DE69325855T2

DE69325855T2 - Elektrode mit immobilisierten Biokatalysatoren und Verfahren zur Wasserbehandlung unter Verwendung der Elektrode

Info

Publication number: DE69325855T2
Application number: DE69325855T
Authority: DE
Inventors: Masao Kuroda; Yutaka Sakakibara
Original assignee: Yamato Setubi Construction Co Ltd
Current assignee: Yamato Setubi Construction Co Ltd
Priority date: 1992-06-01
Filing date: 1993-05-28
Publication date: 1999-11-25
Anticipated expiration: 2013-05-29
Also published as: US5360522A; JPH06104230B2; JPH05329497A; EP0573226B1; DE69325855D1; EP0573226A1; US5443706A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrode mit einem immobilisierten Biokatalysator zur Verwendung in einem Bioreaktor zum Herstellen und Wiedergewinnen nützlicher Substanzen und zum Zersetzen umweltverschmutzender Substanzen in Wasser durch Verbessern der biochemischen Reaktion eines Biokatalysators, wie beispielsweise eines mikrobiellen Zellkörpers oder eines Enzyms, der elektrochemischen Reaktion auf der Oberfläche der Elektrode und der biochemischen Reaktion des Biokatalysators durch den elektrischen Strom, und ein Verfahren zur Behandlung von Wasser unter Verwendung der Elektrode mit immobilisierten Biokatalysator.
Die EP-A-068664 offenbart eine Elektrode, die ein festes elektrisch leitendes Material umfaßt, das wenigstens teilweise von einer monomolekularen Schicht aus Cytochrom C&sub3; überzogen ist. Die Elektrode ist nützlich für die direkte elektrochemische Reduktion von molekularem Sauerstoff zu Wasser.
Die EP-A-0219247 offenbart eine bioelektrochemische Zelle mit einer porösen Arbeitselektrode, die mit P. aeruginosa impregniertes Kohlenstoffgewebe enthalten kann.
Das Buch "Elektroanalysis", 3 (1991) 891-897 offenbart eine bioelektrochemische Zelle, die eine Nucleosidoxidase und Benzochinon enthält. Das Benzochinon wird an einer Kathode reduziert, um Hydrochinon zu bilden, das wiederum durch die Nucleosidoxidase oxidiert wird, um erneut Benzochinon zu bilden. Gleichzeitig werden Nucleoside, wie beispielsweise Inosin, oxidiert, und Sauerstoff wird zu Wasser reduziert.
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren bekannt, die zum Zersetzen und Entfernen organischer Substanzen und anorganischer Ionen, die in zu behandelndem Wasser vorhanden sind, eingesetzt werden, wobei bei diesen Verfahren das Wasser in eine Behandlungssäule gefüllt wird, die eine aerobe Mikrobe oder eine anaerobe Mikrobe als einen Biokatalysator enthält, und der Behandlungssäule ein Substrat (eine organische Substanz als ein Wasserstoffdonator oder Wasserstoff) zugeführt wird, und es sind Verfahren bekannt, die zum Elektrolysieren organischer Substanzen und anorganischer Ionen, die in zu behandelndem Wasser vorhanden sind, eingesetzt werden, wobei bei diesen Verfahren das Wasser einer elektrolytischen Lösung zugeführt wird, in der eine Elektrode vorhanden ist, und ein elektrischer Strom an der elektrolytischen Lösung angelegt wird.
Wenn in dem ersteren der beiden oben genannten Verfahren organische Substanzen zugeführt werden, müssen diese in einer überschüssigen Menge zugeführt werden, um den Wirkungsgrad der Behandlung des Wassers zu erhöhen. Diese Erfordernis kann aufgrund der überschüssigen organischen Substanzen zu einer Verschmutzung des zu behandelnden Wassers führen. Wird Wasserstoff zugeführt, können aufgrund der sehr niedrigen Löslichkeit des Wasserstoffs in Wasser und aufgrund dessen, daß die Reaktion mit einer Geschwindigkeit stattfindet, die von der Zufuhr von Wasserstoff bestimmt wird, die verschmutzenden Substanzen nur mit großen Schwierigkeiten völlig entfernt werden, und die Möglichkeit ist groß, daß die Reaktion eine Zwischenverbindung hervorruft, welche die Behandlung auf Entfernung überlebt.
