DE69839256T2 - Verfahren zur Herstellung immobilisierte Mikroorganismen enthaltende magnetische Träger - Google Patents

Verfahren zur Herstellung immobilisierte Mikroorganismen enthaltende magnetische Träger Download PDF

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung magnetischer Träger, in denen Mikroorganismen, die für ihr Wachstum in der Stufe der Abwasserbehandlung Träger benötigen, immobilisiert wurden.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Für die Abwasserbehandlung werden Verfahren, die Träger mit immobilisierten Mikroorganismen verwenden, weit verbreitet verwendet. Es wird jedoch gezeigt, daß es Nachteile, wie Beschädigungen von Trägern und Mikroorganismen, gibt, die durch Rühren in einer Trägersuspendierkammer, Druckverlust in einer Festbett-Biomembrankammer, Ausströmen von Trägern in einer Wirbelschicht-Biomembrankammer und Schweben von Trägern, verursacht durch Gase, die in den Trägern gebildet werden, verursacht werden. Um diese Nachteile zu überwinden, ist es wirkungsvoll, die Bewegung von Trägern unter Verwendung von magnetischen Kräften zu steuern, um eine vorbestimmte Menge an Trägern in einer Behandlungskammer stabil aufrechtzuerhalten.
  • Magnetische Träger wurden zum Zweck der raschen Abtrennung und Gewinnung von immobilisierten Materialien, z. B. biologisch aktiven Substanzen, wie Enzymen usw., und Tierzellen, durch Magnetismus von außen entwickelt. Beispielsweise offenbaren die JP-A Nr. 1102/1990 und die JP-B Nr. 16164/1993 magnetische Träger mit Immobilisierung, worin biologisch aktive Substanzen usw. immobilisiert werden, indem zuerst ein einen magnetischen Körper enthaltender Zellkern gebildet wird, dann eine Polymerschicht auf dessen Außenseite auflaminiert wird und durch ein Adsorptionsverfahren, ein kovalentes Bindungsverfahren, ein ionisches Bindungsverfahren, ein Einschlußverfahren, ein Quervernetzungsverfahren usw. biologisch aktive Substanzen usw. auf der Polymerschicht der magnetischen Träger immobilisiert werden. Zu solchen magnetischen Trägern wird berichtet, daß die Dicke der Polymerschicht auf 30% oder weniger des Durchmessers der Träger insgesamt reduziert werden sollte, um zu gestatten, daß der ultraparamagnetische Körper innerhalb der Träger in ausreichendem Maße wirkt ( JP-B Nr. 16164/1993 ). Im Falle von magnetischen Trägern mit immobilisierten Mikroorganismen für die Abwasserbehandlung ist jedoch, wenn die Dicke des Polymers auf 30% oder weniger beschränkt ist, die Menge an darauf immobilisierbaren Mikroorganismen beschränkt, und somit scheint eine Polymerschicht mit einer solchen Dicke nicht effektiv zu sein.
  • Des weiteren sind diese konventionellen magnetischen Träger hauptsächlich auf Abtrennung und Gewinnung ausgerichtet, so daß ein Verfahren zu deren Herstellung das Einstellen des Gehalts an ultra-paramagnetischem Körper, das Einstellen der spezifischen Gravität, die Bildung der Polymerschicht usw. umfaßt und somit kompliziert ist. Andererseits stellen die Abtrennung und die Gewinnung der Träger mit immobilisierten Mikroorganismen ein zusätzliches Ziel bei der Abwasserbehandlung dar, so daß ein Bedarf nach einem einfachen und ökonomisch vorteilhaften Herstellungsverfahren besteht, um diese komplexen Stufen zu eliminieren.
  • Die EP-A-0 881 287 beschreibt einen Träger für die Inkubation von Mikroorganismen, der von einem solchen Typ ist, daß Mikroelemente und anorganische Nährsalze darin diffundiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikroelemente und die anorganischen Nährsalze, die für die Proliferation des Mikroorganismus von Nutzen sind, in einem porösen Material eingeschlossen sind.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung von Trägern mit immobilisierten Mikroorganismen, die eine große Menge an immobilisierten Mikroorganismen aufweisen und deren Bewegung in einer Behandlungskammer mittels magnetischer Kräfte gesteuert werden kann, zur Verwendung bei der Abwasserbehandlung bereitzustellen.
  • Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur effizienten Herstellung dieser Träger bereitzustellen.
  • Wir beschreiben magnetische Träger mit immobilisierten Mikroorganismen, die einen ultra-paramagnetischen Körper und in Polyacrylamidgel eingeschlossene Mikroorganismen umfassen.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung magnetischer Träger mit immobilisierten Mikroorganismen, die einen ultra-paramagnetischen Körper und in Polyacrylamidgel eingeschlossene Mikroorganismen umfassen, wobei der ultra-paramagnetische Körper feine Partikel von ferromagnetischen und ferrimagnetischen Körpern umfaßt, die frei von Restmagnetisierung sind, sobald sie in ein magnetisches Feld gebracht werden, wobei man eine wäßrige Lösung (A), die Acrylamid, ein gelierungsförderndes Mittel, Natriumalginat und einen ultraparamagnetischen Körper enthält, zwischen äußeren und inneren röhrenförmigen Leitungen in einer Düse mit zwei röhrenförmigen Leitungen, die aus einer äußeren röhrenförmigen Leitung und einer inneren röhrenförmigen Leitung, die in die äußere röhrenförmige Leitung eingefügt ist, hindurch passieren läßt, während man eine mikrobielle Suspension (B) durch die innere röhrenförmige Leitung passieren läßt, um die wäßrige Lösung (A) mit der Suspension (B) an der Spitze der Düse mit zwei röhrenförmigen Leitungen unter Ausbildung von Tröpfchen zu mischen, und wobei man die Tröpfchen in eine wäßrige Lösung (C), die Calciumformiat enthält, tropfen läßt.
