DE3735680A1

DE3735680A1 - Verfahren zur herstellung eines schwimmfaehigen koernigen traegermaterials fuer biotechnologische prozesse

Info

Publication number: DE3735680A1
Application number: DE19873735680
Authority: DE
Inventors: Lutz Dr Rer Nat Haldenwang; Volkmar Dr Rer Nat Peukert
Original assignee: PROJEKT WASSERWIRTSCHAFT VEB
Current assignee: HALDENWANG, LUTZ, DR.RER.NAT., O-8122 RADEBEUL, DE
Priority date: 1986-12-05
Filing date: 1987-10-22
Publication date: 1988-07-14
Also published as: DD261921A3; HUT45938A

Description

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 bio technologischen Verfahren einsetzen läßt, bei denen Mikroorga nismen 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. Wirbelschicht verfahren im Abstrom, Belebtschlammverfahren) sowie für Verfah ren 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 Wasser aufbereitung und auf anderen Gebieten gegenüber den herkömm lichen Festbettreaktoren immer weiter an Bedeutung. Durch die Wirbelschichttechnik gelingt es, die Mikroorganismen in sehr hoher Konzentration im Reaktor zu immobilisieren und gleich zeitig in größtmöglichen Kontakt mit dem Medium zu halten. Gewöhnlich wird ein Aufwuchsträgermaterial mit einer spezifi schen Dichte größer als Eins im Reaktor von unten nach oben durchströmt. Vor einigen Jahren wurde ein Verfahren zur Erzeu gung 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 anhaf tenden Gasbläschen aus der biologischen Gasproduktion in die sem 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. Neben Größe, Form und Ober flächenbeschaffenheit ist dabei die spezifische Dichte der aus schlaggebende Parameter für das Verhalten eines Teilchens in der Wirbelschicht. Je höher die spezifische Dichte des Aufwuchs trägermaterials bei Eins liegt, desto größer ist die Expansion des Wirbelbetts bei einer bestimmten hydraulischen Geschwindig keit. Damit verringert sich einerseits die Stabilität des Wir belbetts und andererseits sinkt das Verhältnis zwischen aktiver Trägeroberfläche und Reaktorvolumen. Im Falle biologischer Ver fahren 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 be stimmte Turbulenz im Reaktor nicht unterschritten werden. Unter diesen Bedingungen stellt sich dann ein Gleichgewicht zwischen Biomassezuwachs und Biomasseabrieb ein. Um diese Mindestturbu lenz bzw. hydraulische Geschwindigkeit einstellen und ein sta biles Wirbelbett aufrecht erhalten zu können, ist bei biolo gischen 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 hydrau lischer Geschwindigkeit bzw. Turbulenz stabil wäre, sowie ein gutes Verhältnis von aktiver Oberfläche zum Reaktorvolumen auf weisen würde. Die Dichte darf aber einen bestimmten Wert, etwa 0,1 g · cm^-3, nicht unterschreiten, weil in diesem Fall das Ma terial aufschwimmt und kein Wirbelbett ausbildet. Aus der Ent wicklung der Verfahren zur Abwasser- und Schlammbehandlung in den letzten Jahren ergibt sich ebenfalls die dringende Forderung nach einem als Aufwuchsträger geeigneten Stoff mit einer nied rigen spezifischen Dichte. Durch die damit mögliche Immobili sierung der Mikroorganismen im Reaktionsraum können auch in die sem Bereich die biologischen Leistungen wesentlich gesteigert werden. Die besonderen Vorteile dieser Verfahrensweise bestehen darin, daß sich durch die Bindung am Träger die Mikroorganismen konzentration 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 gege benenfalls völlig eingespart werden.

