DE3838170A1 - Verfahren und vorrichtung zur elektrobiologischen umsetzung von stoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur biologischen Umsetzung von Stoffen in Gegenwart von Mikroorganismen in einem Bioreaktor sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bioreaktoren zur biologischen Umsetzung von Stoffen sind allgemein bekannt. Weitverbreitet sind zum Beispiel biologische Abwasserreinigungsanlagen, bei denen Abwasserverunreinigungen in einem als Belebungsbecken ausgebildeten Bioreaktor durch die Tätigkeit von Mikroorganismen in unschädliche Stoffe, vorzugsweise in Kohlendioxyd, Wasser und Stickstoff, umgewandelt werden. Es ist auch bekannt, Abgase durch einen Bioreaktor zu leiten, in dem Mikroorganismen angesiedelt sind, und auf diese Weise von unerwünschten Abgasbestandteilen zu reinigen. Außerdem sind Bioreaktoren bekannt, in denen durch die Tätigkeit von Mikroorganismen bestimmte Chemikalien, zum Beispiel pharmazeutische Präparate, hergestellt werden.

Bei all diesen bekannten Methoden der biologischen Verfahrenstechnik stellt sich das Problem, daß oft Umsetzungsprodukte der Mikroorganismen entstehen, die unerwünscht sind oder erst nach weiterer Umsetzung zu erwünschten Produkten führen. Die weitere Umsetzung der Produkte ist von bestimmten Betriebsbedingungen abhängig und daher nicht immer gewährleistet. Oft wird die biologische Umsetzung bestimmter Stoffe auch blockiert, weil die Mikroorganismen durch eine Ansammlung von Umsetzungsprodukten, die nicht weiter reagieren können, gehemmt werden.

Ein Beispiel hierfür ist die aus der Abwasserreinigung bekannte biologische Stickstoff-Oxidation, bei der Ammonium durch die Tätigkeit von speziellen Bakterien, den Nitrifikanten, zu Nitrit und Nitrat oxidiert wird (Nitrifikation). Da auch Nitrit und Nitrat für den Menschen und die Umwelt schädlich sind, müssen diese Stoffe weiter umgesetzt werden. Bei Anwesenheit von für die Bakterien verwertbaren Kohlenstoffverbindungen kann das Nitrit bzw. Nitrat durch die Tätigkeit spezieller Mikroorganismenspezies zu elementarem Stickstoff reduziert werden (Denitrifikation). Bei organisch gering belasteten Abwässern, zum Beispiel Industrieabwässern, ist die weitere Umsetzung des Nitrits bzw. Nitrats aufgrund eines Mangels an verwertbaren Kohlenstoffverbindungen aber unzureichend. Schädliches Nitrit bzw. Nitrat gelangt in die Gewässer. Außerdem hemmt das sich ansammelnde Nitrit bzw. Nitrat die Tätigkeit der Nitrifikanten (Substrathemmung).

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens so auszugestalten, daß auf einfache und wirtschaftliche Weise eine Steuerung des Stoffumsatzes erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Bioreaktor eine elektrische Potentialdifferenz angelegt wird.

Durch das Anlegen der Potentialdifferenz kann die Tätigkeit der Mikroorganismen beeinflußt werden. Umsetzungsprodukte der Mikroorganismen werden durch Anlegen der Potentialdifferenz abgefangen und können aus dem Bioreaktor abgezogen oder weiter umgesetzt werden. Da sich so die Umsetzungsprodukte nicht ansammeln können, wird eine Substrathemmung der Mikroorganismen vermieden. Dadurch ergibt sich eine höhere Umsetzungsgeschwindigkeit. Die abgefangenen Umsetzungsprodukte werden vorzugsweise durch elektrolytische Oxidation oder Reduktion weiter umgesetzt.

Ist im Bioreaktor Wasser vorhanden, was zum Beispiel bei der biologischen Abwasserreinigung immer der Fall ist, so wird in einer besonders interessanten Variante der Erfindung im Bioreaktor durch Anlegen der Potentialdifferenz Sauerstoff direkt elektrolytisch erzeugt. Auf diese Weise können aerobe Prozesse der Mikroorganismen in bestimmten Bereichen des Bioreaktors gezielt gesteuert werden.

In einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung werden im Bioreaktor Abwasserinhaltsstoffe umgesetzt. In einem Belebungsbecken oder einem Anaerob-Reaktor wird eine Potentialdifferenz angelegt und so die Umsetzung der Abwasserinhaltsstoffe und damit die Reinigung des Abwassers gesteuert.

