DE4007478A1 - Verfahren zum photosynthetischen biologischen abbau fluechtiger organischer stoffe und bioreaktor zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum photosynthetischen biologischen Abbau flüchtiger organischer Stoffe und einen Bioreaktor zur Durchführung des Verfahrens.

Es ist bekannt, daß organische Stoffe mit Hilfe von Mikroor­ ganismen unter aeroben Bedingungen abgebaut werden können. Hierzu müssen die Mikroorganismen, die in der Regel von einem flüssigen Medium umgeben sind, mit Sauerstoff versorgt wer­ den. Der in den Stoffen enthaltene Kohlenstoff wird über verschiedene Zwischenschritte teils in Biomasse, teils in CO₂ umgewandelt. Um das Reaktionssystem mit Sauerstoff zu ver­ sorgen, und um gleichzeitig das produzierte CO₂ abzuführen, wird der Reaktor als aerobe Abwasserbehandlungsanlage in der Regel mit Luft durchströmt.

Substanzen aus der Gruppe der flüchtigen organischen Stoffe bereiten in diesem Zusammenhang besondere Probleme, weil sie mit der Gasströmung aus dem Reaktor ausgetragen werden. Zu den Problemsubstanzen gehören insbesondere flüchtige Aromaten wie Benzol, Toluol, Xylole (BTX-Aromaten), Chlorphenole, Trichlorethylen oder Perchlorethylen. Solche Substanzen tre­ ten in Abwässern der petrochemischen Industrie auf, in Pro­ zeßabwässern von lösungsmittelverarbeitenden Industrie- und Gewerbebetrieben und in Flüssigkeiten, die bei der Reini­ gung kontaminierter Böden von Kokereien, Raffinerien oder Tankstellen anfallen. Viele dieser Substanzen sind human­ toxisch bzw. kanzerogen und stehen überdies im Verdacht, Mitverursacher der globalen Klimaveränderung zu sein. Um solche flüchtigen Stoffe am Entweichen in die Atmosphäre zu hindern, müssen sie durch aufwendige Filtersysteme wie z. B. Aktivkohlefilter zurückgehalten werden. Eine Minimierung des Austrags flüchtiger Substanzen in die Gasphase läßt sich er­ reichen, wenn für die Sauerstoffversorgung der Mikroorganis­ men statt Luft reiner Sauerstoff eingesetzt wird. Selbst wenn es durch technische Maßnahmen gelingt, auf diese Weise nur so viel Sauerstoff in den Reaktor einzutragen, wie von den Mi­ kroorganismen zur Atmung benötigt wird, so bleibt als Aufgabe doch die Entfernung des gebildeten CO₂. Theoretisch wäre es denkbar, das CO₂ durch Zugabe von Lauge in Karbonat zu über­ führen. Dies würde im Reaktor jedoch zu Überkrustungen führen und damit zu technisch nicht ohne weiteres handhabbaren Fol­ geproblemen. CO₂ müßte ausgeblasen werden. Der Austrag flüch­ tiger organischer Substanzen wäre somit unvermeidlich.

Hier bietet sich nun aus mikrobiologischer Sicht ein Ausweg an. Kombiniert man Bakterien mit photosynthetisch aktiven Algen, so ist zumindest bezüglich CO₂ und Sauerstoff, prak­ tisch kein Gasaustausch mit der Umgebung notwendig. Photo­ synthetisch aktive Systeme wie Pflanzen, Grün- und Blaualgen können unter Verwendung von Licht anorganischen Kohlenstoff in Form von CO₂ assimilieren und dabei Sauerstoff abgeben, der im vorliegenden Fall direkt von den eingesetzten Bakte­ rien genutzt wird. Das von den Bakterien produzierte CO₂ wird seinerseits von den Algen verbraucht.

