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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines die biogene
Schwefelsäurekorrosion bewirkenden
Biofilms auf einer Oberfläche
wenigstens eines in einem Reaktorbehälter eines Bioreaktors angeordneten
Prüfkörpers. Darüber hinaus
betrifft die vorliegende Erfindung einen Bioreaktor mit einem Reaktorbehälter zur
Durchführung
des vorgenannten Verfahrens.
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Die
biogene Schwefelsaurekorrosion betrifft Vorgänge in bestimmten Bereichen
von Rohrleitungs- und Abwassersystemen, bei denen Mikroorganismen
Schwefelsäure
bilden, die zu einer Schädigung
von Leitungsbauteilen, insbesondere von Rohren, Rohrformteilen,
Ausrüstungsteilen,
Ausdehnungsstücken,
Schlauchleitungen, Armaturen, Dichtungen und Verbindungselementen
wie Flanschen, Fittingen, Verschraubungen oder Muffen, führen kann.
Besonders gefährdet
durch die biogene Schwefelsäurekorrosion
sind Kanalstrecken nach Pumpwerken, Leitungen in Druckentwässerungssystemen,
Leitungen für
sulfidhaltige Abwasser aus Absetzanlagen, Gewerbe und Industrie
o. dgl. Darüber hinaus
kann es in Leitungssystemen von Rauchgasreinigungs-, Biogas- und
solchen Anlagen zur biogenen Schwefelsäurekorrosion kommen, in denen Faulgasprozesse
ablaufen. Die schädigende
Schwefelsäure
entsteht dabei durch ein relativ komplexes Zusammenspiel verschiedener
Faktoren. Eine Grundvoraussetzung für das Entstehen von biogener Schwefelsäure ist
das Vorhandensein von Schwefelverbindungen in organischer und anorganischer Form
in Abwässern.
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In
anaeroben Bereichen von Rohrleitungs- bzw. Abwassersystemen werden
die Schwefelverbindungen durch sulfatreduzierende Mikroorganismen zu
Schwefelwasserstoff abgebaut. Anaerobe Bedingungen kommen beispielsweise
in Druckleitungen, aber auch in tieferen Zonen von Biofilmen vor,
die überall
in flüssigkeitsbenetzten
Teilen eines Abwassersystems nachgewiesen werden können. Der
von den Mikroorganismen erzeugte Schwefelwasserstoff wird durch
Verwirbelungen in die Kanalatmosphäre emittiert, zum Beispiel
an Übergängen von
Druckleitungen zu Freispiegelleitungen oder auch in Abwasserbehandlungsanlagen.
Bei unzureichender Belüftung
reichert sich der freigesetzte Schwefelwasserstoff an den im Gasraum
liegenden Wandungen an.
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In
an den Leitungswänden
durch Kondenswasser oder durch Spritzwasser gebildeten Flüssigkeitstropfen
wird der Schwefelwasserstoff gelöst
und von bestimmten in den Flüssigkeitstropfen
enthaltenen Bakterien mit ebenfalls gelöstem Luftsauerstoff zu elementarem
Schwefel oxidiert. Elementarer Schwefel dient dann verschiedenen
Mikroorganismen der Gattung Thiobacillus, die ebenfalls in den Flüssigkeitstropfen
enthalten sind, als Substrat. Diese Bakterien, auch Desulfurikanten
oder sulfidogene Bakterien genannt, sitzen als Biofilm an den Leitungswandungen
und setzen den im Leitungssystem freigesetzten Schwefelwasserstoff
zu Schwefelsäure um
und leiten so die Materialzerstörung
der Leitungsbauteile ein. Das letzte Glied der an der biochemischen
Säurebildung
beteiligten Mikroorganismen bildet Thiobacillus Thiooxidans, früher auch
Thiobacillus concretivorus genannt. Die Biokorrosion von Kanal- und Entwässerungsleitungen
wird somit durch ein Zusammenwirken von anaerober Sulfatreduktion und
aerober Schwefeloxidation verursacht. Bei diesem komplexen und noch
nicht gänzlich
erforschten Prozess entsteht Schwefelsäure, was zu einer starken Senkung
des pH-Werts führt.
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Die
biogene Schwefelsäurekorrosion
erfolgt hauptsächlich
im Gasraum oberhalb der Wasserlinie. Eine erhöhte Temperatur, sehr langsame
Fließzeiten im
Leitungssystem sowie schlechte Be- und Entlüftung des Leitungssystems begünstigen
die an der biochemischen Säurebildung
beteiligten Prozesse.
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Aufgrund
des sinkenden Wasserverbrauchs und der gezielten Versickerung von
Regenwasser in den letzten Jahrzehnten sinkt die Strömungsgeschwindigkeit
der Abwasser in Kanal- und Entwässerungsleitungen
von Abwassersystemen zunehmend. Der Bau von Kanalsystemen mit immer
größerem Einzugsgebiet
und entsprechend längeren
Fließstrecken
führt zu
einer längeren
Verweilzeit der Abwässer
in dem Leitungssystem. Da Leitungssysteme, insbesondere Druckleitungen,
zumeist wenig oder gar nicht durchlüftet werden, verbraucht sich
der im Abwasser- und Gasraum enthaltende Sauerstoff durch mikrobiologische
und chemische Prozesse sehr schnell. Insbesondere in dem Bereich
mit niedrigem Sauerstoffgehalt treten dann die zuvor beschriebenen
Prozesse auf, die zur biogenen Schwefelsäurekorrosion führen können. Die
Zahl der Schäden
an insbesondere aus Beton bestehenden Kanalsystemen und insbesondere
aus Guss bestehenden Entwässerungsleitungen,
die auf die bio gene Schwefelsäurekorrosion
zurückzuführen sind,
ist daher in den letzten Jahren stark angestiegen.
