DE10056338B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung eines Mediums mit Mikroorganismen - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Behandlung eines Mediums mit Mikroorganismen, das die Schritte aufweist:
a) Einleiten von Mikroorganismen aus einem Bioreaktor in das zu behandelnde Medium,
b) Messen einer physikalischen, chemischen und/oder biologischen Größe vom Medium, nachdem die Mikroorganismen auf das Medium eingewirkt haben, und
c) Steuern eines Parameters beim Bioreaktor in Abhängigkeit von der gemessenen physikalischen, chemischen oder biologischen Größe, um die Zusammensetzung oder/und Aktivität oder/und Menge der über die Zuführeinrichtung dem Medium zugeführten Mikroorganismen zu ändern.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung eines Mediums mit Mikroorganismen, insbesondere zur Behandlung von Abwasser mit Mikroorganismen.
  • Bei der Abwasserreinigung in Kläranlagen wird die Selbstreinigung von Gewässern nachgeahmt. Dabei gelangen physikalische, biologische und chemische Reinigungsstufen zum Einsatz. Ein Nachteil in der biologischen Stufe, der sowohl beim Belebungsverfahren als auch beim Tropfkörperverfahren auftritt, ist, daß der anfallende Schlamm vorzugsweise durch Schlammeindickung oder Schlammfaulung in großen Menge weiterverarbeitet werden muß.
  • Ferner werden bei ungenügendem Sauerstoffgehalt im Abwasser bereits in der Leitung zur Kläranlage hin Schmutzstoffe durch anaerobe Bakterien abgebaut, wodurch Schwefelwasserstoff entsteht und eine Verschlechterung der Wasserqualität auftritt. Dabei verschlechtert sich die Qualität des Abwassers mit zunehmender Entfernung des Ortes der Abwasserentstehung von der Kläranlage. Zur Vorbehandlung des Abwassers in der Leitung werden dem Abwasser in Pumpstationen Chemikalien zugeführt, wie z.B. Nitrate. Jedoch bedürfen auch diese zugeleiteten chemischen Stoffe einer Verarbeitung in der Kläranlage.
  • Seit Beginn der neunziger Jahre sind für eine umweltschonende Abwasserbehandlung effektive Mikroorganismen im Einsatz. Der Begriff "effektive Mikroorganismen" wurde durch Professor Teruo Higa geprägt und bezeichnet eine Vielzahl von effektiven, nützlichen und nicht pathogenen Mikroorganismen, die durch natürliche Prozesse erzeugt werden. Ergebnisse beim Einsatz der effektiven Mikroorganismen auf verschiedenen Teilgebieten der Landwirtschaft und Umwelttechnik wurden auf der Konferenz "International Convention and Conference on Kyusei Natur Farming and the technology of effective Microorganisms" vom 24 bis 27. Oktober 1998 in Bali, Indonesien dargestellt.
  • Effektive Mikroorganismen werden seit 1991 auch in der Gushikawa Stadtbibliothek im japanischen Okinawa eingesetzt, um Abwasser zu behandeln und als Brauchwasser in das System wieder zurückzuspeisen. Nach Einfahrprozessen im ersten Monat mit einer größeren Menge an effektiven Mikroorganismen wurden mit einer diskontinuierlichen Einspeisung von drei Litern an effektiven Mikroorganismen innerhalb von drei Monaten in den Abwassertank, der sich unmittelbar stromabwärts von der Abwasserentstehung befindet, positive Resultate erzielt.
  • Ein Nachteil von den derzeit zur Verfügung stehenden Verfahren besteht darin, daß die verwendeten effektiven Mikroorganismen nur für eine bestimmte Abwasserzusammensetzung optimal sind und somit bei Änderung der Verschmutzung bzw. der Zusammensetzung des Abwassers eine verschlechterte Reinigungswirkung der diskontinuierlich zugeführten effektiven Mikroorganismen zu verzeichnen ist. Ferner sind bestimmte Verweilzeiten zur Ausführung der Fermentation in den entsprechenden Behältnissen notwendig.
  • In den Druckschriften WO 93/16962 A1, DE 195 47 655 A1 , DE 38 18 906 A1 und EP 0 710 626 A2 sind jeweils Verfahren zur Abwasserbehandlung oder Abwasseranalytik offenbart, bei denen dem zu behandelnden Abwasser Mikroorganismen zugeführt werden, die in einem separaten Bioreaktor gezüchtet werden. Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind jedoch nur dann einsetzbar, wenn die Abwasserzusammensetzung im Wesentlichen konstant bleibt. Insbesondere bei kommunalen Abwasseraufbereitungsanlagen schwankt die Abwasserzusammensetzung jedoch sehr stark, so dass der biologische Abbau durch die auf eine bestimmte Konzentration ausgelegte Mikroorganismenzusammensetzung nicht gewährleistet ist.
    •
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung eines Mediums mit Mikroorganismen vorzusehen, mit denen auch bei sich ändernder Zusammensetzung des Mediums bestimmte physikalische, chemische und/oder biologische Eigenschaften des behandelten Mediums erzielbar sind. Das Verfahren soll eine einfache Arbeitsweise mit geringen Instandhaltungskosten ermöglichen, während die Vorrichtung robust baubar sein sollte und einen geringen Platzbedarf haben sollte.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 10 gelöst.
  • Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Behandlung eines Mediums mit Mikroorganismen werden diese in das Medium eingeleitet, wird nach dem Einwirken der Mikroorganismen eine physikalische, chemische und/oder biologische Größe des Mediums gemessen und wird in Abhängigkeit von dieser gemessenen Größe ein Parameter am Bioreaktor in einer solchen Weise verändert, daß sich die Zusammensetzung, Aktivität und/oder Menge der dem Medium zugeführten Mikroorganismen ändert. Auf diese Weise wird in einem Prozeß, bei dem eine Fermentation sowohl in einem Bioreaktor als auch außerhalb von diesem stattfindet, eine Rückkopplung des Endergebnisses der Fermentation herbeigeführt. Es kann also auf effektive Weise eine gezielte Prozeßbeeinflussung erfolgen, die eine gute Steuerbarkeit des Behandlungsprozesses vom Medium absichert. Im Unterschied zu den Verfahren nach dem Stand der Technik erfolgt somit bei der vorliegenden Erfindung nicht nur eine Prozeßüberwachung im Bioreaktor, sondern wird eine biologische Regelung des gesamten Fermentationsprozesses vorgenommen.
  • Der Parameter beim Bioreaktor ist vorzugsweise die zugeführte Art oder Menge des Nährmediums für die Mikroorganismen. Als Ergebnis läßt sich die Effektivität des Fermentationsprozesses im Bioreaktor und als Folge davon die des Fermentationsprozesses außerhalb vom Bioreaktor steuern. Anders ausgedrückt läßt sich über die Nähermedium-Zugabe einstellen, in welcher Phase von exponentiellem oder stationärem Wachstum die Mikroorganismen dem zu behandelnden Medium in welcher Zusammensetzung zugesetzt werden.
  • Von Vorteil ist, wenn die gemessene Größe vom Medium der pH-Wert ist. Dieser Wert ist einfach zu ermitteln und gestattet Aussagen über den abgelaufenen Fermentationsprozeß und über Enzymaktivitäten. Aussagen über den zu erwartenden Fermentationsprozeß sind dann möglich, wenn der pH-Wert unmittelbar nach Einleitung der Mikroorganismen in das zu behandelnde Medium gemessen wird. Mit diesem Meßwert kann in noch gezielterer Weise auf den Fermentationsprozeß Einfluß genommen werden.
  • Entsprechend einer Variante der vorliegenden Erfindung ist die Redoxspannung nach dem Einwirken der Mikroorganismen auf das zu behandelnde Medium meßbar und zur Parametersteuerung beim Bioreaktor nutzbar. Aus dem Meßwert können dann Aussagen über das Redoxverhalten des behandelten Mediums getroffen werden, die dann Rückschlüsse auf den Fermentationsverlauf gestatten. Die Genauigkeit der Prozeßsteuerung ist daher höher.
  • Ein bevorzugter Einsatz der vorliegenden Erfindung erfolgt bei Abwasser. Aufgrund der Vielzahl von Bestandteilen des Abwasser erfordert eine ökologisch sinnvolle Reinigung nach dem Stand der Technik zuerst eine Bestimmung seiner Zusammensetzung. Entsprechend der Erfindung ist jedoch eine umweltschonende Reinigung mit wesentlich geringerem meßtechnischen Aufwand möglich. Aus dem Endergebnis der Fermentation lassen sich Rückschlüsse auf die vorzunehmende Reinigung ziehen.
  • Durch den Einsatz von Rohrzuckermelasse als Nährmedium können den Mikroorganismen alle notwendigen Nährstoffe bei niedrigen Betriebskosten für die Anlage zugeführt werden.
  • Zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahren kann eine Vorrichtung einen Bioreaktor, eine erste Zuführeinrichtung, eine Meßeinrichtung und eine Steuerungseinrichtung in geeigneter Weise aufweisen.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann eine zweite Zuführeinrichtung aufweisen, mit der verschiedene Nährmedien bzw. unterschiedliche Mengen von diesem dem Bioreaktors zuleitbar sind. Somit wird die gerätetechnische Voraussetzung für die Beeinflussung des Fermentationsergebnisses geschaffen.
  • Der Bioreaktor kann einen Fermentationsbehälter für anaerobe und aerobe Prozesse oder einen Vorfermenter für aerobe Prozesse, einen Hauptfermenter für anaerobe Prozesse und einen Nachfermenter zur Inaktivierung der Mikroorganismen aufweisen. Im ersten Fall ist der gerätetechnische Aufwand gering. Im zweiten Fall ist eine gezielte Beeinflussung der aeroben und anaeroben Prozesse möglich, wodurch die Steuerbarkeit der Gesamtprozesses erhöht ist. Statt der Anordnung von drei Fermentern ist auch nur der Einsatz von zwei Fermentern möglich.
  • Wenn zumindest zwei Fermenter eingesetzt werden, können Mikroorganismen aus dem stromabwärts liegenden Fermenter zum stromauf wärts liegenden Fermenter zurückgeführt werden. Dadurch verringert sich die Menge an Starterkultur, die zuzugeben ist.
  • Beim vorstehend genannten Verfahren und bei der vorstehend genannten Vorrichtung sind als Mikroorganismen Reinigungsbakterien, stickstoffbindende Mikroorganismen und Eumycota, die für eine nützliche Fermentation gebraucht werden, einsetzbar. Somit sind mit der Einleitung von einem Gemisch an Mikroorganismen eine Vielzahl von Verunreinigungen im Abwasser beseitigbar.