Systeme der beschriebenen Art sind bekannt und werden bereits im technischen Maßstab für die Abwasserbehandlung eingesetzt (vergl. Algae biomass, production and use, G. Shelef and C.J. Soeder, Editors, Elsevier, 1980). Diese als "High rate waste­ water oxidation ponds" bekannten Anlagen werden im Unterschied zu konventionellen Abwasseranlagen mit nur geringer Tiefe (ca. 30 cm) als flache Becken ausgeführt um eine im Verhält­ nis zum Volumen des Wasserkörpers große Oberfläche zu schaf­ fen. Die Aktivität der Anlage wird ganz wesentlich von dem Teil des Lichtes bestimmt, das von den Algen absorbiert wird. In dieser Hinsicht ist die Vermischung von Bakterien, Algen und Abfallstoffen nachteilig, da das angebotene Licht nicht nur von Algen, sondern gleichermaßen von Bakterien und den im Abwasser enthaltenen Schmutzstoffen absorbiert, aber nur von den Algen genutzt wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, das beschriebene Verfahren und den Bioreaktor zu dessen Durchführung so zu verbessern, daß die Lichtausnutzung und damit die Abbauinten­ sität des Bakterien-Algensystems verbessert wird.

Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe bezüglich des Verfahrens durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und bezüglich des Bioreaktors durch die kennzeichnenden Merk­ male der Ansprüche 5 und 10 bis 12. Vorteilhafte Ausgestal­ tungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Da die Menge an absorbiertem Licht ein direkter Maßstab für die Abbauintensität des Bakterien-Algensystems darstellt, gilt es, die Lichtausnutzung zu verbessern. Dieses wird er­ findungsgemäß durch die Trennung der beiden Teilsysteme Algen einerseits und Bakterien andererseits erreicht, bei gleich­ zeitiger Koppelung der jeweiligen Gasstoffwechselaktivitäten.

Die Erfindung wird nachstehend am Beispiel der in den Zeich­ nungen dargestellten Ausführungsformen eines Bioereaktors und dessen Einzelheiten näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1a und 1b einen Bioreaktor in einer schematischen Seitenan­ sicht und einer Draufsicht,

Fig. 2a und 2c Ausführungsformen der in dem Bioreaktor angeordne­ ten Membranen in der Seitenansicht im Schnitt,

Fig. 3a und 3b die Anordnung von Lampen in einem Bioreaktor in schematischen Draufsichten,

Fig. 4a und 4b weitere Ausführungsformen eines Bioreaktors in sche­ matischen Seitenansichten,

Fig. 5 eine weitere Ausbildung eines Membranmoduls in der Seitenansicht im Schnitt.

Fig. 1a und 1b zeigen schematisch den Aufbau eines Bioreak­ tors 11 mit hoher Abbauintensität des Bakterien-Algensystems. In einem zylindrischen Behälter 10 ist eine zylinderförmige Membran 4 so integriert, daß der Behälter 10 durch die Mem­ bran in zwei getrennte Reaktionsräume 1, 2 unterteilt wird. In dem Reaktionsraum 2 befinden sich Algen und in dem anderen Reaktionsraum 1 die für den Abbau toxischer Stoffe spezia­ lisierten Bakterien. Beleuchtet man, wie in Fig. 1a und 1b dargestellt, den Bioreaktor 11 über den transparenten Außen­ mantel 9 von außen, dann werden die Mikroalgen im äußeren Reaktionsraum 2 Sauerstoff erzeugen. Durch die so bewirkte Erhöhung der Sauerstoffkonzentration wird ein Konzentrations­ gefälle hin zu dem inneren Reaktionsraum 1 erzeugt. Sauer­ stoff wird durch die Membran 4 hindurchtreten und von den dort lebenden Bakterien aufgenommen. Das von den Bakterien im Reaktionsraum 1 erzeugte CO₂ fließt im Gegenzug über die Membran 4 in den äußeren Reaktionsraum 2 und dient den dort lebenden Mikroalgen als Kohlenstoffquelle.

Durch die Leitungen 5 und 6 können die beiden Reaktionsräume 1, 2 befüllt, durch die Leitungen 7 und 8 entleert werden. Die abzubauende Problemsubstanz wird in der Regel durch die Leitung 5 zugegeben, da in der Regel die eingesetzten Bakte­ rien den ersten, die Substanz abbauenden Reaktionsschritt herbeiführen. Das Befüllen und Entleeren kann entweder kon­ tinuierlich oder schrittweise in gewissen zeitlichen Abstän­ den durchgeführt werden. Durch die getrennte Durchströmung der beiden Reaktionsräume 1, 2 besteht die Möglichkeit, die Organismendichten von Algen und Bakterien unabhängig vonein­ ander so einzustellen, daß ihre jeweiligen Stoffwechsel­ leistungen optimal aufeinander abgestimmt ist.

