PL177517B1 - Podłoże dla procesów biotechnologicznych - Google Patents

Abstract

Podloze dla procesów biotechnologicznych, stanowiace rdzen piankowy o zamknie- tych porach i drobnoporowatej strukturze komórkowej z materialu polimerycznego. w po- staci cylindrycznej wydrazonej ksztaltki o dlugosci 3 - 25 mm, srednicy zewnetrznej 3-25 mm, srednicy wewnetrznej 2-24 mm i gestosci 0,4 - 0,98 g/cm3 , i o powierzchni strukturyzowanej lub profilowanej, znamienne tym, ze stanowi ksztaltke wytloczona z poliolefin albo ich kopolimerów lub terpolimerów, korzystnie z polioctanu winylu, z do- datkiem wodoroweglanów z kwasem cytrynowym i/lub skrobi, i/lub cukru, i/lub wegla aktywnego, w ilosci 0,1 - 2,0%, jako srodków porotwórczych, przy czym ewentualnie jej wewnetrzna i/lub zewnetrzna powierzchnia jest porowata i/lub ma wzdluzne rowki. PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest podłoże dla procesów biotechnologicznych stanowiące podłoże wzrostowe dla mikroorganizmów, które można stosować do uzdatniania wody, obróbki ścieków i osadów oraz w technologii fermentacji.

Znane jest zastosowanie różnego rodzaju podłoży w urządzeniach do obróbki wody i ścieków w celu zwiększenia stężenia biomasy, a zatem i wydajności oczyszczania.

W DD 261 921 A3 opisano sposób wytwarzania ziarnistego podłoża o gęstości poniżej 0,5 g/cm³ dla procesów biotechnologicznych, które to podłoże wytwarza się poprzez termiczne obkurczanie płatków pianki polistyrenowej. Według DD 264 887 Al powierzchnię tego materiału powleka się dodatkowo adsorbentami i/lub obojętnymi wypełniaczami.

Powleczone podłoże opisano również np. w DE 29 45 609 Al, DE 30 06 171 Bl i DE 31 05.887 C2.

Wszystkie te materiały mają tę wadę, że w procesie ich wytwarzania powstają cząstki 0 różnym kształcie oraz różnej wielkości i gęstości, co prowadzi do różnej ich wyporności, wskutek czego trudno jest przeprowadzić odpowiedni proces z ich użyciem w sposób pewny i kontrolowany w określonych warunkach. Ponadto mikroorganizmy gromadzą się wyłącznie na powierzchni podłoża. Dlatego też mikroorganizmy mogą się rozwijać albo tylko w aerobowych, albo tylko w anaerobowych warunkach środowiskowych. W napowietrzanym złożu fluidalnym na podłożach gromadzą się wyłącznie mikroorganizmy aerobowe. Nie występują tu puste przestrzenie, w których ze względu na brak tlenu przebiegają także procesy w warunkach anaerobowych/niedoboru tlenu, np. procesy denitryfikacyjne.

Znane jest także zastosowanie podłoży z materiałów piankowych. W DE 14 59 485 ujawniono pakiet do biologicznej obróbki ścieków, składający się z elementów z obojętnego ekspandowanego materiału polimerycznego, zwłaszcza materiału piankowego, w postaci kostek lub prętów, wytwarzanych np. przez spiekanie. Według DE 31 37 062 zastosowano elementy piankowe o otwartych porach na bazie poliuretanu w formie kształtek. W DD 269 610 Al opisano zastosowanie ściśliwego podłoża o otwartych porach w komorach napowietrzania z osadem czynnym. W DE 37 19 418 Cl podano, że te kształtki z materiału piankowego powleka się warstwą kleju i cząstkami adsorpcyjnymi na lub w otwartych porach.

Materiały te mają tę zaletę, że mikroorganizmy w różnych warunkach środowiskowych gromadzą się nie tylko w warstwach zewnętrznych, lecz również w warstwach wewnętrznych, dzięki czemu można osiągnąć korzystną wydajność oczyszczania, przy czym procesy nitryfikacji i denitryfikacji zachodzą równocześnie.

