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Reaktor zur Verwendung bei der Wasserbehandlung sowie
Mikrofilmträger zur Verwendung in Zusammenhang mit dieser
Behandlung sowie Verfahren zum Betrieb des Reaktors.
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Die Erfindung betrifft einen Reaktor zur Verwendung bei der
Wasserbehandlung und Mikrofilmträger zur Verwendung in
Verbindung mit der Behandlung sowie ein Verfahren zum Betrieb
des Reaktors.
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Genauer ausgedrückt betrifft die Erfindung einen Reaktor der
Bauart, bei der Wasser durch den Reaktor gefördert wird, der
partikelartige Träger enthält, auf welchen ein Biofilm
wächst, der die gewünschte Zersetzung der Verunreinigung
erzeugt. Ein Beispiel eines derartigen Reaktors ist in der US-
Patentbeschreibung Nr. 4 122 011 beschrieben, bei dem das
unbehandelte Wasser an der Unterseite des Reaktors und mit dem
in dem Einlaß herrschenden Wasserdruck eingeführt wird. Das
Wasser steigt durch den Reaktor hoch und verlässt diesen
durch einen Auslaß an der Oberseite. Auf Grund der
Strömungsbedingungen haben die Mikrofilmträger die Neigung, sich im
oberen Teil des Reaktors anzusammeln, so daß demgemäß der
Reaktor in dem unteren Teil nicht sehr effektiv ist.
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In dem Reaktor wird auf den Kunststoffpartikeln ein Biofilm
rasch gebildet. Auf den äußeren Oberflächen wird der Biofilm
abgeschliffen, wenn die Kunststoffpartikel auf Grund der
Strömung in dem Reaktor gegeneinander reiben. Auf den
freiliegenden Oberflächen findet ein kontinuierliches Entfernen
von toten Mikroorganismen statt, so daß die Träger stets
einen neuen aktiven Biofilm aufweisen. Anders liegt der Fall
bei den inneren Oberflächen der Kunststoffpartikel: Anfangs
sind die inneren Oberflächen aktiv, werden jedoch rasch
blockiert und können vollständig durch toten Biofilm versiegelt
werden, so daß die inneren Oberflächen rasch inaktiv werden.
Der tote Biofilm hinterläßt einen schwarzen Überzug auf den
Kunststoffpartikeln und dieser Überzug ist schwer zu
entfernen.
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Die JP-A-62-61696 zeigt einen Reaktor zur Wasserbehandlung
der Bauart auf, die einen Behälter 2 aufweist, welcher
Behälter eine Konzentration von partikelartigen Biofilmträgern 10
enthält, auf welchen ein Biofilm wächst, der eine gewünschte
Zersetzung der Verunreinigung erzeugt, und ferner enthaltend
mindestens ein vertikales Rohr 6 in dem Behälter, wobei das
untere Ende des Rohres über den Boden des Behälters angehoben
ist und eine Einrichtung aufweist, um einen Zirkulationsfluß
aus Wasser und Mikrofilmträgern des Reaktors durch das Rohr
zu erzeugen. Die JP-A-60-12095 zeigt ferner einen sehr
ähnlichen Reaktor auf. Die CH-A-667080 zeigt vertikale Rohre auf,
die über die Bodenfläche eines Reaktors verteilt sind. Die
US-A-4 122 011 sowie die JP-A-1-94999 zeigen Mikrofilmträger
auf, die in Kombination mit derartigen Reaktoren nutzbar
sind.
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Das Phänomen des toten Biomaterials ist bei rezirkuliertern
Wasser für Wasserkulturen besonders kritisch, für die sehr
strikte Erfordernisse hinsichtlich der Wasserqualität
vorgeschrieben sind. Ferner ist ein hohes Maß der Effizienz
erforderlich, da es notwendig ist, die Pflanzen in geschlossenen
Räumen zu plazieren, um Temperaturschwankungen zu vermeiden.
