DE102004042689A1

DE102004042689A1 - Verfahren zur Beschleunigung und Effizienzsteigerung des Faulprozesses von Klärschlämmen

Info

Publication number: DE102004042689A1
Application number: DE200410042689
Authority: DE
Inventors: Manfred Prof. Dr. Ringpfeil; Axel Dr. Blokesch; Monika Dr. Wolf; Matthias Dr.-Ing. Gerhardt
Original assignee: Biopract GmbH
Current assignee: Biopract GmbH
Priority date: 2004-09-01
Filing date: 2004-09-01
Publication date: 2006-03-02

Abstract

Es wurde gefunden, dass Klärschlämme beschleunigt abgebaut werden, wenn ihnen von Mikroorganismen produzierte Substanzen und Substanzgemische, vorzugsweise Proteine, zugesetzt werden, die entweder die Hydratisierung der Cellulose und anderer in den Schlämmen enthaltener Polysaccharide verstärken oder die Adhäsion der Hydrolasen an die Polysaccharide erhöhen. Bei diesen Substanzen handelt es sich vorzugsweise um die von Deuteromyceten der Gattung Trichoderma produzierten Hydrophobine I und II, das Swollenin und proteolytisch abgespaltene Cellulosebindungsdomänen von Cellulasen. Der Effekt kann durch die kombinierte Zugabe externer hydrolytischer Enzyme, vorzugsweise Cellulasen, gesteigert werden. DOLLAR A Durch die Behandlung mit den genannten Substanzen werden der Verweilzeitbedarf der Schlämme im Faulraum gesenkt sowie größere mechanische Wasserabtrennungen und höhere Ausbeuten an Biogas aus dem Faulprozess erzielt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschleunigung des Faulprozesses von Klärschlämmen durch Zusatz von Substanzen und Substanzgemischen, die von Mikroorganismen produziert werden. Das Verfahren findet Anwendung in der Abwasserwirtschaft, im Energiesektor (Biogasanlagen) und im Umweltschutz.
Der in den verschiedenen Reinigungsstufen kommunaler und industrieller Kläranlagen anfallende Schlamm (im weiteren als „Klärschlamm" bezeichnet) wird in der Regel in einer weiteren Behandlungsstufe zur Stabilisierung ausgefault. Das Ziel ist die Ausfaulung der organischen Substanz, so dass anschließend biologische Umwandlungsprozesse nur noch sehr begrenzt bzw. sehr langsam ablaufen.
Die Klärschlammbehandlung in Faultürmen gilt als das am weitesten verbreitete Verfahren zur Schlammstabilisierung. Die Prozesse im Faulturm basieren auf den Aktivitäten einer mikrobiellen Mischkultur, welche organische Trockensubstanz unter anaeroben Bedingungen über die vier Stufen Hydrolyse, Gemischtsäuregärung, Essigsäuregärung und Methanogenese in Methan und Kohlendioxid überführt.
Quantitativ bedeutende Inhaltsstoffe der meisten Klärschlämme sind Cellulosen und Hemicellulosen. Durch deren relativ hohe Stabilität in wässrigen Lösungen verzögern sie den Abbau der Schlämme durch die in den Faulprozessen aktiven anaeroben Mikroorganismen. Bekannt ist, dass der Abbau der Klärschlämme durch den Zusatz extern produzierter Hydrolasen, vor allem Cellulasen, beschleunigt wird, wobei dieser Effekt durch den Zusatz von Tensiden gesteigert werden kann ( DE 19845207 ). Ein Zusatz synthetischer Substanzen zu Stoffen, die letztendlich in die Umwelt entlassen werden sollen, ist jedoch immer problematisch.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den enzymatischen Abbau von Cellulose und anderen in den Schlämmen vorhandenen Polysacchariden zu beschleunigen und damit eine Verbesserung des Faulprozesses zu erreichen.
Die Erfindung wird gemäß den Ansprüchen realisiert.
Überraschend wurde gefunden, dass durch den Zusatz extern von Mikroorganismen produzierter Substanzen und Substanzgemischen, also natürlichen Stoffen, bei denen es sich primär nicht um hydrolytische Enzyme handelt, eine Beschleunigung des Faulprozesses erzielt werden kann. Es handelt sich um feste oder flüssige Substanzen und Substanzgemische, welche von einem oder mehreren natürlichen oder genetisch modifizierten Mikroorganismen produziert werden und entweder durch Spalten intra- und intermolekularer Wasserstoffbrücken die Hydratisierung der Cellulose oder anderer in den Schlämmen enthaltener Polysaccharide verstärken oder durch ihre amphiphilen, d.h., zum Teil hydrophilen, zum Teil lipophilen Eigenschaften, die Adhäsion der hydrolytischen Enzyme an die Polysaccharidsubstrate fördern. Die Beschleunigung des Faulprozesses zeigt sich in einer größeren mechanischen Wasserabtrennung aus den Klär schlämmen und einem geringeren Verweilzeitbedarf im Faulraum verbunden mit einer Steigerung der Faulgasbildung. In Biogasanlagen, die unter dem Aspekt der Nutzung regenerativer Energieträger zunehmend an Bedeutung gewinnen, führen sie zu einer Senkung der Viskositäten, der Vermeidung von Schwimmschichten sowie höheren Ausbeuten an Biogas.
Gemäß der Erfindung werden allein oder im Gemisch mit Enzymen 10 mg bis 200 g pro kg des Enzympräparats in den Faulprozess eingesetzt:

• Substanzen mikrobieller Herkunft, vorzugsweise Proteine, die intra- und intermolekulare Wasserstoffbrücken von Polysacchariden, vorzugsweise der Cellulose, spalten und die Ausbildung neuer Wasserstoffbrücken, vorzugsweise zum wässrigen Medium, begünstigen. Dadurch erleichtern sie Cellulasen, in den molekularen Verbund der Cellulosemoleküle, die Fibrillen, einzudringen und ihre katalytische Wirkung, d.h. die Spaltung von Acetalbindungen zwischen den einzelnen Glucosebausteinen, zu entfalten.
• Zu den Proteinen mit einer derartigen Wirkung zählen die Expansine [1] und Swollenine [2], einzelne proteolytische Fragmente von Endoglucanasen [3] und Cellobiohydrolasen, vorzugsweise, wenn sie mindestens 20 Aminosäuren einer Cellulosebindungsdomäne umfassen, Substanzen mikrobieller Herkunft, vorzugsweise Proteine, die sich durch einen amphiphilen Charakter auszeichnen und dadurch die Adhäsion der hydrolytischen Enzyme an die Polysaccharidsubstrate fördern. Proteine, die diese Voraussetzungen erfüllen, sind die Hydrophobine der Klassen I und II [4]. Unter anderem eingesetzt wird das Hydrophobin I der Klasse II aus Trichoderma reesei, dessen effiziente Extraktion aus dem Mycel beschrieben wurde [5].