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Zur
Prüfung
der in Rohleitungssystemen und Abwassersystemen eingesetzten Leitungsbauteile bzw.
zur Prüfung
der Materialbeständigkeit
der zuvor genannten Bauteile gegenüber der biogenen Schwefelsäure-Korrosion
sind die Hersteller von Leitungsbauteilen derzeit darauf angewiesen,
Ihre Komponenten in realen Kanalleitungen zu testen. Hierzu werden
die Komponenten in den Gasraum von Kanalleitungen eingebracht, in
denen die biogene Schwefelsäure-Korrosion
auftritt. Diese Kanalleitungen oder Kanalschächte befinden sich zumeist
in der Nähe
von Einleitern, deren Abwässer
hohe Frachten an organischen Bestandteilen aufweisen können, beispielsweise
Schlachthöfe.
Die Prüfung
der Materialien ist zeitaufwendig, da der Aufbau des Biofilms zumeist
lange dauert. Hier sind Prüfungszeiten
von bis zu neun Monaten zu veranschlagen. Weiterhin sind zwei unabhängig voneinander
durchgeführte Prüfungen nicht
miteinander vergleichbar, da eine Überwachung der Gasatmosphäre nicht
durchgeführt
wird und somit unterschiedliche Bedingungen vorherrschen können.
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Aus
dem nachfolgenden Stand der Technik sind unter anderem Vorrichtungen
für Korrosionsmessungen
an SRB-Biofilmen auf Prüfkörpern in wäßrigen Systemen
sowie Meßeinrichtungen
zur Untersuchung der Beeinflussung von Zellsystemen durch Gasströme im Labormaßstab bekannt.
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Aus
der
DE 699 18 933
T2 ist ein Verfahren zur Inhibition des Wachstums sulfatreduzierender Bakterien
auf einem Material bekannt, das aus der Gruppe eines korrosionsempfindlichen
Materials und eines abbauempfindlichen Materials ausgewählt ist, wobei
das Verfahren das Aufbringen auf das Material eines aeroben Bakteriums
umfaßt,
das eine chemische Zusammensetzung in einer Menge sezerniert, die
zur Inhibition des Wachstums sulfatreduzierender Bakterien auf dem
Material ausreichend ist.
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Aus
der
DE 696 34 604
T2 ist ein Verfahren zur Untersuchung von Fluiden bekannt,
um eine mikrobiologische Verschmutzung zu detektieren.
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Die
DE 689 15 560 T2 betrifft
eine Anordnung zur Überwachung
des Biobewuchses an Oberflächen
im Wasser befindlicher Systeme, welche eine Probenahme-Apparatur
mit einer Rohrleitung aufweist, die einen Kanal für einen
Wasserstrom bildet und in ihrer Wand mindestens eine Öffnung aufweist, sowie
einen Bolzen, der eine biobewuchsfähige Prüfoberfläche besitzt, und Halterungen,
um den Bolzen fest verbunden mit der Rohrleitung in der Öffnung zu halten,
so daß die
Prüfoberfläche im wesentlichen bündig mit
der Rohrleitungswand ist und dem Wasser in dem Kanal ausgesetzt
ist.
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Aus
der
DE 10 2005
012 824 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung und zur Kontrolle
von anorganischen und/oder organischen Ablagerungen in einem Wassersystem
bekannt, wobei in das Wassersystem ein oder mehrere Probenkörper eingebracht werden,
die nach vorgewähltem
Expositionszeitraum wieder aus dem System entnommen und für eine Oberflächenuntersuchung
vorbereitet werden, wobei die auf den Probenkörpern abgeschiedenen Ablagerungen
mit mikroskopischen Methoden und/oder gaschromatographischen und/oder
massenspektrometischen Methoden bestimmt werden.
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Die
DE 10 2004 001 900
A1 bezieht sich auf Anlagen zur Wasserableitung und -behandlung
und insbesondere auf die Reduzierung der biogenen Schwefelsäurekorrosion,
wobei das Abwasser an Abwassersammelstellen und in definierten Leitungsabschnitten
gekühlt
wird. Dadurch sollen Faulprozesse des Abwassers vermindert bzw.
ausgeschlossen werden.
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Aus
der
DE 102 11 324
A1 ist eine Kulturvorrichtung zum Aufnehmen von Kulturen
mit einer Einrichtung zum Beaufschlagen der aufgenommenen Kultur
mit einem gasförmigen
Medium bekannt.
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Die
US 5,281,537 A beschreibt
ein Verfahren zur Detektion von Fäulnisprozessen in gewerblichen Wässern und
zur Unterscheidung zwischen mikrobiologischen und chemischen Faulprozessen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren und einen Bioreaktor
der jeweils eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, mit denen
es möglich
ist, die Widerstandsfähigkeit
von Materialien und aus diesen hergestellten Leitungsbauteilen gegenüber der
biogenen Schwefelsäure-Korrosion
reproduzierbar und in kurzer Zeit prüfen zu können, wobei der biogene Schwefelsäureangriff
auf die Materialien und Leitungsbauteile weitgehend den realen Bedingungen
in Rohleitungs- und Abwassersystemen nachgebildet sein soll.
