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Die
Erfindung betrifft einen Bioreaktor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
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Wenn
einem Grundstücksbesitzer
von der Stadt oder Gemeinde kein eigener Anschluss einer Sammelentwässerung
erstellt werden kann, muss dieser in der Regel eine Kleinkläranlage
errichten, wenn die Abwasserbeseitigungspflicht auf ihn übertragen
wurde. Derartige Kleinkläranlagen
sind innerhalb des zu entwässernden
Grundstückes
eingebaut und dienen im allgemeinen zur Behandlung des häuslichen
Schmutzwassers. Das behandelte Abwasser wird nach Durchfließen der
Kleinkläranlage entweder
versickert – soweit
der Untergrund aufnahmefähig
genug ist – oder
dem nächsten
offenen Gewässer
zugeleitet.
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Zur
mechanischen Reinigung des Abwassers werden häufig Mehrkammer-Absetzgruben
verwendet, in denen die ungelösten
Stoffe durch Absetzen zum Boden oder durch Aufschwimmen zur Oberfläche aus
dem Abwasser entfernt werden. Mehrkammer-Absetzgruben können beispielsweise
als Zwei- oder Dreikammergruben aufgebaut sein, wobei diese Kammern
in einem gemeinsamen Behältnis ausgebildet
und so mit einander verbunden werden, dass das Wasser ohne die abgesetzten
oder aufgeschwommenen ungelösten
Stoffe die Kammern durchströmen
kann.
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Insbesondere ältere Häuser und
Grundstücke
sind häufig
mit derartigen Mehrkammer-Absetzgruben versehen, deren Reinigungsleistung
jedoch den gesetzlichen Vorschriften in der Regel nicht genügt. Aufgrund
der hohen Investitionskosten für
den Bau einer neuen Kleinkläranlage
mit mechanischer und biologischer Trennstufe wird es häufig bevorzugt,
die bestehenden Mehrkammeranlagen mit einer biologischen Stufe nachzurüsten.
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Der
zuverlässige
Abbau organischer Schadstoffe im Abwasser, Abluft oder in Feststoffen,
beispielsweise kontaminierter Bausubstanz, in deren Porensystem
sich während
der zurückliegenden Hochwasser Ölrückstände gesammelt
hatten, die durch austretendes Heizöl verursacht wurden, ist eine
wesentliche Anforderung an moderne Aufbereitungsanlagen.
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In
den Druckschriften
DE
100 62 812 A1 und
DE
101 49 447 A1 wird vorgeschlagen, diese unerwünschten
organischen Bestandteile in Fluiden und Feststoffen durch eine mikrobiotische
Mischung abzubauen, die einen Anteil an photosynthetisch wirkenden
und einen Anteil an lichtemittierenden Mikroorganismen enthält. Diese
Mischkultur wurde mit großem
Erfolg bei der Reinigung von kommunalem und industriellem Abwasser
sowie bei der Sanierung von mit Ölrückständen kontaminierter
Bausubstanz eingesetzt.
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In
der nachveröffentlichten
Patentanmeldung
DE 102 53 334 erfolgt
eine Weiterbildung der mikrobiotischen Mischkultur dadurch, dass
diese so modifiziert ist, dass während
des Abbauprozesses Photosensiblisatoren in die Zellen der organischen Schadstoffe
eingelagert werden und dann durch Anregung dieser Photosensibilisatoren
mit Licht Singulett-Sauerstoff oder sonstige Radikale gebildet werden,
die den Abbau der organischen Bestandteile beschleunigen.
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In
der nachveröffentlichten
Patentanmeldung
DE 103 30 959.4 ist
ein Bioreaktor gezeigt, bei dem in einem Behälter ein Füllkörper mit katalytisch wirksamer
Oberfläche
aufgebracht ist. Der rohrförmige
Behälter
ist mit einer Vielzahl von Durchbrüchen versehen, auf denen streifenförmig eine
photokatalytisch wirksame Schicht aufgebracht ist. Es zeigte sich,
dass dieser Bioreaktor, auch Optoreaktor genannt, eine besonders
effektive Abwasseraufbereitung ermöglicht.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Bioreaktor zu schaffen,
der eine noch bessere Umsetzung organischer Schadstoffe ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Bioreaktor mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Erfindungsgemäß hat der
Bioreaktor einen Behälter,
in dem ein Füllkörper mit
großem
Porenvolumen angeordnet ist und der mit einer mikrobiotischen Mischung
versetzt ist. Der Behälter
ist zumindest an seinem Außenumfang
mit einer photokatalytisch wirksamen Schicht versehen, wobei diese Schicht
nicht durchgehend aufgebracht ist, sondern lediglich einige Umfangsbereiche
des Behälters
beschichtet sind. Zwischen diesen mit einer photokatalytisch wirksamen
Schicht versehenen Bereichen sind erfindungsgemäß Abschnitte der Behälterwandung
mit einer Diamantbeschichtung versehen.
