten Cellulosefaseranteil
- Langzeitstrukturstabilität des
Filtermaterials durch Carbonatisierung
- keine Übernässung/Staunässe durch
homogene Porosität der Schüttung und
temporäre minimaler Nachbefeuchtung
- Langzeit verfügbarer pH-Wert-Puffer
- Zugabe von spitzenfrachtenpuffernden
natürlichen Additiven
Tabelle 1: Überblick verbesserter Eigenschaften der UgnCleanPellets ®
Mittels der Vorteile der UgnCleanPellets ®
und der darauf basierenden
UGN ® -Hybridfiltertechnik kann die Berechenbarkeit und der Wirkungsgrad der
biologischen Filtration derartig optimiert werden, dass das Verfahren auch
weitestgehend für industrielle und gewerbliche Produktionsprozesse anwendbar ist.
Außerdem ist es möglich, durch die qualitative und quantitative Auswahl von
Additiven, das Filtermaterial auf eine bestimmte Schadstoff- und Geruchsfracht
angepasst zu funktionalisieren. Durch die erhaltene mikrobiologische Verfügbarkeit
der an die Additive gebundenen Schad- und Geruchsstoffe können auch diese zu
ungiftigen und geruchsneutralen Stoffen biologisch abgebaut werden.
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Diese autoregenerative Eigenschaft des neuartigen Filtermaterials von
UGN-Umwelttechnik GmbH ist eines der wichtigsten Alleinstellungsmerkmale.
Diese Produktqualitäten sowie die Nachhaltigkeit und Ressourcenschonung der
UgnCleanPellets ® S 3.5 hat die Jury vom 1. Thüringer Umweltpreis 2011 überzeugt.
Unter 27 Teilnehmern hat die UGN-Umwelttechnik GmbH den 3. Platz belegt
(siehe Bild 2).
Bild 2: Urkunde
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Welche Produkteigenschaften charakterisieren die UgnCleanPellets ® ?
Eigenschaften
Wasserrückhaltekapazität: 30 bis 50 Massenprozent (Ma%)
pH-Wert des Filtermaterials: 7 bis 9 (langzeitstabil)
Oberflächen- und Materialbeschaffenheit: rau, porös, gasgängig
Besiedlungsoberfläche: bis ca. 25 m²/g
� ca. 12.000 m²/l
Langzeitstabilitätsverhalten: 20 bis 40 Ma %
Cellulosefaseranteil plus
Carbonatisierung
Zugabe von Nährstoffen und Spurenelementen: bis zu 5 Ma%
Zugabe von Additiven: bis zu 35 Ma%
Verdichtungs- und Quellverhalten: < 0,1 %
Begrenzung des Biofilmwachstums: Optimale Ableitung des
Überschuss- und Reaktionswassers
aus Filterbett;
Reduzierung der
Wasserrückhaltekapazität
Korngröße: Durchmesser 7 bzw. 13 mm
Länge 10 bis 30 mm bzw.
20 bis 60 mm
Tabelle 2: Eigenschaften der UgnCleanPellets ®
Bild 3: Verfügbare Oberfläche (links Pelletoberfläche, rechts Cellulosefaser) der
UgnCleanPellets ® (IFF Weimar e.V.)
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Mit den physikalischen Eigenschaften der UgnCleanPellets ® konnten zu
vergleichbaren biologischen Filtermaterialien, insbesondere die Porenstruktur, die
Porengrößen, die Homogenität der Körnung, die verfügbare innere und äußere
Oberfläche, die Oberflächenrauigkeit und die Druckdifferenzverluste signifikant
verbessert werden.
Die verfügbare Oberfläche der UgnCleanPellets ® , wird einerseits durch das spezielle
Gefüge der Cellulosefasern mit den Zuschlagstoffen selbst und andererseits durch
eingearbeitete feinst körnige Additive bestimmt. Aufgrund der besonderen
Verarbeitungstechnologie erhält das Filtermaterial seine optimale Porosität bei
höchster Strukturstabilität (siehe Bild 3).
Die Materialeigenschaften der UgnCleanPellets ® wurden durch ein unabhängiges
Institut mit speziellen Prüfgeräten untersucht (siehe Bilder 4 und 5 sowie Tabelle 3).
Es wurde u. a. bestätigt, dass das Auflastverhalten, die Porosität der Schüttung und
das minimale Eigenverdichtungsverhalten große Schütthöhen bei minimalen
Druckverlusten ermöglichen.
Bild 4: Druck- und Biegezugprüf- Bild 5: Bruchbild eines Pellets
einrichtung (IFF Weimar e.V.) (IFF Weimar e.V.)
