DD210383A3 - Verfahren zur herstellung von eiweissfuttermittel aus abwasser - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Eiweissfuttermittel aus Abwasser durch biologische Abwasserreinigung, bei dem Ueberschussbelebtschlamm in aeroben Belebungsstufen anfaellt.Ziel ist ein als Futtermittel geeigneter Ueberschussbelebtschlamm. Die Aufgabe besteht in der Schaffung eines Verfahrens, das eine weitgehende Vereinheitlichung der Vielfalt der Mikroorganismenarten auf solche hohen ernaehrungsphysiologischen Werte erreicht. Die Aufgabe wird erfindungsgemaess dadurch geloest, indem die Belueftung des Belebtschlammes bzw. des Rueckfuehrbelebtschlammes fuer maximal 30 Minuten unterbrochen wird und die Aufkonzentrierung des Belebtschlammes vorzugsweise mittels Separator oder Dekantor oder durch Flotation erfolgt.Diese Massnahme bewirkt,dass etwa 85% DER Biomasse nur noch aus wenigen Dominierenden Mikroorganismenarten bestehen,die scheinbare Verdaulichkeit dieser Biomasse auf etwa 80% steigt u.die Lebendmassezunahme der Versuchstiere gleich der der Kontrollgruppe ist,die eine Caseindiaet erhaelt.

Description

Titel der Erfindung

Verfahren zur Herstellung von Eiweißfuttermittel aus Abwasser

Anwendung; sg e bi e t

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung hoch wertiger Eiweißfuttermittel aus Abwasser, bei dessen biologischer Reinigung ein Belebtschlamm anfällt« Sie- is't' in? die* IpK A 23 K e inzu ordnen. -

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

biologischen Abwasserreinigung anfallende überschuiB-Belebtschlaiinii¹ besteht '.vorwiegend aus- mikrobieller Biomasse mit einem hohen Anteil an Protein und verschiedenen Vitaminen, so daß sein Einsatz in der Tierernährung naheliegend ist. ·"',.. 5^;:- Charakteristisch für-; den, gegenwärtigen Stand der Technik, ist die Tatsache, daß bei der Zufütterung'von Belebtschlamm als Eiweißfuttermittel keine reproduzierbaren positiven Ergebnisse erhalten werden* Insbesondere, werden starke Schwankungen der Proteinverwertbarkeit beobachtet.

2-C/ Das zu 'lösende Hauptproblem besteht in der reproduzierbaren ·' Gewinnung eines, hochverdaulichen Belebtschlammes.

Ein erschwerender Faktor bei der Lösung des Problems besteht darin, daß der Belebtschlamm eine Mischpopulation unterschiedlicher Familien, Gattungen und Arten von Mikroorganismen darstellt, die von ITatür aus eine sehr unterschiedliche Verdaulichkeit aufweisen und bei denen.die verschiedenen zur Erhöhung der Verdaulichkeit angewandten Methoden unterschiedlichen Erfolg haben- . Es wird auf zweierlei Art versucht, einen reproduzierbar gut verdaulichen Belebtschlamm zu erhalten, indem entweder eine Nachbehandlung der Biomasse oder eine Belebtschlammfermentation unter vorgegebenen und einzuhaltenden Bedingungen vorgenommen wird«

Bei der Nachbehandlung der Biomasse geht man von der Annahme aus, daß das Mikroorganismenprotein an sich von hoher biologischer Wertigkeit und guter Verdaulichkeit ist und daß nur störende Einflüsse beseitigt werden müssen* So sollen z. 3. nach DE-AS 22 42 377 durch eine Schocktrocknung bei 100 bis 16O ⁰C die Zellwände der Einzeller gesprengt und das Protein der Verdauung zugänglich gemacht werden* Nach DD-WP. 139 68b soll der Belebtschlamm verfütterbar werden, indem die Karbonate durch Zusatz von Säure aus ihren Salzen verdrängt werden. Eine Nachbehandlung kann aber das Problem· der'wechselhaften Zusammensetzung des Belebtschlammes nicht lösen* Bei den Verfahren, die das Abwasser unter vorgegebenen und

c einzuhaltenden aeroben Bedingungen unter Einsatz, hauptsächlich einer Mikroorganismenart reinigen und gleichzeitig eine verfütterbare Biomasse erzeugen wollen, kann das Ziel der Erzeugung einer reproduzierbar einheitlichen Biomasse von konstanter Zusammensetzung näherungsweise erreicht werden* Allerdings sind hierfür Maßnahmen erforderlich, die be- trächtliche technisch-ökonomische Nachteile haben. Die Verfahren, die eine Hefe'als bevorzugte Mikroorganismenart in schwach saurem Medium verwenden (DE-OS 27 58 870, DE-OS 21 63 364), sind auf Grund.ihres sehr hohen Säurezusatzes praktisch nicht anwendbar. Andere Verfahren .gewährleisten eine weitgehend einheitliche ,Biomasse durch eine

