DE3311678A1 - Verfahren und vorrichtung zum foerdern des wachstums von biomasse - Google Patents

Description

Stoke-on-Trent, Staffordshire ST4 7BH, England

Verfahren und Vorrichtung zum Fördern des Wachstums von

Biomasse

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Fördern des Wachstums von Mikroorganismen aus einem Vorrat geeigneten Nährstoffes.

Beispiele von Verfahren, mit denen sich die Erfindung befaßt und die industriell ausgeübt werden, sind biologische Gärprozesse verschiedener Art und die Behandlung von vorgereinigtem häuslichen oder industriellen Abwasser durch das sogenannte Belebtschlammverfahren.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis der Möglichkeit, Mikroorganismen, im folgenden als "Biomasse" bezeichnet, in einem Reaktionsbehälter so vorzusehen, daß das Volumen der vorhandenen Biomasse genau bekannt und in Paketen bekannter Größe und Form vorliegt. Auf diese Weise kann die Konzentration der Biomasse auf einem optimalen Wert gehalten und das Alter der Biomasse und deshalb die Gesamt·

ausbeute aus Reaktionen sowie die Art dieser Reaktionen selbst bestimmt und gesteuert werden.

Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Fördern des Wachstums von Biomasse, das die Schritte beinhaltet, einen Behälter bereitzustellen, der eine Füllung enthält, die aus einer Vielzahl von frei beweglichen Körpern besteht, welche jeweils eine innere Struktur haben, aufgrund der sie einen beträchtlichen Hohlraumanteil aufweisen, so daß in ihnen eine schützende Umgebung vorhanden ist, die das Wachstum von Mikroorganismen gestattet, wobei ein ausgedehnter Zugangsbereich von der Außenoberfläche jedes Körpers her zu den Hohlräumen innerhalb desselben besteht, und einen Nährstoff in den Behälter einzuleiten, so daß er mit der Füllung in Berührung kommt, und das dadurch gekennzeichnet ist, daß jeder Körper ein Block aus offenzelligem Material mit einer netzförmigen Struktur ist, so daß im wesentlichen sämtliche einzelnen Räume, die durch das Netzwerk begrenzt werden, eine Querabmessung in dem Bereich von 0,2 mm bis 2,5 mm haben und alle miteinander verbunden sind, so daß die durch die Struktur jedes Körpers festgehaltene Biomasse in dem Hohlraumanteil desselben als eine integrale Masse enthalten ist.

Mit "offenzelligem Material" ist ein Material gemeint, bei dem keine Zellwände vorhanden sind, sondern lediglich ein Fadennetzwerk vorhanden ist.

Das Wachstum der Biomasse von der äußeren Oberfläche jedes Körpers nach außen wird durch die Relativbewegung der Körper innerhalb des Behälters beschränkt. Das heißt, jedes nach außen gerichtete Wachstum wird sofort durch mechanischen Abrieb abgetragen.

Es ist wichtig, daß die Körper eine derartige Form und Größe haben, daß sie veranlaßt werden, sich relativ zueinander in dem Behälter mit einem Reib- und/oder Stoßvorgang zu bewegen, ohne sich zu einer festen Einheit zusammenzuballen. Weiter muß die äußere Oberfläche der Körper derart sein, daß sie daran gehindert werden, sich während der Relativbewegung ineinander zu verhaken.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 in einer teilweise aufgeschnittenen

Seitenansicht eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Behandlung von vorgereinigtem Abwasser durch das Belebtschlammverfahren,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines

der Körper und

Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht der struk

turellen Form des Materials, aus dem die Körper hergestellt sind.

Bei dem herkömmlichen Belebtschlammverfahren wird vorgereinigtes häusliches und industrielles Abwasser in einem Behälter in Gegenwart einer biologischen Population belüftet und umgerührt, die auf verschiedenen Verunreinigungen, welche in dem Abwasser enthalten sind, einen Stoffwechselprozeß hervorruft und wächst, um den sogenannten Sekundärschlamm oder Belebtschlamm zu erzeugen, der aus dem Abwasser durch Sedimentation entfernt werden kann. Die Konzentration der biologischen Population innerhalb des Behandlungsbehälters

wird sich mit Änderungen in der Zusammensetzung des Abwassers, der Verweilzeit und zahlreicher anderer Faktoren ändern, wird aber in jedem Fall begrenzt sein, mit dem Ergebnis, daß der Behandlungsbehälter viel größer sein muß als er sein müßte, wenn höhere Konzentrationen der biologischen Population aufrechterhalten werden könnten.