Fischrogen und Jungfische erfordern konstante
Temperaturbedingungen für ihre optimale Entwicklung. Demgemäß sollten die
Anlagen so kompakt wie möglich sein, so daß die Anlagen
möglichst wenig Platz in einem Gebäude benötigen.
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Gemäß der Erfindung wird ein Bioreaktor gemäß der Definition
in Anspruch 1 geschaffen. Die Konstruktion des Reaktors hat
sich als überraschend effizient erwiesen. Unter gleichen
Bedingungen hat dies zur Folge, daß die Größe einer
Wasserbehandlungsanlage im Vergleich zu bekannten Anlagen
beträchtlich reduziert werden kann, wodurch der Investitionsaufwand
und die Arbeitskosten reduziert werden können.
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Die Bewegung der Mikrofilmträger kann auf verschiedene Weisen
durchgeführt werden, beispielsweise durch eine spezielle
Anordnung einer Luftzufuhr zu dem Wasser, die Anordnung von
Einlaß und Auslaß in den und aus dem Reaktor, oder durch
Flüssigkeitsströme. Eine besonders einfache Konstruktion des
Reaktors, die auch einfach zu steuern ist, ist dadurch
gekennzeichnet, daß sie ein vertikales Rohr enthält, das
vorzugsweise verstellbar in einem Abstand über dem Boden des
Reaktors angehoben ist, so daß ein einstellbarer Fluß nach oben
durch das Rohr zusammen mit einer Konzentration der
Mikrofilmträger in dem Rohr geschaffen wird. Die hohe
Konzentration von Mikrofilmträgern in dem Rohr führt selbst zu einem
sehr wirksamen Abschleifen von totem Biofilmmaterial, da ein
intensives und starkes Reiben der Träger gegeneinander
stattfindet, da die Flußgeschwindigkeit des weiteren wesentlich
höher als in anderen Bereichen des Reaktors ist.
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In Behältern mit stehendem Wasser würde zugeführte Luft rasch
durch das Wasser nach oben fließen und entweichen und ein
einfaches mechanisches Rühren wird diese Neigung fördern.
Gemäß der Erfindung scheint es jedoch so, daß durch die nach
unten gerichtete Strömung Luft nach unten gezogen wird, das
heißt daß das Wasser unter gleichen Bedingungen eine
wesentlich höhere Sauerstoffkonzentration als vorstehend angeführt
hat, was die Wirksamkeit des Reaktors unterstützt. Bei
extremen Anforderungen hinsichtlich der Sauerstoffkonzentration
könnte selbstverständlich reiner Sauerstoff zu dem Reaktor
zugegeben werden.
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Eine weitere Qualität des Reaktors ist, daß er die
Freisetzung von CO&sub2; und ähnlichen flüchtigen Gasen fördert, das
heißt daß der Reaktor das Ausstoßen von unerwünschten
flüchtigen Gasen fördert.
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Durch Zugabe von Luft/Sauerstoff wird eine wesentlich bessere
Absorption in dem Wasser erzielt, als wenn Luft/Sauerstoff
von unten oder intern zugegeben wird, insbesondere an dem
unteren Ende des Rohres und durch dieses nach oben, wobei
gleichzeitig ein starker Rühreffekt der Mikrofilmträger
auftritt und dadurch eine wirksamere Reinigung derselben
stattfindet. Entsprechend reißt der Luftstrom selbst totes
Biofilmmaterial von den Trägern ab.
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Der Fluß durch das Rohr kann durch Einstellen der zugegebenen
Menge von Luft/Wasserstoff und deren Verteilung sowie durch
den Abstand des Rohres relativ zu dem Boden des Reaktors, der
einstellbar ist, gesteuert werden.