  • Durch eine geeignete Auswahl der Mikroorganismen unter den unterschiedlichen Elementen der genannten Gruppen von Mikroorganismen ist eine Anpassung an die mögliche Abwasserzusammensetzung möglich. Beim Einbringen aller Mikroorganismen in den entsprechenden Gruppen ist eine Anwendung auf eine beliebige Mediumzusammensetzung realisierbar.
  • Erfindungsgemäße Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
    •
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert, in denen:
  • 1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Steuerung für die Abwasserbehandlung mit effektiven Mikroorganismen zeigt, und
  • 2 ein Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur Abwasserbehandlung entsprechend der Erfindung zeigt.
  • In 1 ist ein Bioreaktor 100 schematisch dargestellt. In diesen Bioreaktor 100 sind Wasser I, Mikroorganismen II und ein Nährmedium III über jeweilige Dosiereinrichtungen 4, 5 bzw. 6 einleitbar. Dabei werden vorzugsweise die Medien I, II und III bereits vor dem Eintrag in den Bioreaktor gemischt und wird eine Adaptierung der Mikroorganismen an das neue Milieu erreicht. Im Bioreaktor 100 beginnt dann bei entsprechend günstigen Prozeßbedingungen die Phase des exponentiellen Wachstums der Mikroorganismen.
  • Bei der Temperaturwahl des Wassers ist darauf zu achten, daß bei einer Mischung der Medien I, II und III vor dem Einbringen in den Bioreaktor eine unerwünschte Fermentierung vermieden wird.
  • Als Nährmedium gelangt aufgrund des günstigen Kosten/Nutzen-Verhältnisses vorzugsweise Rohrzuckermelasse zum Einsatz.
  • Es ist jedoch ein beliebiges anderes Nährmedium, das die von den Mikroorganismen zum Zellaufbau benötigten 10 Hauptelemente S, C, H, O, N, Ca, Fe, K, P und Mg in der für die Mikroorganismen nötigen Zusammensetzung aufweist, einsetzbar, wie beispielsweise eine Mischung aus Rohrzuckermelasse und Honig, Rübenmelasse, Stärke, Sulfitablauge, Cellulose, Molke, tierische und pflanzliche Fette/Öle sowie Alkohole. Dabei ist insbesondere auf ausreichend Kohlenstoff- und Energiequellen, Stickstoffquellen, Mineralstoffquellen und Vitaminquellen zu achten. Zusätzlich kann die Zudosierung eines Entschäumers zu Beginn oder während der Fermentation vorgenommen werden.
  • Die effektiven Mikroorganismen, die nach der Fermentation des Gemisches aus Wasser I, Mikroorganismen II und Nährmedium III im Bioreaktor 100 vorliegen, werden über eine Dosiereinrichtung 7 dem Abwasser, das sich in einer Abwasserleitung 110 befindet, zugeführt.
  • Die effektiven Mikroorganismen können folgende Bestandteile aufweisen
  • 1) als Reinigungsbakterien
    • – Photosynthese-Bakterien (grampositiv): die Familien Rhodospirillum, Rhodopseudomonas, Chromatium, Chlorobium
    • – gramnegative, aerobe stabförmige und kreisförmige Bakterien: die Familien Pseudomonos, Gluconobacter, Acetobacter, Azotobocter, Rhizbium, Methylomonas
    • – grampositive kreisförmige Bakterien: die Familien Micrococcus, Streptococcus, Leuconostoc, Pediococcus
    • – stab- und kreisförmige Bakterien mit Endosporen: die Familien Bacillus, Clostridium, Desulfotomaculum
    • – grampositive stabförmige Bakterien ohne Sporen: die Familie Lactobacillus
    • – grampositive Actinomyceten und verwandte Bakterien: die Familien Corynebacterium, Arthrobacter, Propionibacterium, Frankia, Streptomyces
  • 2) als stickstoffbildende Mikroorganismen
  • 2.a) symbiotische stickstoffbildende Mikroorganismen
    • – Algen: z.B. Anabena Nostoc (in Symbiose mit Azolla)
    • – Aktinomyceten: z.B. Frankia (in Symbiose mit Erlen)
    • – Bakterien: z.B. Rhizobium (in Symbiose mit Leguminosen)
  • 2.b) unabhängige stickstoffbildende Mikroorganismen
    • – aerobe Mikroorganismen: Algen (z.B. Anabena, Nostoc sp), Azotobacter (z.B. Azotobacter sp), methanoxydierende Bakterien (z.B. Methylomonas sp), Schwefelbakterien (z.B. Thiobacillus thiooxidans), aerobe Photosynthesebakterien (z.B. Erythrobacter longus)
    • – mikro-aerophile Mikroorganismen: kreisförmige Bakterien mit Endosporen (z.B. Bacillus, Polymyxa), Darmbakterien (z.B. Klebsiella, Pneumonia), Actinomyceten (z.B. Propionibacterium shermarii)
    • – anaerobe Mikroorganismen: kreisförmige Bakterien mit Endosporen (z.B. Clostridium, Pasteurionum, Desulfotomaculum ruminis), schwefelreduzierende Bakterien (z.B. Desulfouibrio vulgaris), grüne Schwefelbakterien (z.B. Chlorobium linicola), braun-grüne Photosynthesebakterien (z. B. Heliobacterium chlorum)