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Es
zeigte sich, dass beim Abbau der organischen Komponenten eine Potentialdifferenz
zwischen der photokatalytisch wirksamen Schicht und der Sorptionsfläche des
Füllkörpers entsteht,
auf der sich ein Biofilm ausgebildet ist. Diese aufgrund der Potentialdifferenz
entstehende Spannung liegt an den mit der Diamantbeschichtung versehenen
Bereichen an, die dann als Diamant-Elektroden wirken. Es entstehen
im Bereich dieser Diamant-Elektroden Hydroxylradikale, die sehr
reaktiv sind und die organischen Schadstoffe umsetzen. Durch diese
Diamantbeschichtung konnte der Wirkungsgrad des Bioreaktors gegenüber der
nachveröffentlichten
jüngeren Patentanmeldung
be schriebenen Lösung
noch weiter verbessert werden, so dass bisher im Abwasser nicht
abbaubare Bestandteile, wie beispielsweise Rheumamittel nahezu vollständig abgebaut
werden können.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind
die mit einer photokatalytisch wirksamen Schicht und mit einer Diamantschicht
versehenen Bereiche streifenförmig
nebeneinanderliegend angeordnet.
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Es
wird besonders bevorzugt, die Behälterwandung in Art eines Lochblechs
auszuführen,
wobei die Beschichtung nach dem Stanzen der Löcher erfolgt.
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Die
Diamantbeschichtung kann auf die photokatalytisch wirksame Schicht
selbst aufgetragen werden oder auf ein geeignetes Trägermaterial,
wie beispielsweise eine Kupfer-, Niob-, Silizium-, Keramik- oder
Galliumarsenid-Schicht,
oder Trägersubstanz.
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Sonstige
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer
Unteransprüche.
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Im
folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
Prinzipdarstellung einer Mehrkammergrube mit nachgerüsteter biologischer
Stufe;
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2 einen
Bioreaktor der biologischen Stufe gemäß 1;
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3 eine
Schnittdarstellung des Bioreaktors aus 2;
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4 eine
Prinzipdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Bioreaktors
für eine nachgerüstete Kleinkläranlage
gemäß 1;
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5 eine
Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels
eines zylinderförmigen
Bioreaktors;
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6 eine
Ansicht eines Füllkörpers des
Bioreaktors aus 5;
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7 eine
Detaildarstellung der Wandung eines Siebbehälters des Bioreaktors aus 5 und
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8 einen
Schnitt durch die Wandung aus 8;
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1 zeigt
einen Schnitt durch eine Kleinkläranlage 1 mit
einer mechanischen Stufe, die durch eine Dreikammer-Absetzgrube 4 ausgebildet
ist. Derartige Mehrkammer-Absetzgruben finden sich noch – insbesondere
im ländlichen
Raum – auf
einer Vielzahl von Anwesen. Es handelt sich dabei im Prinzip um
einen Behälter 6,
der durch eine Trennwandung 8 in drei Teilkammern unterteilt
ist, von denen in 1 lediglich eine erste Kammer 10 und
eine weitere Kammer 12 dargestellt sind. Das zu reinigende
Abwasser strömt
der Dreikammer-Absetzgrube durch einen Zufluss 14 zu und
tritt in eine erste – nicht
dargestellte – Kammer
ein und kann durch Durchlässe 16 in
den Wandungen 8 in die nächste Teilkammer 12 und
von dort in die letzte Teilkammer 10 abströmen. In
den einzelnen Kammern 10, 12 setzen sich absetzbare
Stoffe durch Sedimentation ab, während Schwimmstoffe
auf der Flüssigkeitsoberfläche 18 aufschwimmen.
Der Abfluss 20 ist so gewählt, dass die Sedimente und
die Schwimmstoffe in den Kammern 10, 12 verbleiben
und das gereinigte Abwasser ohne diese Störstoffe abgeführt wird.
