-
Vorliegende
Erfindung betrifft einen Bioreaktor zur Behandlung von mit organischen
oder anorganischen Schadstoffen belasteten Fluiden gemäß dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1.
-
Bioreaktoren
dieser Art kommen insbesondere in Kleinkläranlagen vor, die hauptsächlich zur Behandlung
von häuslichem
Abwasser dienen. Diese Kleinkläranlagen
sind meist bereits bestehende Mehrkammeranlagen, die mit einer zusätzlichen
biologischen Stufe ausgestattet wurden. Das behandelte Abwasser
wird nach Durchfließen
der Kleinkläranlage
entweder versickert oder dem nächsten
offenen Gewässer
zugeleitet.
-
Es
können
aber auch Sickerwässer
von Mülldeponien
oder Kompostieranlagen mit diesen Bioreaktoren behandelt werden.
-
Bioreaktoren
für diesen
Einsatz sind beispielsweise aus den Patentanmeldungen
DE 103 30 959.4 oder der Anmeldung
FR 2439 bekannt. Die darin
beschriebenen Bioreaktoren bestehen aus einem photokatalytisch beschichteten
Behälter
und einem Füllkörper, der
im Inneren des Behälters
angeordnet ist, wobei der Füllkörper eine
mikrobiotische Mischung aus photosynthetisch wirkenden Mikroorganismen
und Leuchtbakterien beinhaltet.
-
Der
Abbau der Schadstoffe erfolgt mittels dieser mikrobiotischen Mischung,
wobei das Zusammenspiel von photosynthetisch wirkenden Mikroorganismen
und Leuchtbakterien ausgenützt
wird – eine
genaue Beschreibung der Wirkweise der Mischung findet sich in den
Druckschriften
DE 100 62 812 und
DE 101 49 447 . Sind zudem,
wie in der Patentanmeldung
DE
102 53 334 beschrieben, Photosensibilisatoren vorhanden,
werden Singulett-Sauerstoff und andere Radikale gebildet, die den
Abbau der Schadstoffe beschleunigen.
-
Aber
auch das Design von Behälter
und Füllkörper selbst
beeinflusst die Abbaugeschwindigkeit und -qualität. Ist zum Beispiel, wie in
der
FR 2439 offenbart,
die photokatalytische Schicht streifenförmig abwechselnd mit einer
Diamantbeschichtung auf der Außenfläche der
Behälterwand
aufgebracht, wirkt die Diamantbeschichtung aufgrund des zwischen
der photokatalytischen Schicht und der Sorptionsfläche des
Füllkörpers aufgebauten
Potentialdifferenz als Diamantelektrode, in deren Bereich sich Hydroxylradikale
bilden, die es erlauben, sogar sehr schwer lösliche Schadstoffe, wie beispielsweise
Rheumamittel, abzubauen.
-
Nachteilig
an diesen bekannten Bioreaktoren ist jedoch, dass sich im Betrieb
des Bioreaktors ein Biofilm auf dem Behälter ausbildet, und der Behälter anfängt zu korrodieren.
-
Aufgabe
vorliegender Erfindung ist es deshalb, einen Bioreaktor bereitzustellen,
der eine solche Korrosion verhindert.
-
Diese
Aufgabe wird durch einen Bioreaktor gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
-
Grundlage
vorliegender Erfindung ist die Erkenntnis, dass sich die Orientierung
der Polarität
von Behälter
und Füllkörper aufgrund
der Biofilmausbildung auf der Behälterwand im Betrieb mit der
Zeit ausgleicht und sogar umkehrt, worauf Radikale vermehrt auch
das Material des Behälters
angreifen, was dann zu der zu verhindernden Korrosion führt.
-
Um
diesen Polaritätsausgleich
bzw. -umschlag zu verhindern, gibt es mehrere Möglichkeiten.
-
Zum
einen kann in einem ersten besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel
der Behälter
und der Füllkörper galvanisch
getrennt werden. Diese sehr einfache Möglichkeit verhindert, dass
ein Austausch von Ladungen stattfindet, was zu einer Polaritätsumkehr
führen
kann. Sehr einfach kann eine solche galvanische Trennung beispielsweise
dadurch erreicht werden, dass der Behälter nicht aus Edelstahl sondern
aus Kunststoff gefertigt ist.
