DE69605046T2

DE69605046T2 - Verfahren zur biologischen reinigung von einem hohen gehalt an schadstoffen aufweisenden abwässern, und verfahren für die selektion von mikroorganismensträngen geeignet für dieses verfahren

Info

Publication number: DE69605046T2
Application number: DE69605046T
Authority: DE
Inventors: Bernard Besnainou; Rene Moletta; Emmanuelle Paccard
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Comurhex pour La Conversion de lUranium en Metal et Hexafluorure SA
Current assignee: Comurhex pour La Conversion de lUranium en Metal et Hexafluorure SA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1995-08-07
Filing date: 1996-08-06
Publication date: 2000-06-08
Anticipated expiration: 2016-08-07
Also published as: DE69605046D1; FR2737718B1; ATE186285T1; WO1997006107A1; EP0843652A1; JPH11510096A; EP0843652B1; FR2737718A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Biodekontamination (oder biologischen Reinigung) von Abwässern, die hohe Konzentrationen an organischen Verunreinigungen oder mineralischen Elementen enthalten, die durch Bakterien reduziert oder oxidiert werden können. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur biologischen Denitrifikation von Abwässern mit hoher Nitratkonzentration, das darin besteht, eine gemischte Population von denitrifizierenden Bakterien einzusetzen. Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf ein Verfahren zur Selektion leistungsfähiger Kulturstämme für die Biodekontamination von stark mit Verunreinigungen beladenen Abwässern, das auf der Verwendung der gleichen Abwässer als Basis für die Herstellung der. Kulturmedien beruht. Dieses Selektionsverfahren ist insbesondere verwendbar; um eine gemischte Population von denitrifizierenden Bakterien mit guten Leistungsdaten aus Entnahmen zu selektieren, die an dem industriellen Standort selbst, der die zu denitrifizierenden Abwässer erzeugt, ausgeführt wurden. Die Erfindung betrifft ebenso den dominierenden Stamm dieser gemischten Population denitrifizierender Bakterien, wobei dieser Stamm ein neuer Stamm ist, der unter der Nummer CNCM I 1563 bei der [französischen] Nationalen Sammlung von Kulturen von Mikroorganismen hinterlegt wurde.
Es gibt zahlreiche organische und mineralische Schmutzstoffe, die schädliche Wirkungen zeigen. Insbesondere sind die schädlichen Wirkungen der Nitrate wohlbekannt; sie bestehen namentlich in einer Toxizität gegenüber dem Leben im Wasser, in der Algenbildung in den Wasserläufen und Seen, in einer Verarmung des Wassers an gelöstem Sauerstoff, in einer Herabsetzung der Wirksamkeit der Desinfektion mit Chlor, in einer Verminderung der Wiederverwendbarkeit der Abwässer und in einer akuten und chronischen Toxizität für den Menschen, insbesondere für den Säugling, bei Konzentrationen oberhalb von 10 mg/l. Die Entsorgung nitratbeladener Abwässer ist so immer unerwünschter geworden und stößt an restriktive Bestimmungen.
Die Technik der Biodenitrifikation oder biologischen Denitrifikation ist definiert als die Reduktion der Nitrat- oder Nitritionen zu molekularem Stickstoff oder zu Stickoxiden unter der Wirkung eines Bakteriums. Diese Technik wurde mit Erfolg auf die Denitrifikation der städtischen Abwässer, der aus der Landwirtschaft stammenden Abwässer oder der wenig nitratbeladenen, d. h. im allgemeinen eine Konzentration unter 1 g/l aufweisenden, Verbrauchswässer angewendet.
Für die höheren Konzentrationen, wie man sie in den industriellen Abwässern antrifft, wurden zunächst zahlreiche nichtbiologische Verfahren vorgeschlagen: es handelt sich beispielsweise um eine Neutralisation mit Kalk, gefolgt von entweder einer Calcination oder einer Umwandlung in flüssigen oder festen Dünger oder einem Vergraben. Alle diese Verfahren weisen den Nachteil auf, unter anderem die Verwendung beträchtlicher Reagenzienmengen und hohen Energieverbrauch zu erfordern.
Die Verfahren zur biologischen Denitrifikation können ebenfalls auf die stark beladenen industriellen Abwässer angewendet werden, doch haben sie den Nachteil, eine niedrige Reaktionsgeschwindigkeit aufzuweisen und eine stärke Verdünnung der zu behandelnden Abwässer zu erfordern. Andererseits enthalten solche nitratbeladenen industriellen Abwässer wie die von den Nuklearanlagen stammenden Abwässer häufig Schwermetalle und andere potentielle Inhibitoren der biologischen Denitrifikation, die es schwierig machen, diese auszuführen.
Allerdings wurden zahlreiche Versuche, von denen sich keiner als völlig zufriedenstellend erwies, unternommen, um Abwässer mit hohen Nitratgehalten und insbesondere aus der Nuklearindustrie stammende Abwässer zu denitrifizieren.
So beschreiben C. W. Francis et al. in dem Dokument CONF 800447 (1980) Versuche zur Behandlung nitratreicher, aus der Nuklearindustrie stammender Abfälle, wobei drei verschiedene Reaktortypen getestet werden, darunter ein gerührter kontinuierlicher Reaktor, der mit aus Ammonium-, Calcium- und Natriumnitrat zusammengesetzten rekonstituierten synthetischen Abwässern versorgt wird.
Die verwendete denitrifizierende Kultur ist eine von einem Meeressediment stammende Kultur, deren Denitrifikationsfähigkeiten sich als denen der einem Denitrifikationsreaktor oder einem landwirtschaftlichen Boden entstammenden Kulturen überlegen erwiesen haben.
J. M: Napier et al. in Y-DA-6370 "Preprint for the Third ERDA Environmental Protection Conference, Chicago, Illinois, September 23-25, 1975" untersuchen die Denitrifikation von nitratbeladenen Abwässern, die aus einer Reinigungsanlage für Uran stammen. Wiederum werden drei Typen von Reaktoren getestet, darunter ein gerührter kontinuierlicher Reaktor, und das anfangs eingesetzte denitrifizierende Bakterium ist Pseudomonas Stutzeri.
F. E. Clark et al. in Y-DA-6106 "Preprint tor the 30th. Annual Purdue Industrial Waste Conference, Purdue University, West Lafayette; Indiana, May 6-8, 1975" beschreiben ebenfalls Tests, die an einer Anlage zur Reinigung von Uran durch Lösungsmittelextraktion entstammenden Abwässern ausgeführt wurden und die drei Typen von Reaktoren ins Spiel bringen, von denen sich der gerührte kontinuierliche Reaktor als der wirkungsvollste erwies. Die Reaktoren werden mit reinen Kulturen von Pseudornonas denitrificans und von Pseudomonas Stutzeri, dann mit gemischten Kulturen geimpft.
M. E. Holland et ab. in GAT-2002 "Biodenitrification of gaseous diffusion plant aqueous wastes: stirred bed reactor", Goodyear atomic corporation, Piketon, Ohio, veröffentlicht am 3.10.1980, beschreiben die Biodenitrifikation von wäßrigen, einer Gasdiffusionsanlage entstammenden Abfällen in einem Reaktor mit gerührtem Bett. Der Denitrifikationsgrad ist aufgrund der Giftwirkungen der in den Abwässern enthaltenen Schwermetalle auf die denitrifizierenden Bakterien, die nicht eindeutig identifiziert werden und deren genaue Natur nicht bekannt ist, sehr niedrig.
W. N. Whinnery in KY-712 "Denitrification of nitrate-containing heavy-metal-filtrate solutions", Paducah gaseous dif fusion plant, veröffentlicht am 1. Juli 1981, zeigt, daß die kontinuierliche Denitrifikation schwermetallreicher nitrathaltiger Abfälle, die aus einer Gasdiffusionsanlage stammen, keine befriedigenden Ergebnisse ergab. Die verwendeten Bakterien sind entweder Pseudomonas Stutzeri oder ein Stamm einer Sammlung oder ein Bakterium, das aus einem anderen Denitrifikationsreaktor stammt.
G, Claus et al. in "Autotrophic denitrification by Thiobacillus denitrificans in a packed bed reactor" beschreiben die Verwendung eines Reaktors mit Füllkörpern mit ansteigendem Durchfluß für die Denitrifikation industrieller Abwässer durch eine mit dem Bakterium Thiobacillus denitrificans angereicherte Kultur.
Es wurde also versucht, neue denitrifizierende Stämme zu selektieren, die bessere Denitrifikationsfähigkeiten aufweisen. So beschreiben Denariaz et al. in Int. J. of Syst. Bacteriol., S. 145-151, 1989, den neuen Stamm Bacillus denitrificans ATCC 49067, der aus einem Salzsumpf isoliert wurde: dieses Bakterium entwickelt sich in einem salzhaltigen Medium und verträgt hohe Konzentrationen an Natrium, Nitriten und Nitraten. Das Isolat weist allerdings den Nachteil auf, keine Reductase-Aktivität gegenüber Distickstoffoxid zu besitzen.
Dieses Bakterium kann somit für die Behandlung von industriellen Abwässern mit hohen Nitratgehalten in Form von Natriumnitrat verwendet werden, aber da es gegenüber N&sub2;O kein Reduktionsvermögen hat, macht es die Ausführung eines zweiten Behandlungsschritts nötig.
Robinson et al. in Can. Journal of Botany 30, 147-154, 1951, beschreiben den Micrococcus halodenitrificans genannten Stamm, der sich spezifisch in Medien entwickelt, die Natriumchlorid in einer hohen Konzentration größer als 2, 2% enthalten, und der sich nicht in Gegenwart anderer Salze entwickelt. Dieses Bakterium reduziert die Nitrate und Nitrite zu Stickstoff.