Eine andere Variante der Erfindung sieht vor, im Bioreaktor Abgasinhaltsstoffe umzusetzen. Hierzu wird zu reinigendes Abgas in einen zum Beispiel mit Trägermaterial für Mikroorganismen gefüllten Bioreaktor eingeleitet. Durch Anlegen der elektrischen Potentialdifferenz wird die Umsetzung der Abgasinhaltsstoffe und damit die Reinigung des Abgases gesteuert.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die biologische Umsetzung von Stickstoffverbindungen gesteuert. Eine Entfernung von Stickstoffverbindungen kann beispielsweise bei der Abwasser- bzw. Abgasreinigung erforderlich sein. Hierbei wird in reduzierter dreiwertiger Form vorliegender Stickstoff, zum Beispiel in Form von Ammonium, zunächst biologisch durch die Nitrifikanten zu Nitrit und/oder Nitrat oxidiert. Das Nitrit bzw. Nitrat wird anschließend durch Anlegen der Potentialdifferenz abgefangen und kathodisch zu elementarem Stickstoff reduziert. Mit der Erfindung wird also auch bei Abwesenheit von Kohlenstoffverbindungen, die von den Mikroorganismen verwertet werden können, eine vollständige Stickstoff-Entfernung zum Beispiel aus dem Abwasser oder Abgas erreicht. Außerdem wird durch die weitere elektrolytische Umsetzung des Nitrits bzw. Nitrats eine Substrathemmung der Nitrifikanten verhindert, sodaß die Nitrifikation schneller abläuft. Dadurch ist es auch möglich, Abwässer mit extrem hohen Ammoniumkonzentrationen problemlos zu nitrifizieren.

Besonders geeignet ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Nitratentfernung aus Trinkwasser. Trinkwasser enthält keine nennenswerten Mengen an verwertbaren Kohlenstoffverbindungen, sodaß eine biologische Denitrifikation unmöglich ist. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird dagegen eine vollständige Entfernung der Stickstoffverbindungen aus dem Trinkwasser erreicht.

Auch bei Abwasserreinigungsanlagen, bei denen keine Denitrifikation verlangt wird, bietet das erfindungsgemäße Verfähren Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. Sollen Nitrit und Nitrat unbehandelt mit dem Abwasser in die Gewässer abgegeben werden, so muß nach dem Stand der Technik zumindest eine Neutralisation des Abwassers erfolgen, was einen hohen Laugenverbrauch mit sich bringt. Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist dagegen keine Neutralisation erforderlich, da Nitrit und Nitrat durch Anlegen der Potentialdifferenz abgefangen werden und nicht mit dem Abwasser in die Gewässer gelangen können.

Vorzugsweise wird das Nitrit vor dessen weiteren Umsetzung zum Nitrat durch Anlegen der Potentialdifferenz abgefangen. Auf diese Weise wird die für die biologische Oxidation des Nitrits zum Nitrat erforderliche Sauerstoffmenge eingespart. Die Umsetzung des Ammoniums zum elementaren Stickstoff erfolgt dabei folgendermaßen: zunächst wird das Ammonium durch Bakterien der Gattung Nitrosomonas bei Gegenwart von Sauerstoff biologisch zu Nitrit oxidiert. Das Nitrit wird durch Anlegen der Potentialdifferenz abgefangen und kathodisch zu elementarem Stickstoff reduziert. Die Umsetzung kann durch folgende chemische Gleichung beschrieben werden:

Da die elektrolytische Reduktion des Nitrits bzw. Nitrats zum elementaren Stickstoff im Bioreaktor selbst erfolgt, entfällt ein zusätzlicher Reaktionsraum, wie er bei der biologischen Denitrifikation notwendig ist. Außerdem treten beim erfindungsgemäßen Verfahren Schwimmschlammprobleme, wie sie bei der biologischen Denitrifikation vorkommen, nicht auf.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist einen Bioreaktor zur Aufnahme der umzusetzenden Stoffe auf, in dem Mikroorganismen angesiedelt sind.

Erfindungsgemäß sind im Bioreaktor Elektroden angeordnet, die mit einer Spannungsquelle in Verbindung stehen.

Der Bioreaktor kann zum Beispiel als Belebungsbecken oder Anaerob-Reaktor zur biologischen Abwasserreinigung ausgebildet sein. Auch eine Ausbildung als Fermentationsreaktor zur Herstellung chemischer Substanzen oder als Füllkörperreaktor zur biologischen Abgasreinigung oder zur Reinigung von Trinkwasser ist möglich. In jedem Fall sind die Elektroden im Bioreaktor so angeordnet, daß im Bioreaktor eine elektrische Potentialdifferenz eingestellt werden kann.

