WO2002051756A2 - Verfahren und konditioniermittel zur behandlung von abwasser und luftschadstoffen - Google Patents

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    • Y02W10/40—Valorisation of by-products of wastewater, sewage or sludge processing

Definitions

  • the invention relates to a method and a conditioning agent for the treatment of waste water and air pollutants.
  • microorganisms convert the organically usable ingredients of the wastewater to be processed into cell material or gases, such as C0 2 , methane, hydrogen sulfide and others.
  • cell material or gases such as C0 2 , methane, hydrogen sulfide and others.
  • aerobic and anaerobic processes whereby the more manageable aerobic processes are generally used in municipal wastewater treatment plants.
  • mechanical clarification is followed by biodegradation in an activated sludge basin in which the carrier of the biological purification, ie the sludge activated with microorganisms, is accommodated. Air is introduced into this activated sludge tank and the oxygen required for biological conversion is thus supplied.
  • This aeration of the wastewater in the activated sludge or aeration basin forms slimy, macroscopically recognizable flakes, which settle as soil sludge when the aeration is ended.
  • organic or inorganic polymers that support flake growth are added to the wastewater to increase the efficiency of the biological conversion.
  • the polymers are designed in such a way that flakes which are as compact and dense as possible and have a slightly fissured surface are formed, which are combined to form larger flake groups and are therefore insensitive to the effects of shear forces from the waste water flow.
  • Such flocculants are polymers with different charge densities, charge distributions and molecule sizes depending on the task. They are used for the separation of solids from suspensions with organic or inorganic particles, which can be distributed up to the colloidal consistency. Due to the high adsorption potential, flocculation aids act as a link between the solid particles and the microflakes created by the use of flocculants, which are aggregated into larger flakes (flocculation).
  • the conditioning agent can also contain precipitants and flocculants.
  • AI or Fe salts are often used as flocculants, which form flake-like precipitates with a very large surface area in certain pH ranges. Heavy metals or other undesirable wastewater constituents can be adsorbed on these flakes.
  • Monomeric salts for example of aluminum, calcium, iron and magnesium or polymeric aluminum or iron compounds, are used as precipitants in wastewater treatment.
  • the existing conditioning agents can only be designed for an average composition of the wastewater to be treated, whereby it is particularly important when there are fluctuations in the biosphere, i.e. of the proportion of organic matter in the wastewater to be treated may mean that the biological implementation does not meet the requirements.
  • the invention has for its object to provide a conditioning agent and a method for treating waste water and air pollutants by one largely independent of fluctuations in the wastewater treatment existing in the biosphere.
  • the conditioning agent contains a predetermined proportion of microorganisms, so that the biological activity is essentially determined by the microbiotic mixed cultures contained in the conditioning agent and is therefore largely independent of the random composition of the microorganisms contained in the waste water or air.
  • the conditioning agent containing the polymers and microorganisms when introduced, a stable biofilm is formed on the surface of the flakes formed on the polymers and is not destroyed even when the wastewater is highly turbulent. In this way, immobilization of the microorganisms is achieved with reference to the flake, so that ideal conditions for the biological implementation are largely created.
  • the conditioning agent can also be used for cleaning air laden with pollutants.
  • the conditioning agent contains a microbiotic mixed culture which contains a proportion of photosynthetically active microorganisms and a proportion of luminous bacteria in a biological solution.
  • Conjugated polymers As mentioned at the beginning, biopolymers and other organic or inorganic polymers are used as flocculants. In recent times, so-called Conjugated polymers Attention, which release light when binding a certain substance. Conjugated polymers consist of semiconductor materials and have so far been used primarily for physical and technical purposes, for example for solar cells or flat screens. The luminescence of these semiconducting polymers can be used to completely or partially replace the luminous bacteria of the mixed microbiotic culture.
  • the handling and storage of the conditioning agent is particularly simple if the microorganisms are frozen or freeze-dried for storage, the process conditions during cooling having to be selected such that the microorganisms are not damaged.
  • composition of the mixed microbiotic culture for the sake of simplicity, reference is made to the applicant's older patent application DE 100 62 812, the content of which is to be included in the disclosure of the present patent application.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a method for the biological treatment of waste water
  • Figure 2 is a schematic diagram of a flake formation according to the invention.
  • a method for the biological treatment of wastewater is described below with the aid of FIG Flake growth is mixed with a conditioning agent in the wastewater, which contains a proportion of flocculant and / or precipitant as well as precipitation aids, for example organic or inorganic and also conjugated polymers.
  • flocculants and precipitants are substances which cause the suspended particles to agglomerate in the wastewater and, through the enlargement of the particles, enable the solid to be separated from the liquid phase more quickly.
  • this conditioning agent can also contain further constituents, such as, for example, metals and other constituents which support flaking.
  • the conditioning agent contains microbiotic mixed cultures in a defined composition, by which the metabolic reactions in the flake are essentially determined.
  • the microbiotic mixed culture contains, in a preferred embodiment, a proportion of photosynthetically working microorganisms 1, a proportion of luminous bacteria or light-emitting microorganisms 2 with a similar effect, which are dissolved in a broadband biological solution 4.
  • some of the light-emitting microorganisms can be replaced by conjugated polymers which emit light in the presence of certain biomolecules in the microbiological composition.
  • the interplay between the photosynthetically active microorganisms and the luminescent bacteria or the conjugated polymers means that the photosynthetically active microorganisms are stimulated to photosynthesis by the emitted light.
