Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Reaktor zum Züchten von Mikroorganismen, der zum Behandeln von Schmutz- und Abwasser eingesetzt wird, und insbesondere auf einen Bioreaktor zur Schmutz- und Abwasserbehandlung, wobei der Bioreaktor fähig ist, gleichzeitig zu rühren und Sauerstoff zuzuführen.

Verfahren zum Behandeln von Abwasser umfassen im Allgemeinen ein physikalisch-chemisches Verfahren und ein biologisches Verfahren. Die Nachteile des physikalisch-chemischen Verfahrens inkludieren die hohen Kosten und den Bedarf an einer erneuten Behandlung der Produkte, während das biologische Verfahren eine relativ geringe Menge an Produkt nach der Behandlung hervorbringt, wobei eine große Menge an Grundbestandteilen eines Organismus in zu stabilisierendes Kohlendioxid aufgespalten wird oder im Abwasser enthaltene organische Substanzen unter Bildung von Methangas entfernt werden.

Beim biologischen Behandlungsverfahren können Schmutzstoffe im Abwasser aufgespalten, entgiftet und abgetrennt werden, wobei hauptsächlich Mikroorganismen verwendet werden. Folglich wird das Verfahren zum Behandeln von Industrieabwasser, das organische Materie und daraus erzeugten Schlamm enthält, und zum sekundären Behandeln von Haushaltsabwasser angewandt. Wegen der relativ geringen Kosten und der Schwankungen im Arbeitsfortschritt wird das biologische Verfahren weltweit am häufigsten eingesetzt.

Mikroorganismen, die bei der biologischen Behandlung eine zentrale Rolle spielen, sind Mischkulturen, einschließlich verschiedener Mikroorganismuspopulationen wie z.B. Bakterien, Pilze, Protozoen und Metazoen, die in einem Bioreaktor gezüchtet und vermehrt werden. Solche Mikroorganismen reinigen Schmutz- und Abwasser, indem sie organische Schmutzstoffe, welche die Mikroorganismen ernähren, aufspalten und entfernen, während sich die Mikroorganismen unter Verwendung des im Abwasser gelösten Sauerstoffs vermehren.

Der Bioreaktor ist ein Gerät, das Bedingungen bereitstellt, die jenen ähneln, die in der Natur vorgefunden werden, um eine effiziente Züchtung beliebiger Mikroorganismen zu ermöglichen. Der Bioreaktor leitet eine Kulturlösung, organische und anorganische Medien und Luft in das Innere des Bioreaktors und kultiviert und vermehrt die Mikroorganismen.

Da der Bioreaktor mit der Züchtung und Vermehrung von Mikroorganismen in direktem Zusammenhang steht, hängt die Effizienz der Schmutz- und Abwasserbehandlung oder der Aktivierungszustand der Mikroorganismen vom Bioreaktor ab.

Als Stand-der-Technik-Verfahren zum Steigern der Effizienz einer Schmutz- und Abwasserbehandlung unter Verwendung eines Bioreaktors offenbart die veröffentlichte PCT-Anmeldung WO 96/15992 ein Verfahren zum Behandeln von Schmutzwasser, wobei vier Arten von aeroben und anaeroben Mikroorganismen ohne Entweichung unangenehmer Gerüche, schädlicher Gase und giftiger Substanzen in ein Belebungsbecken injiziert werden.

Das obenstehend beschriebene Verfahren wird jedoch nicht zum Vermehren von Mikroorganismen im Belebungsbecken eingesetzt, sondern wird stattdessen angewandt, um schädliche Gase etc. zu entfernen, indem spezielle, von der Natur erhaltene Mikroorganismen auf den Abwasserschlamm aufgebracht werden. Ein Nachteil des Verfahrens ist, dass die injizierten Mikroorganismen für das Behandeln des Schlamms viel Zeit benötigen.

Das U.S.-Patent Nr. 5,376,275 offenbart ein Verfahren zur Behandlung von Belebtschlamm, wobei eine Abwasserschlammkomponente für einen Zeitraum von mindestens 15 Tagen fermentiert wird, um lösliche kohlenstoffhaltige Substrate zu bilden, die fermentierte Schlammkomponente mit zufließendem Schmutzwasser in Kontakt gebracht wird, um ein konditioniertes Schmutzwasser zu bilden, und das konditionierte Schmutzwasser der Belebtschlammanlage zugeführt wird.

