DE3711598A1 - Mikrobiologisches verfahren zur denitrifikation und vorrichtung zu dessen durchfuehrung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein mikrobiologisches Verfahren zur Denitrifikation und Vorrichtung zu dessen Durchführung.

Die bisher zur Verfügung stehenden mikrobiellen Verfahren zur Denitrifikation mit heterotrophen Mikroorganismen benötigen eine permanente Zufütterung von organischen Substraten, die den Organismen zum Wachstum dienen. Als Beispiele seien hier angeführt: Essigsäure, Alkohole, Methan oder Melasse. Die Zugabe dieser Substanzen zum Trinkwasser erfordert eine sehr aufwendige Nachbearbeitung der nitratbefreiten Wässer, um nämlich eventuell noch vorhandene Restbestandteile der zugefütterten Kohlenstoffquelle aus dem Wasser zu entfernen.

Die Verfahren gemäß dem Stand der Technik erfordern somit eine aufwendige und kostspielige Wasseraufbereitung und weisen die weiteren Nachteile der unzureichenden Denitrifikation und des Bedarfs an verfleichsweise teueren Kohlenstoffquellen auf. Weiterhin weisen die Verfahren des Standes der Technik den Nachteil auf, bei Starken Schwankungen des Stickstoffgehaltes, insbesondere des Nitratgehaltes, keine ausreichende Denitrifikation mehr zu bewirken.

Demgegenüber liegt vorliegender Erfindung die Aufgabe zugrunde ein mikrobiologisches Verfahren zur Denitrifikation zu liefern, das keine aufwendige Wasserbehandlung erfordert, das bei stark schwankenden Nitratgehalten effektiv arbeitet und das auch gelegentliche Austrocknungen übersteht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs genannten Gattung dadurch gelöst, daß man einen heterotrophen fakultativ anaeroben Mikroorganismus verwendet.

Besondere Ausführungsformen sind dadurch gekennzeichnet, daß der verwendete Mikroorganismus einen Speicherstoff bildet, daß Stickstoffverbindungen assimilatorisch und/ oder dissimilatorisch umgewandelt werden, daß der Mikroorganismus bzw. seine Enzyme, insbesondere die Nitratreduktase hohe Affinität zu den Substraten (Stickstoffverbindungen) haben, daß die verwendete Kohlenstoffquelle schubweise in Intervallen zugefüttert wird, daß es aerob und/oder anaerob betrieben wird, daß der Speicherstoff Poly-β-Hydroxibuttersäure ist.

Weitere besondere Ausführungsformen sind dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoffquelle einzeln oder in Kombination aus der Gruppe gebildet von Melasse, Glucose, Invertzuckersirup, Methanol, Ethanol, Formiat, Acetat und dergleichen gewählt wird, daß der verwendete Mikroorganismus an einer Oberfläche adsorbiert ist, daß es im Festbett durchgeführt wird, daß es im Wirbelbett durchgeführt wird, daß der verwendete Mikroorganismus diazotroph ist, daß der verwendete Mikroorganismus zur Gattung Azospirillium gehört und daß eine Wärmerückgewinnung durchgeführt wird.

Beansprucht wird weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen mikrobiologischen Verfahrens zur Denitrifikation, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens einen Bioreaktor umfaßt.

Es handelt sich somit um ein mikrobiologisches Verfahren zur Denitrifikation mit Hilfe heterotrophen Mikroorganismen unter Ausnutzung endogener Kohlenstoffspeicher.

Bei der Atmung aerober Organismen findet eine vielfach höherer ATP-Gewinnung durch Elektronentransportphosphorylierung gegenüber der Substratkettenphosphorylierung bei der Gärung statt.

Bei Bakterien kommt ein Stoffwechseltyp vor, bei dem der vom organischen Substrat abgespaltener Wasserstoff auf "gebundenen Sauerstoff" übertragen wird. Als "Sauerstoffträger" oder "terminale Wasserstoffakzeptoren" fungieren dabei Nitrat, Sulfat, Schwefel, Carbonat oder andere Verbindungen, die durch den Substratwasserstoff reduziert werden.

Diese unter anaeroben Bedingungen stattfindende Energiegewinnung durch Elektronentransportphosphorylierung wird auch als "anaerobe Atmung" bezeichnet.