Um die Problemsubstanzen daran zu hindern, aus dem inneren Reaktionsraum 1 in den äußeren Reaktionsraum 2 zu wandern kann es vorteilhaft sein, die beiden Reaktionsräume 1 und 2 durch eine Membran 4 mit selektiven Stofftransporteigenschaf­ ten zu trennen. Vorteilhaft wäre beispielsweise ein Membran­ material, für das die Permeabilität für die Problemsubstanz wesentlich kleiner ist als für Sauerstoff und CO₂. Silikon­ kautschuk z. B. ist ein Werkstoff, der für eine Reihe von Problemstoffen solche Eigenschaften aufweist.

Die Bakterien 22 bzw. Algen 21 bewegen sich im allgemeinen frei in den die Reaktionsräume 1 und 2 füllenden, flüssigen Medien (Fig. 2a). Es ist jedoch in manchen Fällen vorteil­ haft, die Bakterien 22 zusätzlich oder ausschließlich auf der die Räume trennenden Membran 4 anzusiedeln und damit zu immo­ bilisieren (Fig. 2b).

Auf diese Weise erhält das System aus Membran 4 und Biofilm 23 aus immobilisierten Bakterien 22 einen zusätzlichen se­ lektiven Charakter, weil die Problemstoffe beim Durchtreten durch den Biofilm 23 abgebaut werden. Auf diese Weise können auch Stoffe zurückgehalten werden, die in höherer Konzen­ tration auf Algen 21 toxisch wirken. Prinzipiell ist es auch vorstellbar, daß sowohl Bakterien 22 als auch Algen 21 in einem Biofilm 23, 24 immobilisiert werden (Fig. 2c). Da die Lichtversorgung für das Wachstum der Algen 21 die entschei­ dende Rolle spielt, ist der die Algen 21 enthaltende Reak­ tionsraum 2 so auszuführen, daß dieser ausreichend mit Licht versorgt wird. Als ausreichend kann bei beispielsweise einer Algendichte von 1 g Trockengewicht pro Liter eine Lichtver­ sorgung von 500-1000 Lumen/Liter (entsprechend 3-6 W Licht­ leistung/Liter) angesehen werden. Weiterhin ist zu beachten, daß bei der angegebenen Algendichte von 1 g/Liter die maxi­ male Eindringtiefe für Licht nur etwa 3 cm beträgt. Eine Verdoppelung der Algendichte halbiert die Eindringtiefe für Licht. Unbeleuchtete Volumenbereiche innerhalb des die Algen 21 enthaltenden Reaktionsraumes 2 sind zu vermeiden. Wichtig für die Auswahl der einzusetzenden Lampen ist daneben die Forderung, daß hohe örtliche Beleuchtungsstärken größer als 5 klux (entsprechend etwa 30 W/m²) zu vermeiden sind. Dies ent­ spricht der Forderung, das Licht auf einer möglichst großen Fläche einzubringen.

In den Fig. 3a und 3b sind zwei weitere Bioreaktoren 12, 13 in der Draufsicht im Ausschnitt dargestellt. In dem Bioreak­ tor 12 sind mehrere zylinderförmige Bioreaktoren 11 gemäß Fig. 1a angeordnet. Diese werden von außen von mehreren Lampen 32 beleuchtet (multi lamp reactor system). Es ist vorteilhaft, die Lampen 32 so anzuordnen, daß zwischen je­ weils zwei Lampen 32 ein Bioreaktor 11 angeordnet ist. Das von einer Lampe 32 ausgehende Licht, das auf eine andere Lampe 32 trifft, würde von dieser zweiten Lampe 32 größten­ teils absorbiert werden und daher für die Reaktion nutzlos sein.

Es ist jedoch auch denkbar, daß die Lampen 32 direkt in die Algensuspension 33 (Fig. 3b) eingetaucht werden. Zylinder­ förmige Membranen oder Membranschläuche 31, die die Bak­ terienpopulation enthalten, werden in entsprechender Weise ebenfalls in der Algensuspension 33 angeordnet. Die einzel­ nen, die schadstoffabbauenden Bakterien enthaltenden zylin­ derförmigen Reaktoren können hierbei nach Art eines Rohr­ bündel-Wärmeaustauschers parallel geschaltet werden. Es ist auch möglich, einzelne Membranrohre durch U-förmige Verbin­ dungselemente in Reihe zu schalten. Eine weitere Ausführung mit einer modulartig ausgebildeten Membranrohrschlange 25 ist in Fig. 5 dargestellt.