Das obenstehend beschriebene Verfahren wird jedoch nicht zur Vermehrung von Mikroorganismen in der Fermentationsanlage angewandt, sondern wird stattdessen zur Entphosphorung und Denitrifizierung des Schlamms unter Verwendung von Mikroorganismen eingesetzt. Auch dieses Verfahren hat den Nachteil, dass viel Zeit, z.B. 15 bis 60 Tage, nötig ist, um den Schlamm zu behandeln.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Bioreaktors zur Schmutz- und Abwasserbehandlung, der fähig ist, gleichzeitig zu rühren und Sauerstoff zuzuführen.

Wiederum eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Bioreaktors zur Schmutz- und Abwasserbehandlung, der fähig ist, durch einen raschen Temperaturwechsel eine Desinfizierung und Kultivierung zu bewirken.

Wiederum eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Bioreaktors zur Schmutz- und Abwasserbehandlung, der fähig ist, den Wärmeabfluss minimal zu halten.

Wiederum eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Bioreaktors zur Schmutz- und Abwasserbehandlung, der fähig ist, eine Belebungslösung einer externen Abwasserentsorgungsanlage in den Bioreaktor einzubringen, um das Züchten von Mikroorganismen zu erleichtern.

Wiederum eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Bioreaktors zur Schmutz- und Abwasserbehandlung, der fähig ist, die Mikroorganismen mit Leichtigkeit zu aktivieren.

Diese Aufgaben werden mit einem Bioreaktor, der in Anspruch 1 definiert ist, erfüllt. Weitere Ausführungsformen sind in den Ansprüchen 2 und 3 definiert.

Der erfindungsgemäße Bioreaktor umfasst ein Kulturgefäß, in dem Mikroorganismen gezüchtet werden; einen Versorger zum Zuführen einer Kulturlösung und organischer sowie anorganischer Medien zum Kulturgefäß; sowie ein Rührwerk zum Umrühren der Kulturlösung, während Luft in das Kulturgefäß geblasen wird.

Die vorliegende Erfindung umfasst weiters einen im Kulturgefäß vorhandenen Thermostatregler, wobei der Thermostatregler zum Regulieren einer Temperatur der Kulturlösung vorgesehen ist.

Der Versorger umfasst ein an einer oberen Seite des Kulturgefäßes angeschlossenes Zuleitungsrohr und eine Pumpe zum Zuführen der Kulturlösung zum Kulturgefäß, wobei die Pumpe am Zuleitungsrohr angeschlossen ist. Der Versorger kann auch ein Ventil zum Öffnen und Schließen des Zuleitungsrohrs und einen Druckmesser umfassen.

Das Rührwerk umfasst ein Luftgebläse für die Luftzufuhr, ein im Kulturgefäß vorhandenes Einspritzrohr zum Einblasen der Luft, die vom Luftgebläse zum Kulturgefäß geleitet wird, und eine Einspritzdüse, die am Einspritzrohr in einer vorbestimmten Richtung angeordnet ist, um die Kulturlösung im Kulturgefäß zirkulieren zu lassen.

Der Thermostatregler umfasst eine Tieftemperatur-Heizvorrichtung und eine Hochtemperatur-Heizvorrichtung, die im Kulturgefäß vorgesehen sind, sowie einen Heizregler.

Eine vollständigere Einschätzung der Erfindung und viele der dazugehörigen Vorteile werden rasch deutlich, während dies unter Bezugnahme auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung besser verständlich wird, wenn diese in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet wird, wobei:

1 eine schematische Ansicht eines Bioreaktors gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist,

2 eine Draufsicht auf den Bioreaktor der 1 ist,

3 eine schematische Schnittansicht des Bioreaktors der 1 ist.

In der nachfolgenden detaillierten Beschreibung wird nur die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung gezeigt und beschrieben, und zwar einfach anhand einer Darstellung der besten von den Erfindern erdachten Betriebsart zur Durchführung der Erfindung.

1 ist eine schematische Ansicht eines Bioreaktors gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, 2 ist eine Draufsicht auf den Bioreaktor, und 3 ist eine schematische Schnittansicht des Bioreaktors.

Unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 umfasst ein Bioreaktor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Kulturgefäß 20, das auf einem Grundrahmen 10 in Form eines Zylinders in vertikaler Richtung vorgesehen ist, ein an einer oberen Seite des Kulturgefäßes angeschlossenes Zuleitungsrohr 30 zum Einspritzen einer Kulturlösung in das Kulturgefäß 20, eine am Grundrahmen 10 vorhandene und am Zuleitungsrohr 30 angeschlossene Pumpe 31 zum Übertragen der Kulturlösung durch das Zuleitungsrohr 30, ein am Grundrahmen 10 vorgesehenes Luftgebläse 40 für die Luftzufuhr, einen Luftzufuhrschlauch 41, der am Luftgebläse 40 angeschlossen ist, um Luft durch diesen zu übertragen, Einspritzrohre 60 und 61, die in einem vertikal festgelegten Abstand im Inneren des Kulturgefäßes 20 mit dem Luftzufuhrschlauch 41 verbunden sind, wobei das Einspritzrohr 60 eine Ringform aufweist, Einspritzdüsen 62 und 63, die entlang der Außenumfänge der Einspritzrohre 60 und 61 in einem Winkel eines festgelegten Winkels angeordnet sind, und zwar zum Umrühren der Kulturlösung, eine im Inneren des Kulturgefäßes 20 vorgesehene Tieftemperatur-Heizvorrichtung 50 zum Erwärmen der Kulturlösung, eine im Inneren des Kulturgefäßes 20 vorgesehene Hochtemperatur-Heizvorrichtung 51 zum Desinfizieren des Inneren des Kulturgefäßes 20 bei hoher Temperatur nach dem Ausstoßen der Kulturlösung, sowie einen Heizregler 52.

Ein Hitzeschildmaterial 25, wie z.B. Polyurethan, ist an der gesamten Außenfläche des Kulturgefäßes 20 angebracht. Das Kulturgefäß 20 ist an seiner Oberseite mit einem Einlass 21 zum Zuführen von Kulturmedien etc. versehen, und der Einlass 21 ist mit einem Deckel 22 zum Verschließen des Einlasses 21 ausgestattet.

An der Außenseite des Kulturgefäßes 20 ist ein Füllstandsmesser 23 vorgesehen. Der Füllstandsmesser 23 ist ein transparentes Rohr, das vertikal angeordnet ist, um eine visuelle Überprüfung des Wasserstands im Kulturgefäß 20 zu ermöglichen. An einer Seite des Kulturgefäßes 20 ist ein (nicht dargestelltes) Thermometer vorgesehen, um die Temperatur der Kulturlösung zu beobachten, und ein Abflussrohr 24 ist am Boden des Kulturgefäßes 20 vorgesehen, um die Kulturlösung, die gezüchtet wurde, abzuführen.

Die Pumpe 31 ist am Grundrahmen 10 starr befestigt vorgesehen und durch das Zuleitungsrohr 30 mit einem Belebungsbecken einer Abwasserbehandlungsanlage, das sich außerhalb des Kulturgefäßes 20 befindet, verbunden. Die Pumpe 31 zieht eine Belebungslösung etc. aus der Abwasserbehandlungsanlage und spritzt die Belebungslösung etc. durch das an der oberen Seite des Kulturgefäßes 20 angeschlossene Zuleitungsrohr 30 in das Kulturgefäß 20. An einer Seite des Zuleitungsrohrs 30 ist außerdem ein Druckmesser 32 vorgesehen.

Das Luftgebläse 40 ist an einer Seite des Grundrahmens 10 starr befestigt vorgesehen. Der am Luftgebläse 40 angeschlossene Luftzufuhrschlauch 41 umfasst an einem Ende einen Luftfilter 42. Der Luftfilter 42 filtert die in der Luft enthaltenen Verunreinigungen heraus und leitet dann die Frischluft, die als Bedingung für eine Kultivierung erforderlich ist, zur Kulturlösung. Ein Magnetventil 39 ist am Luftzufuhrschlauch 41 vorgesehen, wobei sich das Magnetventil 39 vor und hinter dem Luftfilter 42 befindet.

Der Luftzufuhrschlauch 41 ist entlang der Seitenwand des Kulturgefäßes 20 vertikal angebracht, und Abzweigleitungen 43 und 44 erstrecken sich vom unteren Ende bzw. vom Teil über dem unteren Ende des Luftzufuhrschlauchs 41 durch die Seitenwand des Kulturgefäßes 20 in das Innere des Kulturgefäßes 20. Die Einspritzrohre 60 und 61, die eine Ringform aufweisen, sind jeweils an den Enden der Abzweigleitungen 43 und 44 vorgesehen.

Die Einspritzrohre 60 und 61 befinden sich im Zentrum des Kulturgefäßes 20 in einem festgelegten Abstand von der Innenwand des Kulturgefäßes 20 und werden durch Verbindung eines ihrer Enden mit dem Ende der Abzweigleitungen 43 und 44 gehalten. Alternativ können die Einspritzrohre 60 und 61 gehalten werden, indem ein das Zentrum der Einspritzrohre 60 und 61 durchquerendes Verbindungsrohr bereitgestellt wird und indem das Verbindungsrohr mit den Abzweigleitungen 60 und 61 verbunden wird, welche in das Kulturgefäß 20 eingeführt und in der Mitte des Kulturgefäßes 20 nach unten gebogen sind. In diesem Fall würde die Luft über den Luftzufuhrschlauch 41 und die Abzweigleitungen 43 und 44 durch das Verbindungsrohr zu den Einspritzrohren 60 und 61 transportiert werden.