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Die
vorgenannte Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten
Art dadurch gelöst, dass
der Prüfkörper mit
Mikroorganismen der Gattung Thiobacillus und ggf. mit weiteren Mikroorganismen
beimpft wird und dass im Reaktorbehälter ein Schwefelwasserstoff-Gasstrom
freigesetzt wird, um eine schwefelwasserstoffhaltige Gasatmosphäre in dem
Umgebungsbereich des Prüfkörpers zu
erzeugen. Vorrichtungsgemäß ist dementsprechend
vorgesehen, dass der Bioreaktor wenigstens eine Gasversorgungseinrichtung
zur Freisetzung eines Schwefelwasserstoff-Gasstroms im Inneren des
Reaktorbehäl ters
und zur Erzeugung einer schwefelwasserstoffhaltigen Gasatmosphäre im Umgebungsbereich
des Prüfkörpers aufweist.
Durch die Zufuhr von Schwefelwasserstoff in den Reaktorbehälter wird der
Gasraum im Umgebungsbereich des Prüfkörpers mit Schwefelwasserstoff
angereichert, was eine ausreichend hohe Stoffwechselaktivität der die
biogene Schwefelsäurekorrosion
bewirkenden Mikroorganismen sicherstellt. Zu den Mikroorganismen
gehören insbesondere
solche der Gattung Thiobacillus sowie ggf. weitere Mikroorganismen,
die an der biogenen Schwefelsäure-Korrosion
beteiligt sind, beispielsweise Schwefelwasserstoff oxidierende Bakterien.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
und dem erfindungsgemäßen Bioreaktor
ist es möglich, innerhalb
von kurzen Prüfzeiten
Materialien und Leitungsbauteile auf ihre Beständigkeit gegenüber der biogenen
Schwefelsäurekorrosion
zu testen. Im übrigen
werden durch die Erzeugung einer schwefelwasserstoffhaltigen Gasatmosphäre im Umgebungsbereich
des Prüfkörpers die
tatsächlichen
Umgebungsbedingungen, bei denen die biogene Schwefelsäurekorrosion
in Rohrleitungs- und Abwassersystemen auftritt, sehr realitätsnah nachgebildet.
Der Schwefelwasserstoff im Reaktorbehälter gelangt an die Oberfläche des
Prüfkörpers und
wird dort zu elementarem Schwefel aufoxidiert. Dieser bildet wiederum
ein Substrat für
die in Flüssigkeitstropfen
an der Oberfläche
des Prüfkörpers lebenden
Mikroorganismen, insbesondere Thiobakterien, welche den Schwefel
bei Vorhandensein ausreichender Feuchtigkeit zu Schwefelsäure oxidieren,
was zu einem Säureangriff auf
die Oberfläche
des Prüfkörpers führt. Die
Stärke des
Säureangriffs
nach einer vorgegebenen Prüfzeit bzw.
die Verweildauer der Materialien bzw. Leitungsbauteile in dem Bioreaktor
stellt ein Maß für die Widerstandsfähigkeit
der geprüften
Materialien und Leitungsbauteile gegenüber der biogenen Schwefelsäure-Korrosion dar. Durch
Ermittlung und Bewertung der Wechselwirkungen zwischen der Schwefelwasserstoffkonzentration
im Bioreaktor und den auftretenden Korrosionserscheinungen an den
Prüfkörpern kann
darüber
hinaus das Wissen um die Entstehung und die Wirkung der biogenen
Schwefelsäure-Korrosion auf die
Prüfkörper erweitert
werden, was eine Voraussetzung für
die Entwicklung von widerstandsfähigen
Materialien ist.
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Um
den Prüfkörper mit
Mikroorganismen zu beimpfen, ist es vorgesehen, den Prüfkörper mit
einer Mikroorganismen der Gattung Thiobacillus und ggf. wei tere
Mikroorganismen aufweisenden wässrigen
Lösung
in Kontakt zu bringen. Dies kann ein- oder mehrmals erfolgen. In
Flüssigkeitstropfen
der wässrigen
Lösung,
die an der Oberfläche
des Prüfkörpers gebildet
werden, entsteht ein die Mikroorganismen aufweisender Biofilm. Durch
Kondensatwasser oder durch Besprühen
kann eine ausreichende Befeuchtung der Oberfläche des Prüfkörpers sichergestellt sein,
was eine Voraussetzung für
das Entstehen des Biofilms ist. Es versteht sich, dass die wässrige Lösung dem
Fachmann bekannte Nährstoffe enthalten
kann, die das Wachstum der Mikroorganismen bzw. die Ausbildung eines
Biofilms auf der Oberfläche
des Prüfkörpers beschleunigen
sollen.
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Vorzugsweise
werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
Prüfkörper im
technischen Maßstab
bis hin zu Original-Bauteilen auf ihre Widerstandskraft gegen die
biogene Schwefelsäure-Korrosion
geprüft.