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Das untere Ende des Rohres kann trichterförmig sein, um den
Eintritt von Wasser, Mikrofilmträgern und Sauerstoff, sofern
dieser dem Rohr zugegeben wird, zu erleichtern. Dabei kann es
sich um einen separaten Trichter handeln, der entlang dem
Rohr nach oben und unten verschoben werden kann, um den
Abstand zum Boden einzustellen.
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Es sei angemerkt, daß der Reaktor eine Anzahl von Rohren
enthalten kann, die in einem geeigneten Muster angeordnet sind.
Der Wassereinlaß kann in Ausrichtung mit dem konzentrierten
Fluß beispielsweise unmittelbar unterhalb von diesem oder
verteilt unter einer Anzahl von Rohren angeordnet sein,
wodurch der Fluß gefördert wird.
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An den Seitenwänden steht das Wasser mehr oder weniger, Um
dem entgegenzuwirken, ist die Luft/Sauerstoffversorgung am
Boden an den Seitenwänden angeordnet. Gleichzeitig verhindert
dies die Sedimentation an den Seitenwänden, der auch dadurch
entgegengewirkt werden kann, daß der Reaktorboden gekrümmt
oder trichterförmig zu dem Einlaß hin ausgeführt wird. Die
nach oben gerichtete Strömung muss selbstverständlich an die
nach unten gerichtete Strömung um das Rohr angepaßt werden.
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Dementsprechend wird Luft/Sauerstoff in einem Gegenstrom
zugeführt, was in sehr hohem Ausmaß die Absorption von
Luft/Sauerstoff fördert, und gleichzeitig fließt das Wasser
in diesem Bereich langsam, was weiterhin zu einer langen
Kontaktdauer zwischen Luft/Sauerstoff und dem Wasser führt.
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Falls erforderlich, beispielsweise im Zusammenhang mit
Fischzuchtbetrieben, kann der Reaktor mit einer UV- und/oder
Ozonbehandlung des Wassers kombiniert werden, um Bakterien und
Parasiten abzutöten. Gleichermaßen kann der Reaktor am Einlaß
und/oder Auslaß mit einem Gürtel- oder Zylinderfilter zur
Filtration von Grobpartikeln kombiniert werden. Ferner kann
der Reaktor mit einer Flotation oder Abstreifanlage
kombiniert werden.
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In einer speziellen Ausführungsform ist die Erfindung in
einer kleineren biologischen Wasserbehandlungsanlage für einen
oder mehrere Haushalte verwirklicht. Dies ist auf Grund der
äußerst hohen Effizienz des Reaktors in Kombination mit
seiner Zuverlässigkeit und der Tatsache möglich, daß er keine
tägliche Überwachung durch Fachpersonal erfordert und seine
Kombination mit einem Vorfilter und anderen Geräten wie
vorstehend angeführt möglich ist. Die Erfindung könnte
selbstverständlich auch in größeren Wasserbehandlungsanlagen
verwendet werden.
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Ferner erweist sich der erfindungsgemäße Reaktor auch zum
Zweck der Denitrifikation als geeignet, wobei es für diesen
Zweck jedoch offensichtlich ist, daß kein Sauerstoff
zugegeben werden sollte, da die Denitrifikation ein Prozess ist,
der ohne die Anwesenheit von Sauerstoff abläuft. Um die
Luftabsorption in dem Wasser zu minimieren, wird der
Wasserpegel in dem Reaktor so angehoben, daß die Oberfläche
ruhig wird, im Gegensatz zu dem bisher beschriebenen Prozess,
bei dem eine möglichst unruhige Wasseroberfläche die
Sauerstoffabsorption fördern soll.