thermophiie Fermentation. So wird nach DD-WP 140 447 Gülle unter Einsatz definierter Starterkulturen thermophil fermentiert. Die thermophiie Fermentation unter Zusatz von Zellulose als zusätzlicher C-Quelle beinhaltet DE-AS 19 04 580, Für eine thermophiie Fermentation sind die für die Abwasserreinigung üblichen offenen Belebungsbecken nicht geeignet, es sind geschlossene, 'wärmeisolierte Fermentoren erforderlich. Ebenso soll auch lediglich die Zugabe von Methanol als zusätzliche C-Quelle nach DD-WI 128 .067 sowie DS-OS 25 24 042 -"IO eine weitgehende Vereinheitlichung und Reproduzierbarkeit des Belebtschlammes bewirken.

Der Nachteil der bekannten Verfahren besteht darin, daß sie entweder einen hohen apparativen Aufwand oder einen großen Chemikalieneinsatz erfordern und daher nur unter größtechic; nischen Bedingungen durchführbar- sind, die mit den Änfor-

derungen der Landwirtschaft (Produktionsbedingungen, Ar-. beitskräftepotential) nicht vereinbar sind.

Insbesondere erscheint es unmöglich, bereits bestehende Abwasser-Reinigurg-sanlagen durch relativ geringe techno- ' logische Umrüstungen so umzustellen, daß anstelle, wertlosen überschußbelebtschlammes eine verfütterbare Biomasse anfällt..

Ziel'der: ;Erfindung

• Das Ziel der Erfindung besteht darin, den in herkömmlichen' biologischen Abwasser-Reinigungsanlagen anfallenden-geringwertigen Überschußbelebtschlamm in seiner Qualität so zu verbessern, daß er als Eiweißfutterkomponente in. der Ernährung von Uutz±ieren eingesetzt werden kann. Dabei ist insbesondere die Bedingung zu erfüllen,, daß die Einrichtungen bereits bestehender herkömmlicher Abwässer-Reinigungsanlagen weiterverwendet werden können und-Im Vergleich zu den Investitionen, die zur Errichtung einer völlig neuen Anlage erforderlich sind, nur relativ geringfügige technologische Umrüstungen erfordern. · .

' Darlegung des Wesens der Erfindung

Da sich die Schwierigkeiten der Verwertung·, des Überschußbeleb tschlammes als Futtermittel aus der Wechselhaftigkeit und Uneinheitlichkeit der Mikroorganismen-Population ergeben, ist es Aufgabe der Erfindung, die erzeugte Mikroorganismen-Population dahingehend zu vereinheitlichen, daß das verbleibende Spektrum der unterschiedlichen Arten von LlikroOrganismen ein Eiweiß mit hohem -ernahrungsphysiologischein Wert hat.

^w-j0 Diese erforderliche Vereinheitlichung der Mikroorganismen-Population soll ohne großen technologischen und energetischen Aufwand möglich sein, insbesondere sollen.

- kein geschlossenes Fermentationssystem

- keine externe Chemikalienzufuhr zur pH-Wertregelung 15 , - keine externe Wärmezufuhr ^:

dazu erforderlich sein« ' Merkmale der'Erfindung

Die erfindungsgemäße Lösung der technischen Aufgabe besteht ,-% darin, daß die Rückführung des Belebtschlammes bzw« der Bio-¹^" 20 masse in.das .Belebungsbecken bzw. den .Fermentor so gestaltet wird, daß- die Belüftung während der gesamten Rückfüh- rung, angefangen vom Austritt des Belebtschlammes aus dem Belebungsbecken-über das Passieren einer Vorrichtung zur-Anreicherung des Belebtschlammes bis zum Wiedereintritt des RücklaufSchlammes in das Belebungsbecken, für höchstens 15 bis 30 Minuten unterbrochen wird·.

Es handelt sich bei diesen an sich bekannten Vorrichtungen um Separatoren oder Dekantoren, die jedoch bei dem erfin-; dungsgemäßen Verfahren in einer Weise betrieben werden, daß weder eine möglichst weitgehende Klärung des gereinigten Wassers noch eine möglichst hohe Aufkonzentration des Belebtschlammes erzielt wird; sondern daß die Verweilzeit des rückzuführenden Schlammes möglichst gering wird«

Dazu wird der Separator zweckmäßigerweise so eingestellt, daß er einen Abtrennungsgrad von 20 bis 80 %, vorzugsweise 50'%, des Feststoffes aus dem zu klärenden Wasser erreicht und die relativ leichte Phase zur schweren Phase des Separatoräblaufes ein Volumenverhältnis von 1 : 2 bis 10 : 1 aufweist.