Die Algen 21 enthaltenden Reaktoren 41 bzw. die Bakterien 22 enthaltenden Reaktoren 42 können auch örtlich getrennt von­ einander angeordnet werden (Fig. 4a und 4b). Der Gaswechsel kann in diesem Fall über ein Membranmodul 43 erfolgen, durch das die Nährlösungen der Reaktoren 41, 42 im Gegenstrom durch Pumpen 44, 45 gefördert werden. Die Nährlösungen können die betreffenden Mikroorganismen enthalten oder im Fall der Immobilisation auch frei von ihnen sein.

Um die Mikroorganismen an der Oberfläche der Membran 4 zu immobilisieren und die Bildung von Biofilmen zu fördern, werden während der Einarbeitungsphase des Reaktors beide Reaktionsräume 1, 2 mit sterilen Nährlösungen durchströmt. Die in den Reaktionsraum 1 eingeleitete Nährlösung enthält eine organische Modellsubstanz wie z. B. Natriumacetat als Kohlenstoffquelle für Bakterien, die in den Reaktionsraum 2 eingeleitete Lösung ist frei von organischen Substanzen. Der Reaktionsraum 1 wird dann mit einer Bakterienart beimpft, von der bekannt ist daß sie die Problemsubstanz abbauen kann (z. B. Pseudomonas putida Stamm MT2 zum Abbau von Toluol). Solange bis sich ein Biofilm 23 aus Bakterien 22 auf der Membran 4 aufgebaut hat, wird der Reaktionsraum 1 mit Stick­ stoff begast, der Reaktionsraum 2 mit Luft oder technisch reinem Sauerstoff. Um die Bildung eines Biofilms 24 für Algen zu fördern, kann der Reaktionsraum 2 geichzeitig mit CO₂ begast werden. Die Begasung wird eingestellt, sobald die Ablaufkonzentration im Volumenstrom der Leitung 7 auf einen konstanten Wert gefallen ist. Es folgt - falls nicht bereits geschehen - die Beeimpfung von Reaktionsraum 2 mit einer ge­ eigneten Algenart und Umschaltung des Volumenstroms in der Leitung 5 auf Zufuhr von Problemwasser.

Der Gasaustausch kann jedoch auch ohne Membran durch die Bildung von blasenförmigen Gasaustauschflächen erzielt werden (Fig. 4b). Gas wird in diesem Fall über ein Förderorgan 46 dem die Algen 21 enthaltenen Reaktor 41 entnommen und dem Reaktor 42 zugeführt wo dieses von einem Gasverteiler und/oder Rührorgan 56 verteilt wird. Das Gas gibt einen Teil seines in ihm gespeicherten Sauerstoffes ab und nimmt das von den Bakterien 22 gelieferte CO₂ auf. Gleichzeitig strömt auf­ grund des im Reaktor 42 sich einstellenden Überdruckes Gas aus dem Kopfabschnitt 38 des Reaktors 42 in den Reaktor 41 für Algen 21, wo es wiederum durch eine Verteileinrichtung 57 in Blasenform gebracht wird, um CO₂ abzugeben und Sauerstoff aufzunehmen. In die vom Reaktor 42 zum Reaktor 41 führende Gasleitung 58, kann ein Filter 49 eingebaut werden, um eine Kontamination der Algenkultur durch Bakterien 22 zu ver­ meiden. Auf einen Filter in umgekehrter Richtung kann im allgemeinen verzichtet werden, da Algen 21 im Bereich der unbeleuchteten Bakteriensuspension keine günstigen Umwelt­ bedingungen vorfinden und sich deshalb dort nicht vermehren werden. Um den Austrag von Flüssigkeit aus den Reaktions­ räumen zu verhindern, können entsprechende Wärmetauscher als Kühlfallen 47, 48 angeordnet werden. Da neben Sauerstoff und CO₂ beim Abbau organischer Stoffe in geringerem Maße auch andere Gase wie beispielsweise Stickstoff, Schwefel oder Chlor gebildet werden kann es notwendig sein den Reaktoren 41, 42 einen kleinen Gasvolumenstrom ständig zuzuführen und zu entnehmen. Hierfür sind die Leitungen 50, 51, 52, 53, 54, und 55 vorgesehen. Die entweichenden Gasströme können toxische Stoffe enthalten. Aufgrund der geringen anfallenden Gasmenge ist es technisch mit überschaubarem Aufwand möglich, nicht umweltverträgliche Stoffe entweder in Filtern zurück­ zuhalten oder zu verbrennen.