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Mikrofilmträger, die feste oder hohle Partikel haben, welche
nach außen vorragende Abschnitte haben, die eine nach außen
offene Zellstruktur bilden, haben sich als geeignet erwiesen,
da die Form und die wechselseitige Positionierung so
abgestimmt sind, daß die Mikrofilmträger durch gegenseitige
Beeinflussung im Wasser eine Reinigung des Mikrofilms auf den
Partikeln ausführen, ohne daß jedoch das Risiko besteht, daß
sich die Partikel in großen Klumpen verhaken. Die wirksame
Oberfläche dieser Partikel während des Betriebes hat, wie
sich zeigt, dieselbe Größe wie die geometrische Oberfläche,
da das Entfernen von toten Mikroorganismen von dem Biofilm
auf Grund der nach außen vorragenden Abschnitte, die
typischerweise unterschiedliche Formen und Längen haben, höchst
wirksam ist. Zusätzlich können die Mikrofilmträger
mineralartige Partikel sein, die eine unregelmäßige
Oberflächenstruktur haben, oder Partikel, die Vertiefungen haben, wie etwa
das Muster auf einem Golfball. Die Mikrofilmträger können
auch Kanäle haben, so daß die kleineren Partikel durch die
größeren Partikel treten können, während die kleinsten
Partikel entweder fest oder hohl sind, wodurch eine größere
wirksame Oberfläche erzielt wird, da eine Reinigung des
Mikrofilms an den inneren Oberflächen ebenfalls stattfindet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren
zur Wasserbehandlung gemäß der Definition in Anspruch 9
geschaffen.
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Das Prinzip des Bioreaktors gemäß der Erfindung wird in der
beiliegenden Zeichnung gezeigt, wobei auch verschiedene
Formen von Mikrofilmträgern gemäß der Erfindung gezeigt sind.
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Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht des Bioreaktors.
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Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht eines pyramidenförmigen
Mikrofilmträgers oder länglichen Trägers, der einen
dreieckigen Querschnitt hat.
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Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht eines kugelförmigen
Mikrofilmträgers, der Stäbchen hat.
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Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht eines kreisförmigen
zylindrischen Mikrofilmträgers, der Flossen hat.
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Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht eines
Mikrofilmträgers.
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Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht einer dritten
Ausführungsform eines Mikrofilmträgers.
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Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht einer vierten
Ausführungsform eines Mikrofilmträgers.
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Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht einer modifizierten
Ausführungsform des Mikrofilmträgers gemäß Fig. 5.
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Fig. 9 ist eine perspektivische Ansicht einer weiteren
Ausführungsform des Mikrofilmträgers.
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Fig. 10 ist eine perspektivische Ansicht einer weiteren
Ausführungsform des Mikrofilmträgers.
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Fig. 11 ist eine perspektivische Ansicht einer weiteren
Ausführungsform des Mikrofilmträgers gemäß
Fig. 9.
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Fig. 12 ist eine bevorzugte Ausführungsform des
Mikrofilmträgers, und
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Fig. 13 ist ein System von Mikrofilmträgern, bei dem die
kleineren Träger durch Kanäle in den größeren Trägern treten
können.
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Der Bioreaktor umfasst einen zylindrischen Behälter 2 mit
einem Einlaß 4 unmittelbar oberhalb des Bodens, durch den das
zu behandelnde Wasser in den Behälter eingeführt wird. In der
Mitte des Behälters in einem bestimmten Niveau über dem
Einlaß erhöht ist ein vertikales Rohr 6 vorgesehen, das in
vertikaler Richtung einstellbar ist, um die Distanz zwischen dem
unteren Ende des Rohres und dem Boden des Behälters
einzustellen und dadurch den Fluß in dem Rohr zu regeln. Zu diesem
Zweck kann das Rohr mit einem teleskopisch verschiebbaren
Rohrelement versehen sein. Das Niveau des oberen Endes des
Rohres relativ zu der Flüssigkeitsoberfläche ist ebenfalls
einstellbar. In Verbindung mit dem Flüssigkeitseinlaß kann
eine Luftversorgung oder Sauerstoffversorgung zu dem Rohr
angeordnet werden, beispielsweise durch einen Ringkanal am
unteren Ende des Rohres, welcher Kanaldüsen hat. Ferner kann
der Fluß in dem Rohr durch die Luftzufuhr geregelt werden. In
dem Gefäß sind Mikrofilmträger 10 zur Reinigung des Wassers.