An den Abzweigleitungen 43 und 44, die sich vom Luftzufuhrschlauch 41 erstrecken, ist jeweils ein Magnetventil 45 vorgesehen. Die Magnetventile 45 öffnen und schließen jede der Abzweigleitungen 43 und 44.

Die Tieftemperatur-Heizvorrichtung 50 wird verwendet, um eine optimale Temperatur der Kulturlösung, eine Veränderung der physikalischen Eigenschaften der Kulturlösung und die Nutzbedingungen der Kulturlösung sicherzustellen. Die Oberflächentemperatur der Tieftemperatur-Heizvorrichtung 50 wird auf weniger als etwa 60°C angehoben. Die Hochtemperatur-Heizvorrichtung 51 wird zur Desinfektion eingesetzt. Die Oberflächentemperatur der Hochtemperatur-Heizvorrichtung 51 wird auf mehr als etwa 60°C angehoben.

Die beiden obenstehenden Heizvorrichtungen 50 und 51 sind im Kulturgefäß 20 in einem festgelegten Abstand vorgesehen und werden durch den an der Außenfläche des Kulturgefäßes 20 vorhandenen Heizregler 52 mit elektrischer Energie versorgt.

Der Heizregler 52 liefert elektrische Energie zu einem Heizdraht der Tieftemperatur-Heizvorrichtung 50, um den wirksamen Kulturbedingungen der Kulturlösung zu genügen, und kann die Temperatur der Kulturlösung auf einem optimalen Niveau halten.

Die an den Einspritzrohren 60 bzw. 61 vorhandenen Einspritzdüsen 62 und 63 mischen die Kulturlösung, indem sie der Kulturlösung Luft zuführen und die Richtung der eingeblasenen Luft kontrollieren. Wie in 3 gezeigt wird, befindet sich eine Mehrzahl von Einspritzdüsen 62 an der Außenfläche des oberen Einspritzrohrs 60. Die Einspritzdüsen 62 verlaufen entlang des Außenumfangs des ringförmigen Einspritzrohrs 60 von der Außenrichtung hin zur Abwärtsrichtung. An der Außenfläche des unteren Einspritzrohrs 61 befindet sich ebenso eine Mehrzahl von Einspritzdüsen 63. Die Einspritzdüsen 63 verlaufen entlang des Außenumfangs des ringförmigen Einspritzrohrs 61 von der Innenrichtung hin zur Aufwärtsrichtung.

Da die am oberen und am unteren Einspritzrohr 60 und 61 vorhandenen Einspritzdüsen 62 und 63 jeweils in einem festgelegten Winkel zueinander gebildet sind, wird die Kulturlösung an der Innenseite der Einspritzrohre 60 und 61 angehoben und an der Außenseite der Einspritzrohre 60 und 61 abgesenkt und somit durch die von den Einspritzdüsen 62 und 63 eingeblasene Luft in Umlauf gesetzt. Während des obenstehenden Vorgangs kann die Kulturlösung ausreichend vermischt werden.

Nun wird eine Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Eine Lösung, die zum Züchten bestimmte Mikroorganismen einschließt, wird von der Pumpe 31 durch das Zuleitungsrohr 30 zum Kulturgefäß 20 übertragen. Die Menge der zugeführten Kulturlösung kann durch Beobachtung des an der Seitenwand des Kulturgefäßes 20 vorgesehenen Füllstandsmessers 23 festgestellt werden.

Sobald die optimale Menge an Kulturlösung im Kulturgefäß 20 erreicht wurde, wird der Betrieb der Pumpe 31 unterbrochen und die Kulturlösung auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt, indem der Tieftemperatur-Heizvorrichtung 50 elektrische Energie zugeführt wird.

Da die Tieftemperatur-Heizvorrichtung 50 im Inneren des Kulturgefäßes 20 vorgesehen und somit in der Kulturlösung eingetaucht ist, kann die von der Heizvorrichtung 50 erzeugte Wärme direkt auf die Kulturlösung übertragen werden, um die Kulturlösung auf eine optimale Temperatur zu erhitzen.

Die Tieftemperatur-Heizvorrichtung 50 kann die Kulturlösung auf einer vorbestimmten Temperatur (etwa 25±5°C) halten, während die Oberflächentemperatur der Heizvorrichtung 50 durch den Heizregler 52 auf einem festgelegten Niveau (üblicherweise 30±10°C) gehalten wird.