W praktyce występują jednak problemy związane z tym, że gęstość obrośniętych kostek materiału piankowego wynosi 0,9 - 1,1 g/cm³. Nie jest zatem możliwe skuteczne ich zatrzymywanie w reaktorach za pomocą ochronnych ścianek zanurzonych. Zatrzymać je można

177 517 jedynie za pomocą sit, siatek lub dziurkowanych płyt. W rezultacie tego typu podłoża można stosować tylko w urządzeniach z dobrze funkcjonującym oczyszczaniem wstępnym, przy czym średnica cząstek tych podłoży musi wynosić co najmniej 2 cm. Jednak każde zwiększenie wymiarów pociąga za sobą ograniczenie właściwej powierzchni wzrostowej, a jednocześnie wymaga zwiększenia objętości reaktora bez równoważnego wzrostu aktywności biologicznej. Inną wadą podłoży piankowych jest to, że wzrastające porosty zamykają otwarte pory, a więc poddawany oczyszczaniu czynnik nie może dotrzeć do warstw wewnętrznych.

Celem wynalazku było dostarczenie podłoża dla procesów mikrobiologicznych umożliwiającego obróbkę wody jednocześnie w warunkach aerobowych, jak i anaerobowych/niedoboru tlenu. Także w aerobowym złożu fluidalnym na części powierzchni powinny gromadzić się mikroorganizmy żyjące w warunkach anaerobowych/niedoboru tlenu. Należy zapewnić możliwość wytwarzania materiału o określonym wąskim zakresie gęstości i wielkości wymiarów mającego dużą powierzchnię wzrostową działającą jako adsorbent.

Zgodne z wynalazkiem podłoże dla procesów biotechnologicznych stanowi rdzeń piankowy o zamkniętych porach i drobnoporowatej strukturze komórkowej z materiału polimerycznego, w postaci cylindrycznej wydrążonej kształtki o długości 3-25 mm, średnicy zewnętrznej 3 - 25 mm, średnicy wewnętrznej 2 - 24 mm i gęstości 0,4 - 0,98 g/cm³, i o powierzchni strukturyzowanej lub profilowanej, a cechą tego podłoża jest to, że stanowi kształtkę wytłoczoną z poliolefin albo ich kopolimerów lub terpolimerów, korzystnie z polioctanu winylu, z dodatkiem wodorowęglanów z kwasem cytrynowym i/lub skrobi, i/lub cukru, i/lub węgla aktywnego, w ilości 0,1 - 2,0%, jako środków porotwórczych, przy czym ewentualnie jej wewnętrzna i/lub zewnętrzna powierzchnia jest porowata i/lub ma wzdłużne rowki.

Podstawowy materiał polimeryczny z poliolefin albo ich kopolimerów lub terpolimerów, np. z polioctanu winylu, topi się i po dodaniu środków porotwórczych formuje się w wytłaczarce o specjalnie ukształtowanej dyszy w wydrążone kształtki cylindryczne o określonych wymiarach. W ten sposób wytwarza się piankowe elementy o zamkniętych porach i drobnoporowatej strukturze komórkowej. Jako środek porotwórczy stosuje się 0,1 - 2,0% wodorowęglanów w połączeniu z kwasem cytrynowym i/lub skrobią, i/lub cukrem, i/lub węglem aktywnym. W zależności od użytego środka porotwórczego pory powstają na powierzchni wewnętrznej i/lub zewnętrznej. Powierzchnia jest strukturyzowana lub profilowana. Gęstość materiału powinna wynosić 0,4 - 0,98 g/cm³. Krótko po opuszczeniu dyszy jeszcze nie całkiem utwardzoną powierzchnię można powlekać sorbentami i/lub enzymami, i/lub antygenami, i/lub innymi preparatami biochemicznymi. W celu zwiększenia właściwej powierzchni wzrostowej zastosowana dysza może mieć wzdłużne rowki, dzięki czemu podłoże będzie miało żłobkowaną powierzchnię. Po utwardzeniu wytworzony profil tnie się na odcinki o zadanej długości.

