DE3151153A1

DE3151153A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von stoffwechselprodukten unter verwendung von mikroorganismen

Info

Publication number: DE3151153A1
Application number: DE19813151153
Authority: DE
Inventors: Heinz Prof. Dr.-Ing. 1000 Berlin Brauer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-12-23
Filing date: 1981-12-23
Publication date: 1983-06-30

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
Stoffwechselprodukten unter Verwendung von Mikroorganismen im wäßrigen Medium, das insbesondere zur biologischen Abwasserreinigung geeignet ist, eine Vorrichtung, wie einen Bioreaktor, zur Durchführung dieses Verfahrens sowie eine biologische Abwasserreinigungsanlage, die mindestens einen erfindungsgemäßen Bioreaktor aufweist.
Bei der biologischen Abwasserreinigung wandeln Mikroorganismen organische Schadstoffe unter Verwendung von Sauerstoff vornehmlich in Kohlendioxid und Zellsubstanz um. Das Abwasser ist ein Gemisch aus reinem Wasser und meist zahlreichen organischen und anorganischen Schadstoffen, die im Wasser gelöst sind. Entsprechend den Schadstoffmischungen treten sowohl in denkommunalen als auch in den industriellen Abwässern bakterielle Mischpopulationen auf.
Die Entwicklung der biologischen Abwasserreinigung hat sich im wesentlichen in drei Stufen vollzogen. Demgemäß gibt es auch drei Generationen von Reinigungsanlagen.
Die erste Generation der biologischen Reinigungsanlagen bilden die Rieselfelder. Sie zeichnen sich durch eine sehr geringe Wassertiefe von 10 bis 20 cm aus, erfordern daher im allgemeinen einen sehr großen Grundflächenbedarf und weisen eine freie Oberfläche zur Atmosphäre auf. Die Natur bleibt sich hierbei selbst überlassen. Dem Abwasser werden weder Mikroorganismen (Bakterien) noch Sauerstoff zugeführt. Die biologische Reinigungsleistung ist daher auch nur sehr gering, entspricht jedoch den damals gestellten Forderungen.
Die zweite Generation der biologischen Reinigungsanlagen bilden große Betonbecken. Wegen des stark gestiegenen Abwasseranfalls und nur noch begrenzt zur Verfügung stehender Grundfläche ist die Tiefe der Wasserschicht gegenüber den Rieselfeldern vergrößert und beträgt bei den Betonbecken etwa 5 bis 10 m. Der biologische Abbau in derartigen Becken wird jedoch, wie die praktische Erfahrung zeigt, mit zunehmender Beckentiefe schlechter. Dies ist die Folge davon, daß das Abwasservolumen bzw. Beckenvolumen vergrößert ist, die freie Oberfläche, durch die der zur biochemischen Umwandlung benötigte Sauerstoff ins Abwasser diffundiert, jedoch konstant bleibt. Die freie Oberfläche je Volumeneinheit ist also kleiner als bei den Rieselfeldern. Bei normal belasteten Abwässern beträgt die zur biologischen Reinigung notwendige Verweilzeit der Abwässer im Becken etwa 12 bis 15 Stunden.
Die dritte Generation der biologischen Reinigungsanlagen sind Stahlbehälter, ähnlich den Lagertanks für Erdöl und Erdölprodukte. Diese Bauweise, die man auch "Turmbiologie" nennt, wurde eingeführt, um Umweltbelästigungen durch Lärm-und Geruchsemissionen zu vermeiden. Das Bauvolumen dieser Tanks ist mit einigen 100 bis einigen 10 000 m3 praktisch gleich dem der Betonbecken der zweiten Generation, die Stahlbehälter sind jedoch im Gegensatz zu den Betonbecken oberirdisch angeordnet. Der biologische Prozess ist bei der zweiten und dritten Generation der gleiche. Damit ist also auch die Verweilzeit des Abwassers in der Reinigungsanlage nicht verkürzt worden, sie beträgt ebenfalls etwa 12 bis 15 Stunden.
Der zur biochemischen Umwandlung durch die Mikroorganismen benötigte und verbrauchte Sauerstoff wird durch technische Einrichtungen fortlaufend zugeführt, und zwar entweder rein oder in Form von Luft. In Betonbecken bestehen diese Einrichtungen vornehmlich aus schaufelradähnlichen Konstruktionen, den sogenannten Oberflächenbelüftern. Häufig dienen diese Schaufelräder gleichzeitig zur Förderung des Abwassers durch die Becken. In Türmen verwendet man für die Lufteinleitung dagegen meist Düsen sehr unterschiedlicher Bau- art, die am Boden der Türme angeordnet sind. Ziel der herkömmlichen Belüftungssysteme, wie Oberflächen- oder Volumbelüftern, ist die Belüftung des Reaktors mit möglichst geringem Energieaufwand.
Sowohl bei der biologischen Reinigung des Abwassers im Becken als auch in Türmen bemüht man sich um eine sehr schonende Behandlung der Mikroorganismen. Eine mechanische Beanspruchung, die so groß ist, daß die üblicherweise in Abwasserreinigungsanlagen auftretenden Flocken von Mikroorganismen zerkleinert werden, wird bewußt vermieden. Eine Zerkleinerung dieser Flocken ist nach herkömmlicher Vorstellung sowohl mit einer Herabsetzung der biochemischen Schadstoffumwandlung der Mikroorganismen als auch mit einer Herabsetzung ihrer Sedimentationsfähigkeit verbunden. Die Sedimentationsfähigkeit ist von Bedeutung, da am Schluß der biologischen Reinigung die Mikroorganismen vom Wasser abgetrennt werden müssen. Je schlechter die Sedimentationsfähigkeit der Mikroorganismen ist, desto länger wird die Sedimentationszeit, was große Sedimentationsbecken erforderlich macht.
Einer der größten Nachteile der heute verfügbaren biologischen Reinigungsanlagen ist ihr großes Bauvolumen. Es ist bedingt durch die lange Verweilzeit des Abwassers in der Anlage als Folge des nur sehr langsam verlaufenden biochemischen Stoffumwandlungsprozesses der Mikroorganismen. In den heute verfügbaren Reinigungsanlagen ist der natürliche Ablauf des biochemischen Prozesses beibehalten. Das große Bauvolumen dieser Anlagen verursacht sehr hohe Investitionskosten und macht es unmöglich, das Abwasser direkt am Ort, an dem es anfällt, zu reinigen. Anlagen dieser Art lassen sich nicht in einen.Produktionsprozess integrieren, so daß die Abwasserreinigungsanlage getrennt von den Produktionsanlagen angeordnet werden muß. Damit wird eine große zentrale Reinigungsanlage und ein zusätzliches großes Kanalisationsnetz erforderlich. Außerdem sind mehrstufige biologische Reinigungsverfahren, bei denen dem Abwasser in jeder Stufe eine oder mehre- re spezifische Schadstoffkomponenten entzogen worden, wegen der langen Verweilzeiten meist nicht rationell durchführbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit denen der biochemische Stoffumwandlungsprozess von Mikroorganismen beschleunigt und eine effektivere Herstellung von deren Stoffwechselprodukten erreicht wird.
Die Lösung dieser Aufgabe beruht auf dem überraschenden Befund, daß durch mechanische Beanspruchung Mikroorganismen aktiviert und die biochemischen Stoffumwandlungsprozesse, z.B. bei der biologischen Abwasserreinigung, signifikant beschleunigt werden können, wobei gleichzeitig die Sedimentationsfähigkeit der Mikroorganismen durch beschleunigte Flockenbildung erhöht werden kann. Unter mechanischer Aktivierung von Mikroorganismen wird die bewußte, mit mechanischen und/oder pneumatischen Mitteln herbeigeführte Beanspruchung der Mikroorganismen zur Steigerung ihrer biochemischen Stoffumwandlungsrate verstanden. Da die Mikroorganismen, z.B. bei der aeroben Abwasserreinigung, die im Wasser gelösten, sehr verschiedenartigen organischen Stoffe unter Verwendung von Sauerstoff vornehmlich in Zellsubstanz sowie in Wasser und Kohlendioxid umwandeln, läßt sich durch mechanisch aktivierte Mikroorganismen die biochemische Umwandlungsrate organischer Schadstoffe erheblich erhöhen. Damit kann die Verweilzeit der umzusetzenden Stoffe im Reaktor, in dem die Stoffumwandlung unter Verwendung der Mikroorganismen durchgeführt wird, verringert, und/oder das Reaktorvolumen verkleinert werden.
Die Aktivität der Mikroorganismen kann durch geeignete mechanische Energiezufuhr um einen Faktor von etwa 30 bis 60 gesteigert werden. Damit läßt sich die Verweilzeit des Abwassers im Reaktor bzw. das Reaktorvolumen, z.B. eines Bioreaktors einer biologischen Abwasserreiniungsanlage, auf etwa 1/30 bis 1/60 herabsetzen. Dieses kleine Bauvolumen von Bioreaktoren mit mechanisch aktivierten Mikroorganismen ermöglicht die Integration der Abwasserreinigung in die Produktionsanlagen, in denen das Abwasser anfällt, und macht große zentrale Reinigungsanlagen weitgehend überflüssig.
Außerdem sind aufgrund der rascheren Herstellung der Stoffwechselprodukte des Mikroorganismus bzw. der rascheren Umwandlung z.B. von Schadstoffen und der erzielbaren kürzeren Verweilzeit auch mehrstufige Verfahren, bei denen in jeder Stufe durch Zugabe spezifischer Mikroorganismen-Spezies spezifische Umwandlungsprozesse ablaufen, bei wirtschaftlich vertretbarer Gesamtverweilzeit durchführbar. Mehrstufige Verfahren sind deshalb vorteilhaft, weil die sehr verschiedenartigen im Abwasser enthaltenen Schadstoffe in den einzelnen Stufen gezielt durch spezifische Mikroorganismen bzw. Mikroorganismen-Populationsgruppen entfernt werden können. Im Extremfall wird das Abwasser in jeder Stufe des Bioreaktors von einer spezifischen Schadstoffkomponente durch eine dieser Komponente optimal angepaßte Mikroorganismenspezies befreit. Im praktischen Fall wird man indes in jeder Stufe des Bioreaktors spezifische Gruppen von Schadstoffen durch optimal angepaßte Mikroorganismenpopulationen aufarbeiten, um die Zahl der Stufen möglichst gering zu halten, die Vorteile einer selektiven Schadstoffumsetzung durch die Mikroorganismen aber noch weitgehend nutzen zu können. Eine zweistufige Bauweise ist oft am wirtschaftlichsten. Vorzugsweise wird das Abwasser in der ersten Stufe von den am leichtesten abbaubaren organischen Schadstoffen befreit und in den nachfolgenden Stufen werden nacheinander die schwerer abbaubaren organischen Schadstoffe entfernt.
Aufgrund der mechanischen Aktivierung der Mikroorganismen in den einzelnen Bioreaktoren und/oder der Hintereinanderschaltung von mindestens zwei Bioreaktoren gelingt auch die biologische Reinigung von so hoch verschmutzten Abwässern, deren Reinigung in herkömmlichen Bioreaktoren nicht oder allenfalls bei starker Verdünnung des Abwassers, d.h. z.B. großen Bauvolumen den @@@@@@@@@@, möglich ist. Die @@@@@@@tun@@@gemäße Ab W@@@@@@@gsanlage zetchnet sich somit insbesondere da- durch aus, daß die Schadstoffumwandlung in mindestens zwei hintereinander geschalteten Bioreaktor-Stufen mit jeweils separatem Mikroorganismen-Kreislauf erfolgt und/oder daß in mindestens einer der Bioreaktor-Stufen die Mikroorganismen erfindungsgemäß mechanisch aktiviert werden.
Die Wirkung der mechanischen Beanspruchung der Mikroorganismen beschränkt sich jedoch nicht auf die biochemische Stoffumwandlung, sie führt auch zu einer starken Erhöhung der Sedimentationsfähigkeit durch beschleunigte Flockenbildung der Mikroorganismen ohne Zugabe chemischer Flockenhilfsmittel. Die Folge ist, daß auch die zur Abtrennung der Mikroorganismenmasse vom Wasser durch Sedimentation erforderlichen Anlagen bei mechanisch beanspruchten Mikroorganismen erheblich kleiner sind als bei mechanisch nicht beanspruchten.
Die technischen und wirtschaftlichen Vorteile eines verringerten Volumens von Bioreaktor und Sedimentationsbecken liegen auf der Hand. Besonders bedeutsam sind der verminderte Werkstoff bedarf und die erheblich geringeren Investitionskosten als Folge des verringerten Apparatevolumens.
Die Zufuhr mechanischer Energie zu den im wäßrigen Medium befindlichen Mikroorganismen läßt sich in verhältnismäßig einfacher Form dadurch durchführen, daß durch Kräfte eine Arbeit an den Mikroorganismen verrichtet wird. Diese Kräfte können insbesondere Druck- und Scherkräfte sein. Sie führen zu lokalen Deformationen der Mikroorganismen. Die Kräfte und die Deformationen müssen so bemessen sein, daß die Mikroorganismen nicht zerstört werden. Es gibt somit eine optimale Größe der mechanisch zugeführten Energie. Eine exakte Fixierung dieses Optimums ist für lebende Mikroorga- nismen nicht möglich, da sie sich veränderten Bedingungen bis zu einem gewissen Grade anzupassen vermögen und durch einen Selektionsprozess gerade jene Mikroorganismen gefördert werden, die den neuen Anforderungen am besten gerecht werden und die günstigsten Lebens- und Entwicklungsbedingungen haben. Aus diesem Grunde läßt sich für die geeignete mechanische Energiezufuhr an die Mikroorganismen nur ein optimaler Bereich angeben.
Die mechanische Energie wird den Mikroorganismen über das wäßrige Medium zugeführt, in dem sie sich aufhalten, z.B. das Abwasser. Mit geeigneten mechanischen und/oder pneumatischen Mitteln wird zunächst dem wäßrigen Medium die erforderliche Energie zugeführt. Durch die strömende Bewegung des wäßrigen Mediums werden Druck- und Scherkräfte erzeugt, die auf die im wäßrigen Medium' befindlichen Mikroorganismen einwirken und diese dadurch aktivieren.
Die Effektivität der Energieübertragung ist am größten, wenn die dem Wasser zugeführte Energie einen möglichst kurzen Weg bis zu den Mikroorganismen zurücklegen muß. Je länger dieser Weg ist, desto größer ist der Anteil der mechanischen Energie, der in Wärme umgewandelt wird und für die mechanische Aktivierung der Mikroorganismen nicht mehr zur Verfügung steht. Aus diesem Grundesolltdie Energie gleichmäßig über das gesamte Volumen der Vorrichtung, in der die Umwandlung stattfindet, zugeführt werden und die Mikroorganismen sollten gleichmäßig in diesem Volumen verteilt sein. Wird eine dieser beiden Forderungen nicht erfüllt, kann die Aktivierung nich82optimaler Weise, d.h. mit der zur Erzielung eines bestimmten Aktivierungsgrades der Mikroorganismen geringstmöglichen Energiezufuhr, erreicht werden. Beide Forderungen lassen sich mit verschiedenartigen mechanischen und/oder pneumatischen Vorrichtungen erfüllen. Als besonders geeignet erweisen sich solche Systeme, die aus Elementen aufgebaut sind, die im Volumen des für die Herstellung der Stoffwechselprodukte verwendeten Behäl- ters gleichmäßig angeordnet sind, und zur Erzeugung von Flüssigkeitsstrahlen und/oder Wirbeln (Turbulenzen) geeignet sind. Die Nutzung von Flüssigkeitsstrahlen zur Übertragung von Energie ist deshalb besonders geeignet, da am Strahlrand besonders hohe Schubspannungen und beim Auftreffen auf Wände im Staupunkt besonders hohe Druckspannungen auftreten.
Flüssigkeitsstrahlen und/oder Wirbel können z.B. durch mechanische Systeme aus übereinander angeordneten, rotierenden Strahlrädern, oder aus mehreren, übereinander angeordneten und eine gemeinsame Hubbewegung durchführenden Lochplatten erzeugt werden. Auf pneumatischem Wege lassen sich zur Aktivierung der Mikroorganismen geeignete turbulente Strömungen in einem wäßrigen Medium z.B. durch Einpressen von Gas, wie Luft oder Sauerstoff, durch mehrere im Reaktorvolumen vorzugsweise gleichmäßig verteilte Düsen ausbilden.
Dadurch kann auch der zur Stoffumwandlung erforderliche Sauerstoff in großen Mengen zugeführt werden.
Die mechanische Beanspruchung der Mikroorganismen kann sowohl kontinuierlich (mit konstanter Energiezufuhr) als auch diskontinuierlich erfolgen. Bei diskontinuierlicher Beanspruchung sollte diese vorzugsweise periodisch ausgeübt werden. Da die Wirkung der mechanischen Beanspruchung auf die biochemische Stoffumsetzung der Mikroorganismen zeitlich abklingt, sollte die Beanspruchung unmittelbar vor und/oder während der Herstellung der Stoffwechselprodukte erfolgen. Bei der Abwasserreinigung sollte die Beanspruchung deshalb vorzugsweise im Reinigungsbehälter erfolgen.
Die zur signifikanten Beschleunigung des Stoffwechsels der Mikroorganismen ohne deren Zerstörung geeignete mechanische Beanspruchung und damit der erforderliche Energie-bzw. Leistungseintrag in das wäßrige Medium hängt von mehreren Parametern ab, wie von der Art der verwendeten Mikroorganismen, der Viskosität des wäßrigen Mediums, dem zum Energieeintrag verwendeten mechanischen und/oder pneumatischen System und der Geometrie der Vorrichtung, in der die mechanische Beanspruchung durchgeführt wird. Vorzugsweise erfolgt die mechanische Energiezufuhr an das wäßrige Medium mit einer Leistung von etwa 500 bis 5000 W/m3, besonders bevorzugt mit 1000 bis 2000 W/m3 des wäßrigen Mediums. Brfindungsgemäß kann jedoch die Leistung insbesondere in Abhängigkeit von den vorstehenden Parametern auch größer oder kleiner als die vorstehenden Beträge sein.
Weitere Parameter, die die Herstellung der Stoffwechselprodukte der Mikroorganismen bzw. die Umwandlungsrate der Schadstoffe beeinflussen können und gegebenenfalls zu optimieren sind, sind beispielsweise die Temperatur TB der im Reaktor enthaltenen Biosuspension, die Partialdichte g s,b des Sauerstoffs im Bioreaktor, die Masse g T,B der biologischen Trokkensubstanz, die in der Volumeinheit der Biosuspension im Bioreaktor enthalten ist, der TOC-Wert in [mgO2/l] (Plilligramm Sauerstoff, der zur Oxidation des gesamten organisch gebundenen Kohlenstoffs erforderlich ist), der CSB-Wert in [mgO2/1] (Milligramm Sauerstoff, der zur Oxidation des gesamten chemisch gebundenen Kohlenstoffs erforderlich ist) und der pH-Wert.
Die Erfindung- wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 ein Diagramm einer erfindungsgemäßen, mehrstufigen Abwasserreinigungsanlage mit zwei erfindungsgemäßen Vorrichtungen als Bioreaktoren, Figur 2 schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Strahlrädern, Figur 3 einen schematischen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Lochplatten, Figur 4 eine Ansicht des Lochplattensystems einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und Figur 5 ein Schaubild des biochemischen Umsatz grades in Abhängigkeit von der Verweilzeit im erfindungsgemäßen Bioreaktor.
Die in Figgr 1 dargestellte Abwasserreinigungsanlage weist einen aus zwei hintereinander geschalteten Stufen bestehenden erfindungsgemäßen Bioreaktor 2 nach dem nachstehend näher erläuterten Lochplattensys tem auf.
Das in den Sammeltanks 1 und 2 befindliche Rohwasser fließt durch die Leitung 3 zum Mischelement 4. Zum Anfahren der Anlage kann das Abwasser hier nach Bedarf mit Frischwasser vermischt werden. Zu dem Zweck wird Leitungswasser durch die Rohrleitung 5 und nach Durchströmen der Mengenmeßeinrichtung (Durchflußzähler) 6 dem Mischelement 4 ebenfalls zugeführt.
Durch die Rohrleitung 7 wird das Abwasser dem Wärmeaustauscher 8 zugeführt, in dem es auf optimale Betriebstemperatur gebracht wird. Von hier wird das Abwasser durch Rohrleitung 9 in die erste Stufe 10 des Bioreaktors geleitet. Jeder der beiden Bioreaktoren ist vorzugsweise derart aufgebaut, daß die Mikroorganismen darin mechanisch aktiviert werden, z.B.wie in Fig. 1 schematisch dargestellt, nach dem nachstehend näher beschriebenen Lochplattensystem. In dieser ersten Stufe des Bioreaktors wird das Abwasser biologisch, d.h. durch Mikroorganismen, von den leichter abbaubaren organischen Schadstoffen befreit. Zu diesem Zweck müssen dem Reaktor Sauerstoff und Mikroorganismenmasse, das sogenannte Biokonzentrat, kontinuierlic] zugeführt werden. Das bereits genannte Lochplattensystem sorgt für eine vollkommene Durchmischung von Abwasser, Bakterienmasse und Sauerstoff im Reaktor. Durch diesen Mischprozess entsteht die Biosuspension, die durch Rohrleitung 11 dem Absetzbecken 12 zugeführt wird. Hier erfolgt eine möglichst vollkommene Abtrennung der Bakterienmasse von dem biologisch vorgereinigten Abwasser. Dieses vorbehandelte Abwasser strömt durch Rohrleitung 13 in die zweite Stufe 14 des Bioreaktors zur biologischen 11achbehandlung. Zur biologischen Umwandlung der schwerer abbaubaren organischen Schadstoffe werden der zweiten Stufe 14 des Reaktors eine der speziellen Reinigungsaufgabe optimal angepaßte Mikroorganismenponulation und Sauerstoff zugeführt. Die Vermischung von Abwasser, Mikroorganismen und Sauerstoff erfolgt erneut durch ein Lochplattensystem.
In dieser zweiten Stufe des Bioreaktors erfolgt die biologische Nachreinigung des Abwassers. Die Biosuspension verläßt die zweite Stufe 14 des Bioreaktors und strömt durch Rohrleitung 15 dem Absetzbecken 16 zu. Hier erfolgt erneut eine Abtrennung der Mikroorganismenmasse vom Abwasser, das anschließend als biologisch gereinigtes Abwasser durch Leitung 17 in den Abfluß gelangt.
Zur Durchführung der biologischen Reaktionen müssen den beiden Stufen 10 und 14 des Bioreaktors den speziellen Reaktionen optimal angepaßte Mikroorganismenpopulationen zugeführt werden.
Diese Mikroorganismenpopulationen entstehen während der Reaktionen in den beiden Stufen des Bioreaktors. Sie gelangen mit dem behandelten Abwasser in die Absetzbecken 12 und 16, wo die Trennung erfolgt. Der Trennprozeß führt zu einer Anreicherung der Mikroorganismenmasse im unteren konischen Bauteil der Absetzbecken 12 und 16. Der Anteil des biologisch gereinigten Abwassers, der von Mikroorganismen befreit ist, wird im oberen Teil der Absetzbecken abgezogen und gelangt in die Rohrleitungen 13 und 17. Der mit Mikroorganismenmasse stark angereicherte Abwasserstrom, der Biokonzentrat oder Rücklauf genannt wird, wird durch die Rohrleitungen 18 und 19 den beiden Stufen 10 und 14 des Bioreaktors zurückgeführt.
Die biochemische Umsetzung der organischen Schadstoffe durch die Mikroorganismen erfordert Sauerstoff, der den beiden Stufen 10 und 14 des Bioreaktors als Bestandteil von Luft zugeführt wird. Durch den Kompressor 20 wird die Luft durch die Rohrleitung 21 den Meß- und Regelanlagen 22 und 23 zugeführt.
Hier erfolgt gemäß den Anforderungen der biologischen Reaktionen eine Mengenzuteilung zu den beiden Stufen des Bioreaktors. Durch Leitung 24 strömt die Luft der ersten Stufe 10 und durch Leitung 25 der zweiten Stufe 14 des Bioreaktors zu. Diese Luft gibt im Reaktor einen durch die Betriebsweise bedingten Anteil des Sauerstoffs ab. Die verbleibende Luft verläßt die beiden Stufen des Reaktors über die Rohrleitungen 26 und 27, wird im Kondensator 28 von einem Teil des Wasserdampfes befreit und gelangt über die Rohrleitung 29 in die Sammelleitung 30 zur Beseitigung von Geruchsstoffen entweder über eine Gasreinigungsanlage oder direkt in die Umgebung.
Zur Messung des Sauerstoffgehalts in der die beiden Stufen 10, 14 des Bioreaktors verlassenden Luft ist eine besondere Einrichtung vorhanden. Von der ersten Stufe 10 wird ein Meßluftstrom über den Kondensator 31 und die Rohrleitung 32 in das Meßgerät 33 geleitet. Von der zweiten Stufe 14 des Bioreaktors gelangt der Meßluftstrom durch Kondensator 34 und Rohrleitung 35 in das Meßgerät 36. Die von beiden Meßgeräten kommende Luft wird in die Rohrleitung 37 und von hier in die Sammelleitung 30 geführt.
Die Versorgung der Kondensatoren 28 sowie 31 und 34 mit Kühlwasser erfolgt über die zentrale Kühlwasserleitung 38. Die Stichleitung 39 führt zu Kondensator 28. Nach Verlassen des Kondensators 28 gelangt das Kühlwasser über Leitung 40 in den Abfluß. Die Kondensatoren 31 und 34 sind über die Stichleitung 41 mit der Kühlwasserversorgungsleitung 38 verbunden. Das erwärmte Wasser wird in die bereits genannte Leitung 40 gefüllrt.
Bei zu starker Schaumbildung im Bioreaktor wird den Stufen 10 und 14 mittels einer Dosiereinrichtung 42 und der ohne leitung 43 Antischaummittel zugeführt.
Zur Entleerung der Anlage sind die Leitungen 44 bis 51 vorgesehen. Zur Entlüftung der Sammeltanks 1 und 2 dienen die Rohrleitungen 52 und 53.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung (Bioreaktor) zur Beschleunigung der Herstellung von Stoffwechselprodukten von Mikroorganismen gemäß Figur 2 weist einen Behälter 60 und eine Reihe von mehreren übereinander angeordneten, rotierenden Strahlrädern 62 mit einer gemeinsamen Achse 64 auf. Das flüssige Medium bzw. die Flüssigkeit tritt bei den Eintrittsöffnungen 66 in das Strahlrad ein, durchläuft darin ausgebildete Kanäle und verläßt das Strahlrad an dessen äußerem Rand durch Austrittsöffnungen 68 in Form von Flüssigkeitsstrahlen 70, die über den Umfang des Strahlrades 62 etwa gleichmäßig verteilt sind. Der Abstand zwischen den Flüssigkeitsstrahlen 70 beträgt etwa das 5- bis 10-fache des Strahldurchmessers, der Strahldurchmesser beträgt etwa 10 bis 15 mm. Die Richtung der Flüssigkeitsstrahlen 70 zur Horizontalen kann um etwa 0° bis 600 nach oben geneigt sein. Bevorzugt wird ein Strahlrichtungswinkel a von etwa 450 zur Horizontalen, damit für die Energieübertragung besonders günstigc Verhältnisse entstehen. Zwischen den einzelnen Strahlrädern 62 bilden sich Flüssigkeitswirbel 72, deren Ausbildung durch Leitbleche 74 unterstützt wird.
Bei dem gezeigten Lochplattensystem durchströmt das von unten in den Behälter 60 eingeleitete wäßrige Medium von unten nach oben alle übereinander angeordneten Strahlräder 62. Die Strahlräder lassen sich aber auch so anordnen, daß das wäßrige Medium den Behälter 60 in umgekehrter Richtung von oben nach unten durchströmen kann.
In einem Behälter 60 können auch mehrere derartige Reihen von Strahlrädern 62 vorgesehen sein, wobei die Achsen 64 vorzugsweise parallel zueinander angeordnet sind.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung (Bioreaktor) von Figur 3 weist übereinander angeordnete, parallele Lochplatten 80, 81 mit Löchern 82 auf. Die Lochplatten 80, 81 können eine senkrechte, gemeinsame Hubbewegung ausführen, wobei in jeder Hubperiode eine durch die Pfeile A bzw. B angedeutete Aufwärts- und Abwärtsbewegung der~Lochplatten 80, 81 stattfindet. Die Löcher 82 benachbarter Lochplatten 80, 81 sind jeweils gegeneinander versetzt angeordnet, so daß das flüssige Medium, wenn es bei der Bewegung der Lochplatten 80, 81 in zu deren Bewegung entgegengesetzter Richtung in Form von Flüssigkeitsstrahlen 84 durch die Löcher 82 einer Lochplatte 80 gepreßt wird, gegen ein festes Teil der benachbarten Lochplatte 81 anströmt. Dadurch bilden sich die in Figur 3 eingezeichneten, turbulenten Strömungslinien der Flüssigkeitsstrahlen 84 aus. Bei einer Umkehr der Richtung der Bewegung der Lochplatten 80, 81, z.B. von A zu B, kehrt sich auch das Bild der Strömungslinien der Flüssigkeitsstrahlen 84 um.
Je Hubperiode treten zwei Richtungsänderungen auf. Die Hubfrequenz beträgt vorzugsweise 0,8 bis 1,2 Hz, der Durchmesser d1 der Löcher 82 etwa zwischen 10 und 15 mm und der Abstand 1 der Lochplatten 80, 81 etwa das 4- bis 6-fache des Lochdurchmessers d1. Der Abstand d2 zwischen den Mittelpunkten der Löcher 82 beträgt etwa das 2- bis 3-fache ihres Durchmessers d1.
Figur 4 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung (ohne Behälter) mit mehreren äquivalenten Lochplatten. Die Löcher sind bei jeder Lochplatte in mehreren parallelen Reihen angeordnet, wobei die Lochreihen benachbarter Lochplatten jeweils gegeneinander versetzt sind. Mit diesem, aus Lochplatten bestehenden Energieübertragungssystem, das gleichzeitig für den Sauerstoffeintrag herangezogen wird, läßt sich die mechanische Energie gleichmäßig in das gesamte Volumen des wäßrigen Mediums eintragen.
Mit einem derartigen Lochplattensystem wurde in der in Figur 1 dargestellten Abwasserreinigungsanlage der Einfluß der mechanischen Aktivierung auf die biochemische Stoffumwandlung der Mikroorganismen am Beispiel der biologischen Abwasserreinigung untersucht. Die Wirkung der Aktivierung der Mikroorganismen durch mechanische Beanspruchung auf den biochemischen Umsatz kommt insbesondere in der geringen Verweilzeit des Abwassers im Reaktor zum Ausdruck. Während in herkömmlichen Reinigungsanlagen, in denen keine mechanische Aktivierung erfolgt, die notwendige Verweilzeit mindestens 12 bis 15 Stunden beträgt, wird diese bei mechanischer Aktivierung der Mikroorganismen stark herabgesetzt.
In Figur 5 ist der biochemische Umsatzgrad f der Mikroorgaismen in Abhängigkeit von der Verweilzeit tv für zwei verschiedene Schadstoffbelastungen (TOCO-Wert) am Eintritt in den Reaktor bei einer Temperatur von 36 0C dargestellt.
Das Rücklaufverhältnis VR* beträgt bei diesem Beispiel 0,5.
Es ist definiert als 3 Hierin bedeuten VA m /s] den Volumstrom des einer Stufe des 3 Bioreaktors zugeführten Abwassers und VR [m /s] den Volumstrom des sogenannten Rücklaufs, auch Biokonzentrat genannt, in dem die Bakterienmasse enthalten ist. Die Verweilzeit reduziert sich bei mechanisch aktivierten Mikroorganismen auf 15 bis 30 Minuten je nach Schadstoffbelastung des Abwassers. Bei einem anderen, weniger belasteten Abwasser betrug die notwendige Verweilzeit nur etwa 12 Minuten, bis der Umsatzgrad besser als 90 % war. Die Beschleunigung der Herstellung von Stoffwechselprodukten unter Verwendung von Mikroorganismen durch deren mechanische Aktivierung, beispielsweise bei der biologischen Abwasserreinigung, ist damit nachgewiesen. Leerseite

Claims

" Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Stoffwechselprodukten unter Verwendung von Mikroorganismen Patentansprüche 1. Verfahren zur Herstellung von Stoffwechselprodukten unter Verwendung von Mikroorganismen in wäßrigem Medium, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Mikroorganismen einer mechanischen Beanspruchung ausgesetzt werden, die nicht zu ihrer Zerstörung führt, jedoch eine signifikante Beschleunigung ihres Stoffwechsels und/oder ihrer Flockenbildung bewirkt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 zur biologischen Abwasserreinigung, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikroorganismen während der Abwasserreinigung einer mechanischen Beanspruchung ausgesetzt werden, die nicht zu ihrer Zerstöri&ng führt, jedoch eine signifikante Beschleunigung der biologischen Abwasserreinigung bewirkt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikroorganismen durch die mechanische Beanspruchung lokal deformiert werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Beanspruchung der Mikroorganismen mittels Druckkräften und/oder Scherkräften durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß über das gesamte Volumen des wäßrigen Mediums gleichmäßig mechanische Energie zugeführt wird und/oder daß die Mikroorganismen gleichmäßig über dieses Volumen verteilt sind.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Energie zufuhr an das wäßrige Medium mit einer Leistung von etwa 500 bis etwa 5000 W/m3 erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Energiezufuhr an das wäßrige Medium mit einer Leistung von etwa 1000 bis 2000 W/m3 erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Beanspruchung kontinuierlich durchgeführt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Beanspruchung diskontinuierlich durchgeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Beanspruchung periodisch durchgeführt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch die Gegenwart von Sauerstoff
12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, mit einem Behälter (60) zur Aufnahme des wäßrigen Mediums, gekennzeichnet durch mechanische und/oder pneumatische Mittel (62, 80-82) für eine hinreichend große mechanische Beanspruchung der Mikroorganismen, um deren Stoffwechsel und/oder ihre Flockenbildung signifikant zu beschleunigen.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß durch die mechanischen und/oder pneumatischen Mittel (62, 80-82) dem wäßrigen Medium Energie zugeführt, und die Mikroorganismen durch Bewegung des wäßrigen Mediums mechanisch beansprucht werden.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen und/oder pneumatischen Mittel (62, 80 - 82) im wesentlichen gleichmäßig verteilt im Behälter (30)angeordnet sind.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß durch die mechanischen und/ oder pneumatischen Mittel (62, 80 - 82) Flüssigkeitsstrahlen (70, 84) und/oder Wirbel (72) im wäßrigen Medium ausgebildet werden.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsstrahlen (70, 84) und/oder Wirbel (42) im gesamten Volumen des Behälters (60) im wesentlichen gleichmäßig ausgebildet sind.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, gekennzeichnet durch mindestens ein rotierendes Strahlrad (62) mit jeweils mindestens einer Eintrittsöffnung (66) und Austrittsöffnung (68) für das wäßrige Medium, durch die das wäßrige Medium als Flüssigkeitsstrahl (70) austritt.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch mindestens eine Reihe von mehreren, übereinander angeordneten Strahlrädern (62).
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlräder (62) einer Reihe eine gemeinsame Achse (64) aufweisen.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung des aus jedem Strahlrad (62) austretenden Flüssigkeitsstrahls (70) um etwa 0° bis 60° zur Horizontalen nach oben geneigt ist.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlrichtungswinkel d- etwa 45o zur Horizontalen beträgt.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der austretenden Flüssigkeitsstrahlen (701 etwa gleich dem 5- bis 10-fachen ihres Durchmessers ist.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser jedes austretenden Flüssigkeitsstrahles (70) etwa 10 bis 15 mm beträgt.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, gekennzeichnet durch mehrere übereinander angeordnete und jeweils mindestens ein Loch (82) aufweisende Lochplatten (80; 81), die eine gemeinsame periodische Bewegung durchführen.
25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochplatten (80, 81) parallel zueinander und senkrecht übereinander angeordnet sind, und daß die periodische Bewegung in Richtung der te (80, 81) erfolgt.
26. Vorrichtung nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher(8 2)jeder Lochplatte (80, 81) in mehreren parallelen Reihen angeordnet sind.
27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (82) benachbarter Lochplatten (80, 81) jeweils gegeneinander versetzt angeordnet sind.
28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochplatten (80, 81) äquidistant angeordnet sind und der Abstand 1 jeweils etwa das 4- bis 6-fache des Durchmessers d1 eines Loches (82) beträgt.
29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand d2 zwischen den Mittelpunkten der Löcher (8 2) etwa das 2- bis 3-fache ihres Durchmessers d1 beträgt.
30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser d1 jedes Loches (82) etwa 10 bis 15 mm beträgt.
31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der periodischen Bewegung der Lochplatten(80, 81) etwa 0,8 bis 1,2 Hz beträgt.
32. Abwasserreinigungsanlage, gekennzeichnet durch mindestens eine Vorrichtung (10; 14) nach einem der Ansprüche 12 bis 31.
33. Anlage nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Vorrichtungen (10, 14) nach einem der Ansprüche 12 bis 31 in Reihe hintereinander geschaltet sind und jede Stufe (10, 14) einen getrennten Mikroorganismen-Kreislauf aufweist.
34. Anlage nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß dem Abwasser in jeder Stufe (10) 14) eine oder mehrere zur Umsetzung einer oder mehrerer bestimmter Schadstoffkomponenten geeignete Mikroorganismenspezies zugeführt werden.