DE3734680A1 - - Google Patents

Description

Beschreibung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines als Aufwuchsträger für Mikroorganismen geeigneten, schwimmfähigen körnigen Materials, daß sich sehr vorteilhaft bei allen biotechnologischen Verfahren einsetzen läßt, bei denen Mikroorganismen im Reaktionsraum zurückgehalten und konzentriert werden sollen. Aufgrund einer relativ geringen spezifischen Dichte und hohen Festigkeit ist das Material besonders für Verfahren mit hoher hydraulischer Turbulenz geeignet (z.B. Wirbelschichtverfahren im Abstrom, Belebtschlammverfahren) sowie für Verfahren bei denen Mikroorganismen für spezielle Stoffwandlungen oder Produktsynthesen immobilisiert werden müssen. Darüber hinaus eignet sich das Material für den Einsatz in Schwimmkornfiltern.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

In den letzten Jahren gewinnen nach dem Wirbelschichtprinzip arbeitende Reaktoren für biologische Verfahren bei der Wasseraufbereitung und auf anderen Gebieten gegenüber den herkömmlichen Festbettreaktoren immer weiter an Bedeutung. Durch die Wirbel-Neben Größe, Form und Oberflächenbeschaffenheit ist dabei die spezifische Dichte der ausschlaggebende Parameter für das Verhalten eines Teilchens in der Wirbelschicht. Je höher die spezifische Dichte des Aufwuchsträgermaterials bei Eins liegt, desto größer ist die Expansion des Wirbelbetts bei einer bestimmten hydraulischen Geschwindigkeit. Damit verringert sich einerseits die Stabilität des Wirbelbetts und andererseits sinkt das Verhältnis zwischen aktiver Trägeroberfläche und Reaktorvolumen. Im Falle biologischer Verfahren steigt mit zunehmenden Biomassebewuchs des Trägers die Gesamtdichte des Teilchens an, weil die spezifische Dichte von Biomasse bei etwa g= 1,15 g · cm-³ liegt. Außerdem werden mit steigendem Bewuchs alle Zellen unterhalb der Oberfläche wegen des größeren Diffusionsweges zunehmend schlechter versorgt, so daß die spezifische biologische Leistung abfällt.

Aus diesen beiden Gründen ist es notwendig, den Biomassebewuchs auf ein bestimmtes Maß zu begrenzen.

Die Begrenzung des Biomassebewuchses kann dadurch geschehen, daß eine bestimmte hydraulische Geschwindigkeit und damit eine bestimmte Turbulenz im Reaktor nicht unterschritten werden. Unter diesen Bedingungen stellt sich dann ein Gleichgewicht zwischen Biomassezuwachs und Biomasseabrieb ein. Um diese Mindestturbulenz bzw. hydraulische Geschwindigkeit einstellen und ein stabiles Wirbelbett aufrecht erhalten zu können, ist bei biologischen Verfahren entsprechend der beschriebenen Zusammenhänge ein spezielles Trägermaterial notwendig, das neben einer Reihe anderer Grundvoraussetzungen eine verhältnismäßig niedrige Dichte aufweisen muß. Die Dichte sollte vorzugsweise zwischen 0,2 und 0,5 g · cm-³ liegen.

Mit solch einem Trägermaterial ließe sich ein Wirbelbett bilden, das auch bei vollständigem biologischen Bewuchs und hoher hydraulischer Geschwindigkeit bzw. Turbulenz stabil wäre, sowie ein gutes Verhältnis von aktiver Oberfläche zum Reaktorvolumen aufweisen würde. Die Dichte darf aber einen bestimmten Wert, etwa 0,1 g · cm-³, nicht unterschreiten, weil in diesem Fall das Material aufschwimmt und kein Wirbelbett ausbildet Aus der Entwicklung der Verfahren zur Abwasser- und Schlammbehandlung in den letzten Jahren ergibt sich ebenfalls die dringende Forderung nach einem als Aufwuchsträger geeigneten Stoff mit einer niedrigen spezifischen Dichte. Durch die damit mögliche Immobilisierung der Mikroorganismen im Reaktionsraum können auch in diesem Bereich die biologischen Leistungen wesentlich gesteigert werden. Die besonderen Vorteile

