Forschungsvor­haben SILOXANE II

Überführung des Messverfahren zur Bestimmung von siliziumorganischen Einzelver-bindungen vom Hausverfahren zum Standardverfahren, Entwicklung eines Messver-fahrens zur Bestimmung des Gesamtsiliziumgehaltes in der Abluft sowie in Bio-/ De-poniegasen und Weiterentwicklung des Technikums-Biofilters zur Verringerung der Siloxangehalte in MBA-Abluftströmen

Transfer from in-house to standard methodology of the measurement procedure for the determination of organosilicon compounds; development of a measurement method for the determination of total silicon content in exhaust, bio- and landfill gases; further development of pilot-scale biofilters for the reduction of silicon content in the exhaust gas of mechanical biological treatment plants

Projektbeschreibung:

Das Projekt „Siloxane II“ (2010-2013) beschäftigte sich aufbauend auf dem Projekt „Siloxane I“ (2007-2010) mit der Validierung des hausintern entwickelten Analyseverfahrens für lineare und zyklische Methylsiloxane (L2-D6) sowie mit der Abreinigung dieser Verbindungen aus MBA-Abluftströmen mit Hilfe von Biofiltern. Im Projekt „Siloxane I“ konnte in ersten orientierenden Untersuchungen am Biofilter der BA Frohnleiten in Österreich eine signifikante Abreinigung der in der Intensivrotteabluft enthaltenen Siloxane gemessen werden. Untersuchungen an einer kleintechnischen Versuchs­anlage über einen Zeitraum von 7 Monaten bestätigten diese Ergebnisse tendenziell. Im Projekt „Siloxane II“ wurden zur Abklärung der Ursache der beobachteten Effekte weiterhin regelmäßig Siloxan-Messungen sowie die Messung zusätzlicher prozessbeschreibender Gasparameter wie beispielsweise Cgesamt sowohl an großtechnischen Biofiltern als auch an einer Biofilter­versuchs­anlage durchgeführt. Parallel dazu wurden bis Projektende verschieden­artige Laborversuche mit Bakterienzellen (verwendete Misch- und Reinkulturen siehe Abbildung) und alternativen biogenen Materialien wie Champignon und Stroh durchgeführt. Diese Versuche sollten darüber Aufschluss geben, ob die gemessene Verringerung der Siloxan­konzentration in Biofiltern auf mikrobiologischen, chemischen und/oder physika­lischen Vorgängen basiert. Neben den Bakterienversuchen wurden Versuche zur Beladung von Biofiltermaterial (Holz) mit Hilfe eines Flüssigkeits-Dosiersystems mit geregelter Verdampfung durchgeführt. Die Versuche sollten zeigen, ob das Filtermaterial selbst Siloxan­verbindungen adsorbiert. Im Jahr 2012 und 2013 fanden zudem umfangreiche Unter­suchungsreihen zur Validierung des hausintern entwickelten Analyseverfahrens für Siloxan­verbindungen statt.

Die Untersuchungen an Biofiltern konnten zum Teil signifikante Verringerungen der Siloxan­konzentrationen von bis zu 60 % nachweisen. Dieser Prozess scheint jedoch sehr stabile und/oder spezifische Randbedingungen zu erfordern, die in der Praxis trotz optimaler Pro­zessbedingungen nicht sicher gewährleistet werden können. Es zeigte sich kein eindeutiger Zusammenhang zwischen dem Auftreten einer/keiner Konzentrationsverringerung und den Betriebsbedingungen (z.B. Holzart/Alter des Filters, Abluftzusammensetzung, Cgesamt-Abbau).

Die Laborversuche konnten eine Bindung von Siloxanen an Bakterienzellen, anderen bio­genen Materialien und Biofiltermaterial (Holz) nachweisen. Es zeigte sich eine Abhängigkeit der Bindung von der Flüchtigkeit (stärkere Bindung der höher siedenden Siloxane), vom Aggregatzustand (höhere Bindung flüssiger Siloxane), von der Zellmasse (spezifische Bindung sinkt exponentiell mit Zunahme der Zellmasse) und von der Sorptionsdauer (bessere Bindung mit Zunahme der Dauer). Es konnte nachgewiesen werden, dass eine Bindung auch an hitzedenaturierten Zellen und nicht nur an intakten Zellwänden und -membranen erfolgt und diese über ein höheres Bindungsvermögen und/oder -stärke ver­fügen. Die Untersuchungen ergaben zudem, dass Champignon-Zellen Siloxane im gleichen Maße wie Bakterienzellen binden. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass die Bindung der Siloxane von der Bakterienspezies abhängt. Der Stamm Sphingobium yanoikuae besitzt eine deutlich höhere Bindungskapaziät als andere Spezies. Diese Spezifität ist vermutlich auf die in den Zellmembranen enthaltenen Sphingolipide zurückzuführen.

Da eine Bindung von Siloxanen an Bakterienzellen nachgewiesen werden konnte, ist der Einsatz von Biofiltern, Biowäschern oder Biotrickling-Filtern zur Reinigung siloxanhaltiger Gase durchaus möglich, bedarf aber weiterer Forschung.