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Zur
biologischen Aufbereitung ist in der Kammer 10 der Bioreaktor 2 als
Nachrüstsatz
vorgesehen, der eine biologische Stufe darstellt. Der Hauptbestandteil
dieses Bioreaktors ist ein Behälter
oder Siebkorb 22, der beim dargestellten Ausführungsbeispiel
als Schwimmkörper
ausgebildet ist, d.h. er hat genügend
Auftrieb, dass er in dem biologisch zu behandelnden Abwasser schwimmt.
Zur Lagepositionierung des Siebkorbs 22 ist in der Kammer 10 eine Vertikalführung 24 angeordnet,
die beispielsweise an der Trennwandung 8 und/oder den Seitenwandungen
der Dreikammer-Absetzgrube 6 abgestützt sein kann (siehe gestrichelte
Linien in 1). Der Siebkorb 22 ist
entlang dieser Vertikalführung 24 in X-Richtung
in 1 verschiebbar angeordnet, so dass er je nach
Flüssigkeitsspiegel 18 innerhalb
der Kammer 10 als Schwimmkörper auf- oder abbewegbar ist.
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In
den Siebkorb
22 sind katalytisch wirkende Oberflächen eingebracht,
durch die eine bestimmte mikrobiotische Mischung einen Biofilm ausbildet. Diese
mikrobiotische Mischung besteht bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
aus einem Anteil photosynthetisch wirkenden und einem Anteil lichtemittierenden
Mikroorganismen. Das Wechselspiel zwischen den photosynthetisch
arbeitenden Mikroorganismen und den Leuchtbakterien führt dazu,
dass die photosynthetisch arbeitenden Mikroorganismen durch das
emittierte Licht zur Photosynthese angeregt werden. Die Mikroorganismen
betreiben die Photosynthese mit Schwefelwasserstoff und Wasser als
Edukt und setzen Schwefel bzw. Sauerstoff frei. Ferner können sie
Stickstoff sowie Phosphat binden und organische sowie anorganische
Materie abbauen. Hinsichtlich der konkreten Zusammensetzung dieser
mikrobiotischen Mischkultur wird der Einfachheit halber auf die
Patentanmeldungen
DE
100 62 812 A1 und
DE
101 49 447 A1 der Anmelderin verwiesen. Mit Hinweis auf
diese Anmeldung werden nach der Beschreibung der Ausführungsbeispiele
nur die wesentlichen Schritte dieses photodynamischen Abbaus erläutert.
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Durch
Zusammenwirkung der mikrobiotischen Mischung sowie der katalytischen
Oberflächen des
Siebkorbes
22 kommt es zu einem photodynamischen Abbau
organischer Substanzen. Dieser photodynamische Abbau von Substanzen
ist beispielsweise in der Anmeldung
DE
102 53 334 der Anmelderin beschrieben.
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Der
Aufbau des Siebkorbs 22 wird im folgenden anhand der 2 und 3 erläutert.
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Bei
dem in diesen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel hat der Siebkorb 22 in
der Seitenansicht (1) eine etwa trichterförmige Geometrie,
so dass sich der Durchmesser des Siebkorbs 22 von der Flüssigkeitsoberfläche 18 weg
nach unten hin kegelförmig
verjüngt.
Die Seitenwandungen des Siebkorbs 22 sind bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel aus
Edelstahl hergestellt und können
zumindest partiell mit einer photokatalytisch wirkenden Beschichtung
versehen sein. Diese Beschichtung kann – wie in 2 mit
den strichpunktierten und doppelt gepunkteten Linien angedeutet – an der
Innenumfangswandung des Siebkorbs 22 und/oder an der Außenumfangswandung
ausgebildet sein. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Siebkorb 22 aus V4A
hergestellt und mit einer Titandioxid-Beschichtung versehen. Anstelle
dieses Titandioxids kann auch IndiumZinnoxid oder dergleichen verwendet werden.