Tomlinson et al. in Int. Journal of Syst. Bact. 36, 66-70, 1986, erwähnen einen neuen Stamm Halobacterium denitrificans, der ausschließlich in Gegenwart von Nitraten oder Nitriten und bei erhöhten NaCl-Konzentrationen größer als 1,5 Mol/l wächst.
Diese oben erwähnten Stämme erwiesen sich insgesamt als nicht imstande, industrielle Abwässer mit hohen Nitratkonzentrationen zu denitrifizieren, oder es erwies sich ihre Benutzung als auf einige spezielle Fälle eingeschränkt.
Die wichtigsten angetroffenen Probleme beruhen im wesentlichen entweder auf einer hohen Empfindlichkeit der Stämme gegen eines der Zwischenprodukte der Denitrifikation, insbesondere gegen die Nitrite, oder auf zu einschränkenden Anforderungen, was die Ionenstärke des Kulturmediums angeht, oder auf dem Fehlen des letzten Enzyms der Denitrifikationskette bei dem Stamm und Anhaltender Reaktion bei N&sub2;O.
Andere Autoren setzen schließlich komplexe Floren in Form von nicht kontrollierten und nicht charakterisierten aktivierten Schlämmen ein, die im Reaktor sehr oft Denitrifikationsfähigkeiten aufweisen, die schwierig vorherzusehen und zu kontrollieren sind.
Es besteht somit ein unbefriedigtes Bedürfnis für ein Verfahren zur Biodekontamination von Abwässern mit hohen Konzentrationen an organischen Verunreinigungen und/oder an mineralischen Elementen, die durch Bakterien reduziert oder oxidiert werden können.
Es besteht insbesondere ein bisher nicht befriedigtes Bedürfnis für ein Verfahren zur Biodenitrifikation oder bakteriellen Denitrifikation insbesondere von industriellen Abwässern, die stark mit Nitraten beladen sind. Es besteht auch ein Bedürfnis für dekontaminierende Stämme, die in stark mit Verunreinigungen beladenen Abwässern eingesetzt werden können. Insbesondere besteht ein Bedürfnis für denitrifizierende Stämme, die die gesamte Denitrifikationskette ausführen und die selbst in stark mit Nitraten beladenen Abwässern von erhöhter Ionenstärke, die ebenfalls andere Salze in erhöhten Konzentrationen sowie Elemente wie Schwer- oder andere Metalle enthalten können, eingesetzt werden können. Es gibt insbesondere ein Bedürfnis für ein Verfahren, das erlaubt, Mikroorganismen zu selektieren, die in einem Denitrifikationsverfahren eingesetzt werden können.
Ziel der Erfindung ist somit, ein Verfahren zur Biodekon tamination von Abwässern mit hohen Konzentrationen an organischen Verunreinigungen und/oder an mineralischen Elementen, die durch Bakterien oxidiert oder reduziert werden können, zu liefern, das die Gesamtheit der oben angegebenen Anforderungen erfüllt.
Ziel der Erfindung ist insbesondere, ein Verfahren zur biologischen Denitrifikation zu liefern, das die Gesamtheit der oben angegebenen Anforderungen erfüllt. Die Erfindung hat ebenfalls zum Gegenstand ein Verfahren zur Selektion von Bakterienstämmen und insbesondere von denitrifizierenden Bakterien, die namentlich in dem genannten Verfahren zur Abwasserbehandlung verwendbar sind.
Die Ziele werden gemäß der Erfindung mit einem Verfahren zur biologischen Denitrifikation von Abwässern, die hohe Nitratkonzentrationen enthalten, durch Bakterien erreicht, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die eingesetzte gemischte Population denitrifizierender Bakterien durch aufeinanderfolgende Verimpfungen aus Entnahmen der zu behandelnden Abwässer selektiert wird und in Kulturmedien, welche die zu behandelnden Abwässer selbst enthalten, kultiviert wird.
Diese Ziele werden gemäß der Erfindung insbesondere erreicht mit einem Verfahren zur biologischen Denitrifikation von industriellen Abwässern hoher Nitratkonzentration, das darin besteht, eine gemischte Population von denitrifizierenden Bakterien einzusetzen, wobei diese Bakterien unter anaeroben Bedingungen selektiert und kultiviert wurden, wobei man die gleichen Abwässer als Basis für die Herstellung der Kulturmedien verwendet. Die verwendeten Kulturmedien sind somit keine synthetischen rekonstituierten Medien, wie es in der bisherigen Technik der Fall ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren, das insbesondere auf industrielle Abwässer anwendbar ist, erlaubt, die in den Abwässern mit Konzentrationen, die bis 62 g/l (1 mol/l) gehen können, vorhandenen Nitrate zu reduzieren, und dies bei einer hohen Abbaugeschwindigkeit, ohne zeitweilige oder dauernde Ansammlung von Nitriten, wobei es zugleich die für die Denitrifikation erforderlichen Konzentrationen an kohlenstoffhaltigem Substrat minimiert.
