DE19543694A1 - Verfahren zur mikrobiologischen Behandlung von Wässern - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur mikrobiologischen Behandlung von Wässern, worin dem Wasser Nährstoff oder ein Nährstoffgemisch zugesetzt wird, und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Abwässer, insbesondere Industrieabwässer, haben häufig eine Abwasserfracht, deren Zu­ sammensetzung nicht konstant ist. Die Abwässer enthalten neben oxidierbaren organi­ schen Verbindungen mit einem entsprechenden Sauerstoffbedarf (CSB) meist nur geringe, stark schwankende Mengen an Stickstoff- und/oder Phosphatverbindungen.

Verschmutzungen auf Basis von Kohlenwasserstoffverbindungen, beispielsweise Erdölver­ schmutzungen, in Böden und Gewässern, werden häufig mittels Bioremediation bekämpft. Bei diesen Verfahren werden Kohlenwasserstoffverbindungen verzehrende Mikroorganis­ men eingesetzt. Das Prinzip der Bioremediation sieht die optimale Förderung des Wachs­ tums der schmutzverzehrenden Mikroorganismen vor. Um die Anreicherung der Mikroorga­ nismen und/oder ihr Wachstum am Ort der Verschmutzung hinreichend zu stimulieren werden diesen in der Regel wachstumsfördernde Elemente, die in der Regel im Ver­ schmutzungsbereich in nicht hinreichenden Konzentrationen zur Verfügung stehen, zuge­ führt. Dabei handelt es sich in erster Linie um anorganische und/oder organische Verbin­ dungen des Stickstoffs und des Phosphors, die als Nährstoffkonzentrate zur Stimulation und als Wachstumshilfe für die beschleunigte An- und Aufzucht der Kohlenwasserstoff­ verbindungen verzehrenden Mikroorganismen angeboten werden. Als weitere Verfahrens­ maßnahme werden häufig, insbesondere zur Beschleunigung des biologischen Abbaus in den Anfangsphasen, vorgebildete Konzentrate geeigneter Kohlenwasserstoff verzehrender Mikroorganismen eingesetzt, die beispielsweise im wöchentlichen Abstand auf die ver­ schmutzten Bereiche aufgetragen bzw. diesen zugeführt werden können. Es kann jedoch in den meisten Fällen, was insbesondere von der individuellen Vorgeschichte der reini­ gungsbedürftigen Wässer oder Böden abhängt, davon ausgegangen werden, daß ein sol­ ches Animpfen mit Mikroorganismen-Konzentraten unnötig ist. In der Regel hat bereits der natürliche Vorgang des biologischen Abbaus zur Ausbildung ausreichender Konzentratio­ nen von Mikroorganismenstämmen geführt.

Als Nährstoffgemische werden den Mikroorganismen üblicherweise anorganische und or­ ganische Stickstoff-haltige und Phosphor-haltige Verbindungen zugeführt. Als weitere Be­ standteile der Nährstoffkonzentrate können auch Verbindungen zum Einstellen des pH- Wertes enthalten sein.

Die in den zu behandelnden Wässern und Böden vorhandenen Bakterien brauchen jedoch zur optimalen Entwicklung ein Nährstoffangebot, das hinsichtlich der Nahrungskomponen­ ten Kohlenstoff (C), Stickstoff (N) und Phosphor (P) besonders abgestimmt ist. Üblicher­ weise gilt, daß für aerobe Organismen das Verhältnis von C : N : P etwa wie 100 : 10 (5) : 1 bzw. (chemischer Sauerstoff Bedarf, zur Oxidation der organischen Bestandteile) : N : P = 800 : 5 : 1 sein sollte. Der Kohlenstoff kommt in der Regel aus den zu entfernenden or­ ganischen Stoff-Frachten. Stickstoff und Phosphor hingegen sind häufig nicht in den erfor­ derlichen Mengenverhältnissen vorhanden und müssen zur optimalen Entwicklung der Bakterien zugefügt werden. Als weitere Bestandteile können auch Antioxidantien (Vitamine) zugesetzt werden.