Wytworzone podłoże jest pływalne, łatwo fluidyzowalne oraz bardzo trwałe pod względem mechanicznym i biologicznym. Ma ono dużą, adsorpcyjnie działającą powierzchnię wzrostową. Istnieje możliwość bardzo korzystnego stosowania tego materiału w procesach biotechnologicznych, zwłaszcza w procesach dalszej obróbki ścieków z eliminacją azotu, W zależności od potrzeby podłoża mogą być stosowane w reaktorach ze złożem fluidalnym lub stałym w procesach aerobowych, anaerobowych lub niedoboru tlenu. Bez problemu można zatrzymać cząstki w reaktorach za pomocą ochronnych ścianek zanurzonych. Szczególną zaletąjest to, że w zależności od długości cząstek podłoża można zapewnić istnienie we wnętrzu powierzchni wzrostowych, które także w aerobowym złożu fluidalnym w stanie wyrośniętym nie są zaopatrzone w sposób wystarczający w tlen, wskutek czego istnieją tam środowiskowe warunki anaerobowe/niedoboru tlenu. Tak więc w jednej cząstce podłoża w najwęższej przestrzeni mogą przebiegać jednocześnie procesy w warunkach aerobowych i anaerobowych/niedoboru tlenu. Względny udział powierzchni wzrostowych w warunkach aerobowych i anaerobowych/niedoboru tlenu można regulować poprzez dobór długości poszczególnych cząstek podłoża. Gdy pożądane są głównie procesy aerobowe, np. nitryfikacja lub aerobowy ubytek stężenia BZT, to użyte w tym etapie procesu cząstki podłoża mają długość 3-6 mm. Jeśli cząstki podłoża mają większą długość, do 15-25 mm, to we wnętrzu będą gromadzić się mikroorganizmy zdolne do denitryfikacji.

177 517

Podłoże, jego wytwarzanie i możliwości jego zastosowania opisano poniżej na przykładzie urządzenia do oczyszczania ścieków z dalszą eliminacją azotu drogą nitryfikacji i denitryfikacji.

Polioctan winylu topi się i miesza z 0,6% granulatu zawierającego 40% wodorowęglanu z kwasem cytrynowym jako środkiem porotwórczym. W wytłaczarce ze specjalnie ukształtowaną dyszą mieszankę tę formuje się w wydrążony profil cylindryczny o powierzchni wzdłużnie żłobkowanej. Profil ten ma średnicę zewnętrzną 5 mm i średnicę wewnętrzną 4 mm. Żłobki mają głębokość około 0,6 mm. Na koniec profil po ochłodzeniu w kąpieli wodnej tnie się na odcinki 5 mm. W rezultacie otrzymuje się powierzchnię wzrostową o wielkości ponad 2,7 cm² na jedną cząstkę podłoża, a powierzchnię ponad 950 nr na 1 m³ objętości nasypowej.

W taki sam sposób wytwarza się drugi wsad o cząstkach długości 15 mm.

Drugi wsad wprowadza się do stopnia nitryfikacji, a pierwszy wsad do stopnia denitryfikacji urządzenia do oczyszczania ścieków z eliminacją azotu, za każdym razem w ilości do 45% objętościowych. Podłoże w stopniu nitryfikacji silnie fluidyzuje się za pomocą powietrza pod ciśnieniem, podczas gdy cząstki podłoża w stopniu denitryfikacji utrzymuje się stale w kontakcie z poddawanymi obróbce ściekami za pomocą wolnoobrotowego mieszadła. Wypływające podłoże we wszystkich stopniach procesu zatrzymuje się za pomocą specjalnie ukształtowanych ochronnych ścianek zanurzonych.