Nach der Erfindung setzt man in dem Verfahren zur Denitrifikation eine gemischte Population ein, die direkt aus Entnahmen, beispielsweise aus Entnahmen von Böden und Sedimenten industrieller Standorte, insbesondere aus Entnahmen im Lagerungsteich der zu behandelnden Abwässer, deren Konzentration typischerweise höher als 100 g/l ist, selektiert wird.
Die Selektion besteht in einer Anreicherung der Entnahmen mit denitrifizierenden Bakterien unter den Bedingungen der Denitrifikation und in den zu behandelnden Abwässern selbst. Die Originalität dieses Selektionsverfahrens liegt einerseits im Ursprung der Entnahmen, die dazu bestimmt sind, als "Impfmittel" für die Selektionskulturen zu dienen: diese werden direkt an dem industriellen Standort ausgeführt, der nitrathaltige Abwässer erzeugt, und wenn möglich direkt in den Becken oder Teichen zur Lagerung dieser Abwässer, andererseits in dem Umstand, daß alle für diese Selektion verwendeten Kulturmedien aus den zu behandelnden Abwässern selbst zusammengesetzt sind.
Die an dem industriellen Standort, wo die Abwässer gebildet werden, ausgeführten Entnahmen werden einer Anreicherung durch aufeinanderfolgende Verimpfungen unterzogen, wobei die Konzentration der Impfmittel in flüssigen Medien unter den Selektionsbedingungen (Denitrifikationsbedingungen), welche durch die zu behandelnden Abwässer auferlegt werden, größer als oder gleich 10% (V/V) ist. Die verwendeten Kultur- und Selektionsmedien sind vom oben beschriebenen Typ: sie umfassen zunächst zu behandelnde Abwässer, welche die Nitrate insbesondere in Form von KNO&sub3;, NaNO&sub3;, NH&sub4;NO&sub3; und Ca(NO&sub3;)&sub2; derart verdünnt enthalten, daß man verschiedene Nitratkonzentrationen gewinnt, die kompatibel sind mit dem zu lösenden Problem. Beispielsweise können die Konzentrationen von 5 g/l bis zu der Nitratkonzentration der unverdünnten Abwässer, beispielsweise 50 g/l, variieren. Diese Selektionsmedien enthalten ebenso ein kohlenstoffhaltiges Substrat (oder Quelle von assimilierbarem Kohlenstoff) in solcher Konzentration, daß die Kohlenstoffbedarfe für die Denitrifikation und das Zellwachstum befriedigt werden. Es kann sich insbesondere um eine organische Säure oder um einen Alkohol, etwa Essigsäure, Methanol, Ethanol, oder auch um solche mit kohlenstoffhaltigen Verunreinigungen beladenen industriellen Abwässer wie die Weinschlempen, Apfelweinschlempen, Abwässer der Stärkeindustrie, Melassen, Molke oder um die Mischung von mehreren dieser kohlenstoffhaltigen Substrate handeln. Die für die vollständige Denitrifikation erforderlichen Mengen an kohlenstoffhaltigem Substrat hängen ab von der zu entfernenden Nitratmenge, von der Anzahl der durch die Oxidationsreaktion des kohlenstoffhaltigen Substrats gemäß der Gleichung:
Kohlenstoffhaltiges Substrat + H&sub2;O → CO&sub2;&spplus; + e&supmin;
freigesetzten Elektronen und von der der Denitrifikationsreaktion entsprechenden Produktion von Biomasse.
Beispielsweise ergibt im Fall des Stammes Pseudomonas halodenitrificans auf Essigsäure die vollständige Oxidation der Essigsäure zu CO&sub2; pro Mol Essigsäure 8e&supmin;, und für die Reduktionsreaktion der Nitrate ist ein minimales Verhältnis von 0,62 Mol Essigsäure pro Mol NO&sub3;&supmin; nötig. In dieser Menge muß man die für die Produktion von Biomasse und die Aufrechterhaltung verbrauchte Essigsäure zusetzen. Experimentell ist im Fall von Pseudomonas halodenitrificans auf Essigsäure ein molares. Verhältnis zwischen 0,63 und 1, vorzugsweise höher als 0,8, nötig, um eine vollständige Denitrifikation zu erzielen.
Die Kultur- und Selektionsmedien enthalten ebenfalls Phosphor, der im allgemeinen in Form von Phosphaten zugesetzt wird: eine minimale Menge von 16 mg Phosphor pro g Biomasse ist nötig und kann beispielsweise in Form von KH&sub2;PO&sub4;, Na&sub2;HPO&sub4; oder einer Mischung davon zugeführt werden.
