Holtmann, Dirk

Elektrochemisches Monitoring mikrobieller Aktivität

Grundlagen und Anwendung in der Abwasserreinigung

Electro-Chemical Monitoring of Microbial Activity
Fundamentals and Application in Waste Water Treatment

Thesis

Filetyp: PDF (.pdf)
Size: 3083 Kb

Schlüsselwörter:

Bioaktivitätssensor, Abwasserreinigung, Elektrochemie, mikrobielle Aktivität, Stoffwechsel

bioactivity sensor, wastewater purification, electrochemistry, microbial activity, metabolic pathways

Sachgruppe der DNB
42 Chemische Technik, Lebensmittel-, Textiltechnik u.a. Technologien


Doctoral Dissertation accepted by: Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg , The Faculty for Process and Systems Engineering, 2005-09-09

Abstract

The topic of this thesis was the application of an electrochemical sensor to determine microbial activity. This bioactivity sensor (BAS) is based on the principle of a biofuel cell; the electron transfer from the biological component to the anode of the sensor was used for analytical applications. Online determination of microbial activity using the BAS demonstrated the fact that, when cultivat different microorganisms with different metabolic pathways, an activity signal for all the organisms was measurable. Furthermore the results permitted a quantitative comparison of the BAS signals. It was shown, among other things, that with anaerobic E. coli fermentations the highest signals could be measured. The reason for this is the formation of electroactive fermentation products, such as formic acid and hydrogen. Electron transport between the microorganisms and the electrode of the BAS could be characterized, for example, in terms of temporal dynamics and the concentration of electroactive metabolic intermediates. The practical applicability of the BAS was exemplified by biological wastewater purification. The corresponding investigations were carried out in laboratory-scale purification plants and in municipal and industrial wastewater treatment plants. The investigations in the laboratory purification plants showed that changes in the microbial activity of all relevant metabolic processes could be detected. Thus the BAS is one of the first sensors capable of detecting the activity of aerobic autotrophic and heterotrophic activated sludge and also that of anoxic heterotrophic activated sludge. The BAS signal was compared with established methods for the determination of microbial activity and the advantages of the electrochemical system were presented. The effects of toxic substances on the activity of microorganisms were investigated in tests with E. coli, S. cerevisiae and activated sludge; it was possible to show dose-effect relationships with the BAS. A prototype of the BAS was developed for application in real wastewater treatment plants; this automated measurement set-up was tested in municipal and industrial wastewater treatment plants of different total numbers of inhabitants and population equivalents. In the context of these practical investigations it was possible to measure the changes in microbial activity during continuous and periodic operation and to detect any disturbances that arose. The use of the BAS for the optimization of purification processes was exemplified by an increase in the space-time yield as well as by the determination of the degradation potential in the laboratory plant; further applications of the sensor system were examined in the framework of the practical investigations. The laboratory purification plant was simulated using SIMBAŽ software on the basis of the ASM 1 model; the measurement results and the simulated values of the microbial activity were compared quantitatively and qualitatively. To summarise, it was demonstrated that the BAS represents a novel sensor which is suitable for detecting the processes in biological wastewater treatment online. Furthermore the investigations conducted resulted in a better understanding of the basic principle of the BAS and thus opened up the way for further applications in the future.

In der vorliegenden Arbeit wurde der Einsatz eines elektrochemischen Sensors zur Bestimmung der mikrobiellen Aktivität untersucht. Dieser Bioaktivitätssensor (BAS) basiert auf dem Prinzip einer Biobrennstoffzelle. Die Elektronenübertragung von der biologischen Komponente zur Anode des Sensors wird hier für analytische Anwendungen genutzt. Durch online-Bestimmung der mikrobiellen Aktivität mit dem BAS bei der Kultivierung von unterschiedlichen Mikroorganismen mit verschiedenen Stoffwechselwegen konnte gezeigt werden, dass bei allen getesteten Organismen ein Aktivitätssignal messbar war. Die Ergebnisse erlaubten einen quantitativen Vergleich der BAS-Signale. Es zeigte sich unter anderem, dass bei anaeroben Fermentationen von E. coli die höchsten Signale gemessen werden konnten. Ursache hierfür ist die Bildung von elektroaktiven Gärprodukten wie Ameisensäure und Wasserstoff. Der Elektronentransport zwischen den Mikroorganismen und der Elektrode des BAS konnte zum Beispiel hinsichtlich der zeitlichen Dynamik und der Konzentration an elektroaktiven Stoffwechselintermediaten charakterisiert werden. Die praktische Anwendbarkeit des BAS wurde anhand der biologischen Abwasserreinigung dargestellt. