DE2820086A1

DE2820086A1 - Verfahren zur biologischen reinigung von fluessigen abfaellen

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Publication number: DE2820086A1
Application number: DE19782820086
Authority: DE
Inventors: Refaat M El-Sayed
Original assignee: EL SAYED REFAAT M
Current assignee: EL SAYED REFAAT M
Priority date: 1977-05-09
Filing date: 1978-05-08
Publication date: 1978-11-23
Also published as: CA1108318A; NO781611L; FR2390386A1; JPS5416849A; FR2390386B1; GB1596344A; SE7705386L; NO150035B; US4237003A; DK192078A; SE408165B; NO150035C

Description

Verfahren zur biologischen Reinigung von flüssigen Abfällen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur biologischen Reinigung von flüssigen Abfällen, beispielsweise Abwasser, bei dem in einer Art biologischem Bett die Abfälle mit aktiven Mikroorganismen in Kontakt gebracht werden. Unter aktiven Mikroorganismen sind Organismen zu verstehen,die einen Zusammenbruch oder einen Abbau der in den Abfällen vorhandenen organischen Verunreinigungen verursachen.

Die biologische Reinigung oder die biologische Stufe bei der Behandlung von Abwässern und anderen flüssigen Abfällen basiert heutzutage benahe vollständig auf der Verwendung von aeroben Mikroorganismen, wobei Bakterien und Luft mit dem Abwasser vermischt und die aeroben Bakterien das organische Material im Wasser abbauen. Der Grund, weshalb das aerobe Verfahren in der Praxis bei der Reinigung von Wasser verwendet wird, besteht darin, daß das Verfahren in

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der Hinsicht zuverlässig ist, daß die aeroben Bakterien stabile Systeme ergeben, daß das Wachstumder aeroben Bakterien rasch ist. Jedoch soll bemerkt sein, daß das aerobe Verfahren mit zwei großen Nachteilen verbunden ist, nämlich daß es teilweise eine lange Verweilzeit erfordert,und daß es teilweise große Schlammengen verursacht.

Die Verweilzeit für normale städtische Abwasser und industrielle Abwasser liegt in der Größenordnung von 5 bis 11 Stunden und in vielen Fällen sogar langer. Da die Verweilzeit in der biologischen Stufe die Größe der Anlage bestimmt, bedeutet dies unnötige große Anlagen und hohe Betriebskosten.

Die Schlammenge ist über den Daumen gepeilt so, daß 1 kg organische Abfälle im Wasser 5 kg Schlamm im aeroben Verfahren ergeben. Somit ergeben die aeroben Systeme große Schlammengen, die ferner schwierig zu entwässern oder zu drainieren sind. Die großen Schlammengen, die bei der aeroben VJasserreinigung gebildet werden, sind ein sehr großes Problem geworden.

Trotz der vorstehend erwähnten Nachteile wird das aerobe Verfahren im großen Umfang verwendet. Dies zeigt deutlieh, daß ein anaerobes Verfahren, soweit es bisher in Betracht gezogen worden ist, noch größere Nachteile aufweisen sollte. Die vorherrschenden Nachteile liegen darin, daß das Wachstum der anaeroben Bakterien sehr langsam ist und daß die Aktivität der anaeroben Bakterien in Anwesenheit von beispielsweise Sauerstoff stark reduziert wird.

Es hat sich nun unerwarteterweise herausgestellt, daß erfindungsgemäß diese Probleme reduziert oder vermieden werden können, die bisher mit aeroben als auch anaeroben Verfahren verbunden gewesen sind.

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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur biologischen Reinigung von flüssigen Abfällen, insbesondere Abwasser, bei dem die Abfälle mit aktiven Mikroorganismen in einem biologischen Bett zum Abbau der in den Abfällen vorhandenen organischen Verunreinigungen in Berührung gebracht werden, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Suspension von extrazellularen Enzymen und Bakterien durch Kultivierung von im wesentlichen nur gram-positiven Bakterien in einem aeroben, nährstoffreichen Milieu erzeugt, die Bakterien von der Suspension durch Überführen der Suspension in ein nährstoffarmes Milieu abtrennt, wobei die Bakterien in eine sog. Totphase eintreten und sich absetzen, wodurch intrazellulare Enzyme, die innerhalb der Bakterien enthalten sind, ebenso abgetrennt werden, die verbleibende Suspension von extrazellularen Enzymen zu den flüssigen Abfällen hinzusetzt, so daß die extrazellulären Enzyme bei der Reinigung im biologischen Bett vorhanden sind und die Reinigung im biologischen Bett unter im wesentlichen anaeroben Bedingungen durchführt, um den Abbau mit Hilfe von anaeroben Bakterien zu erzielen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine sehr kurze Verweilzeit im biologischen Bett und eine äußerst geringe Schlammbildung, während zur gleichen Zeit das Wachstum der Mikroorganismen rasch ist. Ferner ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Verwendung eines biologischen Bettes möglich, in dem jeglicher störender Einfluß von Sauerstoff tatsächlich vollständig vermieden werden kann.

Wie vorstehend bei dem aeroben Verfahren erwähnt, liegt die Verweilzeit in der Größenordnung von 5 bis 11 Stunden und die gebildete Schlammenge beträgt etwa das Fünffache des BOD-Gewichtes (biochemischer Sauerstoffbedarf). Es hat sich herausgestellt, daß es erfindungsgemäß möglich ist, eine Verweilzeit von etwa 1 bis 3 Stunden und eine Schlammmenge zu erreichen, die dem 0,01 fachen des BOD-Gewichtes

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entspricht. Im Hinblick auf die Tatsache, daß die Verweilzeit auf etwa 25% der für ai_e aerobe Behandlung benötigten Zeit reduziert wird, können kleinere Anlagen gebaut werden. Dies bedeutet reduzierte Baukosten und natürlich ferner reduzierte Kosten für Betrieb und Wartung. Was für andere beträchtliche Kostenersparnisse gemacht werden können, ergibt sich aus der Tatsache, daß die gebildete Schlammenge nur etwa 0,2 % derjenigen Schlamraenge beträgt, die gemäß der bisherigen Technik gebildet wurde.

