DE10361996A1

DE10361996A1 - Mikrobiotische Mischkultur

Info

Publication number: DE10361996A1
Application number: DE2003161996
Authority: DE
Inventors: Christian Uphoff
Original assignee: Umwelttechnik Georg Fritzmeier GmbH and Co KG
Current assignee: Umwelttechnik Georg Fritzmeier GmbH and Co KG
Priority date: 2003-07-08
Filing date: 2003-07-08
Publication date: 2005-02-24
Also published as: US20060270024A1; IL172988A0; RU2374185C2; RS20060002A; CA2531537C; CN1849267A; RU2005141750A; DE10330959A1; DE10330959B4; CA2531537A1; CN100480195C; EP1651575A1; JP2007525314A; WO2005005326A1

Abstract

Offenbart ist eine mikrobiotische Mischung zum Abbau organischer Bestandteile in Fluiden und Feststoffen mit einem Anteil an photosynthetisch arbeitenden und einem Anteil an lichtemittierenden Mikroorganismen in einer biologischen Lösung. Diese enthält noch einen Anteil an Nano-Composite-Materialien, deren Oberfläche mit einer photokatalytisch wirksamen Schicht versehen ist.

Description

Mikrobiotische Mischkultur zum Abbau von organischen Schadstoffen in Fluiden (Gasen, Flüssigkeiten) oder im Porensystem von Feststoffen, beispielsweise von kontaminierter Bausubstanz gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Der zuverlässige Abbau organischer Schadstoffe im Abwasser, Abluft oder in Feststoffen, beispielsweise kontaminierter Bausubstanz, in deren Porensystem sich während der zurückliegenden Hochwasser Ölrückstände gesammelt hatte, die durch austretendes Heizöl verursacht wurden, ist eine wesentliche Anforderung an moderne Aufbereitungsanlagen.
In den Druckschriften DE 100 62 812 A1 und DE 101 49 447 A1 wird vorgeschlagen, diese unerwünschten organischen Bestandteile in Fluiden und Feststoffen durch eine mikrobiotische Mischung abzubauen, die einen Anteil an photosynthetisch wirkenden und einen Anteil an lichtemittierenden Mikroorganismen enthält. Diese Mischkultur wurde mit großem Erfolg bei der Reinigung von kommunalem und industriellem Abwasser sowie bei der Sanierung von mit Ölrückständen kontaminierter Bausubstanz eingesetzt.
In der nachveröffentlichten Patentanmeldung DE 102 53 334 erfolgt eine Weiterbildung der mikrobiotischen Mischkultur dadurch, dass diese so modifiziert ist, dass während des Abbauprozesses Photosensiblisatoren in die Zellen der organischen Schadstoffe eingelagert werden und dann durch Anregung dieser Photosensibilisatoren mit Licht Singulett-Sauerstoff oder sonstige Radikale gebildet werden, die den Abbau der organischen Bestandteile beschleunigen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die biologische Mischkultur so weiterzuentwickeln, dass deren Effektivität beim Abbau organischer Bestandteile weiter verbessert wird.
Diese Aufgabe wird durch eine mikrobiotische Mischkultur mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß enthält die mikrobiotische Mischkultur neben einem Anteil an lichtemittierenden Mikroorganismen und photosynthetisch arbeitenden Mikroorganismen noch einen Anteil Nano-Composite-Material dessen Oberfläche mit einer photokatalytisch wirksamen Schicht versehen ist. Es zeigte sich überraschender Weise, dass durch diese Nano-Composite-Materialien der Abbau der organischen Bestandteile gegenüber den bekannten Lösungen weiter verbessert werden kann. Diese zusätzliche Verbesserung beruht vermutlich darauf, dass neben den in den eingangs genannten Patentanmeldungen beschriebenen photodynamischen Abläufen aufgrund der Wirkung der