Prüfkörper mit
Abmessungen bis zu mehreren Meter können untersucht werden, was eine
entsprechend große
Ausbildung des Reaktorbehälters
erfordert. Im Ergebnis lässt
es die Erfindung zu, die Oberflächen
von Bauteilen im Einsatzmaßstab
möglicht
praxisnah auf Schäden
durch eine auf biochemische Aktivitäten zurückzuführende Säurebildung zu untersuchen.
Bei den Prüfkörpern kann
es sich um alle Leitungsbauteile und Leitungskomponenten handeln,
die in Rohrleitungssystemen und Kanalsystemen durch biogene Schwefelsäurekorrosion
gefährdet
sind. Vorrichtungsgemäß ist dementsprechend
vorgesehen, dass der Reaktorbehälter wenigstens
einen Aufnahmebereich für
wenigstens einen Prüfkörper im
technischen Maßstab
aufweist. Grundsätzlich
ist es natürlich
auch möglich,
dass Prüfkörper untersucht
werden, die kleiner sind als die entsprechenden Original-Bauteile.
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Weiter
vorzugsweise ist vorgesehen, dass ein Schwefelwasserstoff-Gasstrom
in der unmittelbaren Umgebung des Prüfkörpers freigesetzt wird, wobei
der Schwefelwasserstoff-Gasstrom zu der Oberfläche des Prüfkörpers geleitet bzw. geführt wird.
Um eine ausreichend hohe Schwefelwasserstoffkonzentration im Umgebungsbereich
des Prüfkörpers sicherstellen
zu können,
kann vorgesehen sein, dass der Schwefelwasserstoff-Gasstrom in einem
Abstand von beispielsweise weniger als 30 cm von einer in einem
Gasraum des Reaktorbehälters
angeordneten und mit Mikroorganismen beimpften Oberfläche des Prüfkörpers freigesetzt
wird. Zu diesem Zweck kann die Gasversorgungs einrichtung wenigstens
eine zu dem Prüfkörper führende Gasleitung
für den
Schwefelwasserstoff-Gasstrom aufweisen, wobei eine Austrittsöffnung der
Gasleitung entsprechend beabstandet von der Oberfläche des
Prüfkörpers angeordnet ist.
Grundsätzlich
ist es natürlich
auch möglich,
dem Reaktorbehälter
einen Schwefelwasserstoff-Gasstrom an beliebiger Stelle zuzuleiten,
sofern sichergestellt ist, dass eine ausreichend hohe Schwefelwasserstoffkonzentration
im Reaktorbehälter
im Bereich der Prüfkörper erreicht
wird.
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Vorzugsweise
wird im wesentlichen reiner Schwefelwasserstoff freigesetzt, wobei
es grundsätzlich
natürlich
auch möglich
ist, ein schwefelwasserstoffhaltiges Gasgemisch freizusetzen, das
neben Schwefelwasserstoff noch weitere Gaskomponenten enthalten
kann, um die Umgebungsbedingungen in Rohleitungen und Kanälen, die
zu einer biogenen Schwefelsäurekorrosion
führen
können,
möglichst wirklichkeitsnah
nachzubilden.
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Um
eine Mehrzahl von Prüfkörpern möglichst
zeitsparend auf deren Beständigkeit
gegen die biogene Schwefelsäurekorrosion
untersuchen zu können,
kann im Reaktorbehälter
eine Mehrzahl von Aufnahmebereichen für eine Mehrzahl von Prüfkörpern vorgesehen
sein, wobei, vorzugsweise, jedem Prüfkörper ein Gasleitungsabschnitt
der Gasleitung zugeordnet ist, um im Umgebungsbereich von jedem Prüfkörper eine
schwefelwasserstoffhaltige Gasatmosphäre zu erzeugen.
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Der
Einfachheit halber kann vorgesehen sein, dass der Schwefelwasserstoff-Gasstrom dem Reaktorbehälter von
außen
zugeleitet wird, wobei der Reaktorbehälter, insbesondere eine zu
dem Prüfkörper führende Gasleitung,
mit einem Gasdruckbehälter
verbunden ist, der mit Schwefelwasserstoff mit einer bekannten Konzentration
befüllt
ist. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der Schwefelwasserstoff
in einem vorzugsweise außerhalb
des Reaktorbehälters
angeordneten Reaktionsbehälter
chemisch erzeugt wird, beispielsweise durch die Umsetzung von Natriumsulfid
mit Schwefelsäure
zu Schwefelwasserstoff und Natriumsulfat. Hier können auch andere chemische
Reaktionen vorgesehen sein, bei denen wenigstens ein Ausgangsstoff
mit wenigstens einem Reaktionspartner zu Schwefelwasserstoff und ggf.
weiteren Komponenten reagiert.
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Da
die Stoffwechselaktivität
der Mikroorganismen in dem an der Oberfläche des Prüfkörpers gebildeten Biofilm unter
anderem von der Schwefelwasserstoffkonzentration abhängt, ist
erfindungsgemäß vorgesehen,
dass die Schwefelwasserstoffkonzentration in einem den Prüfkörper zumindest
teilweise umgebenden Gasraum des Reaktorbehälters auf einen Wert von kleiner
oder gleich 1000 ppm, vorzugsweise von kleiner oder gleich 100 ppm,
eingestellt wird. In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass
der Reaktorbehälter
mit einer Absaugeinrichtung verbunden ist, über die eine Absaugung der
Gasatmosphäre
aus dem Reaktorbehälter
erfolgt. Dadurch lässt
sich eine Emission von Schwefelwasserstoff in die Umgebung verhindern
und eine definierte Gaszusammensetzung im Reaktorbehälter einstellen.