Die Außenumfangswandung
des Siebkorbs 22 ist mit einer Vielzahl von Durchbrüchen 26 versehen,
so dass das biologisch zu stabilisierende Abwasser von der Kammer 10 ins
Innere des Siebkorbs 22 gelangen kann. Die untere Stirnfläche 28 des Siebkorbs
ist verschlossen, so dass die Einströmung in den Siebkorb 22 im
wesentlichen in Radialrichtung er folgt. Die obere Stirnfläche kann
ebenfalls verschlossen sein. In dem Fall, in dem diese obere Fläche oberhalb
des Flüssigkeitsspiegels
liegt, kann auf ein Verschließen
verzichtet werden. Im Innenraum des Siebkorbs 22 ist ein
auswechselbarer Füllkörper 30 aufgenommen,
der in der Draufsicht (3) eine spiralförmige Struktur
aufweist. Dieser Füllkörper 30 besteht
bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus
einem Trägermaterial,
das beispielsweise ein spiralförmig
gewendeltes Edelstahlblech sein kann. Diese Spiralform ist an die
trichterförmige
Struktur des Siebkorbs 22 angepasst, d.h. der Durchmesser der
Spirale steigt in Axialrichtung von unten nach oben an. Die Spirale
liegt somit in Form einer Schraubenlinie innerhalb des Trichters,
deren Durchmesser zyklonartig nach oben hin größer wird.
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Auf
diesem schraubenlinienförmig
gewendelten Träger
aus Edelstahl ist beidseitig ein Schaummaterial, beispielsweise
ein PU-Schaum aufgebracht, der mit Aktivkohle und ggfs. Nano-Composite-Material
beschichtet oder versetzt ist. Durch den PU-Schaum wird ein Porensystem
gebildet, dessen Wandungen mit Aktivkohle beschichtet sind, so dass eine
große
Stoffaustauschfläche
zur Verfügung
gestellt wird.
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Dieses
mit Aktivkohle und den Nano-Composite-Teilchen beschichtete Porensystem
bildet eine vergleichsweise große
Aufwuchsfläche
zur Ausbildung eines Biofilms aus, in dem die vorbeschriebenen Mechanismen
ablaufen.
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Bei
einer Weiterbildung der Erfindung ist eine Seite des spiralförmigen Füllkörpers 30 mit
der vorgenannten Aktivkohlebeschichtung versehen, während die
andere Seite zusätzlich
noch mit einer photokatalytisch wirkenden Oberfläche, beispielsweise aus Titanoxid
beschichtet ist, die auf die Aktivkohleschicht oder auf das poröse Materi al
(beispielsweise Schaummaterial) aufgebracht ist. Über die
letztgenannte photokatalytisch wirksame Schicht wird der vorbeschriebene
photodynamische Prozess beschleunigt, allerdings wird durch diese
photokatalytischen Oberflächen
die Ausbildung eines Biofilms behindert, so dass sich dieser an
der nur mit Aktivkohle belegten Fläche ausbildet. Prinzipiell
kann es auch vorgesehen werden, die photokatalytisch wirksame Schicht
und die Aufwuchsfläche
(Aktivkohle) partiell, d.h. nur an bestimmten Wandungsbereichen
nebeneinanderliegend aufzubringen.
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Anstelle
der Konstruktion mit einem mittigen Träger und einer beidseitigen
Beschichtung kann auch ein poröser
Körper
(Schaum), der alleine nur eine unzureichende Festigkeit aufweist,
verwendet werden. Zur Verbesserung der Festigkeit des Füllkörpers wird
dieser Kern dann zwischen eine Doppelwandung eines Trägers eingebracht,
der wiederum aus Edelstahl oder einem anderen geeigneten Material,
beispielsweise säurefestem
Kunststoff, etc. hergestellt sein kann.
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Die
eingangs genannten Mikroorganismen können entweder zentral über einen
Dosierschlauch in das Zentrum des spiralförmigen Füllkörpers 30 eingebracht
werden. Es ist jedoch auch möglich,
diese Mikroorganismen mit den Nano-Composite-Materialien bereits bei der
Herstellung des Füllkörpers ins Porensystem
einzubringen. Sehr erfolgsversprechend waren Versuche, bei denen
die Mikroorganismen und Nano-Composite-Materialien in Chitosan gelöst und diese
mit den Nano-Composite-Materialien versetzte Mischung dann – beispielsweise
durch Tränken – auf den
Füllkörper aufgebracht
wird, so dass ein kontinuierliches Zuführen von Mikroorganismen entfällt und
lediglich in regelmäßigen Abständen ein
Austausch des Füllkörpers 30 erforderlich
ist.
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Der
Siebkorb 22 ist über
Lager 34 drehbar an der Vertikalführung 24 befestigt.