bekannten Mikroorganismen und/oder der Bildung des Singulett-Sauerstoffs, die Umsetzung der organischen Bestandteile dadurch beschleunigt wird, dass die photokatalytisch beschichteten Nano-Composite-Materialien durch das beim Abbau der organischen Bestandteile entstehende Magnetfeld zu Schwingungen angeregt werden. Durch die freigesetzte Schwingungsenergie kommt es zu einer biokatalytischen Reaktion, wobei durch die Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie der Abbau durch zusätzliche Bildung von Singulett-Sauerstoff oder sonstigen Radikalen unterstützt wird.
Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, wenn die Nano-Composite Materialien als Faserwerkstoff mit einer Länge zwischen 20 und 100 nm und einem Durchmesser zwischen 2 und 10 nm ausgebildet ist.
Die photokatalytisch wirksame Beschichtung wird vorzugsweise aus Titandioxid und Indium-Zinnoxid ausgebildet.
Das Nano-Composite-Material selbst besteht aus einem piezielektrisch wirksamen Material (PZT). Sonstige vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer Figur am Beispiel einer Abwasserreinigung beschrieben.
Zur mechanischen Reinigung von Abwasser in Gebieten, in denen kein eigener Anschluss an eine Sammelentwässerung vorliegt, werden häufig Mehrkammer-Absetzgruben verwendet, in denen die gelösten Stoffe durch Absetzen zum Boden oder durch Aufschwimmen zur Oberfläche aus dem Abwasser entfernt werden. Diese Absetzgruben sind in der Regel als Zwei- oder Dreikammergruben aufgebaut, die in einem gemeinsamen Behältnis aufgenommen sind.
Da derartige Mehrkammer-Absetzgruben den gesetzlichen Regelungen jedoch nicht mehr genügen, werden diese mit einer biologischen Stufe versehen bzw. alte Anlagen mit einer biologischen Stufe nachgerüstet, wie Sie in der Stammanmeldung der DE 103 30 959 beschrieben ist. Dieser biologische Nachrüstsatz arbeitet mit einer mikrobiotischen Mischung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die mikrobiotische Mischung besteht bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Anteil photosynthetisch wirkenden und einem Anteil lichtemittierenden Mikroorganismen. Das Wechselspiel zwischen den photosynthetisch arbeitenden Mikroorganismen und den Leuchtbakterien führt dazu, dass die photosynthetisch arbeitenden Mikroorganismen durch das emittierte Licht zur Photosynthese angeregt werden. Die Mikroorganismen betreiben die Photosynthese mit Schwefelwasserstoff und Wasser als Edukt und setzen Schwefel bzw. Sauerstoff frei. Ferner können sie Stickstoff sowie Phosphat binden und organische sowie anorganische Materie abbauen. Hinsichtlich der konkreten Zusammensetzung dieser mikrobiotischen Mischkultur wird der Einfachheit halber auf die Patentanmeldungen DE 100 62 812 A1 und DE 101 49 447 A1 der Anmelderin verwiesen.
Der mikrobiotischen Mischung sind als weitere Bestandteile Nano-Composite-Materialien zugefügt. Es handelt sich dabei um piezoelektrisches Keramik-System aus PZT-Kurzfasern mit einer Länge von 20 bis 50 nm. Diese Kurzfasern sind photokatalytisch beschichtet, wobei als Beschichtungsmaterial beispielsweise Titandioxid oder IndiumZinnoxid verwendet wird.
Durch Zusammenwirkung der mikrobiotischen Mischung sowie der katalytischen Oberflächen der Nano-Composite-Materialien kommt es zu einem photodynamischen Abbau organischer Substanzen. Der photodynamische Abbau von Substanzen ist im Prinzip in der Anmeldung DE 102 53 334 der Anmelderin beschrieben. Mit Hinweis auf diese Anmeldung werden hier nur die wesentlichen Schritte dieses photodynamischen Abbaus erläutert.