Bei dem erfindungsgemäßen anaeroben Verfahren sind somit die Endprodukte zu einem viel kleineren Ausmaß feste Materialien (Protosa) und bestehen statt dessen aus Gasen, beispielsweise H_, CO-, N-, CH- und H₉S.

Das erfindungsgemäße Verfahren basiert somit auf der Tatsache, daß die biologische Stufe per se, das heißt die Reinigung in dem biologischen Bett unter im wesentlichen anaeroben Bedingungen durchgeführt wird, das heißt unter Ver-Wendung von anaeroben Bakterien als solche Mikroorganismen, die einen Abbau der organischen Verunreinigungen verursachen» Dies ist natürlich bisher bekannt gewesen, jedoch ist es zu keiner erwähnenswerten praktischen Anwendung bisher gekommen, wegen der bereits aufgeführten Nachteile.

Diese Nachteile können jedoch erfindungsgemäß vermieden werden, indem gewisse spezielle Enzyme in dem biologischen Bett verwendet werden, die ferner in einer speziellen Weise erzeugt und abgetrennt worden sind. In diesem Zusammenhang bezieht sich der Ausdruck Enzyme nicht auf die Enzyme, die durch die in dem biologischen Bett verwendeten Mikroorganismen gebildet werden, sondern auf die von außen zugesetzten Enzyme, die in einer früheren Abtrennungsstufe erzeugt und abgetrennt worden sind.

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In einer lebenden Zelle finden zwei Reaktionstypen zur gleichen Zeit statt, nämlich ein energieerzeugender Abbauprozeß, sog. Zersetzungsreaktionen, und ein energieverbrauchender Aufbauprozeß, sog. aufbauende Reaktionen. Diese Reaktionen sind miteinander eng verbunden und finden in jeder Zelle gleichzeitig statt. Solche Reaktionen, die beim Metabolismus der Zelle stattfinden, werden durch bestimmte Enzyme katalysiert (beschleunigt), die entweder innerhalb der Zelle (sog. intrazellulare Enzyme) oder außerhalb der Zelle (sog. extrazellulare Enzyme) arbeiten können.

Die Verwendung von Enzymen als Biokatalysatoren bei der Behandlung von organischen Verunreinigungen in Abwässern ist bekannt (siehe beispielsweise "Sewage and Industrial Wastes", 2£,9,1954, S. 1162,und 29,9,1959, Seite 1066, und WU, Y.C, "Clarification of Bookmill Effluent by Enzymealum", Amer. Soc.Civ.Engrs.Envir. Eng. Div., 1QQ, EE3, 541-548 (1974). Es wurde jedoch nicht gezeigt, daß diese Verwendung irgendwelche wesentlichen Effekte auf die Reinigung hat. Die Ursache hierfür scheint darin zu liegen, daß bei Zugabe der Enzyme Mischungen von extra- und intrazelluralen Enzymen hinzugesetzt worden sind, die im wesentlichen die Aktivitäten untereinander abgeglichen haben. Aus den vorstehend erwähnten Gründen wurde ferner tatsächlich ausschließlich nur mit aeroben Mikroorganismen gearbeitet, die offensichtlich selbst relativ starke Enzymsysteme bilden, die anscheinend nicht wesentlich beeinflußt, das heißt verbessert werden können. Das gleiche scheint für das Verfahren zuzutreffen, das in der US-PS 3 801 499 beschrieben ist.

Gemäß dieser Patentschrift findet die Reinigung in mehreren Stufen statt, wobei eine wesentliche Stufe der Reinigung eine anfängliche Erhöhung des pH darstellt, die durch Zugabe von Alkali bewerkstelligt wird. Der Zweck der pH-Erhöhung liegt darin, das Aufbrechen der Zellwände der in den Abwässern vorhandenen Mikroorganismen zu vervollständigen und solche

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intrazellularen Enzyme, die innerhalb der Zellen vorhanden sind, freizusetzen. Gleichzeitig führt jedoch die Behandlung zu einer Zerstörung der extrazellularen Enzyme. In einer nachfolgenden Stufe werden die freigesetzten intrazellularen Enzyme einwirken gelassen, wobei die in dem Wasser enthaltenen organischen Verunreinigungen teilweise abgebaut werden.

Während dieses Abbauverfahrens können mehr Enzyme zugesetzt werden, jedoch basiert das Verfahren hauptsächlich auf der Verwendung von intrazellularen Enzymen. Die Nachteile sind die gleichen wie vorstehend erwähnt und die für die Behandlung benötigten Zeitspannen sind ferner sehr lang und für industrielle Zwecke vollständig unrealistisch.

Was die anaeroben Verfahren betrifft, so liegt das Problem darin, daß anaerob aktive Bakterien relativ schwache Enzymsysteme außerhalb der Zelle, insbesondere wegen der langsamen Adaptierung der anaeroben Bakterien bilden. Wegen der schwachen Enzymsysteme ist die Fähigkeit der Bakterien zur Nahrungsaufnahme beschränkt, was im vorliegenden Fall eine reduzierte Fähigkeit zum Abbau von organischen Materialien im Wasser bedeutet.

Erfindungsgemäß wurde jedoch unerv/arteterv/eise gefunden, daß die Enzymsysteme der anaeroben Bakterien beträchtlich verstärkt werden können, nämlich indem man zu den aktiven anaeroben Bakterien im biologischen Bett eine Suspension von extrazellularen Enzymen hinzusetzt, die durch gram-positive Bakterien erzeugt und hiervon abgetrennt v/orden sind. Somit ist es möglich geworden, diese starken Enzymsysteme zu verwenden, die durch aerobe Bakterien zur Verstärkung der schwachen Enzymsysteme der anaeroben Bakterien hervorgebracht werden,und dies trotz der Tatsache, daß die Reinigung unter anaeroben Bedingungen durchgeführt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren weist ferner die Vorteile auf, die bisher mit aeroben als auch anaeroben Verfahren verbunden

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waren/ wobei gleichzeitig die Nachteile dieser beiden Verfahren vermieden werden.