  • Wir beschreiben auch ein Verfahren zur Behandlung von Abwasser, bei dem die magnetischen Träger mit immobilisierten Mikroorganismen verwendet werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die 1A bis 1C sind Zeichnungen, die eine Skizze eines Verfahrens zur Verwendung der magnetischen Träger mit immobilisierten Mikroorganismen gemäß der vorliegenden Erfindung bei einer diskontinuierlichen Behandlung von Abwasser veranschaulichen.
  • Die 2A und 2B sind Zeichnungen, die eine Skizze eines Verfahrens zur Verwendung der magnetischen Träger mit immobilisierten Mikroorganismen gemäß der vorliegenden Erfindung bei einer Wirbelschichtbehandlung von Abwasser veranschaulichen.
  • Die 3A und 3B sind Zeichnungen, die eine Skizze eines Verfahrens zur Verwendung der magnetischen Träger mit immobilisierten Mikroorganismen gemäß der vorliegenden Erfindung bei einer Wirbelschichtbehandlung von Abwasser veranschaulichen.
  • Die 4A und 4B sind Zeichnungen, die eine Skizze eines Verfahrens zur Verwendung der magnetischen Träger mit immobilisierten Mikroorganismen gemäß der vorliegenden Erfindung bei einer Festbettbehandlung von Abwasser veranschaulichen.
  • Die 5A bis 5C sind Zeichnungen, die eine Skizze eines Verfahrens zur Verwendung der magnetischen Träger mit immobilisierten Mikroorganismen gemäß der vorliegenden Erfindung als verbessernde Materialien für die Abwasserbehandlung oder als Impfmaterialien veranschaulichen.
  • 6 ist eine Zeichnung, die eine Skizze eines Verfahrens zur Verwendung der magnetischen Träger mit immobilisierten Mikroorganismen gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Mischkultursystem für die Abwasserbehandlung veranschaulicht.
  • 7 ist eine Zeichnung, die eine Skizze eines Verfahrens zur Verwendung der magnetischen Träger mit immobilisierten Mikroorganismen gemäß der vorliegenden Erfindung bei der Abwasserbehandlung unter Verwendung einer Behandlungskammer des Extrusionstyps veranschaulicht.
  • 8 ist ein Diagramm, welches die Veränderung über die Zeit bei der Entfernung von Nitrat-Stickstoff durch poröse magnetische Träger mit immobilisierten denitrifizierenden Bakterien bzw. durch nicht immobilisierte denitrifizierende Bakterien zeigt.
  • 9 ist ein Diagramm, welches die Veränderung über die Zeit bei der Entfernung von Nitrat-Stickstoff durch poröse magnetische Träger mit immobilisierten denitrifizierenden Bakterien zeigt.
  • 10 ist ein Diagramm, welches die Veränderung über die Zeit in der Konzentration von Nitrat-Stickstoff durch poröse magnetische PVA-Träger mit immobilisierten denitrifizierenden Bakterien, die 10 g/l (Bezugsbasis Trockenmasse) denitrifizierende Bakterien und 15 g/l Magnetit enthalten, zeigt. Die Kultur wurde mit Heliumgas entgast.
  • Die Bedeutungen der Symbole sind wie folgt: 1, magnetische Träger; 2, Behandlungskammer; 3, Magnet; 4, Magnetspule; 5, Metallkern; 6, Kulturkammer; 7, Elektromagnet; 8, Verteilungsplatte und 9, Permanentmagnet.
  • Ausführliche Beschreibung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung wird unten ausführlich beschrieben.
  • Die magnetischen Träger mit immobilisierten Mikroorganismen, die unter Verwendung der vorliegenden Erfindung hergestellt werden können, umfassen einen ultramagnetischen Körper und in Polyacrylamidgel eingeschlossene Mikroorganismen. Wenn Acrylamidmonomere in einer wäßrigen Lösung in der Gegenwart eines die Gelierung fördernden Mittels polymerisiert werden, bilden sie poröses Polyacrylamidgel. Das resultierende Gel dient als Träger, auf dem eine große Menge an Mikroorganismen immobilisiert werden kann und der eine Form hat, die für das Züchten von Mikroorganismen ebenso geeignet ist wie für die Freisetzung von erzeugten Gasen, und die somit für die Abwasserbehandlung usw. von Vorteil ist.
  • Der ultra-paramagnetische Körper ist ein magnetischer Körper, der, wie feine Partikel eines ferromagnetischen Körpers und eines ferrimagnetischen Körpers, frei von Restmagnetisierung ist, sobald er in ein magnetisches Feld gebracht wird. Anders als übliche magnetische Körper haften sie somit nicht aneinander, nachdem sie aus dem magnetischen Feld entfernt wurden. Diese Eigenschaft ist für die Abwasserbehandlung bevorzugt, und ein solcher ultramagnetischer Körper umfaßt feines Pulver aus Eisenoxid, wie Magnetit, Ferrit usw. Die bevorzugten Partikeldurchmesser liegen üblicherweise im Bereich von etwa 100 Å bis 1 μm.
  • In der vorliegenden Erfindung können beliebige Mikroorganismen verwendet werden, solange sie bei der Abwasserbehandlung verwendet werden können. Beispielsweise kann aktivierter Schlamm oder anaerob verdaubarer Schlamm verwendet werden. Solcher Schlamm kann beispielsweise aus einer Kläranlage gesammelt werden.
  • Wenn die magnetischen Träger mit immobilisierten Mikroorganismen, die durch die vorliegende Erfindung hergestellt werden können, bei der Festbettbehandlung oder Wirbelschichtbehandlung verwendet werden, liegen sie bevorzugt in Form von kugelförmigen Perlen vor. In diesem Fall beträgt der Durchmesser der Perlen bevorzugt 2,0 bis 5,0 mm.