Vorzugsweise ist die Bioreaktorwand als Elektrode ausgebildet. Eine zweite Elektrode kann dann zum Beispiel im Inneren des Bioreaktors angeordnet sein. Bei Belebungsbecken oder Anaerob-Reaktoren zur biologischen Abwasserreinigung kann die zweite Elektrode zum Beispiel so montiert sein, daß sie in das Abwasser eintaucht.

Eine andere Ausführungsform sieht vor, daß im Bioreaktor ein elektrisch leitendes Trägermaterial für die Mikroorganismen angeordnet ist. Das Trägermaterial steht mit einer Spannungsquelle in Verbindung und wirkt als Elektrode.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Bioreaktor als Belebungsbecken mit einem Zulauf und einem Ablauf für Abwasser ausgebildet. Am Ablauf ist ein Ablaufsieb angebracht, das aus einem elektrisch leitenden Material gefertigt ist. Das Ablaufsieb steht mit einer Spannungsquelle in Verbindung und wirkt als Elektrode. Eine zweite Elektrode ist im Belebungsbecken so montiert, daß sie ins Abwasser eintaucht.

Im folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen, die in den Zeichnungen schematisch dargestellt sind, näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Stahltankreaktor, bei dem die Reaktorwand als Elektrode wirkt,

Fig. 2 ein Belebungsbecken, bei dem das Ablaufsieb als Elektrode wirkt,

Fig. 3 einen Festbettreaktor mit im Festbett angeordneten Elektroden,

Fig. 4 einen Festbettreaktor, bei dem das Trägermaterial als Elektrode wirkt,

Fig. 5 einen Festbettreaktor, bei dem Elektroden in Hohlräumen des Festbetts angeordnet sind,

Fig. 6 einen Bioreaktor, bei dem als Elektroden wirkende Trägermaterialien in Sandwichbauweise angeordnet sind.

In den Zeichnungen sind jeweils dieselben Anlagenteile mit denselben Bezugsziffern bezeichnet.

In Fig. 1 ist ein Reaktor 1 zur aeroben biologischen Abwasserreinigung dargestellt, dessen Wände aus Stahl gefertigt sind. Die Wände sind über eine elektrische Leitung 6 mit dem negativen Pol einer Spannungsquelle 4 verbunden und wirken als Kathode. Der positive Pol der Spannungsquelle 4 steht über eine elektrische Leitung 5 mit Elektroden 7 in Verbindung, die in das Abwasser eintauchen und als Anode wirken. Ammoniumhaltiges Industrieabwasser, das organisch gering belastet ist, wird über Zulaufleitung 2 in den Reaktor 1 eingeleitet und verläßt diesen gereinigt über Ablaufleitung 3. In das Abwasser wird über Leitung 8 Luft eingeführt, um die aeroben biologischen Abbauvorgänge aufrechtzuerhalten. Im Reaktor 1 sind auf Trägerteilchen, die frei im Abwasser schweben, Nitrifikanten angesiedelt. Das im Abwasser enthaltene Ammonium wird durch die Nitrifikanten zu Nitrit umgesetzt, das durch Anlegen der Potentialdifferenz abgefangen und kathodisch zu elementarem Stickstoff reduziert wird.

Fig. 2 zeigt ein Belebungsbecken 1 zur biologischen Reinigung von Abwasser mit einem Abwasserzulauf 2 und einem Abwasserablauf 3, wobei der Ablauf 3 mit einem Ablaufsieb 9 versehen ist. Der Ablaufsieb 9 ist aus Metall gefertigt und steht über Leitung 6 mit dem Minuspol der Spannungsquelle 4 in Verbindung. Der Pluspol der Spannungquelle 4 ist über Leitung 5 mit Elektroden 7 verbunden, die im Bereich des Ablaufsiebes in das Abwasser eintauchen. Die im Abwasser vorhandenen Stickstoffverbindungen werden zunächst im stromaufwärts liegenden Bereich im Belebungsbecken durch die auf frei schwebenden Trägerteilchen angesiedelten Nitrifikanten zu Nitrit oxidiert. Im stromabwärtigen Teil des Belebungsbeckens, wo die Elektroden 7 angeordnet sind, wird das gebildete Nitrit abgefangen und kathodisch zu elementarem Stickstoff reduziert. Da ständig eine bestimmte Menge von Trägerteilchen an dem Ablaufsieb 9 reibt, wird das als Kathode wirkende Ablaufsieb stets blank gehalten.