    • – Bakterien die sowohl aerobe als auch anaerobe Eigenschaften besitzen und von Luft und Nahrung abhängig sind: nicht-violette Schwefelbakterien (z.B. Rhodospirillum rubrum, Rhodopseudomonoas sp), violette Schwefelbakterien (z.B. Chromatium sp), Algen (z.B. Plectonema boryanum)
  • 3. Eumycota, die für eine nützliche Fermentation gebraucht werden
    • – Mastigomycotina: z.B. die Pilze Saprolegnis
    • – Zygomycotina: z.B. die Pilze Mucor, Rhizopus
    • – Ascomycotina: z.B. die Pilze Emericella, Neosartorya, Tatoromyces, Eugenicillium, Monascas, Neurospora und die Hefen Saccharomycetaceae, Saccharomyces, Schizosaccharomyces, Pichia
    • – Basidiomycotina: z.B. die Pilze Flammulina, Lentinus und die Hefen Ustilaginaceae, Rhodosporidium, Leucosporidium
    • – Deuteromycotina: z.B. die Pilze Aspergilus, Penicillium, Trichoderma und die Hefen Sporobolomycetaceae, Bullera, Sporidiobolus, Sporobolomyces, Cryplococcaceae, Torulopsis, Candida, Kloeckera, Rhodotorula
  • Genauer gesagt sind als Photosynthesebakterien einsetzbar:
    • – grüne Schwefelbakterien, z.B. Chlorobium limicola f. thiosulfatophilum (Lebensbedingungen: Licht, anaerob)
    • – drahtförmige kriechende grüne Bakterien: z.B. Chloroflexus auratiacus (Lebensbedingungen: Licht, anaerob bzw. dunkel, aerob)
    • – violette Schwefelbakterien: Chromatium vinosum, Thiocapsa pfennigii (Lebensbedingungen: Licht, anaerob bzw. dunkel, aerob)
    • – nicht violette Schwefelbakterien: z.B. Rhodopseudomonas, Sphaeroides, Rhodomicrobium vannielli, Rhodospirillium rubrum (Lebensbedingungen: Licht, anaerob bzw, dunkel, aerob bzw. dunkel, anaerob)
    • – aerobe Photosynthesebakterien: Erythrobacter longus (Lebensbedingungen: Licht, aerob bzw. dunkel, aerob)
    • – anaerobe, braun-grüne Photosynthesebakterien: Heliobacteriumchlorum (Lebensbedingungen: Licht, anaerob)
  • Der Bioreaktor kann eine nicht in 1 dargestellte Steuereinrichtung aufweisen, die den im Bioreaktor stattfindenden Fermentationsprozeß in Abhängigkeit der Meßergebnisse von Sensoren, die sich am Bioreaktor befinden, beeinflußt. Am Bioreaktor sind die Temperatur, die Belüftung, die Drehzahl des Rührwerks, der Druck, der pH-Wert, der gelöste Sauerstoff der Schaumstand und das Gewicht meßbar. Zusätzlich können jedoch auch noch der Kohlendioxid-Gehalt des Mediums, die Trübung des Mediums als Maß für das Wachstum der Mikroorganismen, die Fluoreszenz als indirektes Maß für die Menge an Biomasse bzw. für die Sauerstoffversorgung, der Sauerstoff- bzw. Kohlendioxidgehalt im Abgas sowie die Enzymaktivitäten und die Menge bzw. die Existenz weiterer Produkte und Substanzen gemessen werden. Die Enzymaktivitäten und die Menge bzw. die Existenz weiterer Produkte und Substanzen wird vorzugsweise über Biosensoren ermittelt.
  • Biologische, chemische und/oder physikalische Eigenschaften des unbehandelten Abwassers sind über eine Meßeinrichtung 3 meßbar.
  • Eine Meßeinrichtung 2, die sich kurz hinter dem Ort befindet, an dem die effektiven Mikroorganismen dem Abwasser zugeführt werden, ermittelt biologische, chemische und/oder physikalische Eigenschaften des mit den effektiven Mikroorganismen versetzten Abwassers.
  • Eine Meßeinrichtung 3 befindet sich an einem Ort an der Abwasserleitung, der sich bezüglich des Ortes der Einleitung der effektiven Mikroorganismen in das Abwasser in einem solchen Abstand befindet, daß die effektiven Mikroorganismen auf das Abwasser einwirken konnten.
  • Die Ausgangssignale der Meßeinrichtungen 1, 2 und 3 werden einer ebenfalls in 1 gezeigten Steuerung zugeführt, die Ausgangssignale für die Dosiereinrichtungen 4, 5, 6 und 7 sowie eine entsprechende Prozeßführungseinrichtung 8 für den Bioreaktor 100 erzeugt.
  • Auf diese Weise sind die Prozeßparameter des Bioreaktors 100 in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Abwasser und somit in Abhängigkeit von der Reinigungswirkung der Mikroorganismen einstellbar.
  • In einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird mit der Meßeinrichtung 1 der pH-Wert des mit den effektiven Mikroorganismen versetzten Abwassers in einem vorbestimmten Abstand zum Einleitungsort der Mikroorganismen in das Abwasser gemessen und die Menge des zugeführten Nährmediums III bei der Dosiereinrichtung 4 eingestellt. Ein günstiger Ort für die Meßeinrichtung 1 ist kurz vor dem Einmünden der Abwasserleitung 110 in die Kläranlage.