Aufgrund der Verwendung der Elektrolyse bei dem letztgenannten Verfahren ist es möglich, daß Nebenprodukte hervorgerufen werden, und das Verfahren kann sein Ziel nur schwer erreichen.
Die vorliegende Erfindung wurde mit dem Ziel entwickelt, die beim oben genannten Stand der Technik auftretenden Probleme zu umgehen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist deshalb eine Elektrode zur Verwendung bei der Reinigung von Wasser vorgesehen, wobei die Elektrode aus einem Kathodenmatrixmaterial und einem Biokatalysator besteht, der auf einer Oberfläche des elektrischen Leiters immobilisiert ist, wobei der Biokatalysator Wasserstoff als ein Reduktionsmittel verwendet.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Reinigung von Wasser vorgesehen, wobei die Vorrichtung eine Elektrode gemäß der vorliegenden Erfindung enthält.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Reinigen von Wasser vorgesehen, wobei das Verfahren das Eintauchen einer Anode und einer Kathode in zu behandelndes Wasser und das Anlegen einer Spannung über die Elektroden umfaßt, wobei die Kathode aus einer Elektrode gemäß der vorliegenden Erfindung besteht, und die Spannung ausreicht, um die Erzeugung von Wasserstoff an der Kathode zu verursachen oder zu ermöglichen.
Unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen folgt nun eine rein beispielhafte Beschreibung eines Verfahrens zum Ausführen der vorliegenden Erfindung. In den Figuren zeigen:
Fig. 1 ein Diagramm, welches das Verhältnis zwischen dem elektrischen Strom und der Geschwindigkeit der N&sub2;-Erzeugung beim Testbeispiel 1 aufzeigt,
Fig. 2 ein Diagramm, das die Veränderungen der NO&sub3;&supmin;-Konzentration des zu behandelnden Wassers und der Menge an N&sub2;-Erzeugung mit dem zeitlichen Ablauf der Reaktion beim Testbeispiel 2 aufzeigt,
Fig. 3 ein Diagramm, welches das Verhältnis zwischen dem Verstreichen der Zeit und der Menge an erzeugtem Methan beim Beispiel 2 aufzeigt,
Fig. 4 ein Diagramm, welches das Verhältnis zwischen dem Verstreichen der Zeit und der Menge an erzeugtem Methan beim Beispiel 3 aufzeigt, und
Fig. 5 ein Diagramm, welches das Verhältnis zwischen dem Verstreichen der Zeit und den erzeugten Mengen an Methan und Wasserstoff beim Beispiel 4 aufzeigt.
Die oben beschriebene Elektrode der vorliegenden Erfindung ist zur Verwendung als eine Kathode für einen Bioreaktor vorgesehen. Das Matrixmaterial für die Elektrode muß deshalb ideal an die Kathode angepaßt sein, sich durch Elektroleitfähigkeit und Beständigkeit auszeichnen und ermöglichen, daß ein Biokatalysator leicht auf deren Oberfläche immobilisiert werden kann. Ein kohlenstoffhaltiges Material wird bevorzugt.
Da das Material für die Elektrode dazu bestimmt ist, daß der Biokatalysator auf seiner Oberfläche immobilisiert werden soll, ist die Oberfläche dieses Materials vorzugsweise rauh oder porös, um die Immobilisierung zu erleichtern. Eine Vor behandlung des Materials mit Plasma erhöht das Haftvermögen zwischen dem Biokatalysator und dem Material.
Als ein konkretes Beispiel für ein kohlenstoffhaltiges Material kann Graphit angeführt werden.
Auch wenn die Form der Elektrode auf keine besondere Weise eingeschränkt ist, können ein Stab, eine Platte, ein Film usw. als Beispiele für die Form angeführt werden. Die Form des Querschnittes des Materials kann frei gewählt werden und kann beispielsweise die des Buchstabens Y, eines Kreuzes, eines Sterns usw. sein.
