CN111492048A - 生物反应器及其用途，用于制备有机营养溶液的方法，有机营养溶液，基质材料及其用于培养植物的用途 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及生物反应器(1、2、3)，其用于将有机残余物和/或废料转化为有机营养溶液，所述有机营养溶液具有相对于营养溶液的总氮含量至少10％份额的植物可用矿化氮，所述生物反应器包含反应容器(5)，其中该反应容器(5)具有输入管线(6)，通过该输入管线可将悬浮液(4)导入反应容器(5)，并且其中该反应容器(5)具有输出管线(7)，通过该输出管线可从反应容器(5)排放悬浮液(4)，以及包含通风装置(8)用于通风悬浮液(4)和/或在反应容器(5)内布置的载体元件(10)，其中该载体元件(10)具有至少一个内沉积表面和一个外沉积表面(11)，氨化和/或硝化细菌可在其上以生物膜(12)的形式沉积。

Description

生物反应器及其用途，用于制备有机营养溶液的方法，有机营 养溶液，基质材料及其用于培养植物的用途
本发明涉及生物反应器及其用于将有机残余物和/或废料转化为有机营养溶液的用途，所述有机营养溶液具有相对于营养溶液的总氮含量至少10％比例的植物可用矿化氮，所述生物反应器具有反应容器，其中该反应容器具有输入管线，通过该输入管线可将悬浮液导入反应容器，并且其中该反应容器具有输出管线，通过该输出管线可从反应容器排放悬浮液。
本发明还涉及用于制备具有至少10％比例的植物可用氮的有机营养溶液的方法。
本发明还涉及制备用于培养植物的基质材料的方法。
本发明还涉及有机营养溶液。尤其是，有机营养溶液可为有机植物肥料。
本发明还涉及用于培养植物的基质材料，使用具有氨化和/或硝化细菌的生物膜。本发明还涉及用于培养植物的基质材料的用途。
本发明还涉及在载体元件上以生物膜形式的氨化和/或硝化细菌的用途，用于将有机残余物和/或废料转化为有机营养溶液，所述有机营养溶液具有相对于营养溶液的总氮含量至少10％比例的植物可用矿化氮。
本发明还涉及一种套件，由生物反应器和接种物材料组成，用于接种载体元件和用于形成具有氨化和/或硝化细菌的生物膜。
本发明还涉及一种套件，由载体元件和接种物材料组成，用于接种载体元件和用于形成具有氨化和/或硝化细菌的生物膜。
农业已经通过使用和利用植物和动物残余物和废料而获得了用于植物农业生产的营养物。通常，生态农业强制要求氮可以作为重要的植物营养物，仅以有机形式作为经济/商业肥料例如液体肥料、堆肥或角粉肥料施用。生态产品市场的扩大增加了农场和蔬菜种植者的专业化程度，其它没有畜牧业的农场由于生物质的销售和输出以及缺少肥料而被迫购买和使用有机商业肥料。有相当大比例的未矿化氮即使当对有机肥料的需求量更大时也不可立即被植物吸收。
原则上，无机氮化合物理解为植物可用的氮，即可被植物直接吸收的氮。与此相反，植物的有机氮化合物不可被直接吸收。术语“植物可用的氮”通常是指以铵(NH4 +)和硝酸盐(NO3)形式存在的氮。
目前用于植物的水培、无土或少土培养***使用矿物肥料或矿物有机肥料(将来自工业生产的矿物氮化合物混合到有机材料中的肥料)。由于两个原因不可使用纯的有机肥料材料。一方面，细菌-土壤-植物相互作用在这样的培养体系中非常受限，或者在无土壤方式的情况下消失。另外，通过细菌方式例如依赖外部影响的硝化作用不可在土壤中获得足够数量的植物立即可用的矿化营养物。另外，有机肥料不能实现植物需要的受控、连续和立即的氮释放，尤其是在水培植物***中。
此外，被认为有问题的是有机肥料材料例如堆肥废料等的反应和矿化氮的相关释放取决于多种难以控制的环境因素例如土壤湿度、土壤温度和土壤中有机化合物的不同浓度。在农业应用中，这种缺乏控制导致不及时的提供和过量/不足的氮供应，并导致对经济和环境有害的相反过程，例如反硝化作用。
特别是对于无土/少土的水培法/气培法培养***，向植物提供最佳调节的营养溶液是必要的，因为缺少或减少的土壤没有提供关于营养和水供应的基质缓冲功能。在这些***中使用常规的有机肥料材料是不适合的，因为其中的氮植物不可用或仅不充分地可用。此外，由于进一步发生转化过程，有机肥料材料不能用于在营养溶液中设定确定并稳定的营养浓度。
除了生物农业的基本缺点(其放弃使用工业上获得的矿物氮肥，所述氮肥将是提高产量的主要手段)之外，此外被认为有问题的是，不能及时覆盖通过使用迄今可获得的有机商业肥料和由残余物和废料组成的有机肥料来实现对于植物立即可用的氮尤其在有用植物的后三分之一生长期中的需求。
本发明的目的是提供生物反应器、方法和基质材料，由此能够从有机残余物和/或废料制备纯的有机营养溶液，其中有机营养溶液的植物可用的氮的比例高于迄今可获得的有机肥料。
通过权利要求1的特征实现根据本发明的目的。为了实现上述目的，特别是具有在开篇所述类型的生物反应器的情况下，提出了生物反应器具有通风装置，借助该通风装置可将氧导入反应容器中和其中含有的悬浮液中，使得在反应容器的容纳空间中布置至少一个载体元件，该载体元件具有用于由微生物形成生物膜的沉积表面，其中可用导入的悬浮液和导入的氧冲刷至少一个载体元件，并且载体元件的表面与体积比被设计成大于容纳空间的表面与体积比。因此，取决于生物反应器能够在容纳空间内在沉积表面上的期望位置上形成生物膜。以此，可在沉积表面产生用于氨化和/或硝化细菌的理想生长条件。因此，生物反应器能够更好地支持微生物的期望的转化反应，由此可制备具有较大比例的植物可用的氮的有机营养溶液。可以特别优选的是，载体元件的表面与体积比是容纳空间的表面与体积比的至少八倍。可设计通风单元例如以空气的形式导入氧。
根据有利的改进方案，可由选自以下的材料或两种或更多种材料的组合制备至少一个载体元件：塑料特别是食物中性塑料、矿物特别是沸石和/或橡胶-塑料混合物。在此，适合地可以特别优选的是，塑料是聚丙烯和/或聚乙烯和/或橡胶，因为微生物可特别好地沉积在这些塑料上并且形成生物膜。此外，可以有利的是，聚乙烯-橡胶混合物。还可考虑提供矿物塑料混合物，特别是沸石塑料混合物。
还可以特别有利的是，在孔和/或空腔中至少部分地形成了载体元件的沉积表面。这具有的优点是载体元件具有在载体元件的外部尺寸相对小的情况下尽可能大的可沉积表面。优选地，孔和/或通向空腔的通道可具有10μm至100μm的直径，使得孔和/或通道允许液体和气体的渗透和/或透过和微生物的透过和固着。可特别有利的是，孔是至少部分或绝大部分贯通的，也就是说因此材料特别是开孔的。因此，可实现用悬浮液的特别好的冲洗。
供选择地或补充地，根据另一有利的实施方案，可设计为可从反应容器移除至少一个载体元件，特别是至少一个载体元件是在没有工具的情况下可移除的。特别地，可将载体元件设计为可更换的模块。这具有的优点是能够快速且简单地从反应容器移除和更换载体元件。还可特别有利的是，在容纳空间中布置引导装置，借助该引导装置可以引导方式将载体元件导入容纳空间中，特别是可***载体元件或可将载体元件***容纳空间中。因此，可通过引导装置限定容纳空间内载体元件的位置。
为了促进氧导入反应容器中并且还更好地避免厌氧反应，可设计为可借助通风装置经由气体输入管线将氧导入反应容器中和/或导入至少一个载体元件中。可以有利的是，通风装置具有至少一个压缩机或气体连接部以便能够更好地调节导入。优选地，气体输入管线可独立于输入管线和输出管线，使得可彼此相互独立地导入氧和悬浮液。还可例如以空气的形式导入氧。这具有的优点特别是没有导入纯氧，而是导入无限量获得的再循环空气。
