Mikrobiologischer Abbau von 4-Nitrophenol, 2,4-Dinitrophenol und 2,4-Dinitrotoluol in synthetischen Abwässern:
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Düsseldorf
VDI Verl.
1997
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adam_text | Titel: Mikrobiologischer Abbau von 4-Nitrophenol, 2,4-Dinitrophenol und 2,4-Dinitrotoluol in synthetischen
Autor: Heinze, Lars
Jahr: 1997
FORTSCHRITTBERICHTE VM Dipl.-Ing. Lars Heinze, Berlin Mikrobiologischer Abbau von 4-Nitrophenol, 2,4-Dinitro- phenol und 2,4-Dinitrotoluol in synthetischen Abwässern Reihe 15 : Umwelttechnik Nr. 167
Inhalt Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung................................................................ 1 2 Bekannte Ergebnisse und Zielsetzungen .......................................- 1 - 2.1 4-Nitrophenol ....................................................-2- 2.1.1 Verwendung, Herstellung und chemisch-physikalische Eigenschaften.......- 2 - 2.1.2 Produktionsmenge und Eintrag in die Umwelt..........................-3- 2.1.3 Toxizität.........................................................- 3 - 2.1.4 Abbau-Mechanismen ..............................................- 4 - 2.1.5 Umgebungsbedingungen für den mikrobiologischen Abbau...............-5- 2.1.6 Nitrifikation simultan zum Abbau von 4-Nitrophenol ....................-6- 2.1.7 Kinetische Untersuchungen zum 4-Nitrophenol-Abbau...................-6- 2.1.8 Umsetzung von 4-Nitrophenol in kontinuierlich betriebenen Systemen......-7- 2.1.9 Offene Fragen ....................................................-7- 2.2 2,4-Dinitrophenol .................................................- 8 - 2.2.1 Verwendung, Herstellung und chemisch-physikalische Eigenschaften.......- 8 - 2.2.2 Produktionsmengen und Eintrag in die Umwelt.........................- 8 - 2.2.3 Toxizität.........................................................- 9 - 2.2.4 Abbaumechanismen für 2,4-Dinitrophenol.............................- 9 - 2.2.5 Umgebungsbedingungen für den biologischen Abbau von 2,4-Dinitrophenol -11- 2.2.6 Abbau in Batch-Versuchen......................................... -11- 2.2.7 Kinetische Untersuchungen zum 2,4-Dinitrophenol-Abbau............... -11- 2.2.8 Abbau von 2,4-Dinitrophenol in kontinuierlichen Versuchen............. -12- 2.2.9 Offene Fragen zum aeroben Abbau von 2,4-Dinitrophenol ............... -12- 2.3 2,4-Dinitrotoluol................................................. -13- 2.3.1 Verwendung, Herstellung und chemisch-physikalische Eigenschaften......- 13- 2.3.2
Produktionsmengen und Eintrag in die Umwelt........................ -13- 2.3.3 Mikrobieller Abbau...............................................- 13 - 2.3.4 Umsetzung in kontinuierlich betriebenen Systemen..................... -14- 2.3.5 Offene Fragen ................................................... -15- 2.4 Zielsetzung der eigenen Untersuchungen und Wahl der Versuchsmethoden . -15 - 3 Verwendete Medien, Versuchsanlagen und Messmethoden....................... -17- 3.1 Verwendete Medien............................................... -17- 3.1.1 Substrat-Zusammensetzung für 4-Nitrophenol......................... -17- 3.1.2 Substrat-Zusammensetzung für 2,4-Dinitrophenol...................... -18- 3.1.3 Substrat-Zusammensetzung für 2,4-Dinitrotoluol....................... -19- 3.2 Beschreibung der verwendeten Versuchsanlagen....................... -19- 3.2.1 Der Festbett-Umlauf-Reaktor für 4-Nitrophenol und 2,4-Dinitrophenol.....- 19 - 3.2.2 Miniaturisierter Festbett-Umlauf-Reaktor für 2,4-Dinitrotoluol ...........- 22 - 3.2.3 Fed-Batch- und Batch-Reaktor......................................- 23 - 3.2.4 Biomasse-Vomats-Reaktor.........................................- 24 - - V-
Inhalt 3.3 Chemische und physikalische Messmethoden..........................- 26 3.3.1 Probe-Entnahme,-Aufbereitung und-Konservierung....................-26 3.3.2 Photometrische Bestimmung von 4-Nitrophenol und 2,4-Dinitrophenol ____- 26 3.3.3 Gaschromatographische Bestimmung von 2,4-Dinitrotoluol..............- 27 3.3.4 Untersuchung der Biomasse........................................-27 3.3.4.1 Bestimmung der Biomasse als organischer Trockenstoff.................- 28 3.3.4.2 Bestimmung der Biomasse als Protein................................- 28 3.3.4.3 Differenzierung der verwendeten Organismen .........................- 28 3.3.4.4 Elektronen-Mikroskopie...........................................- 28 3.3.5 Messung des gelösten organischen Kohlenstoffs (DOC) .................- 28 3.3.6 Bestimmung des anorganisch gebundenen Stickstoffs...................- 28 3.3.7 Sonstige Messverfahren ...........................................- 29 4 Reaktionstechnische Grundlagen der Versuchsauswertung .......................- 29 4.1 Modelle zur Beschreibung des Wachstums von Mikroorganismen.........-29 4.2 Ermittlung von Ertragskoeffizienten .................................-31 4.3 Bilanzierungen an den Versuchsanlagen..............................- 34 4.3.1 Bilanzen am Festbett-Umlauf-Reaktor................................-35 4.3.1.1 Substrat-Bilanz am Festbett-Umlauf-Reaktor..........................-35 4.3.1.2 Stickstoff-Bilanz am Festbett-Umlauf-Reaktor.........................-36 4.3.1.3 Sauerstoff-Bilanz am Festbett.......................................-36 4.3.2 Bilanzierungen an Batch-Reaktoren..................................- 37 4.3.2.1 Auswertung nach Monod bei annähernd konstanter Bakterien-Konzentration - 37 4.3.2.2 Auswertung nach Monod unter Berücksichtigung des Biomasse-Wachstums - 38 4.3.3 Bilanzierung von Versuchen im geregelten Fed-Batch-Reaktor ...........- 38 5 Ergebnisse zum Abbau von