Schließlich enthalten die Kulturmedien Spurenelemente, die im wesentlichen Mo, Fe, S, Cu, Mg, Mn, ... und ihre Mischungen umfassen: da die Bestimmung der für jedes dieser Elemente notwendigen minimalen Menge nicht einfach ist und stark von den eingesetzten Stämmen abhängt, wird man jedes von ihnen dem Kulturmedium im Überschuß in Form einer klassisch im Laboratorium verwendeten Lösung von Spurenelementen zusetzen.
Schließlich wird dem Kulturmedium, falls nötig, eine zusätzliche Stickstoffquelle wie NH&sub4;&spplus; beispielsweise in Form von NH&sub4;Cl in einer Konzentration zwischen 1 und 10 g/l zugesetzt.
Die gemischte Population, die wie oben beschrieben angereichert wurde und die die beste Denitrifikationsaktivität aufweist, wobei diese Aktivität in folgender Weise bestimmt wurde: Bestimmung der Nitrate, Bestimmung der Kohlenstoffquelle, Bestimmung der gebildeten Gase, diese Population erfährt anschließend einen zweiten Schritt der Anreicherung in einem gerührten kontinuierlichen oder in einem anderen Reaktor, der mit einem Kulturmedium von gleicher wie der oben erwähnten Zusammensetzung versorgt wird. Im Fall von Calcium enthaltenden Abwässern wird man dieses vorher durch eine Ausfällung beispielsweise mit K&sub2;HPO&sub4; entfernen, um in dem Reaktor eine Ausfällung von Calciumsalzen zu vermeiden, die die Denitrifikation behindern kann.
Das Prinzip dieses zweiten Schritts der Anreicherung besteht darin, eine immer weiter getriebene Anreicherung der gemischten Population mit denitrifizierenden Bakterien auszuführen, indem man den auf den Reaktor angewendeten Verdünnungsgrad erhöht, beispielsweise bis zu einem Wert von 0,8 j&supmin;¹.
Die denitrifizierenden Stämme, die die gemischte Population bilden, werden anschließend isoliert, wobei die Isolation auf einem festen Medium von gleicher Zusammensetzung + Agar 15 g/l und von gleicher Ionenstärke wie das Anreicherungsmedium im gerührten kontinuierlichen Reaktor ausgeführt wird. Die aus einem aliquoten Teil der Kultur im gerührten kontinuierlichen Reaktor geimpften Petrischalen werden unter einem die Luft ausschließenden Abzug bei einer Temperatur zwischen 10ºC und 45ºC, vorzugsweise 20 bis 40ºC, weiter bevorzugt bei 30ºC, inkubiert.
Einer der isolierten Stämme, der in der gemischten Kultur dominiert, erwies sich nach Phänotyp- und genetischen-Untersuchungen als ein neuer, noch nicht in der Literatur beschriebener Stamm, Pseudomonas denitrificans genannt und bei der [französischen] Nationalen Sammlung von Kulturen von Mikroorganismen unter der Nummer CNCM I 1563 hinterlegt.
Die Erfindung umfaßt ebenso alle Mutanten dieses neuen Stammes, die durch dem Fachmann bekannte Verfahren erhalten werden.
Man wird verstehen, daß diese Technik der Selektion leistungsfähiger Stämme für die Biodekontamination von Abwässern, die auf der Verwendung der gleichen Abwässer als Basis für die Herstellung der Kulturmedien beruht, benutzt werden kann, um jeden beliebigen Bakterientyp für die Biodekontamination von Abwässern, die mit organischen Verunreinigungen oder mit mineralischen Elementen, die durch diese Bakterien oxidiert oder reduziert werden können, beladen sind, zu selektieren, und somit von allgemeiner Anwendung ist.
Der Einsatz der gemischten Kultur, die die beste Denitrifikationsaktivität in einem erfindungsgemäßen Denitrifikationsverfahren aufweist, wird in folgender Weise ausgeführt: Die selektierte gemischte Population, die die beste Denitrifikationsaktiviät aufweist, wird in einer als Impfmittel genügenden Konzentration, die im allgemeinen größer als oder gleich 10% (V/V) ist, in einem gerührten Reaktor zur Produktion von Biomasse in Kultur gebracht und mit Kulturmedien versorgt, die aus den zu behandelnden und derart verdünnten Abwässern, daß man eine geeignete Konzentration an Nitraten, im allgemeinen niedriger als 62 g/l für einen leicht sauren pH, und eine entsprechende Ionenstärke erhält, aus einer Quelle für Kohlenstoff, d. h. für von außen zugeführte Energie, gegebenenfalls aus einer zusätzlichen, von den Nitraten verschiedenen Stickstoffquelle, beispielsweise Ammoniumchlorid in einer NH&sub4;&spplus;-Konzentration zwischen 1 g/l und 10 g/l, sowie aus Phosphor und aus Spurenelementen, welche Cofaktoren der Enzyme der Denitrifikation sind, zusammengesetzt sind.
Die Nitrate liegen im allgemeinen in Form von KNO&sub3; und Ca(NO&sub3;)&sub2; vor, sie können aber ebenso in der Form von HNO&sub3;, NaNO&sub3;, ... vorliegen.