Aus den beschriebenen Zusammenhängen wird deutlich, daß der Ein satz eines schwimmfähigen Trägermaterials mit niedriger spezi fischer Dichte für Mikroorganismen im Wirbelschichtverfahren und in weiteren Prozessen mit hydraulischer Turbulenz, insbe sondere auf dem Gebiet der Wasseraufbereitung, der Abwasserbe handlung und auch der Fermentationstechnik, eine Steigerung der biologischen Leistungsfähigkeit, eine Verringerung des spezi fischen Reaktorvolumens und des spezifischen Energiebedarfs so wie gegebenenfalls eine verfahrenstechnische Vereinfachung er möglichen 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 Be ständigkeit, 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 Wirbelschicht bildung nach dem Abstromprinzip ausführlich auf diesen Punkt ein gegangen 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 Mate rialien aufgeführt, deren spezifische Dichte im Bereich zwischen 0,7 und 1,0 g · cm^-3 liegt. Es handelt sich dabei um Schaum plasten, Glaskugeln und Leichtbaustoffe auf der Grundlage natür licher Gesteine, die als "am günstigsten" beschrieben werden. Von den Verfassern des vorliegenden Patentes wurde in umfang reichen 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 Mate rialien wie Sägespäne, Holzkohle usw. verlieren ihre Schwimm fähigkeit bereits innerhalb weniger Stunden bzw. Tage vollstän dig. Alle geschäumten Produkte auf Polyvinylchlorid (PVC)- und ebenso auf Polyurethanbasis (SYS PUR-Palette) eignen sich auf grund kontinuierlicher Treibmitteldiffusion bzw. Wasseraufnahme ebenfalls nicht und sinken in der angegebenen Korngröße inner halb weniger Tage bis Wochen vollständig ab. PUR-Schaumstoff flocken und LEUNAPOR (Schaumstoff auf Polyethylenbasis) ver klumpen 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 be wachsen, liegen aber mit ihrer spezifischen Dichte so nahe bei Eins, daß die einleitend beschriebenen Bedingungen nicht einge halten 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. Verantwort lich für diese ungenügende prozentuale Leistung ist entspre chend 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 schwimmfähi gen, körnigen Aufwuchsträgermaterials relativ niedriger spezi fischer Dichte für Mikroorganismen zum Einsatz in biotechnolo gischen Prozessen, insbesondere für Verfahren mit hoher hydrau lischer Turbulenz.

Es soll hygienisch unbedenklich sowie unkompliziert, kostengün stig 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 gcm^-3 aber größer als 0,1 gcm^-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 Schaum polystyrol in Form von Flocken, welche aus Abfallstücken han delsüblichen Schaumploystyrols durch Zerreißen hergestellt werden können und deren Größe sich nach der gewünschten Kör nung des daraus herzustellenden Aufwuchsträgers richtet, ther misch behandelt und damit auf einen Bruchteil seines ursprüng lichen Volumens geschrumpft wird.

Die Temperatur sowie die Einwirkungszeit werden so gewählt, daß das zu behandelnde Material nicht verkohlt. Vorzugsweise wird das Ausgangsmaterial bei 150°C bis 250°C einige Minuten be handelt, bis keine Veränderung mehr eintritt.

Die damit erreichte Dichte des Materials liegt bei etwa 0,35 gcm^-3. Nach dem beschriebenen Verfahren ist es auch mög lich, gezielt ein Material zu produzieren, dessen Dichte im Be reich zwischen der Dichte des Ausgangsmaterials und der Dichte des vollständig geschrumpften Materials liegt. Dazu wird der Prozeß vor Erreichen des beschriebenen Endzustandes des Mate rials unterbrochen. Nach Erzielung des gewünschten Endzustandes läßt man das Material abkühlen. Eventuelle 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 gcm^-3 gefunden, das außerdem biologisch mechanisch und chemisch stabil ist sowie eine für die Ansiedlung von Mikroorganismen günstige große, rauhe und zer klüftete 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 Her stellung ist unkompliziert und kostengünstig aus Sekundärroh stoffen möglich, wodurch auch eine Umweltentlastung von Abfall stoffen erzielt wird.

Ausführungsbeispiele

Nachfolgend soll die Erfindung an 3 Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

Beispiel 1

Im ersten Ausführungsbeispiel wird Trägermaterial für die bio logische Denitrifikation bei der Trinkwasseraufbereitung herge stellt und im Wirbelschichtreaktor im Abstrom erprobt. Es bestand die Aufgabe, ein Aufwuchsträgermaterial für Mikro organismen mit einer spezifischen Dichte zwischen 0,3 und 0,4 g ·cm^-3 für den Einsatz bei der Nitrateliminierung im Wir belschichtreaktor nach dem Abstromprinzip herzustellen. Dazu wurden Schaumpolystyrolabfälle, für die keine weitere Nutzungsmöglichkeit bestand, in einer Plastzerkleinerungsmaschi ne (Siebgröße 10 mm) zu Teilchen mit einer Größe hauptsächlich zwischen 6 und 9 mm zerrissen. Dieses Granulat wurde auf Bleche mit einer Schichthöhe zwischen zwei und drei Zentimetern aufge bracht und drei Minuten lang einer Temperatur von 180°C ausge setzt. Nach dem Abkühlen konnten die teilweise zusammen gebackenen Teilchen durch einfache mechanische Behandlung zu einem Granulat mit einer Korngröße zwischen etwa 1 und 4 mm zerbro chen und nach Bedarf ausgesiebt werden.

