DE1906588A1

DE1906588A1 - Verfahren zur Steuerung des Wachstums von Kulturen von Mikroorganismen,insbesondere zur biologischen Behandlung bzw. Aufbereitung von Abwaessern

Info

Publication number: DE1906588A1
Application number: DE19691906588
Authority: DE
Inventors: Paul Brouzes
Original assignee: OMNIUM ASSAINISSEMENT
Current assignee: OMNIUM ASSAINISSEMENT
Priority date: 1968-02-16
Filing date: 1969-02-11
Publication date: 1969-09-18
Also published as: AT296903B; FR1567182A; GB1263753A; NL6902261A; ES363489A1; CH557877A; CA934486A; BE727525A

Description

Verfahren zur Steuerung des Wachstums von Kulturen von Mikroorganismen, insbesondere zur biologischen Behandlung bzw. Aufbereitung von Abwässern ·

Die zahlreichen angestellten Untersuchungen und Theorien in bezug auf das Wachstum der Kulturen von Mikroorganismen sind bisher noch kaum zugunsten von Aufbereitungsanlagen ausgewertet worden. Der Hauptgrund dafür liegt darin, dass es bisrher unmöglich war, die in die Aufbereitungsanlagen einströmenden Verunreinigungen unverzüglich und unmittelbar entsprechend zu kontrollieren. Die Bestimmung des biochemischen Sauerstoffbedarfes erforderte nämlich eine Inkubationsdauer von mehreren Tagen und diejenige des chemischen Sauerstoffbedarfes eine Oxydationsdauer von mehreren Stunden und so kam es zwangsläufig zu einer zeitlichen Verschiebung zwischen dem Zeitpunkt der Entnahme einer verunreinigten Probe und demjenigen Zeitpunkt, zu dem das Ergebnis der Analyse bekannt wurde.

Da QS somit unmöglich ist, sich, über den tatsächlichen Bedarf an Mikroorganismen und an Sauerstoff zum gleichen Zeit-

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punkt Kenntnis zu beschaffen, zu dem der Yerunreinigungszugang erfolgt, müssen derartige Anlagen häufig mehr oder weniger ausschliesslich auf empirischer·Basis arbeiten und die 3 s»· weils zu treffenden Steuervorgänge bleiben im allgemeinen der Initiative des einzelnen Dienststellenleiters überlassen. So ist insbesondere die Dichte der gezüchteten Kulturen meistens über massig hoch und die Schlammentnahmen werden in periodischen Zeitabständen derart gesteuert, dass die Konzentration dieser Schlammsubstanzen auf einen mehr oder weniger empirischen Wert begrenzt wird. .

Als unerwünschte Polge hieraus ergibt sich die unkontrollierte Veränderung im Wachstum der Kultur, was zu schwerwiegenden Veränderungen und TJmkehrungen im Gleichgewicht der Bakterienpopülationen führen kann.

Um die für einen möglichst vollständigen Stoffwechsel des Substrats günstigen Bedingungen möglichst aufrechtzuerhalten ist es jedoch von wesentlicher Bedeutung, dass in bezug auf die Aktivität der meisten Stämme das Gleichgewicht erhalten bleibt. -,";

Nach der Erfindung müssen, um zu diesem Ergebnis zu gelangen, die unmittelbare Wachstumsrate der Kultur begrenzt und Veränderungen dieser Wachstumsrate möglichst weitgehend vermieden werden, um diese Rate im wesentlichen auf einem bestimmten Sollwert zu halten. V

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Wenn diese Voraussetzung erfüllt ist, ist die verfügbare Hahrstoff menge stets in etwa proportional zur Menge der aktiven Zellgewebe und infolgedessen können die Bakterienpopulationen leben ohne sich zahlenmässig zu vermehren bzw. sich in ihrer Zahl übermässig zu verringern und sie verbrauchen somit das Substrat unter den bestmöglichen Bedingungen, wobei ihre Zusammensetzung und ihre Verteilung konstant und im Gleichgewicht befindlich bleibt.

Um eine genaue und unverzügliche Kenntnis von der unmittelbaren Wachstumsrate zu erlangen, werden nach der Erfindung die Veränderungen im Atmungsstoffwechsel genau zu demjenigen Zeitpunkt analysiert, zu dem sie vor sich gehen. Der Atmungsstpffwechsel lässt sich nämlich an Hand der Kohlensäureerzeugung, der Behydrierungsaktivität oder auch an Hand des Sauerstoff Verbrauches feststellen.

