Projekt 22227/01

Immobilisierung von Mikroorganismen auf biologisch abbaubaren Kunststoffaufwuchskörpern für die industrielle Wasseraufbereitung (Phase 2)

Projektträger

VertUm GmbH
Kirschallee 13/1
04416 Markkleeberg
Telefon: 0341-3541030

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die primäre Zielstellung der Forschungsarbeiten (Phase 2) bestand im Nachweis der Praxistauglichkeit des entwickelten Verfahrens, der Verifizierung und Optimierung der Wirtschaftlichkeit, der Erhöhung der Prozessstabilität und der Verwendung von nachhaltigen Rohstoffen. Des Weiteren sollte in dem neuen Projektabschnitt eine ausführliche Untersuchung und Aufklärung der Biofilmprozesse (z. B. Bestimmung von Konzentrationsprofilen) erfolgen. Anschließend sollten die Vorgänge im Biofilm modelliert werden. Die Kenntnis der Sauerstoffverteilung im Biofilm war auch zur Optimierung der Prozesssteuerung in der halbtechnischen Anlage erforderlich. Zielstellung war hierbei, den Energiebedarf für die Belüftung des Reaktors zu minimieren und gleichzeitig die Denitrifikationsleistung zu verbessern. Darüber hinaus sollten die Versuche stärker auf Problemstellungen der industriellen Abwasserreinigung ausgerichtet werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm Einzelnen waren folgende Teilaufgaben zu lösen:
- a) Untersuchungen im halbtechnischen Maßstab unter realen (kommunalen) Abwasserbedingungen zur Ermittlung der Nutzungsdauer der Compounds, Erarbeitung von Strategien zur Prozesssteuerung und Optimierung der Reaktorgestaltung.
- b) Untersuchungen im Labormaßstab mit Modellabwasser zur Messung der O2-Konzentrationsprofile in den Biofilmen; Analyse der Zusammensetzung der Biofilme und Modellierung der Biofilmprozesse. Weiterhin sollten alternative Biopolymere überprüft und das Destruktionsverhalten untergliedert wer-den.
- c) Werkstofftechnische Untersuchungen zur Optimierung der Textur- und strömungsdynamischen Eigenschaften der Biocompounds. Entwicklung von geeigneten biologisch abbaubaren Polymeren aus Rest- und Abfallstoffen bzw. aus nachwachsenden Rohstoffen
Hinsichtlich der Stabilisierung der Abbauleistungen galt es weiterhin, das Verständnis der innerhalb des Biofilms ablaufenden Prozesse zu vertiefen. Deshalb wurde in den künftigen Untersuchungen von einer rein empirischen Betrachtung abgegangen und mit geeigneten Methoden der Versuch unternommen, die innerhalb des Biofilms ablaufenden Prozesse qualitativ und quantitativ zu erfassen.