schichttechnik gelingt es, die Mikroorganismen in sehr 50 dieser Verfahrensweise bestehen darin, daß sich durch

hoher Konzentration im Reaktor zu immobilisieren und gleichzeitig in größtmöglichen Kontakt mit dem Medium zu halten. Gewöhnlich wird ein Aufwuchsträgermaterial mit einer spezifischen Dichte größer als Eins im Reaktor von unten nach oben durchströmt. Vor einigen Jahren wurde ein Verfahren zur Erzeugung einer Wirbelschicht beschrieben und patentiert (US 42 56 573), bei dem ein Schwimmkorn eingesetzt und von oben nach unten durchströmt wird. Dieses Verfahren hat gegenüber dem herkömmlichen Prinzip u. a. zwei entscheidende Vorzüge. Erstens führen die am Aufwuchsträger entstehenden und anhaftenden Gasbläschen aus der biologischen Gasproduktion in diesem Fall nicht zum Auswaschen des Trägers, zweitens kann die überschüssige Biomasse am Reaktorboden sedimentieren.

Die entscheidende Größe für die Ausbildung und Rentabilität des Wirbelbetts sowie für den biologischen Bewuchs ist die Beschaffenheit des Aufwuchsträgers. die Bindung am Träger die Mikroorganismenkonzentration pro Reaktorvolumen beträchtlich erhöht und daß sich eine den jetzigen Milieubedingungen angepaßte spezifische Population ausbildet. Außerdem kann unter diesen Umständen die bei konventionellen Abwasserbehandlungsverfahren erforderliche, aufwendige Abtrennung der Biomasse von gereinigten Wasser und ihre Rückführung in den Reaktionsbehälter minimiert und gegebenenfalls völlig eingespart werden.

Aus den beschriebenen Zusammenhängen wird deutlich, daß der Einsatz eines schwimmfähigen Trägermaterials mit niedriger spezifischer Dichte für Mikroorganismen im Wirbelschichtverfahren und in weiteren Prozessen mit hydraulischer Turbulenz, insbesondere auf dem Gebiet der Wasseraufbereitung, der Abwasserbehandlung und auch der Fermentationstechnik, eine Steigerung der biologischen Leistungsfähigkeit, eine Verringerung des spezifischen Reaktorvolumens und des

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spezifischen Energiebedarfs sowie gegebenenfalls eine verfahrenstechnische Vereinfachung ermöglichen würde.

Die Suche nach einem als Trägermaterial geeigneten Stoff wurde neben der Grundforderung nach einer niedrigen spezifischen Dichte durch weitere Forderungen nach biologischer und chemischer Beständigkeit, Abriebfestigkeit, rauher Oberfläche und möglichst hygienischer Unbedenklichkeit bei niedrigen Kosten zusätzlich erschwert. Bei Auswertung der Literatur wurde kein geeignetes Material gefunden, obwohl in den o. g. Patent zur Wirbelschichtbildung nach dem Abstromprinzip ausführlich auf diesen Punkt eingegangen wird. Dort wird die Dichte des Trägermaterials mit"... weniger als 1,0, oder vorzugsweise weniger als 0,9 ..." angegeben. Zusätzlich wird eine ganze Reihe verschiedener Materialien aufgeführt, deren spezifische Dichte im Bereich zwischen 0,7 und 1,0 g · cm-³ liegt. Es handelt sich dabei um Schaumplasten, Glaskugeln und Leichtbaustoffe auf der Grundlage natürlicher Gesteine, die als "am günstigsten" beschrieben werden. Von den Verfassern des vorliegenden Patentes wurde in umfangreichen Untersuchungen im Abstromwirbelschichtreaktor Zwischen- und Finalprodukte der einheimischen Plast-, Schaumstoff- und Leichtbaustoffproduktion sowie eine große Anzahl weiterer schwimmfähiger Materialien getestet. Bimsstein und Kork wurden nicht untersucht. In allen Fällen wurde ein Granulat mit einer Körnung im Bereich zwischen ein und vier Millimetern eingesetzt. Daraus ergibt sich das folgende Bild:

Eine relativ große Anzahl schwimmfähiger Materialien ist für den Einsatz als Schwimmkorn ungeeignet, weil sie Wasser absorbieren und nach relativ kurzer Zeit absinken. Allgemein bekannte Materialien wie Sägespäne, Holzkohle usw. verlieren ihre Schwimmfähigkeit bereits innerhalb weniger Stunden bzw. Tage vollständig. Alle geschäumten Produkte auf Polyvinylchlorid (PVC)- und ebenso auf Polyurethanbasis (SYS PUR-Palette) eignen sich aufgrund kontinuierlicher Treibmitteldiffusion bzw. Wasseraufnahme ebenfalls nicht und sinken in der angegebenen Korngröße innerhalb weniger Tage bis Wochen vollständig ab. PUR-Schaumstoffflocken und LEUNAPOR (Schaumstoff auf Polyethylenbasis) verklumpen aufgrund ihrer Form und Konsistenz. Schaumpolystyrol besitzt eine spezifische Dichte von etwa 0,02 g · cm~³ und schwimmt auf, ohne ein Wirbelbett auszubilden. Von Schaumglas, vorbehandeltem Blähton und einer Reihe weiterer schwimmfähiger Stoffe werden unterschiedliche Anforderungen an das Trägermaterial nicht erfüllt.

Polyethylen und Polypropylen werden zwar von Mikroorganismen bewachsen, liegen aber mit ihrer spezifischen Dichte so nahe bei Eins, daß die einleitend beschriebenen Bedingungen nicht eingehalten und kein stabiles Wirbelbett eingestellt werden kann. Das Wofatit "KS 10 — Überkornpolymerisat" eignet sich nur bedingt als Aufwuchsträgermaterial. In umfangreichen Untersuchungen zur Nitrateliminierung wurden zwar hohe absolute aber nur niedrige relative Abbauraten zwischen 50 und 75% erreicht. Verantwortlich für diese ungenügende prozentuale Leistung ist entsprechend der relativ hohen spezifischen Dichte des Wofatits von etwa 0,75 g · cm-³ die geringe hydraulische Geschwindigkeit im Reaktor und der daraus resultierende dichte Biomassebewuchs bzw. große Diffusionsweg zwischen Substrat und Biomasse.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist die Herstellung eines schwimmfähigen, körnigen Aufwuchsträgermaterials relativ niedriger spezifischer Dichte für Mikroorganismen zum Einsatz in biotechnologischen Prozessen, insbesondere für Verfahren mit hoher hydraulischer Turbulenz.

Es soll hygienisch unbedenklich sowie unkompliziert, kostengünstig und möglichst aus Sekundärrohstoffen herstellbar sein.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist die Herstellung eines Trägermaterials für Mikroorganismen mit einer auch unter Wasser gleichbleibenden spezifischen Dichte unter 0,5 gern-³ aber größer als 0,1 gem-³. Das Material soll biologisch und chemisch stabil sein, eine große und rauhe bzw. zerklüftete Oberfläche besitzen und somit die Ansiedlung von Mikroorganismen in möglichst kurzer Zeit und hoher Konzentration ermöglichen, ohne daß eine Verklumpungsgefahr erwächst. Auch bei einer hohen hydraulischen Geschwindigkeit soll das Trägermaterial den mechanischen Beanspruchungen standhalten und die Ausbildung einer stabilen Wirbelschicht ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß Schaumpolystyrol in Form von Flocken, welche aus Abfallstücken handelsüblichen Schaumploystyrols durch Zerreißen hergestellt werden können und deren Größe sich nach der gewünschten Körnung des daraus herzustellenden Aufwuchsträgers richtet, thermisch behandelt und damit auf einen Bruchteil seines ursprünglichen Volumens geschrumpft wird.

Die Temperatur sowie die Einwirkungszeit werden so gewählt, daß das zu behandelnde Material nicht verkohlt. Vorzugsweise wird das Ausgangsmaterial bei 150⁰C bis 25O⁰C einige Minuten behandelt, bis keine Veränderung mehr eintritt.