Prinzipiell ist es auch möglich,
nur den Füllkörper 30 drehbar
zu befestigen, während
der Siebkorb 22 – oder
besser gesagt dessen Mantel – drehfest
an der Vertikalführung 24 festgelegt
ist, so dass der Füllkörper 30 mit
Bezug zum Mantel drehbar ist.
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Durch
die Temperaturerhöhung
und durch eine Gasbildung während
des eingangs beschriebenen biologischen Abbauprozesses und insbesondere durch
die Ausbildung eines elektrischen Wechselfeldes innerhalb des Siebkorbs 22 kommt
es zu einer Rotation des Siebkorbs 22 oder des Füllkörpers 30, durch
die einerseits die Durchmischung des zu behandelnden Abwassers innerhalb
des Siebkorbs 22 und andererseits das Durchströmen des
Siebkorbs 22 verbessert wird, wobei der Schraubenlinien
förmig gewellte
Füllkörper 30 die
Abwasserströmung
unterstützt.
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Das
vorgenannte elektrische Wechselfeld entsteht bei photodynamischen
Prozessen und wird durch die photokatalytische wirksame Beschichtung 32 des
Siebkorbs 22 sowie durch das Einbringen der Nanostrukturen
unterstützt,
deren Wirkweise später anhand 9 erläutert
wird. Falls die aus dem biologischen Abbauprozess eingebrachte Energie
nicht ausreicht, um den Füllkörper 30 oder
den Siebkorb 22 rotieren zu lassen, kann diesem ein eigener
Antrieb zugeordnet sein, der unterstützend ein Drehmoment aufbringt,
um die Rotation zu bewirken.
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4 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
Siebkorbs 22 eines Bioreaktors 2, der im Unterschied
zum vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel nicht
trichterförmig
sondern zylinderförmig
ausgebildet ist.
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Der
Mantel 36 des Siebkorbs 22 ist wieder beid- oder
einseitig mit einer photokatalytisch wirksamen Beschich tung (Titandioxid,
IndiumZinnoxid) versehen. Im Inneren dieses zylinderförmigen Mantels 36 ist
wiederum ein schraubenlinienförmig
gewendelter Füllkörper 30 angeordnet,
der durch einen Träger mit
einer Porenstruktur gebildet ist, die mit einer katalytischen Oberfläche, beispielsweise
mit Aktivkohle beschichtet ist. Wie beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel
kann partiell oder auf bestimmten Wandungsabschnitten des Füllkörpers 30
wiederum eine photokatalytisch wirksame Oberfläche aus Titandioxid, IndiumZinnoxid
aufgebracht werden.
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Konkret
ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
der Träger
wiederum in Sandwichbauweise ausgeführt. Das eigentliche Trägermaterial
besteht aus einem zwei bis drei Millimeter starkem VA-Gitterkörper, wobei
die wendelförmige
Struktur durch zwei Gitterflächen
gebildet ist, zwischen denen – wie
beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel – ein halbharter,
offenzelliger PU-Schaum mit Aktivkohlebeschichtung eingebracht ist.
Die auf der nach unten gerichteten Seite des Wendels angeordneten Gitterstäbe sind
mit einer photokatalytischen Oberfläche versehen, die Maschenweite
beträgt
an diesen nach unten weisenden Großflächen ca. 10 – 12 mm. An
den die nach oben weisende Großfläche des Wendels
bildenden Gitterstäben
ist keine Beschichtung vorgesehen. Die Maschenweite beträgt hier etwa
25 bis 30 mm.
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Der
PU-Schaum ist auf der nach unten weisenden Seite des Wendels mit
einem gelartigen Material aus Chitosan beschichtet. In diesem Chitosan sind
die Nano-Composite-Materialien
eingebettet, welche jeweils ein piezoelektrisches Keramik-System
aus PZT-Kurzfasern mit photokatalytischen Beschichtungen darstellt.
Ferner sind kläranlagentypische
und biophysikalisch arbeitende Mikroorganismen mit eingebettet.
Auf der Oberseite des PU-Schaumkerns sind im kationisch wirkenden
Chitosan-Lactat nur aerobe Mikroorganismen eingebaut.
