DE19726038A1

DE19726038A1 - Trägermaterial für mikrobiologische Prozesse, vorzugsweise zur Anwendung in der Abwasserbehandlung und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE19726038A1
Application number: DE1997126038
Authority: DE
Inventors: Reinhard Koch; Reinhard Prof Dr Paetz; Matthias Malok
Original assignee: ENTWICKLUNG VON UMWELTTECHNIK
Current assignee: ENTWICKLUNG VON UMWELTTECHNIK
Priority date: 1997-03-05
Filing date: 1997-06-19
Publication date: 1998-09-10

Description

Die Erfindung betrifft ein Trägermaterial für mikrobiologische Prozesse, welches hauptsächlich bei der Abwasserbehandlung eingesetzt werden soll. Die Anwendung des neuartigen Trägermaterials ist auch bei anderen biotechnologischen Verfahren möglich, z. B. bei der Schlammbehandlung, der Fermentationstechnik oder bei der weitergehenden Wasseraufbereitung. Weiterhin betrifft die Erfindung die Herstellung der Trägermaterialien.

Die Verwendung von Trägermaterialien bei der Wasser- und Abwasserbehandlung ist hinlänglich bekannt. Auf der Oberfläche oder in den Poren der Trägermaterialien sollen sich Mikroorganismen ansiedeln. Mit dieser Immobilisierung der Mikroorganismen wird die Bioschlammkonzentration in den jeweiligen Verfahrensstufen wesentlich erhöht.

Die Vorschläge zum Einsatz von Trägermaterialien berücksichtigen verschiedene Möglichkeiten, um den gewünschten Effekt zu erreichen, d. h. die Verbesserung der Reinigungsleistungen der entsprechenden Anlagen.

Es soll auf einige Möglichkeiten eingegangen werden, wie durch verwendete Materialien, Formgebung, Oberflächenstruktur, Herstellungsverfahren, Stoffzusätze und Dichte der Träger materialien auf die biotechnologischen Prozesse Einfluß genommen wird.

Die Vorschläge für die Verwendung des Grundmaterials sind sehr vielfältig. Kunststoffe im weitesten Sinne, auch recycelter Kunststoff, werden verwendet. In der DE 1 95 24 841 wird zum Beispiel auf recycelten Kunststoff eingegangen, welcher in Tropfkörpern zur Anwendung kommen kann. Hochporöser Silikon wird ebenfalls als Trägermaterial für spezielle Zwecke vorgeschlagen (MUSCAT, A. u. a. Cem-Ing.-Techn., Band 68 (1996) Heft 5 S. 584-6). Auch keramische Träger für Zellkulturen werden verwendet, soweit das für einen speziellen Verfahrensschritt erforderlich ist (KRAJEWSKI, A. et all J Materials Science-Materials in Medicine Band 7 (1996) Heft 2, S. 99-102). Bei der Formgebung gibt es viele Vorschläge, die den jeweiligen Einsatzbedingungen angepaßt sind. Es kann sich um Platten, Folien, Würfel oder auch um zylindrische Hohlkörper handeln. Die EP 06 85 432 A1 beinhaltet unter anderem den Vorschlag, zylindrische Hohlkörper einzusetzen. Bei der EP 0 685 432 A1 geht es nicht nur um die Form, um damit eine große Oberfläche zu erzielen. Es sollen im Inneren der Hohlkörper anaerobe oder anoxische und auf der äußeren Oberfläche aerobe Prozesse ablaufen.

Ein typisches Beispiel für eine große Oberfläche ist die Verwendung von offenzelligen Schaumstoffmaterialien auf Polyurethanbasis - es wird auf DE 31 37 062 verwiesen.

Bei den Herstellungsverfahren für die Trägermaterialien, z. B. thermisch schrumpfen, sintern wird auf eine große Oberfläche Wert gelegt. Die Dichte des Materials wird dem Verwendungszweck entsprechend eingestellt, die Struktur im Sinne des Aufprägens von Profilen (Rillen u. a.) festgelegt.

Die Mischung verschiedener Grundsubstanzen ist bekannt und weiterhin die Zugabe von organischen und anorganischen Materialien, siehe hierzu nochmals EP 06 85 432 A1. Ein polymeres Grundmaterial aus Polyolefinen wird geschmolzen, und als Treibmittel bei der Formgebung der Aufwuchskörper werden 0,1-2% Bicarbonate mit Zitronensäure und/oder Stärke und/oder Zucker und/oder Aktivkohle eingesetzt.

Wie die Analyse des Standes der Technik zeigt, erfüllen die bisher bekannten Aufwuchskörper in bezug auf ihren speziellen Einsatzzweck mehr oder weniger gut ihre Aufgabe. Die Verwendung der Trägermaterialien bei dem jeweiligen biotechnologischen Prozessen eröffnet seit Jahren die Möglichkeit, verbesserte Effekte in bezug auf Reinigungsleistung (Ablaufwerte, Kapazität), zeitlichen Ablaut, Bemessung der Anlagen zu erzielen.

Jedoch dürfen auch die Nachteile, die mit dem Einsatz der Trägermaterialien verbunden sind, nicht übersehen werde. Aufwuchskörper mit einer großen spezifischen Oberfläche haben zwangsläufig eine feinporige Struktur. Es kommt zum Verschluß der Poren, wenn der Bewuchs ein gewisses Maß überschreitet. Das bedeutet, daß die Oberfläche, die durch das entsprechende Herstellungsverfahren vorgegeben ist, in der gewünschten Größe nicht mehr zur Verfügung steht.

Eine Gewichtszunahme ist ein weiterer Nachteil, der mit dem Bewuchs der Trägermaterialien verbunden ist, denn daraus können sich Probleme ergeben, wenn bei ursprünglich schwimmfähigen Trägermaterial die Dichte so groß wird, daß es zu Absetzerscheinungen kommt. Die Funktions fähigkeit von Anlagen kann damit stark beeinflußt werden. Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß bestimmte Vorteile der Trägermaterialien bei der Anwendung, die durch das Herstellungsverfahren den Trägermaterialien aufgeprägt werden, entweder teilweise wirkungslos werden oder sich im gewissen Maße in das Gegenteil verkehren können.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein neuartiges Trägermaterial für mikrobiologische Prozesse vorzuschlagen, bei dem die spezifische Oberfläche durch den biologischen Prozeß selbst und durch die Formgebung festgelegt wird. In diesem Zusammenhang soll auch die Dichte der Träger materialien in gewissen Grenzen sich selbst dem biologischen Prozeß anpassen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe wie folgt gelöst, wobei hinsichtlich der grundlegenden erfinderischen Lösung auf Anspruch 1 verwiesen wird. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus den Patentansprüchen 2 bis 6. Das erfindungsgemäße Verfahren ergibt sich aus dem Patentanspruch 7.

Auf und vor allem im neuen Trägermaterial findet, bedingt durch das Trägermaterial an sich, ein biologischer Prozeß mit einer völlig neuen Wirkung statt. Das Trägermaterial besteht zu mehr als 50% aus Ethylenvinylacetat-Kunststoff, weiterhin aus ca. 10 bis 20% Stärkeacetat und Nährstoffen. Die Einlagerung der Nährstoffe ist jedoch nur durch das Vorhandensein von ca. 10 bis 20% Stärkeacetat möglich. Als biologischer Prozeß wird ein Vorgang bezeichnet, bei dem Mikroorganismen genutzt werden, um im Trägermaterial eingelagerte Nährstoffe zu verstoff wechseln und so biologisch Poren in das Material zu bringen. Damit wird die spezifische Oberfläche biologisch vergrößert.

Nach Verbrauch der eingebauten Nährstoffe können die Belebtschlammorganismen das Stärke acetat als Substrat verwenden, da dieses biologisch abbaubar ist. Auf diese Weise wird noch einmal das Porenvolumen vergrößert und damit eine stabile Besiedlung erreicht.

Ausgehend von einem Aufbau des Trägermaterials im Sinne von zylindrischen Hohlkörpern mit folgenden mittleren Abmessungen:
Außendurchmesser: 24 mm
Länge : 24 mm
Wandstärke : 2 mm
und Einsetzen eines Kreuzes in der Mitte zur Stabilisierung des Trägermaterials, kann die ursprüngliche Oberfläche von 300 m²/m³ während des biologischen Prozesses um 50% gesteigert werden.

Die biologisch erzeugten Poren wirken für Mikroorganismen als Siedlungsraum. Damit wird die Ansiedlung und die Funktionsfähigkeit der Belebtschlammikroorganismen erleichtert.

Die Eigenschaften des Trägermaterials werden in erster Linie durch die Verarbeitung des Ethylen vinylacetat (Dichte ca. 0,9) bestimmt (z. B. Einstellung der erforderlichen Dichte durch Schäumer).

Weiterhin wird dadurch und durch die Verwendung von Stärkeacetat eine poröse Oberfläche des Trägermaterials erreicht, was eine Beimpfung mit Mikroorganismen ermöglicht.

Im Gegensatz zu den bekannten Trägermaterialien, wo durch das Herstellungsverfahren die spezifische Oberfläche vorgegeben war und durch organische und/oder anorganische Zusätze zum Grundmaterial lediglich eine absorptive Wirkung erzielt wurde, wird jetzt die Oberflächenver größerung durch biologische Prozesse vorgenommen d. h. durch das Wirken von Mikroorga nismen oder Enzymen. Das bedeutet für den praktischen Einsatz:

- Wenn Mikroorganismen zur Schaffung der größeren Oberfläche als eine Komponente für die Anwendung vorgesehen sind, dann kann Oberflächenvergrößerung am Ort der Anwendung vorgenommen werden.
- Wenn in biotechnologischen Prozessen oder in der Abwasserbehandlung andere Mikroorganis men angesiedelt werden sollen, dann kann auch die Schaffung der größeren Oberfläche durch Einsatz von Enzymen erreicht werden.

Zusammenfassend sollen weitere Vorteile der Erfindung genannt werden.

Die Fixierung/Immobilisierung der Mikroorganismen erfolgt durch mikrobielle Tätigkeit selbst, indem die Mikroorganismen die verwertbaren Inhaltsstoffe als Substrat zum Leben/Wachsen benutzen. Die durch die Formgebung geschaffene besiedelbare Oberfläche wird auf biologischem Weg vergrößert, indem die Mikroorganismen verwertbare Inhaltsstoffe verstoffwechseln, und so zusätzliche Räume und zusätzliche Oberfläche schaffen.

Die nicht verwertete Substanz besitzt so viel Stabilität, daß nach Verbrauch der verwertbaren Inhaltsstoffe unter mechanischer Beanspruchung die Form erhalten bleibt (Dementsprechend ist die Formgebung eine wichtige Größe für die Stabilität und die Eigenschaften der Träger materialien).

Weiterhin ist der Anteil der nicht verwertbaren Stützsubstanz so hoch, daß er den jeweiligen Ansprüchen für die technologische Gestaltung entspricht, d. h.

1. Für den Fall einer Wirbelbett-Technologie müssen die Trägerkörper nach Verbrauch der verwertbaren Inhaltsstoffe und nach maximaler Besiedlung durch Mikroorganismen- Mischkulturen in einer belüfteten wäßrigen Phase schwimmen.
2. Für den Fall der Anwendung in anoxischer oder anaeroben Prozessen gelten im Prinzip die gleichen Forderungen, nur das die Dichte der wäßrigen Phase höher ist, weil nicht noch kleine Luftblasen die Dichte herabsetzen.
3. Für den Fall der Anwendung als Festbett muß eine genügende Stabilität vorhanden sein, damit ein Durchströmen der Festbetten möglich ist.

Die Erfindung soll nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert werden.

Die Trägerkörper werden nach folgender Rezeptur hergestellt:
55% Ethylen-Vinylacetat-Copolymeres mit 14% Vinylacetatanteil
20% Stärke-2-Acetat-Granulat
25% Weizenkleie
werden gemischt und durch Extrusion in röhrenförmige Körper mit einem Außendurchmesser von 24 mm und einer Schichtdicke von 2 mm gebracht. Die Formkörper haben eine Höhe von 24 mm. Zur biologischen Vergrößerung der spezifischen Oberfläche werden die Formkörper in einem Belüftungsgefäß mit einer wäßrigen Nährlösung nach DIN 38 412 Teil 25 (Ausg. Jan. 1984 Pkt. 7.4) überschichtet, Belebtschlamm einer kommunalen Kläranlage zu einer Konzentration von 2 g/l zugesetzt und über zwei Wochen belüftet. Danach wird die wäßrige Phase abgetrennt. Die Formkörper sind als Trägerkörper in der Abwasserbehandlung einsetzbar.

Claims

1. Trägermaterial für mikrobiologische Prozesse, vorzugsweise zur Anwendung in der Abwasserbehandlung, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial zu mehr als 50% aus Ethylenvinylacetat-Kunststoff und weiterhin aus ca. 10 bis 20% Stärkeacetat und Nährstoffen besteht, wobei die Bestandteile ein homogenes Gemisch als Trägermaterial darstellen und die Einlagerung der Nährstoffe vom Vorhandensein von ca 10 bis 20% Stärkeacetat abhängig ist.

2. Trägermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial aus den Inhaltsstoffen
50-80% Ethylenvinylacetat-Copolymeres oder Polyethylenkompounds
10-20% Stärke-2-Acetat
max. 20% Kleie, Stärke, Zucker besteht.

3. Trägermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial vorzugsweise aus zylindrischen Hohlkörpern mit den Abmessungen
Außendurchmesser: 24 mm
Länge 24 mm
Wandstärke 2 mm
besteht und ein Stabilisierungskreuz mit den Bestandteilen gemäß Anspruch 1 in der Mitte längs der Achse der zylindrischen Hohlkörper angeordnet ist.

4. Trägermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägermaterialien entsprechend ihrem jeweiligen Einsatzzweck bekannte Formen und Abmessungen aufweisen können.

5. Trägermaterial nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte der Trägermaterialien ca. 0,9 g/cm³ beträgt.

6. Trägermaterial nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Dichte der Trägermaterialien entsprechend den jeweiligen Erfordernissen beim Einsatz für verschiedene Technologien einstellt im Bereich von 0,9 g/ cm³.

7. Verfahren zur Herstellung von Trägermaterial in der Zusammensetzung gemäß Anspruch 1 für biologische Prozesse, wobei in konventioneller Art die Bestandteile gemischt, für das Zusammenhaften aufbereitet und in Anlagen/Vorrichtungen mit mechanischen Mitteln in die gewünschte Form gebracht werden, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Nutzung der Trägermaterialien weitere Verfahrensschritte zum Ausprägen der gewünschten Oberfläche erfolgen, indem die Immobilisierung der Mikroorganismen durch die mikrobielle Tätigkeit selbst erfolgt, wobei die Mikroorganismen die verwertbaren Inhaltsstoffe des Trägermaterials als Substrat zum Leben/Wachsen benutzen und die durch die mechanische Formgebung geschaffene Oberfläche auf biologischem Wege vergrößert wird, indem durch Mikroorganismen verwertbare Inhaltsstoffe verstoffwechselt werden.