Zum besseren Verständnis der Erfindung und auch aus Gründen der Einfachheit und Genauigkeit sei dieselbe an Hand des Ausführungsbeispieles von spezifischen Messungen für eine besondere Ausführungsform erläutert, bei welcher die auftretenden Phänomene an Hand der Ermittlung des Säuerstoff Verbrauches analysiert werden. '

In diesem Zusammenhang sei nochmals darauf verwiesen, dass die Messungen des biochemischen Sauerstoffbedarfes erst nach Ablauf einiger Tage bekannt und auswertbar sind. Unter diesen Be-

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dingungen lassen sie sich im Rahmen der Erfindung nicht werten, da in diesem Zusammenhäng die Notwendigkeit besteht, die gewünschten Angaben unmittelbar oder doch zumindest Tast unmittelbar ableiten zu können., · :

Im Zusammenhang mit der Erfindung wurde jedoch experimenteil festgestellt, dass die unmittelbare Wachstumsrate einer Kultur mit der unmittelbaren Veränderungsrate im Sauerstqffverbrauch derselben zusammenhängt, was auch durch die nach-. W stehende Relation verdeutlicht wird: , ·

dO'

^e O'dt

Dabei ist: ' · .

K, Die tatsächliche Wachstumsrate der Kultur; ." -

K_d die Dekdnzentrationsrate der in der Kultur suspendierten Substanzen, die gleich dem Verhältnis des Gewichtes der extrahierten oder mit dem Abfluss verlorengegangenen... Substanzen zum Gewicht der erhalten, bleibenden Substanzen ist; und _ ■ . ... "'";."-;_λ; ^:

0' das Gewicht des pro Zeiteinheit biologisch verbrauchten Sauerstoffs. . ^: . ., , _ ,

Daraus folgt, dass dO' die unmittelbare Veränderungsrate des

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in der Kultur verbrauchten Sauerstoffes wiedergibt.

Mit anderen Worten besteht das Verfahren darin, dass laufend die Veränderungstendenz in der Veränderungsrate des Sauerstoffverbrauches ermittelt und daraus entsprechend unmittelbare Veränderungen in der Wachstumsrate abgeleitet werden und dass entsprechend die Dekonzentrationsrate (durch Abzug mehr oder weniger grosser Mengen an Substanzen oder gegebenenfalls auch durch zusätzliche Zugabe von in Reserve gehaltenen Mikroorganismen) derart beeinflusst wird, dass damit die unmittelbare Wachstumsrate entsprechend korrigiert und auf diese Weise im wesentlichen konstant gehalten wird.

Dies bedeutet also, dass laufend eine Unterrichtung über die . verbrauchte Sauerstoffmenge erzielt werden muss, damit daraus beispielsweise unter Zuhilfenahme einer Rechenvorrichtung die unmittelbare Veränderungsrate abgeleitet werden kann; diese ^: .

dO^f letztere wird dabei unter Zugrundelegung der Formel

0« dt ermittelt. Dieser unmittelbare Sauerstoffverbrauch lässt sich unter Zuhilfenahme verschiedener Mittel feststellen,, von denen einige nachstehend genannt seien:

a) Es kann beispielsweise ein automatisch arbeitendes Atemmessgerät verwendet werden, das den Belüftungsbehältern kontinuierlich Proben von aktivierten Schlammassen entnimmt. Dadurch wird auf elektrometrischem Wege unmittelbar der

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unmittelbare Sauerstoffverbrauch festgestellt und diese Angabe lässt sich dann ohne weiteres gegebenenfalls auch auf automatischem Wege in der Weise weiterverarbeiten, dass daraus die unmittelbare Veränderungsrate abgeleitet werden kann. ■ " " ' *■ '

b) Dieser Verbrauch lässt sich auch aus der zur Wirkung gelangenden Oxydationskapazität (K.C V) und aus dem Gehalt : an gelöstem Sauerstoff C, ableiten. Diese verschiedenen . Parameter lassen sich durch folgende Gleichung in Beziehung zueinander bringen;

( dCd

0« = (K (C - C_d) -

( ^{s α} dt

K Der Gesamtüberträgungswert der Sauerstoffmenge im Zuge der Belüftung; -

C_ die Sättigungskonzentration an gelöstem Sauerstoff;

C_d die tatsächliche Konzentration an gelöstem Sauerstoff; und · - ' : ■ - U;:

V das Volumen des Belüftungsbehälters (zu dem gegebenen- '-' falls noch ein entsprechender Betrag hinzugerechriet werden muss, um einen !feil des Volumens des Sekuridärdekantiergefässes mit zu. berücksichtigea).