Nitrat wird von Mikroorganismen für zweierlei Zwecke benutzt:

• 1. Als Stickstoffquelle zur Synthese von stickstoffhaltigen Zellbestandteilen; diese assimilatorische Nitratreduktion kann unter aeroben wie anaeroben Bedingungen ablaufen.
• 2. Nitrat dient unter anaeroben Bedingungen als terminaler Wasserstoff-Acceptor; es handelt sich um die dissimilatorische Nitratreduktion oder "Nitrat-Atmung".

In beiden Fällen wird Nitrat durch ein Molybdän enthaltendes Enzym, die Nitrat-Reductase, zunächst zu Nitrit reduziert.

Nitrit wird durch die Nitrit-Reductase zu Ammonium reduziert, das zur Synthese von Aminosäure und anderen N-haltigen Bausteinen der Zelle dient (Nitrat-Assimilation).

Bei der Nitrat-Atmung (dissimilatorische Nitratreduktion) wird von Bakterien Nitrat über Nitrit zu gasförmigem Distickstoffoxid (N₂O) und Stickstoff (N₂) reduziert.

Der Speicherstoff Poly-β-Hydroxybuttersäure wird von Bakterien bis zu 80% der Zelltrockenmasse angehäuft. Es handelt sich um einen Chloroform-löslichen Ether-unlöslichen Polyester, der aus Ketten von etwa 60 β-Hydroxybuttersäure- Resten besteht.

Als Alternative zu den mikrobiologischen Verfahren zur Denitrifikation gemäß dem Stand der Technik wird hiermit ein Verfahren vorgestellt, bei dem die Mikroorganismen von Zeit zu Zeit - sozusagen wie Akkumulatoren - mit endogenen Kohlenspeichern aufgeladen werden können und nach der der restlosen Ausspülung des dafür zur Verfügung gestellten Substrates in der Trinkwasseraufbereitung ohne Zufütterung weiteren Substrates funktionsfähig bleiben. Als Organismen kommen hierzu vorzugsweise jene in Frage, die sowohl über eine assimilatorische, als auch über eine dissimilatorische Nitratreduktase verfügen und gleichzeitig in der Lage sind, den Speicherstoff Poly-β-Hydroxybuttersäure zu bilden. Daneben ist den Organismen noch zu eigen, eine ausgesprochen hohe Affinität zu stickstoffhaltigen Verbindungen zu haben, so daß eventuell intermediär auftretende Spuren von Nitrit sofort in den Stoffwechsel eingebaut werden und damit nicht im ausfließenden Wasser enthalten sind. Als besonderes geeignete Gattung von Mikroorganismen erscheint unter diesem Aspekt die Gattung Azospirillum, denn viele Arten bzw. Stämme dieser Gattung sind in der Lage, Nitrat als terminalen Elektronenakzeptoren in der Atmunskette zu nutzen. Verschiedene Stämme dieser Gattung sind ebenso in der Lage anaerob mit Nitrit oder Stickstoffoxid als terminalen Elektronenakzeptor zu überleben. Wenn der Organismus auf Nitrit wächst, wird diese Verbindung quantitativ zu Stickstoff umgewandelt, ohne die Bildung freier Intermediärprodukte.

Durch die Anpassung dieses Organismus an stickstoffverarmte Biotope ist er allerdings in der Lage, auch weitere Reaktionen des Stickstoffkreislaufes durchzuführen. Als erstes ist hier die assimilatorsiche Nitrattreduktion unter aeroben Bedingungen zu nennen. Bei dieser Reaktion setzt der Organismus Nitrat zu organischen Aminoverbindungen um. Diese Reaktion hat zwei Effekte zur Folge:

• 1. Die Gesamtmenge an Nitrat nimmt ab.
• 2. Der Dauerstoffpartialdruck im zulaufenden Wasser wird reduziert und ermöglicht nach einer bestimmten Reduktion ein volles Aktivieren der dissimilatorischen Nitratreduktase.

Die Kombination beider Reduktionen in einem Organismus erlauben eine erhebliche Vereinfachung der Konstruktion und mikrobiologischen Auslegung von biologischen Denitrifikationsanlagen. Als Kohlenstoffquelle - sowohl für die dissimilatorischen, als auch die assimilatorischen Reaktionen - steht dem Organismus endogen gespeichertes Poly-β-hydroxybutyrat zur Verfügung. Der Organismus kann bis zu 20% seiner Zelltrockenmasse als Poly-β-hydroxybutyrat speichern. Da dieser Organismus gleichzeitig unter stickstoffarmen Bedingungen seinen Stickstoffgehalt auf weniger als 5% seines Zelltrockengewichtes reduzieren kann, ergibt sich damit eine theoretische Denitrifikationskapazität pro Gramm Zelltrockengewicht von: 500 mg NO₃/g TS.