供选择地或补充地，可在反应容器的底部上形成通风装置、特别是一个或该以上已经提到的形成为通风板通风装置，所述通风装置具有多个通风口。特别地，可借助通风装置在反应容器内、优选在容纳空间内产生均匀的气泡密度，使得能够在反应容器内有特别均匀的通风。通风口可优选具有相同的直径和/或可以彼此相同的间距设置。此外，通风装置可具有锥形设计，使得它可更好地防止通风口由于悬浮液的固体颗粒沉降而堵塞。
为了实现在容纳空间内悬浮液的特别好的循环，生物反应器可具有泵装置。泵装置可例如被设计为循环泵或离心泵。此外，可有利的是，借助于泵装置可将悬浮液通过输入管线泵送至反应容器中并且可通过输出管线从反应容器泵出。为了能够调节通过反应容器和/或供应和输出管线的不同的流量，可改变特别是可手动地调节和/或编程泵装置的泵功率。优选地，可借助泵装置在反应容器内产生悬浮液流动方向，所述方向至少部分地与氧流动方向相反和/或至少部分地在氧流动方向上延伸。由此，可实现悬浮液与氧特别好的混合。为了能够借助于生物反应器由多个步骤自动进行制备方法，可优选地以这样的方式将泵装置编程，使得可自动地调节具有多个子步骤的泵程序。
为了产生微生物的理想的生长和/或反应条件，生物反应器可具有加热装置，借助该加热装置可将反应容器的容纳空间和/或反应容器的容纳空间中含有的悬浮液加热至可调节的温度。特别地，可提供20℃至34℃的温度，优选22℃至32℃的温度。
为了可简单地从生物反应器中移除载体元件，根据有利的改进方案设计为反应容器具有用于填充反应容器的容纳空间的开口，并且生物反应器具有锁合单元，借助该锁合单元可锁合反应容器的开口。可优选借助于锁合单元液体密封地和/或耐压方式封闭反应容器的开口。
为了避免干扰对有机残余物和/或废料转化成有机营养溶液的外部影响，可将反应容器的壁和一个或该之前已经提到的锁合单元设计成不透光的。因此，可改进转换率。
还可有利的是，沉积表面是疏水的。
为了促进微生物固着在沉积表面上，沉积表面可具有比反应容器壁的内侧更高的粗糙度。
为了提供用于微生物沉积的尽可能大的总沉积表面，生物反应器可具有多个载体元件。优选地可将载体元件设计和/或布置为彼此相对运动。优选地，这些载体元件优选宽松地布置在容纳空间内。因此，通过循环悬浮液，载体元件也可通过所产生的流动来循环和/或运动。因此，可改进在载体元件上的气体和悬浮液交换。
根据特别优选的改进方案，可提供多个碎屑、特别是多个由塑料制成的流动碎屑作为载体元件，其中可在反应容器内无序地布置这些碎屑。特别地，由于无序排列，碎屑可能缠结。因此可能的是碎屑的沉积表面不会彼此附着和/或不可被氧充分冲刷，使得不可能发生不期望的反硝化过程。可以特别优选的是，碎屑具有选自以下的一种形状或者多种形状的组合：螺旋形的和/或曲折形的和/或波浪形的碎屑。因此，可特别好地防止碎屑的沉积表面彼此附着或贴附。
碎屑可优选分别具有2cm至10cm的长度和/或0.5cm至1.5cm的宽度和/或50μm至500μm的厚度。
供选择地或补充地，可提供至少一个多孔软管作为载体元件。特别地，软管可横向或平行于导入反应容器中的氧的流动方向布置和/或横向或平行于导入反应容器中的悬浮液的流动方向布置。因此可特别好地冲洗软管。
根据有利的进一步改进方案，可设计为可通过气体输入管线将氧导入通过一个或该上述软管。特别地，这种气体输入管线可设计为旁路气体管线，其从主气体管线分支，优选分支到通向通风装置或前面提到的通风装置的主气体管线。因此，能够特别好地供应氧至沉积于软管壁内侧的微生物。生物反应器优选具有多个设计为软管的载体元件。还可设计为软管集成在容纳空间内部延伸的管线中。所述管线可与输入管线和/或输出管线连接。在软管之前和/或之后，可优选地将截止阀***容纳空间内部的管线中。因此，可以简单的方式通过关闭沿流动方向布置在软管下游的截止阀来提高软管内部压力，由此悬浮液的流动可至少暂时地被引导通过软管壁中的孔，或者通过关闭沿流动方向布置在软管之前的截止阀，可防止悬浮液导入软管中。
根据另一有利的改进方案，可设计为载体元件被设计为沸石颗粒。特别地，沸石颗粒可具有0.6mm至1.0mm的粒度。优选地，沸石颗粒和/或其他载体材料可布置在反应容器内布置的收集单元(优选被设计为织物袋)中。以这种方式，能够防止载体材料被冲入容纳空间内通风差和/或混合差的区域中。
供选择地或补充地，可在一个或该上述收集单元的一个或该上述收集单元的底部上布置另外的通风装置，通过该通风装置可将氧导入沸石颗粒和/或其它载体元件中。另外的通风装置可优选与从主气体管线分支的旁路气体管线连接。通过另外的通风装置，能够特别好地用氧冲洗沸石颗粒和/或其他载体元件。
为了能够更好地避免悬浮液固体沉积在容纳空间的底部，输入管线可在输出管线上方和/或在与输出管线相同的高度通入反应容器中。因此，沉降的颗粒可优选地在更上方被导入容纳空间中并且可在更下方从容纳空间被排出。
供选择地或补充地，生物反应器可具有多个输入管线和/或多个输出管线。优选地，可通过可调节的悬浮液流动方向来至少部分限定生物反应器的管线在生物反应器的使用过程中是具有输入管线还是具有输出管线的功能。这能够使得优选同时地在反应容器内设置至少两个不同的流动方向，其中现有的管线根据流动方向可用作供应或输出管线。例如，靠近底部的至少两个输出管线可从反应容器导出以便能够更有效地导出沉淀的颗粒和悬浮液。
由此，可在反应容器的容纳空间内实现特别好地循环悬浮液，可借助一个或该本文之前提到的泵装置调节在反应容器内和/或在生物反应器的管线内至少两个悬浮液流动方向。为了实现特别好的循环，供选择地或补充地，输入管线和输出管线可被一个或该以上已经提到的泵装置彼此分开。特别地，生物反应器可具有包括输入管线、输出管线、泵装置和反应容器的悬浮液回路，使得悬浮液可在反应容器内多次导向生物膜。
为了更简单地调节悬浮液流动，可在反应容器与一个或该泵装置之间的输入管线中布置截止阀和/或可在反应容器与一个或该泵装置之间的输出管线中布置截止阀。
根据生物反应器的有利改进方案，从输入管线，特别是在一个或该泵装置下游和/或在一个或该截止阀上游，分支出旁路输入管线，该旁路输入管线通入反应容器中。因此，可额外地通过旁路输入管线将悬浮液导入反应容器中。旁路输入管线可优选具有截止阀。此外，可设计为在通过泵装置改变特别是反转悬浮液流动方向的情况下，旁路输入管线可用作输出管线。因此可提高流动路径的变化性，这导致在反应容器中甚至更好地循环悬浮液。
可特别有利的是，在沉积表面上沉积具有氨化和/或硝化细菌的生物膜。在此，可以提供例如在生物膜上氨化和/或硝化细菌的比例为至少2％、优选至少4％、优选至少6％、优选至少10％、优选至少15％、优选至少20％、优选至少25％、优选至少30％、优选至少40％、优选至少50％、优选至少60％、优选至少70％、优选至少80％、优选至少90％、优选大约100％。
为了产生尽可能大的用于微生物沉积的表面，至少一个载体元件可具有多个沉积表面，其中沉积表面可为弯曲的使得可避免载体元件的沉积表面彼此附着和/或贴附和/或不同载体元件的沉积表面的彼此附着和/或贴附。