Erfindungsgemäß wird die Suspension von extrazellularen Enzymen durch Kultivierung von gram-positiven Bakterien in einem aeroben, nährstoffreichen Milieu in einer ersten Stufe erzeugt.

Infolge des guten Nahrungs- und Sauerstoffvorrats produzieren die Bakterien intrazellulare Enzyme innerhalb der Zelle als auch extrazellulare Enzyme in der die Zelle umgebenden Lösung. In einer zweiten Stufe wird die so erzeugte Bakteriensuspension zusammen mit den umgebenden extrazellularen Enzymen in ein Milieu mit niedrigem Nährstoffgehalt überführt, wodurch die Bakterien in eine sog. Totphase infolge des Nährstoffmangels eintreten, wobei ihre Aktivität und Enzymproduktion abnimmt. Zu dieser Zeit hört die Wechselwirkung zwischen den intra- und extrazellularen Enzymen auf. Qie Bakterien verlieren ihre Ladung und setzen sich ab, während die negativ geladenen extrazellularen Enzyme in der Suspension aufschwimmen. Die Suspension trennt sich in zwei Schichten, nämlich eine untere Schicht mit Bakterien in der Totphase einschließlich der intrazellularen Enzyme und eine obere Sphicht mit den negativ geladenen extrazellularen Enzymen. Auf diese Weise ist die Abtrennung der Suspension mit den extrazellularen Enzymen von der Bakteriensuspension mit den darin eingeschlossenen intrazellularen Enzymen möglich. Infolge des Nährstoffnangels werden die abgetrennten Bakterien sehr langsam aufspalten und sie können von dem Abtrennungsbehälter ziemlich langsam entfernt werden, ohne daß das Risiko der Freisetzung von intrazellularen Enzymen in der Suspension auftritt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sollte die Suspension von extrazellularen Enzymen, die zu dem biologischen Bett zugesetzt wird, wenigstens 90 Gew.% _f

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vorzugsweise wenigstens 95 Gew.% und insbesondere wenigstens 99 Gew.% extrazellulare Enzyme, berechnet auf den Gesamtenzymgehalt, enthalten. Der Anteil an extrazellularen Enzymen kann leicht vom Fachmann zur Einstellung der Bakterienzahl je Menge Nährstofflösung eingestellt werden, da im allgemeinen die Menge der produzierten intrazellularen Enzyme konstant ist, während die Menge der produzierten extrazellularen Enzyme mit der Nährstoffzufuhr variiert. Im allgemeinen liegt das Verhältnis zwischen der Menge von

IQ extrazellularen Enzymen und der Menge von intrazellularen Enzymen bei 10 : 1. Selbst wenn alle intrazellularen Enzyme von den in dem Abtrennungsbehälter abgesetzten Bakterien freigesetzt würden, würde die Menge der extrazellularen Enzyme in der Suspension noch 90 % überschreiten. Da die Bakterien - wie vorstehend erwähnt - sehr langsam abbauen, ist die Menge der extrazellularen Enzyme in der Suspension tatsächlich höher und näher an 100 % als an 90 %.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform de^r Erfindung werden die gram-positiven Bakterien in einem ersten Behälter bzw. Tank in einem aeroben, nährstoffreichen Milieu kultiviert, worauf die erzeugte Suspension in einen zweiten, nährstoffarmen Behälter geleitet wird, wobei ein Rohr verwendet wird, das sich vom ersten Behälter schräg aufwärts neigt, vorzugsweise mit einem Winkel zwischen und 60°, vorzugsweise 45°. Auf diese Weise wird das Milieu in dem geneigten Rohr allmählich nährstoffärmer werden, und die Bakterien, die in das Rohr aufwärts folgen können, werden durch geeignete Auswahl der Verweilzeit in die sog. Totphase - eintreten und sich in dem Rohr absetzen und dadurch in den ersten Behälter zurückfallen. Dies bedeutet, daß eine sehr reine Suspension von extrazellularen Enzymen in dem zweiten Behälter erhalten werden kann.

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Die Auswahl der spezifischen Enzyme oder deren Mischungen wird in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der zu reinigenden flüssigen Abfälle, das heißt abhängig von den abzubauenden organischen Verunreinigungen vorgenommen. So wird im Falle von beispielsweise Stärke-haltigen Materialien, die u. a. Amylose enthalten/ beispielsweise Amylase als Enzym usw. verwendet. In jedem spezifischen Fall wird die Enzymart vom Fachmann leicht ausgewählt. Da in vielen Fällen die flüssigen Abfälle Verunreinigungen unterschiedlicher Art enthalten, werden tatsächlich Mischungen von vielen verschiedenen Enzymtypen natürlich verwendet werden.

Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Suspension der extrazellularen Enzyme zu den flüssigen Abfällen in einen speziellen Mischbehälter hinzugesetzt, bevor die Abfälle in das biologische Bett geleitet werden. Die Behandlungszeit im Mischbehälter wird vorzugsweise zwischen 10 und 30 min gehalten. Es hat sich gezeigt, daß die Anfangsbehandlung im Mischbehälter einen Abbau von hochmolekularem Material in den Abfällen zu einem niedermolekularen Material bewirkt, das noch leichter und schneller im biologischen Bett abgebaut werden kann.

Erfindungsgemäß wurde ferner gefunden, daß relativ kleine Mengen von äußerlich zugesetzten extrazellularen Enzymen die eigenen Enzymsysteme der anaerob aktiven Bakterien verstärken, wodurch die anaeroben Bakterien die organischen Verunreinigungen schnell abbauen können.

Die extracellularen Enzyme werden vorzugsweise in Form einer wäßrigen Lösung oder Suspension mit einer Aktivität von 60 % hinzugesetzt. Die Methode zur Bestimmung dieser Aktivität, die im Prinzip eine Messung der relativen "Viskosität zur Viskosität von reinem Wasser ist, ist in Fischer, E, H_f& Stein, E.A, The Enzymes, 2 Edition, Vol. 4, S. 345, 1960, beschrieben.

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Eine solche Lösung enthält etwa 0,01 mg extrazellulare Enzyme je Liter Lösung. Besonders vorteilhafte Ergebnisse sind unter Verwendung von 0,25 bis 5 ml dieser Lösung je Liter flüssige Abfälle erzielt worden, das heißt zwischen 0,25 χ 1O~5 _und 50 χ 10"^ mg extrazellulare Enzyme je Liter flüssige Abfälle.