  • Die magnetischen Träger mit immobilisierten Mikroorganismen in Form kugelförmiger Perlen mit einheitlicher Größe können beispielsweise auf die folgende Weise unter Verwendung einer Düse mit zwei röhrenförmigen Leitungen, bestehend aus einer äußeren röhrenförmigen Leitung und einer inneren röhrenförmigen Leitung, die in die äußere röhrenförmige Leitung eingefügt ist, hergestellt werden.
  • Man läßt eine wäßrige Lösung (A), die Acrylamid, ein gelierungsförderndes Mittel, Natriumalginat und einen ultra-paramagnetischen Körper enthält, zwischen der äußeren und der inneren röhrenförmigen Leitung in der Düse mit zwei röhrenförmigen Leitungen hindurch passieren. Gleichzeitig läßt man eine mikrobielle Suspension (B) durch die innere röhrenförmige Leitung der Düse mit zwei röhrenförmigen Leitungen hindurch passieren. Sie werden unmittelbar am Auslaß der Düse unter Bildung von Tröpfchen gemischt. Der Innendurchmesser des Auslasses der äußeren röhrenförmigen Leitung beträgt vorzugsweise 2,0 bis 3,0 mm. Der Innendurchmesser des Auslasses der inneren röhrenförmigen Leitung beträgt vorzugsweise 1,0 bis 1,5 mm. Der Unterschied zwischen dem Innendurchmesser der äußeren röhrenförmigen Leitung und dem Außendurchmesser der inneren röhrenförmigen Leitung beträgt vorzugsweise wenigstens 0,3 mm. Die Fließgeschwindigkeit der wäßrigen Lösung (A) und der Suspension (B) wird so gesteuert, daß sie im Auslaß der Düse Tröpfchen bilden. Das Volumenverhältnis der zugeführten Suspension (B): wäßrigen Lösung (A) wird beispielsweise unter Verwendung einer Walzenpumpe bevorzugt so gesteuert, daß es ein Verhältnis von etwa 3:1 bis 5:4, bevorzugter etwa 5:2,5 bis 5:3 ist.
  • Das gelierungsfördernde Mittel, das zu der wäßrigen Lösung (A) zugegeben wird, umfaßt quervernetzende Mittel, wie N,N'-Ethylen-bis-acrylamid usw., und Polymerisationsinitiatoren, wie N,N,N',N'-Tetraethylethylendiamin usw. Diese können einzeln oder in Kombination verwendet werden. Insbesondere wird bevorzugt eine Kombination von N,N'-Ethylen-bis-acrylamid und N,N,N',N'-Tetraethylethylendiamin verwendet. Die Konzentration von Acrylamidmonomeren in der wäßrigen Lösung (A) beträgt vorzugsweise 15 bis 17% (w/v). Die verwendete Menge an N,N'-Ethylen-bis-acrylamid beträgt vorzugsweise 4,0 bis 5,5 Gewichtsteile pro 100 Teile Acrylamid. Die verwendete Menge an N,N,N',N'-Tetraethylethylendiamin beträgt vorzugsweise 6,0 bis 7,0 Gewichtsteile pro 100 Teile Acrylamid.
  • Natriumalginat wird zu der wäßrigen Lösung (A) zugegeben, so daß, wenn man die oben genannten Tröpfchen in die wäßrige Lösung (C), die Calciumformiat enthält, tropfen läßt, sofort ein Film aus Natriumalginat gebildet wird, wodurch Perlen erhalten werden. Die Konzentration von Natriumalginat in der wäßrigen Lösung (A) beträgt vorzugsweise 0,5 bis 0,9% (w/v).
  • Die Menge an ultra-paramagnetischem Körper; die zu der wäßrigen Lösung (A) zugegeben wird, variiert in Abhängigkeit von dem Typ des verwendeten Polymers und des Herstellungsverfahrens. Wenn Polyacrylamidgel als das Polymer verwendet wird, beträgt die Konzentration des ultra-paramagnetischen Körpers in der wäßrigen Lösung (A) vorzugsweise 1 bis 3% (w/v). Wenn PVA-Gel als das Polymer verwendet wird, beträgt die Endkonzentration des ultraparamagnetischen Körpers in Perlen vorzugsweise 10 bis 50 g/l.
  • Die Suspension (B) umfaßt beispielsweise konzentrierten Schlamm mit flüchtigen, schwebenden Materialien in einer Menge von etwa 0,5 bis 4,0%, bevorzugt etwa 1 bis 3%, erhalten durch Sedimentieren von aktiviertem Schlamm, der aus einer Kläranlage gesammelt wurde, mittels Zentrifugation.
  • Man läßt am Auslaß der Düse gebildete Tröpfchen in die wäßrige Lösung (C), die Calciumformiat enthält, tropfen. Die Konzentration des Calciumformiats in der wäßrigen Lösung (C) beträgt vorzugsweise 2,0 bis 4,0% (w/v). Zum Zwecke der Verstärkung des Films auf Perlen wird vorzugsweise Ammoniumpersulfat usw. zu der wäßrigen Lösung (C) zugegeben. Falls Ammoniumpersulfat verwendet wird, beträgt die Konzentration von Ammoniumpersulfat in der wäßrigen Lösung (C) vorzugsweise 0,3 bis 0,6% (w/v). Wenn man die Tröpfchen auftropfen läßt, bildet sich sofort ein Film aus Calciumalginat, wodurch granuläre Perlen erhalten werden. In einem Gemisch der wäßrigen Lösung (A) und der Suspension (B), eingeschlossen in dem Film aus Calciumalgi nat, werden Acrylamidmonomere mit Quervernetzungsmitteln, wie N,N'-Ethylen-bis-acrylamid usw. quervernetzt, so daß sie unter Bildung eines Gels polymerisiert werden, während der ultraparamagnetische Körper und die Mikroorganismen in dem Gel eingeschlossen werden. Diese Reaktion ist üblicherweise in 30 Minuten bis 1 Stunde abgeschlossen. Auf diese Weise werden die magnetischen Träger mit immobilisierten Mikroorganismen, hergestellt gemäß der vorliegenden Erfindung, in einem Film aus Calciumalginat eingeschlossen erhalten.
