CZ289614B6

CZ289614B6 - Plovoucí vířitelný nosný materiál pro biotechnologické procesy

Info

Publication number: CZ289614B6
Application number: CZ1996262A
Authority: CZ
Inventors: Volkmar Peukert; Reinhard Koch; Reiner Augst; Peter Ott
Original assignee: Peter Ott; Volkmar Peukert; Reinhard Koch; Reiner Augst
Priority date: 1994-06-03
Filing date: 1994-12-15
Publication date: 2002-03-13
Also published as: DK0685432T3; DE59407448D1; CZ4772U1; PL312785A1; CN1105084C; CN1131409A; EP0685432A1; PL177517B1; ES2127861T3; WO1995033695A1; RU2136611C1; CZ26296A3; EP0685432B1; ATE174312T1; DE9409077U1

Abstract

Plovouc v °iteln² nosn² materi l pro biotechnologick procesy sest v z polymern ch l tek s organick²mi a/nebo anorganick²mi p° sadami, a obsahuje p nov j dro s uzav°en²mi kom rkami a jemn por zn kom rkov struktury, m strukturovan² a profilovan² povrch a m tvar v lcovit²ch dut²ch t l sek s d lkou od 3 do 25 mm, vn j m pr m rem od 3 do 25 mm, vnit°n m pr m rem od 2 do 24 mm a m rnou hmotnost mezi 0,4 a 0,98 g/cm.sup.3.n..\

Description

Plovoucí vířitelný nosný materiál pro biotechnologické procesy

Oblast techniky

Vynález se týká plovoucího vířitelného nosného materiálu pro biotechnologické procesy, zejména kultivačního nosného materiálu pro mikroorganismy, který může být použit při způsobech a v zařízeních pro dodatečnou úpravu vody, ke zpracování odpadních vod a kalů a ve fermentačních procesech.

Dosavadní stav techniky

Je známo, že při zpracování vody a odpadních vod lze ke zvýšení koncentrace biomasy a tím i zvýšení čisticího výkonu použít rozličné nosné materiály.

Ve spisu DD 261 921 A3 je popsán způsob výroby zrnitého nosného materiálu pro biotechnologické procesy s měrnou hmotností pod 0,5 g/cm³ krychlový, který se vyrábí tepelným smršťováním vloček pěnového polystyrénu. Podle spisu DD 264 887 AI je tento materiál na svém povrchu přídavně opatřován vrstvami adsorbentů a/nebo inertních plniv.

Nosné materiály s nanesenými vrstvami jsou popsány například také ve spisech DE 29 45 609 AI, DE 30 06 171 Bl aDE31 05 887 C2.

Všem těmto materiálům je společný nedostatek spočívající v tom, že při jejich výrobě vznikají částice s různými tvary, velikostmi a hustotou, které pak vedou k rozdílnému chování při nadouvání, čímž je ztížena spolehlivost a regulovatelnost řízení procesu za definovaných podmínek. Mikroorganismy se kromě toho usazují výlučně na povrchu nosných materiálů. V důsledku toho se mohou vyvíjet pouze mikroorganismy s požadavky na aerobní nebo anareobní prostředí.

V zavzdušňovaném vířivém loži jsou nosné materiály osidlovány téměř výlučně jen aerobně žijícími mikroorganismy. Nejsou k dispozici dutiny, ve kterých by v důsledku nedostatku kyslíku mohly probíhat i anaerobně-anoxické procesy, například denitrifikační procesy.

Je také známo použití pěnových nosných materiálů. Ve spisu DE 31 37 062 je popsáno použití pěnových tělísek kusového tvaru s otevřenými komůrkami na bázi polyurethanu. Ve spisu DD 269 610 AI je popsáno použití stlačitelných nosných materiálů s otevřenými póry v kultivačních nádobách. Ve spisu DE 37 19 418 Cl jsou tato tělíska z umělé hmoty opatřena lepicí vrstvou a na, popřípadě do otevřených pórů jsou naneseny, popřípadě vneseny adsorpční částice.

Tyto materiály mají výhodu spočívající vtom, že mikroorganismy srůznými požadavky na prostředí se neusidlují jen ve vnějších, nýbrž také ve vnitřních vrstvách, přičemž zásluhou toho, že současně probíhají nitrifikační i denitrifikační procesy, lze dosáhnout značných čisticích výkonů.