  • the microorganisms carry out photosynthesis with hydrogen sulfide and water as starting material and release sulfur or oxygen. They can also bind nitrogen and phosphate and break down organic and inorganic matter.
  • Phototrophic facultative means that the microorganisms can grow both under anaerobic conditions in the light and under aerobic conditions in the dark.
  • Photosynthetic bacteria include gram-negative aerobic rod-shaped and circular bacteria as well as gram-positive circular bacteria. These can have endospores or be present without spores. This includes, for example, gram-positive actinomycetes and related bacteria.
  • nitrogen-binding organisms can also be mentioned.
  • algae such as Anabena Nostoc in symbiosis with Azola.
  • actinomycetes e.g. Frankia in symbiosis with alder and bacteria, such as Rhizobium in symbiosis with legumes.
  • Aerobic algae, Azotobacter, methane oxidizing bacteria and sulfur bacteria can also be used. This also includes green sulfur bacteria and brown-green photosynthesis bacteria. Violet sulfur bacteria and violet sulfur bacteria cannot be mentioned here either.
  • the microbiological composition according to the invention contains optional phototrophic microorganisms, prochlorophytes, cyanobacteria, green sulfur bacteria, purple bacteria, chloroflexus-like forms and heliobacterium and heliobacillus-like forms.
  • optional phototrophic Microorganisms can also be present as mixtures of two or more of them. In a very special embodiment, all six of the microorganisms mentioned are present as a mixture.
  • the light that drives photosynthesis comes from the luminous bacteria that are included as a second essential component in the microbiological composition of the present invention.
  • These luminous bacteria have a luminosity, i.e. they are able to emit light quanta. It is a system that works enzymatically.
  • the luciferin-luciferase system can be mentioned here as an example.
  • the mixture according to the invention contains Photobacterium phosphoreum, Vibrio fischeri, Vibrio harveyi, Pseudomonas lucifera or Beneckea as luminous bacteria. It is also possible to choose a mixture of at least two of them.
  • Such secondary components are preferably plant extracts, enzymes, trace elements, polysaccharides, alginate derivatives, other microorganisms as above.
  • the secondary components can be present individually or in combination in the microbiological composition according to the invention.
  • the plant extracts can contain, for example, plantain.
  • a solution is generally used which contributes to the fact that the constituents contained therein, in particular the microorganisms, can live in it without further ado. It is particularly important that the interaction of the photosynthetic bacteria and the luminous bacteria is fully effective. It has It has been shown that a biological nutrient solution with molasses, in particular raw sugar molasses or sugar beet molasses, is suitable as the main component.
  • the photosynthetic microorganisms and the luminescent bacteria are usually present in the microbiological composition according to the invention in a ratio of 1:10 to 1: 500.
  • a preferred ratio is 1: 100.
  • microbiotic culture 6 is present as the first intermediate product of the method according to the invention, the proportions of which are adjusted as a function of the waste water to be treated.
  • the mixture is deep-frozen and, if necessary, freeze-dried in vacuo, so that the solvent, in the present case for example water components, is evaporated in the frozen state (sublimation drying).
  • solvent in the present case for example water components
  • the drying parameters are set so that the microorganisms are not damaged. Preliminary tests showed that a cooling rate of more than 30 ° C. per minute, preferably about 40 ° C. per minute or faster, is optimal in order to prevent damage to the microorganisms.
  • the extracellular polymeric substances (EPS) surrounding the cells of the microorganisms are dehydrated, so that the slimy EPS layer is thickened and forms a protective layer which protects the microorganisms during the freezing process.
  • the dehydrated product 9 obtained is then mixed in a mixing stage 12 with a flocculant or precipitant containing the polymers, and this mixture is added at a predetermined concentration to an aeration tank 14 containing wastewater to be cleaned.
  • the drying / freezing material is built up under negative pressure, a negative pressure of 0.01 millibars having proven to be advantageous in the first preliminary tests.
  • Oxygen is blown into the activated sludge basin, whereby the process engineering task is to distribute the oxygen as evenly as possible and to keep the resulting flakes in suspension, so that a large and evenly distributed mass transfer area and sufficient oxygen is made available for biological conversion ,
  • the polymers introduced into the wastewater form long chains with a positive surface charge, on which the organic suspended solids, which usually have a negative surface charge, are attached - this creates a germ cell for a flake, the growth of which depends, among other things, on the type of flocculant , the activity of the microorganisms and the composition of the wastewater.
  • the conditioning agent according to the invention acts as a flocculant with which substances dissolved or distributed in a nebiform form in a waste water or a gas can be drawn off by inclusion flocculation.
  • the basic mechanism of this inclusion flocculation is shown in FIG. 2.
  • the thread-like cationic polyelectrolytes are formed, for example, by proton-releasing archaea and added charge carriers, while the anionic polyelectrolytes by ion-releasing bacteria and the negative charge environment in the wastewater or the loaded one Air will be made available.
  • the protons releasing microorganisms present in the mixture attach to the sediments present in the waste water. These colloid particles are then trapped between the cationic and anionic polyelectrolytes, as shown in Fig.
  • the flake which forms thus serves as a carrier for the microorganisms which accumulate in and on the flakes and colloid particles. It binds nutrients that are available to the microorganisms in and on the flake for their growth. In certain applications, it may be advantageous if the polymers and / or microorganisms are added continuously.
