DE3711598C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein mikrobiologisches Verfahren zur Denitrifikation mit heterotroph fakultativ anaeroben Bakterien.

Die bisher zur Verfügung stehenden mikrobiellen Verfahren zur Denitrifikation mit heterotrophen Mikroorganismen benötigen eine permanente Zufütterung von organischen Substraten, die den Organismen zum Wachstum dienen.

Als Beispiel seien hier angeführt: Essigsäure, Alkohole, Methan oder Melasse. Die Zugabe dieser Substanzen zum Trinkwasser erfordert eine sehr aufwendige Nachbearbeitung der nitratbefreiten Wässer, um nämlich eventuell noch vorhandene Restbestandteile der zugefütterten Kohlenstoffquelle aus dem Wasser zu entfernen. Zu diesem Stand der Technik ist als Literaturstelle zu benennen "Chemical Abstracts" 89=168540n aus 1978.

Zum Stand der Technik ist weiterhin das Zitat "Chemical Abstracts", Vol. 95, 1981, 225038e anzuführen.

Aus diesem Zitat ist die Verwendung von heterotrophen fakultativ anaeroben Mikroorganismen zur Denitrifikation bekannt, jedoch ist von einer Zufuhr einer exogenen Kohlenstoffquelle nicht die Rede. Es wird dort erwähnt, daß Mikroorganismen der Gattung Pseudomonas an einer Denitrifikation beteiligt sind.

Die Verfahren gemäß dem Stand der Technik erfordern somit eine aufwendige und kostspielige Wasseraufbereitung und weisen die weiteren Nachteile der unzureichenden Denitrifikation und des Bedarfs an vergleichsweise teueren Kohlenstoffquellen auf. Weiterhin weisen die Verfahren des Standes der Technik den Nachteil auf, bei starken Schwankungen des Stickstoffgehaltes insbesondere des Nitratgehaltes, keine ausreichende Denitrifikation mehr zu bewirken.

Demgegenüber liegt vorliegender Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein mikrobiologisches Verfahren zur Denitrifikation zu liefern, das keine aufwendige Wasserbehandlung erfordert, das bei stark schwankenden Nitratgehalten effektiv arbeitet und das auch gelegentliche Austrocknungen übersteht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs genannten Gattung dadurch gelöst, daß man als heterotroph fakultativ anaerobe Bakterien solche der Gattung Azospirillum einsetzt und eine Kohlenstoffquelle schubweise in Intervallen zuführt.

Dabei gilt, daß die verwendete C-Quelle dem Mikroorganismus bei der Erschöpfung des endogenen Speicherstoffes schubweise in Intervallen zudosiert wird, wobei die C-Quelle im gleichen und/oder einem weiteren Bioreaktor zudosiert werden kann und man Mikroorganismen einsetzt die selbst bzw. deren Enzyme, insbesondere die Nitratreduktase, eine hohe Affinität zu den Substraten (Stickstoffverbindungen) haben, und wobei man in einem Temperaturbereich von 5-35°C arbeitet.

Es gilt weiterhin, daß man in besonders geeigneter Weise in einem Temperaturbereich von 10-20°C arbeiten kann, wobei die Fermentationsbedingungen aerob und/oder microaerob und/oder anaerob sind.

Insbesondere gilt, daß der Speicherstoff Poly-β-Hydroxybuttersäure ist und die Kohlenstoffquelle einzeln oder in Kombination aus der Gruppe gebildet von Melasse, Glucose, Invertzucker, Methanol, Formiat, Acetat und dergleichen gewählt wird.

Im Rahmen der Erfindung liegt auch, daß der Mikroorganismus an einer Oberfläche adsorbiert ist, daß das Verfahren im Festbett oder im Wirbelbett durchgeführt wird und daß der verwendete Mikroorganismus diazotroph ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise in einer Vorrichtung zur Denitrifikation, bestehend aus einem Bioreaktor, durchgeführt werden.

Es handelt sich somit um ein mikrobiologisches Verfahren zur Denitrifikation mit Hilfe bestimmter heterotropher Mikroorganismen unter Ausnutzung endogener Kohlenstoffspeicher.

Bei der Atmung aerober Organismen findet eine vielfach höhere ATP-Gewinnung durch Elektronentransportphosphorylierung der Substratkettenphosphorylierung bei der Gärung statt.

Bei Bakterien kommt ein Stoffwechseltyp vor, bei dem der vom organischen Substrat abgespaltene Wasserstoff auf "gebundenen Sauerstoff" übertragen wird. Als "Sauerstoffträger" oder "terminale Wasserstoffakzeptoren" fungieren dabei Nitrat, Sulfat, Schwefel, Carbonat oder andere Verbindungen, die durch den Substratwasserstoff reduziert werden.

Diese unter anaeroben Bedingungen stattfindende Energiegewinnung durch Elektronentransportphosphorylierung wird auch als "anaerobe Atmung" bezeichnet.

Nitrat wird von Mikroorganismen für zweierlei Zwecke benutzt:

• 1. Als Stickstoffquelle zur Synthese von stickstoffhaltigen Zellbestandteilen; diese assimilatorische Nitratreduktion kann unter aeroben wie anaeroben Bedingungen ablaufen.
• 2. Nitrat dient unter anaeroben Bedingungen als terminaler Wasserstoff-Acceptor; es handelt sich um die dissimilatorische Nitratreduktion oder "Nitrat-Atmung".

In beiden Fällen wird Nitrat durch ein Molybdän enthaltendes Enzym, die Nitrat-Reductase, zunächst zu Nitrit reduziert.

Nitrit wird durch die Nitrit-Reductase zu Ammonium reduziert, das zur Synthese von Aminosäure und anderen N-haltigen Bausteinen der Zelle dient (Nitrit-Assimilation).

Bei der Nitrat-Atmung (dissimilatorische Nitratreduktion) wird von Bakterien Nitrat über Nitrit zu gasförmigem Distickstoffoxid (N₂O) und Stickstoff (N₂) reduziert.

Der Speicherstoff Poly-β-Hydroxibuttersäure wird von Bakterien bis zu 80% der Zelltrockenmasse angehäuft.

Es handelt sich um einen Chloroform-löslichen etherunlöslichen Polyester, der aus Ketten von etwa 60 β-Hydroxibuttersäure-Resten besteht.

Als Alternative zu dem mikrobiologischen Verfahren zur Denitrifikation gemäß dem Stand der Technik wird hiermit ein Verfahren vorgestellt, bei dem die Mikroorganismen von Zeit zu Zeit - sozusagen wie Akkumulatoren - mit endogenen Kohlenspeichern aufgeladen werden können, und nach der restlosen Ausspülung des dafür zur Verfügung gestellten Substrates in der Trinkwasseraufbereitung ohne Zufütterung weiteren Subtrates funktionsfähig bleiben. Als Organismen kommen hierzu vorzugsweise jene in Frage, die sowohl über eine assimilatorische, als auch über eine dissimilatorische Nitratreduktase verfügen und gleichzeitig in der Lage sind, den Speicher- Poly-β-Hydroxybuttersäure zu bilden. Daneben ist den Organismen noch zu eigen, eine ausgesprochenen hohe Affinität zu stickstoffhaltigen Verbindungen zu haben, so daß eventuell intermediär auftretende Spuren von Nitrit sofort in den Stoffwechsel eingebaut werden und damit nicht im ausfließenden Wasser enthalten sind.

Als geeigente Gattung von Mikroorganismen erscheint unter diesem Aspekt die Gattung Azospirillum, denn verschiedene Stämme dieser Gattung sind ebenso in der Lage, anaerob mit Nitrit oder Stickstoffoxid als terminalen Elektronenakzeptoren zu überleben. Wenn diese Organismen auf Nitrit wachsen, wird diese Verbindung qantitativ zu Stickstoff umgewandelt, ohne die Bildung freier Intermediärprodukte.

Die Organismen sind allerdings in der Lage, auch weitere Reaktionen des Stickstoffkreislaufes durchzuführen.