In diesem Zusammenhang versteht es sich, dass der Reaktorbehälter entsprechend
gasdicht ausgebildet sein kann, um ein Entweichen von Schwefelwasserstoff
in die Umgebung zu verhindern. Grundsätzlich kann der Reaktorbehälter auch
nach oben hin offen ausgebildet sein, was es erforderlich machen
kann, dass die offene Seite des Reaktorbehälters von einer Absaughaube
der Absaugeinrichtung überkragt
wird, um den Übertritt
von Schwefelwasserstoff-Emissionen in die Umgebung zu verhindern.
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Der
Reaktorbehälter
wird zur Ausbildung einer Flüssigphase
mit einer wässrigen
Lösung
befüllt, bis
eine vorgegebene Füllhöhe erreicht
ist. Diese Lösung
wird anschließend
auf eine vorgegebene Temperatur von ca. 10 bis 40°C, insbesondere
ca. 35°C, erwärmt, um
ein feuchtwarmes Klima im Reaktorbehälter zu erzeugen, was für das Wachstum
der Mikroorganismen von Vorteil ist. Dabei kommt es im Inneren des
Reaktorbehälters
zur Abscheidung von Kondenswasser an der Oberfläche der Prüfkörper, was die Bildung eines
Biofilms auf den Prüfkörpern begünstigt.
In diesem Zusammenhang ist zu berücksichtigen, dass ständig trocken
bleibende Bereiche an der Oberfläche
von Bauteilen keine Korrosionserscheinungen zeigen, die auf die
biogene Schwefelsäurekorrosion
zurückzuführen sind.
Zur Befeuchtung kann der Prüfkörper auch
mehrfach mit der wässrigen
Lösung
besprüht
bzw. benetzt werden.
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Um
die wässrige
Lösung
auf ein vorgegebenes Temperaturniveau zu bringen bzw. auf diesem Niveau
zu halten, kann eine Temperatur-Regeleinrichtung vorgesehen sein.
Diese kann wenigstens einen Wärmeüberträger, wenigstens
eine Pumpe und eine Steuer- und Regeleinrichtung aufweisen. Die Tempera tur-Reglereinrichtung
ist derart ausgebildet, dass sich die Temperatur der wässrigen
Lösung
auf ca. 35°C
einstellen und halten lässt.
Als Wärmeüberträger ist
ein indirekter Wärmeüberträger vorgesehen,
der wie auch die Pumpe und die Steuer- und Regeleinrichtung außerhalb
des Reaktorbehälters
angeordnet sein kann. Grundsätzlich
ist es auch möglich,
dass die Temperierung der wässrigen
Lösung mittels
einer im Inneren des Reaktorbehälters
angeordneten Heiz- bzw. Kühlschlange
durchgeführt
wird.
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Vorzugsweise
wird die wässrige
Lösung durch
Umpumpen im Kreislauf durch einen ersten Leitungsabschnitt aus dem
Reaktorbehälter
zur Temperatur-Regeleinrichtung und durch einen zweiten Leitungsabschnitt
von der Temperatur-Regeleinrichtung zum Reaktorbehälter zurückgeführt. Der
erste Leitungsabschnitt und der zweite Leitungsabschnitt können durch
eine Bypassleitung miteinander verbindbar sein, um den Temperaturregelkreislauf
für die
wässrige
Lösung
zu unterbrechen. Dies ermöglicht
es, die Temperatur-Regeleinrichtung,
ohne in Kontakt mit der wässrigen
Lösung
aus dem Reaktorbehälter
zu stehen, zu sterilisieren und einen ungewollten Biofilmaufbau
in der Temperatur-Regeleinrichtung zu verhindern.
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Die
wässrige
Lösung
wird nach dem Erwärmen
mit einer Nährlösung vermischt
und anschließend
mit den Mikroorganismen beimpft. Es versteht sich, dass das Beimpfen
und Vermischen mit einer Nährlösung auch
außerhalb
des Bioreaktors erfolgen kann. Als Mikroorganismen-Inokulum kann
bei der Untersuchung der biogenen Schwefelsäurekorrosion beispielsweise
eine Bakterienkultur eingesetzt werden, die in Luftreinigungsanlagen
zur Schwefelreduktion eingesetzt wird. Zum Animpfen der Mikroorganismen
kann der Prüfkörper mit
der die Mikroorganismen aufweisenden wässrigen Lösung besprüht werden, was ein- oder mehrfach,
kontinuierlich oder in bestimmten Zeitintervallen erfolgen kann.
Um die Bildung eines Biofilms zu beschleunigen, kann der Prüfkörper beispielsweise
in einem Abstand von vierundzwanzig Stunden zumindest einmal mit
der wässrigen
Lösung
besprüht
werden.