Ein Auslaß 12 für das behandelte Wasser ist am oberen Ende
des Behälters angeordnet, und um die Mikrofilmträger in dem
Behälter zurückzuhalten, ist vor dem Auslaß eine perforierte
Platte oder ein Sieb angeordnet.
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Während des Betriebes wird ein Fluß nach oben durch das
vertikale Rohr 6 erzeugt, welcher Fluß schneller als der nach
unten gerichtete Fluß außerhalb des Rohres ist.
Dementsprechend werden die Mikrofilmträger in das Rohr befördert, in
dem konstant eine hohe Konzentration von Mikrofilmträgern
vorliegen würde, was zu einer effektiven Entfernung von totem
Biomaterial von den Trägern beiträgt. Zusätzlich erzeugt das
zentrale Rohr einen wirksamen Zirkulationsfluß in dem Behälter,
der an sich zur Reinigung des Wassers beiträgt. Um
Totwasserbereiche an den Seitenwänden des Behälters zu
verhindern, ist die Luftversorgung am Boden durch ein Ringrohr 16
mit Düsen angeordnet, welche Luftversorgung einen nach oben
gerichteten Fluß erzeugt. Eine Anzahl derartiger Rohre kann
in einem konzentrischen Muster angeordnet werden. Wie nahe
die Rohre an dem Rohr 6 angeordnet werden können, ohne den
Fluß um dieses zu stören, zeigt die Erfahrung.
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Es ist offensichtlich, daß zusätzliche Reinigungs-,
Belüftungs- und/oder Denitrifikationsgeräte vor oder nach dem
Reaktor erforderlichenfalls angeordnet werden können.
Entsprechend kann eine Anzahl von Reaktoren, die verschiedene
Mikrokulturen enthalten, zum Entfernen von unterschiedlichen Arten
von Verunreinigungen miteinander verbunden werden.
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In der Zeichnung zeigen Fig. 2 bis 4 Mikrofilmträger, die
einen geschlossenen Kern haben, welche mit vorragenden
Stäbchen oder Flossen versehen sind, die in einem
vergleichsweise verstreuten Muster angeordnet sind, wobei die Länge und
der Abstand zwischen den Stäbchen oder Flossen so ausgelegt
ist, daß die Mikrofilmträger übereinander laufen, ohne daß
das Risiko des Verhakens zu größeren Klumpen über eine
längere Zeitdauer besteht. Durch das Übereinanderstreichen
zwischen den Stäbchen oder Flossen findet ein wirksames
Abschleifen von toten Bioorganismen von dem Mikrofilm statt.
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Für alle Ausführungsformen gilt, daß sie vorzugsweise aus
Kunststoff hergestellt sind und ein Gewicht haben, mit dem
sie im Wasser suspendiert sind oder etwas schwerer sind. Das
spezifische Gewicht kann das Resultat des spezifischen
Gewichts des Kunststoffmaterials sein oder dadurch erzielt
werden, daß die Mikrofilmträger hohl sind, wenn das spezifische
Gewicht des verwendeten Materials zu hoch ist.
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Die meisten in der Zeichnung dargestellten Mikrofilmträger
zeichnen sich dadurch aus, daß sie durch Strangpressen
hergestellt werden können.