  • the conditioning agent was used to treat waste water.
  • Another area of application of the conditioning agent according to the invention is in the cleaning of air or other gaseous substances laden with particulate pollutants. This problem is explained using a concrete example.
  • tar adhesives which were produced on the basis of coal tar pitch or bitumen, were usually used to lay cork boards in the industrial sector. When laying the cork boards, these hot glues were poured directly onto the cork boards and then pressed against the walls, ceilings and on the floor. To date, tar or bituminous adhesives are also used in the laying of wooden paving in commercial and industrial areas.
  • the conditioning agent according to the invention to the humidifying agent (water), the PAH concentration in the air can be significantly reduced compared to conventional solutions, so that the health risk when dismantling such contaminated buildings can be reduced with comparatively little effort. Due to the cationic polyelectrolyte contained in the conditioning agent according to the invention, the released PAH particles are again combined into a kind of flake and bound to the original substance.
  • microbial biopolymers can also be used in the conditioning agent according to the invention instead of synthetic polymers.
  • chitin which, along with cellulose, is the most common natural before biopolymer is.
  • microbial, biochemical degradation of crustacean chitin chitosan is obtained enzymatically.
  • Chitosan has a positive ionic charge and can therefore bind the negatively charged components in the waste water or in the exhaust air.
  • the biopolymers that can be used with the conditioning agent can consist of a mixture and can be produced from waste materials from the sugar-producing industry. The biopolymer is easily water soluble with a very high reactivity.
  • the microorganisms contained in the conditioning agent according to the invention are selected such that when a flake is formed, a slimy extracellular polymeric substance (EPS) is produced in which a number of bacterial cells are embedded.
  • EPS extracellular polymeric substance
  • the EPS can also act as a support structure for filamentally growing types of bacteria. Another effect of the EPS is that it acts as a diffusion barrier that prevents the diffusion of substances required for the implementation, such as exoenzymes.
  • bacteria that live in symbiosis with other species use the EPS as a means of being able to stay in close proximity to these bacteria.
  • the composition of the conditioning agent is selected so that the flakes formed are surrounded by a complete EPS layer, so that the degradation and conversion reactions can be carried out with an extremely high degree of efficiency.
  • the organic matter of the supplied wastewater or the loaded exhaust air to be cleaned is adsorbed and oxidized by the flake or built up to new cell substance, whereby part of the flake is consumed itself.
  • the photosynthesis described at the beginning takes place within the flake, so that it acts as a macroscopic "photobioreactor".
  • microbiological solution can contain about two percent by volume of microorganisms.
  • Another advantage of the conditioning agent according to the invention is that the long polymer chains are cracked by the microorganisms, so that the further processing of the activated sludge is simplified.
  • the long-chain polymers often posed a significant procedural problem in the further treatment of the sludge. Due to the improved biological implementation, the activated sludge can be broken down in the digester much faster than with previously known processes.
  • a conditioning agent for the treatment of waste water and waste air a method for producing such a conditioning agent and a use of the conditioning agent which contains a proportion of polymers (biopolymers, conjugated polymers, other organic or inorganic polymers) and a proportion of flocculants or precipitants Contains microorganisms.

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Abstract

Offenbart ist ein Konditioniermittel zur Behandlung von Abwasser und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Konditioniermittels, das einen Anteil an Polymere enthaltenden Flockungs- oder Fällungsmittel sowie einen Anteil an Mikroorganismen enthält.

Description

Beschreibung
Verfahren und Konditioniermittel zur Behandlung von Abwasser und Luft- schadstoffen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Konditioniermittel zur Behandlung von Abwasser und Luftschadstoffen.
Bei der biologischen Abwasserbehandlung setzen Mikroorganismen die organisch verwertbaren Inhaltsstoffe des aufzubereitenden Abwassers zu Zellmaterial oder zu Gasen, wie beispielsweise C02, Methan, Schwefelwasserstoff und anderen um. Je nach Verfahrens ührung unterscheidet man aerobe oder anaerobe Verfahren, wobei bei kommunalen Abwasserkläranlagen in der Regel die besser beherrschbaren aeroben Verfahren verwendet werden. Bei derartigen Abwasseraufbereitungsanlagen ist einer mechanischen Klärung ein biologischer Abbau in einem Belebtschlammbecken nachgeschaltet, in dem der Träger der biologischen Reinigung, d.h. der mit Mikroorganismen belebte Schlamm aufgenommen ist. In dieses Belebtschlammbecken wird Luft eingetragen und somit der zur biologischen Umsetzung erforderliche Sauerstoff geliefert. Bei dieser Belüftung des Abwassers im Belebtschlamm- oder Belüftungsbecken bilden sich schleimige, makroskopisch erkennbare Flocken, die sich bei Beendigung der Belüftung als Bodenschlamm absetzen.
Gemäß der Veröffentlichung www.uni-pots- damm.de/u/putz/oktober 1996/30.htm werden zur Erhöhung des Wirkungsgrades der biologischen Umsetzung dem Abwasser organische oder anorganische Polymere zugesetzt, die das Flockenwachstum unterstützen. Die Polymere sind so aus- gelegt, dass sich möglichst kompakte und dichte, eine gering zerklüftete Oberfläche aufweisende Flocken bilden, die sich zu größeren Flockenverbänden zusammenlagern und somit unempfindlich gegen die Einwirkung von Scherkräften durch die Abwasse Strömung sind.