Aus der internationalen Patentanmeldung WO 93/06051 ist ein Nährstoffkonzentrat be­ kannt, das zur Stimulation und als Wachstumshilfe für die beschleunigte An- und Aufzucht von Kohlenwasserstoffverbindungen verzehrenden Mikroorganismen für deren Einsatz beim biologischen Abbau organischer Komponenten eingesetzt wird und das wasser­ und/oder öllösliche Verbindungen des Phosphors (B) und des Stickstoffs (N) enthält, die in Abmischung mit weiteren wasser- und/oder öllöslichen organischen Mischungskomponen­ ten vorliegen, denen wenigstens anteilsweise Nährstoffcharakter für das Mikroorganismen­ wachstum zukommt, wobei die N- und P-haltigen Nährstoffe als lagerstabile Lösung, Emul­ sion und/oder Dispersion in einer Flüssig-Mischphase aus bioverträglichen wasserlöslichen Trägerkomponenten auf Glycerin-Basis und bioverträglichen öllöslichen Trägerkomponen­ ten auf Glycerinester-Basis ausgebildet sind. Das Nährstoffkonzentrat wird dem zu behan­ delnden Wasser direkt zugeführt.

In der deutschen Offenlegungsschrift DE 38 34 244 wird ein Verfahren zum Reinigen von durch Fett und/oder Öl verschmutztem Abwasser beschrieben, wobei das Abwasser durch einen Abscheider geleitet und darin ein Teil der Verunreinigungen durch Schwerkraftab­ scheidung abgeschieden wird. Das aus dem Abscheider abgezogene Abwasser wird durch einen biologischen Festbettreaktor geleitet, der auf einem großflächigen Trägermaterial immobilisierte fett- oder ölabbauende Mikroorganismen enthält. Dem Reaktor können über entsprechende Zuleitungen zusätzliche Nährstoffe, wie z. B. Phosphate und Calcium- oder Magnesiumsalze zugeführt werden, soweit die darin enthaltenen Mikroorganismen diese benötigen.

In der deutschen Patentschrift DE 44 03 716 wird ein Verfahren zur mikrobiologischen Wasserbehandlung mit hohem Sauerstoffbedarf in Reaktoren mit körnigem Material offen­ bart, worin das als Aufwuchsträger für aerobe Mikroorganismen verwendete körnige Trä­ germaterial von einem sauerstoffhaltigen Gas kontinuierlich von unten nach oben in der Art und Weise durchströmt wird, daß das Trägermaterial vollständig verwirbelt wird, während es gleichzeitig von dem zu reinigenden und gegebenenfalls mit Nährstoffen angereicherten Rohwasser kontinuierlich von oben nach unten durchrieselt wird. Die Nährstoffe werden hier gleichzeitig mit dem Trägermaterial in den Reaktor gegeben.

Aus dem US-Patent 4,810,385 ist eine Vorrichtung zum Kultivieren von biologischen Kultu­ ren für Abwasserströme bekannt, worin ein poröses Gewebe die äußere Abdeckung einer geschlossenen Packung bildet und eine Quelle für getrocknete Bakterien-Kulturen auf ei­ nem Träger enthält, die dazu in der Lage sind, ein Sammelsystem zu impfen, das als Ab­ wasserstrom durch das poröse Material, das die äußere Schicht bildet, fließt, so daß die Bakterien in das Abwasser gelangen. Die Vorrichtung enthält außerdem mindestens ein Nährstoffmaterial ausgewählt aus Stickstoffsalzen, Phosphorsalzen, organischem Substrat, Puffermaterialien, Enzymen und Oberflächenaktivmitteln.