In dem in Fig. 3 dargestellten Festbettreaktor zur Reinigung von Trinkwasser ist ein Festbett 10 angeordnet, auf dem die Nitrifikanten angesiedelt sind. Innerhalb des Festbetts 10 sind Elektroden 7 und 16 angebracht, die über Leitungen 5 und 6 mit der Spannungsquelle 4 verbunden sind. Das zu reinigende Trinkwasser wird über Zulaufleitung 2 am Kopf des Reaktors aufgegeben und durchströmt das Festbett 10 von oben nach unten. Das gereinigte Trinkwasser wird am Fuß des Reaktors über Leitung 3 abgezogen. Das Festbett 10 wird über Leitung 8 belüftet.

Fig. 4 zeigt einen Festbettreaktor 1, bei dem eine Schüttung 11 von Trägerteilchen angeordnet ist. Die Trägerteilchen bestehen aus elektrisch leitendem Material, zum Beispiel Aktivkohle, Koks, Graphit, metallisiertem Schaumstoff, karbonisiertem Schaumstoff, Stahlwolle, Metallgestricken etc. Die Schüttung 11 ist über Leitung 6 mit dem Minuspol einer Spannungsquelle 4 verbunden und wirkt als Kathode. Der Pluspol der Spannungsquelle 4 steht über Leitung 5 mit Elektroden 7 in Verbindung, die außerhalb der Schüttung 11 im Reaktor 1 angeordnet sind. Das Abwasser wird über Leitung 2 dem Reaktor 1 zugeführt und strömt von unten nach oben durch die Schüttung 11. In der Schüttung 11 werden Zwischenprodukte der auf den Trägerteilchen angesiedelten Mikroorganismen abgefangen und elektrolytisch reduziert oder oxidiert.

In Fig. 5 ist ein Festbettreaktor 1 dargestellt, der eine Schüttung 11 aus Trägerteilchen aufweist. Die Schüttung 11 enthält Hohlräume 12, in die Elektroden 7 eingebracht sind. Die Elektroden 7 sind über Leitung 5 mit dem Pluspol einer Spannungsquelle 4 verbunden und wirken als Anode. Der Minuspol der Spannungsquelle 4 steht mit der aus elektrisch leitendem Material gefertigten Reaktorwand 1 in Verbindung.

Bei dem in Fig. 6 dargestellten Festbettreaktor 1 sind abgegrenzte Bereiche 13 und 14 im Inneren des Reaktors 1 mit elektrisch leitendem Trägermaterial gefüllt. Zwischen diesen Bereichen 13 und 14 sind Bereiche 15 angeordnet, die nichtleitendes Trägermaterial enthalten oder frei von Trägermaterial sind. Die in den Bereichen 13 und 14 befindlichen Trägermaterialien stehen mit dem Minuspol bzw. Pluspol einer Spannungsquelle 4 in Verbindung. Die einzelnen Bereiche sind in dem Reaktor 1 so hintereinander angeordnet, daß sich jeweils ein Bereich 13, dessen Trägermaterial mit dem Pluspol verbunden ist, mit einem Bereich 14 abwechselt, dessen Trägermaterial mit dem Minuspol verbunden ist.

Claims (10)

1. Verfahren zur biologischen Umsetzung von Stoffen in Gegenwart von Mikroorganismen in einem Bioreaktor, dadurch gekennzeichnet, daß im Bioreaktor (1) eine elektrische Potentialdifferenz angelegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Umsetzungsprodukte der Mikroorganismen durch Anlegen der Potentialdifferenz abgefangen und gegebenenfalls elektrolytisch oxidiert oder reduziert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Bioreaktor (1) Sauerstoff elektrolytisch erzeugt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Abwasserinhaltsstoffe umgesetzt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Abgasinhaltsstoffe umgesetzt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in reduzierter dreiwertiger Form vorliegender Stickstoff biologisch zu Nitrit und/oder Nitrat oxidiert wird und das Nitrit und/oder Nitrat durch Anlegen der Potentialdifferenz abgefangen und kathodisch zu elementarem Stickstoff reduziert wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einem Bioreaktor zur Aufnahme der umzusetzenden Stoffe, in dem Mikroorganismen angesiedelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß im Bioreaktor (1) Elektroden (7) angeordnet sind, die mit einer Spannungsquelle (4) in Verbindung stehen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bioreaktorwand (1) als Elektrode ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Bioreaktor (1) elektrisch leitendes Trägermaterial (11) für die Mikroorganismen angeordnet ist, das mit der Spannungsquelle (4) in Verbindung steht.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Bioreaktor (1) als Belebungsbecken mit einem Zulauf (3) und einem Ablauf (5) für Abwasser ausgebildet ist und ein Ablaufsieb (9) aus elektrisch leitendem Material aufweist, das mit der Spannungsquelle (4) in Verbindung steht.