Tabelle 3: Festigkeitsentwicklung in Abhängigkeit der Feuchte und Zeit
(IFF Weimar e.V.)
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Das Cellulosefaserverbundmaterial, welches das Grundgerüst für die
UgnCleanPellets ® bildet, wird im Wesentlichen durch Weiterverarbeitung eines
industriell anfallenden Reststoffes unter Zugabe von ungiftigen Zuschlagstoffen
hergestellt.
Durch das Zusetzen natürlicher Additive mit Kornstrukturen im Mikrometer- und
Nanometerbereich wird nicht nur die innere verfügbare Oberfläche wesentlich
vergrößert, sondern auch das reaktive Verhalten des Filtermaterials
(siehe Tabelle 4).
Welche Verfahrensbesonderheiten zeichnen die UgnCleanPellets ® und das
darauf basierende UGN ® -Hybridfilterverfahren aus?
Aufgrund der angesiedelten Mikroorganismen und der mikrobiellen Verfügbarkeit der
anteilig absorbierten oder adsorbierten Schadstoff- bzw. Geruchsfrachten kann das
beladene Filtermaterial mehrmals regeneriert werden, wobei bei den meisten
Anwendungen die Beladung und Regeneration parallel ablaufen. Regeneration heißt
in diesem Fall, dass bestimmte Bestandteile von Gasgemischen, die durch die
speziell zugegebenen Additiven im Filtermaterial zeitweise gebunden (gepuffert)
werden, von Mikroorganismen verstoffwechselt werden und somit einer Sättigung
des Filtermaterials entgegen wirken.
Durch die Anpassung des Wasserrückhaltevermögens auf einen optimierten
Aw-Wert-Bereich, lassen sich auch die Biofilmbildung und dessen Wachstum so
gestalten, dass das Porensystem der Schüttung sich durch eine Ausweitung des
Biofilms nicht signifikant verengt. Eine signifikante Differenzdruckerhöhung, die durch
das Biofilmwachstum im Filterbett bei konventionellem Biofilm zu zusätzlichem
Energieverbrauch, Totzonen und Staunässe führen kann, ist bei der
UGN ® -Hybridfiltertechnik nicht nachweisbar.
Besonders bedeutsam sind die Optimierung der Wasserspeicherung und
Wasserrückhaltung, die insbesondere durch den limitierten Einsatz der
Cellulosefasern erreicht wurde. Es wird dadurch nicht nur das mikrobielle
Wachstumsverhalten begrenzt, sondern auch die Strukturstabilität der
UgnCleanPellets ® trotz Wasseraufnahme gesichert.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus für Prozesse (zum Beispiel die Entschwefelung
von Biogas, Klärgas und Faulgas) die derzeit noch eine Gastrocknung bedingen.
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Mit den UgnCleanPellets ® ist es möglich feuchte Gase ohne Trocknung, wie zum
Beispiel beim Einsatz von Aktivkohle erforderlich, zu reinigen.
Erste Versuche haben auch gezeigt, dass auf der Basis der UgnCleanPellets ® B ein
Material herstellbar ist, das sich sehr gut als Wasser- und Nährstoffspeicher für
austrocknungsgefährdete Böden bzw. als Aufwuchsträger, z. B. für
Dachbegrünungen, eignet.
Produktübersicht
UgnCleanPellets ® B
Welche Produkte können bereits heute für welche
Anwendung angeboten werden?
ohne
Additive
UgnCleanPellets ® N 1.0 bis 3.5
UgnCleanPellets ® C 1.0 bis 3.5
UgnCleanPellets ® S 1.0 bis 3.5
biologisch aktives Filtermaterial für den Abbau
von Schad- und Geruchsstoffen
biologisch und chemisch-biologisch aktives
Filtermaterial für die Abtrennung von
stickstoffhaltigen Verbindungen
biologisch und chemisch-biologisch aktives
Filtermaterial für die Abtrennung von
organischen Verbindungen
biologisch und chemisch-biologisch aktives
Filtermaterial zur Abtrennung von
schwefelhaltigen Verbindungen mit und ohne
Luftsauerstoff
Tabelle 4: Entwickelte Filtermaterialien von UGN-Umwelttechnik GmbH,
Stand Januar 2012
Das Nachhaltige an diesem Filtermaterial ist, dass es aus einem weiterverarbeiteten
industriellen Rohstoff besteht, der ansonsten einer Entsorgung zugeführt wird. Mit
der Veredlung dieses Reststoffes entsteht ein neues Produkt, das selbst kein Abfall
ist und den Normen der Bodenschutz-, Düngemittel-, Klärschlamm- und der
Bioabfallverordnung gerecht wird.