Es hat sich herausgestellt, daß ein Zusatz von 10 mg extrazellulare Enzyme je Liter Abfälle für Abfälle mit einem BOD bis etwa 900 ausreichend ist. Wenn der BOD-Wert höher liegt, kann es oft günstiger sein, die Verweilzeit zu erhöhen, als mehr Enzyme hinzuzusetzen.

Bei Verwendung einer Retentionszeit bis zu etwa 3 Stunden und einem Enzymzusatz von etwa 10"^ mg/Liter können normale Abwasser mit einem BOD-Wert von bis zu annähernd 7000 behandelt werden.Im Falle von höheren BOD-Werten können einige Filter in Serie verbunden werden.

Ferner wird vorzugsweise ein Belüftungsbehälter vor dem Mischtank verwendet, wobei in dem Lüftungsbehälter die flüssigen Abfälle mit einem Luftstrom, vorzugsweise im Gegenstrom, in Kontakt gebracht werden. Es hat sich gezeigt, daß dies die Wirksamkeit der Reinigung noch mehr verbessert, da feste Substanzen auf diese Weise noch leichter abgesetzt werden. Bei der Reinigung von Abwässern liegt die Menge der festen Substanzen in der Größenordnung von 20 - 40 mg/Liter im belüfteten Wasser.

Irgendein Konstruktionstyp,der für anaerobe Bedingungen geeignet ist, kann als biologisches Bett verwendet werden. In diesem Zusammenhang soll bemerkt sein, daß das biologische Bett im allgemeinen Sprachgebrauch auch oft als "Filter" bezeichnet wird, obwohl kein eigentlicher Filtereffekt vorliegt.

Ein besonders bevorzugter Aufbau ist im Schwedischen Patent Nr. 75-Ο23Ο6-9 beschrieben, bei dem die verwendeten Mikro-

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Organismen auf dünnen Glasfasern wachsen ,deren Oberflächen so behandelt v/orden sind, daß sie baktariophil sind. Durch diesen Filteraufbau ist die Einhaltung von Bedingungen möglich, die zu über 95 % anaerob sind. Weitere Details des Filtertyps können der vorstehend erwähnten Schwedischen Patentschrift entnommen werden.

Im Hinblick auf die Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens kann erwähnt werden, daß ein Ergebnis von etwa 90 % von entferntem BOD mit einer so kurzen Verweilzeit wie etwa 1,2 Stunden erzielt worden ist. Die Menge des entfernten COD (chemischer Sauerstoffbedarf) ist von wenigstens gleichem Interesse. So ist der COD in keiner Weise für die Rezipienten harmlos, da er darin zurückgehalten wird und langsam zu biologischen Materialien abgebaut wird, wodurch genau das gleiche Algenwachstum usw. wie für den BOD stattfindet. Es ist somit nur eine Frage eines aufgeschobenen Verfahrens. Daher ist die COD-Reduzierung vom modernen Reinigungsgesichtspunkt ein immer mehr interessierendes Maß für den Reinigungseffekt . Eei Verwendung der gleichen kurzen Verweilzeit, das heißt 1,2 Stunden, können etwa 90 % des COD entfernt werden.

Die anderen Bedingungen, die bei dem Reinigungsverfahren verwendet werden, sind im Prinzip die gleichen, die üblicherweise verwendet werden. So liegt bei der Reinigung von Abwässern die Temperatur des Speisewassers im allgemeinen zwischen 10 und 30⁰C und der pH-Wert im allgemeinen bei 5,5 bis 8. Ein Vorteil bei der Zugabe von extrazellularen Enzymen gemäß der Erfindung liegt darin, daß die Zugabe einen sehr geringen Effekt auf den pH-Wert besitzt, der nur um einige Zehntel erniedrigt wird. Dies bedeutet, d^ß im allgemeinen der Enzymzusatz keine spezielle pH-Einstellung zur Erzielung von optimalen Bedingungen in dem Filter benötigt. Bei anderen Typen von flüssigen Abfällen, beispielsweise aus Industrieanlagen, kann eine Einstellung des pH notwendig sein, bevor

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die Flüssigkeit in das erfindungsgemäße Reinigungsverfahren eingespeist wird, wobei der pH vorzugsweise zwischen 5,5 und 7,5, insbesondere zwischen 6,8 und 7,3 liegen sollte. Zum Vergleich sollte erwähnt werden, daß eine Zugabe von intra- als auch extrazellularen Enzymen eine relativ große Erniedrigung des pH, nämlich bis zu 2 pH-Einheiten, verursachen kann. Ferner kann das erfindungsgemäße Verfahren natürlich in Verbindung mit anderen üblichen Reinigungsstufen, beispielsweise einer primären Entschlammungsoperation in einer früheren Stufe und/oder einer Chlorung (beispielsweise bei der Herstellung von Trinkwasser) in einer nachfolgenden Stufe verwendet werden. Falls größere Mengen von Ölen oder Fetten vorhanden sind, kann es bevorzugt sein, diese Substanz von den Abfällen in einer Anfangsstufe abzutrennen, welche in herkömmlicher Weise, beispielsweise durch Flockung oder irgendeine andere chemische oder physikalische Behandlung _r durchgeführt wird. Im Falle von kleineren Mengen ist es im allgemeinen ausreichend, die vorstehend erwähnte Belüftung durchzuführen. Toxische Substanzen, beispielsweise Schwermetallionen und freies Chlor, sollten natürlich ebenso entfernt werden. Dies wird vorzugsweise durch Ausfällung bzw. Belüftung erreicht.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich sehr gut für den kontinuierlichen Betrieb, insbesondere wegen der extrem kleinen Mengen an gebildetem Schlamm, das heißt, daß keine Verstopfung des biologischen Bettes stattfindet und daß die Produktion von extrazellularem Enzym gemäß der Erfindung für den kontinuierlichen Betrieb äußerst zweckmäßig ist, der zusätzlich in sehr billiger Weise wegen des vorteilhaften. Abtrennungsverfahrens durchgeführt werden kann. Wie vorstehend erwähnt, wird die Zugabe der Enzyme vorzugsweise konstant gehalten, während die Verweilzeit im Filter variiert werden kann.
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\ NACHQEREtCHT |

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nun unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine graphische Darstellung, die das Wachstum von Mikroorganismen in einem

anaeroben Verfahren gemäß dem Stand der Technik verdeutlicht;

Fig. 2 zeigt eine graphische Darstellung, die das Wachstum der Mikroorganismen in einem

anaeroben Verfahren gemäß der Erfindung verdeutlicht und

Fig. 3 zeigt eine besonders bevorzugte Anlage zur 5 v/irksamen Durchführung des erfindungsgemäßen

biologischen Reinigungsverfahrens.