Durch die Anpassung dieser Organismen an stickstoffverarmte Biotope sind sie allerdings in der Lage, auch weitere Reaktionen des Stickstoffkreislaufes durchzuführen. Als erstes ist hier die assimilatorische Nitratreduktion unter aeroben Bedingungen zu nennen. Bei dieser Reaktion setzt der Organismus Nitrat zu organischen Aminoverbindungen um. Azospirillum kann bis zu 20% seine Zelltrockenmasse als Poly-β-hydroxybutyrat speichern. Da Azospirillum unter stickstoffarmen Bedingungen seinen Stickstoffgehalt auf weniger als 5% seines Zelltrockengewichtes reduzieren kann, ergibt sich damit eine theoretische Denitrifikationskapazität pro Gramm Zelltrockengewicht von 500 mg NO/g TS.

Ein weiterer Vorteil der Denitrifikation durch die Gattung Azosprillum ist das Vermögen dieser Organismen bei der völligen Abwesenheit von anorganischem/organischem Stickstoff, den Zellerhaltungsstoffwechsel mit Hilfe der Fähigkeit zur biologischen Stickstoffreduktion aufrechtzuerhalten. D. h., auch in Anlagen, die mit stark schwankenden Mengen an Nitratstickstoff fertig zu werden haben, ist eine Stabilität der Population sichergestellt. Eine weitere, der Anwendung dieses Organismus entgegenkommende Eigenschaft, ist die Fähigkeit der Azospirillen, an verschiedenen Oberflächen fest zu adsorbieren und kräftig bakterielle Beläge bilden zu können. So konnte bisher nachgewiesen werden, daß das Adsorptionsvermögen von Azospirillum brasilense, Sp 7, auf der Oberfläche von Sinterglas hervorragend ist. Weiterhin ist aus der Literatur bekannt, daß dieser Organismus auch an vielen anderen negativ geladenen Oberflächen stark adsorbiert. D. h., es ist sowohl möglich, diesen Organismus in Festbettreaktoren auf der Basis von mikroporösen Alginatkugeln einzusetzen. Die Affinität der Gattung Azospirillum zum Stickstoff ist so hoch, daß unter normalen Bedingungen vorbehaltlich keiner anderen Limitierung des Wachstums, als der Stickstofflimitierung selbst, der Stickstoffgehalt auf Werte von <50 ppb reduziert werden kann. Diese hohe Affinität zu stickstoffhaltigen Verbindungen gewährleistet, daß selbst das bei der biologischen Denitrifikation möglicherweise entstehende Nitrit unterhalb des gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwertes reduziert werden kann.

Das erfindungsgemäße mikrobiologische Verfahren zur Denitrifikation weist zahlreiche Vorteile auf. So ermöglicht das vorliegende Verfahren zur mikrobiellen Denitrifikation von Wässern unter der Verwendung heterotropher dissimilatorischer sowie assimilatorischer Denitrifikation mittels endogener Kohlenstoffspeicher die Vermeidung zahlreicher Probleme, die bei vergleichbaren Denitrifikationsanlagen im Wasser- und Trinkwasserbereich auftauchen. Es erlaubt, zwischen zwei Beladungen mit neuem endogenen Speicher, den Abbau von einer Nitratmenge, die 50% des Trockengewichts der am Prozeß beteiligten Mikroorganismen beträgt. Die Substrate zur frischen Beladung der Mikroorganismen mit endogenem Speicher stehen als billige Massenprodukte zur Verfügung. Das Verfahren ist geeignet, auch in Wasserwerken eingesetzt zu werden, die unter stark schwankenden Nitratmengen im Rohwasser leiden. Zudem ist das Verfahren gegen eine vorübergehende Austrocknung gefeit, da die Organismen Dauerformen gegen Austrocknen bilden können. Das Verfahren kann unter anderem mit Mikroorganismen der Art Azospirillum brasilense, durchgeführt werden. Doch kommen auch zahlreiche andere Arten dieser Gattung in Frage, die nebeneinander assimilatorisch und dissimilatorisch Nitrat abbauen können, je nach den vorgegebenen physikochemischen Parametern in der Denitrifikationsanlage. Im folgenden wird das technische Konzept einer biologischen Denitrifikationsanlage näher erläutert:

Die biologische Denitrifikationsanlage auf der Basis stickstoffixierender Mikroorganismen der Gattung Azospirillum benötigt zu seiner Funktionskontrolle eine Messung des Sauerstoffpartialdrucks oder des Redoxpotentials an verschiedenen Stellen des Denitrifikationsapparates. Über diese Parameter kann festgestellt werden bzw. bestimmt werden, welcher denitrifizierende Prozeß an welchem aktuellen Ort der Denitrifikationsanlage abläuft. Daneben ist beim augenblicklichen Stand der Forschung eine Beheizung des Grundwassers nötig, da die Gattung Azospirillum ihr Wachstumsoptimum bei 37°C zeigt. Eine Applikation bei 37°C erlaubt allerdings eine günstige Wärmerückgewinnung im Ablauf, da das ΔT zwischen Zu- und Ablauf ausreichend groß ist.

Um den Erfolg der Denitrifikation zu überprüfen, ist es angebracht, in Zu- und Ablauf des Biofilters nitratsensitive Elektroden einzubringen. Daneben muß gleichzeitig die Leitfähigkeit im Zulauf bestimmt werden, um eine mögliche Störung der Nitratelektrode durch andere anionische Komponenten überwachen bzw. ausschließen zu können. Der Behälter sollte aus Verstopfungsgründen im Upstream-Verfahren betrieben werden. Hinter der Denitrifikationsanlage ist in jedem Fall ein Nachreinigungssystem anzubringen, da nicht sichergestellt werden kann, daß keine Bakterien aus dem System ausgetragen werden. Im Gegenteil, eine Denitrifikation führt ja sogar zur Bildung von Biomasse in der heterotroph-assimilatorischen Stufe der Anlage, so daß der Austrag von Mikroorganismen ein positiver Indikator für eine erfolgreich durchgeführte Denitrifikation ist. Der Schlammanfall bleibt aber aufgrund der Adsorption der Hauptmasse der Mikroorganismen an einen Carrier sehr klein und führt zu nur geringfügigen Kosten. Das Nachreinigungsverfahren sollte sich zusammensetzen aus einem Absetzbecken, um Überschlußschlamm zu entfernen und einer nachgeschalteten Nachreinigung über einen Schnellfilter. Die sonst übliche Nachreinigung in Aktivkohlefiltern, teilweise sogar hintereinandergeschalteten Aktivkohlefiltern, kann für diesen Prozeß entfallen, da ja mit dem Wasser niemals gleichzeitig niedermolekulares organisches Substrat zum Wachstum der Denitrifikanten zur Verfügung gestellt wird. Eine Auffüllung der PHB-Reserven innerhalb der Organismen erfolgt diskontinuierlich. Dazu ist die Denitrifikationsanlage vom Wasserzustrom abzutrennen und ausreichend organisches und anorganisches Substrat im Kreislauf durch den Biofilter zu zirkulieren. Als Substrate kommen je nach Stamm der Gattung Azospirillum Invertzuckersirup, Methanol, Ethanol, Formiat, Acetat u. ä. Verbindungen in Frage. Nach einer ausreichenden Nachspülung kann die Anlage wieder in Betrieb genommen werden, ohne daß eine weitere Auswaschung von Substraten erfolgt, denn die endogen gespeicherte Poly-β-hydroxybuttersäure ist hochmolekular und damit impermeabel für die Zellwand.

Claims (1)

1. Mikrobiologisches Verfahren zur Denitrifikation mit heterotroph fakultativ anaeroben Bakterien, dadurch gekennzeichnet, daß man als heterotroph fakultativ anaerobe Bakterien solche der Gattung Azospirillum einsetzt und eine Kohlenstoffquelle schubweise in Intervallen zuführt.