4-Nitrophenol.....................................- 41 5.1 Abbau im Festbett-Umlauf-Reaktor..................................-41 5.1.1 Inbetriebnahme des Festbett-Umlauf-Reaktors.........................-41 5.1.2 Kontinuierlicher Abbau im Festbett-Umlauf-Reaktor ...................-41 5.1.2.1 Vereinzelung und Identifizierung der gebildeten Mischkultur.............- 42 5.1.2.2 Abhängigkeit der Substrat-Umsetzungsgeschwindigkeit im Festbett-Umlauf- Reaktor von der 4-Nitrophenol-Konzentration.........................- 44 5.1.2.3 Vergleich der eigenen Ergebnisse mit Angaben aus dem Schrifttum........- 46 5.1.3 Überprüfung der Mineralisierung durch die DOC-Bestimmung ...........-47 5.1.4 Sauerstoff-Verbrauch im Festbett-Umlauf-Reaktor .....................-47 5.1.5 Ergebnisse der Stickstoff-Bilanzierung am Festbett-Umlauf-Reaktor.......-49 5.1.5.1 Hemmung der Nitrifikation durch 4-Nitrophenol.......................-49 5.1.5.2 Ermittlung der molaren Stickstoff-Ertragskoeffizienten aus der Element-Bilanz ..................................................-51 5.1.5.3 Überprüfung des gemessenen Y° 02/s und Absicherung der verwendeten Element-Bilanz .......................................-51 5.1.6 Berechnung des Ertragskoeffizienten Y° B/S aus der Element-Bilanz........- 52 5.1.7 Bruttoreaktionsgleichung des Anabolismus und Katabolismus............-54 5.2 Begleitende kinetische Untersuchungen ..............................- 54 -VI-
Inhalt 5.3 Zusammenfassung der Ergebnisse zum Abbau von 4-Nitrophenol......... -57- 6 Ergebnisse zum Abbau von 2,4-Dinitrophenol .................................- 58 - 6.1 Abbau im kontinuierlich betriebenen Festbett-Umlauf-Reaktor ........... -58- 6.1.1 Umstellung des Festbett-Umlauf-Reaktors von 4-Nitrophenol auf 2,4-Dinitrophenol - 58 - 6.1.2 Kontinuierlicher Abbau im Festbett-Umlauf-Reaktor....................- 58 - 6.1.2.1 Beschreibung des Abbaus im Festbett-Umlauf-Reaktor in Abhängigkeit von der Substrat-Konzentration.....................................- 62 - 6.1.2.2 Auswertung zweier instationärer Betriebphasen........................- 63 - 6.1.2.3 Überprüfung der Mineralisierung durch die DOC-Bestimmung ........... -67- 6.1.3 Sauerstoff-Verbrauch im Festbett-Umlauf-Reaktor ..................... -68- 6.1.4 Stickstoff-Bilanz am Festbett-Umlauf-Reaktor......................... -69- 6.1.4.1 Ermittlung der molaren Stickstoff-Ertragskoeffizienten aus der Element-Bilanz ...............................................- 69 - 6.1.4.2 Überprüfung des ermittelten Ertragskoeffizienten Y° 02/s zur Absicherung der verwendeten Element-Bilanz....................................- 70 - 6.1.5 Berechnung von Y° B/S aus den Element-Bilanzen ...................... -71- 6.1.6 Bruttoreaktionsgleichung des Anabolismus und Katabolismus............ -72- 6.2 Begleitende kinetische Untersuchungen zum Abbau von 2,4-DNP.........- 73 - 6.2.1 Untersuchungen zum Abbau von 2,4-DNP im Batch-Reaktor............. -73- 6.2.2 Kinetische Untersuchungen zum Abbau von 2,4-Dinitrophenol im Fed-Batch-Reaktor - 74 - 6.3 Zusammenfassung der Ergebnisse zum Abbau von 2,4-DNP..............- 76 - 7 Ergebnisse zum Abbau von 2,4-Dinitrotoluol ..................................- 78 - 7.1 Abbau in Batch-Versuchen ........................................ -78- 7.1.1 2,4-Dinitrotoluol als Stickstoff-Quelle im Batch-Versuch................ -78- 7.1.2
Berechnung von Y° B/S aus Batch-Versuchen ohne zusätzliche Stickstoff-Quelle .......................................- 79 - 7.1.3 Berechnung von Y° (ylJS aus Y° no2/s .................................. -80- 7.1.4 Bruttoreaktionsgleichung des Anabolismus und Katabolismus............ -82- 7.1.5 Bestimmung der Abbau-Kinetik..................................... -82- 7.2 Abbau im kontinuierlich betriebenen miniaturisierten Festbett-Umlauf-Reaktor ..........................................- 85 - 7.3 Zusammenfassung der Ergebnisse zum Abbau von 2,4-Dinitrotoluol.......- 86 - 8 Zusammenfassung der Ergebnisse und Ausblick................................- 88 - Anhang .........................................................................- 90 - Literatur.........................................................................- 95 - -VII-
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