还根据本发明用于制备有机营养溶液的独立方法权利要求的特征实现了以上目的。特别地，因此提出用于制备有机营养溶液的方法以便实现所述目的，其中，有机营养溶液具有相对于有机营养溶液的总氮含量至少10％、特别地至少25％、优选至少50％、更优选至少75％比例的植物可用的矿化氮。优选地，植物可用的矿化氮的硝酸盐份额高于铵份额。可特别优选的是在有机营养溶液中存在至少2:1、特别地至少3:1、特别地至少10:1、优选至少25:1、更优选至少50:1的NO3:NH4 +比例。方法包括以下步骤：
-在接种步骤中，用含有氨化和/或硝化细菌的接种物材料接种载体元件，优选如本文描述和要求保护的生物反应器的载体元件，
-在载体元件上形成具有氨化和/或硝化细菌的生物膜，
-在培育步骤中，用生物膜特别地在反应容器中培育有机残余物和/或废料，其中氨化和/或硝化细菌将残余物和/或废料上有机结合的氮转化为矿化氮。
通过该方法，能够首次从有机残余物和/或废料制备可用作植物肥料的有机营养溶液，并且由于特殊的方法，显著提高了植物可用氮的比例。根据优选实施方案，还可在植物可用氮的情况下实现硝酸盐与铵含量比例朝向硝酸盐显著偏移。特别地在无土水培***中，植物主要依赖于硝酸盐，因为这可更好地被吸收。另外，还能够显著减小在有机残余物和/或废料情况下经常出现的臭味，并且该臭味可尤其是由铵而引起的，直至成品有机营养溶液中的臭味完全中和。
还根据本发明，通过用于制备用于培养植物的基质材料的独立方法权利要求的特征实现了以上目的。特别地，为了实现所述目的，因此提出用于制备用于培养植物的基质材料的方法，其包括以下步骤：
-在接种步骤中，用含有氨化和/或硝化细菌的接种物材料接种载体元件，优选根据前述权利要求之一的生物反应器的载体元件，
-在载体元件上形成具有氨化和/或硝化细菌的生物膜。
通过以上描述的方法，因此，能够用氨化和/或硝化细菌接种载体元件并且允许生物膜由此生长在载体材料上。然后可例如在如本文描述和要求保护的生物反应器中或作为如本文描述和要求保护的基质材料使用载体元件。
以下有利的改进方案涉及以上描述的两种方法。
为了能够实现特别好的接种和/或转化，可以液体形式使用接种物材料和/或有机残余物和/或废料。优选地，可以悬浮液形式使用接种物材料和/或有机残余物和/或废料。因此能够用接种物和/或有机残余物和/或废料特别好地润湿载体元件。此外，能够特别简单地进行且有效的循环有机残余物和/或废料。为此，例如，可提供作为固体存在的接种物材料和/或有机残余物和/或废料与水的混合以便制备悬浮液。
可有利的是，使用接种物材料或一种或多种选自以下的接种物材料的组合：堆肥特别是树皮堆肥，蠕虫***物特别是雨虫***物，土壤特别是大田土壤。除了氨化和/或硝化细菌之外，这些接种物材料额外地含有黏液和/或蛋白质物质，这促进生物膜在载体元件上形成并使生物膜稳定。原则上，居住在地下的蠕虫***物是合适的，因为它们富含氨化和/或硝化细菌。
根据特别有利的实施方案，有机残余物和/或废料的有机材料比例可为5％-60％。
供选择地或补充地，有机残余物和/或废料的碳/氮比可为11或更小。值大于11时，转化率退化。
此外，可有利的是，总氮含量相对于有机残余物和/或废料的总重量为至少0.3％。
还可设计为硝酸盐结合的氮相对于有机残余物和/或废料的植物可用的氮的总含量的比例小于铵结合的氮的比例。通过该方法可变换这一比例，使得多数存在硝酸盐而非铵。
为了提供用于氨化和/或硝化细菌的理想生长条件，可在20℃至34℃、优选22℃-32℃的温度下、特别地在恒定温度下进行单个或所有的方法步骤。
为了防止由于厌氧反硝化细菌而造成的不期望的反硝化反应过程和向需氧的氨化和/或硝化细菌充足地供应氧，可在进行单个或所有的步骤的过程中将氧导入反应容器中和/或载体元件中。
为了能够更好地防止在接种过程中厌氧菌的沉积，可在接种步骤期间循环接种物材料。特别地，多次和/或在不同的流动方向上通过优选其中布置载体元件的闭合回路来泵送接种物材料。特别地，固定至载体元件的接种物材料和部分生物膜可通过循环撕脱并在不同位置重新附着。这种撕脱和重新附着促进细菌生长。
供选择地或补充地，可在培育步骤期间循环有机残余物和/或废料以便更好地防止固体沉积和厌氧降解过程的发生。特别地，可多次和/或在不同的流动方向上通过优选其中布置了载体元件的回路来泵送有机残余物和/或废料。
为了能够进一步提高细菌的转化效率，可将接种步骤分为具有连续通风和/或循环的第一阶段和具有不连续通风和/或循环的第二阶段。在第二阶段过程中，可优选进行通风暂停和/或循环暂停，特别是30-50分钟/小时。
还可有利的是，在不同的反应容器中进行接种步骤和培育步骤。优选地，在接种步骤过程中使用的反应容器可比在培育步骤过程中使用的反应容器具有更小的体积。
还可设计为培育步骤具有氨化步骤和/或硝化步骤，其中在氨化步骤过程中通过生物膜的氨化细菌将有机结合的氮从有机残余物和/或废料转化成铵，和/或其中在硝化步骤过程中通过生物膜的硝化细菌将铵转化成硝酸盐。取决于使用哪种有机残余物和/或废料和哪种具有起始份额的植物可用氮的，还可提供仅一个硝化步骤。特别地，可进行培育步骤直至有机营养溶液中含有的硝酸盐多于铵，优选直至N03：NH4 +比例为至少为2:1，特别是至少3:1，优选至少10:1，优选至少25:1，更优选至少50:1。为了确定存在多少比例的植物可用的氮，可优选以规律的间隔或连续地进行测量步骤。可使用对于本领域技术人员已知的测量方法来测定硝酸盐浓度和/或铵浓度和/或总氮浓度。
根据特别有利的改进方案，可使用至少一个多孔软管、特别是多孔的橡胶-塑料软管作为载体元件，采用暂时分开的方式将氧和接种物材料和/或氧和残余物和/或废料导入软管中。优选地，在接种步骤过程中和/或在培育步骤过程中，可改***管内部压力，特别是通过在一段时间内提高接种物材料和/或残余物和/或废料通过软管的流速和/或通过在一段时间内提高氧通过软管的体积流量。载体元件的多孔软管形状具有的优点是为微生物产生相对大的沉积面积。特别地通过开孔设计，被挤压通过软管的悬浮液还可额外地通过穿透软管壁的孔排出。因此，一方面，能够特别好地接种所有沉积表面，并且另外能够特别好地向生物膜的细菌提供氧和营养。特别地，软管可设计为柔性的，亦即可伸展的，这具有在软管内压力提高的情况下可扩大孔直径的优点。因此，可至少在短时间内实现通过孔的流量提高，例如以便实现在软管内更好的循环悬浮液。
为了能够实现特别好的润湿载体材料，载体元件可在接种步骤过程中完全地浸入接种物材料中和/或载体元件可在培育步骤过程中完全地浸入残余物和/或废料中。
本发明还涉及通过如本文描述和要求保护的方法和/或在如本文描述和要求保护的生物反应器中制备的有机营养溶液，特别是有机植物肥料，具有相对于有机营养溶液的总氮含量至少10％、特别地至少25％、优选至少50％、更优选至少75％比例的植物可用的矿化氮。优选地，其中植物可用的矿化氮的硝酸盐份额高于铵份额。进一步优选，在有机营养溶液中存在至少2:1、特别地至少3:1、特别地至少10:1、优选至少25:1、更优选至少50:1的NO3:NH4 +比例。与工业生产的矿物肥料相比，有机营养溶液具有也可用于生物农业的优点。迄今为止，尚未知纯粹由有机残余物和/或废料制成的具有这样高的氮矿化率的有机植物肥料。
有机营养溶液优选是液体肥料。