Durch die Behandlung mit den genannten Substanzen werden der Verweilzeitbedarf der Schlämme im Faulraum gesenkt, größere mechanische Wasserabtrennungen und höhere Ausbeuten an Biogas aus dem Faulprozess erzielt.
Eine weitere Steigerung dieser Effekte ist möglich durch den erfindungsgemäßen Einsatz von Substanzgemischen mit inhärenter hydrolytischer, vorzugsweise cellulolytischer Aktivität oder die kombinierte Zugabe der Substanzen oder Gemischen von ihnen mit Hydrolasen, vorzugsweise Cellulasen, wobei die enzymatische Aktivität letzterer gegen Filterpapier bis zu 500 IU/ml und gegen Carboxymethylcellulose bis zu 10.000 U/ml beträgt.
Die Dosierung der Substanzen oder Gemische von ihnen, zusammen mit Hydrolasen, erfolgt während des Faulprozesses in Mengen zwischen 5 mg bis 50.000 mg pro kg des vorhandenen Klärschlammes. Die Substanzen- und Substanzgemische wirken bei pH-Werten zwischen 4,0 und 10,0, vorzugsweise zwischen 4,5 und 8,0, und Temperaturen zwischen 10°C und 70°C, vorzugsweise zwischen 30°C und 60°C.
Zur Gewinnung der Substanzen und Substanzgemische werden ein oder mehrere natürliche oder genetisch modifizierte Mikroorganismen eingesetzt, bevorzugt Deuteromyceten der Gattung Trichoderma. Eine besondere Art der Substanzgemische wird erreicht, wenn Kulturüberstände, deren durch Sedimentation oder Filtration abgetrennten oder nach Entfernung des Wassers verbleibenden Rückstände eingesetzt werden oder Extrakte aus der Biomasse obengenannter Fermentationsprozesse, die vorzugsweise durch Extraktion in gepufferten Lösungen bei pH-Werten zwischen 8,0 und 10,0 und unter Zusatz von Detergentien, mit Präferenz Natriumdodecylsulfat in Konzentrationen zwischen 0,2 und 2 %. gewonnen werden, oder die Biomasse selbst sowie Gemische aus Kulturüberständen bzw. ihren Inhaltsstoffen mit der Biomasse bzw. ihren Extrakten. Eine weitere besondere Art von Substanzgemischen wird dadurch erzielt, dass aus den zuvor genannten Substanzgemischen in weiteren Aufreinigungsschritten ein oder mehrere der von Mikroorganismen produzierten Komponenten oder der zugesetzten Hilfsstoffe ganz oder vollständig entfernt werden. Ein Beispiel für die Entfernung eines Hilfsstoffes ist die Entfernung des Dodecylsulfates durch Ausfällung als Kaliumsalz bis auf Restkonzentrationen unter 0,2 %.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden der Verweilzeitbedarf der Schlämme im Faulraum gesenkt sowie größere mechanische Wasserabtrennungen und höhere Ausbeuten an Biogas aus dem Faulprozess erzielt.
Die Erfindung soll nachfolgend durch 2 Anwendungsbeispiele näher erläutert werden:
Beispiele:
Beispiel 1:
Im 10 m³-Bioreaktor wurde unter Verwendung cellulosehaltiger Substrate eine Fermentation mit einer Trichoderma reesei-Mutante wie in den Patenten DE 19735650 und DE 10139949 beschrieben durchgeführt. Bei maximaler Ausbildung cellulolytischer Aktivitäten im Kulturüberstand erfolgte die Abtrennung der Biomasse durch Filtration. 750 kg der Biomasse wurden in 1.500 I einer bei pH 9,0 gepufferten Lösung, die 80 mM einer Puffersubstanz und 0,8 % Natriumdodecylsulfat enthielt, suspendiert und eine Stunde bei einer Temperatur zwischen 16 und 32°C unter Rühren extrahiert. Die Biomasse wurde in einem weiteren Filtrationsschritt abgetrennt. Im Überstand wurde die Natriumdodecylsulfat-Konzentration durch Zugabe von 45 kg Kaliumchlorid und erneute Filtration auf unter 0,2 % gesenkt. Der Extrakt enthielt 10 g/l Protein – und wies eine hydrolytische Aktivität von 70 U/ml gegenüber Carboxymethylcellulose und 4 IU/ml gegenüber Filterpapier auf.
Das so gewonnene Präparat wurde dem Klärschlamm einer kommunalen Abwasserreinigungsanlage mittels einer Dosierpumpe in den Zulauf des Faulbehälters zugesetzt.
50,0 kg des flüssigen Präparates werden täglich entsprechend dem Zulauf des Klärschlammes zum Faulgasbehälter derart zudosiert, dass eine weitgehend homogene Verteilung von 125 Gramm des Präparates je m³ Klärschlamm gesichert werden kann.
Der Zulauf beträgt 300 – 400 m³ Klärschlamm pro Tag zum 8.000 m³ Faulbehälter. Die Menge eingesetzten Präparats richtet sich nach der täglichen Zulaufmenge des Klärschlammes.
Im Verlauf einer Einfahrphase von 2 Verweilzeitperioden (40 Tage) stellte sich eine Steigerung der Biogasbildung um 25 % ein. Die organische Trockensubstanz wird um 10 % reduziert. Bedingt durch die bessere Ausfaulung des Schlammes und den Abbau von Polymerstrukturen wird der Einsatz von Flockungshilfsmittel vor der Wasserseparation um 15 % reduziert.
Beispiel 2:
Mit einem wie in Beispiel 1 hergestellten Präparat wurde ein Batch-Gärversuch nach DIN 38 414 S 8 (Arbeitsvolumen 400 ml) über 21 Tage unter volumetrischer Erfassung des entstehenden Biogases durchgeführt. Das Gärsubstrat bestand aus 350 g Faulschlamm aus kommunalen Abwässern (Trockensubstanz 3%), 20 g Schweinegülle (Trockensubstanz 6%) und 20 g Maissilage (Trockensubstanz 3%). Insgesamt 30 ml des Präparates wurden zehnmal in Dosen von je 3 ml zugegeben und im Fermentationsansatz homogen verteilt. Die Dosierung erfolgte nach 1, 2, 6, 7, 9, 13, 14, 15, 16 und 17 Tagen. Bei einer Gärtemperatur von 35°C und einem pH-Wert zwischen 7,2 und 7,4 wurden in 20 Tagen 4,18 NI Biogas gebildet. Dies entspricht einer Steigerung von 16% gegenüber einem Ansatz, in dem bei ansonsten identischen Bedingungen kein Präparat zugesetzt wurde.
Literatur:

Cosgrove, D.L.: Loosening of plant cell walls by expansins, review (2000) Nature 407, 321-326.
Saloheimo, M., Paloheimo, M., Hakola, S., Pere, J., Swanson, B., Nyyssonen, E., Bhatia, A., Ward, M. und Penttila, M.: Swollenin, a Trichoderma reesei protein with sequence similarity to the plant expansins, exhibits disruption activity on cellulosic materials (2002) Eur. J. Biochem. 269, 4202-4211.
Din, N., Damude, H.D., Gilkes, N.R., Miller, R.C. jr., Warren, R.A.J. und Kilburn, D.G.: C1-CX revisited: Intramolecular synergism in a cellulase (1994) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 91, 11383-11387.
Wösten, H.A.B. und de Vocht, M.L.: Hydrophobins, the fungal coat unravelled. Biochim. Biophys. Acta 1469, 79-86.
Askolin, S., Nakari-Setälä, T., Tenkanen, M.: Overproduction, purification, and characterization of the trichoderma reesei hydrophobin HFBI (2001) Appl. Microbiol. Biotechnol. 57, 124-130.