W napowietrzanym stopniu nitryfikacji na drodze zaopatrzonej w tlen powierzchni zewnętrznej podłoża osadzają się przede wszystkim mikroorganizmy aerobowe, zwłaszcza bakterie nitryfikujące. Stosunkowo powoli wzrastające bakterie nitryfikujące pozostają stale w tym stopniu i zapewniają dzięki temu stosunkowo krótki czas przemiany biochemicznej zawartego w ściekach azotu amonowego w azotan. Środkowy odcinek we wnętrzu cylindrycznej cząstki jest ze względu na małą turbulencję obrośnięty różnymi mikroorganizmami. Zaopatrzenie w tlen jest w tym obszarze ograniczone. Osadzają się tu przede wszystkim bakterie mogące wzrastać w środowisku anaerobowym i niedotlenionym. Większość tych mikroorganizmów jest w stanie denitryfować azotan wytworzony mikrobiologicznie napowietrzanej powierzchni wzrostowej z wykorzystaniem rozpuszczonych związków węgla w azot cząsteczkowy. Dzięki temu eliminuje się część azotu już w stopniu nitryfikacji.

Całkowity rozkład azotanu zachodzi następnie w nie napowietrzanym stopniu denitryfikacji. W tym samym stopniu na cząstkach podłoża w środowiskowych warunkach anaerobowych/niedoboru tlenu osadzają się przede wszystkim mikroorganizmy, zdolne do wykorzystania tlenu związanego w jonie azotanowym w procesie przemiany materii. Tlen cząsteczkowy opuszcza urządzenie w stanie gazowym.

Dzięki zastosowaniu podłoża według wynalazku w urządzeniu do oczyszczania ścieków z eliminacją azotu można było podwoić dobowe obciążenie na jednostkę objętości w porównaniu ze znanymi wielkościami pomiarowymi do 0,8 - 1,0 kg BZT/m', bez niekorzystnego wpływu na stopień eliminacji. Efekt ten osiąga się dzięki szczególnie wysokiemu stężeniu biomasy w zbiorniku. Pomiary wykazały zawartość do 5 kg suchej substancji biomasy osadzanej na podłożu na 1 m3 objętości nasypowej. W wolnej przestrzeni między elementami podłoża znajdowało się jeszcze około 2,5 kg substancji suchej. Tak więc uzyskano całkowitą zawartość biomasy wynoszącą 7 - 8 kg w przeliczeniu na substancję suchą. Takiego stężenia nie można uzyskać w znanych urządzeniach do obróbki ścieków. Osadnik wtórny potrzebny do oddzielania biomasy od oczyszczonych ścieków można było zmniejszyć o 35% ze względu na duży udział biomasy osadzonej na podłożu. Także ilość zawracanej biomasy można było zmniejszyć o 40% w stosunku do ilości dopływających ścieków. Przy niewielkim obciążeniu dopływającymi ściekami można było całkowicie zrezygnować z zawarcia biomasy.

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 70 egz.

Cena 2,00 zł.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Podłoże dla procesów biotechnologicznych, stanowiące rdzeń piankowy o zamkniętych porach i drobnoporowatej strukturze komórkowej z materiału polimerycznego, w postaci cylindrycznej wydrążonej kształtki o długości 3 - 25 mm, średnicy zewnętrznej 3 - 25 mm, średnicy wewnętrznej 2-24 mm i gęstości 0,4 - 0,98 g/cm³, i o powierzchni strukturyzowanej lub profilowanej, znamienne tym, że stanowi kształtkę wytłoczoną z poliolefin albo ich kopolimerów lub terpolimerów, korzystnie z polioctanu winylu, z dodatkiem wodorowęglanów z kwasem cytrynowym i/lub skrobi, i/lub cukru, i/lub węgla aktywnego, w ilości 0,1 - 2,0%, jako środków porotwórczych, przy czym ewentualnie jej wewnętrzna i/lub zewnętrzna powierzchnia jest porowata i/lub ma wzdłużne rowki.