Derartige Flockungshilfsmittel sind Polymere mit je nach Aufgabenstellung unterschiedlicher Ladungsdichte, Ladungsverteilung und Molekülgroße . Sie werden zur Separation von Feststoffen aus Suspensionen mit organischen oder anorganischen Partikeln, die bis zur kolloidalen Konsistenz verteilt sein können, eingesetzt. Aufgrund des hohen Ad- sorptionspotentials wirken Flockungshilfsmittel als Bindeglied zwischen den festen Partikeln und den durch den Einsatz von Flockungsmitteln entstandenen Mikroflocken, die zu größeren Flocken zusammengeballt werden (Flockulation) .
Neben den als Flockungshilfsmitteln wirkenden Polymeren kann das Konditioniermittel noch Fällungs- und Flockungsmittel enthalten. In der Abwasserreinigung werden als Flockungsmittel häufig AI- oder Fe-Salze eingesetzt, die in bestimmten pH-Bereichen flockenartige Niederschläge mit sehr großer Oberfläche bilden. An diesen Flocken können Schwermetalle oder andere unerwünschte Abwasserinhaltsstoffe adsorbiert werden. Bei der Abwasserreinigung werden als Fällungsmittel monomere Salze, bspw. von Aluminium, Calcium, Eisen und Magnesium bzw. polymere Aluminium- oder Eisenverbindungen verwendet.
Trotz erheblicher Fortschritte in der Polymerchemie können die bestehenden Konditioniermittel nur auf eine durchschnittliche Zusammensetzung des zu behandelnden Abwassers ausgelegt werden, wobei es insbesondere bei Schwankungen der Biosphäre, d.h. des Anteils an Organik im zu behandelnden Abwasser vorkommen kann, dass die biologische Umsetzung nicht den Anforderungen genügt.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Konditioniermittel und ein Verfahren zur Behandlung von Abwasser und Luftschadstoffen zu schaffen, durch das eine weitestgehend von Schwankungen der im Abwasser vorhandenen Biosphäre unabhängige Abwasserbehandlung ermöglicht ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Konditioniermittel gemäß Patentanspruch 1, ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 sowie eine Verwendung des Konditionier- mittels gemäß Patentanspruch 15 gelöst.
Erfindungsgemäß enthält das Konditioniermittel einen vorbestimmten Anteil an Mikroorganismen, so dass die biologische Aktivität im wesentlichen durch die im Konditioniermittel enthaltenen mikrobiotischen Mischkulturen bestimmt und somit weitestgehend unabhängig von der zufallsbedingten Zusammensetzung der im Abwasser oder der Luft enthaltenen Mikroorganismen ist. Wie im folgenden noch näher beschrieben wird, bildet sich beim Einbringen des die Polymere und Mikroorganismen enthaltenden Konditioniermittels an der Oberfläche der an den Polymeren entstehenden Flocken ein stabiler Biofilm aus, der auch bei hoher Turbulenz des Abwassers nicht zerstört wird. Dadurch wird mit Bezug zur Flocke eine Immobilisierung der Mikroorganismen erreicht, so dass weitestgehend ideale Bedingungen für die biologische Umsetzung geschaffen werden.
Es zeigte sich überraschender Weise, dass sich das Konditioniermittel auch zur Reinigung von mit Schadstoffen beladener Luft eingesetzt werden kann.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel enthält das Konditioniermittel eine mikrobiotische Mischkultur, die einen Anteil an photosynthetisch arbeitenden Mikroorganismen und einen Anteil Leuchtbakterien in einer biologischen Lösung enthält.
Wie eingangs erwähnt, werden als Flockungshilfsmittel Biopolymere und sonstige organische oder anorganische Polymere verwendet. In jünster Zeit finden sogenannte konjugierte Polymere Beachtung, die beim Binden eines bestimmten Stoffes Licht freisetzen. Konjugierte Polymere bestehen aus Halbleitermaterialien und wurden bislang vor allem für physikalisch-technische Zwecke, bspw. für Solar- zellen oder Flachbildschirme benutzt. Die Lumineszenz dieser halbleitenden Polymere kann verwendet werden, um die Leuchtbakterien der mikrobiotischen Mischkultur vollständig oder teilweise zu ersetzen.
Die Handhabung und Lagerung des Konditioniermittels ist besonders einfach, wenn die Mikroorganismen zur Lagerung tiefgekühlt oder gefriergetrocknet werden, wobei die Verfahrensbedingungen beim Abkühlen derart gewählt werden müssen, dass keine Schädigung der Mikroorganismen eintritt.
Hinsichtlich der Zusammensetzung der mikrobiotischen Mischkultur sei der Einfachheit halber auf die ältere Patentanmeldung DE 100 62 812 der Anmelderin verwiesen, deren Inhalt zur Offenbarung der vorliegenden Patentanmel- düng zu zählen ist.
Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand sche atischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Blockschaubild eines Verfahrens zur bio- logischen Behandlung von Abwasser und
Figur 2 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Flockenbildung.