Gemäß der Darstellung in Fig. 1 besteht die hier beschriebene Vorrichtung hauptsächlich aus einem Becken 10, das einen Reaktionsbehälter bildet. Das Becken ist mit einer Vielzahl von Körpern 11 im wesentlichen gefüllt, deren Struktur weiter unten ausführlicher beschrieben ist. Jeder Körper 11 trägt und enthält jedoch Biomasse, die Teil der in dem Becken 10 enthaltenen gesamten biologischen Population ist. Abwasser, in diesem Fall häusliches Abwasser, das aus Rohabwasser nach dem Sieben und, falls erforderlich, nach erster Sedimentation desselben, erhalten worden ist, wird durch Einleitung über eine Leitung 12 aufwärts durch das Becken 10 geleitet. Behandelte Flüssigkeit verläßt das obere Ende des Beckens 10 unter Passieren eines perforierten Rückhaltesiebes 13 und läuft über in eine Sammelleitung oder -rinne 14, mit der eine Auslaßleitung 15 verbunden ist.

Luft wird in das untere Ende des Beckens 10 über eine Leitung 16 und mehrere Luftdiffusoren 17 eingeleitet.

Wenn das Abwasser und die Luft durch das Becken 10 nach oben strömen, reagieren sie mit der biologischen Population, die in den Körpern 11 abgestützt und enthalten ist, was zur Folge hat, daß verschiedene Substanzen, wie kohlenstoffhaltige und proteinhaltige Materialien, aufgebrochen werden und neben Kohlendioxid zusätzliche Biomasse erzeugt wird, die versucht, von den Körpern 11 aus

nach außen zu wachsen.

Das Bett der Körper 11 füllt das Volumen innerhalb des Beckens 10 nicht eng aus, wodurch das Hindurchströmen von Gas und Flüssigkeit durch das Becken eine gewisse Relativbewegung der Körper hervorruft. Diese Bewegung erfolgt so, daß die äußeren Oberflächen der Körper aneinander reiben und/oder gegeneinander stoßen, wodurch überschüssige Biomasse durch mechanischen Abrieb abgeschabt wird, bevor sie sich auf den äußeren Oberflächen aufbaut. Die Berührung der Körper mit den Wänden des Beckens 10 und das Hinwegströmen von Flüssigkeit über die Körper können ebenfalls zum Ablösen überschüssiger Biomasse beitragen.

Es ist festgestellt worden, daß die Konzentration der Biomasse pro Volumeneinheit des Reaktionsbehälters bei Verwendung von Körpern der hier beschriebenen Art um einen Faktor von bis zu fünf größer sein kann als die Konzentration der Biomasse in einem herkömmlichen Belüftungsbecken, mit dem Ergebnis, daß das Fassungsvermögen des Behandlungsbehälters bei einem bestimmten Abwasserdurchsatz ungefähr ein Fünftel des Fassungsvermögens des herkömmlichen Behälters betragen kann, was mit einer beträchtlichen Reduzierung der Kapitalkosten einer Behandlungsanlage verbunden ist, wenn in beiden Fällen gleiche Biomassenaktivität vorausgesetzt wird.

Die Körper 11 haben einen speziellen Aufbau. Gemäß Fig. 2 sind sie insgesamt vorzugsweise quaderförmig od.dgl., so daß sie sich relativ zueinander in einem Reib- und/ oder StoßVorgang bewegen können, ohne aneinander hängen zu bleiben und eine feste Einheit zu bilden. Die Körper bestehen vorzugsweise aus einem synthetischen, geschäum-

ten Material, wie beispielsweise Polyurethan, des offenzelligen Typs, bei dem die Wände der Zellen entfernt worden sind, um eine netzförmige Struktur 18 zu bilden, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, bei der über 90 % des Grundvolumens des Materials einen offenen Raum bilden und die Hohlräume oder Zellen 19 alle miteinander verbunden sind, so daß effektiv ein durchgehender Hohlraum vorhanden ist. Im wesentlichen sämtliche einzelnen Hohlräume oder Zellen 19, die durch die Fäden des Netzwerks begrenzt warden, sollten in der Querabmessung zwischen 0,2 und 2,5 mm und ideal zwischen 0,6 und 1,3 mm liegen und die Querschnittsabmessung der Fäden sollte zwischen 0,06 und 0,8 mm betragen. Typischerweise werden die Körper aus einer Platte solchen Materials, die eine Dicke von etwa 12,5 mm hat, herausgeschnitten, und jeder Körper wird ungefähr 25 mm im Quadrat messen. Das Material muß flexibel und, in diesem Beispiel, voll elastisch sein.