Kulturmedien werden zusammen mit der Kulturlösung durch den an der Oberseite des Kulturgefäßes 20 vorgesehenen Einlass 21 in das Kulturgefäß 20 geleitet, um die Kultivierung zu aktivieren.

Die Kulturlösung wird mit den Kulturmedien vermischt, und die Mischung versorgt den kultivierten Mikroorganismus mit Sauerstoff. Als Folge kann die Kultivierung aktiviert werden.

Das Luftgebläse 40 versorgt jede der Abzweigleitungen 43 und 44 durch den Luftzufuhrschlauch 41 mit Luft. Die zugeführte Luft wird zu den mit den Abzweigleitungen 43 bzw. 44 verbundenen Einspritzrohren 60 und 61 transportiert und schließlich durch die entlang des Außenumfangs der Einspritzrohre 60 bzw. 61 angeordneten Einspritzdüsen 62 und 63 auf die Kulturlösung geblasen.

Die Luft, die durch die am oberen Einspritzrohr 60 vorgesehene Einspritzdüse 62 strömt, wird in Richtungen geblasen, die von der Abwärts- bis zur Außenrichtung des ringförmigen Einspritzrohrs 60 reichen, so dass die Kulturlösung mit der geblasenen Luft nach unten strömt.

Andererseits wird die Luft, die durch die am unteren Einspritzrohr 61 vorgesehene Einspritzdüse 63 strömt, in Richtungen geblasen, die von der Aufwärts- bis zur Innenrichtung des ringförmigen Einspritzrohrs 61 reichen, so dass die Kulturlösung nach oben strömt und dabei mit der geblasenen Luft das Zentrum des Einspritzrohrs 61 passiert.

Die Kulturlösung strömt daher zwischen dem oberen Einspritzrohr 60 und der Innenwand des Kulturgefäßes 20 nach unten, strömt dann nach oben und passiert dabei mit Hilfe der Einspritzdüsen 62 und 63 das Zentrum des unteren Einspritzrohrs 61, und somit kann die Kulturlösung zirkulieren. Während des obenstehenden Vorgangs werden die Kulturlösung und die Kulturmedien gleichmäßig vermischt, und der zugeführte Sauerstoff kann gleichmäßig zu den Mikroorganismen transportiert werden.

Demgemäß ist ein erfindungsgemäßer Bioreaktor fähig, die Kulturlösung umzurühren und ihr gleichzeitig ohne Verwendung eines zusätzlichen Rührwerks durch die eingeblasene Luft Sauerstoff zuzuführen.

Nach Beendigung der Kultivierung wird die Kulturlösung durch eine Öffnung des am Boden des Kulturgefäßes 20 vorgesehenen Abflussrohrs 24 ausgestoßen, und das Innere des Kulturgefäßes 20 wird durch den Betrieb der Hochtemperatur-Heizvorrichtung 51 unter Hochtemperaturbedingungen desinfiziert. Das Innere des Kulturgefäßes 20 wird rasch erhitzt und bei einer für diesen Arbeitsvorgang verwendeten Temperatur (etwa 95±5°C) durch den Betrieb der Hochtemperatur-Heizvorrichtung 51 desinfiziert.

Nachstehend wird der Fall beschrieben, in dem ein erfindungsgemäßer Bioreaktor bei der Abwasserbehandlung praktische Anwendung findet.

Die Belebungslösung eines Belebungsbeckens wird durch das Zuleitungsrohr 30 direkt in das Kulturgefäß 20 eingebracht und danach werden die Mikroorganismen unter denselben Bedingungen wie oben mit der Belebungslösung vermischt.

Solche Mikroorganismen werden durch die Einspritzdüsen 62 und 63 der Einspritzrohre 60 und 61 dem Abwasser zugeführt. Die Mikroorganismen reinigen das Schmutz- und Abwasser, indem sie organische Schmutzstoffe, welche die Mikroorganismen ernähren, aufspalten und entfernen, während die Mikroorganismen unter Verwendung des im Abwasser gelösten Sauerstoffs vermehrt werden.

Der Bioreaktor gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Mikroorganismen leicht kultivieren, indem die für das Kultivieren bestimmte Lösung von außen eingebracht wird.

Weiters kann der Bioreaktor gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Effizienz einer Abwasserbehandlung erhöhen, indem die Belebungslösung des Belebungsbeckens direkt kultiviert wird.

Der Bioreaktor gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Struktur auch vereinfachen, indem die Kulturlösung durch den in das Kulturgefäß eingeleiteten Sauerstoff ohne Verwendung eines zusätzlichen Rührwerks bewegt wird.