  • Eine Variante für die erste Ausführungsform, bei der der Bioreaktor 100 in drei Fermenter 20, 30, 40 unterteilt ist, ist in 2 dargestellt. 1000l Wasser I werden zusammen mit 10l Mikroorganismen und 7kg Rohrzuckermelasse in einen Vorratsbehälter 10 gegeben. Dieses Gemisch hat in dem Fall, in dem alle vorstehend aufgeführten Mikroor ganismen in diesem enthalten sind, beispielsweise einen pH-Wert von 6,4. Es kann jedoch auch in Abhängigkeit von der Art der verwendeten Mikroorganismen ein anderer pH-Wert vorliegen.
  • Das Gemisch gelangt aus dem Vorratsbehälter 10 in den Vorfermenter 20, in dem bei einer bewegten Fermentation und bei 35 bis 36°C die aeroben Bakterien aktiviert werden. Es ergibt sich am Auslauf des Vorfermenters 20 beispielsweise ein pH-Wert von 4,2.
  • Das Gemisch am Auslauf des Vorfermenters 20 gelangt in einen Hauptfermenter 30 zur Aktivierung der anaeroben Bakterien und zur Entfernung der pathogenen Keime bei 38 1/2 bis 41°C. Am Auslauf des Hauptfermenters 30 ergibt sich beispielsweise ein pH-Wert von 4,2.
  • Zur Nachfermentation wird das Gemisch am Auslauf des Hauptfermenters 30 einem Fermenter 40 zugeführt, in dem die Bakterien bei 35°C in einen inaktiven Zustand mit einem pH-Wert von vorzugsweise unter 3,6 versetzt werden. In der Nachfermentation-Phase werden auch Enzyme zugesetzt, die die Reaktionsgeschwindigkeit der Mikroorganismen in der Abwasserleitung erhöhen und den Stoffwechsel in der Leitung katalytisch steuern.
  • Die Fermenter 20, 30, 40 können jeweils die vorstehend genannten Meßeinrichtungen, die bezüglich dem Bioreaktor 100 beschreiben wurden, zur effektiven Prozeßüberwachung und -steuerung aufweisen. Von besonderem Interesse sind dabei die Meßeinrichtungen für pH-Wert und Temperatur.
  • Die auf diese Weise erzeugten effektiven Mikroorganismen gelangen über die in 1 gezeigte Dosiereinrichtung 7 in das Abwasser. Im Abwasser können die Mikroorganismen durch Einleiten von Ultraschall aktiviert werden. Aus Praktikabilitätsgründen ist es von Vorteil, wenn die Aktivierung mit Ultraschall bereits im Fermenter 40 erfolgt.
  • Bei Gemischen mit allen der vorstehend aufgeführten Mikroorganismen liegt die beste Aktivität bei einem pH-Wert von 3,5 bis 4,0. Somit besteht das Ziel der Fermentation in den Fermentern 20, 30 und 40 darin, im Abwasser einen pH-Wert in dem genannten Bereich zu erhalten.
  • Die effektiven Mikroorganismen werden in das Abwasser beispielsweise in einem Verhältnis von 1:10000 eingebracht. Auf diese Weise lassen sich die mit 1000l Wasser erzeugten Mikroorganismen in kleineren Ortschaften zur Abwasser-Vorreinigung in einem Zeitraum von über 2 Tagen einsetzen.
  • Die eigentliche Fermentation mit den effektiven Mikroorganismen findet in der Abwasserleitung 110 statt. Das Ergebnis der Fermentation wird dann über eine pH-Meßeinrichtung, die sich in der in 1 gezeigten Meßeinrichtung 1 befinden kann, ermittelt und der in 1 gezeigten Steuerung zugeführt. Anschließend wird dann von der Steuerung über die in 1 gezeigte Dosiereinrichtung 4 eine Änderung von beispielsweise 1g zusätzlicher oder verringerter Nährstoffmasse je 1000l Wasser I ausgeführt.
  • Die Enzyme müssen nicht zwangsläufig in der Nachfermentationsphase zugesetzt werden, sondern können auch bereits dem Vorratsbehälter 10 zugeführt werden. Zur Abtötung bestimmter Enzyme kann dann in einem oder mehreren der Fermenter eine Erwärmung auf über 40°C ausgeführt werden. Eine solche Erwärmung wird über Meßergebnisse der Meßeinrichtung 1 über die in 1 gezeigte Steuerung in dem entsprechenden Fermenter ausgelöst.
  • Mit der kontinuierlichen Einspeisung von effektiven Mikroorganismen in das Abwasser kann zwar sofort begonnen werden, jedoch ist es im Hinblick auf eine optimale Prozeßsteuerung von Vorteil, wenn in den ersten drei Tagen eine diskontinuierliche Einleitung der effektiven Mikroorganismen erfolgt, bei der sich eine konzentrierte und eine verdünnte Einleitung der Mikroorganismen abwechseln. An die dabei auftretende anfängliche Erhöhung der Schwefelwasserstoffkonzentration im behandelten Abwasser schließt sich dann eine Phase an, in der die Abwasserqualität bereits verbessert ist. In den ersten 4 bis 8 Wochen sollte noch eine verstärkte Prozeßüberwachung mit eventuell manueller Nachregelung stattfinden. Im Anschluß kann dann jedoch zum kontinuierlichen Betrieb mit automatischer Steuerung übergegangen werden.
