DE4028312A1 - Mittel zur denitrifizierung von wasser und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Mittel zur Denitrifizierung von Wasser, das zumindest einen in einer Matrix immobilisierten Biokatalysator umfaßt, unter Verwendung von heterotrophen Denitrifikanten, ein Verfahren zu seiner Herstellung sowie dessen Verwendung in der Aufbereitung von Wasser, insbesondere von Trinkwasser.

Zur Aufbereitung von Grundwasser oder Oberflächenwasser (Seenwasser, Talsperrenwasser), insbesondere um es als Trinkwasser oder Aquarienwasser verwenden zu können, ist auch u. a. die Denitrifizierung erforderlich, d. h. die Reduktion von Nitrat.

Es ist bekannt, dies mit Bakterien, sog. Denitrifikanten zu erreichen. Dies sind, da sie sowohl Sauerstoff als auch Nitrat veratmen, fakultativ anaerobe Bakterien. Sie benötigen für den Vorgang der Denitrifikation einen Wasserstoffdonator. Die ihnen zur Verfügung zu stellende Kohlenstoffquelle dient ihnen gleichzeitig als Substrat und Wasserstoffdonator (heterotrophe Denitrifikanten). Um derartige Denitrifikanten immer wieder einsetzen zu können, ist es bekannt, sie in Form eines Biokatalysators zu immobilisieren (DE-PS 34 32 923).

Es ist nun aus der Druckschrift European J. Appl. Microbiol. Biotechnol. (1982) 14: 86-90 bekannt, einem derartigen Biokatalysator das Substrat, also den erforderlichen Nährstoff für die Denitrifkanten, in flüssiger Form zuzuführen. Nachteilig daran ist, daß das Wasser mit dem Substrat kontaminiert wird. Autotrophen Denitrifikanten muß kein Substrat bzw. Wasserstoffdonator in Form einer organischen Kohlenstoffquelle zugeführt werden. Durch Zufuhr von Wasserstoff wird der für die Denitrifikation benötigte Wasserstoff bereitgestellt. Problematisch ist jedoch die technische Handhabung der Wasserstoffzufuhr, da dieses technisches Know-how sowie besondere Sicherheitsvorkehrungen voraussetzt.

Aus der Druckschrift Biotechnology Letters Vol. 11 No. 10, 735-738 (1989) ist bereits bekannt, Bakterien zum Zwecke der Chitinase-Produktion mit Chitin als Substrat zu co-immobilisieren. Hinweise auf die Denitrifizierung werden nicht gegeben.

Die vorliegende Erfindung hat daher zum Ziel, ein Mittel zur Denitrifizierung bzw. ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen, in dem Wasser, insbesondere Trinkwasser, von gesundheitsschädlichen Stickstoff-Verbindungen befreit werden kann, ohne das Wasser zusätzlich durch Nährsubstrate oder durch freigesetzte Bakterien zu belasten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zusätzlich in der Matrix ein nicht aus ihr herauslösbares Substrat für den Biokatalysator eingeschlossen ist. Dies kann durch die Verwendung wasserunlöslicher Substrate erfolgen. Für die Eignung der Substrate bzw. der Matrix ist es aber grundsätzlich erforderlich, daß das Substrat den Einschluß durch die Matrix nicht durchdringen kann.

Die Beschreibung erfolgt im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen. Es stellen dar:

Fig. 1(a) und (b) schematische Darstellungen zum Ablauf der Erfindung (Fig. 1(b)) im Vergleich zum Stand der Technik (Fig. 1(a));

Fig. 2 den Verlauf des Nitratgehaltes bei einem Reaktor unter Verwendung der Erfindung (Kurve (1)) im Vergleich zu einem Reaktor nach dem Stande der Technik (Kurve (2)).