Erfindungsgemäß ist es jedoch auch möglich, durch. Flotation mit Luft, z# B, durch die bekannte Druck-Sntspannungsbegasung, die Abtrennung des rückzuführenden Schlammes durch-"""^q zuführen, wobei auch hierbei weder der Abtrennungsgrad noch

der Aufkonzentrierungsgrad hoch sein brauchen, sondern allein die Bedingung erfüllt werden muß, daß während der Flotationszeit der Sauerstoffgehalt des flotierten Schaumes nicht unter 3 fu±n der ,Gasphase abfall t„ Der flotierte Schaum ist gemäß' -J5 dem bekannten Stand der Technik in flüssige und gasförmige' phase zu trennen und die flüssige Phase ist umgehend wieder dem Belüftungsbecken zuzuleiten*

Es-kann aus technisch-ökonomischen Gründen.zweckmäßig sein, eine._;. Trenn dp era tion.' einzusetzen, . Bei der der Trennvorgang nicht so schnell verläuft wie im Separator oder Dekantor, . ¹^obei sich eine Zeit von mehr· als 30 Minuten von der Entnahme aus dem Belebungsbecken bis zum Wiedereintritt des J Rückführbelebtschlammes in das Belebungsbecken ergibt. Um

die Unterbrechung der Sauerstoffzufuhr im Limit von 30 Minuten zu halten, kann der Sauerstoffgehalt des den;. Rück-. . führ-belebtschlamm enthaltenden Mediums, ζ· B* vor und bzw» oder nach dem Trennaggregat durch Belüftung oder Einbringen eines sauerstoffhaltigen Gases oder durch Zufügen eines sauerstoff abgebenden Stoffes auf einen Gehalt von mindestens '. . 30 1 mg/1 Gelöstsauerstoff angehoben T/erden. Diese Maßnahme ' kann, falls nötig, mehrmals angewendet werden. Unter solchen erfindungsgemäßen Bedingungen werden die obligaten A'erobier während der Rückführung nicht geschädigt oder gar abgetötet, wie dies bei den bisher bekannten technischen Lösungen, die eine mehrstündige, .anaerobe Phase während der Rückführung aufweisen, der Fall ist, und der Selektionsvor-

teil, den die obligaten Aerobier im Belebungsbecken haben, wird während der Rückführung nicht zunichte gemacht- !Jach dem Unterbrechen der Belüftung wird der im Medium gelöste Sauerstoff innerhalb von 5 bis 10 Minuten von der Biomasse aufgebraucht« Mach dem Verbrauch des Gelöstsauerstoffs kommt das Wachstum der obligat aeroben Mikroorganismen auf Grund der für sie ungünstigen Bedingungen zum Stillstand. Diese- Phase darf nur 10 bis höchstens 20 Minuten dauern, um die Lebensfähigkeit der obligaten Aerobier "nicht entscheidend zu beeinträchtigen. JJach erfolgter Rückfüh-O rung in das Belebungsbecken kommen die obligaten Aerobier Y/ieder in die für sie günstigen Milieubedingungen,und sie können nach Durchlaufen einer lag-Phase voll weiterwachsen und sich vermehren. Bach einer genügenden Anzahl von Zyklen wirkt sich der Selektionsvorteil der obligaten Aerobier derart aus, daß' sich die Vielfalt der anfangs vorhandenen Mikroorganismenarten drastisch verringert hat und die Biomasse zu ca. 85 % aus nur wenigen Mikroorganismenarten besteht. Gleichzeitig hat diese weitgehend vereinheitlichte Biomasse di^e gute scheinbare Verdaulichkeit you ca. 80 % {Im. Standardversuch an wachsenden Ratten ermittelt).