为了可在生物农业中使有机营养溶液，需要植物可用的矿化氮完全或基本上由有机结合的氮转化，和/或需要有机营养溶液不含工业生产的矿物肥料。工业生产的矿物肥料包括例如通过化学或物理处理从尤其是采矿中开采的原料获得的矿物盐，特别是不具有有机来源的氮肥料。被用作用于制备有机营养溶液的起始材料的有机残余物和/或废料可例如是植物和/或动物废物、发酵残余物，特别是来自沼气工厂、液体粪肥、液体肥料、牲畜厩粪肥、来自食品、饮食和饲料制备的有机二次原料。
本发明还涉及用于培养植物的基质材料，所述基质材料具有通过如本文描述和要求保护的方法和/或借助如本文描述和要求保护的生物反应器制备的氨化和/或硝化细菌生物膜。载体元件可优选具有直径为10μm至100μm的孔和/或空腔。
根据基质材料的有利改进方案，可将载体元件设计为多孔软管。载体元件可优选被设计为由塑料-橡胶混合物制成的软管。在这种情况下，提到生物反应器的载体元件的实施可能性，其也可相对于基质材料使用。
根据基质材料的另外的有利改进方案，可由矿物、特别是由沸石来制备载体元件。特别地，可将载体元件设计为沸石颗粒。沸石特别适合作为土壤助剂，因为由于它的多孔构造，沸石具有由内表面和外表面构成的特别大的表面，所述表面可起沉积表面的作用。因此，尽管相对大的沉积表面，但沸石仍具有相对低的空间要求。
为了能够更好地保护在基质材料接触或附近培养的植物免于缺乏营养和/或水，该载体元件可具有海绵效应，由此基质材料可储存液体。这可例如通过以下实现，载体元件至少部分地由发泡的材料、特别是由发泡的塑料制成。
本发明还涉及氨化和/或硝化细菌以生物膜的形式在载体元件上，特别是在如本文描述和要求保护的生物反应器中，特别是通过如本文描述和要求保护的方法进行，用于将有机残余物和/或废料转化成有机营养溶液的用途，所述有机营养溶液具有相对于营养溶液的总氮含量至少10％、特别是至少25％、优选至少50％、更优选至少75％比例的植物可用的矿化氮。在成品有机营养溶液中优选存在至少2:1、特别地至少3:1、特别地至少10:1、优选至少25:1、更优选至少50:1的NO3:NH4 +比例。
本发明还涉及有机营养溶液的用途，如本文描述和要求保护的用于对植物施肥，特别是用于对根据生态农业标准种植的植物施肥。借助有机营养溶液，与使用常规的有机植物肥料相比，可更好地平衡仅在有用的植物的最后三分之一生长中出现的土壤浸出。
根据有利的实施方案，有机营养溶液可使用在水培种植***中，特别是无土和/或低土的水培种植***中。与其它纯有机植物肥料相比，有机营养溶液还适合使用在无土和/或低土的培养***中，因为植物可用的氮，特别是植物可用的硝酸盐的比例显著高于常规的有机植物肥料。
本发明还涉及用于培养植物，特别地用于培养可用植物的如本文描述和要求保护的基质材料的用途。基质材料可优选在植物土壤中混合，特别是作为土壤助剂混合。特别地，可将其在大田的耕地下混合。因此能够加速在土壤中自然发生的氨化和/或硝化的转化过程。由此，可更迅速地将土壤中有机结合的氮转化成土壤中植物可用的氮。因此，可提高自然土壤的肥力和增产量。
供选择地或补充地，可设计为基质材料用作锚固材料，特别是在水培种植***中。因此，可使用基质材料使得如果不存在所需的土壤或不存在足够形式的土壤，则植物可固定于其上。
根据优选的改进方案，植物可通过它们的根至少部分地与基质材料的载体元件的外侧直接接触。特别地，有机营养溶液，特别是如本文描述和要求保护的，可通过载体元件。优选地，有机营养溶液然后可通过在载体元件壁中的孔从载体元件的内侧扩散和/或挤压至载体元件的外侧。这使得能够对植物特别好地供应营养。因此，例如能够将载体元件放置在耕地中。此外，还可在低土或无土***中使用这种形式的载体元件，如以上已经提到的。
根据特别优选的改进方案，植物可通过它们的根至少部分地与基质材料的载体元件的外侧直接接触，其中有机残余物和/或废料被引导通过载体元件，其中在载体元件中通过生物膜的细菌将残余物和/或废料的有机结合的氮转化成矿化氮，其中矿化氮通过载体元件壁中的孔从载体元件的内侧扩散和/或挤压至载体元件的外侧，并且其中至少部分地与载体元件的外侧接触的植物的根吸收植物可用的矿化氮。因此，有机残余物和/或废料可直接用于植物供应，而不需要提前单独进行的转化为有机营养溶液。令人惊讶地发现,由于有机结合的氮有效转化为植物可用的氮，通过载体元件上的生物膜将氮充分供应给植物。
本发明还涉及一种套件，由如下构成：如本文描述和要求保护的生物反应器，以及接种物材料，所述接种物材料用于接种载体元件和用于形成具有氨化和/或硝化细菌的生物膜。
本发明还涉及一种套件，由载体元件和接种物材料组成，所述接种物材料用于接种载体元件和用于形成具有氨化和/或硝化细菌的生物膜，特别是用于进行如本文描述和要求保护的方法，和/或用于如本文描述和要求保护的生物反应器中，和/或用于如本文描述和要求保护的用途。
现在将参考实施例更详细地解释本发明，但是本发明不限于这些实施例。通过彼此组合单个或多个权利要求的特征和/或将单个或多个权利要求的特征与实施例的单个或多个特征组合从而获得另外的实施例。
实施例
实施例1.
为了进行用于制备有机营养溶液的方法，在以下实施例中使用如本文描述和要求保护的生物反应器。
向反应容器的容纳空间首先添加从生物废物的发酵获得的发酵残余物，其由私人家庭(92％)分开收集、来自食品、饮食和饲料制备的植物材料、来自园艺和景观建造的植物、来自林业、脂肪和脂肪残余物的植物组成，具有小比例的植物可用氮(少于1％)。
供选择地或补充地，可在食品和饲料工业中添加发酵的甜菜糖蜜(酒糟vinasse)作为残余物，其中可用氮比例小于0.5％。
在第一容器中在每种情况下如以上解释的进行载体元件的接种。
然后将处于碎屑形式的具有200g重量和1.76m2估算塑料接触面积的接种的塑料载体材料添加至第二容器并用720ml的有机液体发酵残余物和11l水补充。
发酵残余物具有以下组成：
0.46％N总氮
0.18％N铵氮
0.12％P2O5总磷酸盐
0.42％K20总氧化钾
0.0029％Zn总锌
次要成分：
0.11％MgO总氧化镁
0.04％S硫
0.66％CaO碱性活性成分
6.41％有机物质
体密度1040kg/m3
pH值8.4
起始溶液的总氮因此总计为294mg/l。与11l水一起引入的发酵残余物材料具有起始值(使用来自德国达姆施塔特Merck KGaA,64271的MQuantTM测试条测量)：
ph＝7.4
NH4＝200mg/1对应于NH4-N＝155mg/1
NO3＝0mg/1
在培育步骤过程中，将液体调温至25℃并以每小时6分钟和每天14小时吹入空气。这对应于25.2m3/天的总空气量。
在5天之后，NO3值为250mg/l(对应于56mg/l NO3-N)和NH4值降低至90mg/l(对应于70mg/l NH4-N)。在9天之后，NO3值为最大1000mg/l(226mg/l NO3-N)和NH4值为15mg/l(12mg/l NH4-N)。此时，起始溶液中含有总氮的81％(238mg/l)以植物可用形式存在。氮以NO3与NH4比例为50:1存在。在起始溶液中，39％的总氮直接以植物可用的形式如NH4存在。
在中欧，土壤中平均年矿化速率为有机氮的约1-2％，取决于温度和土壤湿度。以2％的矿化速率，土壤中的总氮含量294mg/l将以每年5.88mg/l矿化。在9天之后，将矿化0.145mg/l。这将导致与土壤矿化相比1500倍高的矿化速率。
实施例2.
