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Aerob-thermophile Reinigung mineralölkontaminierter Abwässer
(2004)
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Alexandra Oberthür
- 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.