  • Der Film aus Calciumalginat, der sich an der Außenseite der Träger gebildet hat, kann durch Lösen in Phosphatpuffer usw. entfernt werden, wodurch die Porosität der Träger verbessert werden kann.
  • Bei der Herstellung der magnetischen Träger mit immobilisierten Mikroorganismen ist es bevorzugt, die wäßrige Lösung (A) und die wäßrige Lösung (C) zuvor auf etwa 3 bis 5°C zu kühlen, um eine Beschädigung der Mikroorganismen durch die chemische Reaktionswärme zu verhindern.
  • Nach der Herstellung der magnetischen Träger mit immobilisierten Mikroorganismen wird der Mikroorganismus anfangs innerhalb der Träger gehalten. Im weiteren Verlauf der Abwasserbehandlung haften die Mikroorganismen jedoch an der porösen Oberfläche der Träger an und wachsen darauf. Wenn die Behandlungseffizienz einen stabilen Zustand erreicht hat, wird sich ein Film aus Mikroorganismen auf der Oberfläche der Träger gebildet haben.
  • Abwasser kann unter Verwendung der magnetischen Träger mit immobilisierten Mikroorganismen, die durch die vorliegende Erfindung hergestellt werden können, in effizienter Weise behandelt werden. Das Verfahren zur Abwasserbehandlung ist nicht speziell beschränkt und umfaßt konventionelle Verfahren, wie das diskontinuierliche Behandlungsverfahren, das Festbettbehandlungsverfahren und das Wirbelschichtbehandlungsverfahren. Die magnetischen Träger mit immobilisierten Mikroorganismen, die durch die vorliegende Erfindung hergestellt werden können, können in jedem der herkömmlichen Verfahren in effizienter Weise verwendet werden.
  • Wenn die magnetischen Träger mit immobilisierten Mikroorganismen, die durch die vorliegende Erfindung hergestellt werden können, beispielsweise bei der diskontinuierlichen Behandlung verwendet werden, können die magnetischen Träger, die in einer Kammer für die diskontinuierliche Behandlung suspendiert sind, in kurzer Zeit aggregiert werden, indem ein magnetisches Feld vom Boden der Behandlungskammer aus angelegt wird, wie in Beispiel 3 unten gezeigt. Dadurch kann die Zeit für die Stufe der Aggregation/Präzipitation in signifikantem Maße reduziert werden. Zusätzlich kann auch die Menge an behandeltem Wasser oder Schlamm, die abgezogen werden soll, auf eine vorbestimmte Menge festgesetzt werden. Auf diese Weise können komplexe Stufen, wie die Handhabung von behandeltem Wasser und Schlamm und die Durchführung einer Fest-Flüssig-Trennung, die herkömmlicherweise in beträchtlichem Maße auf der Erfahrung des Handhabenden beruhen, weggelassen werden.
  • Des weiteren können beispielsweise, wie in den Beispielen 4 und 5 unten gezeigt, die magnetischen Träger mit immobilisierten Mikroorganismen, die durch die vorliegende Erfindung hergestellt werden können, bewegt werden, ohne die magnetischen Träger in der Behandlungskammer zu rühren, indem ein magnetisches Feld von der Außenseite der Behandlungskammer angelegt wird. Dadurch kann eine Beschädigung der Träger und der Mikroorganismen durch eine Rührschaufel oder die Scherkraft eines Wasserstroms usw. verhindert werden. Somit ist, obwohl herkömmlicherweise ein beträchtliches Maß an physischer Festigkeit erforderlich ist, damit Träger gegen Rühren in Suspendierträgern beständig sind, ein solch hohes Maß an Festigkeit für die Träger, die durch die vorliegende Erfindung hergestellt werden können, nicht erforderlich. Des weiteren kann eine Wirbelschicht-Biomembran ausgebildet werden, indem man die Träger konstant oder in kurzen Intervallen bewegt. Die magnetischen Träger können auch sicher in einer Behandlungsvorrichtung gehalten werden, indem durch eine Magnetspule eine nach unten gerichtete magnetische Kraft erzeugt wird. Dadurch können ein Verstopfen der Leitungen, eine Störung der Pumpe usw., die durch ein Ausströmen der Träger verursacht werden, verhindert werden.
  • Zusätzlich kann beispielsweise, wie in Beispiel 6 unten gezeigt, die Bildung eines Abkürzungsweges für Abwasser verhindert werden, und die Behandlungseffizienz wird verbessert, indem in vorbestimmten Intervallen Vibration auf ein Festbett der magnetischen Träger mit immobilisierten Mikroorganismen, die durch die vorliegende Erfindung hergestellt werden können, aufgebracht wird. Durch diese Vibration werden auch Schlammrückstände abgeschüttelt, und somit können ein Verstopfen des Festbetts sowie Druckverlust verhindert werden.
  • Weiterhin kann beispielsweise, wie in den Beispielen 3 und 4 unten gezeigt, eine Abtrennung von Luftblasen, die von den Trägern erzeugt wurden, gefördert werden, indem die magnetischen Träger gewaltsam in Behandlungswasser eingetaucht werden, indem ein magnetisches Feld von der Außenseite der Behandlungskammer her angelegt wird. Dadurch kann verhindert werden, daß die einzelnen Träger oder die gesamte Biomembran schweben.
  • Des weiteren können beispielsweise, wie in Beispiel 7 unten gezeigt, wenn die magnetischen Träger mit immobilisierten Mikroorganismen für die Abwasserbehandlung während der Kultivierung in einer beliebigen Kulturkammer vorrätig gehalten werden, die magnetischen Träger notwendigenfalls durch einen starken Elektromagneten usw. zurückgewonnen werden. Die Behandlungseffizienz kann verbessert werden, indem die wiedergewonnenen magnetischen Träger in eine weitere vorhandene Behandlungskammer überführt werden, und weiterhin können die Träger auch als Impfmaterialien für eine andere Behandlung verwendet werden.