Das Wesen der Erfindung wird anhand von Fig. 1 deutlich. Nach dem Stande der Technik, wie in Fig. 1(a) dargestellt ist, wird Substrat und Nitrat enthaltendes Wasser dem Reaktor, der immobilisierte Bakterien als Biokatalysator (dargestellt durch die schwarzen Punkte) enthält, zugeführt. Das austretende Wasser kann ebenfalls noch Substrat enthalten. Mit der Bezeichnung als "Produkt" sind in Fig. 1 die gasförmigen Stoffwechselprodukte der Denitrifizierung, nämlich N₂, N₂O und CO₂ gemeint. Im Gegensatz dazu wird bei der Erfindung, wie in Fig. 1(b) dargestellt, das Substrat, dargestellt durch die "S", in der Matrix zusammen mit dem Biokatalysator, d. h. den Denitrifikanten, co-immobilisiert. Es tritt nur Wasser und das Produkt aus; ein Austritt von Substrat kann nicht stattfinden.

Die im erfindungsgemäßen Verfahren zu verwendenden Biokatalysatoren sind dem Fachmann bekannt und lassen sich auf einfache Weise aus Erdboden, Kompost, Sandfiltern in der Trinkwasseraufbereitung oder aus Belebtschlamm isolieren. Dabei wird üblicherweise derart vorgegangen, daß man das jeweilige Ausgangsmaterial auf einem Minimalmedium züchtet, welches als einzige Kohlenwasserstoffquelle das später verwendete Substrat enthält.

Solche Isolierungs- und Anzuchtsverfahren sind dem Fachmann bekannt. Im erfindungsgemäßen Verfahren können jedoch auch Zellteile oder deren Bestandteile sowie tote Zellen als Biokatalysatoren verwendet werden. Sie sollten jedoch noch die Fähigkeit aufweisen, unter Verwendung von entsprechenden Nährsubstraten Stickstoff-Verbindungen umzusetzen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf die Verwendung bestimmter Mikroorganismen beschränkt. Erfindungsgemäß ist es jedoch bevorzugt, mehrere verschiedene Arten von Mikroorganismen gemeinsam in der Matrix zu immobilisieren. Insbesondere bei der gemeinsamen Immobilisierung von Ammonium, Nitrat und Nitrit verwertenden Bakterien bewirken z. B. Pseudomonas- oder Alcaligenes-Spezies eine besonders effiziente Entfernung der in Wasser gelösten Stickstoffsalze. Sind im zu reinigenden Wasser keine Ammoniumverbindungen vorhanden, so hat es sich gezeigt, daß eine Coimmobilisierung jeweils auf Nitrat- und Nitrit-Umsetzung spezialisierter Mikroorganismen besonders vorteilhaft ist.

Die Herstellung der im erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Matrizes ist dem Fachmann bekannt und teilweise auch in den zuvor genannten Druckschriften beschrieben. Üblicherweise wird dabei so vorgegangen, daß man den Biokatalysator bzw. das Substrat in eine wäßrige, das Matrix-Grundmaterial enthaltende Lösung ggf. zusammen mit weiteren Zusatzstoffen einbringt und dann auf chemische oder physikalische Weise die Matrixbildung auslöst. Bevorzugte Matrixmaterialien sind Alginate, Carrageenane, Pektinate und/oder Chitosane. Im erfindungsgemäßen Verfahren können jedoch auch Matrizes aus synthetischen Materialien wie Methacrylate, Polyacrylamide und Eudragit verwendet werden.

Die erfindungsgemäß verwendeten Substrate sind üblicherweise wasserunlösliche Substrate. Unter unlöslichen Substraten werden erfindungsgemäß auch an sich lösbare Substrate bezeichnet, die durch Absorption oder Adsorption an ein entsprechendes Mittel gebunden sind und somit nicht oder nur in einem vernachlässigbaren Maße an das zu reinigende Wasser abgegeben werden. Bevorzugt werden jedoch Substrate verwendet, die selbst unlöslich sind, jedoch trotzdem von den Mikroorganismen verwertet werden können. Besonders bevorzugt werden daher Polyhydroxy-Fettsäuren, Polylactide, Stärke, biologisch verwertbare Wachse wie z. B. Wachs S (Säurewachs, Produkt der Fa. Hoechst), Wachs F (Esterwachs, Produkt der Fa. Hoechst), Paraffin (Artikel Nr. 7150 der Fa. Merck) und oder Schwefel eingesetzt. Von den Polyhydroxy-Fettsäuren wiederum werden Polyvaleriansäure, Poly-β-hydroxybuttersäure sowie deren Gemische oder Mischpolymerisate verwendet.