Die Fadeneigenschaft des Materials, die aus Fig. 3 klar zu erkennen ist, wird einen ausgedehnten Zugangsbereich von der äußeren Oberfläche jedes Körpers her zu dem gesamten inneren durchgehenden Hohlraum desselben ergeben, und der durchgehende Hohlraum ist so, daß das Volumen an Biomasse, das darin abgestützt und gehalten wird, in jedem Körper im allgemeinen als eine integrale Masse oder ein monolithisches Gebilde vorliegt, wobei das Netzwerk zu dessen Verstärkung dient.

Im Betrieb besteht die Tendenz, daß die Körper in dem mittleren Bereich des Beckens, die im wesentlichen.mit Biomasse gefüllt sind, sich nach oben bewegen, um in einem Sammelkasten 20 aufgefangen zu werden, der oben und unten offen ist und perforierte Seitenwände hat.

Aus dem Sammelkasten 20 werden die gefüllten Körper aus

dem Becken 10 durch ein Förderband 21 abgefördert, auf dem sie unter einer ersten Walze 22 hindurchgehen, die eine sanfte Quetschwirkung auf die Körper ausübt, um überschüssiges sauberes Wasser aus ihnen herauszudrücken. Anschließend verlassen die Körper das Förderband 21 und gelangen über eine Rutsche 23 zu dem Spalt von zwei Mangelwalzen 24, die im wesentlichen sämtliche Biomasse oder sämtlichen Schlamm aus den Körpern herausquetschen, wobei die von Biomasse befreiten Körper über eine Rutsche 25 wieder in das Becken 10 eingebracht werden, während der aus ihnen entfernte Schlamm über eine Rutsche 26 in einen Aufbewahrungsbehälter 27 gefördert wird, um später beseitigt zu werden. Der Schlamm enthält ungefähr 6 Gew.-% Feststoffe und kann in dem Behälter 27 durch geeignete Maßnahmen in frischem Zustand gehalten werden.

Es ist somit zu erkennen, daß die Körper ständig wieder durch das Becken 10 hindurchgeleitet werden. Wenn die Körper in dem Becken zirkulieren, nehmen sie allmählich immer mehr Biomasse auf und halten diese fest, wobei sie entweder mit in der Flüssigkeit enthaltener Biomasse geimpft werden oder aufgrund unvollständigen Entfernens von Biomasse durch die Mangelwalzen 24 geimpft sind. Die Vorrichtung ist so ausgelegt, daß die Verweilzeit der Körper innerhalb des Beckens 10 so ist, daß sie entfernt werden, wenn sie mit Biomasse im wesentlichen gefüllt sind.

Der Strom von Flüssigkeit und Luft durch das Becken 10 wird so gewählt, daß das Bett der Körper 11 ausreichend aufgewirbelt wird, um das Außenwachstum von Biomasse an deren Oberflächen zu verhindern.

Die rückgewonnene Überschußbiomasse oder der rückgewonnene Überschußschlamm enthalten einen kleineren Anteil an freiem Wasser als herkömmlicher Belebtschlamm, was das Entwässern in einen brennbaren Zustand einfacher macht.

Die Menge an Biomasse, die in dem Reaktionsbehälter zu jeder Zeit vorhanden ist, ist ausreichend genau bekannt, ebenso wie die Größe und die Form der Einheiten oder Pakete, in denen sie vorhanden ist, so daß die Steuerung der Reaktion auf genauere und vorhersagbarere Weise erfolgen kann als es bislang bei herkömmlichen Anlagen möglich ist.