  • Des weiteren können beispielsweise, wie in Beispiel 8 unten gezeigt, die Träger, die durch die vorliegende Erfindung hergestellt werden können, auch für die Behandlung in einem Mischkultursystem verwendet werden. Die Stufe der Abwasserbehandlung verwendet manchmal ein Mischkultursystem von Mikroorganismen. In manchen Fällen ist es vorteilhaft, den Anteil des mikrobiellen Gemischs auf ein geeignetes Verhältnis einzustellen. Die Behandlungseffizienz kann im Vergleich zu einer Behandlung in einem herkömmlichen Mischkultursystem verbessert werden, indem die magnetischen Träger mit verschiedenen Arten von darauf immobilisierten Mikro- Organismen in einem geeigneten Verhältnis in der Kammer 1 bzw. 2 kultiviert werden und indem die besonders geschwindigkeitsbestimmende Behandlung von Mikroorganismen bewußt gesteuert wird.
  • Weiterhin kann beispielsweise, wie in Beispiel 9 unten gezeigt ist, eine große Menge der magnetischen Träger, die durch die vorliegende Erfindung hergestellt werden können, fest an eine Permanentmagnetplatte, die in einer Behandlungskammer des Extrusionstyps bereitgestellt wird, angehaftet werden, was es gestattet, eine hohe Dichte der Mikroorganismen aufrechtzuerhalten, selbst wenn man behandeltes Wasser bei einer beträchtlichen, hohen Geschwindigkeit passieren läßt, und somit wird die Behandlungseffizienz verbessert.
  • Die magnetischen Träger mit immobilisierten Mikroorganismen, die durch die vorliegende Erfindung hergestellt werden können, weisen eine größere Menge an darauf immobilisierten Mikroorganismen auf. Des weiteren kann eine Bewegung der Träger leicht gesteuert werden, indem ein magnetisches Feld angelegt wird. So kann die Abwasserbehandlung in effizienter Weise durchgeführt werden. Zusätzlich können gemäß der vorliegenden Erfindung solche magnetische Träger mit immobilisierten Mikroorganismen leicht hergestellt werden.
  • Beispiele
  • Die vorliegende Erfindung wird unten ausführlicher durch die Beispiele beschrieben, die jedoch den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nicht beschränken sollen.
  • Beispiel 1
  • Herstellung von magnetischen Trägern mit immobilisierten Mikroorganismen
  • 12,5 g Acrylamidmonomer, 0,6 g N',N''-Ethylen-bis-acrylamid, 1 ml N,N,N',N'-Tetraethylethylendiamin und 0,5 g Natriumalginat wurden in destilliertem Wasser (Endvolumen: 75 ml) gelöst, und 1 bis 3% (w/v) Magnetitpulver wurden in der resultierenden Lösung suspendiert, wodurch eine wäßrige Lösung (A) hergestellt wurde.
  • Andererseits wurde aus einer Kläranlage gesammelter Schlamm mittels Zentrifugation so sedimentiert, daß er auf einen Gehalt von etwa 1 bis 3% an flüchtigem, schwebendem Material konzentriert wurde, wodurch eine mikrobielle Suspension (B) erhalten wurde.
  • Man ließ die wäßrige Lösung (A) durch die äußere röhrenförmige Leitung einer Düse mit zwei röhrenförmigen Leitungen (Innendurchmesser des Auslasses der äußeren röhrenförmigen Leitung: 2,0 mm, Innendurchmesser des Auslasses der inneren röhrenförmigen Leitung: 1,5 mm, Außendurchmesser des Auslasses der inneren röhrenförmigen Leitung: 1,7 mm) hindurch passieren, während man die Suspension (B) durch die innere röhrenförmige Leitung passieren ließ, so daß die wäßrige Lösung (A) und die Suspension (B) an der Spitze der Düse unter Bildung von Tröpfchen sofort gemischt wurden. Die wäßrige Lösung (A) war zuvor auf 4°C gekühlt worden. Das Volumenverhältnis der zugeführten Suspension (B): wäßrigen Lösung (A) wurde unter Verwendung einer Walzenpumpe so gesteuert, daß es ein Verhältnis von etwa 5:2,5 bis 5:3 war.
  • Dann ließ man an der Spitze der Düse mit zwei röhrenförmigen Leitungen gebildete Tröpfchen in die wäßrige Lösung (C), die 3% Calciumformiat und 0,5% Ammoniumpersulfat enthielt, tropfen. Die wäßrige Lösung (C) war zuvor auf 4°C gekühlt worden. Als man die Tröpfchen in die wäßrige Lösung (C) tropfen ließ, bildete sich sofort ein Film aus Calciumalginat, wodurch granuläre Perlen erhalten wurden. Die Perlen wurden für 30 Minuten in der wäßrigen Lösung (C) belassen, um die Gelierung durch eine Quervernetzungsreaktion zwischen dem Acrylamidmonomer und dem Quervernetzungsmittel, wie N,N'-Ethylen-bis-acrylamid usw., sowie die einschließende Immobilisierung des ultra-paramagnetischen Körpers und der Mikroorganismen in dem Gel in einem Gemisch aus der wäßrigen Lösung (A) und der Suspension (B), eingeschlossen in einem Film aus Calciumalginat, abzuschließen. Die magnetischen Träger mit immobilisierten Mikroorganismen in Form von kugelförmigen Perlen und mit geeigneter Festigkeit, eingeschlossen in einem Film aus Calciumalginat, wurden auf diese Weise erhalten.
  • Die resultierenden magnetischen Träger wurden mit Wasser gewaschen und dann in 0,05 M Kaliumphosphat eingetaucht, um Calciumalginat aus der Oberflächenschicht zu eluieren, um porösere magnetische Träger zu bilden. Die porösen magnetischen Träger mit immobilisierten Mikroorganismen in Form kugelförmiger Perlen mit einem mittleren Partikeldurchmesser von etwa 3 mm wurden auf diese Weise erhalten.