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Um
die Umgebungsbedingungen von Leitungsbauteilen im Einsatzzustand
in einem Rohleitungs- oder Kanalsystem möglichst realitätsnah wiederzugeben,
kann vorgesehen sein, dass der Prüfkörper derart im Reaktorbehälter angeordnet
wird, dass ein Teil der Oberfläche
des Prüfkörpers in
die flüssige
Phase eintaucht. Ein Teil der Oberfläche des Prüfkörpers ist dann unterhalb des
Flüssigkeitsspiegels
der in den Reaktorbehälter
eingefüllten
wässrigen
Lösung
und ein anderer Teil seiner Oberfläche im Gasraum oberhalb des
Flüssigkeitsspiegels
angeordnet. Die Freisetzung des Schwefelwasserstoff-Gasstroms kann
dann im Bereich unterhalb des Flüssigkeitsspiegels
in der Flüssigphase
vorgesehen sein, beispielsweise mittels einer Gasleitung, deren Austrittsöffnung unterhalb
des Flüssigkeitsspiegels angeordnet
ist. Dies ermöglicht
es beispielsweise, den im Gasraum angeordneten Teil der Oberfläche des
Prüfkörpers zumindest
teilweise durch Gasdruckstöße aus der
wässrigen
Lösung
heraus zu besprühen.
Der Einfachheit halber kann vorgesehen sein, dass der Gasdruckstoß durch
Zufuhr eines Schwefelwasserstoff-Gasstroms in die wässrige Lösung mittels
der Gasleitung bewirkt wird. Vorrichtungsgemäß weist der Bioreaktor dementsprechend eine
Einrichtung zur Erzeugung eines Druckstoßes zum Besprühen des
Prüfkörpers und,
vorzugsweise, eine Zeitschalteinrichtung auf, die es zulässt, eine Besprühung des
Prüfkörpers kontinuierlich
oder in frei bestimmbaren Intervallen durchzuführen. Es versteht sich, dass
der Prüfkörper auch
direkt mittels einer Sprüheinrichtung
zielgerichtet auf die Oberfläche des
Prüfkörpers besprüht werden
kann.
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Der
pH-Wert der wässrigen
Lösung
kann auf einen Wert von 0,5 bis 4,0, insbesondere auf einen Wert
von 1,0 bis 2,0, eingestellt werden, um gute Wachstumsbedingungen
für die
Mikroorganismen zu gewährleisten.
Um die Wachstumsbedingungen gezielt einstellen zu können, kann
der Bioreaktor wenigstens eine Messeinrichtung zur Messung der Schwefelwasserstoff-Konzentration im
Gasraum des Reaktorbehälters
und/oder der Temperatur und/oder des Füllstandes der wässrigen
Lösung
und/oder des pH-Wertes der wässrigen
Lösung
aufweisen. Im übrigen
kann eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung zur Steuerung und Regelung
der Schwefelwasserstoffkonzentration im Gasraum des Reaktorbehälters und/oder
des Füllstandes
der wässrigen
Lösung und/oder
des pH-Wertes der wässrigen
Lösung
vorgesehen sein.
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Alle
Bauteile des Bioreaktors, die im direkten Kontakt mit der wässrigen
Lösung
stehen, mit Ausnahme der Prüfkörper, können vorzugsweise
aus einem gegenüber
der biogenen Schwefelsäurekorrosion
beständigen
Material bestehen, insbesondere aus PVC.
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Im
einzelnen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, dass erfindungsgemäße Verfahren
und den erfindungsgemäßen Bioreaktor
auszugestalten und weiterzubilden, wobei einerseits auf die abhängigen Patentansprüche und
andererseits auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung eines
bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung verwiesen wird.
Im übrigen lässt sich
das erfindungsgemäße Verfahren
und der beschriebene Bioreaktor auch zur Erzeugung von anderen Arten
von Biofilmen einsetzen, die von Bakterien erzeugt werden, die nicht
an der Bildung biogener Schwefelsäure beteiligt sind.
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In
der einzigen Figur ist schematisch ein Bioreaktor 1 zur
Erzeugung eines die biogene Schwefelsäurekorrosion bewirkenden Biofilms 2 auf
der Oberfläche
von zwei in einem Reaktorbehälter 3 des
Bioreaktors 1 angeordneten Prüfkörpern 4 dargestellt. Bei
den Prüfkörpern 4 handelt
es sich um gekrümmte Rohre
mit einem vertikal angeordneten Rohrabschnitt 5 und einem
horizontal verlaufenden Rohrabschnitt 6.
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Der
Reaktorbehälter 3 ist
bis zum Erreichen einer vorgegebenen Füllhöhe H mit einer wässrigen Lösung 7 befüllt, die
mit einer Nährlösung versetzt
ist und Mikroorganismen der Gattung Thiobacillus und ggf. weitere
Mikroorganismen aufweist, die durch Beimpfen in die wässrigen
Lösung 7 eingebracht werden.
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Die
wässrige
Lösung 7 wird
in einer Temperatur-Regeleinrichtung 8 auf einem konstanten
Temperaturniveau von ca. 35°C
gehalten. Die Temperatur-Regeleinrichtung
weist eine Pumpe 9, einen Wärmeüberträger 10 und eine Steuer-
und Regeleinrichtung 11 auf. Die Temperatur-Regeleinrichtung 8 ist außerhalb
von dem Reaktorbehälter 3 angeordnet und über einen
ersten Leitungsabschnitt 12 und einen zweiten Leitungsabschnitt 13 mit
dem Reaktorbehälter 3 verbunden.
Die wässrige
Lösung 7 wird
in einem Temperatur-Regelkreislauf
aus dem Reaktorbehälter 3 und
dem ersten Leitungsabschnitt 12 zu der Temperatur-Regeleinrichtung 8 und
von dieser über
den zweiten Leitungsabschnitt 13 zurück in den Reaktorbehälter 3 gepumpt.