Bei der Untersuchung und Klassifizierung des Filtermaterials nach der Anwendung in
der Gasreinigung sowie der Abluftreinigung von Geruchs- und Schadstoffen ist die
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Einstufung in Abhängigkeit des Schadpotentials der gereinigten Stoffe und des
Gesamtstoffstroms neu zu bewerten.
Die UgnCleanPellets ® sind ein autoregeneratives, biologisch-chemisch reaktives
Filtermaterial mit einer niedrigen ausgewogenen Energiebilanz.
Für die Herstellung von einer Tonne UgnCleanPellets ® S 3.5 werden derzeit
zwischen 30 – 40 kWh/t* benötigt. (* in Abhängigkeit der Rohmaterialfeuchte)
Im Verhältnis zu einer Tonne Aktivkohle, die für vergleichbare Anwendungsbereiche
hergestellt wird, werden ca. 900 – 1.200 kWh/t Energie eingesetzt.
Am nachstehenden beispielgebenden Vergleich der UgnCleanPellets ® S 3.5 zur
Anwendung im Bereich der Entschwefelung von Biogas, Faul- oder Klärgas, sowie in
der Abreinigung von schwefelverbindungshaltigen Luftgemischen, wird der
funktionale, energetische wie nachhaltige Charakter der auf Cellulosefasern
basierten Filtermaterialien von UGN ® -Umwelttechnik GmbH deutlich
(siehe Tabelle 5).
UgnCleanPellets ® S 3.5 Imprägnierte Aktivkohle
Preis 1,70 €/kg 3,00 – 5,00 €/kg
Reinigungsleistung 420 – 700 g S/kg 400 – 800 g S/kg
Beladbarkeit
5 x Beladung entspricht
2100 – 3500 g S/kg
1 x Beladung entspricht
800 g S/kg
Entschwefelungskosten 2,42 – 4,05 €/kg S 3,75 – 12,50 €/kg S
Entsorgung Das beladene Granulat ist
nährstoffreich, speichert
Wasser und kann die
Bodenstruktur (Rohstoff
für Kreislaufwirtschaft)
verbessern.
Die beladene Aktivkohle
kann entweder
regeneriert oder entsorgt
(Verbrennung,
Deponierung) werden.
Tabelle 5: Biogasentschwefelung: UgnCleanPellets ® S 3.5 im Vergleich zu Aktivkohle
In einem weiteren Beispiel der Anwendung von UgnCleanPellets ® werden o. g.
Vorteile der UGN ® -Hybridfiltertechnologie weiter verdeutlicht. Feuchte Abluftströme
(wie z. B. Hydrolyseablüfte oder auch Ablüfte aus Abwasseranlagen) mit anteiligen
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flüchtigen, organischen Kohlenstoffverbindungen können reaktiv und biologisch mit
den UgnCleanPellets ® ressourcenschonend abgebaut werden.
In der nachstehenden Tabelle 6 sind die Ergebnisse der Untersuchung eines
akkreditierten Labors zusammengefasst.
Parameter Vor UGN ® -Filter (µg/m³) Nach UGN ® -Filter (µg/m³)
Summe Aromatische KW
z. B. Toluen
Summe Aliphatische KW
z. B. Octan
Summe Terpene
z. B. Limonen
Summe Alkohole
z. B. Ethanol
Summe Aldehyde
z. B. Hexanal
Summe Ketone
z. B. Aceton
Summe Ester
z. B. Ethylacetat
140
94
106
19
2100
1870
173
133
34
34
411
133
300
300
62
34
81
6
1210
1110
nicht nachweisbar
nicht nachweisbar
nicht nachweisbar
nicht nachweisbar
46
12
nicht nachweisbar
nicht nachweisbar
Summe VOC 3320 1500
Tabelle 6: Reinigung einer Hygienisierungsabluft einer Biogasanlage mit
UgnCleanPellets ® S1.0
Zusammenfassend bleibt hinzuweisen, dass die UgnCleanPellets ® auf der Basis
eines Cellulosefaserverbundmaterials eine nachhaltige, umwelt- und
ressourcenschonende Alternative zu konventionellen Biofiltermaterialien und
etablierten Produkten, wie u. a. Aktivkohle, ist. Besonders überzeugend ist die
Vielseitigkeit, Variabilität und auch das günstige Preisleistungsverhältnis.
Autor: Ing.-Ök. Herbert Zölsmann (Geschäftsführer der UGN-Umwelttechnik GmbH)
Koautoren: Dipl.-Ing. Andreas Mielke und Dipl.-Ing. (FH) Stefan Fischer
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