-
in
einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist eine Stromquelle vorhanden, die an den Behälter angelegt
ist, und dadurch das Potential des Behälters konstant gehalten wird. Dies
ist insbesondere deshalb von Vorteil, da schon bestehende Bioreaktoren
leicht mit dieser zusätzlichen
Stromquelle ausgestattet werden können, so dass ein aufwändiger Austausch
des Bioreaktors und damit ein langfristiges Abschalten der Kläranlage
unnötig
ist. Diese Stromquelle kann beispielsweise in einer Solarzelle,
in einem Netzteil oder einem Kondensator bestehen. Besonders bevorzugt
ist es, wenn die Spannung der Potentialdifferenz selbst für das Aufrechterhalten
des Potentials sorgt.
-
Weiterhin
kann, wie einem dritten Ausführungsbeispiel
gezeigt, auch eine Sperrschicht, beispielsweise aus Wasserglas,
die unter der photokatalytisch wirksamen Schicht angeordnet ist,
verhindern, dass eine Potentialumkehr eintritt. Diese Lösung ist insbesondere
für neu
einzusetzende Bioreaktoren von Vorteil.
-
Eine
andere vorteilhafte Möglichkeit
ist der Einsatz einer Opferanode, die eine Korrosion verhindert.
Der große
Vorteil davon besteht darin, dass die Opferanode einfach zu dem
bestehenden Bioreaktor gegeben wird, so dass ein Umbau oder auch
ein Abschalten eines im Betrieb befindlichen Bioreaktors unnötig ist.
-
Weitere
Vorteile und bevorzugte Ausführungsbeispiele
sind in den Unteransprüchen
definiert.
-
Im
folgenden soll die Erfindung anhand von Zeichnungen und den zugehörigen Beschreibungen noch
deutlicher dargestellt werden. Es stellen dar:
-
1:
eine Prinzipdarstellung einer Mehrkammergrube mit nachgerüsteter biologischer
Stufe;
-
2:
eine schematische Aufrissdarstellung eines beispielhaften Bioreaktors
aus dem Stand der Technik bestehend aus Behälter und Füllkörper;
-
3:
eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Bioreaktor;
und
-
4:
eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Bioreaktor;
-
1 zeigt
einen Schnitt durch eine Kleinkläranlage 1 mit
einer biologischen Stufe – also
einem Bioreaktor 2 und einer mechanischen Stufe 4, die
durch eine Dreikammer-Absetzgrube 4 ausgebildet ist. Es
handelt sich dabei im Prinzip um einen Raum 6, der durch
je eine Trennwand 8 in drei Teilkammern unterteilt ist,
von denen in 1 lediglich eine erste Kammer 10 und
eine weitere Kammer 12 dargestellt sind. Das zu reinigende Abwasser
strömt der
Dreikammer-Absetzgrube durch einen Zufluss 14 zu und tritt
in eine erste – nicht
dargestellte – Kammer ein
und kann durch Durchlässe 16 in
den Wänden 8 in
die nächste
Teilkammer 12 und von dort in die letzte Teilkammer 10 abströmen. In
den einzelnen Kammern 10 und 12 setzen sich absetzbare
Stoffe durch Sedimentation ab, während
Schwimmstoffe auf der Flüssigkeitsoberfläche 18 auf
schwimmen. Der Abfluss 20 ist so gewählt, dass die Sedimente und
die Schwimmstoffe in den Kammern 10 und 12 verbleiben
und das gereinigte Abwasser ohne diese Störstoffe abgeführt wird.
Zur biologischen Aufbereitung ist in der Kammer 10 der
Bioreaktor 2 als Nachrüstsatz
vorgesehen, der eine biologische Stufe darstellt. Der Hauptbestandteil
dieses Bioreaktors ist ein Behälter 22,
der beim dargestellten Ausführungsbeispiel
als Schwimmkörper
ausgebildet ist, d.h. er hat genügend
Auftrieb, dass er in dem biologisch zu behandelnden Abwasser schwimmt.
Zur Lagepositionierung des Behälters 22 ist
in der Kammer 10 eine Vertikalführung 24 angeordnet,
die beispielsweise an der Trennwand 8 und/oder den Seitenwänden der Dreikammer-Absetzgrube 6 abgestützt sein
kann (siehe gestrichelte Linien in 1). Der
Behälter 22 ist
entlang dieser Vertikalführung 24 in
X-Richtung in 1 verschiebbar angeordnet, so
dass er je nach Flüssigkeitsspiegel 18 innerhalb
der Kammer 10 als Schwimmkörper auf oder ab bewegbar ist.
-
In
den Behälter
22 ist
eine mikrobiotische Mischung eingebracht, die einen Biofilm ausbildet.