In den voranstehend beschriebenen Verfahren werden die zur Bioremediation eingesetzten Nährstoffgemische in der Regel direkt dem Reaktor zugesetzt, so daß schon zu Beginn der Reaktion das gesamte Nährstoffgemisch zur Verfügung steht. Hierbei kann es leicht zu überhöhten Konzentrationen einzelner Komponenten kommen, die das Wachstum der Mi­ kroorganismen beeinträchtigen können.

In den unterschiedlichen Abwässern und zu behandelnden Böden sind die Nahrungskom­ ponenten jedoch in ganz unterschiedlichen Konzentrationen vorhanden. Es ist daher schwierig, ein optimale Verhältnis zur Stimulation der Bakterien zu erhalten, ohne daß die Konzentrationen der einzelnen Komponenten im Nährstoffgemisch durch vorherige Analy­ sen speziell auf das Wasser eingestellt wird. Aus dem Stand der Technik sind einige Ver­ fahren bekannt, die dieses Problem der unkontrollierten Nährstoffzugabe vermeiden sollen.

In der internationalen Patentanmeldung WO 91/19039 wird ein Verfahren zur Bioremedia­ tion beschrieben, worin den Mikroorganismen eine Nährstoffquelle mit gesteuerter Freiset­ zung (controlled release) zugefügt wird, wobei diese Nährstoffquelle dazu in der Lage ist, den Nährstoff kontinuierlich in einer wirksamen Menge den Mikroorganismen zuzuführen um so die Aktivität dieser Organismen über einen langen Zeitraum aufrechtzuerhalten. Die Nährstoffe werden in Form von festen Teilchen zugesetzt, die einen wasserlöslichen Kern, in dem sich die Nährstoffkomponenten befinden, enthalten und mit einer die Freisetzung steuernden Beschichtung versehen sind. Als solche Beschichtung kommen insbesondere Membran-Materialien in Betracht. Die beschriebenen Teilchen sind aufgrund ihrer großen Oberfläche sehr wirksam. Nachteilig ist jedoch, daß die Herstellung variabler Produkte ein­ geschränkt ist. Es ist nicht möglich, die Konzentrationen der eingesetzten Nährstoffkompo­ nenten sowie ihrer Zusätze in beliebigen Bereichen zu variieren.

Das beschriebene Controlled-Release-System hat den Nachteil, daß die Komponenten nicht in beliebigen Mengenverhältnissen eingearbeitet werden können. Diese Systeme können in der Regel nicht auf spezielle Probleme bei ganz bestimmten Industrieabwässern in denen gegebenenfalls bestimmte Komponenten in überhöhten Konzentrationen vorlie­ gen, abgestimmt werden. Außerdem ist es nicht möglich, andere Komponenten, wie z. B. Antioxidantien etc., zur Aufrechterhaltung eines stabilen Systems einzuarbeiten.

Der vorliegenden Erfindung lag demgemäß die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ver­ ung zu stellen, das es ermöglicht, in Verfahren zur mikrobiologischen Behandlung von Wässern, insbesondere bei der Bioremediation, das Wachstum der die Kohlenwasserstoff­ verbindungen verzehrenden Mikroorganismen zu stimulieren bzw. zu beschleunigen.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur mikrobiologischen Behand­ lung von Wässern, worin das zu behandelnde Wasser mit einer Vorrichtung in Kontakt ge­ bracht wird, die über eine Umhüllung verfügt, welche einen Nährstoff oder ein Nährstoff­ gemisch zur Stimulation und als Wachstumshilfe für die beschleunigte An- und Aufzucht von Kohlenwasserstoffverbindungen verzehrenden Mikroorganismen umgibt, und deren Wandung zumindest teilweise als semipermeable Membran ausgebildet ist, so daß der Nährstoff oder das Nährstoffgemisch durch die semipermeable Membran langsam, in Ab­ hängigkeit von der Konzentration der Komponenten im zu behandelnden Wasser an die­ ses abgegeben werden kann.

Ein weiterer Gegenstand ist eine Vorrichtung, die in eine übliche Anlage zur Bioremediation integriert werden kann, die über eine Umhüllung verfügt, welche einen Nährstoff oder ein Nährstoffgemisch zur Stimulation und als Wachstumshilfe für die beschleunigte An- und Aufzucht von Kohlenwasserstoffverbindungen verzehrenden Mikroorganismen umgibt, und deren Wandung zumindest teilweise als semipermeable Membran ausgebildet ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine Beseitigung von spezifischen Nährstoffdefi­ ziten bei der Bioremediation, wodurch die Entwicklung der Mikroorganismen optimiert wird und die Abwasserqualität hinsichtlich Geruch und Belastung mit Kohlenstoffverbindungen deutlich verbessert werden kann. Das Verfahren eignet sich beispielsweise zur Geruchs­ minderung von Abwasser aus Autowaschanlagen. Gleichzeitig kann eine Reduzierung der Mineralöl-Kohlenwasserstoff-Fracht erreicht werden, so daß der aus dem Abwasser von Autowaschstraßen anfallende Schlamm auf einer Hausmülldeponie kostengünstig entsorgt werden kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann an einer beliebigen Stelle, vorzugs­ weise in den belüfteten Abwasserstrom gehängt werden. In einer weiteren Ausführungs­ form wird der Membrankörper in den Abwasserzulauf integriert und kann so vom Abwasser angeströmt werden.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird üblicherweise eine Vorrichtung eingesetzt, die ein Nährstoffgemisch zur Stimulation der Mikroorganismen enthält. Diese Vorrichtung ist vorzugsweise in einer Anlage zur Durchführung der Bioremediation derart angeordnet, daß das zu behandelnde Wasser mit der Vorrichtung in Kontakt kommt, bevor es der Bioremediation unterworfen wird oder an einer Stelle, an der die Bioremediation noch nicht abgeschlossen ist.

Die erfindungsgemäß eingesetzte Vorrichtung ist vorzugsweise als Behälter ausgebildet, der das Nährstoffgemisch enthält und dessen Wandung zumindest teilweise, vorzugsweise überwiegend bis vollständig als semipermeable Membran ausgebildet ist bzw. eine semi­ permeable Membran in der Wandung eingearbeitet enthält. Geeigneterweise ist der Behäl­ ter als Zylinder ausgebildet, an dessen Boden bzw. Deckelflächen sich die semipermeable Membran befindet.

In einer weiteren Ausführungsform bildet die semipermeable Membran weitgehend allein die Umhüllung für den Nährstoff bzw. das Nährstoffgemisch. Um Beschädigungen der Membran durch in Wasser befindlichen Feststoffteilchen zu vermeiden, ist die mit Nährstoff gefüllte Membran vorzugsweise von einem Stützkörper umgeben. Der Stützkörper begeht geeigneterweise aus einem inerten Kunststoffmaterial und ist derart ausgestaltet, daß das zu behandelnde Wasser mit der Membran in Kontakt kommen kann.

Die Vorrichtung wird vorzugsweise so in eine Anlage zur Durchführung der Bioremediation eingebaut, daß das zu behandelnde Wasser die Vorrichtung umströmen bzw. an ihr vorbei strömen kann. Aufgrund des Konzentrationsgefälles im Abwasser und in der erfindungsge­ mäß eingesetzten Vorrichtung werden die in der Vorrichtung enthaltenen Komponenten zur Stimulation der Mikroorganismen herausgelöst und können durch die semipermeable Mem­ bran, die nur für diese Komponenten durchgängig ist, aus der Vorrichtung herausgelöst und vom Abwasser aufgenommen werden.

Die semipermeable Membran, die erfindungsgemäß zumindest teilweise die Wandung der Umhüllung ausbildet, sollte derart beschaffen sein, daß die durch das eingetretene Wasser gelösten Nährstoffkomponenten hindurchtreten können, um so in das Abwasser und zu den darin enthaltenen Mikroorganismen zu gelangen. Die Membran besteht vorzugsweise aus hydrophilen Materialien wie z. B. Polyethersulfon. Das Material ist vorzugsweise lipophob, so daß es schmutzabweisend wirkt, wodurch eine Verstopfung der Membranporen durch den im Abwasser enthaltenen Schmutz weitgehend vermieden werden kann. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn Industrieabwässer behandelt werden sollen.

Die in der erfindungsgemäß eingesetzten Vorrichtung enthaltenen Nährstoffe versorgen die Mikroorganismen mit Stickstoff, Phosphor und/oder Schwefel und ggf. weiteren Ele­ menten als Nährstoffe. Stickstoff kann beispielsweise als Nitrat, Ammonium, Harnstoff oder Cyanamid vorliegen. Phosphor wird üblicherweise als Phosphat eingesetzt. Schwefel liegt im allgemeinen als Sulfat vor. Als weitere Komponente kann beispielsweise Kalium enthal­ ten sein, was jedoch nicht immer erforderlich ist. Zur pH-Regulierung kann die Nähr­ stoffkomponente auch Puffer, wie z. B. Phosphat-Puffer enthalten. Bevorzugt eingesetzte Puffer sind ein Gemisch aus KOH und KH₂PO₄, die in einem Gewichtsverhältnis 1 : 1 vorlie­ gen, und ein Gemisch aus Dinatriumphosphat und Monokaliumphosphat in einem Ge­ wichtsverhältnis 2 : 1. Die verwendeten Nährstoffe, die in der Vorrichtung zur kontrollierten Freisetzung enthalten sind, sind üblicherweise als Standardmaterialien im Handel erhältlich und können Harnstoff, Ammoniumnitrat, Ammoniumphosphat, Ammoniumsulfat, Calciumni­ trat, Calciumcyanamid, Natriumnitrat, Calciumphosphat, einzelne Superphosphate, Trippel­ superphosphat, Kaliumnitrat und Kaliumsulfat sein. Diese Materialien sind, mit Ausnahme von Calciumcyanamid und Calciumphosphat, gut im Wasser löslich und würden, wenn sie nicht in der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorliegen würden, sich, sofern sie nicht in der erfindungsgemäß eingesetzten Vorrichtung eingeschlossen sein würden, direkt auflösen und vollständig in das Wasser abgegeben werden. Sie werden üblicherweise in fester Form eingesetzt. In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden die Nährstoffkomponenten als Granulate eingesetzt, die ein Gemisch aus den Nährstoffkom­ ponenten enthalten. Diese Granulate können, wie beispielsweise in der WO 91/19039 be­ schrieben, beschichtet sein.

Die Mengen an Stickstoff, Phosphor und Schwefel können in weiten Bereichen variieren. Üblicherweise enthält der zugesetzte Nährstoff bis zu 40 Gew.-% Stickstoff, bis zu 40 Gew.-% Phosphor und bis zu 20 Gew.-% Schwefel, jeweils bezogen auf den gesamten Nährstoff. Vorzugsweise liegen Stickstoff in einer Menge von 10 bis 40 Gew.-%, Phosphor in einer Menge von 10 bis 40 Gew.-% und Schwefel in einer Menge von 2 bis 20 Gew.-%, jeweils bezogen auf den gesamten Nährstoff, vor.

In der beigefügten Figur wird das Verfahren der vorliegenden Erfindung genauer erläutert.

Die Figur zeigt einen Ausschnitt einer Abwasseraufbereitungsanlage, in den die erfin­ dungsgemäß verwendete Vorrichtung, die den Nährstoff bzw. das Nährstoffgemisch ent­ hält, eingebaut ist.