Vorzugsweise wird der Biokatalysator durch Einschließen in einem Hüllmaterial immobilisiert, so daß der Biokatalysator während des eigentlichen Gebrauchs der Elektrode der vorliegenden Erfindung bei Aktivität nicht durch eine möglicherweise in dem zu behandelnden Wasser vorhandene giftige Substanz zersetzt wird. Materialien, die wirksam zum Umhüllen verwendbar sind, enthalten beispielsweise Dextran, Karrageen, Alginsäure und Derivate hiervon, Polyvinylalkohol, photobindendes Harz, Urethan und Polyacrylamid-Gel.
Von den oben genannten Hüllmaterialien haben sich Karrageen und Polyvinylalkohol als besonders wünschenswert erwiesen.
Ein Beispiel für das Verfahren zum Bewirken der Immobilisierung mittels des Hüllmaterials umfaßt das Suspendieren bestimmter mikrobieller Zellen in einer wäßrigen Polyvinylalkohollösung, das Auftragen der resultierenden Suspension des mikrobiellen Zellkörpers auf die Oberfläche der Elektrode und das Entwässern der feuchten Elektrode, wodurch auf der Elektrode ein Überzug aus mikrobiellen Zellen gebildet wird.
Anstelle der direkten Immobilisierung des Biokatalysators auf der Kathodenmatrix kann er auch mittels eines tragenden Elementes immobilisiert werden.
Materialien, die hierbei wirksam als tragende Elemente verwendet werden können, sind beispielsweise gewebte und nicht gewebte Stoffe aus Naturfasern, synthetischen Fasern und Kohlefasern.
Auch wenn das Material für die Anode auf keine besondere Weise eingeschränkt ist, kann es beispielsweise Kohle, Platin oder Nickel sein.
Enthält das zu behandelnde Wasser NO&sub3;&supmin;, wird das NO&sub3;&supmin; in N&sub2; umgewandelt und als solches durch die folgenden Reaktionen aus dem Wasser verdrängt, wobei die Reaktionen durch Anlegen eines elektrischen Stroms an dem Wasser induziert werden.
H&sub2;O + e&supmin; → 1/2H&sub2; + OH&supmin; (1)
2NO&sub3; + 2H&spplus; + 5H&sub2; → N&sub2; + 6H&sub2;O (2)
In der vorliegenden Erfindung wirksam verwendbare Biokatalysatoren sind beispielsweise Paracoccus denitrificans, Micrococcus denitrificans, Alcaligenus, Pseudomonas, C. aceticum, A. woodii, Methanobacterium, Enterobacter cloacal und Schwefelsäurereduktasen.
Zur Immobilisierung eines Biokatalysators kann in der vorliegenden Erfindung beispielsweise das Verfahren verwendet werden, das aus den folgenden Schritten besteht: Eintauchen eines Matrixmaterials zur Immobilisierung in einen den Biokatalysator enthaltenden Schlamm, anschließendes Zufügen eines Substrats in einer Menge, die so berechnet ist, daß es darin eine vorgeschriebene Konzentration annimmt, und Stehen lassen des Matrixmaterials in dem Schlamm über einen vorgegebenen Zeitraum, wodurch ermöglicht wird, daß der Biokatalysator auf dem Matrixmaterial immobilisiert wird, und das Verfahren, das aus den folgenden Schritten besteht: Überziehen der Oberfläche eines Matrixmaterials zur Immobilisierung mit einem Gewebe aus saugfähigen makromolekularen Fasern und Eintauchen des überzogenen Matrixmaterials in einen den Biokatalysator enthaltenden Schlamm, wodurch ermöglicht wird, daß der Biokatalysator darauf immobilisiert wird.
Wenn das Wasser in der vorliegenden Erfindung auf Denitrifizierung behandelt wird, steigt der pH-Wert des Wassers mit zunehmender Denitrifizierung. In diesem Fall kann das Wasser durch Einblasen von Kohlendioxidgas auf einem Neutralitätsniveau gehalten werden, wodurch der denitrifizierenden Mikrobe ein Aufzeigen einer hohen Aktivität ermöglicht wird. Ohne ein Zufügen einer organischen Substanz nimmt die Anzahl immobilisierter mikrobieller Zellen nur äußerst gering zu.
Wird eine organische Substanz zugefügt, gehen etwa 20% der verbrauchten organischen Substanz in mikrobielle Assimilation.