Diese mikrobiotische Mischung besteht bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
aus einem Anteil photosynthetisch wirkenden und einem Anteil lichtemittierenden
Mikroorganismen. Das Wechselspiel zwischen den photosynthetisch
arbeitenden Mikroorganismen und den Leuchtbakterien führt dazu,
dass die photosynthetisch arbeitenden Mikroorganismen durch das
emittierte Licht der Leuchtbakterien 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. Hinsichtlich der konkreten Zusammensetzung dieser
mikrobiotischen Mischkultur wird der Einfachheit halber auf die
Patentanmeldungen
DE
100 62 812 A1 und
DE
101 49 447 A1 der Anmelderin verwiesen. Mit Hinweis auf
diese Anmeldung werden nach der Beschreibung der Ausführungsbeispiele
nur die wesentlichen Schritte dieses photodynamischen Abbaus erläutert.
-
Durch
Zusammenwirkung der mikrobiotischen Mischung sowie der katalytischen
Oberflächen des
Behälters
22 kommt
es zu einem photodynamischen Abbau organischer Substanzen. Dieser
photodynamische Abbau von Substanzen ist beispielsweise in der Anmeldung
DE 102 53 334 der Anmelderin beschrieben.
-
2 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel des
Behälters 22.
In diesem Ausführungsbeispiel
ist der Behälter 22 nicht
trichterförmig,
sondern zylinderförmig
ausgebildet. Die Seitenwände
des Behälters 22 sind
bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus
Edelstahl hergestellt und partiell mit einer photokatalytisch wirkenden
Beschichtung 26 versehen sein. Diese Beschichtung kann
an der Innenumfangswand des Behälters 22 und/oder – wie in 2 gezeigt – an der
Außenwand 28 ausgebildet
sein. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist der Behälter 22 aus
V4A hergestellt und mit einer Titandioxid-Beschichtung versehen.
Anstelle dieses Titandioxids kann auch Indiumzinnoxid oder dergleichen
verwendet werden. Die Außenwand 28 des
Behälters 22 ist
mit einer Vielzahl von Durchbrüchen 30 versehen, so
dass das biologisch zu stabilisierende Abwasser ins Innere des Behälters 22 gelangen
kann. Diese Durchbrüche 30 können beispielsweise
gestanzt sein, wobei es von Vorteil ist, wenn dann die Stanzgrate
nach Innen vorstehen, so dass ein leichter Bewuchs mit Mikroorganismen
in diesem Bereich stattfinden kann. Die untere Stirnfläche 32 des
Behälters ist
verschlossen, so dass das Einströmen
des Abwassers in den Behälter 22 im
Wesentlichen in Radialrichtung erfolgt. Die obere Stirnfläche kann
ebenfalls verschlossen sein. In dem Fall, in dem diese obere Fläche oberhalb
des Flüssigkeitsspiegels
liegt, kann auf ein Verschließen
verzichtet werden.
-
Im
Innenraum des Behälters 22 ist
ein auswechselbarer Füllkörper 34 aufgenommen,
der, wie in der Aufrissdarstellung gezeigt, eine spiralförmige Struktur
aufweist. Dieser Füllkörper 34 besteht
bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
aus einem Träger 36,
das beispielsweise ein spiralförmig
gewendeltes Edelstahlblech sein kann. Auf diesem schraubenlinienförmig gewendelten
Träger 36 aus Edelstahl
ist beidseitig ein Schaummaterial, beispielsweise ein PU-Schaum
aufgebracht, der mit Aktivkohle und ggfs. Nano-Composite-Material
beschichtet oder versetzt ist. Durch den PU-Schaum wird ein Porensystem
gebildet, dessen Wandungen mit Aktivkohle beschichtet sind, so dass
eine große Stoffaustauschfläche zur
Verfügung
gestellt wird.
-
Konkret
besteht bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Träger 36 aus
einem zwei bis drei Millimeter starkem VA-Gitterkörper, wobei
die wendelförmige
Struktur durch zwei Gitterflächen
gebildet ist, zwischen denen ein halbharter, offenzelliger PU-Schaum
mit Aktivkohlebeschichtung eingebracht ist. Die auf der nach unten
gerichteten Seite der WendeI angeordneten Gitterstäbe 38 sind
mit einer photokatalytischen Oberfläche versehen, die Maschenweite
beträgt
an diesen nach unten weisenden Großflächen ca. 10–12 mm. An den die nach oben weisende
Großfläche der
WendeI bildenden Gitterstäben
ist keine Beschichtung vorgesehen. Die Maschenweite beträgt hier
etwa 25 bis 30 mm.