V praxi však přesto vznikají problémy z toho, že porostlé částice pěnové hmoty nabývají měrné hmotnosti mezi 0,9 až 1,1 g/cm³. V důsledku toho není možné jejich spolehlivé zadržení v reaktorech pomocí nomých stěn. Zadržení lze dosáhnout pouze pomocí sít, sítí nebo děrovaných desek. Důsledkem toho je, že použití těchto nosných materiálů je možné pouze v zařízeních s dobrým předčišťováním a že průměr těchto nosných částic musí činit nejméně 2 cm. Každé zvětšení částic však přináší zmenšení měmé kultivační plochy a současně zvýšené požadavky na rozměry reaktorů, aniž by se dosáhlo odpovídající biologické aktivity. Další nedostatek nosných materiálů na bázi pěnových hmot spočívá v tom, že otevřené póry se rostoucím porostem uzavírají, takže čištěné médium se již nemůže v dostatečné míře dostat k vnitřním vrstvám.

- 1 CZ 289614 B6

Úkolem vynálezu je nalezení nosného materiálu pro biotechnologické a mikrobiologické procesy, který bude současně umožňovat jak aerobní, tak i anaerobně-anoxické zpracování vody. Část povrchu má být i v aerobním vířivém loži osídlena anaerobně-anoxicky žijícími mikroorganismy. Materiál má být kromě toho vyrobitelný v úzkém spektru definované hustoty a velikosti a má mít 5 velkou, adsorpčně působící kultivační plochu.

Podstata vynálezu

Uvedený úkol řeší nedostatky známých nosných materiálů tohoto druhu a do značné míry odstraňuje plovoucí vířitelný nosný materiál pro biotechnologické procesy podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že sestává z polymemích látek s organickými a/nebo anorganickými přísadami, které obsahují pěnové jádro s uzavřenými komůrkami a jemně porézní komůrkové struktury, má strukturovaný a profilovaný povrch a má tvar válcovitých dutých tělísek s délkou 15 od 3 do 25 mm, vnějším průměrem od 3 do 25 mm, vnitřním průměrem od 2 do 24 mm a měrnou hmotností mezi 0,4 až 0,98 g/cm³.

Je výhodné, jestliže na povrchu plovoucího vířitelného nosného materiálu je vrstva sorbentů a/nebo enzymů a/nebo antigenů a/nebo jiných biochemických preparátů.

Zmíněnými polymemími látkami jsou s výhodou polyolefiny, popřípadě jejich kopolymery a terpolymery.

Je zvláště výhodné, jestliže polymemí látkou je polyvinylacetát.

Sypná měrná hmotnost, hustota a vztlakové vlastnosti tohoto plovoucího vířitelného nosného materiálu jsou nastavitelné nadouváním pomocí přísady organických a/nebo anorganických nadouvacích prostředků v množství 0,1 až 2,0 % hmotn.

Zmíněné nadouvací prostředky jsou tvořeny hydrogenuhličitany s kyselinou citrónovou a/nebo škrobem a/nebo cukrem a/nebo aktivním uhlím.

Vnitřní a/nebo vnější povrch plovoucího vířitelného nosného materiálu je s výhodou porézní a/nebo obsahuje podélné drážky.

Základní polymemí materiál z polyolefinů, popřípadě jejich kopolymerů a terpolymerů, například polyvinylacetátu, se roztaví a s přísadou organických a/nebo anorganických látek jako nadouvadel se v extrudéru se speciálně tvarovanou tryskou tvaruje ve válcovitá dutá tělíska s definovanými rozměry. Takto vznikne pěnové jádro s uzavřenými komůrkami a komůrkové struktury 40 s jemnými póry. Jako nadouvacích prostředků se použije 0,1 až 2,0 % hmotn. hydrogenuhličitanu s kyselinou citrónovou a/nebo škrob a/nebo cukr a/nebo aktivní uhlí. Vnitřní a/nebo vnější povrch plovoucího vířitelného nosného materiálu může být podle prostředku použitého pro nadouvání porézní. Povrch je strukturovaný a profilovaný. Měrná hmotnost plovoucího vířitelného nosného materiálu by měla být mezi 0,4 až 0,98 g/cm³. Krátce po výstupu z trysky může být na 45 dosud nevytvrzený povrch tělísek z plovoucího vířitelného nosného materiálu nanesena vrstva sorbentů a/nebo enzymů a/nebo antigenů a/nebo jiných biochemických preparátů. Použitá tryska je za účelem zvětšení měrné kultivační plochy tělísek z plovoucího vířitelného nosného materiálu opatřena podélnými drážkami, zásluhou čehož má rýhovaný povrch i vytlačovaný plovoucí vířitelný nosný materiál. Po vytvrzení se vytlačený profil nařeže na definované délky.