  • Stickstoffoxide, die durch die Mikroorganismen im Abwasser erzeugt werden, dienen als Nährmittel für Bakterien, die Ammoniak und Ammonium im Abwasser zu Nitrit umsetzen. Dieselben Bakterien verwandeln im Anschluß das Nitrit in gasförmigen Stickstoff. Auf diese Weise erfolgt sowohl eine effektive Ammonium- und Stickstoff-Eleminierung im Abwasser und eine Verminderung der NOx-Emission.
  • Entsprechend einer Abwandlung dieser Variante des ersten Ausführungsbeispiels werden in dem Fall, in dem zumindest zwei Fermenter vorgesehen sind, die Mikroorganismen aus dem stromabwärts liegenden Fermenter zum stromaufwärts liegenden Fermenter zurückgeführt.
  • Beispielsweise gelangen in 2 Mikroorganismen am Ausgang des Fermenters 40 zum Vorratsbehälter 10. Ein bevorzugtes Volumens für die Rückführung sind 3% bezüglich des Volumens an effektiven Mikroorganismen, das dem Abwasser zugeführt wird. Daraus ergibt sich, daß bezüglich des Volumen an effektiven Mikroorganismen, das dem Abwasser zugeführt wird, nur noch 0,1% Starterkultur notwendig sind. Es kann somit die Menge an eingesetzten Mikroorganismen verringert werden.
  • Der Aufbau eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung entspricht grundsätzlich dem des ersten Ausführungsbeispiels, jedoch wird zusätzlich über die Meßeinrichtung 2 der pH-Wert unmittelbar bei der Einleitung der effektiven Mikroorganismen in das Abwasser gemessen. Auf dieses Weise ist mittels der Steuerung aus 1 das Ausmaß der in der Abwasserleitung 110 stattfindenden Fermentation ermittelbar. Die Prozeßsteuerung kann folglich mit höherer Genauigkeit ausgeführt werden.
  • Der Aufbau eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung entspricht grundsätzlich dem des zweiten Ausführungsbeispiels, jedoch wird zusätzlich über die Meßeinrichtung 3 der pH-Wert unmittelbar vor der Einleitung der effektiven Mikroorganismen in das Abwasser gemessen. Auf diese Weise steht eine Meßgröße des Abwassers zur Verfügung, die nach entsprechenden Einfahrprozessen der Anlage zu einer verbesserten Prozeßsteuerung verwendbar ist.
  • Entsprechend einem vierten Ausführungsbeispiel können auch nur mit den Meßeinrichtungen 1 und 3 die pH-Werte vom Abwasser gemessen werden. Von Bedeutung ist in diesem Zusammenhang lediglich, daß die Relation zwischen den pH-Werten an den einzelnen Meßpunkten und der eingeleiteten Menge an Nährmedium III in der Einfahrphase vom Prozeß ermittelt und bei der anschließenden kontinuierlichen Steuerung berücksichtigt wird.
  • Ensprechend einem fünften Ausführungsbeispiel kann eine beliebige der Dosiereinrichtungen 4, 5, 6 oder eine beliebige Kombination von diesen in Abhängigkeit der Meßergebnisse von einer oder mehreren der Meßeinrichtungen 1, 2, 3 für den pH-Wert gesteuert werden.
  • In einem sechsten Ausführungsbeispiel wird die Dosiereinrichtung 7 für die effektiven Mikroorganismen in das Abwasser in Abhängigkeit der Meßergebnisse von einer oder mehreren der Meßeinrichtungen 1, 2, 3 für den pH-Wert gesteuert. Der Vorteil dieser Steuerung liegt darin, daß über die zugesetzte Menge an effektiven Mikroorganismen eine starke Beeinflussung des pH-Wertes des behandelten Abwasser möglich ist.
  • In Abwandlung oder Ergänzung zu den vorstehend genannten Ausführungsbeispielen kann entsprechend einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem oder allen der Meßeinrichtungen 1, 2 und 3 eine Meßeinrichtung für die Redoxspannung vorgesehen sein. Die Höhe des Sauerstoffgehalts läßt Aussagen über die Eignung des Abwassers zu Redoxreaktionen zu. Bei einer bevorzugten Variante des siebten Ausführungsbeispiels sind ein Sensor für den pH-Wert und ein Sensor für die Redoxspannung in der Meßeinrichtung 1 sowie ein Sensor für den pH-Wert in der Meßeinrichtung 2 vorgesehen.
  • Entsprechend einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Prozeßbedingungen 8 in den Fermentern in Abhängigkeit von den Berechnungen in der in 1 gezeigten Steuerung änderbar. Dazu gehören die Temperatur, das Maß für die Belüftung, die Drehzahl, der Druck, der pH-Wert, der gelöste Sauerstoff, der Schaumstand, das Gewicht, das Redoxpotential, die Menge des im Medium gelösten CO2, die Trübung, die Fluoreszenz als indirektes Maß für die Menge an Biomasse bzw. die Sauerstoffversorgung sowie die Enzymaktivitäten und die Menge bzw. die Existenz weiterer Produkte und Substanzen. Die Änderung dieser Parameter erfolgt vorzugsweise zusätzlich in Abhängigkeit von gemessenen Ist-Werte von diesen.
  • Einige oder alle der vorstehend beschriebenen, im Fermenter meßbaren Größen können entsprechend einem neunten Ausführungsbeispiel der Erfindung durch eine oder alle der Meßeinrichtungen 1, 2 und 3 beim Abwasser gemessen werden und zur Steuerung einer der vorstehend genannten Ausführungsbeispiele verwendet werden. Als Folge ist eine genauere Prozeßsteuerung über die Steuerungseinrichtung möglich.