Dieser Ablauf ist in der schematischen Darstellung gemäß der Figur dargestellt.
In einem ersten Schritt kommt es zu einer Einschlussflockung der organischen Bestandteile, wobei während dieser Einschlussflockung Energie freigesetzt wird.
Zur Überwindung von Grenzflächen zwischen den organischen Bestandteilen und dem Abwasser werden von den Mikroorganismen Bio-Tenside (Gallensäure) produziert, welche zur Kontaktflächenversäuerung führen. Diese Bio-Tenside sind von Mikroorganismen produzierte grenzflächenaktive Substanzen, die stabilisierend wirken und es den Bakterien ermöglichen, mit den Kontaminenten in Kontakt zu treten und sie aufzulösen. Durch eine Kontaktflächenversäuerung kommt es zur Erhöhung der Grenzflächenleitfähigkeit. An der Grenzfläche zwischen Flocke und Fluid bilden sich durch isomorphen Austausch von Gitteratomen negative Oberfächenladungen aus, die eine Anlagerung von Kationen des Elektrolyten zur Folge hat (Stern-Schicht). In der sich daran anschließenden Schicht bewirkt die Diffusion der Ionen eine allmähliche Erniedrigung der Kationen- und Erhöhung der Anionenkonzentration. Die Nano-Composite-Materialien werden dann zum Schwingen angeregt und des kommt durch die Eigenschwingung dieser Elemente bei 50 bis 500 Kilohertz zur Phosphoreszenz, einer Form der Lumineszenz, bei der im Gegensatz zur Fluoreszenz die Emission von Licht mit einer zeitlichen Verzögerung erfolgt. Durch diese Anregung wird Energie in Form von Strahlung meist größerer Wellenlänge (354 bis 450 nm) abgegeben.
Durch die freigesetzte Schwingungsenergie kommt es zum Phosphorisieren von in der Mischkultur vorhandenen Pilzen durch Anregung und zu der biokatalytischen Reaktion der Biolumineszenz von Bakterien (vibrio fischeri). Durch diese Biolumineszenz kommt es zu einer Freisetzung von fluoreszierenden Protein (sea Anemone^® anemonia sulcata), welches hellrot (633 nm) unter blauem Licht fluoresziert.
Durch die Mikroorganismen werden Farbpigmente, beispielsweise Monascus pururus, Limicola-Nadson (Zellfarbstoff 2145) und Pseudomonas fluorescens freigesetzt. Mit Hilfe des Bakteriochlorophylls (Cyanobakterien) kommt es zur Chlorophyll A Reaktion mit einer starken grünen Fluoreszenz bei 684 nm. Durch Wechselwirkung mit kaltem blauen Licht kommt es zum Elektronentransfer im Purpurbakterium und zur Freisetzung von Sauerstoff. Durch die Porphyrinsynthese der Cyanobakterien in Verbindung mit Mikroalgen der Spezies (Chlorella vulgaris) und Chitosanlactat sowie durch die Absorption von kaltem blauen Licht (469 bis 505 nm) wird PpIX ähnlich wie eine kleine Batterie aufgeladen und kann so einen Teil der Energie auf normalen Sauerstoff übertragen. Diese "Bio-Brennstoffzellen" nutzen zudem den Zuckerstoffwechsel, indem sie mit Hilfe von Biokatalysatoren Elektronen vom Zucker auf den Sauerstoffwechsel übertragen.
Parallel zur Energieanreichung des durch Photosynthese gebildeten Sauerstoffs wird reaktionfreudiger Singulett-Sauerstoff freigesetzt.
Dieses "nicht-mechanische Zellaufschlussverfahren" setzt vermehrt organisches Material frei und leistet bei deutlich niedrigerem Energieeinsatz vor allem bei grampositiven Bakterien einen sehr hohen Aufschlussgrad.
Die Teil-Mineralisation erfolgt durch den vollständigen anoxischen Abbau der organischen Substanzen in einem Spannungsfeld von 1200 bis 1500 mV. Dieses Spannungsfeld wird aufgebaut zwischen dem hellrot fluoreszierenden Licht (633 nm) und der grünen Chlorophyll-Fluoreszenz (634 nm).