Hierzu ist die Pumpe 9 vorgesehen. Während des Kreislaufs wird die
wässrige
Lösung 7 an
dem Wärmeüberträger 10 vorbei geführt und
kann so auf eine gewünschte
Temperatur erwärmt
bzw. abgekühlt
werden. Nicht dargestellt ist, dass im In neren des Reaktorbehälters 3 eine
Heiz- oder Kühlschlange
vorgesehen sein kann, um die wässrige
Lösung 7 zu
erwärmen
bzw. abzukühlen.
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Der
Temperatur-Regelkreislauf ist vorzugsweise so ausgebildet, dass
die Temperatur-Regeleinrichtung 8 durch eine nicht dargestellte
Bypassleitung vom Reaktorbehälter 3 abgekoppelt
werden kann. Die Bypassleitung ermöglicht es, den ersten Leitungsabschnitt 12 und
den zweiten Leitungsabschnitt 13 unmittelbar miteinander
zu verbinden und damit die Temperatur-Regeleinrichtung 8 vom
Temperatur-Regelkreislauf abzukoppeln. Auf diese Art ist es möglich, die
Temperatur-Regeleinrichtung 8 zu sterilisieren, ohne dass
ein Fluidaustausch mit der wässrigen
Lösung 7 aus
dem Reaktorbehälter 3 möglich ist.
Ein ungewollter Aufbau eines Biofilms in der Temperatur-Regeleinrichtung 8 lässt sich
somit ausschließen.
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Im übrigen ist
es so, dass möglichst
alle im direkten Kontakt mit der wässrigen Lösung 7 stehenden Reaktorteile
des Bioreaktors 1 aus einem gegenüber der biogenen Schwefelsäurekorrosion
beständigen
Material bestehen, beispielsweise aus PVC.
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Um
die Beständigkeit
der Materialien, aus denen die Prüfkörper 4 bestehen, gegenüber der
biogenen Schwefelsäurekorrosion
möglichst
praxisnah und bei kurzen Prüfzeiten
untersuchen zu können, weist
der Bioreaktor 1 eine Gasversorgungseinrichtung 14 zur
Freisetzung eines Schwefelwasserstoff-Gasstroms 15 im Inneren
des Reaktorbehälters 3 auf,
was zur Erzeugung einer schwefelwasserstoffhaltigen Gasatmosphäre im Umgebungsbereich
der Prüfkörper 4 führt. Dadurch
lässt sich
der biogene Schwefelsäureangriff
auf Leitungsbauteile von Rohrleitungs- und Abwassersystemen zeitsparend
und reproduzierbar nachstellen, wobei der im Reaktorbehälter 3 freigesetzte
Schwefelwasserstoff an der Oberfläche der Prüfkörper 4 zu elementaren
Schwefel aufoxidiert wird und der elementare Schwefel dann das Substrat
für die
in dem sich bildenden Biofilm 2 lebenden Mikroorganismen
darstellt.
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In
dem Reaktorbehälter 3 sind
Träger 16 vorgesehen,
die zum Einsetzen der Prüfkörper 4 in
den Reaktorbehälter 3 ausgebildet
sind und Aufnahmebereiche des Reaktorbehälters 3 darstellen.
Die Prüfkörper 4 weisen
einen technischen Maßstab
auf, wobei als Prüfkörper 4 letztlich
Leitungskomponenten oder sonstige zu prüfende Bauteile von Rohrleitungs- und
Abwassersystemen in der Originalgröße aufgenommen werden können. Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel
handelt es sich bei den Prüfkörpern 4 um
gekrümmte
Rohre, die derart in den Reaktorbehälter 3 eingesetzt
sind, dass der vertikal verlaufende Rohrabschnitt 5 des
jeweiligen Rohres in der wässrigen
Lösung 7 angeordnet
ist und dass der horizontal verlaufende Rohrabschnitt 6 des
jeweiligen Rohres teilweise in die wässrige Lösung 7 eintaucht,
so dass sich ein Freispiegel 17 in dem horizontal verlaufenden
Rohrabschnitt 6 bildet. Der Freispiegel 17 verläuft in Höhe der Mittellängsachse
des jeweils horizontal verlaufenden Rohrabschnitts 6, wobei
der horizontale Rohrabschnitt 6 gegenüber dem Freispiegel 17 leicht
aufsteigend angeordnet ist, um ein Ablaufen von Spritzwasser an
der inneren Rohrwandung zu ermöglichen.
Der obere Teil des jeweiligen horizontalen Rohrabschnitts 6 ragt
oberhalb des Freispiegels 17 in einen oberhalb der wässrigen
Lösung 7 gebildeten Gasraum 18.
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Die
Gasversorgungseinrichtung 14 weist eine gegabelte Gasleitung 19 auf,
um den Schwefelwasserstoff-Gasstrom 15 mit einem Verdichter 20 zu den
Prüfkörpern 4 zu
leiten. Der Schwefelwasserstoff-Gasstrom 15 weist eine
bekannte Schwefelwasserstoffkonzentration auf und kann einem mit
Schwefelwasserstoff gefüllten
nicht dargestellten Gasdruckbehälter
entnommen werden, was ggf. den Einsatz des Verdichters 20 entbehrlich
macht. Grundsätzlich kann
der Schwefelwasserstoff jedoch auch durch eine chemische Reaktion
erzeugt werden, vorzugsweise außerhalb
des Reaktorbehälters 3 in
einem separaten Reaktionsbehälter,
insbesondere durch die Umsetzung von Natriumsulfid mit Schwefelsäure zu Schwefelwasserstoff
und Natriumsulfat.