-
Die
eingangs genannten Mikroorganismen können zentral über einen
Dosierschlauch in das Zentrum des spiralförmigen Füllkörpers 34 eingebracht
werden. Es ist jedoch auch möglich,
diese Mikroorganismen mit den Nano-Composite-Materialien bereits bei der
Herstellung des Füllkörpers 34 ins
Porensystem einzubringen. Sehr Erfolgs versprechend waren Versuche,
bei denen die Mikroorganismen und Nano-Composite-Materialien in
Chitosan gelöst
und diese mit den Nano-Composite-Materialien versetzte Mischung
dann – beispielsweise
durch Tränken – auf den
Füllkörper aufgebracht
wird, so dass ein kontinuierliches Zuführen von Mikroorganismen entfällt und lediglich
in regelmäßigen Abständen ein
Austausch des Füllkörpers 34 erforderlich
ist.
-
Der
PU-Schaum ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel auf der nach
unten weisenden Seite der WendeI mit einem gelartigen Material aus Chitosan
beschichtet. In diesem Chitosan sind die Nano-Composite-Materialien eingebettet,
welche jeweils ein piezoelektrisches Keramik-System aus PZT-Kurzfasern
mit photokatalytischen Beschichtungen darstellt. Ferner sind kläranlagentypische
und biophysikalisch arbeitende Mikroorganismen mit eingebettet.
Auf der Oberseite des PU-Schaumkerns sind im kationisch wirkenden
Chitosan-Lactat
nur aerobe Mikroorganismen eingebaut.
-
Der
photodynamische Abbau der organischen Bestandteile wird noch durch
die photokatalytische Beschichtung des Behälters 22 unterstützt. Dazu
ist der Behälter 22 sowohl
an seiner Innenfläche
als auch an seiner Außen fläche mit
der photokatalytisch wirksamen Schicht 26 – also beispielsweise dem
Titandioxid – beschichtet.
Diese Schicht ist an der Innenfläche,
d. h. an der dem Füllkörper 34 zugewandten
Seite vollständig
aufgetragen, während
an der Außenfläche das
Titandioxid in Form von Streifen 26 aufgebracht ist, zwischen
denen Bereiche verbleiben, die mit einer Diamantbeschichtung 40 versehen sind.
-
Eine
derartige Diamantbeschichtung 40 lässt sich synthetisch herstellen,
indem Methan und Wasserstoff sowie eine geeignete Trägersubstanz
aus beispielsweise Niob, Silizium oder Keramik in einer Vakuumkammer
auf Temperaturen bis etwa 2000° erhitzt
werden. Es kommt dann zu einer Reaktion, bei der sich ein Diamantgitter
auf der Trägersubstanz ausbildet.
Diese Beschichtung 40 wird dann auf der Außenwand 28 des
Behälters 22 aufgebracht,
so dass mit einer photokatalytisch wirksamen 26 und mit einer
Diamantschicht 40 versehene Bereiche nebeneinander liegen.
Diese Bereiche 26, 40 verlaufen in Längsrichtung
des Behälters 22.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
entspricht die Breite der Streifen 26 etwa dem Abstand
von vier lochförmigen Durchbrüchen 30,
während
die Breite der Bereiche 40 wesentlich kleiner ist und etwa
dem Abstand zwischen zwei benachbarten Durchbrüchen 30 entspricht.
-
Im
Zusammenwirken mit der katalytischen Beschichtung des Behälters
22 und
der vorbeschriebenen Beschichtung des wendelförmigen Füllkörpers
34 stellt sich
ein vergleichsweise starkes elektromagnetisches Feld ein. Die entstehende
Potentialdifferenz liegt an den mit der Diamantbeschichtung
40 versehenen
Bereichen an, die dann als Diamantelektroden wirken. Durch diese
Spannung entstehen im Bereich der Diamantelektroden (Bereiche
40)
Hydroxylradiakale, die auch bisher schwierig oder nicht abbaubare
Substanzen in harmlose Salze oder Kohlendioxid umwandeln, das als
Gas über
Kopf aus dem Korb abgeführt
wird. D. h., bei dem erfindungsgemäßen Bioreaktor laufen parallel
nebeneinander über das
Zusammenwirken der photokatalytisch wirksamen Schicht und dem Biofilm
auf dem Füllkörper sowie
durch die Diamantelektroden Prozesse ab, die zum nahezu vollständigen Abbau
der organischen Schadstoffe führen.
