DE19617331C2

DE19617331C2 - Verfahren zur biologischen Umsetzung von in Wasser gelöstem Ammonium unter Verwendung ammoniakoxidierender Bakterien

Info

Publication number: DE19617331C2
Application number: DE19617331A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Prof Dr Bock; Ingo Schmidt; Ralf Stueven; Dirk Zart
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-04-30
Filing date: 1996-04-30
Publication date: 1998-07-02
Anticipated expiration: 2016-05-01
Also published as: DE19617331A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur biologischen Umsetzung von in Wasser gelöstem Ammonium unter Verwendung ammoniakoxidierender Bakterien.

Es ist allgemein bekannt, daß ammoniakoxidierende Bakterien insbesondere der Gattung Nitrosomonas zur biologischen Umset zung von in Wasser gelöstem Ammonium verwendet werden, insbe sondere zur Abwasserreinigung. Nach klassischer Vorstellung geht man davon aus, daß die Ammoniakoxidation strikt aerob abläuft, wobei molekularer Sauerstoff als Oxidationsmittel dient und Nitrit gebildet wird.

Das Ziel der biologischen Umsetzung von in Wasser gelöstem Ammonium ist jedoch nicht die Bildung von Nitrit. Vielmehr wird insbesondere in der Abwassertechnik eine Stickstoffeli mination angestrebt, die sich im Grunde an die Nitritbildung anschließt. Für die Stickstoffelimination sind üblicherweise Denitrifikanten erforderlich, die Nitrit oder daraus gebilde tes Nitrat meist unter anaeroben Bedingungen zu molekularem Stickstoff reduzieren. Insofern ist die Stickstoffelimination ein komplexer Vorgang, der sich bislang aus verschiedenen biologischen Umsetzungen ergibt und verfahrenstechnische Pro bleme aufwirft.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die biologi sche Umsetzung von in Wasser gelöstem Ammonium unter Verwen dung ammoniakoxidierender Bakterien zu verbessern und eben falls mittels ammoniakoxidierender Bakterien eine Stickstoff elimination zu ermöglichen.

Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der gestellten Aufgabe da durch, daß man den ammoniakoxidierenden Bakterien Stickstoff dioxid zuführt. Dieser Lösung liegt die neue und überra schende Erkenntnis zugrunde, daß die Ammoniakoxidation mit tels Stickstoffdioxid als Oxidationsmittel durchführbar ist.

Durch die Verwendung von eingeleitetem Stickstoffdioxid als Oxidationsmittel ergibt sich für die Ammoniakoxidanten eine erhebliche Energieeinsparung. Nach herkömmlicher Vorstellung müssen diese Bakterien zwei der vier Reduktionsäquivalente aus der Oxidation des Hydroxylamins zu Nitrit wieder in die Oxidation des Ammoniaks investieren:

NH₃ + O2 + 2[H] → NH₂OH + H₂O

NH₂OH + H₂O → HNO₂ + 4[H]

Läuft die Oxidation des Ammoniums jedoch primär mit extern zugeführtem Stickstoffdioxid und nicht mit Sauerstoff ab, werden bei dieser Reaktion keine Reduktionsäquivalente ver braucht und die Zellen können alle vier Reduktionsäquivalente aus der zweiten Reaktion zur Energiegewinnung nutzen:

NH₃ + NO₂ → NH₂OH + NO

Ein sauerstoffverbrauchender Schritt kann jedoch erhalten bleiben. Wie überraschenderweise gefunden wurde, können Ammo niakoxidanten Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid oxidie ren, wobei zwei Reduktionsäquivalente verbraucht werden. Diese Reaktion wird von einer Monooxygenase katalysiert:

NO + O₂ + 2[H] → NO₂ + H₂O

Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung ist somit dadurch gekennzeichnet, daß man die Ammoniakoxidation in einem Behäl ter unter aeroben Bedingungen durchführt und in einem nachge schalteten Behälter sauerstofflimitierte Bedingungen schafft. Hierdurch wird eine hohe Stickstoffelimination erreicht, die ausschließlich auf den Stoffwechsel ammoniakoxidierender Bak terien zurückführbar sein kann. Es konnte gezeigt werden, daß Ammoniakoxidanten Nitrit unter Verwendung von nur 3 Reduk tionsäquivalenten in molekularen Stickstoff verwandeln:

HNO₂ + 3[H] → 0,5 N₂ + 2 H₂O

Besonders gute Umsatzraten werden dadurch erzielt, daß man die Bakteriensuspension über ein Filtrationsmodul leitet und eine Zelldichte von wenigstens 10⁹ Zellen nitrifizierender Bakterien pro mL erzeugt. Bei einer derartigen Zelldichte sollte die Konzentration des Stickstoffdioxids im Bereich von 1. . . 500 ppmV liegen. Als besonders geeignet haben sich 50 ppmV herausgestellt.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich insbesondere zur Be handlung von Abwasser in Kläranlagen einsetzen. Es läßt sich zur kommunalen Abwasserreinigung ebenso anwenden wie zur in dustriellen Abwasserreinigung. Ein besonderer Vorteil bei der Abwasserreinigung liegt insbesondere darin, daß die bei der Oxidation des Hydroxylamins gebildeten Reduktionsäquivalente durch Zugabe von Stickstoffdioxid nicht teilweise wieder zur Oxidation des Ammoniaks verwendet werden müssen, sondern zur Reduktion des gebildeten Nitrits zur Verfügung stehen. Damit läßt sich eine insgesamt wirtschaftliche und verhältnismäßig einfach durchzuführende Stickstoffelimination erreichen.