  • Entsprechend einem zehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird zusätzlich der Volumenstrom des Abwassers durch eine oder mehrere der Meßeinrichtungen 1, 2 und 3 gemessen. Auf diese Weise läßt sich die Genauigkeit der Steuerung der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele nochmals erhöhen.
  • Als Alternative oder zusätzlich zu den Vorrichtungen beim ersten bis zehnten Ausführungsbeispiel können in einem elften Ausführungsbeispiel der Verschmutzungsgrad von Abwässern über die Meßeinrichtungen 2 oder/und 3 und/oder der durch die Abwasserbehandlung eingetretene Reinigungseffekt ermittelt werden. Diese können in Form des BSB5 (Biochemischer Sauerstoffbedarf), des CSB (Chemischer Sauerstoffbedarf), des CSB/BSB5-Faktors, des Gehaltes an adsorbierbaren organisch gebundenen Halogenen und/oder des Gehalts an Schwermetallen, Phosphat und/oder Nitrat bestimmt und ebenfalls zur Steuerung über die Einrichtungen 4, 5, 6, 7 und/oder 8 verwendet werden.
  • Es wird nochmals darauf hingewiesen, daß in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen nur ein Fermenter oder zwei oder drei Fermenter einsetzbar sind. Im Falle des Einsatzes von weniger als drei Fermentern laufen mehrere Fermentationsvorgänge der Fermenter 20, 30, 40 in einem Fermenter ab. Der Vorteil einer solchen Fermentationsvorrichtung besteht im geringeren apparativen Aufwand.
  • Um auch bei kleinen Anlagen eine fachmännische Überwachung der Abwasserreinigung sicherzustellen, können die Meßwerte der entsprechenden Meßeinrichtungen 1, 2, 3 über elektronische Kommunikationsmittel, wie z.B. über die Telefonleitung mittels Modem, an eine zentrale Überwachungsstelle übertragen werden. Bei der Über- oder Unterschreitung bestimmter Grenzwerte kann dann von der Überwachungsstelle direkt in den Prozeß eingegriffen werden und geeignete Maßnahmen für die Zugabe der effektiven Mikroorganismen getroffen werden.
  • Mit den vorstehend beschriebenen Vorrichtungen läßt sich die anfallende Klärschlammenge in der Kläranlage um über 30% verringern. Beim Einsatz von Ultraschall läßt sich sogar eine Abnahme um bis zu 50% erreichen. Die Klärschlammqualität ist aufgrund der geringeren Menge an Schadstoffen verbessert, so daß die Entsorgung des Klärschlamms einfacher ist. Auch lassen sich Verbesserungen bei den Dioxin-Werten, Stickstoffwerten, beim CSB-Wert und BSB5-Wert umsetzen.
  • Zur Brauchwassererzeugung ist das erfindungsgemäße Verfahren auch ohne Nachschaltung einer vollständigen Kläranlage einsetzbar. Es ist lediglich die Vorschaltung von einem Rechen zum Entfernen fester Körper aus dem Abwasser notwendig.
  • Es können auch auf Granulat aufgebrachte Mikroorganismen zum Einsatz gelangen, die dann in Wasser und eine Nährlösung eingebracht zur Erzeugung effektiver Mikroorganismen dienen. Auf diese Weise ist ein einfacher Transport und eine einfache Lagerfähigkeit der Mikroorganismen abgesichert.
  • Statt Abwasser kann auch ein beliebiges anderes Medium mit effektiven Mikroorganismen behandelt werden. Es ist lediglich die Anforderung an das zu behandelnde Medium zu stellen, daß sich durch die Einwirkung der effektiven Mikroorganismen die Zusammensetzung des behandelten Mediums ändert.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich somit auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Behandlung eines Mediums mit Mikroorganismen, bei denen effektive Mikroorganismen, die durch Fermentation einer Mischung aus Wasser I, Mikroorganismen II und Nährmedium III erzeugt wurden, auf ein zu behandelndes Medium einwirken. Es werden Meßwerte zur Kennzeichnung des Mediums vor und nach der Einwirkung der Mikroorganismen auf das Medium gemessen und in Abhängigkeit davon eine Nachregelung der Prozeßbedingungen bei der Fermentation vorgenommen. Eine bevorzugte Anwendung der Erfindung ist der Einsatz auf dem Gebiet der Abwasserreinigung. Auf diese Weise läßt sich der Verunreinigungsgrad am Einleitungsort in die Kläranlage wesentlich verbessern.

Claims (20)

  1. Verfahren zur Behandlung eines Mediums mit Mikroorganismen, das die Schritte aufweist: a) Einleiten von Mikroorganismen aus einem Bioreaktor in das zu behandelnde Medium, b) Messen einer physikalischen, chemischen und/oder biologischen Größe vom Medium, nachdem die Mikroorganismen auf das Medium eingewirkt haben, und c) Steuern eines Parameters beim Bioreaktor in Abhängigkeit von der gemessenen physikalischen, chemischen oder biologischen Größe, um die Zusammensetzung oder/und Aktivität oder/und Menge der über die Zuführeinrichtung dem Medium zugeführten Mikroorganismen zu ändern.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Parameter in Schritt c) die dem Bioreaktor zugeführte Art oder Menge des Nährmediums für die Mikroorganismen ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die physikalische, chemische oder biologische Größe in Schritt b) der pH-Wert ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei in Schritt b) zusätzlich der pH-Wert unmittelbar nach der Einleitung der Mikroorganismen in das zu behandelnde Medium gemessen wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei in Schritt b) die Redoxspannung des Mediums gemessen wird, nachdem die Mikroorganismen auf das Medium eingewirkt haben, und in Schritt c) zusätzlich der Parameter des Bioreaktors in Abhängigkeit von der Redoxspannung geändert wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zu behandelnde Medium Abwasser ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 2 oder einem der Ansprüche 3 bis 6, wenn dieser von Anspruch 2 abhängt, wobei das Nährmedium Rohrzuckermelasse ist.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei die Mikroarganismen Reinigungsbakterien, stickstoffbindende Mikroorganismen und Eumycota, die für eine nützliche Fermentation gebraucht werden, aufweisen.