Über das Zuleitungsrohr 1 wird das Abwasser in die Anlage geleitet. Das Abwasser um­ spült einen in einem Becken 2 angeordneten Zylinder 3, der mit dem Nährstoff 4 gefüllt ist. Die Wandung des Zylinders 3 wird von einer semipermeablen Membran 5 gebildet. Das Abwasser in dem Becken 2 umspült die semipermeable Membran 5 und tritt auch durch diese hindurch. Das durch die semipermeable Membran 5 in den Zylinder 3 eintretende Wasser löst den Nährstoff 4 auf. Durch das auftretende Konzentrationsgefälle zwischen dem Zylinderinnenraum 6 und dem Abwasser treten die gelösten Nährstoffe durch die se­ mipermeable Membran 5 hindurch in das Abwasser. Bei dem Lösevorgang werden in Ab­ hängigkeit von den im Abwasser vorliegenden Konzentrationen an C, P und N vorliegen­ den Mengen die entsprechend benötigten Mengen dieser Komponenten im Nährstoff her­ ausgelöst. Diese Verfahrensweise ermöglicht eine Herauslösung der erforderlichen Kom­ ponenten in Abhängigkeit vom Bedarf.

In der hier dargestellten Ausführungsform ist der Zylinder 3 mit der Membran 5 von einem mit vielen Öffnungen 8 versehenen Stützkörper 7 umgeben. Dieser Stützkörper 7 hat die Aufgabe, die Membran 5 vor Zerstörungen, beispielsweise mechanischen Zerstörungen durch im Abwasser gegebenenfalls vorliegenden Festkörpern, wie kleinen Steinen etc., zu schützen. Der Stützkörper 7 kann beispielsweise ein wasserdurchlässiges Gewebe dein das aus beliebigen Materialien bestehen kann. Der Stützkörper 7 ist vorzugsweise als feste Kunststoffhülle ausgebildet, die die Membran umgibt und die die Öffnungen 8 aufweist, so daß das zu behandelnde Abwasser durch diese hindurch treten und mit der semiperme­ ablen Membran 5 in Kontakt treten kann.

Bezugszeichenliste

1 Zuleitungsrohr
2 Becken
3 Zylinder
4 Nährstoff
5 semipermeable Membran
6 Zylinderinnenraum
7 Stützkörper
8 Öffnung.

Claims (7)

1. Verfahren zur mikrobiologischen Behandlung von Wässern, worin das zu behan­ delnde Wasser mit einer Vorrichtung in Kontakt gebracht wird, die über eine Umhül­ lung (3) verfügt, welche einen Nährstoff oder ein Nährstoffgemisch (4) zur Stimula­ tion und als Wachstumshilfe für die beschleunigte An- und Aufzucht von Kohlen­ wasserstoffverbindungen verzehrenden Mikroorganismen umgibt, und deren Wan­ dung zumindest teilweise als semipermeable Membran (5) ausgebildet ist, so daß der Nährstoff oder das Nährstoffgemisch durch die semipermeable Membran (5) langsam, in Abhängigkeit von der Konzentration der Komponenten im zu behan­ delnden Wasser an dieses abgegeben werden kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar das Wasser an der Vorrichtung vorbeiströmt und/oder diese umspült.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung (3) überwiegend bis vollständig als semipermeable Membran (5) ausgebildet ist.

4. Vorrichtung, die in eine übliche Anlage zur Bioremediation integriert werden kann, die über eine Umhüllung (3) verfügt, welche einen Nährstoff oder ein Nährstoffge­ misch (4) zur Stimulation und als Wachstumshilfe für die beschleunigte An- und Aufzucht von Kohlenwasserstoffverbindungen verzehrenden Mikroorganismen um­ gibt, und deren Wandung zumindest teilweise als semipermeable Membran (5) ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung (3) zy­ linderförmig ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung (3) überwiegend bis vollständig als semipermeable Membran (5) ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung (3) von einem Stützkörper (7) umgeben ist.