Patente:

Karoly, K. (2000) DE 19845207 : Enzympräparation für die Verbesserung der Bioabbaubarkeit von Biomasse
Dreyer, G., Ringpfeil, M. und Svelishny, V. (2000) DE 19735650 : Verfahren zur Steigerung der cellulolytischen Aktivität von Trichoderma reesei – Mutanten im Bioreaktor
Ringpfeil, M. und Gerhardt, M. (2001) DE 10139949 : Verfahren zur Erhöhung der Ausbeuten bei der mikrobiellen Synthese extracellulärer polysaccharidspaltender Enzyme

Claims

Verfahren zur Beschleunigung und Effizienzsteigerung des Faulprozesses von Klärschlämmen, dadurch gekennzeichnet, dass feste oder flüssige Substanzen und Substanzgemische zugesetzt werden, welche von einem oder mehreren natürlichen oder genetisch modifizierten Mikroorganismen produziert werden und entweder die Hydratisierung der Cellulose oder anderer in den Schlämmen enthaltenen Polysaccharide verstärken oder durch ihre amphiphilen Eigenschaften die Adhäsion hydrolytischer Enzyme an Cellulose und andere Polysaccharide erhöhen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Substanzen eingesetzt werden, die intra- und intermolekulare Wasserstoffbrücken von Polysacchariden, vorzugsweise der Cellulose, spalten und die Ausbildung neuer Wasserstoffbrücken, vorzugsweise zum wässrigen Medium, begünstigen.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass Substanzen eingesetzt werden, die amphiphile, d.h. zum Teil hydrophile, zum Teil lipophile Eigenschaften besitzen.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den eingesetzten Substanzen um Proteine handelt.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den eingesetzten Proteinen um ein oder mehrere Hydrophobine der Klasse II handelt.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den eingesetzten Proteinen um ein oder mehrere Hydrophobine der Klasse I handelt.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den eingesetzten Proteinen um ein oder mehrere Proteine aus der Gruppe der Expansine und Swollenine handelt.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den eingesetzten Proteinen um Fragmente von Endoglucanasen oder Cellobiohydrolasen handelt.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die eingesetzten Proteinfragmente mindestens 20 Aminosäuren einer Cellulosebindungsdomäne einer Endoglucanase oder Cellobiohydrolasen umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die eingesetzten Substanzen von Trichoderma spp., vorzugsweise Trichoderma reesei produziert werden.
Verfahren nach Anspruch 6 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass Hydrophobin I aus Trichoderma reesei eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass Substanzen eingesetzt werden, die durch eine Extraktion der Biomasse in Puffern mit pH-Werten zwischen 8 und 10 gewonnen wurden.
Verfahren nach Anspruch 1 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Extraktion der Biomasse Puffer mit Detergentien, vorzugsweise Natriumdodecylsulfat in Konzentrationen zwischen 0,2 und 2,0 %, eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 und 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Extraktion eingesetzte Natriumdodecylsulfat zum Teil oder bis zu einer Restkonzentration unter 0,2 % durch die Zugabe von Kaliumsalzen und Ausfällung als Kaliumdodecylsulfat aus den Extrakten entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Gemische eingesetzt werden, die eine oder mehrere der in Anspruch 4 bis 13 definierten Substan zen jeweils zu einem Anteil zwischen 10 mg/kg und 200 g/kg, bezogen auf das Gesamtgewicht des Gemisches, enthalten.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Substanzen und Substanzgemische in Kombination mit hydrolytischen Enzymen, vorzugsweise Cellulasen, eingesetzt werden bzw. diese Enzyme bereits enthalten, wobei die cellulolytische Aktivität gegen Filterpapier maximal 500 IU/ml und gegen Carboxymethylcellulose 10.000 U/ml betragen kann.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die festen oder flüssigen Substanzen und Substanzgemische zu Faul- oder Klärschlämmen bei pH-Werten zwischen 4,0 und 10,0, vorzugsweise zwischen 4,5 und 8,0, und Temperaturen zwischen 10°C und 70°C, vorzugsweise zwischen 30°C und 60°C, einmalig oder mehrmalig in einem Gewichtsverhältnis von 50 mg/kg bis 50.000 mg/kg Klärschlamm zugegeben werden.