  • Vergleichsbeispiel 2
  • Herstellung von magnetischen PVA-Trägern mit immobilisierten denitrifizierenden Bakterien zur Eliminierung von N (Nitrat-Stickstoff) aus NO3
  • Magnetische Träger mit immobilisierten Mikroorganismen, die PVA-Gel anstelle von Polyacrylamidgel und denitrifizierende Bakterien als Mikroorganismen (im folgenden bezeichnet als "magnetische PVA-Träger mit immobilisierten denitrifizierenden Bakterien") enthielten, wurden in der folgenden Weise hergestellt.
  • Magnetitpulver wurde in 12% wäßriger PVA-Lösung, die 0,8% Natriumalginat enthielt, suspendiert unter Erhalt einer Endkonzentration von 15 g/l Magnetitpulver in Perlenform, wodurch eine wäßrige Lösung (A) hergestellt wurde.
  • Andererseits wurde eine Kultur von denitrifizierenden Bakterien mittels Zentrifugation auf etwa 50 g/l (Bezugsbasis Trockenmasse) konzentriert unter Erhalt einer mikrobiellen Suspension (B).
  • Die Bildung kugelförmiger Perlen unter Verwendung der Düse mit zwei röhrenförmigen Leitungen wurde in der gleichen Weise durchgeführt wie in Beispiel 1. In diesem Fall wurde das Volumenverhältnis der zugeführten Suspension (B): wäßrigen Lösung (A) durch eine Walzenpumpe so gesteuert, daß 15 g/l Magnetit und 10 g/l (Bezugsbasis Trockenmasse) denitrifizierende Bakterien in den Perlen enthalten waren. Die kugelförmigen Perlen, die erhalten wurden, indem man Tröpfchen in die wäßrige Lösung (C) tropfen ließ, wurden bei –20°C eingefroren und für 24 Stunden so belassen. Durch diese Behandlung wurden die Gelierung durch eine Quervernet zungsreaktion sowie die einschließende Immobilisierung des ultra-paramagnetischen Körpers und der denitrifizierenden Bakterien in das resultierende Gel abgeschlossen. Die magnetischen PVA-Träger mit immobilisierten denitrifizierenden Bakterien in Form kugelförmiger Perlen und mit geeigneter Festigkeit, eingeschlossen in einem Film aus Calciumalginat, wurden auf diese Weise erhalten.
  • Die resultierenden magnetischen Träger wurden mit Wasser gewaschen und dann in 0,05 M Kaliumphosphat eingetaucht, um Calciumalginat aus der Oberflächenschicht zu eluieren, um porösere magnetische Träger zu bilden. Die porösen magnetischen PVA-Träger mit immobilisierten denitrifizierenden Bakterien in Form kugelförmiger Perlen mit einem mittleren Partikeldurchmesser von etwa 3 mm wurden auf diese Weise erhalten.
  • Beispiel 3
  • Verwendung von magnetischen Trägern mit immobilisierten Mikroorganismen bei der diskontinuierlichen Behandlung
  • Eine Abwassersuspension der porösen magnetischen Träger 1 mit immobilisierten Mikroorganismen, erhalten in Beispiel 1, wurde in die Behandlungskammer 2 eingebracht (1A). Dann wurden die magnetischen Träger 1 gewaltsam aggregiert und sedimentiert, indem von dem Magneten 3, der unterhalb der Behandlungskammer 2 plaziert war, ein magnetisches Feld in Aufwärtsrichtung angelegt wurde (1B). Dann wurde der Überstand als behandeltes Wasser abgezogen (1C).
  • Die in der Behandlungskammer 2 verbleibenden magnetischen Träger 1 können zum Impfen für anschließende diskontinuierliche Kulturen verwendet werden. Weiterhin ist die Menge an Mikroorganismen, die in den magnetischen Trägern 1 gehalten werden, nahezu konstant, so daß der Zustrom an Abwasser und die dazu korrespondierende Menge an abgezogenem behandeltem Wasser auf einen konstanten Wert eingestellt werden können.
  • Beispiel 4
  • Verwendung von magnetischen Trägern mit immobilisierten Mikroorganismen bei der Wirbelschichtbehandlung (1)
  • Wie in 2A gezeigt, wurde eine Abwassersuspension der porösen magnetischen Träger 1 mit immobilisierten Mikroorganismen, erhalten in Beispiel 1, in die Behandlungskammer 2 eingebracht, die rundherum mit vier Magnetspulen 4 versehen war. Anschließend wurde ein magnetisches Feld erzeugt, indem elektrischer Strom in zwei Magnetspulen 4 in einem unteren Teil der Behandlungskammer geleitet wurde, wodurch die magnetischen Träger 1 nach unten bewegt wurden (2A). Dann wurde ein magnetisches Feld erzeugt, indem elektrischer Strom in zwei Magnetspulen 4 in einem oberen Teil der Behandlungskammer geleitet wurde, wodurch die magnetischen Träger 1 nach oben bewegt wurden (2B). Durch intermittierendes Wie derholen dieses Vorgangs wurden die magnetischen Träger 1 unter Bildung einer Wirbelschicht bewegt.
  • Beispiel 5
  • Verwendung von magnetischen Trägern mit immobilisierten Mikroorganismen bei der Wirbelschichtbehandlung (2)
  • Eine Abwassersuspension der porösen magnetischen Träger 1 mit immobilisierten Mikroorganismen, erhalten in Beispiel 1, wurde in die Behandlungskammer 2 eingebracht, die in der Mitte mit einem Metallkern 5 versehen und mit einer Magnetspule 4 umwickelt war. Anschließend wurde ein magnetisches Feld erzeugt, indem elektrischer Strom in die Magnetspule 4 geleitet wurde, wodurch die magnetischen Träger 1 um den Metallkern 5 herum aggregiert wurden (3A). Als der elektrische Strom gestoppt wurde, wurden die magnetischen Träger 1 dispergiert (3B). Durch intermittierendes Wiederholen dieses Vorgangs wurden die magnetischen Träger 1 unter Bildung einer Wirbelschicht bewegt.