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Wie
bereits eingangs beschrieben, kommt es auf der Oberseite der Spirale
sehr schnell zur Biofilmbildung, wobei auf der Unterseite des Sandwich-Körpers die
Bildung eines Biofilms durch die photokatalytischen Aktivitäten mit
starker Gasbildung (Wasserstoff und Sauerstoff) verhindert wird.
Die Innen- und Außenseite
des zylinderförmigen
Siebkorbs 22 ist wiederum – wie beim vorbeschriebenen
Ausführungsbeispiel – mit einer
beständigen
photokatalytischen Oberfläche
versehen.
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Auch
bei diesem Ausführungsbeispiel
vergrößert sich
der Außendurchmesser
des wendelförmigen
Füllkörpers 30 von
unten nach oben. Im Unterschied zum vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel ist
bei dem in 4 dargestellten Siebkorb 22 die
untere Stirnfläche
als Eintrittsquerschnitt für
das zu behandelnde Abwasser vorgesehen – der Umfangsmantel 36 ist
wasserundurchlässig,
so dass die Anströmung
des Siebkorbs 22 nicht radial wie beim eingangs beschriebenen
Ausführungsbeispiel,
sondern axial erfolgt.
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Vorversuche
zeigten, dass der PU-Schaum des Füllkörpers 30 dem Siebkorb 22 schon
hinreichend Auftrieb verleiht. Sollte dieser Auftrieb nicht ausreichen,
so kann – wie
in 4 angedeutet – im oberen
Bereich des Siebkorbs 22 ein Auftriebskörper 38 vorgesehen
werden, der den zylinderförmigen Mantel 36 ringförmig umgreift.
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Anstelle
des Aktivkohle beschichteten PU-Schaums kann auch Keramikmaterial
verwendet werden, das ein hinreichendes Porenvolumen aufweist.
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Der
Vorteil des in 4 dargestellten Ausführungsbeispiels
liegt in der wesentlich einfacheren Herstellbarkeit des Mantels 36 und
in dem geringeren Druckverlust, der bei einer axialen Durchströmung zu erwarten
ist.
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Anhand
der 5 bis 8 wird im folgenden ein weiteres
Ausführungsbeispiel
eines Bioreaktors 2 erläutert.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
ist der Bioreaktor 2 zylinderförmig ausgebildet und hat einen stirnseitig
offenen, zylinderförmigen
Siebkorb 22, der bei diesem Ausführungsbeispiel aus einem Lochblech – vorzugsweise
aus Edelstahl – hergestellt
ist. Anstelle eines mit Durchbrüchen
versehenen Mantels kann auch ein geschlossener Umfangsmantel verwendet
werden, der nur stirnseitig offen ist. Der rohrförmige Siebkorb 22 hat
beispielsweise eine Länge
von etwa 110 cm und einen Durchmesser von 35 cm. Die im Rohrmantel
ausgebildeten, vorzugsweise kreisförmigen Durchbrüche 26 haben
beim dargestellten Ausführungsbeispiel
einen Durchmesser von etwa 8 mm und einen Mittenabstand von 12 mm.
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Der
Siebkorb 22 umgreift den wendelförmig ausgebildeten Füllkörper 30,
der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
mit einem gleichbleibenden Aussendurchmesser ausgeführt ist,
wobei der Innendurchmesser des Siebkorbs 22 nur geringfügig größer als
der Aussendurchmesser D der Wendel des Füllkörpers 30 ausgebildet
sind.
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Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel besteht
der Füllkörper 30 aus
einem Stützkörper 40, der
im Wesentlichen aus einem koaxial zum Siebkorb 22 angeordneten
Stahlrohr 42 und spiralförmig daran angeordneten Rundstäben 44 gebildet
ist. Diese Rundstäbe 44 tragen
eine spiralförmige
Matte 46 aus PUR-Schaum. Die Rundstäbe 44 sind rechtwinklig zur
Stahlrohrachse 42 angeordnet und reichen bis knapp an die
gelochte Umfangswandung des Siebkorbs 22 heran. Die PUR-Matte 46 ist
dabei, wie aus 6 hervorgeht, unterhalb der
Rundstäbe 46 angeordnet,
so dass sie in Durchströmrichtung
(von unten nach oben in 6) abgestützt ist.
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Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist
der Siebkorb 26 stehend angeordnet und in diesem der Füllkörper 30 drehbar
gelagert.