Die Fig. 1 und 2 zeigen den prinzipiellen Kurvenverlauf für das Wachstum der anaeroben Mikroorganismen gemäß dem Stand der Technik und gemäß der Erfindung, das heißt, ohne bzw. mit Zusatz von extrazellularen Enzymen. Die Abszisse gibt die Zeit in.Wochen an während die Ordinate Millionen Mikroorganismen je ml Flüssigkeit angibt. Ferner ist in Fig. 1 angedeutet, wie eine Sauerstoffstörung das Wachstum beeinflußt. Diese Störung erfolgt nach etwa 2,5 Wochen im illustrierten Fall.

Fig. 3 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsforra einer Anlage zur wirksamen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Diese Anlage umfaßt eine Enzymproduktionseinheit A und eine Filtereinheit B. Die Enzymproduktionseinheit A umfaßt der Reihe nach im illustrierten Fall einen Behälter 1 für die Nährstofflösung, einen Kultivierungsbehälter 2, einen Abtrennungsbehälter 3 und einen.Lagerbehälter 4, während die Filtereinheit B einen Belüftungsbehälter 5, einen Mischbehälter 6 und einen Filter 7 aufweist.

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Die Produktion der Enzyme in der Einheit A kann wie folgt beschrieben werden. Die für die Kultivierung der Bakterien verwendete Nährstofflösung wird durch Mischen im Behälter 1 hergestellt und durch das Rohr 8 in den Kultivierungsbehälter 2 gepumpt, der ferner mit Luft über das Rohr versorgt wird. Der Kultivierungsbehälter 2 enthält die Bakterienmischung, die für die flüssigen Abfälle besonders ausgewählt wird, und ferner eine Ausrüstung (nicht gezeigt) für die kontinuierliche Steuerung und Einstellung von pH und Temperatur. Temperatur, pH und die Belüftung werden so gesteuert, daß die Bedingungen im Behälter 2 für das Wachstum der ausgewählten Bakterien und für die nachfolgende Enzymproduktion optimal werden. Die Temperatur sollte 15°C bis 50⁰C, vorzugsweise etwa 25°C betragen und der pH-Wert sollte 3 bis 8, vorzugsweise etwa 7 betragen. Die Luftzufuhr sollte so sein, daß ein Sauerstoffgehalt zwischen 0,5 mg/Liter und 8 mg/Liter, vorzugsweise etwa 2 mg/Liter erreicht wird. In Abhängigkeit von den Spezies werden die Bakterien im Kultivierungsbehälter zwischen 0,5 und 6 Stunden, vorzugsweise etwa 5 Stunden, wachsen gelassen, bevor die Abtrennung der gebildeten extra zellularen Enzyme begonnen wird. Die Bakterien im Kultivierungsbehälter werden im Hinblick auf die gewünschten extra zellularen Enzyme ausgewählt, was wiederum davon abhängig ist, welche organischen Substanzen abgebaut werden sollen.

Die Nährstofflösung wird an die ausgewählten Bakterien adaptiert und die Nährstoffkonzentration wird so ausgewählt, daß ein schnelles Wachstum der Bakterien bewirkt wird. Jedoch darf die Nährstoffkonzentration nicht so hoch sein, daß eine Inhibierung des Bakterienwachstums hervorgerufen wird.

Die erzeugte Enzymlösung wird dann zu dem Abtrennungsbehälter 3 durch ein aufv/ärts geneigtes Rohr 10 geleitet. Im illustrierten Fall ist der Winkel V zwischen dem Rohr und der Seite des Kultivierungsbehälters 2 45°. Der Abtrennungs-

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behälter 3 enthält keine Nährstofflösung, und wenn die Enzymlösung bei Abtrennung aufwärts durch das geneigte Rohr 10 geleitet wird, nimmt der Nährstoffvorrat allmählich ab, wodurch die Bakterien auf den Boden des Kultivierungsbehälters 2 langsam zurückfallen werden. Es ist somit sehr einfach, in dem Abtrennungsbehälter 3 eine Enzymlösung mit einem sehr hohen Anteil an extrazellularen Enzymen zu erhalten. Nur sehr kleine Bakterienmengen werden in den Abtrennungsbehälter 3 folgen (eine solch kleine Anzahl wie etwa 100 Bakterien/ml Lösung ist erreicht worden), worin sie wegen des Nährstoffmangels absterben werden, und sie können von den extrazellularen Enzymen abgetrennt werden. Ferner ist in der dargestellten Ausführungsform ebenso ein spezieller Lagerbehälter 4 vorhanden, zu dem die extrazellularen Enzyme über das Rohr 11 transportiert werden und für den v/eiteren Transport zu der Filtereinheit B gelagert werden.

Die Konzentration der extrazellularen Enzyme in der abgetrennten Enzymlösung, die durch das Rohr 11 abgezogen wird, hängt von der Verweilzeit der Bakterien im Kultivierungsbehälter 2 ab. Diese Verweilzeit wird so ausgewählt, daß jedes Bakterium eine maximale Entwicklung erreichen kann. Der Nährstoffstrom aus dem Behälter 1 zum Behälter 2 und von der Enzymlösung aus dem Behälter 2 zu dem Behälter 3 und die Rate, bei welcher die extrazellulare Enzymlösung aus dem Behälter abgelassen wird, werden so ausgewählt, daß sich für die Bakterien diese optimale Verweilzeit im Kultivierungsbehalter 2 ergibt.