Die spezifische Dichte dieses nach dem Abkühlen festen Materials betrug 0,35 g · cm^-3. Es erwies sich bei seinem Einsatz als Auf wuchsträger für eine Mischpopulation nitratabbauender Mikroorga nismen im Wirbelschichtreaktor in der Körnung 1,0-3,15 mm als außerordentlich gut geeignet.

Die rauhe Oberfläche und die Zerklüftung des Materials erwiesen sich als besonders vorteilhaft für die Haftung der Mikroorganis men, so daß die Einarbeitungszeit der Reaktoren bei nur 5-10 Tagen lag. Die relativ geringe spezifische Dichte des beschrie benen Materials ermöglichte eine hohe hydraulische Geschwindig keit und entsprechend hohe Turbulenz im Reaktor einzustellen 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 Trägerma terial für die anerobe Abwasserbehandlung hergestellt und ein Belebtschlammverfahren erprobt.

Das Trägermaterial mit einer Dichte von 0,33 g · cm^-3 wurde ent sprechend der Beschreibung im Ausführungsbeispiel 1 aus unge nutzten Schaumpolystyrolabfällen gewonnen und in einer klein technischen Versuchsanlage 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 be wachsenen Träger verhindert werden. Dabei schwamm das Träger material nicht auf und wurde in der gewünschten Form vollstän dig 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 Bedingungen sehr starker hydraulischer Turbulenz. Andererseits wurden durch die festen Teilchen dauernd größere Belebtschlammflocken zerschlagen bzw. zu kleineren Flocken zerrieben und gleichzeitig der Aufbau gro ßer Flocken verhindert. Dieser Effekt wirkte sich auf die Lei stung des Verfahrens sehr günstig aus, weil im Inneren großer Belebtschlammflocken die Nährstoffversorgung der Mikroorganis men stark behindert ist. Daraus ergibt sich außerdem eine höhere Ausnutzung des mechanisch in das Becken eingetragenen Sauerstoffs. Ein zusätzlicher positiver Effekt bei Einsatz des beschriebenen Trägermaterials zeigte sich in der Tatsache, daß sich durch die Fixierung der Mikroorganismen für unterschied liche Verfahrensstufen verschiedene speziell angepaßte Popula tionen mit spezifischen Leistungen (z. B. Nitrifikation, Deni trifikation, Phosphatakkumulation u. a.) herausbilden lassen.

Beispiel 3

Im dritten Ausführungsbeispiel wird das neuartige Trägermate rial für die Stabilisierung kommunaler Abwasserschlämme einge setzt. Alle bekannten Verfahren zur Schlammstabilisierung be ruhen auf dem Abbau eines Großteils der Schlamminhaltsstoffe durch spezialisierte Mikroorganismen. Die meist kleinen Repro duktionsraten und die relativ hohe Austragungsgeschwindigkeit dieser Organismen aus den Reaktoren wirken sich auf die Effek tivität der verschiedenen Verfahren nachteilig aus. Durch Ein bringen des beschriebenen Aufwuchsträgers können aufgrund der günstigen Oberfläche der Teilchen die entsprechenden Mikroor ganismen leicht angesiedelt und im Reaktor zurückgehalten wer den. Durch die für das Verfahren günstige spezifische Dichte des Materials wird einerseits ein Aufschwimmen der Träger, an dererseits - mit Hilfe einfacher Entnahmerohre - ein Austragen bewachsener Träger verhindert. Auf diese Weise wird im Reaktor eine Biomasse angesiedelt und konzentriert, die dem Verfahren speziell angepaßt ist und eine hohe Geschwindigkeit der Schlamm stabilisierung erlaubt.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines schwimmfähigen körnigen Träger materials für biotechnologische Prozesse mit einer spezifischen Dichte unter 0,5 gcm^-3, gekennzeichnet dadurch, daß Schaumpo lystyrol in Form von Flocken durch thermische Einwirkung unter halb der Verkohlungstemperatur des Schaumpolystyrols geschrumpft und anschließend abgekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die ther mische Einwirkung im Temperaturbereich von 150°C bis 250°C so lange erfolgt, bis keine Veränderung des Materials mehr ein tritt.

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

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