Ein weiterer Vorteil der Denitrifikation durch die Gattung Azospirillum ist das Vermögen dieser Organismen bei der völligen Abwesenheit von anorganischem und organischem Stickstoff, den Zellerhaltungsstoffwechsel mit Hilfe der Fähigkeit zur biologischen Stickstoffreduktion aufrechtzuerhalten. Das heißt, auch in Anlagen, die mit stark schwankenden Mengen an Nitratstickstoff fertig zu werden haben, ist eine Stabilität der Population sichergestellt. Eine weitere, der Anwendung dieses Organismus entgegenkommende Eigenschaft, ist die Fähigkeit der Azospirillen, an verschiedenen Oberflächen fest zu adsorbieren und kräftige bakterielle Beläge bilden zu können. So konnte bisher nachgewiesen werden, daß das Adsorptionsvermögen von Azospirillen brasilense, Sp 7, auf der Oberfläche von Sinterglas [Hersteller Schott, Mainz), hervorragend ist. Weiterhin ist aus der Literatur bekannt, daß dieser Organismus auch an vielen anderen negativ geladenen Oberflächen stark adsorbiert. Das heißt, es ist sowohl möglich, diesen Organismus in Festbettreaktoren auf der Basis von z. B. Sinterglas, wie auch in Wirbelbettreaktoren auf der Basis von mikroporösen Alginatkugeln einzusetzen. Die Affinität der Gattung Azospirillum zum Stickstoff ist so hoch, daß unter normalen Bedingungen vorbehaltlich keiner anderen Limitierung des Wachstums, als der Stickstofflimitierung selbst, der Stickstoffgehalt auf Werte von <50 ppb reduziert werden kann. Diese hohe Affinität zu stickstoffhaltigen Verbindungen gewährleistet, daß selbst das bei der bilogischen Denitrifikation möglicherweise entstehende Nitrit unterhalb des gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwertes reduziert werden kann.

Das erfindungsgemäße mikrobiologische Verfahren zur Denitrifikation weist zahlreiche Vorteile auf. So ermöglicht das vorliegende Verfahren zur mikrobiellen Denitrifikation von Wässern unter der Verwendung heterotropher dissimilatorischer sowie assimilatorischer Denitrifikation mittels endogener Kohlenstoffspeicher die Vermeidung zahlreicher Probleme, die bei vergleichbaren Denitrifikationsanlagen im Wasser- und Trinkwasserbereich auftauchen. Es erlaubt, zwischen zwei Beladungen mit neuem endogenen Speicher, den Abbau von einer Nitratmenge, die 50% des Trockengewichts der am Prozeß beteiligten Mikroorganismen beträgt. Die Substrate zur frischen Beladung der Mikroorganismen mit endogenem Speicher stehen als billige Massenprodukte zur Verfügung. Das Verfahren ist geeignet auch in Wasserwerken eingesetzt zu werden, die unter stark schwankenden Nitratmengen im Rohwasser leiden. Zudem ist das Verfahren gegen eine vorübergehende Austrocknung gefeit, da die Organismen Dauerformen gegen Austrocknen bilden können. Das Verfahren kann unter anderem mit Mikroorganismen der Gattung Azospirillum, und hier besonders mit Organismen der Art Azospirillum brasilense, durchgeführt werden. Doch kommen auch zahlreiche andere Mikroorganismen in Frage, die nebeneinander assimilatorisch und dissimilatorisch Nitrat abbauen können, je nach den vorgegebenen physikochemischen Parametern in der Denitrifikationsanlage.