Im folgenden wird anhand der Figur 1 ein Verfahren zur biologischen Behandlung von Abwasser (kommunalem, industriellem Abwasser) beschrieben, bei dem zur Verbesserung des Flockenwachstums dem Abwasser ein Konditioniermittel zugemischt ist, das einen Anteil an Flockungs- und/oder Fällungsmittel sowie Fällungshilfsmittel, beispielsweise organische oder anorganische und auch konjugierte Polymere enthält. Derartige Flockungs- und Fällungsmittel sind Substanzen, die ein Agglomerieren der Schwebeteilchen im Abwasser bewirken und durch die erreichte Vergrößerung der Teilchen eine schnellere Trennung der festen von der flüssigen Phase ermöglichen. Dieses Konditioniermittel kann neben den Polymeren noch weitere Bestandteile, wie beispielsweise Metalle und sonstige, die Flockenbildung unterstützende Bestandteile enthalten. Erfindungsgemäß enthält das Konditioniermittel mikrobiotische Mischkulturen in einer definierten Zusammensetzung, durch die im wesentli- chen die metabolischen Reaktionen in der Flocke bestimmt werden.
Gemäß dem anliegenden VerfahrensSchema enthält die mikrobiotische Mischkultur (mikrobiologische Zusammensetzung) bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel einen Anteil an photosynthetisch arbeitenden Mikroorganismen 1, einen Anteil an Leuchtbakterien oder ähnlich wirkenden lichtemittierenden Mikroorganismen 2, die in einer breitbandigen biologischen Lösung 4 gelöst sind. Wie eingangs erwähnt, kann ein Teil der lichtemittierenden Mikroorganismen durch konjugierte Polymere ersetzt werden, die bei Anwesenheit bestimmter Biomoleküle in der mikrobiologischen Zusammensetzung Licht emittieren.
Das Wechselspiel zwischen den photosynthetisch arbeitenden Mikroorganismen und den Leuchtbakterien bzw. den konjugierten Polymeren führt dazu, dass die photosynthetisch arbeitenden Mikroorganismen durch das emittierte Licht zur Photosynthese angeregt werden. Die Mikroorganismen betreiben die Photosynthese mit Schwefelwasserstoff und Wasser als Edukt und setzen Schwefel bzw. Sauerstoff frei. Ferner können sie Stickstoff sowie Phosphat binden und organische sowie anorganische Materie abbauen.
Bevorzugt werden in der erfindungsgemäßen mikrobiologische Zusammensetzung photosynthetisch arbeitende Mikroorganismen verwendet, die fakultativ phototroph sind. Pho- totroph fakultativ bedeutet, dass die Mikroorganismen sowohl unter anaeroben Bedingungen im Licht als auch unter aeroben Bedingungen im Dunklen wachsen können.
Zu den Photosynthesebakterien gehören gramnegative aerobe stabförmige und kreisförmige Bakterien sowie grampositive kreisförmige Bakterien. Diese können Endosporen aufweisen oder ohne Sporen vorhanden sein. Dazu zählen beispielsweise auch grampositive Aktinomyceten und verwandte Bakterien.
In diesem Zusammenhang können auch Stickstoffbindende Organismen genannt werden. Dazu gehören beispielsweise Algen, wie Anabena Nostoc in Symbiose mit Azola. Des weiteren können Aktinomyceten, z.B. Frankia in Symbiose mit Erlen und Bakterien, wie Rhizobium in Symbiose mit Leguminosen, erwähnt werden.
Außerdem können auch aerobe Algen, Azotobacter, methan- oxidierende Bakterien und Schwefelbakterien verwendet werden. Dazu zählen auch grüne Schwefelbakterien und braungrüne Photosynthesebakterien. Hier können auch nicht violette Schwefelbakterien und violette Schwefelbakterien genannt werden.
Es ist bevorzugt, dass in der erfindungsgemäßen mikrobiologische Zusammensetzung als fakultativ phototrophe Mikroorganismen, Prochlorophyten, Cyanobakterien, grüne Schwefelbakterien, Purpurbakterien, Chloroflexus-ähnliche Formen und Heliobakterium und Heliobacillus-ähnliche Formen enthalten sind. Die vorgenannten fakultativ phototrophen Mikroorganismen können auch als Mischungen aus zwei oder mehr davon vorliegen. In einer ganz besonderen Ausführungs- form liegen alle sechs genannten Mikroorganismen als Mischung vor.
Das Licht, das die Photosynthese antreibt, stammt von den Leuchtbakterien, die als zweite essentielle Komponente in der mikrobiologischen Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung enthalten sind. Diese Leuchtbakterien besitzen eine Leuchtkraft, d.h. sie sind in der Lage, Lichtquanten auszusenden. Es handelt sich hierbei um ein System, das enzymatisch abläuft. Als Beispiel kann hier das Luciferin- Luciferase-System genannt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind in der erfindungsgemäßen Mischung als Leuchtbakterien Photobacterium phosphoreum, Vibrio fischeri, Vibrio harveyi, Pseudomonas lucifera oder Beneckea enthalten. Es ist auch möglich, eine Mischung aus mindestens zwei daraus zu wählen.
Zur Optimierung der erfindungsgemäßen mikrobiologischen Zusammensetzung können weitere Bestandteile darin enthalten sein. Vorzugsweise sind solche Nebenbestandteile Pflanzenextrakte, Enzyme, Spurenelemente, Polysaccharide, Alginde- rivate, andere Mikroorganismen wie oben. Die Nebenbestandteile können einzeln oder in Kombination in der erfindungs- gemäßen mikrobiologischen Zusammensetzung vorliegen. Die Pflanzenextrakte können beispielsweise Spitzwegerich enthalten.