  • Beispiel 6
  • Verwendung von magnetischen Trägern mit immobilisierten Mikroorganismen bei der Festbettbehandlung
  • Eine Abwassersuspension der porösen magnetischen Träger 1 mit immobilisierten Mikroorganismen, erhalten in Beispiel 1, wurde in die Behandlungskammer 2 eingebracht, die mit Magnetspulen 4 und 4' zu beiden Seiten versehen war. Anschließend wurde ein magnetisches Feld erzeugt, indem elektrischer Strom nur in die linke Magnetspule 4 außerhalb der Behandlungskammer 2 geleitet wurde, wodurch sich die magnetischen Träger 1 auf der linken Seite der Behandlungskammer 2 verdichteten (4A). Dann wurde der elektrische Strom in die linke Magnetspule 4 gestoppt, und ein magnetisches Feld wurde erzeugt, indem elektrischer Strom in die rechte Magnetspule 4' geleitet wurde, wodurch sich die magnetischen Träger 1 auf der rechten Seite der Behandlungskammer 2 verdichteten (4B). Durch intermittierendes Umschalten des Zustands von A zu B und dann von B zu A in Intervallen von wenigen Sekunden können die Bildung eines Abkürzungsweges von Abwasser und ein Verstopfen des Festbetts verhindert werden.
  • Beispiel 7
  • Verwendung von magnetischen Trägern mit immobilisierten Mikroorganismen als die Behandlung verbesserndes Material oder Impfmaterial
  • Die porösen magnetischen Träger 1 mit immobilisierten Mikroorganismen, erhalten in Beispiel 1, wurden in die Kulturkammer 6 eingebracht, und die Mikroorganismen wurden unter den für ihr Wachstum am besten geeigneten Bedingungen kultiviert. Die magnetischen Träger, die eine ausreichende Menge an darauf immobilisierten Mikroorganismen aufwiesen, wurden vorrätig gehalten (5A). Dann wurde ein starker Elektromagnet 7 in die Kulturkammer 6 eingebracht, um die magnetischen Träger 1 wiederzugewinnen (5B), und die wiedergewonnenen magnetischen Träger 1 wurden als die Behandlung verbesserndes Material oder Impfmaterial in die Behandlungskammer 2 eingebracht (5C).
  • Beispiel 8
  • Verwendung von magnetischen Trägern mit immobilisierten Mikroorganismen bei einer Behandlung des Mischkulturtyps
  • Magnetische Träger 1 mit immobilisierten säureproduzierenden Bakterien und Träger 1' mit immobilisierten Methan-produzierenden Bakterien, die gemäß dem Verfahren von Beispiel 7 vorrätig gehalten worden waren, wurden in Behandlungskammern 2 bzw. 2' gehalten und kultiviert (6). Weil die Wachstumsgeschwindigkeit der Methan-produzierenden Bakterien beträchtlich geringer war als diejenige der säureproduzierenden Bakterien, wurde eine größere Menge der Träger 1 mit immobilisierten Methan-produzierenden Bakterien in die Behandlungskammer 2' eingebracht. Ein nach oben gerichtetes magnetisches Feld wurde angelegt, indem elektrischer Strom in die Magnetspule 4 über den Behandlungskammern 2 und 2' geleitet wurde. Dann wurde der elektrische Strom in die Magnetspule 4 gestoppt, und ein nach unten gerichtetes magnetisches Feld wurde angelegt, indem elektrischer Strom in die Magnetspule 4' geleitet wurde. Durch Umschalten der Richtung des magnetischen Feldes in Intervallen von wenigen Sekunden in dieser Weise wurde in jeder Kammer eine Wirbelschicht oder ein Festbett gebildet. Die Überführung von Abwasser aus der Behandlungskammer 2 in die Behandlungskammer 2' wurde durch quantitatives Überlaufen über eine Kerbe, die in dem oberen Teil der Verteilungsplatte 8 vorgesehen war, durchgeführt.
  • Beispiel 9
  • Verwendung von magnetischen Trägern in einer Behandlungskammer des Extrusionstyps
  • 7 ist eine obere Schnittansicht der Behandlungskammer 2, die mit einer Mehrzahl von Permanentmagneten 9 ausgestattet ist. Diese Magnete sind geriffelt, um ihre Oberfläche zu vergrößern und sie auch als Verteilungsplatten dienen zu lassen. Indem gestattet wird, daß eine große Menge an magnetischen Trägern 1 an den Permanentmagneten 9 mit einer großen Oberfläche anhaftet und auf diesen gehalten wird, können die Mikroorganismen in der Behandlungskammer 2 auf einer hohen Konzentration gehalten werden. Man läßt Abwasser mittels Extrusion in Pfeilrichtung durch die Behandlungskammer passieren, während es gleichzeitig durch die auf den magnetischen Trägern 1 immobilisierten Mikroorganismen behandelt wird. Aufgrund von Fixierung durch magnetische Kraft werden die magnetischen Träger 1 fest gehalten, und so strömen die Träger nicht aus, selbst wenn man Abwasser bei einer beträchtlichen hohen Geschwindigkeit passieren läßt.
  • Beispiel 10
  • Entfernung von Nitrat-Stickstoff durch ein diskontinuierliches Behandlungsverfahren unter Verwendung von magnetischen Trägern mit immobilisierten denitrifizierenden Bakterien, um N in Form von NO3 (Nitrat-Stickstoff) zu eliminieren
  • Poröse magnetische Träger mit immobilisierten denitrifizierenden Bakterien wurden in der gleichen Weise hergestellt wie in Beispiel 1. Die porösen magnetischen Träger mit immobilisierten denitrifizierenden Bakterien wurden verwendet, um Abwasser, welches N (in NO3 ) in einer Konzentration von 30 mg/l enthielt, zu behandeln, um eine Veränderung über die Zeit bei der Entfernung von Nitrat-Stickstoff zu untersuchen. Als Vergleichsbeispiel wurden nicht auf den Trägern immobilisierte denitrifizierende Bakterien für eine Behandlung in der gleichen Weise verwendet, um eine Veränderung über die Zeit bei der Entfernung von Nitrat-Stickstoff zu untersuchen. 8 zeigt die Veränderung über die Zeit bei der Entfernung von Nitrat-Stickstoff, wenn die porösen magnetischen Träger mit immobilisierten denitrifizierenden Bakterien bzw. die nicht immobilisierten denitrifizierenden Bakterien verwendet wurden. Wie in 8 zu sehen ist, zeigen die magnetischen Träger mit immobilisierten denitrifizierenden Bakterien eine um etwa das 4-fache höhere Geschwindigkeit der Entfernung von Nitrat-Stickstoff als die nicht immobilisierten denitrifizierenden Bakterien, was eine effiziente Behandlung anzeigt.
  • Beispiel 11
  • Entfernung von Nitrat-Stickstoff durch ein Festbettbehandlungsverfahren unter Verwendung von magnetischen Trägern mit immobilisierten denitrifizierenden Bakterien, um N in Form von NO3 -(Nitrat-Stickstoff) zu eliminieren
  • Poröse magnetische Träger mit immobilisierten denitrifizierenden Bakterien wurden auf die gleiche Weise hergestellt wie in Beispiel 1. Die porösen magnetischen Träger mit immobilisierten denitrifizierenden Bakterien wurden verwendet, um Abwasser, welches N (in NO3 ) in einer Konzentration von 90 mg/l enthielt, durch ein kontinuierliches Behandlungsverfahren zu behandeln, um eine Veränderung über die Zeit bei der Entfernung von Nitrat-Stickstoff zu untersuchen. 9 zeigt die Veränderung über die Zeit bei der Entfernung von Nitrat-Stickstoff durch die porösen magnetischen Träger mit immobilisierten denitrifizierenden Bakterien. Wie in 9 zu sehen ist, zeigen die magnetischen Träger eine hohe Entfernungseffizienz etwa 40 Stunden nach Beginn des Vorgangs. Die mittlere hydraulische Retentionszeit in diesem kontinuierlichen Behandlungsverfahren betrug 24 bis 30 Stunden.
  • Vergleichsbeispiel 12
  • Entfernung von Nitrat-Stickstoff durch ein diskontinuierliches Behandlungsverfahren unter Verwendung von magnetischen PVA-Trägern mit immobilisierten denitrifizierenden Bakterien, um N in Form von NO3 (Nitrat-Stickstoff) zu eliminieren
  • Die porösen magnetischen PVA-Träger mit immobilisierten denitrifizierenden Bakterien, erhalten in Vergleichsbeispiel 2, wurden verwendet, um Abwasser, welches N (in NO3 ) in einer Konzentration von etwa 85 mg/l enthielt, zu behandeln, um eine Veränderung über die Zeit bei der Entfernung von Nitrat-Stickstoff zu untersuchen. Diese Behandlung wurde durchgeführt, indem man 200 ml des Abwassers und 20 g der porösen magnetischen PVA-Träger mit immobilisierten denitrifizierenden Bakterien in einen 300 ml-Erlenmeyer-Kolben einbrachte und das Gemisch mit einem Rührer bei 200 U. p. M. rührte.
  • 10 zeigt die Veränderung über die Zeit bei der Entfernung von Nitrat-Stickstoff durch die porösen magnetischen PVA-Träger mit immobilisierten denitrifizierenden Bakterien. Wie in 10 zu sehen ist, zeigen die porösen magnetischen PVA-Träger mit immobilisierten denitrifizierenden Bakterien eine hohe Entfernungseffizienz etwa 40 bis 50 Stunden nach Beginn des Vorgangs.

Claims (5)

  1. Verfahren zur Herstellung magnetischer Träger mit immobilisierten Mikroorganismen, die einen ultra-paramagnetischen Körper und in Polyacrylamidgel eingeschlossene Mikroorganismen umfassen, wobei der ultra-paramagnetische Körper feine Partikel von ferromagnetischen und ferrimagnetischen Körpern umfaßt, die frei von Restmagnetisierung sind, sobald sie in ein magnetisches Feld gebracht werden, wobei man eine wäßrige Lösung (A), die Acrylamid, ein gelierungsförderndes Mittel, Natriumalginat und einen ultra-paramagnetischen Körper enthält, zwischen äußeren und inneren röhrenförmigen Leitungen in einer Düse mit zwei röhrenförmigen Leitungen, die aus einer äußeren röhrenförmigen Leitung und einer inneren röhrenförmigen Leitung, die in die äußere röhrenförmige Leitung eingefügt ist, hindurch passieren läßt, während man eine mikrobielle Suspension (B) durch die innere röhrenförmige Leitung passieren läßt, um die wäßrige Lösung (A) mit der Suspension (B) an der Spitze der Düse mit zwei röhrenförmigen Leitungen unter Ausbildung von Tröpfchen zu mischen, und wobei man die Tröpfchen in eine wäßrige Lösung (C), die Calciumformiat enthält, tropfen läßt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das gelierungsfördernde Mittel ausgewählt ist unter quervernetzenden Mitteln und Polymerisationsinitiatoren.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das gelierungsfördernde Mittel ausgewählt ist unter N,N'-Ethylen-bis-acrylamid und N,N,N',N'-Tetraethylethylendiamin, welche getrennt oder in Kombination verwendet werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis von (B):(A) von 3:1 bis 5:4 beträgt.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis von (B):(A) von 5:2 bis 5:3 beträgt.
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