Die Menge der im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Substrate wird lediglich durch die Stabilität des erhaltenen Endproduktes bestimmt. Vorteilhafterweise wird jedoch so viel Substrat eingesetzt, daß eine Matrix erhalten wird, die 0,1 bis 20 Gew.-% Substrat enthält. Zweckmäßigerweise hat die Matrix eine teilchenförmige Struktur, wobei Teilchen mit einer Größe von 0,25 bis 5 mm bevorzugt sind. Es ist jedoch auch möglich, eine Matrix in Form einer Membran herzustellen oder Rohre und Gefäße mit einer Schicht der erfindungsgemäß immobilisierten Biokatalysatoren herzustellen.

In einer besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die Matrix mehrschichtig aufgebaut und enthält mindestens einen Kern und mindestens eine diesen umgebende Hülle. Dabei kann es je nach Art und Weise des verwendeten Biokatalysators bzw. des Substrates zweckmäßig sein, Kern und Hülle aus verschiedenen Matrixmaterialien zu verwenden. Wenn aufgrund der jeweiligen Einsatzform der Biokatalysator besonders geschützt sein soll, ist es häufig zweckmäßig, diesen in den Kern der Matrix und das Substrat in die Hülle der Matrix einzuschließen. In besonderen Fällen ist es jedoch auch wünschenswert, daß der Biokatalysator für die gelösten Stickstoff-Verbindungen besonders schnell zugänglich sein muß. In solchen Fällen hat es sich als zweckmäßig erwiesen, das Substrat in den Kern und den Biokatalysator in die Hülle der Matrix einzuschließen.

Erfindungsgemäß hat es sich auch als zweckmäßig erwiesen, die teilchenförmigen Matrixteilchen mit einer zusätzlichen Schutzhülle zu umgeben. Solche Schutzhüllen werden ebenso wie die Matrizes angefertigt. Ein besonders bevorzugter Matrixaufbau weist innen Alginat und außen Eudragit auf.

Schließlich hat es sich auch als zweckmäßig erwiesen, in die Matrix zusätzliche Stoffe einzubringen, die das Ausscheiden unerwünschter Produkte verhindert. Dazu werden bspw. Aktivkohlepulver oder andere absorbierende/adsorbierende Materialien wie z. B. Bentonit verwendet. In vielen Fällen hat es sich auch als zweckmäßig erwiesen, daß zur Sicherung eines optimalen pH-Wertes am Ort des Reaktionsgeschehens in den Immobilisatkörper anorganische Füllstoffe wie CaCO₃ (Marmor) oder Calciumsilikate eingebracht werden, die beim Abbau des Substrats eine pH-stabilisierende Wirkung aufweisen. Bei manchen Mikroorganismen ist es darüber hinaus zweckmäßig, benötigte anorganische Salze wie bspw. Calciumphosphat, ebenfalls in den Immobilisatkörper mit einzubauen.

Die Erfindung betrifft jedoch auch immobilisierte Biokatalysatoren, wie sie nach dem zuvor geschilderten Verfahren erhältlich sind, sowie deren Verwendung zur Denitrifikation in der Wasser-, insbesondere der Trinkwasser-Aufbereitung.

Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele näher erläutert.

Beispiel 1

Zu auf Poly-β-hydroxybuttersäure (PHB) selektionierten, aus Erdboden, Kompost oder Sandfiltern in der Trinkwasser-Aufbereitung oder aus Belebtschlamm isolierten Mikroorganismen wurde auf übliche Weise eine Bakterien-Feuchtmasse hergestellt. M.J. Biehler hat in "Entwicklung und Erprobung von definierten Bakterienkulturen für einen Festbett-Reaktor mit Poly-β-hydroxybuttersäure zur Denitrifikation von Trinkwasser" (Promotionsarbeit), Universität Hohenheim 1989) Möglichkeiten zur Isolierung geeigneter Bakterienstämme beschrieben. Eine 3,5%ige Alginatlösung wurde mit einer PHB-Emulsion versetzt und 15 Minuten lang bei 121°C autoklaviert. Nach dem Erkalten der Lösung wird die gewünschte Bakterien-Feuchtmasse zugegeben und bei niedriger Geschwindigkeit bis zum Erreichen eines homogenen Zustandes gerührt. Die Suspension wird dann in einen Immobilisator überführt, wie er in der DE-PS 34 32 923 beschrieben ist.