Mit Nitraten stark beladene Abwässer, die durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Denitrifikation behandelt werden können, werden in zahlreichen industriellen Verfahren gebildet, insbesondere in der Düngerherstellung, in der Explosivstoffherstellung, in der Salpetersäureherstellung sowie in den Verfahren, die in der Nuklearindustrie eingesetzt werden wie die Verfahren zur Extraktion und Anreicherung des Urans, die Verfahren zu salpetersauren Auflösung von Kernbrennstoff usw.
Entsorgungsabwässer und verschiedene Flüssigkeiten, die reich an Nitraten und geeignet sind, durch das Verfahren der Erfindung behandelt zu werden, können ebenso in anderen Gebie ten, insbesondere der Landwirtschaft oder auch der Viehzucht usw., angetroffen werden.
Die Kohlenstoffquelle wird unter den dem Fachmann bekannten Kohlenstoffquellen gewählt. In diesem Gebiet der Technik wird man beispielsweise eine organische Säure wie Essigsäure oder einen Alkohol wie Methanol oder Ethanol oder auch solche mit kohlenstoffhaltigen Verunreinigungen beladenen industriellen Abwässer wie die Weinschlempen oder Apfelweinschlempen, Abwässer der Stärkeindustrie, Melassen, Molke oder die Mischung von mehreren dieser Kohlenstoffquellen verwenden können.
Die Kohlenstoffquelle (oder das kohlenstoffhaltige Substrat) ist in einer solchen Konzentration vorhanden, daß die Kohlenstoffbedarfe für die Denitrifikation und das zelluläre Wachstum erfüllt werden. Die für die vollständige Denitrifikation erforderlichen Mengen an kohlenstoffhältigem Substrat hängen ab von der zu entfernenden Nitratmenge, von der Anzahl der durch die Oxidationsreaktion des kohlenstoffhaltigen Substrats gemäß der Gleichung:
Kohlenstoffhaltiges Substrat + H&sub2;O → CO&sub2; + H&spplus; + e&supmin;
freigesetzten Elektronen und schließlich von der Produktion von Biomasse, die der Denitrifikationsreaktion entspricht. Beispielsweise ergibt im Fall des Stammes Pseudomonas halodenitrificans auf Essigsäure die vollständige Oxidation der Essigsäure zu CO&sub2; pro Mol Essigsäure 8e&supmin;, und für die Reduktionsreaktion der Nitrate wird ein minimales Verhältnis von 0,62 Mol Essigsäure pro Mol NO&sub3;&supmin; bevorzugt. In dieser Menge muß man die für die Produktion von Biomasse und die Aufrechterhaltung verbrauchte Essigsäure zusetzen.
Experimentell wird also im Fall von Pseudomonas halodenitrificans auf Essigsäure ein minimales molares Verhältnis von 0,8 bevorzugt, um eine vollständige Denitrifikation zu erzielen.
Der zugesetzte Phosphor liegt im allgemeinen in Form von Phosphaten vor: eine minimale Menge von 16 mg Phosphor pro g Biomasse ist nötig und kann beispielsweise in Form von KH&sub2;PO&sub4; oder Na&sub2;HPO&sub4; oder einer Mischung davon zugeführt werden.
Die Spurenelemente umfassen im wesentlichen Mo, Fe, S, Cu, Mg, Mn und ihre Mischungen: da die Bestimmung der für jedes dieser Elemente erforderlichen minimalen Menge nicht einfach ist und stark von den eingesetzten Stämmen abhängt, wird man jedes von ihnen dem Kulturmedium im Überschuß in Form einer klassisch im Laboratorium verwendeten Lösung von Spurenelementen zusetzen.
Man erhält so eine Biomasse, die dazu dienen kann, jede Art von Denitrifikationsreaktor zu impfen, der die zu behandelnden Abwässer enthält und in diskontinuierlicher Weise arbeitet oder der mit diesen Abwässern versorgt wird und dann in kontinuierlicher Weise arbeitet. In jedem Fall wendet man einen Verdünnungsgrad an, der dem Typ des eingesetzten Reaktors angepaßt ist. Daher ist im Fall eines Reaktors vom "Batch"- oder diskontinuierlichen Typ der Verdünnungsgrad null.
Was die kontinuierlich arbeitenden, versorgten Reaktoren betrifft, unter denen man die gerührten kontinuierlichen Reaktoren, die Membranreaktoren, die Reaktoren mit festem Bett, die Reaktoren mit fluidisiertem Bett anführen kann, so werden die gerührten kontinuierlichen Reaktoren bevorzugt.
Der angewendete Verdünnungsgrad hängt ab von der anfänglichen Biomasse-Konzentration, die in weiten Grenzen variieren kann, die aber im allgemeinen zwischen einigen hundert mg/l und mehreren g/l gewählt werden kann. Der Verdünnungsgrad hängt ebenfalls ab von der spezifischen Produktivität der Zellen und von der angestrebten Endkonzentration an Biomasse, wie dies in den beigefügten Beispielen 6 bis 9 erläutert werden wird.