Im folgenden werden weitere Verwendungen des Verfahrens der vorliegenden Erfindung aufgezeigt:
1. Bildung von CH&sub3;COOH aus CO&sub2; und H&sub2; basierend auf den folgenden Reaktionen bei Verwendung von A. woodii:
CO&sub2; + H&sub2;O → HCO&sub3;&supmin; + H&spplus;
HCO&sub3;&supmin; + H&sub2; → CH&sub3;COOH
2. Umwandlung eines hexavalenten Chromions in ein trivalentes Chromion basierend auf der folgenden Reaktion bei Verwendung von Enterobacter cloacal:
CrO&sub4;² + H&sub2; → Cr³&spplus;
3. Reduktion eines Schwefelsäureions basierend auf der folgenden Reaktion bei Verwendung einer Schwefelsäurereduktase:
SO&sub4;²&supmin; + H&sub2; → H&sub2;S
4. Bildung von CH&sub4; basierend auf der folgenden Reaktion bei Verwendung von Methanobacterium:
CO&sub2; + H&sub2;O → HCO&sub2;&supmin; + H&spplus;
HCO&sub3;&supmin; + H&sub2; → CH&sub4;
Die Aktivität der Elektrode mit immobilisiertem Katalysator steigt bei Anlegen eines elektrischen Stromes.
In der Praxis liegt die Stärke dieses Stromes in der Größenordnung von 0,001 mA bis zu mehreren A.
Wenn der Katalysator in dem umhüllten Zustand immobilisiert ist, ist die Möglichkeit des Herabsetzens der Aktivität des Katalysators durch das zu behandelnde Wasser gleich Null. Ferner verhindert die Umhüllung eine Mikrokontamination des Wassers, die durch das Stoffwechselprodukt des Biokatalysators verursacht wird.
Wenn, wie es allgemein praktiziert wird, eine organische Substanz als ein Wasserstoffdonator zugeführt wird, wird die organische Substanz zur Propagierung des Biokatalysators verwendet. Im Falle der Behandlung zur Denitrifizierung muß beispielsweise die Menge der dann zugefügten organischen Substanz gleich ungefähr 2,5 mal der stöchiometrischen Menge betragen, da die Denitrifizierung Assimilation und Stoffwechsel zur Folge hat. Im Falle des Verfahrens der vorliegenden Erfindung kann bei einer hohen NO&sub3;&supmin;-Konzentration im zu behandelnden Wasser das Zufügen eines Wasserstoffdonators die Geschwindigkeit der Denitrifizierung beschleunigen. Da jedoch bei der vorliegenden Erfindung Wasserstoff spontan zugeführt wird (durch Elektrolyse, die durch Anlegen eines elektrischen Stroms an dem Wasser verursacht wird), ist die Menge an einem Wasserstoffdonator, der zugefügt werden soll, höchstens gleich der stöchiometrischen Menge, was dazu führt, daß die Propagierung einer organischen Substanz äußerst gering ist und keine Verschmutzung des Wassers eintritt.
Vom praktischen Standpunkt bei der vorliegenden Erfindung bevorzugt verwendete Wasserstoffdonatoren sind neben Wasserstoff beispielsweise Alkohole, wie z. B. Methanol, organische Säuren, wie z. B. Essigsäure, und Kohlenwasserstoffe, wie z. B. Dextrose.
Bei dem herkömmlichen Verfahren der Elektrolyse durch Anlegen eines elektrischen Stromes an dem Wasser, ist das Wasserstoffnutzungsverhältnis niedrig, da der durch die Kathode erzeugte Wasserstoff in dem Wasser aufgelöst wird und dort mit Sauerstoff reagiert. Im Gegensatz dazu läuft die Reaktion bei der vorliegenden Erfindung reibungslos und mit einem hohen Wirkungsgrad ab, da die Hydrolyse des zu behandelnden Wassers die Erzeugung von Wasserstoff auf der Oberfläche der Elektrode induziert und folglicherweise eine sehr wirksame Zufuhr von Wasserstoff an den Biokatalysator ermöglicht. Da diese Behandlung kein Zufügen einer organischen Substanz erfordert, besteht keine Möglichkeit, daß das Wasser mit einer zugefügten Substanz verschmutzt wird. Die Behandlung kann leicht gesteuert werden, da die Geschwindigkeit der Wasserstoffzufuhr über den elektrischen Strom reguliert werden kann. Darüber hinaus erhöht der elektrische Strom die Aktivität des Biokatalysators.