Vyrobený plovoucí vířitelný nosný materiál plove na hladině vody, dobře se víří a je velmi trvanlivý i po mechanické a biologické stránce. Má velkou adsorpčně působící kultivační plochu. Plovoucí vířitelný nosný materiál lze velmi dobře použít v biotechnologických procesech, zejména v procesech dalšího zpracování odpadních vod, při kterých se požaduje eliminace

-2CZ 289614 B6 dusíku. Plovoucí vířitelný nosný materiál lze podle potřeby použít v reaktorech s vířivým nebo pevným ložem pro aerobní, anaerobní nebo anoxické procesy. Zadržení v reaktorech lze bez problému dosáhnout speciálně uspořádanými nomými stěnami. Zvláštní výhoda vyplývá z toho, že podle délky tělísek z plovoucího vířitelného nosného materiálu lze v jejich vnitřním prostoru vytvořit kultivační plochy, které v porostlém stavu nejsou ani v aerobním vířivém loži dostatečně zásobovány kyslíkem, takže v nich vznikne anaerobně-anoxické prostředí. Zásluhou toho mohou na tělísku z plovoucího vířitelného nosného materiálu v těsném prostoru současně probíhat aerobní a anaerobně-anoxické procesy. Vzájemný poměr aerobních a anaerobně-anoxických kultivačních ploch lze nastavit délkou jednotlivých tělísek z plovoucího vířitelného nosného materiálu. Jsou-li požadovány převážně aerobní procesy, například nitrifikace nebo aerobní odbourávání biochemickou spotřebou kyslíku, pak mají tělíska z plovoucího vířitelného nosného materiálu použitá v tomto stupni procesu délku mezi 3 a 6 mm. Prodlouží-li se délka tělísek z plovoucího vířitelného nosného materiálu na 15 až 25 mm, usidlují se v jejich vnitřku mikroorganismy schopné denitrifikace.

Příklad provedení vynálezu

Plovoucí vířitelný nosný materiál, jeho výroba a možnosti použití budou dále popsány na příkladu zařízení pro zpracování odpadní vody s dalekosáhlou eliminací dusíku nitrifikací a denitrifikací.

Polyvinylacetát se roztaví a smísí s 0,6 % hmotn. granulátu, kteiý obsahuje 40 % hmotn. hydrogenuhličitanu s kyselinou citrónovou jako nadouvací prostředek. V extrudéru se speciálně provedenou tryskou se tato směs tvaruje ve vytlačený profil ve tvaru dutých válečků s povrchem rýhovaným v podélném směru. Tento vytlačený profil má vnější průměr 5 mm a vnitřní průměr 4 mm. Rýhy jsou hluboké přibližně 0,6 mm. Následně se vytlačený profil po ochlazení ve vodní lázni nařeže na kousky dlouhé 5 mm. Takto se na tělísku z plovoucího vířitelného nosného materiálu dosáhne kultivační plochy přes 2,7 cm² a na metr kiychlový sypného objemu plovoucího vířitelného nosného materiálu plochy přes 950 m².

Stejným způsobem se vyrobí druhá dávka s délkou tělísek z plovoucího vířitelného nosného materiálu 15 mm.

Druhá dávka se v množství 45 % objemových přidává do nitrifikačního stupně a první dávka ve stejném množství přidává do denitrifikačního stupně zařízení pro zpracování odpadních vod s eliminací dusíku. Plovoucí vířitelný nosný materiál v nitrifikačním stupni je intenzivně vířen přiváděním tlakového vzduchu, zatímco tělíska z plovoucího vířitelného nosného materiálu v denitrifikačním stupni jsou ve styku se zpracovávanou odpadní vodou trvale udržovány pomalu běžícím míchadlem. Nahoru vyplavaný plovoucí vířitelný nosný materiál je v jednotlivých stupních procesu zadržován speciálně tvarovanými nomými stěnami.

Plovoucí vířitelný nosný materiál v zavzdušňovaném nitrifikačním stupni porůstá na kyslíkem dobře zásobovaných površích především aeorobně žijícími mikroorganismy, zejména nitrifíkujícími bakteriemi. Poměrně pomalu rostoucí nitrifikující bakterie zůstávají s plovoucím vířitelným nosným materiálem trvale v tomto stupni a zajišťují tak v poměrně krátké době biochemickou přeměnu ammonia obsaženého v odpadní vodě v nitrát. Střední část vnitřního prostoru tělísek z plovoucího vířitelného nosného materiálu, která mají tvar dutých válečků, je v důsledku nepatrné turbulence silně porostlá nejrůznějšími mikroorganismy. V této oblasti je potlačeno zásobování kyslíkem. Usazují se zde především takové bakterie, které mohou růst v anaerobním a anoxickém prostředí. Většina z těchto mikroorganismů je schopna nitrát, který mikrobiální cestou vzniká na zavzdušňovaných plochách, denitrifikovat s využitím rozpuštěných uhlovodíkových sloučenin v molekulární dusík. Takto je určité množství dusíku eliminováno dokonce již v nitrifikačním stupni.

