Aerob-thermophile Reinigung mineralölkontaminierter Abwässer

Titelangaben

Oberthür, Alexandra:
Aerob-thermophile Reinigung mineralölkontaminierter Abwässer.
Bayreuth , 2004
( Dissertation, 2005 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Unter aeroben Bedingungen ist der thermophile Mikroorganismus Geobacillus thermoleovorans im Labor- und Pilotmaßstab fähig, verschiedene mit Mineralölen kontaminierte Abwässer als einzige Kohlenstoffquelle zu nutzen. Die Verwertbarkeit eines synthetischen Dieselöls sowie eines Kühlschmierstoffs standardisierter Zusammensetzung durch die Kultur wurde untersucht. Des Weiteren wurden Kühlschmieremulsionen aus Kfz-Produktionsstätten und Spüllösungen zum Reinigen von Lackleitungen auf deren biologische Abbaubarkeit hin geprüft. Der Nachweis von Metaboliten erfolgte an einem GC-FID-System (Gaschromatograph mit Flammenionisationsdetektor). Im Vergleich zum Standardsubstrat Olivenöl wurden ähnliche, in Einzelfällen sogar höhere Wachstumsraten und Zelldichten erzielt. Hierbei wurde nachgewiesen, dass die Initialisierung der Lipaseexpression durch Triglyceride Voraussetzung für den effizienten Abbau von Mineralölkohlenwasserstoffen (MKW) durch Geobacillus thermoleovorans ist. Da MKW in der Praxis nahezu ausschließlich in Verbindung mit einer Vielzahl von Additiven gebraucht werden, wurde der Einfluss verschiedener Zusatzstoffe auf die Mikroorganismen erforscht. Als Kohlenstoffquelle diente das synthetische Dieselöl, als Zusatzstoffe wurden insbesondere Tenside, Flockungsmittel, Komplexbildner und Entschäumer verwendet. Es zeigte sich, dass alle eingesetzten anionischen Tenside (Natrimlaurylsulfat = SDS, Natriumlaurylbenzolsulfonat = SDBS) und nichtionischen Tenside (Tergitol NPX, Triton X 100) in Konzentrationen unterhalb der kritischen Mizellenbildungskonzentration (CMC, engl. Critical Micelle Concentration) nachweislich das Wachstum der Kultur durch die Verbesserung der Substrat-Bioverfügbarkeit stimulieren. Oberhalb der CMC fördern anionische Tenside das Wachstum der Kultur; nichtionische Tenside wirken mit ansteigender Konzentration zunehmend inhibierend. Triton X 100 unterdrückt in Konzentrationen oberhalb der CMC die extrazelluläre Lipaseaktivität vollständig. Positive und negative Effekte auf das Wachstumsverhalten der Kultur sind gleichermaßen das Resultat von Tensid-Membran-Interaktionen. Durch Einlagerung in die Zellmembranen erhöhen die Tenside die Permeabilität der Membranen für Enzyme, was wiederum zu einer Beschleunigung des MKW-Abbaus führt. Der inhibierende Einfluss von Triton X 100 hingegen kann auf die Konformation des Tensids zurückgeführt werden, die entweder die Ausscheidung von Enzymen behindert oder Zellmembran oder Enzyme direkt schädigt. Die experimentell ermittelten CMC im aerob-thermophilen System betrugen 50 mg/L für SDS und SDBS, 90 mg/L für Tergitol NPX® und 108 mg/L für Triton X 100. Darüber hinaus wurde nachgewiesen, dass SDBS in Anwesenheit von MKW metabolisiert wird. In Abwesenheit anderer Kohlenstoffquellen kann auch SDS von Geobacillus thermoleovorans verwertet werden. Ein Abbau nichtionischer Tenside wurde hingegen nicht beobachtet. Die Anwesenheit nichtionischer Tenside ist daher, wie nach der Durchführung einer Diskriminanzanalyse bestätigt wurde, das wichtigste Entscheidungskriterium bzgl. der Anwendbarkeit des Verfahrens zur Reinigung bislang nicht experimentell untersuchter MKW-haltiger Abwässer. Basierend auf den versuchsbegleitend erhobenen Wachstumsparametern wurde ein Vorhersagemodell zur Übertragbarkeit des aerob-thermophilen Verfahrens entwickelt. Geobacillus thermoleovorans weist eine hohe Resistenz gegenüber Bioziden, Schwermetallen und weiteren in Reinigungs- und Schmiermitteln eingesetzten Zusatzstoffen auf. Erst in Konzentrationen ab 1.500 mg/L bewirkt Antimon(III)oxid eine Inhibierung des Wachstums. Eine Anreicherung der genannten Substanzen im Abstrom der Anlage ist daher zu erwarten. Weiterer Forschungsbedarf besteht hinsichtlich der Aufklärung der Metabolisierungspfade von Geobacillus thermoleovorans in Bezug auf (Poly-)Ether und Biozide. Bei der weiteren Verfahrensoptimierung ist insbesondere die Reduktion des Energiebedarfs der Anlage anzustreben. Darüber hinaus empfiehlt sich der Einsatz des Verfahrens in (sub)tropischen Ländern sowie die Ausnutzung von Prozesswärme. Die Entsorgung metallbelasteter Schlämme und anderer nicht abbaubarer Feststoffe ist sicher zu stellen. Bei der Behandlung von Kühlschmierstoffen und ähnlich hoch CSB-belasteten Abwässern (CSB: Chemischer Sauerstoffbedarf) ist die Bereitstellung von Verdünnungswasser notwendig, da eine Raumlast von 13 kg CSB/m -3 d -3 die Belastungsobergrenze für das Verfahren darstellt. Aufgrund der hohen Prozess-Stabilität, der kurzen Anlaufzeiten, der hohen Wachstumsraten und der einfachen Betreuung ist das Verfahren sehr flexibel und vielfältig einsetzbar. Eine weitere Vertiefung dieses innovativen Ansatzes in der Abwasserreinigung ist von daher wünschenswert.