Testbeispiel 1 (Verhältnis zwischen dem elektrischen Strom und der Menge an erzeugtem N&sub2; in Wasser, das NO&sub3;&supmin; enthält):

Eine Biomembran wurde auf der Oberfläche eines Kohlestabes mit einem Durchmesser von 8 mm und einer Länge von 200 mm und mit einer Oberflächengrobkörnigkeit &epsi; (&epsi; = Breite der Oberflächenungleichförmigkeiten/Durchmesser der Elektrode) in der Größenordnung von 0,01 bis 0,1 durch Immobilisierung von Paracoccus denitrificans nach dem folgenden Verfahren ausgebildet.
Die Immobilisierung erfolgte durch Eintauchen des Kohlestabes in einen Schlamm, der die mikrobiellen Zellen in einer Konzentration von 3000 mg/Liter enthält, durch Zufügen eines Substrates (NaNO&sub3;, Essigsäure, usw.) zu dem Schlamm in einer Menge, die einer NO&sub3;&supmin;-Konzentration in der Größenordnung von 200 bis 300 mg/Liter entspricht, durch Stehen lassen des Kohlestabes in dem Schlamm für etwa ein Monat, wodurch auf der Oberfläche des Kohlestabes eine Biomembran ausgebildet wird. Auf diese Weise erhielt man eine Elektrode mit einem immobilisierten Biokatalysator.
Der Kohlestab mit dem wie oben beschriebenen immobilisierten Biokatalysator wurde als eine Kathode in eine Reaktionssäule mit einem Innenvolumen von etwa 2000 cc eingesetzt, und ein Kohlestab, der in seiner Größe identisch zur Kathode war, wurde der Kathode als eine Anode gegenübergestellt. Das zu behandelnde Wasser (das NO&sub3;&supmin; in einer Konzentration von 20 mg/Liter enthielt) wurde dieser Säule mit einer Geschwindigkeit von 3 cc/min zugeführt.
Das zu behandelnde Wasser wurde auf einer Temperatur von 30ºC gehalten, und eine elektrische Spannung wurde zwischen den gegenüberstehenden Elektroden angelegt, und die Stärke des elektrischen Stroms wurde variiert, um das Verhältnis zwischen der Stärke des elektrischen Stromes und der Menge an erzeugtem N&sub2; zu untersuchen. Die Testergebnisse sind durch die gerade Linie 1 in Fig. 1 aufgezeigt. Die Linie 1 gibt an, daß 1 mol an Elektronen 0,1 mol an N&sub2; erzeugte.