Während der Mineralisation kommt es zur spontanen Huminifizierung, wobei die Schadstoffe und deren Metabolisten biologisch stabilisiert und nicht reimmobilisierbar werden.
Abschließend erfolgt eine vollständige Mineralisation durch Mikroorganismen zu mineralischen (anorganischen) chemischen Verbindungen. Dadurch werden der primär durch Photosynthese in Biomasse festgelegte Kohlenstoff wieder als Kohlendioxid frei (Kohlenstoffkreislauf) und der organisch gebundene Stickstoff, Schwefel und das Phosphat als oxidierte oder reduzierte anorganische Verbindung abgespalten (Stickstoffkreislauf, Schwefelkreislauf), so dass sie der Umwelt erneut als Nährstoffe (Mineralstoffe, Nährsalze) verfügbar sind.
Die photokatalytisch wirksame Beschichtung der Nano-Composite-Materialien ist mit einer Vielzahl von Störstellen/Fehlstellen versehen, die durch die geeignete Prozessführung bei der Herstellung der Nano-Composites gezielt hergestellt werden. Diese Störstellen bilden Durchbrüche, in denen die aus piezoelektrischem Material bestehenden Composite-Fasern direkt in Kontakt mit dem zu reinigenden Fluid und der biologischen Mischkultur gelangen. Es bilden sich an diesen Störstellen keine Anoden aus, wobei die photokatalytisch wirksame Beschichtung negativ geladene Elektronen aufnimmt, so dass makroskopisch gesehen ein Magnetfeld mit wechselnder Polfolge entsteht, über das die Composite-Materialien zu den eingangs beschriebenen Schwingungen angeregt werden.
Wie bereits in der Beschreibungseinleitung erwähnt, ist die Anwendung der mit Nano-Composite-Materialien, bestehend aus einem piezoelektrischen Kern und einer photokatalytisch wirksamen Beschichtung, versetzten mikrobiotischen Mischkultur nicht auf die Reinigung von Abwasser begrenzt sondern diese Mischkultur kann auch zur Reinigung von organisch beladenen Gasen (Luft) oder zur Behandlung von Feststoffen verwendet werden, die mit unerwünschten organischen Bestandteilen kontaminiert sind.
Offenbart ist eine mikrobiotische Mischung zum Abbau organischer Bestandteile in Fluiden und Feststoffen mit einem Anteil an photosynthetisch arbeitenden und einem Anteil an lichtemittierenden Mikroorganismen in einer biologischen Lösung. Diese enthält noch einen Anteil an Nano-Composite-Materialien, deren Oberfläche mit einer photokatalytisch wirksamen Schicht versehen ist.

Claims

Mikrobiotische Mischkultur zum Abbau von organischen Schadstoffen in Fluiden, vorzugsweise Abwasser oder im Porensystem von Feststoffen, beispielsweise kontaminierter Bausubstanz, mit einem Anteil an photosynthetisch arbeitenden und einem Anteil an lichtemittierenden Mikroorganismen in einer biologischen Lösung, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischkultur einen Anteil an piezoelektrisch wirksamen Nano-Composite-Materialien enthält, deren Oberfläche mit einer photokatalytisch wirksamen Schicht versehen ist.
Mischkultur nach Patentanspruch 1, wobei das Nano-Composite-Material eine faserförmige Struktur mit einer Länge von 20 bis 100 nm und einem Durchmesser von 2 bis 10 nm hat.
Mischkultur nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei die Beschichtung aus Titandioxid oder IndiumZinnoxid hat.
Mischkultur nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Beschichtung der Nano-Composite-Materialien zum Ausbilden von Polstellen mehrfach durchbrochen ist.