Als Nährlösung für die erfindungsgemäße mikrobiologische Zusammensetzung wird im allgemeinen eine Lösung verwendet, die dazu beiträgt, dass die darin enthaltenen Bestandteile, insbesondere die Mikroorganismen, ohne weite- res darin leben können. Dabei kommt es insbesondere darauf an, dass die Wechselwirkung der Photosynthesebakterien und der Leuchtbakterien vollständig zum Tragen kommt. Es hat sich erwiesen, dass eine biologische Nährlösung mit Melasse, insbesondere Rohzuckermelasse oder Zuckerrübenmelasse als Hauptbestandteil geeignet ist.
Die photosynthetisch arbeitenden Mikroorganismen und die Leuchtebakterien liegen in der er indungsgemäßen mikrobiologischen Zusammensetzung normalerweise in einem Verhältnis von 1 : 10 bis 1 : 500 vor. Ein bevorzugtes Verhältnis ist 1 : 100.
Die vorbeschriebenen Komponenten werden homogenisiert, so dass als erstes Zwischenprodukt des erfindungsgemäßen Verfahrens eine mikrobiotische Kultur 6 vorliegt, deren Anteile in Abhängigkeit vom zu behandelnden Abwasser einge- stellt werden.
In einem sich anschließenden Verfahrensschritt 8 wird das Gemisch tiefgekühlt und gegebenenfalls im Vakuum gefriergetrocknet, so dass das Lösungsmittel, im vorliegenden Fall beispielsweise Wasserbestandteile im gefrorenen Zustand verdampft (Sublimationstrocknung) werden. Eine derartige Dehydratisierung ist ein weit verbreitetes Verfahren zur schonenden Trocknung und Konservierung empflindlicher Güter. Die Trocknungsparameter werden so eingestellt, dass keine Schädigung der Mikroorganismen erfolgt. Bei Vorversuchen zeigte es sich, dass eine Abkühlungsrate mit mehr als 30°C pro Minute, vorzugsweise etwa 40°C pro Minute oder schneller optimal ist, um einer Schädigung der Mikroorganismen vorzubeugen.
Durch diesen Trocknungsschritt werden die die Zellen der Mikroorganismen umgebenden extrazellulären polymeren Substanzen (EPS) dehydratisiert, so dass die schleimige EPS-Schicht eingedickt wird und eine Schutzschicht bildet, die während des Gefriervorganges die Mikroorganismen schützt . Das erhaltene, dehydratisierte Produkt 9 wird dann in einer Mischstufe 12 mit einem die Polymere enthaltenden Flockungs- oder Fällungsmittel vermischt und diese Mischung mit einer vorbestimmten Konzentration einem zu reinigende Abwasser enthaltende Belebungsbecken 14 zugegeben. Vor dem Vermischen mit dem Flockungs- oder Fällungsmittel 10 wird das Trocknungs-/Gefriergut bei Unterdruck aufgebaut, wobei sich bei ersten Vorversuchen ein Unterdruck von 0,01 Millibar als vorteilhaft erwiesen hat.
In das Belebtschlammbecken wird Sauerstoff eingeblasen, wobei die verfahrenstechnisch zu lösende Aufgabe darin besteht, den Sauerstoff weitestgehend gleichmäßig zu verteilen und die entstehenden Flocken in der Schwebe zu halten, so dass eine große und gleichmäßig verteilte Stoffaustauschfläche und genügend Sauerstoff zu biologischen Umsetzung zur Verfügung gestellt wird.
Die ins Abwasser eingebrachten Polymere bilden lange Ketten mit einer positiven Oberflächenladung, an denen sich die Organik enthaltenden festen Schwebstoffe, die in der Regel eine negative Oberflächenladung aufweisen, anlagern - es entsteht eine Keimzelle für eine Flocke, deren Wachstum unter anderem von der Art des Flockungsmittels, der Aktivi- tat der Mikroorganismen und der Zusammensetzung des Abwassers abhängt .
Das erfindungsgemäße Konditioniermittel wirkt als Flockungsmittel, mit dem in einem Abwasser oder einem Gas gelöste bzw. nebeiförmig verteilte Stoffe durch Einschluss- flockung abgezogen werden können. Der Grundmechanismus dieser Einschlussflockung ist in der Figur 2 dargestellt. Die fadenförmigen kationischen Polyelektrolyte werden beispielsweise durch Protonen freisetzende Archaea und zugesetzte Ladungsträger gebildet, während die anionischen Polyelektrolyte durch Ionen freisetzende Bakterien sowie das negative Ladungsumfeld im Abwasser oder der beladenen Luft zur Verfügung gestellt werden. Insbesondere die in der Mischung vorhandenen, Protonen freisetzenden Mikroorganismen lagern sich an den im Abwasser vorhandenen Sedimenten an. Diese Kolloidpartikel werden dann, wie in Fig. 2 gezeigt, zwischen den kationischen und anionischen Polyelektrolyten eingeschlossen und zu Makroflocken agglomeriert. Die sich ausbildende Flocke dient somit als Träger für die Mikroorganismen, die sich in und an den Flocken und Kolloidpartikeln anlagern. Es werden Nährstoffe gebunden, die den Mikroorganismen in und an der Flocke für ihr Wachstum zur Verfügung stehen. Bei bestimmten Anwendungsfällen kann es vorteilhaft sein, wenn die Polymere und/oder Mikroorganismen kontinuierlich zugegeben werden.