Testbeispiel 2 (Veränderungen der NO&sub3;&supmin;-Konzentration und der Menge an erzeugtem N&sub2; mit dem zeitlichen Ablauf der Reaktion):

In die gleiche Reaktionssäule, wie sie im Testbeispiel 1 verwendet wurde, wurden 2000 cc Wasser (mit NO&sub3;&supmin; in einer Konzentration von 10 mg an N pro Liter) ge geben. Ein elektrischer Strom von 25 mA wurde durch das Wasser geschickt, und das Wasser wurde auf einer Festtemperatur von 30ºC gehalten, um Veränderungen des NO&sub3;&supmin;-Gehalts des Wassers und der Menge an erzeugtem N&sub2; mit dem zeitlichen Ablauf der Reaktion zu untersuchen. Die Ergebnisse sind in Fig. 2 aufgezeigt. Die Linie 2 in Fig. 2 stellt die Veränderung des NO&sub3;&supmin;-Gehalts mit dem zeitlichen Ablauf der Reaktion dar, und die Linie 3 die angesammelte Menge an erzeugtem N&sub2;.

BEISPIEL 1

Auf die gleiche Weise wie im Testbeispiel 1 wurde auf der Oberfläche eines Kohlestabes mit einem Durchmesser von 8 mm und einer Länge von 20 cm eine eine denitrifizierende Mikrobe enthaltende Biomembran mit einer Stärke von etwa 100 um ausgebildet, um eine Elektrode mit immobilisiertem Biokatalysator zu erzeugen, wie sie von der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist.
Die oben genannte Elektrode wurde als eine Kathode in eine Reaktionssäule mit einem Innenvolumen von etwa 200 cc eingesetzt, und eine Anode, die getrennt aus Kohle hergestellt wurde, wurde der Kathode als eine Gegenelektrode gegenübergestellt.
Ein synthetisches Abwasser (mit NaNO&sub3; in einer Konzentration von etwa 20 mg/Liter) wurde der Reaktionssäule mit der Geschwindigkeit von 3,3 cc pro Minute zugeführt, und ein elektrischer Strom wurde an den einander gegenüberstehenden Elektroden in einer Stärke angelegt, die einer Kathodenstromdichte von 0,019 mA/cm² entspricht. Die Reaktionssäule wurde kontinuierlich für 120 Stunden unter den oben genannten Bedingungen betrieben.
Das aus der Reaktionssäule abfließende behandelte Wasser hatte einen NO&sub3;&supmin;- Gehalt von nicht mehr als 1 mg/Liter.

BEISPIEL 2

Die in diesem Beispiel verwendete Kathode umfaßte eine Kohlenstoffmatrix, eine ungefähr 2 mm starke Schicht eines Aggregats aus Kohlefasern, die durch Erwärmen von Kunstseidefasern auf 800ºC ausgebildet wurde, und einen Biokatalysator, der hauptsächlich aus Methan produzierenden Mikroben und Essigsäure besteht und auf eine Stärke von etwa 20 um auf der Kohlefaserschicht immobilisiert wurde.
Diese Kathode und eine Kohleanode wurden in einen Behälter mit 800 cc Wasser mit einem HCO&sub3; Gehalt von 1000 ppm angeordnet, und ein elektrischer Strom wurde zwischen der Kathode und der Anode angelegt. Die Kathodenstromdichte lag bei 0,714 mA/cm², und die Temperatur des Wassers betrug 35ºC.
Das Verhältnis von Zeit gegenüber der Erzeugung von Methan ist in Fig. 3 aufgezeigt.

BEISPIEL 3

Ein Verfahren wurde nach der Methode des Beispiels 2 durchgeführt, mit der Ausnahme, daß ein makromolekulares saugfähiges Material mit einer Stärke von ungefähr 2 mm und der Fähigkeit, Wasser zu absorbieren und demzufolge gelförmig anzuschwellen, anstelle des Aggregats aus Kohlefasern verwendet wurde. Das Verhältnis zwischen dem zeitlichen Ablauf der Reaktion und der Menge an erzeugtem Methan ist in Fig. 4 aufgezeigt.