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Zwei
Gasleitungsabschnitte 21 der Gasleitung 19 weisen
an ihrem Ende jeweils eine Austrittsöffnung 22 auf, die
innerhalb des vertikalen Rohrabschnitts 5 des jeweiligen
Prüfkörpers 4 unterhalb
des Freispiegels 17 angeordnet ist. Der Schwefelwasserstoff-Gasstrom 15 wird
im Ergebnis in die wässrige Lösung 7 eingebracht,
steigt in der wässrigen
Lösung auf
und sammelt sich im horizontalen Rohrabschnitt 6, wobei
im Inneren des horizontalen Rohrabschnitts 6 im Bereich
der oberen Rohrwand eine Schwefelwasserstoffkonzentration von kleiner
oder gleich 100 ppm erreicht wird.
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Grundsätzlich ist
es aber auch möglich,
dass der Schwefelwasserstoff-Gasstrom 15 oberhalb
des Freispiegels 17 in den Reaktorbehälter 3 eingeleitet wird.
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Um
die Prüfkörper 4 im
Gasraum 18 mit der die Mikroorganismen aufweisenden wässrigen
Lösung 7 zu
benetzen und so den Biofilmaufbau auf der Oberfläche der Prüfkörper 4 zu initiieren,
ist eine Druckstoß-Versprühung mittels
der Gasleitung 19 vorgesehen. Dabei wird der Schwefelwasserstoff-Gasstrom 15 mit
einem Druckstoß derart
aus den Austrittsöffnungen 22 ausgestoßen, dass
ein Teil der wässrigen
Lösung 7 als
Spritzwasser an die oberhalb des Freispiegels 17 angeordnete
Innenwandung des horizontalen Rohrabschnitts 6 des jeweiligen Prüfkörpers 4 gelangt
und dort zum Aufbau des Biofilms 2 führt. Über eine nicht dargestellte
Zeitschalteinrichtung kann die Druckstoß-Versprühung kontinuierlich oder in
frei bestimmbaren Zeitintervallen durchgeführt werden. Nicht dargestellt
ist, dass es grundsätzlich
auch möglich
ist, die Oberfläche
der Prüfkörper 4 im
Gasraum mit der wässrigen
Lösung 7 direkt
zu besprühen.
Hierzu kann eine entsprechend ausgebildete nicht dargestellte Sprüheinrichtung
vorgesehen sein. Hier ist ebenfalls ein Besprühen mittels Gasdruckstößen möglich.
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Im übrigen ist
eine Absaugeinrichtung 23 schematisch dargestellt, die
dazu vorgesehen ist, den Übertritt
von Schwefelwasserstoff aus dem Reaktorbehälter 3 in die Umgebung
zu verhindern. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Reaktorbehälter 3 auf
seiner Oberseite zur Umgebung hin offen ausgebildet ist.
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Während des
Betriebs des Bioreaktors werden die Schwefelwasserstoffkonzentration
im Reaktorbehälter 3,
die Temperatur und der pH-Wert der wässrigen Lösung 7 und ggf. der
Füllstand
der wässrigen
Lösung 7 mittels
einer entsprechenden Messeinrichtung gemessen und dokumentiert.
Darüber
hinaus kann eine nicht dargestellte Steuer- und/oder Regeleinrichtung
zur Steuerung und Regelung der vorgenannten Prozessparameter vorgesehen
sein. Im Ergebnis ermöglicht
es der beschriebene Bioreaktor 1, innerhalb einer kurzen
Zeitdauer einen Biofilm 2 auf der Oberfläche eines
Prüfkörpers 4 zu
erzeugen, wobei, vorzugsweise, eine Temperatur der wässrigen
Lösung 7 von
ca. 35°C,
eine Schwefelwasserstoffkonzentration im Gasraum 18 von
kleiner oder gleich 100 ppm und ein pH-Wert der wässrigen Lösung 7 von
1,8 bis 2 eingestellt wird. Die Druckstoß-Versprühung der wässrigen Lösung 7 sollte mehrmals
pro Tag erfolgen, um zum einen die Oberfläche des Prüfkörpers 4 mit den Mikroorganismen
in regelmäßigen Abständen zu
beimpfen und zum anderen eine ausreichende Befeuchtung der Oberfläche des
Prüfkörpers 4 sicherzustellen.
Bereits nach wenigen Tagen zeigt sich an den Oberflächen der Prüfkörper 4,
bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
an der oberhalb des Freispiegels 17 angeordneten Innenwand
des horizontalen Rohrabschnitts 6 des jeweiligen Prüfkörpers 4,
eine charakteristische gelb-weiße
Färbung
der Oberflächen,
die auf eine Schwefelablagerung zurückzuführen ist. Ein Biofilm bildet
sich nach ca. vier Wochen Versuchsbetrieb, wobei der entstandene
Biofilm auf nicht beständigen Oberflächen der
Prüfkörper 4 bereits
nach ca. sechs Wochen Versuchsbetrieb zu einer signifikanten Korrosion
der Prüfkörper 4 führt.