Bei dem anhand Figur 1 beschriebenen Ausführungsbei- spiel wurde das Konditioniermittel zur Behandlung von Abwasser eingesetzt.
Ein weiteres Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Konditioniermittels besteht in der Reinigung von mit parti- kelförmigen Schadstoffen beladener Luft oder sonstigen gasförmigen Stoffen. Diese Problemstellung sei anhand eines konkreten Beispiels erläutert.
Zum Verlegen von Korkplatten im industriellen Bereich wurden bis in die 60er Jahre üblicherweise Teerklebstoffe verwendet, die auf der Basis von Steinkohlenteerpech oder Bitumen hergestellt werden. Beim Verlegen der Korkplatten wurden diese Heißklebstoffe direkt auf die Korkplatten gegossen und anschließend an die Wände, Decken und auf den Boden gepresst. Auch bei der Verlegung von Holzpflaster im gewerblichen und industriellen Bereich werden bis heute teer- oder bitumenhaltige Klebstoffe eingesetzt.
Diese Teerklebstoffe werden seit Mitte der 70er Jahre in Deutschland nicht mehr produziert und müssen für diese Zwecke aus dem Ausland importiert werden. Die Einstellung der Produktion von Teerklebstoffen in Deutschland erfolgte freiwillig, da zwischenzeitlich technisch ausgereifte, unschädliche Ersatzprodukte zur Verfügung stehen.
Beim Abbruch oder Umbau von Gebäuden, in denen mit Teerklebstoffen verklebte Materialien verarbeitet wurden, kann eine erhebliche Gesundheitsgefahr der mit dem Abbruch befassten Personen vorliegen, da die Teerklebstoffe äußerst hohe Konzentrationen an polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) enthalten. Aus Zwecken der Arbeitssicherheit müssen geeignete Vorkehrungen getroffen werden, um eine Gesundheitsgefährdung durch Staubemissionen und unmittelbaren Hautkontakt auszuschließen. Das heißt, es dürfen nur Fachfirmen eingesetzt werden, wobei möglichst staubarme Arbeitsverfahren mit effektiver Staubabsaugung zu wählen sind. Um die Staubentwicklung beim Ausbrechen der kontaminierten Bauteile zu minimieren, ist eine hinreichende Feuchtigkeitsvernebelung (Befeuchten) vorzusehen. Es zeigte sich überraschender Weise, dass durch Zumischen des erfindungsgemäßen Konditioniermittels zu dem Befeuchtungsmittel (Wasser) die PAK- onzentration in der Luft wesentlich gegenüber herkömmlichen Lösungen abgesenkt werden kann, so dass die Gesundheitsgefährdung beim Rückbau derartiger kontaminierter Gebäude mit vergleichsweise geringem Aufwand verringert werden kann. Durch den im erfindungsgemäßen Konditioniermittel enthaltenen kationischen Polyelektroly- ten werden die freigesetzten PAK-Partikel wieder zu einer Art Flocken zusammengefasst und an die Original-Substanz gebunden.
Wie bereits vorstehend erwähnt, können bei dem erfindungsgemäßen Konditioniermittel anstelle von synthetischen Polymeren auch mikrobielle Biopolymere eingesetzt werden. Dabei lässt sich beispielsweise eine erhebliche Steigerung des Wirkungsgrades durch Zugabe von Chitin erzielen, welches neben Cellulose das am häufigsten vorkommende natürli- ehe Biopolymer ist. Dabei wird durch einen mikrobiellen, biochemischen Abbau von Crustaceen-Chitin Chitosan enzyma- tisch gewonnen. Chitosan ist positiv ionisch geladen und kann daher im Abwasser oder in der Abluft die negativ geladenen Bestandteile binden. Die bei dem Konditioniermittel einsetzbaren Biopolymere können aus einer Mischung bestehen und lassen sich aus Abfallstoffen der zuckerherstellenden Industrie herstellen. Das Biopolymer ist leicht wasserlöslich mit einer sehr hohen Reaktivität.
Die im erfindungsgemäßen Konditioniermittel enthaltenen Mikroorganismen sind derart ausgewählt, dass bei der Bildung einer Flocke eine schleimartige extrazelluläre polyme- re Substanz (EPS) produziert wird, in der eine Anzahl an Bakterienzellen eingebettet sind. Durch diese Schleimbildung insbesondere an der Oberfläche der Flocke wird eine Art Schutzschild gegen toxische Substanzen (beispielsweise Schwermetalle) gebildet, das ein Vordringen dieser Substanzen in das Zellinnere verhindert. Die EPS kann auch als Stützgerüst für fadenförmig wachsende Bakterienarten wirken. Eine weitere Wirkung der EPS besteht darin, dass diese als Diffusionsbarriere wirkt, die ein Ausdiffundieren von bei der Umsetzung benötigten Stoffen, wie beispielsweise Exoenzymen verhindert. Des weiteren verwenden Bakterien, die in Symbiose mit anderen Arten leben, die EPS als Mittel, um in räumlicher Nähe zu diesen Bakterien bleiben zu können.