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Ähnlich wie
beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel
ist die PUR-Matte 46 mit einer katalytisch wirksamen Schicht,
vorzugsweise einer Aktivkohlebeschichtung versehen. Die von den
Rundstäben 46 abgewandte,
untere Großfläche der
Matte 46 ist zusätzlich
mit einem Biopolymer, beispielsweise einem Milchsäurepolymer
(PLA) beschichtet. In diesem Biopolymer sind die eingangs beschriebenen Mikroorganismen
und die Nano-Composite-Materialien angeordnet. Zusätzlich oder
anstelle der PLA kann auch Zucker-Melasse oder Chitosan-Lactat als Trägermaterial
eingesetzt werden. Die erfindungsgemäße mikrobiotische Mischung
enthält
des Weiteren noch Mikronährstoffe,
wie beispielsweise Aluminium, Calcium, Kobalt, Kupfer, Eisen, Magnesium,
Mangan, Molybdän,
Kalium, Nickel, Selen, Schwefel, Zink und/oder Chrom.
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Die
mikrobiotische Mischung kann des Weiteren noch kläranlagentypische
Mikroorganismen enthalten.
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Wie
bereits beschrieben, kommt es auf der Oberseite des spiralförmigen Füllkörpers 30 sehr schnell
zu einer Biofilmbildung, wobei auf der Unterseite der Matte die
Bildung eines Biofilms durch katalytische Aktivitäten mit
starker Gasbildung (Wasserstoff oder Sauerstoff) verhindert werden.
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Der
photodynamische Abbau der organischen Bestandteile wird noch durch
die photokatalytische Beschichtung des Siebkorbs 22 unterstützt. Wie
insbesondere aus der vergrößerten Darstellung gemäß 7 hervorgeht,
ist der Siebkorb sowohl an seiner Innenumfangsfläche als auch an seiner Aussenumfangsfläche mit
einer photokatalytisch wirksamen Schicht, beispielsweise Titandioxid
beschichtet. Diese Schicht ist an der Innenumfangsfläche, d.
h. an der dem Füllkörper 30 zugewandten
Seite vollständig aufgetragen,
während
an der Aussenumfangsfläche gemäß den 5 und 7 das
Titandioxid in Form von Streifen 48 aufgebracht ist, zwischen
denen Bereiche verbleiben, die mit einer Diamantbeschichtung 60 versehen
sind. Eine derartige Diamantbeschichtung läßt sich synthetisch herstellen,
indem Methan und Wasserstoff sowie eine geeignete Trägersubstanz
aus beispielsweise Niob, Silizium oder Keramik in einer Vakuumkammer
auf Temperaturen bis etwa 2000° erhitzt
werden. Es kommt dann zu einer Reaktion, bei der sich ein Diamantgitter
auf der Trägersubstanz
ausbildet. Diese Beschichtung 50 wird dann auf der Außenumfangswandung
des Siebkorbs 22 aufgebracht, so dass mit einer photokatalytisch
wirksamen und mit einer Diamantschicht 50 versehene Bereiche
nebeneinander liegen. Diese Bereiche 48, 50 verlaufen
in Längsrichtung
des Siebkorbs 22. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
entspricht die Breite der Streifen 48 etwa dem Abstand
von vier lochförmigen
Durchbrüchen 26,
während
die Breite der unbeschichteten Bereiche 50 wesentlich kleiner ist
und etwa dem Abstand zwischen zwei benachbarten Durchbrüchen 26 entspricht.
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Im
Zusammenwirken mit der katalytischen Beschichtung des Siebkorbs 22 und
der vorbeschriebenen Beschichtung des wendelförmigen Füllkörpers 30 stellt sich
ein vergleichsweise starkes elektromagnetisches Feld ein. Die entstehende
Potentialdifferenz liegt an den mit der Diamantbeschichtung 50 versehenen
Bereichen an, die dann als Diamantelektroden wirken. Durch diese
geringe Spannung entstehen im Bereich der Diamantelektroden (Bereiche 50)
Hydroxylradiakale, die auch bisher schwierig oder nicht abbaubare
Substanzen in harmlose Salze oder Kohlendioxid umwandeln, das als
Gas über Kopf
aus dem Korb abgeführt
wird. D. h., bei dem erfindungsgemäßen Bioreaktor laufen parallel
nebeneinander über
das Zusammenwirken der photokatalytisch wirksamen Schicht und dem
Biofilm auf dem Füllkörper sowie
durch die Diamantelektroden Prozesse ab, die zum nahezu vollständigen Abbau
der organischen Schadstoffe führen.