Beispiel 2

Wie in Beispiel 1 beschrieben, wurde eine Immobilisierung mit Chitosan durchgeführt. Dabei wurde Chitosanacetat wie von Vorlop beschrieben (Promotion TU Braunschweig 1984, Entwicklung von Verfahren zur Polymerfixierung von Mikroorganismen und Anwendung der Biokatalysatoren zur Spaltung von Penicillin-G und Synthese von L. Tryptophan) hergestellt. Dazu wurden in einem Warring-Blender 1,5%iges Chitosan-Acetat aus 1,5 g Chitosan-Pulver und 96,5 g Aqua bidest. bei hoher Geschwindigkeit im Homogensiator hergestellt. Anschließend werden 2 ml konzentrierte Essigsäure zugegeben und nach PHB-Zugabe wird das Chitosan-Wasser-Gemisch autoklaviert. Ungelöstes Chitosan wird durch Zentrifugation abgetrennt und nach der Zugabe der Mikroorganismen wird die flüssige Chitosan-Lösung mit einer 2%igen Tri-Natriumpolyphosphat-Lösung geliert.

Fig. 1 zeigt in Kurve (1) den Abbau von Nitrat gemäß der Erfindung, d. h. unter Verwendung eines Biokatalysators mit co-immobilisiertem Substrat. Zum Vergleich ist in Figur (2) der Abbau von Nitrat unter Verwendung eines Biokatalysators beschrieben, der zwar selbst immobilisiert ist, bei dem das Substrat jedoch laufend zugeführt wird. Der Vergleich zeigt, daß bei der Erfindung, bei der das Substrat mit dem Biokatalysator in der Matrix immobilisiert ist, der Abbau von Nitrat überraschenderweise sehr viel schneller erfolgt, als bei der bekannten Zuführung von Substrat. Daneben steht selbstverständlich noch der angestrebte Vorteil, eine Kontamination des Wassers mit dem Substrat zu vermeiden.

Claims (16)

1. Verfahren zur Herstellung eines Mittels zur Denitrifizierung von Wasser, bei dem man eine Matrix herstellt, die als Biokatalysator heterotrophe Denitrikanten einschließt, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich in der Matrix ein aus ihr nicht herauslösbares Substrat für die heterotrophen Denitrifikanten eingeschlossen ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat wasserunlöslich ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus Polyhydroxy-Fettsäuren, Polylactiden, Stärke, biologisch verwertbaren Wachsen und/oder Schwefel besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man als Polyhdroxy-Fettsäure Polyvaleriansäure, Poly-β-hydroxybuttersäure, deren Gemische und/oder Mischpolymerisate davon verwendet.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man in die Matrix 0,1 bis 20% Substrat einbringt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Biopolymer-Matrix aus Alginaten, Carrageenanen, Pektinaten und/oder Chitosanen oder synthetisierten Matrizes oder Gemische beider Matrixformen verwendet.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man Teilchen mit einer Größe von 0,25 bis 5 mm herstellt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß man eine mehrschichtige Matrix herstellt, die mindestens einen Kern und mindestens eine diesen umgebende Hülle aufweist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man den Kern und die Hülle aus verschiedenem Matrixmaterial herstellt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern den Biokatalysator und die Hülle das Substrat enthält.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern das Substrat und die Hülle den Biokatalysator enthält.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix ferner ein Adsorbens/Absorbens, einen anorganischen Füllstoff und/oder wachstumsfördernde mineralische Zusatzstoffe und/oder organische Zusatzstoffe wie z. B. Vitamine enthält.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man als Biokatalysatoren eine Mischkultur aus verschiedenen Mikroorganismen verwendet.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Mischkultur aus aeroben und anaeroben Bakterien und/oder Pilzen (Hefen) verwendet.

15. Immobilisierter Biokatalysator zur Denitrifizierung mit co-immobilisiertem Substrat, hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 14.

16. Verwendung des Biokatalysators nach Anspruch 15, zur Denitrifizierung von Wasser.