在这种情况下，使用酒糟作为有机残余物和/或废料。
将处于碎屑形式的具有150g重量和1.32m2估算塑料接触面积的接种的塑料载体材料添加至第二容器，并且该容器填充有60ml的酒糟和93l水。
酒糟具有以下组成：
4.5％N总氮
0.5％N可用氮
6％K2O总氧化钾
次要成分：
1.5％S水溶性硫
2.5％Na水溶性钠
48％有机物质
密度1360kg/m3
总氮因此总计为40mg/l。与93l水一起引入的酒糟具有起始值(使用来自德国达姆施塔特Merck KGaA,64271的MQuant测试条测量)：
Ph＝6.8
NH4＝20mg/1对应于NH4-N＝16mg/1
N03＝5mg/1对应于N03-N＝1.2mg/1
在培育步骤过程中，将液体调温至25℃并以每小时10分钟和每天14小时吹入空气。这对应于42m3/天的总空气量。
在5天之后，NH4值为45mg/l(对应于35mg/l NH4-N)，并且在9天之后，为最大值80mg/l(对应于62mg/l NH4-N)。在9天之后，NO3值为3mg/l并在第11天提高至最大值240mg/l(50mg/l NO3-N)。此时，NH4值为8mg/l(6mg/l NH4-N)。
此时，起始溶液中含有的总氮的140％*(56mg/l)以植物可用形式存在。氮以NO3与NH4比例为8:1存在。在起始溶液中，11％的总氮以NO3与NH4比例为1:10直接以植物可用的形式存在。
在中欧，土壤中平均年矿化速率为有机氮的约1-2％，取决于温度和土壤湿度。以2％的矿化速率，土壤中的总氮含量40mg/l将以每年0.8mg/l矿化。在9天之后，将矿化0.02mg/l。这将导致与土壤矿化相比2500倍高的矿化速率。
*通过Kjeldahl方法测定总氮。这里主要确定蛋白质部分中含有的氮，氮部分的波动取决于未记录的氨基酸组成。由此得出，在原材料中的实际氮含量高于根据Kjeldahl分析测定的值。
实施例3.
这里使用多孔软管作为载体材料。
借助处于软管形式的接种载体元件，从生物废物的发酵获得的发酵残余物，其由私人家庭(92％)分开收集、来自生活、饮食和饲料制备的植物、来自园艺和景观建造的植物、来自林业、脂肪和脂肪残余物的植物材料组成，具有小比例的可用氮(少于1％)。
供选择地或补充地，可在食品和饲料工业中使用处于软管形式的发酵的甜菜糖蜜(酒糟)作为残余物，其中可用氮比例小于0.5％。
在处于软管形式的载体元件的孔上，在各种情况下具有植物立即可用的矿物N的营养溶液被与所述基质接触的植物根作为植物立即可用的矿物营养溶液吸收。
为此，补充720ml的有机液体发酵残余物和13l水。
发酵残余物具有以下组成：
0.46％N总氮
0.18％N铵氮
0.12％P2O5总磷酸盐
0.42％K20总氧化钾
0.0029％Zn总锌
次要成分：
0.11％MgO总氧化镁
0.04％S硫
0.66％CaO碱性活性成分
6.41％有机物质
体密度1040kg/m3
pH值8.4
起始溶液的总氮因此总计为251mg/l。引入的发酵残余物材料具有起始值(使用来自德国达姆施塔特Merck KGaA,64271的MQuant测试条测量)：
ph＝7.2
NH4＝180mg/1对应于140mg/1NH4-N
NO3＝0mg/1
当测量滴落收集的液体(A)和在软管形式的所接种载体元件的外表面上(B)时，在3天之后：
Figure BDA0002543162330000181
和在5天之后得到以下值：
Figure BDA0002543162330000191
对于平行地供应起始溶液的处于软管形式的未经接种的载体元件，在3天和5天后都获得A和B测量的起始值。
实施例4.
处于软管形式的接种的载体元件填充25ml有机酒糟和10l水。
酒糟具有以下组成：
4.5％N总氮
0.5％N可用氮
6％K2O总氧化钾
次要成分：
1.5％S水溶性硫
2.5％Na水溶性钠
48％有机物质
密度1360kg/m3
起始溶液的总氮因此总计为153mg/l。与10l水一起引入的酒糟具有起始值(使用来自德国达姆施塔特Merck KGaA,64271的MQuant测试条测量)：
pH＝6.5
NH4＝15mg/1对应于12mg/1NH4-N
NO3＝0mg/1
当测量滴落收集的液体(A)和在软管形式的所培育植物基质的外表面上(B)时，
在1天之后：
Figure BDA0002543162330000192
Figure BDA0002543162330000201
在7天之后：
Figure BDA0002543162330000202
在14天之后得到以下值：
Figure BDA0002543162330000203
对于平行地供应起始溶液的处于软管形式的未经接种的载体元件，在1天、7天和14天之后都获得A和B测量的起始值
实施例5.