Einzelheiten über
das entstehende elektromagnetische Feld sind in der älteren,
Anmeldung
DE 103 30 959.4 offenbart,
so dass diesbezügliche
weitere Erläuterungen
entbehrlich sind.
-
Problematisch
ist allerdings, wie bereits oben beschrieben wurde, dass die Polung
des elektromagnetischen Feldes durch den Bewuchs mit dem Biofilm
derart beeinflusst werden kann, dass sich die Polarität von Behälter 22 und
Füllkörper 34 umkehren kann.
Dadurch wandern die trotzdem an der Diamantbeschichtung entstehenden
Hydroxylradikale nicht mehr in Richtung der Schadstoffe – also in
das Innere des Behälters
zum Füllkörper 34 hin,
sondern können
auch mit dem Edelstahl des Behälters
reagieren, was zu einer Korrosion führt. Dies geschieht verstärkt dann,
wenn zudem die Leitfähigkeit
des Abwassers vergleichsweise hoch (> 1400 μS/cm)
ist, was insbesondere bei einer Sickerwasserbehandlung von Mülldeponien
der Fall ist.
-
Damit
eine solche Korrosion verhindert wird, werden im Folgenden zwei
besonders vorteilhafte Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Bioreaktoren
besprochen, die auf dem in 2 gezeigten Bioreaktor
basieren, aber eine Polaritätsumkehr
nicht zulassen.
-
3 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Bioreaktors.
Dabei ist zwischen Behälterinnenwand
und Füllkörper 34 eine galvanische Trennung 42 eingefügt. Diese
verhindert einen Ladungsaustausch zwischen Füllkörper 34 und Behälter 22,
so dass die Polarität
von Behälter 22 und
Füllkörper 34 aufrechterhalten
bleibt. Eine besonders einfache galvanische Trennung würde aber auch
darin schon bestehen, den Behälter
nicht aus Edelstahl, sondern aus Kunststoff zu fertigen.
-
Es
ist aber auch möglich
einfach eine Sperrschicht – beispielsweise
aus Wasserglas, die unter der photokatalytischen Beschichtung und
der Diamantbeschichtung zu liegen kommt, als Korrosionsschutz aufzubringen.
-
4 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Bioreaktors.
In diesem Beispiel ist die Potentialumkehr durch das Anlegen einer externen
Stromquelle 44 verhindert. Die externe Stromquelle 44 kann
dabei ein Netzteil, eine Solarzelle oder auch ein Kondensator sein.
Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn der von dem Bioreaktor selbst
produzierte Strom als Stromquelle genützt wird.
-
Insbesondere
ist es von Vorteil, wenn die Stromquelle 44 mit einer Leerlaufspannung
von max. 4,9 V und einem Strom von max. 500 mA betrieben wird, da
höhere
Werte zu einer Zerstörung
der Beschichtung des Behälters
führen
können.
Unter Last ist eine Spannung von 1, 5 bis 2,2 V und eine Stromstärke von
500 mA ideal, um einen optimalen Betrieb des Bioreaktors gewährleisten
zu können.
-
Statt
einer externen Stromquelle kann auch eine Opferanode zum Einsatz
kommen. Diese besteht aus leichter korrodierbarem Material als der Edelstahl
des Behälters
und hat dadurch die höhere Anziehungskraft
für die
hoch reaktiven Radikale.
-
Offenbart
wird ein Bioreaktor zum Behandeln von industriellem oder häuslichem
Abwasser, bestehend aus einem Behälter und einem Füllkörper, wobei
sich zwischen Füllkörper und
Behälter
eine Potentialdifferenz ausbildet, der mit einer Vorrichtung ausgestattet
ist, die eine Korrosion des Behälters
aufgrund der durch den Bewuchs mit einem Biofilm verursachten Potentialumkehr
verhindert.
-
- 1
- Kleinkläranlage
- 2
- Bioreaktor
- 4
- mechanische
Stufe
- 6
- Kläranlagenraum
- 8
- Trennwand
- 10,
12
- Kammern
- 14
- Zufluss
- 16
- Durchlässe in Wand
- 18
- Flüssigkeitsoberfläche
- 20
- Abfluss
- 22
- Behälter
- 24
- Vertikalführung
- 26
- photokatalytische
Beschichtung
- 28
- Außenwand
des Behälters
- 30
- Durchbrüche in Behälter
- 32
- untere
Stirnfläche
- 34
- Füllkörper
- 36
- Träger
- 40
- Diamantbeschichtung
- 42
- galvanische
Trennung
- 44
- externe
Stromquelle