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Im Hinblick darauf, dass K (das der Regelsteuerung der Oxidationsvorrichtung entsprechend gegeben ist), C-.und V bekannt sind, braucht nur noch laufend - vorzugsweise auf elektrometrischem Wege - die Konzentration an gelöstem Sauerstoff C-, unter Zuhilfenahme von bekannten Mitteln festgestellt und diese unverzüglich erhaltene Angabe dann unter Zuhilfenahme der. Rechenvorrichtung entsprechend weiterverarbeitet werden, um somit eine Anzeige über die verbrauchte Sauerstoffmenge und deren unmittelbare ■Veränderungsrate zu erlangen.

c) Wenn die Erzeugung von Luft mit einer Konzentration an gelöstem Sauerstoff in Verbindung gesetzt wird,, so lässt sich die Menge an verbrauchtem Wasserstoff unmittelbar vom Luftdurchsatz ableiten. Der Proportionalitätskoeffizient ist dabei im wesentlichen konstant und er lässt sich von Zeit zu Zeit mit einem Atmungsmessgerät entsprechend nachprüfen.

Wie aus den vorstehenden Ausführungen deutlich wird, steht somit zu jedem beliebigen Zeitpunkt eine elektrische Information zur Verfügung, durch welche die unmittelbaren Veränderungsraten derjenigen Sauerstoffmenge angegeben werden, die von der. Kultur verbraucht, werden. ,^ .

Wenn derartige Informationen kontinuierlich geliefert werden, so ist es möglich die Wachstumsrate entsprechend einzuregeln.

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Um die unmittelbare Wachstumsrate Kentsprechend einem vprgegebenen Sollwert aufrechtzuerhalten, besteht das erfindungsgemässe Verfahren darin, dass jeweils entweder mehr oder weniger Substanzen abgesogen oder aber gegebenenfalls, solche zugegeben werden., je nachdem ob sich die Veränderungsrate der verbrauchten Sauerstoffmenge, vermindert oder zunimmt. Die Änderungen hinsichtlich der Menge der abzuziehenden. Sub- ,-■-stanzen wird dabei zur Erzielung einer gleichbleibenden.-.-,..·. " Wachstumsrate durch, folgende &leichung wiedergegebeni. ,· ._--,;■..

dO'

o'dt- '■" ' ' ■'■"■' "''" ^: ^J ■' ■■ ". ;■■·' ■"■■

Dabei ist*,.. ; . . _: -.'. _: . .

K, ^- Die tatsächliche Dekonzentratipnsratei wie.sie zu einem gegebenen Zeitpunkt sein muss; und ...,„. . ...

K-, die mittlere Dekonzentrationsrate, die für den EaIl, indem eine vollkommene. Regelung erzielt ist,_gleich der _: Sqllwachstumsrate ist. . ,.. . ....... -".". ... ....

Dies bedeutet also, dass die vorerwähnten, elektrischen,, Informationen, welche eine Übersetzung der unmittelbaren Veränderungsrate der verbrauchten. Sauerstoff menge darstellen, dazu verwendet werden,. um_fdie yoxrXclrt^ngen zum Ab.zug-bzw.,. · zur Zugabe entsprechender Substanzen, derart.. zu steuern^; dft.as die vorstehend angegebene .Relationsgleichungvisu,- jedem.ibe^-,_t,,,. liebigen. Zeitpunkt erfüllt ist.. ^s wird, diamJ,*., dann eine wandfreie Steuerung der Wachstumsrate.erreicht, die somit

stets gleich dem. Sollwert

Wenn Sien die eine "Reinigung bzw. Aufbereitung bewirkenden Mikroorganismen derart zusammenballen, dass sie dekantierbare blocken bilden, kann eine entsprechende Modifikation der Diente einer solchem Kultur durch Abzug eines bestimmten Seiles der Sehlainaassen erzielt werden, der vom Boden des Dekantiergefässes abgezogen wird· Bei diesem Teil erfolgt dann die Kontrolle in der vorstehend beschriebenen Weise.