Es bestehen verschiedene interessante Möglichkeiten. Beispielsweise können die Körper eine derartige Größe haben, daß ein ausreichend großes Volumen an Biomasse in ihnen festgehalten wird, wodurch im wesentlichen aerobe Prozesse an der Oberfläche jedes Körpers und innerhalb einer inneren Schicht unter dieser oberfläche stattfinden, während im wesentlichen anaerobe Prozesse, wie beispielsweise die Umwandlung von Nitrat in Stickstoffgas, im Innern des Kör pers in den tieferen Schichten der Biomasse erfolgen. Die Größe des Körpers, die erforderlich ist, um zu gewährleisten, daß sowohl aerobe als auch anaerobe Prozesse stattfinden, wird von dem Gehalt an gelöstem Sauerstoff innerhalb des Reaktionsbehälters abhängig sein. Daraus folgt, daß die Größe des Körpers für einen bestimmten Gehalt an gelöstem Sauerstoff gewählt werden kann oder daß der Gehalt an gelöstem Sauerstoff für eine bestimmte Körpergröße eingestellt werden kann, so daß sich der gewünschte Grad von aeroben und anaeroben Prozessen ergibt.

Die Erfindung ist zwar unter Bezugnahme auf die Behandlung von Abwässern beschrieben worden, sie ist jedoch bei jedem Verfahren anwendbar, bei dem biologisches Material aus
einer Nährstoffquelle wächst. So kann das Verfahren nach der Erfindung bei der Herstellung von pharmazeutischen
Substanzen und einzelligen Proteinen, wie beispielsweise Hefe, angewandt werden. Es besteht beispielsweise die Möglichkeit, daß die Gärstoffe in der Brauindustrie
und in anderen Industrien die notwendige Hefe in Körpern der oben beschriebenen Art enthalten.

Die Körper können, selbst wenn sie leer sind, als Filter in der Vorrichtung dienen, und bei einigen Verwendungszwecken kann dieser Filtrierungseffekt vorteilhaft sein.

In der beschriebenen Ausführungsform sind zwar die Körper elastisch und die Uberschußbiomasse wird durch Quetschen entfernt, es ist jedoch auch möglich, andere Netzmaterialien, wie beispielsweise starre oder halbstarre polymere Schaumstoffe zu verwenden und die Körper entweder zusammen mit ihrem Inhalt zu zerstören oder durch irgendeine
chemische oder physikalische Methode zu leeren. Die Körper werden nach Möglichkeit wieder verwendet, um das Gesamtverfahren kostengünstig zu gestalten.

- Leerseite -

Claims (14)

Patentansprüche :

1./Verfahren zum Fördern des Wachstums von Biomasse, cias die Schritte beinhaltet, einen Behälter bereitzustellen, der eine Füllung enthält, die eine Vielzahl von frei beweglichen Körpern enthält, welche jeweils eine innere Struktur haben, durch die sich ein beträchtlicher Hohlraumanteil ergibt, so daß in ihnen eine schützende Umgebung vorhanden ist, die das Wachstum von Biomasse gestattet, wobei ein ausgedehnter Zugangsbereich über eine Vielzahl von öffnungen oder Hohlräumen in der äußeren Oberfläche jedes Körpers zu dem Hohlraumanteil innerhalb desselben besteht; und einen Nährstoff in den Behälter einzuleiten und mit der Füllung in Berührung zu bringen; dadurch gekennzeichnet, daß jeder Körper ein Block aus offenzelligem Material ist, das eine netzför-

' mige Struktur hat, so daß im wesentlichen sämtliche einzelnen durch das Netzwerk gebildeten Räume in der Querabmessung in dem Bereich von 0,2 bis 2,5 mm liegen und miteinander verbunden sind, so daß die durch die Struktur jedes Körpers festgehaltene Biomasse in dessen Hohlraumanteil als

COPY

eine im wesentlichen integrale Masse enthalten ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Körper veranlaßt werden, sich innerhalb des Behälters relativ zu einander ausreichend zu bewegen, um das Ansammeln von Biomasse außerhalb der äußeren Oberfläche der Körper zu beschränken.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Körper kontinuierlich oder periodisch aus dem Behälter entfernt werden, wenn sie Biomasse enthalten und mit dieser im wesentlichen gefüllt sind, von Biomasse befreit oder im wesentlichen befreit und wieder in den Behälter eingeleitet werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die durch das Netzwerk festgelegten Räume über 80 % der Grundvolumeneinheit des Materials einnehmen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Nährstoff ein, vorzugsweise vorgereinigtes, häusliches oder industrielles Abwasser