-3CZ 289614 B6

Úplné odbourání nitrátu probíhá v následujícím nezavzdušňovaném denitrifikačním stupni. V tomto stupni jsou tělíska z plovoucího vířitelného nosného materiálu v důsledku anaerobněanoxického prostředí osídlena především mikroorganismy, které jsou schopny využít pro procesy látkové výměny kyslík vázaný na nitrátové ionty. Molekulární dusík opouští zařízení v plynné 5 formě.

Použitím plovoucího vířitelného nosného materiálu podle vynálezu v zařízení pro zpracování odpadních vod s eliminací dusíku mohlo být prostorové využití k biochemické spotřebě kyslíku ve srovnání se známými hodnotami zdvojnásobeno na 0,8 až 1,0 kg biochemické spotřeby ío kyslíku/metr³, aniž by se projevilo negativní ovlivnění stupně eliminace. Tohoto efektu se dosáhne vyšší měrnou koncentrací biomasy v nádržích. Na metr krychlový sypného objemu bylo zjištěno až 5 kg sušiny z biomasy vázané na plovoucí vířitelný nosný materiál. Ve volných prostorech mezi tělísky z plovoucího vířitelného nosného materiálu bylo možno prokázat další biomasu, mající v sušině hmotnost přibližně 2,5 kg. Z toho vyplývá, že celkové množství 15 biomasy činí v sušině přibližně 7 až 8 kg. Takových koncentrací nelze v běžných zařízeních na zpracování odpadních vod dosáhnout. Dočišťovací zařízení, které je zapotřebí k oddělení biomasy od čištěné vody, mohlo být zásluhou vysokého podílu biomasy, která je vázána na plovoucí vířitelný nosný materiál, zmenšeno přibližně o 35 %. Také množství zpětně zaváděné biomasy mohlo být zredukováno na hodnotu kolem 40 % množství přitékající odpadní vody. 20 Při nízkých přítocích lze zpětné zavádění biomasy vypustit úplně.

Claims

25 PATENTOVÉ NÁROKY

1. Plovoucí vířitelný nosný materiál pro biotechnologické procesy, vyznačující se tím, že sestává z polymemích látek s organickými a/nebo anorganickými přísadami, které 30 obsahují pěnové jádro s uzavřenými komůrkami a jemně porézní komůrkové struktury, má strukturovaný a profilovaný povrch a má tvar válcovitých dutých tělísek s délkou od 3 do 25 mm, vnějším průměrem od 3 do 25 mm, vnitřním průměrem od
2 do 24 mm a měrnou hmotností mezi 0,4 až 0,98 g/cm³.

35 2. Plovoucí vířitelný nosný materiál podle nároku 1, vyznačující se tím, že na jeho povrchu je vrstva sorbentů a/nebo enzymů a/nebo antigenů a/nebo jiných biochemických preparátů.
3. Plovoucí vířitelný nosný materiál podle některého z nároků 1 a 2, vyznačující se 40 t í m, že polymemími látkami jsou polyolefmy, popřípadě jejich kopolymery a terpolymery.
4. Plovoucí vířitelný nosný materiál podle některého z nároků 1 až 3, vyznačující se t í m, že polymemí látkou je polyvinylacetát.

45
5. Plovoucí vířitelný nosný materiál podle některého z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že sypná měrná hmotnost, hustota a vztlakové vlastnosti jsou nastavitelné nadouváním pomocí přísady organických a/nebo anorganických nadouvacích prostředků vmožství 0,1 až 2,0 % hmotn.

50
6. Plovoucí vířitelný nosný materiál podle nároku 5, vyznačující se tím, že nadouvací prostředky jsou tvořeny hydrogenuhličitany s kyselinou citrónovou a/nebo škrobem a/nebo cukrem a/nebo aktivním uhlím.

-4CZ 289614 B6
7. Plovoucí vířitelný nosný materiál podle některého z nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že jeho vnitřní a/nebo vnější povrch je porézní a/nebo obsahuje podélné drážky.