使用沸石颗粒作为载体元件。
接种的沸石颗粒与植物土壤混合。向沸石-土壤混合物添加从生物废物的发酵获得的发酵残余物，其由私人家庭(92％)、来自食品、饮食和饲料制备的植物、来自园艺和景观建造的植物、来自林业、脂肪和脂肪残余物的植物组成，具有小比例的可用氮(少于1％)。
供选择地或补充地，可在食品和饲料工业中向沸石-土壤混合物添加发酵的甜菜糖蜜(酒糟)作为残余物，其中可用氮比例小于0.5％。
然后将具有400g重量和21.6m2估算接触面积的接种的沸石颗粒添加至第二容器并用440ml的有机液体发酵残余物和28l水补充。
发酵残余物具有以下组成：
0.46％N总氮
0.18％N铵氮
0.12％P2O5总磷酸盐
0.42％K2O总氧化钾
0.0029％Zn总锌
次要成分：
0.11％MgO总氧化镁
0.04％S硫
0.66％CaO碱性活性成分
6.41％有机物质
体密度1040kg/m3
pH值8.4
起始溶液的总氮因此总计为74mg/l。与28l水一起引入的发酵残余物材料具有初始值(使用来自德国达姆施塔特Merck KGaA,64271的MQuant测试条测量)：
ph＝7.4
NH4＝80mg/1对应于56mg/1NH4-N
NO3＝5mg/1对应于1mg/1NO3-N
在5天之后，NO3值为75mg/l(对应于17mg/l NO3-N)和NH4值降低至5mg/l(对应于4mg/l NH4-N)。此时，起始溶液中含有总氮的28％(21mg/l)以植物可用形式存在。氮以NO3与NH4比例为15:1存在。在起始溶液中，77％的总氮以NO3与NH4比例为1:16存在。
以下参考附图更详细地描述生物反应器。
显示：
图1显示具有多个塑料碎屑作为载体元件的生物反应器的第一实施方案变体，
图2显示具有多个沸石颗粒载体元件的生物反应器的第二实施方案变体，所述载体元件布置在生物反应器的容纳空间内的织物袋中，
图3显示具有三个载体元件的生物反应器的第三实施方案变体，所述载体元件每个设计为多孔软管并且在容纳空间内彼此平行地直线连接。
在图1至3中，显示生物反应器的三种不同的实施例，其每个被指定为1、2或3。生物反应器1、2和3被设计为将有机残余物和/或废料转化为具有相对高比例植物可用的矿化氮的有机营养溶液。
因此可借助生物反应器1、2、3进行用于制备有机营养溶液的方法，相对于营养溶液的总氮含量提供至少10％比例的植物可用的氮。此外，在植物可用的矿化氮的情况下，硝酸盐含量比铵含量更高。
生物反应器1、2、3具有反应容器5，其中接入输入管线6和接出输出管线7。悬浮液4可通过输入管线6导入反应容器并且可在通过反应容器5之后通过输出管线7再次排放悬浮液。
生物反应器1、2、3具有通风装置8，可通过该通风装置8优选将氧以空气的形式导入反应容器5。在图1至3说明的实施方案中，通风装置8具有压缩机17。可通过气体输入管线16借助压缩机17将氧以空气的形式导入反应容器5。
三个生物反应器1、2和3区别基本上在于不同的载体元件10，它们分别布置在反应容器5的容纳空间9内。以这样的方式在容纳空间9内布置载体元件10，使得载体元件10能够借助通过输入管线6引入的悬浮液4循环。悬浮液4可以是例如以上描述的有机残余物和/或废料和/或以上描述的有机接种物材料。此外，还以这样的方式布置载体元件10，使得借助通风装置8导入的氧围绕载体元件10优选地基本上在所有面上流动。
载体元件10相对于它们的体积具有特别大的表面积。将载体元件10的表面设计为沉积表面11用于形成生物膜12，其至少部分由氨化和/或硝化细菌组成。因此，沉积表面11例如比反应容器壁的内侧更粗糙。因此，生物膜12的微生物可特别好地附着至沉积表面11并在其上生长。这使得氨化和/或硝化细菌基本上在沉积表面11处能够形成生物膜12，因为可在这里产生理想的生长条件。
图1至3的各种实施方案的载体元件10部分地由不同的材料或几种材料的组合制成。
图1中生物反应器1的载体元件10制备为塑料碎屑13。例如，这些碎屑13可作为在切削加工塑料坯件中的废料而产生。还可以特别有利的是，碎屑由热塑料材料例如聚丙烯和/或聚乙烯组成。以无序方式在反应容器5的容纳空间内布置多个碎屑13。因为碎屑13具有曲面的沉积表面11，其可例如由于碎屑13的弯曲和/或螺旋和/或波浪形状而产生，所以可以简单的方式防止各个碎屑13的沉积表面11彼此附着或沉积。附着或贴附因而是不利的，因为不再确保气体交换和/或循环并因此可形成厌氧细菌的生物膜。这可恰好导致不期望的效果，即尤其是发生反硝化过程。
在图2的生物反应器2中，载体元件10被设计为沸石颗粒14。为了能够防止颗粒14沉积在容纳空间9的流动差或通风差的区域，设计为颗粒14的载体元件10布置在设计为织物袋的收集单元27中。收集单元27可借助悬架固定在容纳空间内部。在收集单元27内布置另外的通风装置28，可通过旁路气体管线25向该通风装置供应氧气。此外，在反应容器5内部延伸的输入管线6通向收集单元27并且在那里结束，由此可将悬浮液4直接导入收集单元27中。收集单元27是开孔的使得悬浮液可从收集单元27排出到容纳空间9中。旁路气体管线25从主气体管线26分支，该主气体管线与通风装置8连接。因此，能够在不需要第二压缩机17的情况下在两个不同的位置将氧导入容纳空间9中。
图3的生物反应器3具有三个载体元件10，所述载体元件每个设计为多孔软管15并且在容纳空间9内彼此平行地集成在管线***中。软管15分别与输入管线6和被设计为旁路气体管线25的气体输入管线16连接。因此，特别是可将悬浮液4和氧在时间上分别地导入软管15中。为了防止氧或悬浮液4导入软管15或多个软管15中，在流动方向上在管线6中在每个软管15之前布置截止阀34。
为了能够，特别是与其它软管15独立地，提高软管15或多个软管15中的软管内压力，在悬浮液4的流动方向上在每个软管15的下游布置另外的截止阀35。通过关闭阀35，可防止悬浮液从软管15通过在容纳空间9内部延伸的输出管线7排出。因此，悬浮液4可通过软管壁中的孔排出到容纳空间9中。因为软管15优选设计成可伸长的，所以通过提高软管15内部的压力可实现增大软管壁中的孔。生物反应器3具有另一输出管线7，在第一输出管线7截止的情况下，悬浮液4可通过该另一输出管线从容纳空间9排出。
通风装置8具有通风板19，该通风板19布置在生物反应器1、2、3的反应容器5的底部18上。通风板19通过气体输入管线16特别是主气体管线26与压缩机17连接。通风板19具有多个均匀分布的通风口20，氧可通过通风口流入悬浮液4中。
生物反应器1、2、3分别具有可特别被设计为离心泵或循环泵的泵装置21。借助泵装置21，能够将悬浮液4通过输入管线6泵入反应容器5并且通过输出管线7从反应容器5泵出。
生物反应器1、2、3因此具有由输入管线6、输出管线7和反应容器5构成的悬浮液回路29，在其中悬浮液4可借助泵装置21循环。以这样的方式设计泵装置21使得在反应容器5内和/或在生物反应器1、2、3的管线内的悬浮液流动方向是可逆的。与多个截止阀30、31、34、35结合，可调节和改变反应容器5内的流动方向。
如在图1至图3中所示，例如通入反应容器5的容纳空间9中的旁路输入管线32可从输入管线6分支。，悬浮液流动方向反向，则多个输入管线6的一个输入管线6可被再用作输出管线7和/或旁路输入管线32可被再用作输出管线7。因此，各个管线的功能与相对于泵装置21预定的悬浮液4的流动方向有关。然而大体上，可以说输入管线6在输出管线7上方或者至少在输出管线7的相同高度上通入反应容器5的容纳空间9中。因此可实现在反应容器5内更好的循环悬浮液。
为了能够从容纳空间9容易取出载体元件10，生物反应器1、2、3在反应容器5的上侧上具有开口23。生物反应器1、2、3在使用时，借助被设计为盖的锁合单元24可将该开口23以液体密封和/或耐压方式封闭。
在容纳空间9的上三分之一中生物反应器1具有分配单元36，由此可将悬浮液4分成多个单射束。由此，一方面可实现分开彼此附着的固体，另一方面可实现悬浮液的额外通风。分配单元36例如可构造为分配板。此外，这种分配单元36还可与图2和3的其它实施方案中或者与权利要求中的特征结合。
生物反应器1、2、3还包含加热装置22，借助该加热装置可将容纳空间9和/或其中含有的悬浮液4加热至期望的温度。