Claims (12)

1. Verfahren zum photosynthetischen biologischen Abbau flüchtiger organischer Stoffe, bei dem photosynthetisch aktive Algen anorganischen Kohlenstoff in Form von CO₂ assimilieren und dabei Sauerstoff abgeben, der von Bakte­ rien aufgenommen wird, die ihrerseits das von den Algen benötigte CO₂ produzieren, dadurch gekennzeichnet, daß die Algen und die Bakterien in voneinander getrennten aber miteinander in Gasaustausch stehenden Reaktionsräu­ men angesiedelt sind und daß die Algen durch eine Be­ leuchtungsanordnung mit Licht beaufschlagt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der einer Fläche einer die Reaktionsräume voneinander trennenden Membran Bakterien immobilisiert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der anderen Fläche der Membran ein Biofilm aus immo­ bilisierten Algen ausgebildet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das in dem Reaktionsraum mit den Algen entstehende CO₂ direkt in den Reaktionsraum mit den Bakterien eingeführt und das aus diesem Reaktionsraum aufsteigende Gas über einen Filter in den Reaktionsraum mit den Algen einge­ führt wird.

5. Bioreaktor zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Behälter (10) eine einen inneren Reaktionsraum (1) bildende Mem­ bran (4) angeordnet ist, innerhalb derer eine Bakterien enthaltende wässrige Lösung befindlich ist, und daß in dem durch die Membran (4) und den lichtdurchlässigen Außenmantel (9) des Behälters (10) gebildeten äußeren Reaktionsraum (2) eine die photosynthetischen Algen ent­ haltende wässrige Lösung befindlich ist.

6. Bioreaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf der dem inneren Reaktionsraum (1) zugewandten Fläche der Membran (4) ein Biofilm (23) aus Bakterien (22) aus­ gebildet ist.

7. Bioreaktor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich­ net, daß auf der dem äußeren Reaktionsraum (2) zugewand­ ten Fläche der Membran (4) ein Biofilm (24) aus photosyn­ thetischen Algen (21) ausgebildet ist.

8. Bioreaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Behälter (15) im vorgegebenen Raster Lampen (32) derart angeordnet sind, daß zwischen jeweils zwei Lampen (32) ein Reaktor (31) mit einem äußeren Reaktionsraum (2) und einem inneren Reaktionsraum (1) den Lichtstrahlungs­ bereich der Lampen (32) abschirmend angeordnet ist.

9. Bioreaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Behälter (15) in einer Algensuspension (33) im vorgegebenen Raster Lampen (32) derart angeordnet sind, daß zwischen jeweils zwei Lampen (32) mindestens ein Membranmodul (34) mit im Innenraum befindlicher Bakte­ riensuspension angeordnet ist.

10. Bioreaktor zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen eine Algensuspension aufweisenden Reaktor (41) mit lichtdurchlässiger Außen­ wand (40), die von Licht beaufschlagt ist, und einen eine Bakteriensuspension enthaltenden Reaktor (42), der über ein Membranmodul (43) mit durch eine Membran (4) gebilde­ ten Reaktionsräumen (1, 2) mit dem Reaktor (41) im Gas­ austausch steht.

11. Bioreaktor zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 4, gekennzeichnet durch einen Reaktor (41) mit lichtdurchlässiger Außenwand (40) und mit einer von äuße­ rem Licht beaufschlagten Algensuspension und einen mit einer Bakteriensuspension gefüllten weiteren Reaktor (42), der mit dem in dem Reaktor (41) gebildeten Gas über eine Leitung (39) mit CO₂ beaufschlagbar ist und dessen Kopfabschnitt (38) über einen Filter (49) mit dem Innen­ raum des Reaktors (41) verbunden ist.

12. Bioreaktor zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen mit einer Algen (21) enthaltenden Suspension gefüllten Behälter (10), in dem ein mit einer Bakterien (22) enthaltenden Suspension durchströmtes Membranmodul (25) und eine sich über dessen Länge erstreckende stabförmige Lampe (32) angeordnet ist.