Da die Bakterien eine maximale Entwicklung nach etwa 0,5 bis 6 Stunden erreichen werden, kann die maximale Entwicklung kontinuierlich gehalten werden, indem zunächst die Bakterien 0,5-6 Stunden lang im Kultivierungsbehalter 2 wachsen gelassen werden und danach die Enzymlösung von dem Abtrennungsbehälter 3 bei einer solchen Rate abgezogen wird,

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daß die Verweilzeit für die Bakterien im Kultivierungsbehälter 2 bei einer solchen Höhe kontinuierlich gehalten wird, daß die Bakterien darin eine maximale Entwicklung erhalten werden. Auf diese Weise kann die maximale Enzymmenge je Zeiteinheit und je Nährstoffmenge erzeugt werden.

Aus dem Kultivierungsbehälter 2 werden die Bakterien und die verbleibenden Nährstoffe durch das Rohr 12 und in gleicher Weise optimale Bakterien aus dem Behälter 3 durch das Rohr 13 abgezogen. Die Rohre 12 und 13 entsprechen dem Rohr 26 für das Zurückführen der Nährstoffe in den Behälter (nach einer nicht gezeigten Abtrennung der toten Bakterien).

Die Filtereinheit wird wie folgt angewandt:

Die flüssigen Abfälle, die vorzugsweise einer primären Entschlammungsoperation in einer Anfangsstufe unterworfen worden sind (nicht gezeigt), werden in das Oberteil des Belüftungsbehälters 5 durch das Rohr 14 gespeist und auf diese Weise werden sie in Gegenstromkontakt mit bei 15 zugeführter Luft gebracht. Diese Luft trägt teilweise zur Abtrennung von weiteren Schlammteilchen bei, die am Boden des Behälters 5 durch das Rohr 16 und ferner durch das Ableitungsrohr 17, das allen drei Behältern gemeinsam ist, abgezogen werden. Ferner trägt die Luft teilweise dazu bei, daß den Abfällen ein solcher Zustand verliehen wird, daß ihr kontinuierlicher Abbau in den Behältern 6 und 7 erleichtert wird.

An der Spitze des Behälters 5 werden die belüfteten Abfälle dann durch das Rohr 18 abgezogen und in den oberen Teil des Mischbehälters 6 geleitet. Die extra zellularen Enzyme, die in der Enzymproduktionseinheit A und im Lagerbehälter 4 gelagert werden, werden ebenso zu der Spitze· des Behälters 6 über das Rohr 19 gespeist. Ferner ist der Mischbehälter vorzugsweise mit einem Rührer (nicht gezeigt) ausgestattet»

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Der im Behälter 6 ggf. gebildete Schlamm wird vom Boden des Behälters durch das Rohr 20 und ferner über das gemeinsame Rohr 17 abgezogen.

Nach einer geeigneten Behandlungszeit im Behälter werden die Abfälle mit den zugesetzten extrazellularen Enzymen dann durch das Rohr 21 abgezogen, das vom oberen Teil des Behälters 6 zum oberen Teil des Filters 7 führt. Dieses Filter entspricht dem Typ, der in der vorstehend erwähnten Schwedischen Patentschrift beschrieben ist, d. h. ein Filter mit einer sehr großen Menge von frei hängenden Glasfasern 22, die bakteriophil gemacht worden sind und auf denen die aktiven Mikroorganismen wachsen. Die gereinigten Abfälle werden durch das Rohr 23 abgezogen, während der Schlamm vom Boden des Filters 7 durch das Rohr 24 und ferner durch das Rohr 17 abgelassen wird. Das Ableitungsrohr 23 ist in einer solchen Höhe über dem Boden angeordnet, daß der Schlamm dadurch nicht abgezogen wird und daß durch Steuerung der Zufuhr und der Ableitungsströme das Filter vollständig mit Flüssigkeiten gefüllt bleibt, d. h., daß die Flüssigkeitshöhe über den Glasfasern liegt, wodurch im wesentlichen anaerobe Bedingungen aufrecht erhalten werden können.

Die in dem Filter verwendeten Mikroorganismen brauchen keine spezifischen Bakterien zu sein, jedoch werden vorzugsweise anaerobe "Erdbakterien" einfach verwendet. Die Bakterien sind vorzugsweise zufällige bzw. gelegentliche als auch an eine einzige Lebensbedingung gebundene bzw. obligate, anaerobe Bakterien, und unter den in dem Filter verwendeten Bedingungen findet eine "Auftrennung" von zufälligen und obligaten Bakterien in der Filterkolonne statt.

Im oberen Teil der Kolonne (annähernd 3 % des Volumens) sind die Bedingungen aerob. In diesem Teil werden die zufälligen Bakterien dominieren, die sich natürlich selbst an

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die aeroben Bedingungen adaptieren. Es ist im wesentlichen in diesem Teil des Filters, in dem Schlamm gebildet wird, da eine Methanbildung nicht stattfinden kann.

Im Teil des Filters, der unmittelbar unter der Oberflächenschicht liegt, werden die zufälligen anaeroben Bakterien gegenüber den obligaten anaeroben Bakterien überwiegen. Dies ist eine Folge des Sauerstoffgehaltes, der im allgemeinen in diesem Teil des Filters innerhalb des Bereiches von 1 - O mg O₂ je Liter liegt.'

Im unteren Teil, oder besser gesagt dem Hauptteil des Filters ist der Sauerstoffgehalt O. Hier sind die obligaten anaeroben Bakterien gegenüber den zufälligen anaeroben Bakterien vorherrschend und die Bildung von Protosa ist äußerst gering.

Es wurde gefunden, daß unter Verwendung von obligaten als auch von zufälligen anaeroben Bakterien es möglich ist, optimale bakteriologische Bedingungen überall im Filter zu erhalten, was zu einem raschen Abbau, d. h. zu einer kurzen Verweilzeit und zu einer geringen Schlammproduktion führt.

Das erfindungsgemäße Verfahren wurde in einer Versuchsanlage gemäß dem folgenden Beispiel getestet.