如图3中可看出的，可设计为在旁路气体管线25中布置截止阀33。由此，可防止氧导入反应容器5的容纳空间9中，但是同时可通过通风板19进行通风。
为了至少部分由氨化和/或硝化的细菌产生生物膜12，由颗粒状有机接种物材料与水制备悬浮液。在这种情况下，例如可使用蠕虫***物或蠕虫土作为接种物材料。上面已经详细描述了其它可能的接种物材料。原则上，可以说含有蛋白水解土壤细菌的所有有机物质原则上都适合作为接种物材料。
为了最佳的生物膜形成，通过空气喷射使接种物材料通过循环和涡旋与载体元件10接触。有机接种物材料具有提高浓度的土壤细菌、粘液和其它蛋白质和附着至移除了细菌材料的无机矿物。在另一方面，这些成分有助于将含有的细菌附着在所述载体元件10上并且由此形成生物膜。另外，它们还作为细菌的营养物。这产生了载体元件10，其具有多种定性和定量变化的细菌培养物，该细菌培养物由包括氨化和硝化细菌的大量土壤细菌组成。
在载体元件10上形成生物膜12之后，载体元件10可从第一反应容器5移除并转移至另外的反应容器5。然后可借助生物膜将有机残余物和/或废料转化为有机营养溶液。然而，还考虑了在相同的反应容器5中进行接种步骤和培育步骤。建议在添加有机残余物和/或废料之前从反应容器5移除接种物材料。
本发明因此涉及生物反应器1、2、3，其用于将有机残余物和/或废料转化为有机营养溶液的用途，所述有机营养溶液具有相对于营养溶液的总氮含量至少10％比例的植物可用矿化氮，所述生物反应器具有反应容器5，其中该反应容器5具有输入管线6，通过该输入管线可将悬浮液4导入反应容器5，并且其中该反应容器5具有输出管线7，通过该输出管线可从反应容器5排放悬浮液4，并且生物反应器具有通风装置8用于通风悬浮液4和/或在反应容器5内布置的载体元件10，其中该载体元件10具有至少一个内沉积表面和一个外沉积表面11，氨化和/或硝化细菌可分别在其上沉积在生物膜12中。
参考标记列表
1,2,3 生物反应器
4 悬浮液
5 反应容器
6 输入管线
7 输出管线
8 通风装置
9 容纳空间
10 载体元件
11 沉积表面
12 生物膜
13 碎屑
14 颗粒
15 软管
16 气体输入管线
17 压缩机
18 反应容器的底部
19 通风板
20 通风口
21 泵装置
22 加热装置
23 开口
24 锁合单元
25 旁路气体管线
26 主气体管线
27 收集单元
28 另外的通风装置
29 悬浮液回路
30 截止阀
31 截止阀
32 旁路输入管线
33 截止阀(空气)
34 反应容器中的截止阀
35 反应容器中的截止阀
36 分配单元

Claims (31)

1.生物反应器(1、2、3)，其用于将有机残余物和/或废料转化为具有相对于营养溶液的总氮含量至少10％比例的植物可用矿化氮的有机营养溶液，所述生物反应器具有反应容器(5)，其中该反应容器(5)具有输入管线(6)，通过该输入管线可将悬浮液(4)导入反应容器(5)，并且其中该反应容器(5)具有输出管线(7)，通过该输出管线可从反应容器(5)排放悬浮液(4)，特征在于该生物反应器(1、2、3)具有通风装置(8)，借助该通风装置可将氧导入该反应容器(5)中和该反应容器中含有的悬浮液(4)中，在反应容器(5)的容纳空间(9)中布置至少一个载体元件(10)，该载体元件具有用于由微生物形成生物膜(12)的沉积表面(11)，其中可用导入的悬浮液(4)和导入的氧冲刷和/或冲洗至少一个载体元件(10)，并且该载体元件(10)的表面与体积比被设计成大于该容纳空间(9)的表面与体积比。
2.根据权利要求1所述的生物反应器(1、2、3)，特征在于由选自以下的材料或两种或更多种材料的组合制备至少一个载体元件(10)：塑料特别是食品中性塑料，优选聚丙烯和/或聚乙烯和/或橡胶，矿物特别是沸石，和/或橡胶/塑料混合物，特别是聚乙烯-橡胶混合物，优选其中在孔和/或空腔中至少部分形成载体元件(10)的沉积表面(11)，更优选孔和/或通向空腔的通道具有10μm至100μm的直径，其中孔允许液体和气体的穿过和微生物的侵入和固着，和/或将至少一种载体元件(10)设计为可移除的，特别地通过将载体元件(10)设计为可更换的模块。
3.根据前述权利要求中任一项所述的生物反应器(1、2、3)，特征在于该生物反应器(1、2、3)具有泵装置(21)，尤其具有被设计为离心泵或循环泵的泵装置(21)，借助该泵装置可将悬浮液(4)通过输入管线(6)泵送至反应容器(5)中并且通过输出管线(7)从反应容器(5)泵出，优选其中该泵装置(21)的泵送效率是可变的和/或借助该泵装置悬浮液(4)能够在反应容器(5)内循环，优选其中可借助泵装置(21)在反应容器(5)内产生悬浮液流动方向，该悬浮液流动方向至少部分地与氧流动方向相反和/或至少部分地在氧流动方向上延伸，更优选以这样的方式可将泵装置(21)编程，使得可自动地调节具有多个子步骤的泵程序。
4.根据前述权利要求中任一项所述的生物反应器(1、2、3)，特征在于该反应容器(5)具有用于填充反应容器(5)的开口(23)，并且生物反应器(1、2、3)具有锁合单元(24)，该反应容器(5)的开口(23)借助该锁合单元(24)可锁合，尤其以液体密封和/或耐压方式可锁合，和/或反应容器(5)的壁和一个或该闭合单元(24)设计成不透光的。
5.根据前述权利要求中任一项所述的生物反应器(1、2、3)，特征在于该生物反应器(1、2、3)具有多个载体元件(10)，特别地多个载体元件(10)是相对彼此可移动的，和/或提供多个碎屑(13)特别是多个塑料流动碎屑，其中碎屑(13)无序地布置在反应容器(5)内，尤其使得碎片(13)产生缠结，优选其中碎屑(13)分别具有2cm至10cm的长度和/或0.5cm至1.5cm的宽度和/或50μm至500μm的厚度。
6.根据前述权利要求中任一项所述的生物反应器(1、2、3)，特征在于提供至少一个多孔软管(15)作为载体元件(10)，特别是其中横向或平行于导入反应容器(5)中的氧的流动方向布置软管(15)和/或横向或平行于导入反应容器(5)中的悬浮液(4)的流动方向布置软管(15)，和/或可通过气体输入管线(16)将氧导入通过软管(15)，特别是其中这种气体输入管线(16)被设计为旁路气体管线(25)，其从主气体管线(26)分支、优选分支到通向通风装置(8)的主气体管线(26)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的生物反应器(1、2、3)，特征在于载体元件(10)被设计为沸石颗粒(14)，尤其是具有0.6mm至1.0mm的粒度，优选其中沸石颗粒(14)布置在反应容器(5)内部布置的收集单元(27)中和/或其中在收集单元(27)或收集单元(27)的底部布置另外的通风装置(28)，通过该通风装置可将氧导入沸石颗粒(14)，进一步优选另外的通风装置(28)与从主气体管线(26)分支的旁路气体管线(25)连接。
8.根据前述权利要求中任一项所述的生物反应器(1、2、3)，特征在于该输入管线(6)在输出管线上方(7)和/或在与输出管线(7)相同的高度通入反应容器(5)中和/或该生物反应器(1、2、3)具有多个输入管线(6)和/或多个输出管线(7)，优选其中通过可调节的悬浮液流动方向来至少部分地限定生物反应器(1、2、3)的管线在生物反应器(1、2、3)的使用过程中是具有输入管线(6)还是具有输出管线(7)的功能。
9.根据前述权利要求中任一项所述的生物反应器(1、2、3)，特征在于借助一个或该泵装置(21)可调节在反应容器(5)内和/或在生物反应器(1、2、3)的管线内至少两个悬浮液流动方向，和/或输入管线(6)和输出管线(7)被一个或该泵装置(21)彼此分开，特别是其中生物反应器(1、2、3)具有包括输入管线(6)、输出管线(7)、泵装置(21)和反应容器(5)的悬浮液回路(29)，和/或在反应容器(5)与一个或该泵装置(21)之间的输入管线(6)中布置截止阀(30、31)，和/或在反应容器(5)与一个或该泵装置(21)之间的输出管线(7)中布置截止阀(30、31)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的生物反应器(1、2、3)，特征在于在沉积表面(11)上沉积具有氨化和/或硝化细菌的生物膜(12)，和/或至少一个载体元件(10)具有多个沉积表面(11)，其中沉积表面(11)是弯曲的使得可避免载体元件(10)的沉积表面(11)彼此附着和/或贴附和/或不同载体元件(10)的沉积表面(11)的彼此附着和/或贴附。