Aufgrund der Anwendbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abwasserreinigung empfiehlt es sich, Kläranlagen und Ver brennungsanlagen zu kombinieren, indem man Stickstoffdioxid aus der Abluft von Verbrennungsanlagen verwendet. Eine solche Abluft enthält hohe Mengen Stickstoffdioxid, das die Umwelt belastet. Wird dieses Stickstoffdioxid gemäß dem erfindungs gemäßen Verfahren zur Abwasserreinigung benutzt, wird neben der Verringerung der Emissionsbelastung eine Verbesserung der Nitrifikation in Kläranlagen erreicht. Zu den Verbrennungsan lagen zählen Müllverbrennungsanlagen und Wärmekraftanlagen, die regelmäßig einen hohen Stickstoffdioxidausstoß bewirken.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens näher erläutert. Die Figur zeigt einen Behälter 1 zur Kultivierung ammoniakoxidierender Bakterien, der über eine Zuführleitung 2 mit einer Stickstoffdioxid-Quelle verbunden ist und einen Kreislauf 3 mit einem Filtrationsmodul 4 aufweist, so daß am moniakhaltiges Wasser über eine Leitung 5 in den Behälter 1 gelangen und behandeltes Wasser als Filtrat über die Leitung 6 abgeführt werden kann. Der Behälter 1 kann hierbei als üb licher Fermenter ausgebildet sein. Mit dem Behälter 1 ist in strömungstechnischem Sinne ein Behälter 7 verbunden, der un ter sauerstofflimitierten Bedingungen gehalten wird. Die un terschiedlichen Sauerstoffgehalte in den Behältern 1 und 7 können insbesondere dazu genutzt werden, daß man in dem Be hälter 1 nitrifizieren und in dem Behälter 7 denitrifizieren läßt.

In bevorzugter Weise handelt es sich bei dem Filtrationsmodul 4 um ein als Hohlfasermembran-Modul ausgebildetes Tangential filter, das durch geeignete Porengröße in der Membran eine zuverlässige Rückhaltung der verwendeten ammoniakoxidierenden Bakterien gewährleistet. Zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat sich eine Zelldichte von wenigstens 10⁹ Zellen nitrifizierender Bakterien pro mL als günstig erwiesen. Opti male Ergebnisse ließen sich mit einer wachsenden Kultur ammo niakoxidierender Bakterien erzielen, die 10¹⁰ Zellen pro mL enthielt.

Als Stickstoffdioxid-Quelle kann synthetisches Stickstoffdi oxid dienen oder Abluft, die Stickstoffdioxid in geeigneter Konzentration enthält. Die gewünschte Stickstoffdioxidkonzen tration kann insbesondere über einen Gasmischer eingestellt werden. Das Stickstoffdioxid bzw. Stickstoffdioxid-Gasgemisch wird sodann über die Zuführleitung 2 in den Behälter 1 zur Versorgung der Ammoniakoxidanten geleitet.

Geeignete Ammoniakoxidanten sind Bakterien der Gattung Nitro somonas, insbesondere der Art Nitrosomonas eutropha. Das Ver fahren ist jedoch nicht auf diese Organismen beschränkt, son dern kann gegebenenfalls mit spezifischen Unterschieden unter Verwendung auch anderer ammoniakoxidierender Bakterien durch geführt werden.

Der besondere Einfluß auf das Wachstum ammoniakoxidierender Bakterien konnte durch einen Vergleichsversuch bestätigt wer den. Die Beimischung von durchschnittlich 25 ppm NO₂ zur Zu luft bewirkte bei einer Fermenteranzucht von Nitrosomonas eu tropha einen Anstieg der Zellzahl bis auf ca. 2,5×10⁹ Zel len/mL, während ohne Zugabe von NO₂ nur ca. 6×10⁷ Zellen/mL erhalten wurden. Die Zugabe von NO₂ führte zu einer erhebli chen Wachstumsbeschleunigung.

Claims

1. Verfahren zur biologischen Umsetzung von in Wasser gelö stem Ammonium unter Verwendung ammoniakoxidierender Bak terien, dadurch gekennzeichnet, daß man den ammoniakoxi dierenden Bakterien Stickstoffdioxid zuführt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Ammoniakoxidation in einem Behälter unter aeroben Bedingungen durchführt und in einem nachgeschalteten Be hälter sauerstofflimitierte Bedingungen schafft.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Bakteriensuspension über ein Filtrationsmodul leitet und eine Zelldichte von wenigstens 10⁹ Zellen ni trifizierender Bakterien pro mL erzeugt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Be handlung von Abwasser insbesondere in Kläranlagen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man Stickstoffdioxid aus der Abluft von Verbrennungsanla gen verwendet.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man Stickstoffdioxid aus Müllverbrennungsanlagen und Wär mekraftanlagen verwendet.