6. Vorrichtung zum Fördern des Wachstums von Biomasse, mit einem Behälter, der eine Füllung enthält, die im wesentlichen aus mehreren frei beweglichen Körpern besteht, die jeweils eine innere Struktur haben, die einen wesentlichen Hohlraumanteil ergibt, so daß in ihnen eine schützende Umgebung vorhanden ist, die das Wachstum von Biomasse gestattet, wobei ein ausgedehnter Zugangsbereich über eine Vielzahl von öffnungen oder Hohlräumen in der Außenoberfläche jedes Körpers zu dem Hohlraumanteil innerhalb desselben vorhanden ist, und mit einer Einrichtung, mittels

welcher ein Nährstoff in den Behälter einleitbar und mit der Füllung in Berührung bringbar ist, dadurch gekennzeichnet , daß jeder Körper (11) ein Block aus offenzelligem Material ist, das eine Netzstruktur (18) hat, so daß im wesentlichen sämtliche einzelnen Räume, die durch das Netzwerk gebildet sind, eine Querabmessung in dem Bereich von 0,2 bis 2,5 mm haben und miteinander verbunden sind, so daß die durch die Struktur festgehaltene Biomasse jedes Körpers in dem Hohlraumanteil desselben als eine im wesentlichen integrale Masse enthalten ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung in dem Behälter (10) so ausgebildet ist, daß sich die Körper (11) bei der Durchführung des Verfahrens relativ zueinander mit einer Stoß- oder Reibwirkung bewegen können, ohne sich ineinander zu verhaken, wodurch das Ansammeln von Biomasse außerhalb der äußeren Oberfläche jedes Körpers beschränkt wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (20, 21) zum kontinuierlichen oder periodischen Entfernen von Körpern (11) aus dem Behälter (10), durch eine Einrichtung (24) zum Extrahieren von Biomasse aus den aus dem Behälter entfernten Körpern und durch eine Einrichtung (25) zum Wiedereinleiten der von Biomasse befreiten Körper in den Behälter.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (17) zum Einleiten von Luft in den unteren Teil des Behälters (10), um die Körper (11), die mit Biomasse gefüllt oder im wesentlichen gefüllt sind, zu veranlassen, in dem Behälter aufzusteigen, durch einen Sammelkasten (20), der in dem Behälter

zum Aufnehmen der aufsteigenden Körper angeordnet ist, durch eine Einrichtung (21) zum Hochfördern der Körper aus dem Sammelkasten, durch eine Einrichtung (24) zum Entfernen der Biomasse aus den hochgeförderten Körpern, durch eine Einrichtung (25) zum Zurückleiten der von Biomasse befreiten Körper in den Behälter und durch eine Einrichtung (13, 14, 15) zum Rückgewinnen von behandelter Flüssigkeit aus einem oberen Bereich des Behälters.

10. Körper zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch

1, gekennzeichnet durch einen Block aus offenzelligem Material, der eine Netzstruktur (18) hat, so daß im wesentlichen sämtliche einzelnen Räume, die aufgrund des Netzwerks vorhanden sind, in der Querabniessung in dem Bereich von 0,2 bis 2,5 mm liegen und miteinander verbunden sind, so daß die durch die Struktur jedes Körpers festgehaltene Biomasse innerhalb des Hohlraumanteils desselben als eine im wesentlichen integrale Masse enthalten ist.

11. Körper nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgrund des Netzwerks vorhandenen Räume über 80 % der Grundvolumeneinheit des Materials einnehmen.

12. Körper nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß dessen Gesamtform quaderförmig od.dgl. ist, so daß sich mehrere Körper relativ zueinander mit einer reibenden und/oder stoßenden Wirkung bewegen können, ohne daß sie sich zu einer festen Einheit zusammenballen.

13. Körper nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden des Netzwerks eine Querschnittsabmessung in dem Bereich von 0,06 bis 0,8 mm haben.

14. Körper nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch ge-

kennzeichnet, daß seine Dicke in dem Bereich von 12 mm und seine Umfangsabmessung in dem Bereich von 25 mm χ 25 mm liegt.