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Einzelheiten über das
entstehende elektromagnetische Feld sind in der älteren, nachveröffentlichten
Anmeldung
DE 103 30 959.4 offenbart,
so dass diesbezügliche
weitere Erläuterungen
entbehrlich sind.
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Eine
weitere Besonderheit des Bioreaktors 2 ist in 8 dargestellt.
Dem gemäß werden
die kreisförmigen
Durchbrüche 26 beim
dargestellten Ausführungsbeispiel
vorzugsweise durch Stanzen ausgebildet, wobei ein Stanzgrat 52 nach
innen, d. h. zum Füllkörper 30 hin
vorsteht. Die vorbeschriebene photokatalytisch wirksame Beschichtung 32 aus
Tiatandioxid wird bei diesem Ausführungsbeispiel nach dem Ausstanzen
der Durchbrüche 26 aufgebracht. Es
zeigte sich, dass die Beschichtung im Bereich der äußerst scharfkantigen
Stanzgrate 52 häufig
nicht haftet, so dass diese Grate 52 unbeschichtet bleiben. Überraschender
Weise lagert sich an diesen unbeschichteten Stanzgraten 52 während des
Betrieb des Bioreaktors 2 vorzugsweise ein Biofilm 54 an – d. h., diese
unbeschichteten Bereiche wirken somit als Keimzonen für die Ausbildung
des Biofilms an der Innenumfangsfläche des Reaktors, so dass die
Umsetzung der organischen Bestandteile weiter verbessert wird.
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Mit
der erfindungsgemäßen biologischen Stufe
läßt sich
der organische Anteil der Trockensubstanz (TS) im Siebkorb (Bioreaktor)
durch den Abbau der hemmenden Stoffe und durch die Freisetzung von
Sauerstoff und Energie auf weniger als 10 % der Trockensubstanz
verringern. Der durch die Energieanreicherung des Sauerstoff freigesetzte
reaktionsfreudige Singulett-Sauerstoff oxidiert beispielsweise Hormonrückstände und
Antibiotika äußerst effektiv. Nach
wenigen Sekunden werden organische Substanzen durch Desintegration
umgesetzt und nachfolgend unschädlich
gemacht. Der Biofilm an der Oberseite des wendelförmigen Einsatzes
baut in dessen die abwassergelösten
Stoffe ab.
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Offenbart
ist ein Bioreaktor mit einem Siebkorb, in dem ein Füllkörper aufgenommen
ist, der eine porösen
Träger
mit großer
spezifischer Oberfläche
hat. In diesen Siebkorb wird eine Mikroorganismenmischung eingebracht,
die vorzugsweise einen Anteil an photokatalytisch wirksamen Nanopartikeln enthält. Die
Außenumfangswandung
des Siebkorbs ist mit einer photokatalytischen Schicht versehenen und
nur mit einer Diamantschicht versehenen Bereichen ausgebildet. Während des
Abbaus der organischen Schadstoffkomponenten entsteht durch Zusammenwirken
der mit einer photokatalytischen Schicht versehenen Bereiche und
den Mikroorganismen eine Potentialdifferenz, die an den mit einer
Diamantbeschichtung versehenen Bereichen anliegt, so dass diese
als Elektroden wirken, an denen Radiakale entstehen, die den Abbau
der organischen Komponenten weiter beschleunigen.
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- 1
- Kleinkläranlage
- 2
- biologische
Stufe
- 4
- mechanische
Stufe
- 6
- Dreikammer-Absetzgrube
- 8
- Trennwand
- 10
- Kammer
- 12
- Kammer
- 14
- Zulauf
- 16
- Durchbruch
- 18
- Flüssigkeitsspiegel
- 20
- Ablauf
- 22
- Siebkorb
- 24
- Vertikalführung
- 26
- Durchbruch
- 28
- Stirnfläche
- 30
- Füllkörper
- 32
- Beschichtung
- 34
- Lager
- 36
- Mantel
- 38
- Auftriebskörper
- 40
- Sitzkörper
- 42
- Stahlrohr
- 44
- Rundstab
- 46
- Matte
- 48
- Streifen
- 50
- Diamantschicht
- 52
- Stanzgrat
- 54
- Biofilm
- 56
- Nanopartikel
- 58
- Stirnfläche