Die Zusammensetzung des Konditioniermittels ist so ge- wählt, dass die entstehenden Flocken mit einer vollständigen EPS-Schicht umgeben sind, so dass die Abbau- und Umbaureaktionen mit einem äußerst hohen Wirkungsgrad durchgeführt werden kann. Dabei werden die organischen Stoffe des zugeführten Abwassers oder der zu reinigenden beladenen Abluft von der Flocke adsorbiert und oxidiert oder zu neuer Zellsubstanz aufgebaut, wobei ein Teil der Flocke selbst verzehrt wird. Die eingangs beschriebene Photosynthese findet innerhalb der Flocke statt, so dass diese als ein makroskopischer "Photobioreaktor" wirkt.
Bei ersten Versuchen konnten gute Ergebnisse mit einer Mischung bestehend aus zehn Volumenanteilen gelöster Mikroorganismen auf ein Volumenanteil Polymer erzielt werden. Dabei kann die mikrobiologische Lösung etwa zwei Volumen- prozent Mikroorganismen enthalten.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Konditioniermittels ist, dass die langen Polymerketten durch die Mikroorganismen gecrackt werden, so dass die Weiterverar- beitung des entstehenden Belebtschlammes vereinfacht ist. Bei bestehenden Anlagen stellten die langkettigen Polymere häufig ein erhebliches verfahrenstechnisches Problem bei der Weiterbehandlung des Schlammes dar. Aufgrund der verbesserten biologischen Umsetzung kann der entstehende Belebtschlamm wesentlich schneller als bei bisher bekannten Verfahren im Faultürm abgebaut werden.
Offenbart ist ein Konditioniermittel zur Behandlung von Abwasser und Abluft, ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Konditioniermittels sowie eine Verwendung des Konditioniermittels, das einen Anteil an Polymere (Biopolymere, konjugierte Polymere, sonstige organische oder anorganische Polymere) enthaltenden Flockungs- oder Fällungsmittel sowie einen Anteil an Mikroorganismen enthält.

Claims

Patentansprüche
1. Konditioniermittel zur Behandlung von Abwasser oder beladener Luft, mit einem Anteil an eine Flockenbildung oder Fällung unterstützenden Polymeren, gekennzeichnet durch einen Anteil bestehend aus einer mikrobiotischen Mischkultur.
2. Konditioniermittel nach Patentanspruch 2, wobei die Mischkultur photosynthetisch arbeitende Mikroorganismen und Leuchtbakterien in einer biologischen Lösung enthält .
3. Konditioniermittel nach Patentanspruch 2 oder 3, wobei die Mischkultur vor der Vermischung mit den Polymeren tiefgefroren oder gefriergetrocknet ist.
4. Konditioniermittel nach Patentanspruch 2 oder 3, wobei in der Mischung als fakultativ phototrophe Mikroorganismen Prochlorophyten, Cyanobakterien, grüne Schwefelbakterien,
Purpurbakterien, Chloroflexus-ähnliche Formen und Heliobak- terium und Heliobacillus-ähnliche Formen sowie Mischungen aus zwei oder mehr daraus enthalten sind.
5. Konditioniermittel nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei in der Mischung als Leuchtbakterien Photobacterium phosphoreum, Vibrio fischeri, Vibrio harveyi, Pseudomonas lucifera oder Beneckea oder Mischungen aus mindestens zwei daraus enthalten sind.
6. Konditioniermittel nach mindestens einem der Patentansprüche 2 bis 5, wobei sie weiterhin als Nebenbestandteile Pflanzenextrakte, Enzyme, Spurenelemente, Polysaccharide, Alginderivate, andere Mikroorganismen, entweder einzeln oder in Kombination, enthält.
7. Konditioniermittel nach einem der vorhergehenden Patentansprüche 2 bis 6, wobei auf zehn Volumenanteile Mischkultur (Mikroorganismus plus Lösung) ein Volumenanteil Flockungshilfsmittel kommt.
8. Konditioniermittel nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Polymer ein konjugiertes Polymer ist.
9. Konditioniermittel nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, wobei das Konditioniermittel Biopolymere enthält.
10. Verfahren zur Herstellung eines Konditioniermittels für die biologische Aufbereitung von Abwasser mit den Schritten:
Herstellen eines als Flockungs- oder Fällungsmittel wirkenden Polymers oder einer Polymermischung; - Herstellen einer mikrobiotischen Mischkultur mit Mikroorganismen in einer biologischen Lösung; - Vermischen der Mischkultur mit der Polymermischung.
11. Verfahren nach Patentanspruch 10, wobei die Mischkultur tiefgekühlt oder gefriergetrocknet wird.
12. Verfahren nach Patentanspruch 10 oder 11, wobei die Mischkultur auf eine Temperatur unter -50°C abgekühlt wird.
13. Verfahren nach einem der Patentanspruch 10 bis 12, wobei die Mischkultur vor der Vermischung mit der Polymer- mischung - vorzugsweise bei einem Unterdruck - aufgetaut wird.
14. Verfahren nach einem der Patentansprüche 8 bis 13, wobei die Mischkultur beim Einbringen des Konditioniermit- tels in Abwasser an der der Oberfläche einer an den Polymeren entstehenden Flocke einen Biofilm ausbildet .
15. Verwendung eines Konditioniermittels nach einem der Patentansprüche 1 bis 9 zur Bindung von partikelförmigen Luftschadstoffen.
16. Verwendung nach Patentanspruch 1, wobei das Konditioniermittel einem Befeuchtungsmittel zugegeben wird, das nebelartig versprüht wird.
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