Im folgenden wird das technische Konzept einer biologischen Denitrifikationsanlage näher erläutert:

Die bilogische Denitrifikationsanlage auf der Basis stickstoffixierender Mikroorganismen der Gattung Azospirillum, benötigt zu seiner Funktionskontrolle eine Messung des Sauerstoffpartikaldrucks oder des Retoxpotentials an verschiedenen Stellen des Denitrifikationsapparates. Über diese Parameter kann festgelegt werden bzw. bestimmt werden, welcher denitrifizierende Prozeß an welchem aktuellen Ort der Denitrifikationsanlage abläuft. Daneben ist beim augenblicklichen Stand der Forschung eine Beheizung des Grundwassers nötig, da die Gattung Azospirillum ihr Wachstumsoptimum bei 37°C zeigt. Eine Applikation bei 37°C erlaubt allerdings eine günstige Wärmerückgewinnung im Ablauf, da das ΔT zwischen Zu- und Ablauf asureichend groß ist. Um den Erfolg der Denitrifikation zu überprüfen, ist es angebracht, in Zu- und Ablauf des Biofilters nitratsensitive Elektroden einzubringen. Daneben muß gleichzeitig die Leitfähigkeit im Zulauf bestimmt werden, um eine mögliche Störung der Nitratelektrode durch andere anionische Komponenten überwachen bzw. ausschließen zu können. Der Behälter sollte aus Verstopfungsgründen im Upstream-Verfahren betrieben werden. Hinter der Denitrifikationsanlage ist in jedem Fall ein Nachreinigungssystem anzubringen, da nicht sichergestellt werden kann, daß keine Bakterien aus dem System ausgetragen werden. Im Gegenteil, eine Denitrifikation führt ja sogar zur Bildung von Biomasse in der heterotrop-assimilatorischen Stufe der Anlage, so daß der Austrag von Mikroorganismen ein positiver Indikator für eine erfolgreich durchgeführte Denitrifikation ist. Der Schlammanfall bleibt aber aufgrund der Adsorption der Hauptmasse der Mikroorganismen an einen Carrier sehr klein und führt zu nur geringfügigen Kosten. Das Nachreinigungsverfahren sollte sich zusammensetzen aus einem Absetzbecken, um Überschußschlamm zu entfernen und einer nachgeschalteten Nachreinigung über einen Schnellfilter. Die sonst übliche Nachreinigung in Aktivkohlefiltern teilweise sogar in hintereinandergeschalteten Aktivkohlefiltern kann für diesen Prozeß entfallen, da ja mit dem Wasser niemals gleichzeitig niedermolekularesorganisches Substrat zum Wachstum der Denitrifikanten zur Verfügung gestellt wird. Eine Auffüllung der PHB-Reserven innerhalb der Organismen erfolgt diskontinuierlich. Dazu ist die Denitrifikationsanlage vom Wasserzustrom abzutrennen und ausreichend organisches und anorganisches Substrat im Kreislauf durch den Biofilter zu zirkulieren. Als Substrate kommen je nach Stamm der Gattung Azospirillum Invertzuckersirup, Methanol, Ethanol, Formiat, Acetat u. ä. Verbindungen in Frage. Nach einer ausreichenden Nachspülung kann die Anlage wieder in Betrieb genommen werden, ohne daß eine weitere Auswaschung von Substraten erfolgt, denn die endogen gespeicherte Poly-β-hydroxybuttersäure ist hochmolekular und damit impermeabel für die Zellwand.

Claims (15)

1. Mikrobiologisches Verfahren zur Denitrifikation, dadurch gekennzeichnet, daß man einen heterotrophen fakultativ anaeroben Mikroorganismus verwendet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der verwendete Mikroorganismus einen Speicherstoff bildet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß Stickstoffverbindungen assimilatorisch und/oder dissimilatorisch umgewandelt werden.

4. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man einen solchen Mikroorganismus einsetzt, der selbst bzw. dessen Enzyme, insbesondere die Nitratreduktase, eine hohe Affinität zu den Substraten (Stickstoffverbindungen) aufweisen.

5. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendete Kohlenstoffquelle schubweise in Intervallen zugeführt wird.

6. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es aerob und/oder anaerob betrieben wird.

7. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherstoff Poly-b-Hydroxybuttersäure ist.

8. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoffquelle einzeln oder in Kombination aus der Gruppe gebildet von Melasse, Glucose, Invertzuckersirup, Methanol, Ethanol, Formiat, Acetat und dergleichen gewählt wird.

9. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der verwendete Mikroorganismus an einer Oberfläche adsorbiert ist.

10. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß es im Festbett durchgeführt wird.

11. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß es im Wirbelbett durchgeführt wird.

12. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der verwendete Mikroorganismus diazotroph ist.

13. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der verwendete Mikroorganismus zur Gattung Azospirillum gehört.

14. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wärmerückgewinnung durchgeführt wird.

15. Vorrichtung zur Durchführung des mikrobiologischen Verfahrens gemäß Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens einen Bioreaktor umfaßt.