Die damit erreichte Dichte des Materials liegt bei etwa 0,35 gern-³. Nach dem beschriebenen Verfahren ist es auch möglich, gezielt ein Material zu produzieren, dessen Dichte im Bereich zwischen der Dichte des Ausgangsmaterials und der Dichte des vollständig geschrumpften Materials liegt. Dazu wird der Prozeß vor Erreichen des beschriebenen Endzustandes des Materials unterbrochen. Nach Erzielung des gewünschten Endzustandes läßt man das Material abkühlen. Eventueile Verbackungen können durch einfache mechanische Behandlung des Materials getrennt werden. Gegebenenfalls kann das so erhaltene Material klassiert werden.
Durch die erfindungsgemäße Herstellung wurde erstmalig ein schwimmfähiges körniges Material mit einer auch unter Wasser gleichbleibenden Dichte unter 0,5 gern-³ gefunden, das außerdem biologisch mechanisch und chemisch stabil ist sowie eine für die Ansiedlung von Mikroorganismen günstige große, rauhe und zerklüftete Oberfläche besitzt. Das erfindungsgemäße Material läßt sich sehr vorteilhaft bei modernen biotechnischen Prozessen mit höchster Effektivität einsetzen. Es ist hygienisch unbedenklich und damit in der Trinkwasseraufbereitung anwendbar. Seine Herstellung ist unkompliziert und kostengünstig aus Sekundärrohstoffen möglich, wodurch auch eine Umweltentlastung von Abfallstoffen erzielt wird.

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Ausführungsbeispiele kleineren Flocken zerrieben und gleichzeitig der Auf

bau großer Flocken verhindert. Dieser Effekt wirkte

Nachfolgend soll die Erfindung an 3 Ausführungsbei- sich auf die Leistung des Verfahrens sehr günstig aus, spielen näher erläutert werden. weil im Inneren großer Belebtschlammflocken die

5 Nährstoffversorgung der Mikroorganismen stark beBeispiel 1 hindert ist. Daraus ergibt sich außerdem eine höhere

Ausnutzung des mechanisch in das Becken eingetrage-

Im ersten Ausführungsbeispiel wird Trägermaterial nen Sauerstoffs. Ein zusätzlicher positiver Effekt bei für die biologische Denitrifikation bei der Trinkwasser- Einsatz des beschriebenen Trägermaterials zeigte sich aufbereitung hergestellt und im Wirbelschichtreaktor to in der Tatsache, daß sich durch die Fixierung der Mikroim Abstrom erprobt. Es bestand die Aufgabe, ein Auf- Organismen für unterschiedliche Verfahrensstufen verwuchsträgermaterial für Mikroorganismen mit einer schiedene speziell angepaßte Populationen mit spezifispezifischen Dichte zwischen 0,3 und 0,4 g -cm-³ für sehen Leistungen (z.B. Nitrifikation, Denitrifikation, den Einsatz bei der Nitrateliminierung im Wirbel- Phosphatakkumulation u. a.) herausbilden lassen, schichtreaktor nach dem Abstromprinzip herzustellen, is