Ergebnisse und Diskussion

Im Rahmen des Projektes wurde die Eignung von Biocompoundreaktoren für die industrielle Abwasserreinigung nachgewiesen. So konnte am Beispiel von Regeneraten aus der Kondensatreinigung von Kraftwerken (hohe NH4-N Belastung; kaum (keine) Kohlenstoffverbindungen) gezeigt werden, dass durch den Einsatz von Biocompounds diese Wässer auf Direkteinleiterqualität biologisch gereinigt werden können. Nach dem Stand der Technik werden für eine separate Behandlung dieser Kondensate Strippanlagen eingesetzt. Diese sind mit einem hohen thermischen Aufwand und Chemikalienverbrauch verknüpft, wodurch gleichzeitig der Gesamtwirkungsgrad der Kraftwerke sinkt und somit die Gesamtemissionen (z. B. CO2) erhöht werden.
Ein weiterer Meilenstein des Projektes war die erfolgreiche Überführung des Verfahrens in den halbtechnischen Maßstab. So konnten im Zuge der Optimierung des Belüftungssystems und der Prozessstrategie eine ausreichende Vermischung der Biocompounds im Reaktor sichergestellt werden. Die dafür benötigte Energie (Lufteintrag) konnte durch die Optimierung der Dichte der Biocompounds soweit reduziert werden, dass der Lufteintrag in den Reaktor ausschließlich nach dem O2 - Bedarf der Mikroorganismen gesteuert werden konnte. Somit konnte der Lufteintrag auf das Niveau einer herkömmlichen Belebtschlammanlage reduziert werden.
In den werkstofftechnischen Untersuchungen wurden weiterhin Substituenten für die leicht abbaubare Komponente PHB auf der Basis von nachwachsenden Rohstoffen / Abfallprodukten entwickelt. So konnten ein Gelatineprodukt und zwei Caseinprodukte hergestellt und erfolgreich getestet werden.
Im Rahmen der mikrobiologischen Untersuchungen konnte sowohl indirekt als auch direkt nachgewiesen werden, dass die Nitrifikanten im Biofilm der Biocompounds angesiedelt waren und nicht in der frei suspendierten Biomasse. Die Untersuchungen mittels konfokaler Laserscanning Mikroskopie (CLSM) wiesen innerhalb der Poren in erster Linie EPS nach. Die für die Produktion dieser Matrix verantwortlichen Bakterien waren vom EPS überdeckt. Diese großen Mengen an extrazellulärem polymeren Material (bzw. Glycokonjugaten) ist auch aus den tieferen Schichten heterotropher Biofilme bekannt und wird oft auf eine Substratlimitierung der Bakterien zurückgeführt. Nicht von EPS überdeckte Bakterien waren vor allem an der Biofilmoberfläche zu finden. Diese unterschiedlichen Strukturen sind als Bestätigung für das Schichtenmodell des Biofilms auf den Biocompounds zu interpretieren. Mittels Mikroelektrodentechnik konnten O2 - Konzentrationsprofile in den Biofilmen aufgenommen werden. Somit konnte nachgewiesen werden, dass in den Biofilmen Zonen existieren, in denen kein gelöster Sauerstoff vorhanden ist. Somit konnten auch hier die Modellvorstellungen bestätigt werden.
Die Modellierung des Biocompoundreaktors erfolgte auf der Basis des Activated Sludge Modells (ASM). Im Ergebnis der Modellierung konnten die Kohlenstoffelimination, die Nitrifikation und die submerse Biomasse schon recht gut abgebildet werden.
Ein Gesamtkostenvergleich zeigte, dass der Einsatz der Biocompounds in der industriellen Abwasserreinigung (insbesondere für die untersuchten Regenerate aus Kondensatreinigungsanlagen) bereits bei der derzeitigen Kostenstruktur als aussichtsreich erscheint; ein kommunaler Einsatz erfordert noch eine Kostenoptimierung.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Veröffentlichungen:
1. Andrea Hille, Mei He, Clemens Ochmann, Thomas R. Neu, Harald Horn (2007) Application of biodegradable carriers in a Particle Fixed Biofilm Airlift Reactor, Bioprocess and Biosystems Engineering, wird eingereicht.
2. Andrea Hille, Mei He, Clemens Ochmann, Thomas R. Neu, Harald Horn (2008), Behaviour of biodegradable carriers in biofilm reactors for treatment of waste water , Wat. Sci. Techn. Eingereicht.
3. Nobert Schwarzenbeck, Clemens Ochmann, Andrea Hille, Mei He, Harald Horn (2007) Aerobe Biofilmaggregate zur Ertüchtigung von Kläranlagen? ; Berichte aus der Siedlungswasserwirtschaft, Band 192, 189 - 214.


Fazit

Der Einsatz des Biocompoundverfahrens ermöglicht eine zeitlich und räumlich simultane Nitrifikation und Denitrifikation sowie die Elimination von Kohlenstoffverbindungen, in einem vollständig belüfteten Wirbelbettreaktor. Weiterer Forschungsbedarf besteht im Bereich der Biofilmprozesse, die noch nicht vollständig erfasst und modelliert werden können. Dazu sind weitere Versuchsreihen (z.B. Batchexperimente in Kombination mit der Mikroelektrodentechnik bei verschiedensten Sauerstoff- und Nitratkonzentrationen) durchzuführen. Weiterhin müssen alternative (billigere) Materialien für die Matrixkomponente entwickelt werden.