Wenn sich die Mikroorganismen in der dispergierten Phase zahlenmässig vermehren, ist eine Bekantierung nur wenig wirksam und es muss dann eine ELltrierung durch entsprechende Eiltermembranen vorgenommen werden, um beispielsweise diejenigen Mikroorganismen wiederzugewinnen, die wieder in den Kreislauf zurückgeführt werden sollen. Eine Modifikation der Dichte einer solchen Kultur wird dadurch erreicht,, dass bei einer Kontrolle der "vorstehend beschriebenen Art eine eine entsprechende Konzentration, an solchen Mikroorganismen aufweisende flüssigkeit wieder in die Anlage eingegeben wird.

Eine Steuerung der Wachstumsrate durch Extraktion von Schlammassen ist mir innerhalb bestimmter Grenzen einwandfrei möglich, d.h, nämlich dann: . wenn die maximale positive Wachstumsrate der ausgeschiedenen Verunreinigungen Cdi© in erster SSbaxong 3m wesentlichen gleich

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- ίο - .

derjenigen der hereinkommenden Verunreinigungen ist) geringer oder gleich der Wachstumsrate K der Kultur ist; und

wenn die maximale Verminderungsrate der ausgeschiedenen "

Verunreinigungen (die im wesentlichen gleich derjenigen der hereinkommenden Verunreinigungen ist) niedriger oder gleich ; der Differenz zwischen der Wachstumsrate der Kul%ur und der maximalen Dekonzentrationsrate der in dieser Kultur in Suspension befindlichen Substanzen ist*

Auch ausserhalb dieser Grenzen ist eine solche Steuerung der Extraktion von Schlammassen in der vorstehend beschriebenen Weise noch immer sinnvoll, da hierdurch nämlich die Veränderungen in der Wachstumsrate im Vergleich zu denjenigen Veränderungen, wie sie bei den bisher bekannten Anlagen ohne eine solche Steuerung auftraten, noch immer herabgesetzt werden. Ausserdem besteht auch die Möglichkeit einer Beeinflussung durch Zugabe von Mikroorganisraeiij die beispielsweise · einer Gefriertrocknung unterzogen wurden. !

Bas erfindungsgemässe Regelverfahren ist keinesfalls auf eine entsprechende Steuerung der Dichte einer Kultur beschränkt. So kann es beispielsweise auch zur entsprechenden Regelung der Zuführungssätze mit periodischer Ansammlung eines Teiles der durchzusetzenden Substanzen wzä mit Einlass derselben ausserhalb etwa auftretender - Uberlastxmgssseltenherangezogen werden.

' - 909838/1260 . - -■■■.. - . - '

¥enn nämlich die unmittelbare.Wachstumsrate K. konstant ist,

so ist die folgende G-leichung erfüllt!

dO' dB¹

O»dt B'dt

Dabei sind mit B¹ die ausgeschiedenen Verunreinigungen bezeichnet, die als biochemischer Sauerstoffbedarf ausgedrückt sind, was darauf hinausläuft, dass die. unmittelbare Veränderungsrate bei den ausgeschiedenen Verunreinigungen gleich der unmittelbaren Veränderungsrate in der verbrauchten Säuerst off menge ist.

Im Falle einer integralen Steuerung können die einströmenden Verunreinigungen B den ausgeschiedenen Verunreinigungen B¹ gleichgesetzt werden, da die Reduktionsrate in etwa bei 1 liegt und im wesentlichen konstant ist. Zur Steuerung der einströmenden Verunreinigungen muss somit.der Einlass der Verunreinigungen in den bzw, die Belüftungsbehälter jeweils im umgekehrten Verhältnis zum Sauerstoffverbrauch gesteuert werden und zu diesem Zweck können entsprechende Steuerungsmassnahmen in bezug auf den Durchsatz und/öder die Konzentration- der zu behandelnden Flüssigkeit in' diesen Behältern getroffen werden.. ' · "~- "~'"'

"Wie aus den vorstehenden Ausführungen deutlich wird, wird so-, mit unverzüglich eine kontinuierliche Kenntnis über die un-