Abstract in weiterer Sprache

The thermophilic microorganism Geobacillus thermoleovorans was able to use wastewaters contaminated with different mineral oils as sole source of carbon and energy in laboratory and pilot scale bioreactor experiments, when cultivated under aerobic conditions at 65 °C. Artificial diesel oil and a water-miscible metalworking fluid of known composition were used as substrates. The suitability of cooling lubricants and rinsing solution (containing butyl cellosolve) for water-based paint fittings from automobile production facilities were examined as alternative substrates, testing their biodegradability. Detection of metabolites was per-formed using GC/FID (gas chromatograph flame ionization detector). For these substrates, similar or higher growth rates and cell densities were achieved compared to the standard substrate (olive oil). Initialization of lipase expression has been found to be mandatory for efficient degradation of mineral oil hydrocarbons (MHC) by Geobacillus thermoleovorans. Using the artificial diesel oil as substrate, several additives commonly used in combination with MHC were applied. Among these additives were surfactants and different flocculating, chelating and anti-foam agents. When used below Critical Micelle Concentrations (CMC), all tested anionic surfactants (Sodium Dodecyl Sulfate = SDS; Sodium Dodecyl Benzyl Sulfonate = SDBS) and non-ionic surfactants (Tergitol NPX®, Triton X 100) stimulated growth by enhancing the bioavailability of the substrates. Above CMC anionic surfactants promote growth, while non-ionic surfactants tend to become more inhibiting with increasing concentration. Extracellular lipase activity is completely inhibited by Triton X 100 at supra-CMC concentrations. Both positive and negative growth effects are due to the surfactants’ interaction with cell membrane structures, changing the membrane permeability. Higher membrane permeability results in enhanced enzyme excretion and higher degradation rates of MHC. On the other hand Triton X 100, because of its conformation, may clog the cell membranes and impede enzyme excretion or damage cell membranes or enzymes directly. The CMCs of the surfactants for the thermophilic system were experimentally determined to be 50 mg/L for SDS and SDBS, 90 mg/L for Tergitol NPX, and 108 mg/L for Triton X 100. Geobacillus thermoleovorans can degrade SDBS in presence of MHC and can also metabo-lize SDS as source of carbon in the absence of MHC. Degradation of non-ionic surfactants has not been observed. The presence of non-ionic surfactants is the major criterion for assessing transferability of the thermophilic aerobic wastewater purification process to unknown MHC-contaminated wastewaters. A prediction model based on growth parameters has been derived by discrimi-nant analysis to assess the biodegradability of other MHC-contaminated wastewaters. Geobacillus thermoleovorans is innately insusceptible to biocides, heavy metals and other additives used in cleaning compositions or lubricants. Only Sb(III)oxide inhibited growth when concentrations exceeded 1.500 mg/L. Therefore (poly)ethers and biocides may accu-mulate in the effluent of a treatment facility. To avoid negative effects on natural ecosystems or municipal wastewater treatment facilities, further studies are required regarding metabo-lization pathways of these components. Process optimization should include minimization of energy input by utilization of process heat or implementation in (sub)tropical areas. Disposal of sludge loaded with non-biodegrad-able particles and metals has to be arranged. The degradation capacity of the wastewater treatment process is limited to 13 kg COD m -3 d -3 (COD: Chemical Oxygen Demand). Therefore dilution water has to be provided, especially for the treatment of lubricants or wastewaters highly charged with COD. High process stability, short lag times, high growth rates and simple operation routines make the proposed bioprocess highly recommendable for flexible and innovative wastewater treatment applications.