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Der in Fig. 5 gezeigte Mikrofilmträger enthält eine Anzahl
von Flossen, die von einer Mittelwand ausgehen. Die Flossen
können in versetztem Muster oder einander gegenüberliegend
angeordnet sein. Die Flossen können gleiche Höhe haben oder
nicht, welcher letztere Fall in Fig. 6 gezeigt ist. Die Form
und Anzahl der Flossen kann ohne Einschränkung gewährt
werden, wobei jedoch eine Ausführungsform, bei der die Flossen
ohne Behinderung ineinander gleiten können und einen Abrieb
des Mikrofilms ausführen können, bevorzugt ist. Länge und
Breite der Mikrofilmträger kann den individuellen Zwecken
angepaßt werden. Da die Mikrofilmträger eine relativ große
Oberfläche haben, sinken sie nicht ohne weiteres zum Boden ab
und auch der nach oben gerichtete Fluß hat eine größere
Angriffsfläche, was die Mikrofilmträger weiter am Absinken
hindert.
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In Fig. 7 ist eine erste Modifikation der
Mikrofilmträgergestaltung als ein Kreuz, das an allen Oberflächen Flossen hat,
gezeigt. Dieser Mikrofilmträger kann ebenfalls ohne weiteres
durch Strangpressen hergestellt werden.
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Eine weitere Variante des Mikrofilmträgers ist in Fig. 8
gezeigt. Dieser Träger umfasst ein gewelltes Plattenelement,
das ebenfalls aus Kunststoff stranggepreßt werden kann. Die
Form kann wie vorstehend erwähnt modifiziert werden,
gleichermaßen können Höhe und Länge der Wellen den speziellen
Anforderungen angepaßt werden. Auch in diesem Fall tritt ein
Abreiben des Mikrofilms auf, wenn die Träger gegeneinander
reiben, da selbstverständlich die Wellen ineinander passen.
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Die in Fig. 9 bis 11 gezeigten Mikrofilmträger können
ebenfalls durch Strangpressen hergestellt werden und haben die
gleichen Eigenschaften wie die zuerst genannten Träger.
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Eine bevorzugte Ausführungsform eines Mikrofilmträgers ist in
Fig. 12 gezeigt. Neben einer Anzahl von konzentrischen
Flossen und radial verlaufenden Rippen an den äußeren
konzentrischen Flossen haben diese Träger zusätzlich nach innen
verlaufende Flossen an den Enden, die ein Verhaken der Träger
verhindern. Die Ausführungsform zeichnet sich durch eine
recht hohe aktive Oberfläche bei gleichzeitig geringen
Produktionskosten aus.
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Zusammengefaßt zeichnen sich die Mikrofilmträger durch eine
nach außen offene Oberflächenstruktur an den Wänden, Flossen
und Stäbchen der Träger aus.
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In Fig. 14 ist ein Satz von Mikrofilmträgern gezeigt, bei
dem kleinere durch Öffnungen in den größeren treten können,
um totes Biogewebe im Inneren der Träger abzureiben. Der
Mikrofilmträger zeichnet sich durch eine große aktive
Oberfläche pro Volumeneinheit auf Grund der abgestuften Größen und
auf Grund der Tatsache, daß die inneren Oberflächen ebenfalls
aktiv sind, aus.
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Durch die Konstruktion des Reaktors und den Betrieb desselben
und die Konstruktion der Mikrofilmträger wird angestrebt, daß
der Mikrofilm oder die Träger prinzipiell aus drei Schichten
bestehen, wobei Sauerstoff in der Lage ist, durch die beiden
ersten Schichten in die darunterliegende Schicht
einzudringen, was die Aktivität der Mikrofilme zu fördern scheint.
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Demgemäß macht es die Erfindung möglich, einen preisgünstigen
Mikrofilmträger zu erzeugen, der eine große Oberfläche hat
und in dem Reaktor suspendiert gehalten werden kann.
Entsprechend kann die Form an die individuellen Anlageneigenschaften
angepaßt werden.
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Obgleich die Erfindung insbesondere auf die Reinigung von
rezirkuliertem Wasser für Wasserkulturen gerichtet ist, ist die
Erfindung nicht auf diesen Zweck beschränkt. Die Erfindung
ist auch in Verbindung mit der Reinigung von kommunalem
Abwasser anwendbar.