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mittelbare Veränderungsrate in der Menge des verbrauchten . -j. Sauerstoffes erzielt. Bei einer gegebenenfalls vorgesehenen ... Peinregelung j mit deren Hilfe die Verunreinigungen ent·^ --^v'". sprechend kontrolliert werden sollen* besteht die Notwendig- >^; keit,über diese Verunreinigungen unverzüglich und·kontinuierblich entsprechende Angaben zu erlangen. Diese Angaben lassen -, sich jedoch in der Weise erzielen, dass ein Messverfahren angewandt wird, das im einzelnen in, einer von- der Anmelderin y·· ■ ■· *: gleichzeitig eingereichten Anmeldung beschrieben ..ist. ; v· ·?.<·:.... -.-'". ---■■-■ .....·■. -..-.'-■.-■, .:..:-.·.-■:-. ': :\. ■-_, \?.:.c^:- -'S Wenn sich die Verunreinigungen im:Lauf e· der Zeit nur= wenig>-. ^ ^;, verändern oder aber innerhalb zulässiger Grenzen bleibeii^'-:;,;:: so bezieht sich die Steuerung lediglich auf die Extraktion entsprechender Substanzen.

Schliesslich besteht auch noch, die Möglichkeit der Anwendung einer Zwischenlösung. Diese Zwischenlösung besteht darin, ) dass der Einlass an Verunreinigungen zu bestimmten Zeiten korrigiert und die Entwicklung der unmittelbaren Veränderungsrate der verbrauchten Sauerstoffmenge analysiert wird. Mit · Hilfe dieser aufeinanderfolgenden Korrekturen ist es möglich, die Veränderungsraten der Verunreinigungen innerhalb ganz bestimmter Grenzen zu halten, so wie dies vorstehend beschrieben ist, so dass eine integrale Steuerung erreicht wird.

Es ist wichtig festzustellen, dass das erfindungsgemässe

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Regelverfahren unmittelbare Datenangaben liefert, an Hand derer der Durchsatz an zugeführter Luft entsprechend geregelt und auf den tatsächlich gegebenen Bedarf eingestellt werden kann. Dies bedeutet, dass hinsichtlich des diesbezüglichen Energieverbrauches ganz, wesentliche Einsparungen erzielt werden können.

Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung beschränkt ist, da zahlreiche Modifikationen und Änderungen denkbar sind, ohne dass hierdurch der Rahmen der Erfindung überschritten wird. ν

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Claims

■ ■■- 14 - . .■ Patentansprüche ■ .

1) ^Verfahren zur Steuerung des Wachstumes von Kulturen von·. Mikroorganismen, das insbesondere für die biologische Reinigung und Aufbereitung von Abwässern anwendbar' ist und insbesondere darin besteht, dass derartige Flüssigkeiten in Kulturen eingeleitet werden, in denen sich eht<K sprechende Mikroorganismen entwickeln, dass diesen Kulturen dann Sauerstoff zugeführt und die überschüssigen Mikroorganismen abgezogen werden, dadurch gekennzeichnet,. dass für jeden beliebigen Zeitpunkt die-Änderungsneigung ■ der unmittelbaren Wachsturnsrate der Kultur entsprechend einer Analyse der Veränderungen im Atmungsstoffwechsel ermittelt und dass die Dichte der Kultur derart modifiziert Wird, dass die dem Stoffwechsel entsprechende effektive Zuwachsrate im wesentlichen konstant bleibt.

*' 2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass . die unmittelbare Menge der iii die Kultur gelangenden Verunreinigungen in der Weise modifiziert wird, dass entweder die Konzentration und/oder der !Durchsatz der eingeleiteten '. . Flüssigkeit in der Weise. verändert wird, dass die effektive Zuwachsrate der Kultur im wesentlichen konstant bleibt.

3) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die. Analyse der Veränderungen des Atmungsstoffwechsels darin besteht, dass fortlaufend die unmittelbare Ver-

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änderungsrate der von der Kultur verbrauchten Sauerstoffmenge .ermittelt wird.

4) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Modifikation in der Dichte der Kultur durch Extraktion eines jeweils genau bestimmten Teiles der Schlammasse erreicht wird,

5) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Modifikation in der Dichte der Kultur in denjenigen Fällen, in denen sich die Mikroorganismen in der dispergierten Phase vermehren, dadurch erzielt wird, dass ein jeweils genau bestimmter Anteil desjenigen Flüssigkeit steiles wieder in den Kreislauf eingeführt wird, in dem die · Mikroorganismen konzentriert worden sind.

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