Beispiel

Die Anlage wurde in gleicher Weise gebaut, wie in Fig. 3 dargestellt ist. Bei der Enzymproduktionseinheit A hatte jeder Behälter ein Volumen von 5 Liter und der Winkel V für das Rohr 10 betrug 45°. Die drei Behälter der Filtereinheit besaßen die gleichen Dimensionen, nämlich einen Durchmesser von 0,5 m und eine Höhe von 2,2 m und einen kegelförmigen Boden als Absetzungsteil, wie in der Figur gezeigt ist. Der Filterbehälter 7 wurde mit frei hängenden,

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flexiblen, bakteriophilen Glasfasern mit einem Durchmesser von 0,013 mm gefüllt. Der Filterbehälter enthielt 50 000

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solcher Fasern je cm seines Querschnitts. Das aktive Volumen des Filterbehälters 7, das heißt das durch Fasern besetzte Volumen, betrug 0,35 m .

In der Anlage wurde vorgefiltertes häusliches Abwasser gereinigt, das keiner chemischen Behandlung, beispielsweise Flockung, unterworfen worden war. Die Zusammensetzung des Wassers ist in der Tabelle I aufgeführt.

Die für den Reinigungsbetrieb benötigten extrazellularen Enzyme wurden in folgender Weise hergestellt: Im Behälter 1 wurde eine Nährstofflösung durch Auflösung von Molkenpulver in Wasser hergestellt. Die Konzentration betrug etwa 1,5 %, das heißt 15 g Molkenpulver wurden je Liter Leitungswasser aufgelöst. Die Zusammensetzung der Molkenlösung betrug 93 % H₂O und 7 % Festsubstanzen. Die Festsubstanzen bestanden aus 4,9 % Lactose, 0,2 % FeSO. · 7 HO, 0,5 % CaCO und 0,5 % NaCl. Die Nährstofflösung wurde vom Behälter 1 zu den Behältern 2 und 3 geleitet, bis das gesamte System mit Nährstofflösung gefüllt war. Die Temperatur im Kultivierungsbehälter 2 wurde bei 25°C gehalten und der pH wurde zwischen 6,7 und 7,1 gehalten. Die Luftzufuhr zu dem Behälter 2 wurde so eingestellt, daß der Sauerstoffgehalt der Nährstofflösung 2 - 2,5 mg 0-/Liter betrug. Die Bakterien wurden dann in den Kultivierungsbehälter einverleibt. In diesem Falle wurden Eisenbakterien, Sulphatbacterien, Nitrierungsbakterien, Wasserstoffbakterien und Purpurbakterien verwendet.

Aus dieser Gruppe wurde eine solche Menge Bakterien hinzugesetzt, daß die Bakterienzahl aus jeder Gruppe in 1 ml Nährlösung 500 Bakterien betrug. Die Lösung in dem Kultivierungsbehälter wurde unter Rührung gehalten und die Bakterien wurden 5 Stunden lang wachsen gelassen.

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Danach wurde die Abtrennung begonnen, indem die

Lösung im Behälter 2 zum Behälter 3 mit der gleichen Geschwindigkeit abgelassen wurde, v/ie diejenige, mit welcher die neue Nährstofflösung vom Behälter 1 zum Kultivierungsbehälter 2 abgelassen wurde. Wenn das Niveau im Abtrennungsbehälter 3 den Auslaß 11 erreicht hatte, wurde die Ableitung der Enzymsuspension zu dem Lagerbehälter 4 begonnen. Die Enzymmenge der gebildeten Enzymsuspension wurde durch erstes Abtrennen der toten Zellen durch Zentrifugieren bei 3200 U/min be— stimmt, wodurch tote Zellen als auch darin eingeschlossene intrazellulare Enzyme abgetrennt wurden. Die verbleibende Enzymsuspension wurde dann membranfiltriert, wobei die Enzymmenge auf 0,01 mg/Liter entsprechend einer Viskosität von 60 % bestimmt wurde. Wie allgemein bekannt, ist die Menge der intrazellularen Enzyme bei der verwendeten Bakterienkonzentration konstant und liegt in der Größenordnung von 10~¹² g/ml, das heißt, daß selbst wenn die gesamte Menge der intrazellularen Enzyme freigesetzt werden sollte , die gebildete Suspension noch mehr als 99 % extrazellulare Enzyme enthalten würde. Wegen des langsamen Abbaus der Bakterien im nährstoffarmen Milieu wird jedoch nur ein sehr kleiner Teil der in den Bakterien enthaltenen intrazellularen Enzymen ggf. freigesetzt. Dies bedeutet, daß die Suspension der extrazellularen Enzyme, die von den Bakterien in der Totphase abgetrennt wird, als 100 %ig angesehen werden kann.

Das gefilterte Abwasser wurde durch das Rohr 14 in den Belüftungsbehälter 5 geleitet, wo es mit einem Luftstrom im Gegenstrom in Berührung gebracht wurde, um das Absetzen der Feststoffe im Abwasser zu beschleunigen und zu erleichtern. Die Einlaß- und Auslaßraten im Belüftungsbehälter wurden so eingestellt, daß eine Verweilzeit von etwa 0,5 Stunden für das Abwasser im Behälter erhalten wurde. Das belüftete Wasser wurde über das Rohr 18 in den enzymbildenden Behälter 6 geleitet, von wo es durch das vertikale Innenrohr 25 gespeist wurde. Durch das gleiche Rohr wurde die in der vorstehend