  9. verfahren nach Anspruch 8, wobei die Reinigungsbakterien ein oder mehrere Organismen aus der Gruppe grampositive Photosynthesebakterien, grammnegative aerobe stabförmige und kreisförmige Bakterien, grampositive kreisförmige Bakterien, stab- und kreisförmige Bakterien mit Endosporen, grampositive stabförmige Bakterien ohne Sporen, sowie grampositive Actinomyceten und verwandte Bakterien sind, die stickstoffbindenden Mikroorganismen einen oder mehrere der symbiotischen Mikroorganismen aus der Gruppe Algen, Actinomyceten und Bakterien, und/oder einen oder mehrere unabhängige Mikroorganismen aus der Gruppe aerobe, mikroaerophile und/oder anaerobe Mikroorganismen und/oder Bakterien, die sowohl aerobe als auch anaerobe Eigenschaften besitzen und von Luft und Nahrung abhängig sind, aufweisen, und die Eumycota, die für eine nützliche Fermentation gebraucht werden, ein oder mehrere Organismen aus der Gruppe Mastigomycotina, Zygomycotina, Ascomycotina, Basidiomycotina und/oder Deuteromycotina sind.
  10. Vorrichtung zur Behandlung eines Mediums mit Mikroorganismen, die aufweist: einen Bioreaktor, eine erste Zuführeinrichtung, durch die die Mikroorganismen aus dem Bioreaktor dem zu behandelnden Medium zuleitbar sind, eine Messeinrichtung zum Messen einer physikalischen, chemischen und/oder biologischen Größe vom Medium, nachdem die Mikroorganismen auf das Medium eingewirkt haben, und eine Steuerungseinrichtung zur Änderung eines Parameters beim Bioreaktor in Abhängigkeit von der gemessenen physikalischen, chemischen oder biologischen Größe, um die Zusammensetzung oder/und Aktivität oder/und Menge der über die Zuführeinrichtung dem Medium zugeführten Mikroorganismen zu ändern.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, mit einer zweiten Zuführeinrichtung zum Einleiten verschiedener Nährmedien und/oder unterschiedlicher Mengen an Nährmedium in den Bioreaktor in Abhängigkeit von der in der Messeinrichtung gemessenen Größe des Mediums.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Messeinrichtung ein pH-Sensor ist.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei der Bioreaktor einen Fermentationsbehälter für anaerobe und aerobe Prozesse aufweist.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei der Bioreaktor zumindest zwei in Reihe geschaltete Fermenter aufweist.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 14, mit einer Rückführungseinrichtung, die Mikroorganismen aus dem stromabwärts liegenden Fermenter zum stromaufwärts liegenden Fermenter zurückführt.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, wobei der Bioreaktor einen Vorfermenter für aerobe Prozesse, einen Hauptfermenter für anaerobe Prozesse und einen Nachfermenter zur Inaktivierung der Mikroorganismen aufweist.
  17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, wobei das zu behandelnde Medium Abwasser ist und die erste Zuführeinrichtung am Entstehungsort des Abwassers angeordnet ist und die Messeinrichtung in der Abwasserleitung vor der Kläranlage vorgesehen ist.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder nach einem der Ansprüche 12 bis 17, wenn dieser von Anspruch 11 abhängt, wobei das Nährmedium Rohrzuckermelasse ist.
  19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 18, wobei die Mikroorganismen Reinigungsbakterien, stickstoffbindende Mikroorganismen und Eumycota, die für eine nützliche Fermentation gebraucht werden, aufweisen.
  20. Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei die Reinigungsbakterien ein oder mehrere Organismen aus der Gruppe grampositive Photosynthesebakterien, grammnegative aerobe stabförmige und kreisförmige Bakterien, grampositive kreisförmige Bakterien, stab- und kreisförmige Bakterien mit Endosporen, grampositive stabförmige Bakterien ohne Sporen, sowie grampositive Actinomyceten und verwandte Bakterien sind, die stickstoffbindenden Mikroorganismen einen oder mehrere der symbiotischen Mikroorganismen aus der Gruppe Algen, Actinomyceten und Bakterien, und/oder einen oder mehrere unabhängige Mikroorganismen aus der Gruppe aerobe, mikroaerophile und/oder anaerobe Mikroorganismen und/oder Bakterien, die sowohl aerobe als auch anaerobe Eigenschaften besitzen und von Luft und Nahrung abhängig sind, aufweisen, und die Eumycota, die für eine nützliche Fermentation gebraucht werden, ein oder mehrere Organismen aus der Gruppe Mastigomycotina, Zygomycotina, Ascomycotina, Basidiomycotina und/oder Deuteromycotina sind.
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