Es ist andererseits nötig, H&spplus;-Ionen zu liefern, denn; wie es die Reaktionsgleichung der Denitrifikation zeigt, die in der folgenden sehr allgemeinen Form geschrieben werden kann: Kohlenstoff- und Energiequelle + NO&sub3;&supmin; H&spplus; → C&sub5;H&sub7;O&sub2;N + CO&sub2; + N&sub2; + H&sub2;O (wobei C&sub5;H&sub7;O&sub2; N die gebildete Biomasse bezeichnet), verbraucht die Denitrifikationsreaktion H&spplus;-Ionen, d. h. um unter kontrollierten pH-Bedingungen zu arbeiten, muß man den pH auf einem festen Wert halten, d. h. ihn durch Zugabe von H&spplus;- Ionen regulieren.
Die H&spplus;-Ionen können auf drei verschiedenen Wegen gelie fert werden: zunächst mittels des durch die Reaktion gebildeten CO&sub2;, das sich in Abhängigkeit von dem eingestellten Vorgabewert für den pH zwischen der gasförmigen und der flüssigen Phase gemäß dem Gleichgewicht:
verteilt.
Diese Art der pH-Regulierung erfordert es jedoch, in dem Reaktor CO&sub2;-Partialdrücke aufrechtzuerhalten, die für hohe Nitratkonzentrationen inhibierend werden können.
Da die Hydrogencarbonate HCO&sub3;&supmin; gegenüber den denitrifizierenden Bakterien ebenfalls toxisch sind, muß die Denitrifikationsreaktion derart geführt werden, daß sie die für die pH- Regulierung erforderlichen H&spplus;-Ionen liefert, ohne die Schwelle für die Inhibierung durch die Hydrogencarbonate zu erreichen. Diese Schwelle hängt ab von der eingesetzten denitrifizierenden Population. Sie liegt beispielsweise für die hier selektierte gemischte Population zwischen 0,17 und 0,22 mol/l. Der Fachmann wird diese Schwelle leicht in Abhängigkeit von der verwendeten denitrifizierenden Population bestimmen können.
Die pH-Regulierung kann leicht durch Zugabe einer äußeren Säure ausgeführt werden. Diese Säure ist im allgemeinen eine starke Mineralsäure, wobei die bevorzugte Säure konzentrierte Schwefelsäure oder Salzsäure ist.
In diesem Fall werden die Reaktionsprodukte sein: Kohlensäuregas CO&sub2;, das in Form einer Mischung aus gasförmigem CO&sub2;, Hydrogencarbonaten, Carbonaten, deren Anteile vom pH abhängen, vorliegen wird; Ionen wie Sulfationen SO&sub4;²&supmin; oder Cl&supmin;- Ionen, die von der für die pH-Regulierung zugesetzten Säure stammen; Biomasse; Wasser.
Die in den Abwässern vorhandenen und während der Reaktion in molekularen Stickstoff umgewandelten Nitrate werden gemäß dem Prinzip der Beachtung der Elektroneutralität des Kulturmediums einerseits durch Sulfate oder Chloride und andererseits durch Hydrogencarbonate, gebildet durch Auflösung des von der Reaktion gebildeten CO&sub2;, ersetzt. So wird die Ionenstärke des Kulturmediums (FI = ¹/&sub2;Σ Ci zi², wo zi die Wertigkeit des be trachteten Ions darstellt und Ci die Konzentration des Ions i) in Abhängigkeit von den Anteilen an Sulfaten oder Chloriden und Hydrogencarbonaten im Kulturmedium variieren.
Im Fall einer pH-Regulierung dieses Typs muß die Denitrifikationsreaktion so geführt werden, daß die Anteile an Sulfaten oder Chloriden und Hydrogencarbonaten derart sind, daß es keine Inhibierung der Denitrifikationsreaktion gibt, ganz gleich, ob sie direkt auf der Konzentration einer der beiden ionischen Spezies oder indirekt auf der Ionenstärke des Kulturmediums beruht.
Schließlich kann man den pH durch gleichzeitigen Zusatz von beispielsweise konzentrierter Schwefelsäure oder konzentrierter Salzsäure und des kohlenstoffhaltigen Substrats für den Fall regulieren, daß dieses Substrat eine organische Säure, beispielsweise Essigsäure, ist. Ein Teil der H&spplus;-Ionen, die für die pH-Regulierung nötig sind, wird direkt durch die Kohlenstoff- und Energiequelle zugeführt, die in dem Versorgungsmedium vorliegt, dessen pH dann sauer ist, im allgemeinen niedriger als 4.
Der Vorgabewert der pH-Regulierung kann von 6 bis 9 variieren, doch wird er bevorzugt in der Umgebung des Neutralpunkts festgelegt.
Die Denitrifikationstemperatur kann von 10 bis 45ºC variieren, vorzugsweise von 20 bis 40ºC, befindet sich aber weiter bevorzugt in der Umgebung von 30ºC.
Die Biomasse wird von dem denitrifizierten Abwasser abgetrennt, das entsorgt werden kann, nachdem es gegebenenfalls andere Behandlungen erhalten hat, während die Biomasse dazu dienen kann, andere Reaktoren zu impfen.
Die Erfindung wird nun mit Hilfe der nachfolgenden Ausführungsbeispiele dargestellt, die zur Erläuterung, nicht zur Begrenzung gegeben werden.