Weiterhin .wurde gefunden, dai3 die Zufuhr bzw. die Fichtzu-,^ fuhr von Sauerstoff zum Überschuß-Belebtschlamm während der ^K-^\ Abtrennung und weiteren Aufarbeitung zu Biweißfutter auch bei längeren aeroben bzw. anaeroben Zeiträumen, ζ. B. über 48 Stunden, in keiner Weise dessen Verdaulichkeit beeinflußt. Im Kreislauf des Rückführbelebtschlammes vermindern dagegen anaerobe Bedingungen, die einen Zeitraum von ca. 15 Minuten übersteigen, bereits merklich die Verdaulichkeit eines Überschußbelebtschlammes, der zu einem wesentlich späteren Zeitpunkt nach dem Durchlaufen mehrerer Zyklen aus dem Belüftungsbecken abgetrennt und zu Futter aufgearbeitet wird, wobei in der Aufarbeitungsphase der Sauerstoffgehalt des Mediums wiederum keine Rolle für· die Verdaulichkeit spielt. Die Entnahme des überschußschlammes zu Filtterungszwecken kann wahlweise aus dem Rückführungsstrom des aktiven Schlammes er-. folgen; sie kann aber jedoch auch aus dem nur teilweise ge-

klärten Wasser nach der vorstehend beschriebenen unvollständigen Abtrennung des Peststoffes in beliebiger vorbekannter V/eise erfolgen, da hierbei die beanspruchte zeitliche Limitation der anaeroben Phase nicht gilt· Anders ausgedrückt: Zur Abtrennung des für die Fütterung vorgesehenen Schlammes kann eine Aufkonzentration durch alle bekannten Methoden erfolgen (z. B. Eindicker, Schrägklärer, Filter), da die Art und Weise'der'Aufkonzentration·'" nicht ^:- Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist.

'•Q Ausführungsbeispiele Beispiel 1:

Stallfrische Schweinegülle wurde bei 3000 g Schwerebeschleunigung 20 Minuten lang zentrifugiert. Der Überstand, im folgenden als Güllefugat bezeichnet, wurde mittels Dosierpumpe einem Labor-Rührfermentor zugeführt, dessen Püllvolumen 1000 ml betrug. Bei einer Dosierung von 130 ml Güllefugat/Stunde wurden unter Rühren: ohne Temperatur--oder pH-Regelung 35-1 Luft/Stunde eingeblasen* Als Erstfüllung für den Fermentor diente eingedickter Überschu-ßbelebtsohlamn ^20 aus einer technischen Gülleaufbereitungsanlage nach dem Prinzip der biologischen Abwasserreinigung- : Der Fermentorablauf wurde weiterbelüftet und; chargenweise in einer Laborzentrifuge bei 6000 g Schwerebeschleunigung 10 Minuten.lang zentrifugiert, wobei jeweils die Rückstände aus " der Hälfte der Zentrifugenbecher sofort in den Permentor zurückgegeben wurden, wahrend die andere Hälfte lyophilisiert wurde« iiachdem die Fermentation unter diesen Bedingungen -7 Tage lang ununterbrochen, durchgeführt worden war und sich ein Fließ-Gleichgewicht eingestellt hatte,wurde mit der Bilanzierung des Versuches begonnen:

Es wurden, folgende Werte ermittelt:

Chemischer Sauerstoffverbrauch des Güllefugats:

Chemischer Sauerstoffverbrauch des Fermentor-

abiaufs:

Chemischer Säuerstoffverbrauch im Überstand des bei 6000 g 10 Minuten lang zentrifugier-

ten Fermentorablaufs:

pH-Wert des Zulaufs vom Güllefugat:

pH-Wert des.Fermentorablaufs:

Temperatur während der Fermentation (zwischen Tag und Nacht schwankend):

Rückstand des Ablaufs. .nach Zentrifugation bei 6000 g 10 Minuten lang:

Farbe des lyophilisierten Rückstandes:

Geruch:

E-Gehalt i, TS:

Rohasche i_#. TS:

in-vitro-Verdaulichkeit (Pepsininethode):

in-vivo-Ver&aulichkeit an Ratten (scheinbarer Yerdaulichkeitsquotient):

25. 600 mg/1

200 mg/1

300 mg/1 6,8 8,7

... 306 K

10,2 g/l rosa-braun erdartig 12,4 % 14,0 %

91 % 78 %

Ein gleicher Versuch wie oben beschrieben wurde durchgeführt mit dem einzigen Unterschied, daß der Fermentorablauf vor der Zentrifugation ohne Luftzufuhr 10 Stunden lang bei Raumtemperatur stehengelassen wurde. Ebenfalls nach einer kontinuierlichen Versuchsdauer von 7 Tagen ergaben sich folgende Werte im· Fließgleichgewioht:

Chemischer Sauerstoffverbrauch des Güllefugats: Chemischer Sauerstoffverbrauch des Fermentorablaufs: '.'·

Chemischer Sauerstoffverbrauch im Überstand des bei 6000 g 10 Minuten lang .zentrifugierten Ferment orab lauf s:

pH-7/ert des Zulaufs vom Güllefugat:

000 mg/1 800 mg/1

100 mg/1 6,8

pH-Wert des Permentorablaufs: 8,7 Temperatur¹ während der Fermentation (zwischen Tag und Nacht schwankend): 299 .«. 30β Κ Rückstand des Ablaufs nach Zentrifugation

bei 6000 g 10 Minuten lang: 9,0 g/l

Farbe des lyophilisierten Rückstandes: gelbbraun Geruch: . fäkalartig

IT-Gehalt i. TS: 10,2 %

Rohasche::i. TS: ' . 17,4 %

. in-vitro-Verdaulichkeit (Pepsinmethode): 71 %

\ in-vivo-Verdaulichkeit an Ratten

(scheinbarer Verdaulichkeitsquotient): . 53 %

Bei ständiger-bzw; nur-bei der Abtrennung' des.Belebtschlammes für· höchstens 30 Minuten unterbrochener Be- lüftung erhält man einen Belebtschlamm mit einem hohen Rohproteingehalt und einer guten Proteinverdaulichkeit, die mit der Verdaulichkeit von Casein vergleichbar ist. Die Gewichtszunahmen der wachsenden Ratten waren ebenso hp:c'hV,wlefr bei-derrmit- Caiseiif als Standardprötein gefüt*teK^>"ten Kontrollgruppe.

Der Belebtschlamm, der nach dem mit längerer. Unterbrechung der Belüftung arbeitenden Verfahren erhalten wurde, hat eine scheinbare Proteinverdaulichkeit von nur 53 %_.und die Tiere zeigen.Wachstumsdepressionen (geringere Lebendmassezunahmen als die Tiere der Kontrollgruppe)* Dieses Produkt ist nicht als Futtermittel einsetzbar.

Beispiel..2 : ,

Stallfrisctie Schweinegülle wird wie in Beispiel 1 fermentiert. Der Fermentorablauf wird belüftet und der Belebtschlamm wie in Beispiel 1 zur Hälfte zurückgeführt.' Fach 7 Tagen nach Einstellung des-Fließgleichgewichtes belüftet man eine' Half te des" Fermehtorablä'üf s we'i terhin und führi;

den Belebtschlamm dieses Teiles des Fermentoräblaufs in den Fermentor zurück. Die andere Hälfte des Fermentor-^: ablaufes läßt man vor dein Zentrifugieren 10 Stunden ohne Belüftung stehen, zentrifugiert und lyophilisiert den als Rückstand erhaltenen Überschußbelebtschlamm« Dieser Überschußbeleb tschlamm unterscheidet sich nicht von dem bei ununterbrochener Belüftung des Permentorablaufes erhaltenen Produkt. . ·.--.

Claims (4)

1. Erfindungsanspruch

   ' . · · 1.. Verfahren- zur 'Herstellung' voir Siweißfuttermittel , Abwasser, welches durch Reinigungsverfahren entlastet wird,·, dia ein oder mehrere aerobe biologische. Stufen . und eine Rückführung, von Belebtschlamm enthalten,.ge-. kennzeichnet dadurch,/ daß"· die Belüftung des Belebt-. Schlammes bzw« des RücklaufSchlammes während der gesäpten^ Zei/ir, irr dör·" siph^.dfer-¹ Rücklauf'%άίια:ψ^^ιΐΜβϊι^ ±ms ' .Belüftungsbecken befindet, für- höchstens 15 bis 30 Minuten unterbrochen wird«
2. 2. Yerf ahren nach Punkt 1,. gekennzeichnet dadurch, ..daß die Rückführung des¹' Rückführbelebtschlammes -vom..Austritt aus dem Belebungsbecken bis zum Wiedereintritt innerhalb von 30 Minuten erfolgt..

   !<=, "- - ' J; -Verfahren -nach -Punkt 1 bis 2, gekennzeichnet dadurch', . ' daß die Abtrennung des Schlammes durch ein künstlich aufgebautes Schwerefeld erfolgt, dessen Beschleunigung höher als die Erdbeschleunigung ist. ·

   4- Verfahren nach Punkt 3, gekennzeichnet dadurch, daß das künstliche Schwerefeld in einem Separator oder Dekantor aufgebaut wird.
3. 5. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Abtrennung des Schlammes durch Flotation mit Luft erfolgt.
4. 6. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß dem Medium, welches den Rückführbelebtschlamm enthält, nach jeweils maximal 30 Minuten Verarbeitungs- oder Lagerzeit Luft zugeführt wird, bis eine Konzentration an C-elöstsauerstoff von' mindestens 1 mg/1 erreicht ist.