BEISPIEL 4

Eine Elektrode mit immobilisiertem Biokatalysator gemäß der vorliegenden Erfindung wurde durch Ausbilden einer eine Methan erzeugende Mikrobe enthaltenden Biomembran mit einer Stärke von etwa 100 um auf einem aus Kohlenstoff gebildeten Kathodenmatrixmaterial hergestellt.
Die oben genannte Elektrode wurde als eine Kathode in einem Reaktionsgefäß angeordnet, und eine Anode, die getrennt aus Kohlenstoff hergestellt wurde, wurde der Kathode gegenübergestellt. Zwischen der Kathode und der Anode des Reaktionsgefäßes, dem Wasser mit 1000 ppm HCO&sub3; zugeführt wurde und das auf einer Temperatur von 35ºC gehalten wurde, wurde ein elektrischer Strom mit einer Kathodenstromdichte von 0,357 mA/cm² für 100 Stunden zugeführt, dann mit einer Kathodenstromdichte von 0,714 mA/cm² für 50 Stunden und schließlich mit einer Kathodenstromdichte von 1,07 mA/cm² für 50 Stunden, um die erzeugte Menge an CH&sub4; und H&sub2; zu untersuchen. Die Ergebnisse sind in Fig. 5 aufgezeigt.
In dem Diagramm steht das Zeichen für die erzeugte Menge an CH&sub4; und das Zeichen o für die erzeugte Menge an H&sub2;.

Claims

1. Elektrode zur Verwendung bei der Reinigung von Wasser, wobei die Elektrode aus einem Kathodenmatrixmaterial und einem Biokatalysator besteht, der auf einer Oberfläche des Kathodenmatrixmaterials immobilisiert ist; dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode so angeordnet ist, daß der Biokatalysator als ein Reduktionsmittel Wasserstoffgas verwendet, das während der Elektrolyse von Wasser auf der Oberfläche der Elektrode erzeugt wird.

2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Biokatalysator in der Lage ist, die Reduktion anorganischer Ionen zu katalysieren.

3. Elektrode nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Biokatalysator aus Paracoccus denitrificans, Micrococcus denitrificans, alkaligenen Substanzen, Pseudomonas, Clostridium aceficum, Acetobacterium woodii, Methanobacterium, Enterobacter cloacal und Schwefelsäurereduktasen ausgewählt ist.

4. Elektrode nach Anspruch 1, Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kathodenmatrixmaterial aus einem kohlenstoffhaltigen Material besteht.

5. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kathodenmatrixmaterial porös ist.

6. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Biokatalysator in einem Hüllmaterial eingeschlossen ist.

7. Elektrode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Hüllmaterial aus Dextran, Carrageenan, Alginsäure, Polyvinylalkohol, einem Photobindeharz und Urethan-Polyacrylamidgel ausgewählt ist.

8. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Biokatalysator durch ein tragendes Element immobilisiert wird.

9. Elektrode nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das tragende Element aus einer faserigen Substanz hergestellt ist.

10. Elektrode nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das tragende Element aus einer kohlestoffhaltigen Substanz hergestellt ist.

11. Bioreaktor, der zur Reinigung von Wasser eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Bioreaktor eine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 beanspruchte Elektrode hat.

12. Verfahren zum Reinigen von Wasser, wobei das Verfahren das Eintauchen einer Anode und einer Kathode in ein zu behandelndes Wasser und das Anlegen einer Spannung über die Elektroden umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode aus einer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 beanspruchten Elektrode besteht, und die Spannung ausreicht, um die Erzeugung von Wasserstoffgas an der Kathode zu verursachen oder zu ermöglichen, wobei das Gas von dem Biokatalysator als ein Reduktionsmittel verwendet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wasserstoffdonator zu dem zu behandelnden Wasser hinzugefügt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstoffdonator aus Wasserstoffgas, Alkoholen, organischen Säuren und Kohlenwasserstoffen ausgewählt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstoffdonator in nicht mehr als der stöchiometrischen Menge zugegeben wird, die notwendig ist, um die Reduktion einer zu reduzierenden Art in dem zu behandelnden Wasser zu bewirken.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das zu behandelnde Wasser Nitrat enthält.

17. Verfahren nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch Blasen von Kohlendioxid in das zu behandelnde Wasser.