Beispiele 1 bis 7:

Unter anaeroben Bedingungen stellt man mit Essigsäure als Kohlenstoffquelle eine Kultur einer gemischten, gemäß der Erfindung selektierten Population her, deren dominierender Stamm Pseudomonas halodenitrifficans ist. Man erhält eine vom Gesichtspunkt der Denitrifikation sehr aktive Biomasse, die man benutzt, um einen Reaktor vom gerührten kontinuierlichen Typ des Nutzvolumens 0,45 Liter zu impfen. Der Reaktor wird mit einem Denitrifikationsmedium versorgt, das aus den zu behandelnden Abwässern besteht, welche Nitrate in Form von KNO&sub3;, NaNO&sub3; und NH&sub4;NO&sub3; in einer Konzentration von 500 mmol/l enthalten und welchen eine Kohlenstoff- und. Energiequelle, bestehend aus Essigsäure in solcher Menge, daß das Verhältnis der Essigsäurekonzentration zur Nitratkonzentration 0,8 beträgt, sowie 1 ml/l einer Lösung von Spurenelementen zugesetzt sind, deren Zusammensetzung die folgende ist:

Lösung von Spurenelementen für 1 Liter destilliertes Wasser

CuSO&sub4; · 5H&sub2;O 50 mg
B(OH)&sub3; 100 mg
MnSO&sub4; · H&sub2;O 100 mg
ZnSO&sub4; · 7H&sub2;O 100 mg
Mo&sub7;O&sub2;&sub4;(NH&sub4;)&sub6; · 4H&sub2;O 1 g
Co(NO&sub3;)&sub2; · 6H&sub2;O 100 mg
Es wurden die folgenden, in der Tab. 1 vereinigten Resultate erhalten. TABELLE 1
Was das Beispiel 6 betrifft, so wurden die folgenden kinetischen Daten ebenfalls berechnet: die Konzentration an Biomasse beträgt 4 g/l und die spezifische Produktivität 9 kg Nitrat pro kg Biomasse und pro Tag.
Beispiel 8: Man verwendet einen gerührten kontinuierlichen Reaktor des Nutzvolumens 1 Liter, der mit einem Abwasser versorgt wird, dessen Nitratstickstoff aus KNO&sub3;, NaNO&sub3; und NH&sub4;NO&sub3; besteht und dessen Nitratkonzentration 0,8 mol/l beträgt.
Zu diesem Zweck wird ein kohlenstoffhaltiges, aus Essigsäure bestehendes Substrat zugesetzt, so daß das Verhältnis der Essigsäurekonzentration zur Nitratkonzentration 0,8 beträgt. Die Biomasse ist die gleiche wie die in den Beispielen 1 bis 7 verwendete, und die Aufenthaltsdauer beträgt 2,29 Tage.
Die Produktivität des Nitratabbaus ist 0,349 mol/(l.Tag), d. h. 21,7 kg Nitrat pro m³ und Tag.
Beispiel 9: Extrapolation des Beispiels 6 auf einen Reaktor mit Membranen.
Für eine Biomassekonzentration von 50 g/l erhält man eine Produktivität von 7,25 mol/(l.Tag), d. h. 450 kg NO&sub3;&supmin; pro m³ und Tag.
Die Resultate zeigen, daß die in dem Verfahren der Erfindung mit dem Einsatz eines gerührten kontinuierlichen Reaktors erhaltenen Leistungsdaten besser sind als alle in der bisherigen Technik für den gleichen Reaktortyp erhaltenen Resultate.

Claims

1. Verfahren zur biologischen Denitrifikation von Abwässern, die hohe Konzentrationen an Nitraten enthalten, durch Bakterien, dadurch gekennzeichnet, daß die eingesetzte gemischte Population denitrifizierender Bakterien durch aufeinanderfolgende Verimpfungen aus Entnahmen zu behandelnder Abwässer selektiert wird und in Kulturmedien, welche die zu behandelnden Abwässer selbst enthalten, kultiviert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Suspension, welche die selektierte denitrifizierende gemischte Population enthält, in einen Denitrifikationsreaktor gebracht wird, der unter anaeroben Bedingungen gehalten wird und mit den zu behandelnden Abwässern gespeist wird, welchen man ein kohlenstoffhaltiges Substrat, eine Phosphorquelle, Spurenelemente zusetzt, und dadurch, daß der pH auf einem Wert zwischen 6 und 9 gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kulturmedium darüber hinaus die Nitrate, ein kohlenstoffhaltiges Substrat, eine Phosphorquelle, Spurenelemente enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das kohlenstoffhaltige Substrat unter den organischen Säuren, den Alkoholen, den mit kohlenstoffhaltigen Verunreinigungen beladenen industriellen Abwässern und ihren Mischungen gewählt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Phosphorquelle aus Phosphaten in einer Konzentration größer als 16 mg Phosphor pro Gramm Biomasse besteht.

6. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spurenelemente unter Mo, Fe, S, Cu, Mg, Mn und ihren Mischungen gewählt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktorinhalt und/oder das Kulturmedium ferner eine zusätzliche, von den Nitraten verschiedene Stickstoffquelle umfaßt.

8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Biomasse anschließend von dem denitrifizierten Abwasser getrennt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Denitrifikationsreaktor unter den diskontinuierlichen ("Batch-") Reaktoren, den gerührten kontinuierlichen Reaktoren, den Reaktoren mit festem Bett, den Reaktoren mit fluidisiertem Bett, den Reaktoren mit gerührtem Bett, den Reaktoren mit Membran gewählt wird.

10, Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der pH mit Hilfe des Vorhandenseins eines CO&sub2;-Partialdrucks in dem Reaktor reguliert wird.

11, Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der pH durch Zugabe einer exogenen Säure in den Reaktor reguliert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der pH durch gleichzeitige Zugabe einer starken exogenen Mineralsäure und des kohlenstoffhaltigen Substrats reguliert wird, wenn letzteres eine organische Säure ist.

13. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Denitrifikation zwischen 10 und 45ºC liegt.

14. Verfahren zur Auswahl einer gemischten Population leistungsfähiger Bakterien für die biologische Denitrifikation mit Nitraten beladener Abwässer, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte gemischte Population denitrifizierender Bakterien durch aufeinanderfolgende Verimpfungen aus Entnahmen zu behandelnder Abwässer selektiert wird und in Kulturmedien, welche die zu behandelnden Abwässer selbst enthalten, kultiviert wird.

15. Denitrifizierender Stamm Pseudomonas halodenitrificans, hinterlegt unter der Bezeichnung CNCM I 1563, oder einer seiner Mutanten.