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erwähnten Apparatur A erzeugte Enzymlösung über das Rohr 19 zugesetzt. Die Zugabe der Enzymlösung wurde so eingestellt, daß je Liter Abwasser 1 ml Enzymlösung hinzugesetzt wurde, die somit 0,01 mg Enzyme je Liter enthielt. Dies bedeutet, daß die extrazellularen Enzyme in einer Menge von 0,00001 mg je Liter Abwasser zugesetzt wurden. Die Zugabe des belüfteten Abwassers durch das Rohr 18 und die Ableitung wurden durch sich selbst gesteuert, da der Fermentierungsbehälter 6 ein etwas geringeres Niveau als der Belüftungsbehälter besaß. Die Verweilzeit für das fermentierte Abwasser im Enzymbehälter betrug 0,5 Stunden. Dann wurde das fermentierte Abwasser zum Filterbehälter 7 durch das Rohr 21 geleitet. Die Glasfasern 22, die im Filterbehälter hängen, wurden mit einer 2 %igen, wäßrigen Lösung von NaOH 16 Stunden lang vorbehandelt, worauf die NaOH-Lösung mit HCl auf pH 4 neutralisiert wurden. Dieser Zustand wurde 4 Stunden lang beibehalten. Der Filter wurde dann mit Wasser 3 Stunden lang bespült. Die Erdbakterien wurden zu dem Filter hinzugesetzt, der nun mit Wasser und den bakteriophilen Glasfasern in einer solchen Menge gefüllt wurde, daß jeder ml Wasser in dem Filter 4 χ 10 Bakterien enthielt. Die Bakterien wurden 48 Stunden lang wachsen gelassen, bevor der Filter verwendet wurde. Wenn das fermentierte Wasser durch den Filter geleitet wurde, verstärkten die extrazellularen Enzyme das Enzymsystem der anaerob aktiven Bakterien, so daß ein schneller Abbau der in dem Abwasser vorhandenen organischen Verunreinigungen stattfand.

Die Zusammensetzung des Wassers nach der Reinigung ist in der Tabelle I aufgeführt, worin A, B und C drei verschiedene Abwässer, oder besser gesagt, das Abwasser bei drei verschiedenen Zeitpunkten darstellen bzw. darstellt.

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	-	25 -	A	kg/m³	Einlaß B	0	C	A	B 89	2820086	50 64
		Tabelle I	1200		3600		650	,0019		15	157 119
		3699	8921		1153			3,2 1,5
	3,2	8,2		3,8		0,3 0,3
Verweilzeit 3,5 h	0,3	0,5	0,50	Auslaß ABC	20,0 7,0·
BOD₇	35	60	25,0	64	9,0 3,8
COD mg/1	9,2	20	10,0	160	10 25
NO,- mg/1	165	62	175	1,0	C
NO₂- mg/1			0,16	0,00014
SO₄-2 _mg/l	8,5
PO₄~3 mg/1	4,5
Trübung, STU	30
	Auslaß B
Schlammproduktion	0,0034

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Claims

T.EDTKE - BOHL.NG - ΚίΝΝΠ

Grupe - Pellmann

Dipl.-lng. R Grupe *) ft 9 Π D Q R Dipl.-lng. B. Pellmann

Bavariaring 4, Postfach 20 2403 8000 München 2

Tel.: 0 89-53 96 53 Telex: 5-24 845 tipat

cable: Germaniapatent München

8. Mai 1978

B 89iVcase 17282/ih

Patentansprüche

1J Verfahren zur biologischen Reinigung von flüssigen Abfällen, insbesondere Abwässer, bei dem die Abfälle mit aktiven Mikroorganismen in einem biologischen Bett in Kontakt gebracht werden, um einen Abbau der in den Abfällen vorhandenen organischen Verunreinigungen zu erreichen, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Suspension von extra-

2Q zellularen Enzymen und Bakterien durch Kultivierung von im wesentlichen nur gram-positiven Bakterien in einem aeroben, nährstoffreichen Milieu erzeugt, die Bakterien von der Suspension durch überführung der Suspension in ein nährstoffarmes Milieu abtrennt, worin die Bakterien in eine sog. Totphase eintreten und sich absetzen, wodurch intrazellurare Enzyme, die innerhalb der Bakterien enthalten sind, ebenso abgetrennt werden, die verbleibende Suspension von extrazelluraren Enzymen zu den flüssigen Abfällen zusetzt, so daß die extrazelluraren Enzyme bei der Reinigung im biologi-

3Q sehen Bett vorhanden sind und die Reinigung im biologischen Bett unter im wesentlichen anaeroben Bedingungen durchführt, um den Abbau mit Hilfe von anaeroben Bakterien zu erzielen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Suspension der extrazellularen Enzyme zu den /so

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Deutsche Bank (München) Kto. 51/61070 Dresdner Bank (München; Kto. 3939 844 Posischeck (München) Kto 670-43-804

ORIGINAL INSPECTED

flüssigen Abfällen in einem speziellen Mischbehälter zusetzt, bevor die Abfälle in das biologische Bett geleitet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die flüssigen Abfälle mit der Suspension der extrazellularen Enzyme in dem Mischbehälter während einer Zeitspanne zwischen 10 und 30 min in Kontakt bringt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die extrazellularen Enzyme in einer Konzentration von 0,25 χ 10~⁵ bis 50 χ 10~⁵ mg Enzym je Liter flüssige Abfälle einsetzt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man als biologisches Bett einen Filter mit einer großen Anzahl von frei hängenden Glasfasern als Träger für die anaeroben Bakterien verwendet, ein Niveau der flüssigen Abfälle einhält, das über den Glasfasern liegt und zufällige als auch an eine Lebensbedingung gebundene anaerobe Bakterien verwendet.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die flüssigen Abfälle einer Belüftung unterwirft, bevor die Suspension der extrazellularen Enzyme hinzugesetzt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Enzymsuspension herstellt und zu den flüssigen Abfällen hinzusetzt, die extrazellulare Enzyme in einem Ausmaß von wenigstens 90 Gew.%, vorzugsweise wenigstens 95 Gew.% und insbesondere wenigstens 99 Gew.% enthält.

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8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die extrazellularen Enzyme erzeugt und abgetrennt werden, indem man die gram-positiven Bakterien in einem ersten Behälter in einem nährstoffreichen Milieu kultiviert und die erzeugte Suspension zu einem zweiten Behälter mit einem nährstoffarmen Milieu über ein aufwärts geneigtes Rohr leitet, wodurch eine Suspension von extrazellularen Enzymen von den Bakterien und den intrazellularen Enzymen automatisch abgetrennt und in dem zweiten Behälter erhalten wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rohr verwendet wird, bei dem der Winkel zwischen dem Rohr und dem ersten Kultivierungsbehälter zwischen 30 und 60°, vorzugsweise 45°, liegt.

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