Dazu wurden Schaumpolystyrolabfälle, für die keine Beispiel 3

weitere Nutzungsmöglichkeit bestand, in einer Plastzerkleinerungsmaschine (Siebgröße 10 mm) zu Teilchen Im dritten Ausführungsbeispiel wird das neuartige mit einer Größe hauptsächlich zwischen 6 und 9 mm Trägermaterial für die Stabilisierung kommunaler Ab-V^: -V*.'. zerrissen. Dieses Granulat wurde auf Bleche mit einer 20 wasserschlämme eingesetzt. Alle bekannten Verfahren ^ ,i? * Schichthöhe zwischen zwei und drei Zentimetern aufge- zur Schlammstabilisierung beruhen auf dem Abbau eibracht und drei Minuten lang einer Temperatur von nes Großteils der Schlamminhaltsstoffe durch speziali-18O⁰C ausgesetzt Nach dem Abkühlen konnten die teil- sierte Mikroorganismen. Die meist kleinen Reprodukweise zusammen gebackenen Teilchen durch einfache tionsraten und die relativ hohe Austragungsgeschwinmechanische Behandlung zu einem Granulat mit einer 25 digkeit dieser Organismen aus den Reaktoren wirken Korngröße zwischen etwa 1 und 4 mm zerbrochen und sich auf die Effektivität der verschiedenen Verfahren nach Bedarf ausgesiebt werden. nachteilig aus. Durch Einbringen des beschriebenen Die spezifische Dichte dieses nach dem Abkühlen fe- Aufwuchsträgers können aufgrund der günstigen Obersten Materials betrug 0,35 g · cm-³. Es erwies sich bei fläche der Teilchen die entsprechenden Mikroorganisseinem Einsatz als Aufwuchsträger für eine Mischpopu- 30 men leicht angesiedelt und im Reaktor zurückgehalten lation nitratabbauender Mikroorganismen im Wirbel- werden. Durch die für das Verfahren günstige spezifischichtreaktor in der Körnung 1,0—3,15 mm als außer- sehe Dichte des Materials wird einerseits ein Aufordentlich gut geeignet. schwimmen der Träger, andererseits — mit Hilfe einfa-Die rauhe Oberfläche und die Zerklüftung des Mate- eher Entnahmerohre — ein Austragen bewachsener rials erwiesen sich als besonders vorteilhaft für die Haf- 35 Träger verhindert. Auf diese Weise wird im Reaktor tung der Mikroorganismen, so daß die Einarbeitungs- eine Biomasse angesiedelt und konzentriert, die dem zeit der Reaktoren bei nur 5—10 Tagen lag. Die relativ Verfahren speziell angepaßt ist und eine hohe Gegeringe spezifische Dichte des beschriebenen Materials schwindigkeit der Schlammstabilisierung erlaubt, ermöglichte eine hohe hydraulische Geschwindigkeit
und entsprechend hohe Turbulenz im Reaktor einzu- 40
stellen und dabei ein stabiles Wirbelbett über mehrere
Monate aufrecht zu erhalten. Dabei konnten sowohl
absolut als auch prozentual sehr hohe Nitrateliminierungsleistungen nachgewiesen werden.

Beispiel 2

Im zweiten Ausführungsbeispiel wird das beschriebene Trägermaterial für die anerobe Abwasserbehandlung hergestellt und ein Belebtschlammverfahren er- 50
probt.

Das Trägermaterial mit einer Dichte von 0,33
g · cm~³ wurde entsprechend der Beschreibung im Ausführungsbeispiel 1 aus ungenutzten Schaumpolystyrolabfällen gewonnen und in einer kleintechnischen Ver- 55
Suchsanlage im Belebtschlammverfahren in einer Menge zwischen 15 und 30 Vol.-% eingesetzt. Aufgrund des
großen Auftriebs des Materials konnte trotz der sehr
starken Turbulenz im Becken schon durch einfache
Tauchwände ein Austrag der bewachsenen Träger ver- 60
hindert werden. Dabei schwamm das Trägermaterial
nicht auf und wurde in der gewünschten Form vollständig verwirbelt. Die poröse Oberfläche und die starke
Zerklüftung des Materials erwiesen sich als sehr günstig
für die Ansiedlung und den Halt der Biomasse unter den 65
Bedingungen sehr starker hydraulischer Turbulenz. Andererseits wurden durch die festen Teilchen dauernd
größere Belebtschlammflocken zerschlagen bzw. zu

Claims (4)

Patentansprüche OS 37 35 680

1. Verfahren zur Herstellung eines schwimmfähigen körnigen Trägermaterials für biotechnologische Prozesse mit einer spezifischen Dichte unter 0,5 gern ~³, gekennzeichnet dadurch, daß Schaumpolystyrol in Form von Flocken durch thermische Einwirkung unterhalb der Verkohlungstemperatur des Schaumpolystyrols geschrumpft und anschließend abgekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die thermische Einwirkung im Temperaturbereich von 150⁰C bis 25O⁰C so lange erfolgt, bis keine Veränderung des Materials mehr eintritt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß Verbackungen des Materials durch mechanische Behandlung getrennt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Flocken eine Größe von 5 bis 10 mm besitzen.