11.用于制备有机营养溶液的方法，所述有机营养溶液具有相对于有机营养溶液的总氮含量至少10％、特别地至少25％、优选至少50％、更优选至少75％比例的植物可用的矿化氮，优选其中植物可用的矿化氮的硝酸盐份额高于铵份额，所述方法包括以下步骤：
-在接种步骤中，用含有氨化和/或硝化细菌的接种物材料接种载体元件(10)，优选根据前述权利要求之一的生物反应器(1、2、3)的载体元件(10)，
-在载体元件(10)上形成具有氨化和/或硝化细菌的生物膜(12)，
-在培育步骤中，用生物膜(12)特别地在反应容器(5)中培育有机残余物和/或废料，其中氨化和/或硝化细菌将残余物和/或废料的有机结合的氮转化为矿化氮。
12.用于制备用于培养植物的基质材料的方法，包括以下步骤：
-在接种步骤中，用含有氨化和/或硝化细菌的接种物材料接种载体元件(10)，优选根据前述权利要求之一的生物反应器(1、2、3)的载体元件(10)，
-在载体元件(10)上形成具有氨化和/或硝化细菌的生物膜(12)。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，特征在于使用接种物材料或一种或多种选自以下的接种物材料的组合：堆肥特别是树皮堆肥，蠕虫***物特别是雨虫***物，土壤特别是大田土壤。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，特征在于有机残余物和/或废料的有机材料份额为5％-60％，和/或有机残余物和/或废料的碳/氮比为11或更小，和/或总氮含量相对于有机残余物和/或废料的总重量为至少0.3％，和/或硝酸盐结合的氮份额相对于有机残余物和/或废料的植物可用的氮的总含量小于铵结合的氮的份额。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，特征在于在进行单个或所有的步骤的过程中将氧导入反应容器(5)中和/或载体元件(10)中。
16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，特征在于在接种步骤过程中循环接种物材料，特别是通过多次和/或在不同的流动方向上通过优选在回路(29)中布置载体元件(10)的闭合回路(29)来泵送接种物材料，和/或在接种步骤过程中循环有机残余物和/或废料，特别地多次和/或在不同的流动方向上通过优选在回路(29)中布置载体元件(10)的闭合回路(29)来泵送有机残余物和/或废料，特别是其中固着至载体元件(10)的接种物材料和部分生物膜(12)通过循环撕脱并在不同位置重新附着。
17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，特征在于将接种步骤分为具有连续通风和/或循环的第一阶段和具有不连续通风和/或循环的第二阶段，优选其中在第二阶段过程中，进行通风暂停和/或循环暂停，特别是30-50分钟/小时。
18.根据前述权利要求中任一项所述的方法，特征在于培育步骤包括氨化步骤和/或硝化步骤，其中在氨化步骤过程中通过生物膜的氨化细菌将来自有机残余物和/或废料的有机结合的氮转化成铵，和/或其中在硝化步骤过程中通过生物膜(12)的硝化细菌将铵转化成硝酸盐，特别地直至有机营养溶液中含有的硝酸盐多于铵，优选直至N03：NH4 +比例为至少为2:1，特别是至少3:1，优选至少10:1，优选至少25:1，更优选至少50:1，还优选在分开的反应容器(5)中进行氨化步骤和硝化步骤。
19.根据前述权利要求中任一项所述的方法，特征在于使用至少一个多孔软管(15)、特别是多孔的橡胶-塑料软管作为载体元件(10)，其中采用时间上分开的方式将氧和接种物材料和/或氧和残余物和/或废料导入软管(15)中，优选其中在接种步骤过程中和/或在培育步骤过程中，改***管内部压力，特别是通过在一段时间内提高接种物材料和/或残余物和/或废料通过软管(15)的流量和/或通过在一段时间内提高氧通过软管(15)的体积流量。
20.有机营养溶液，特别是有机植物肥料，通过根据权利要求11至19中任一项的方法和/或在根据权利要求1至10中任一项的生物反应器(1、2、3)中制备，所述有机营养溶液具有相对于有机营养溶液的总氮含量至少10％、特别地至少25％、优选至少50％、更优选至少75％份额的植物可用的矿化氮，优选其中植物可用的矿化氮的硝酸盐份额高于铵份额，更优选其中在有机营养溶液中存在至少2:1、特别地至少3:1、特别地至少10:1、优选至少25:1、更优选至少50:1的NO3:NH4 +比例。
21.根据权利要求20所述的有机营养溶液，特征在于该植物可用的矿化氮完全或基本上由有机结合的氮转化，和/或该有机营养溶液不含工业生产的矿物肥料。
22.用于培养植物的基质材料，其具有带有氨化和/或硝化细菌的生物膜(12)，通过根据权利要求11至19中任一项的方法和/或借助根据权利要求1至10中任一项的生物反应器(1、2、3)制备，优选其中载体元件具有直径为10μm至100μm的孔。
23.根据权利要求22所述的基质材料，特征在于该载体元件(10)被设计为多孔软管(15)，优选由塑料/橡胶混合物制备的软管(15)。
24.根据权利要求22或23所述的基质材料，特征在于该载体元件(10)由沸石制备，特别是其中该载体元件(10)被设计为沸石颗粒。
25.根据权利要求22至24中任一项所述的基质材料，特征在于该载体元件(10)具有海绵效应，由此基质材料可储存液体。
26.氨化和/或硝化细菌的用途，所述氨化和/或硝化细菌以在载体元件(10)上的生物膜(12)的形式，特别是在根据权利要求1至10中任一项的生物反应器(1、2、3)中，用于将有机残余物和/或废料转化成有机营养溶液，所述有机营养溶液具有相对于营养溶液的总氮含量至少10％、特别是至少25％、优选至少50％、更优选至少75％比例的植物可用的矿化氮，特别是借助根据权利要求11至19中任一项的方法进行，更优选其中在有机营养溶液中存在至少10:1、优选至少25:1、更优选至少50:1的NO3:NH4 +比例。
27.根据权利要求22至25中任一项所述的基质材料用于培养植物的用途，优选其中基质材料在植物土壤下混合，特别是在大田耕地下混合和/或其中基质材料用作锚固材料，特别是在水培种植***中。
28.根据权利要求27所述的用途，其中植物通过它们的根至少部分地与基质材料的载体元件(10)的外侧直接接触，特别是其中有机营养溶液，特别是根据权利要求20或21的有机营养溶液，引导通过载体元件(10)，优选其中有机营养溶液通过在载体元件壁中的孔从载体元件(10)的内侧扩散和/或挤压至载体元件(10)的外侧。
29.根据权利要求27或28所述的用途，其中植物通过它们的根至少部分地与基质材料的载体元件(10)的外侧直接接触，并且其中有机残余物和/或废料引导通过该载体元件(10)，其中通过生物膜(12)的细菌将残余物和/或废料的有机结合的氮转化成矿化氮，其中矿化氮通过载体元件壁中的孔从载体元件(10)的内侧扩散和/或挤压至载体元件(10)的外侧，并且其中至少部分地与载体元件(10)的外侧接触的植物的根吸收植物可用的矿化氮。
30.一种套件，由根据权利要求1至10中任一项的生物反应器和接种物材料组成，所述接种物材料用于接种载体元件(10)和用于形成具有氨化和/或硝化细菌的生物膜(12)。
31.一种套件，其由载体元件(10)和接种物材料组成，所述接种物材料用于接种载体元件(10)和用于形成具有氨化和/或硝化细菌的生物膜(12)，特别是用于进行根据权利要求11至19中任一项的方法和/或在根据权利要求1至10中任一项的生物反应器(1、2、3)中和/或用于根据权利要求26至29中任一项的用途。
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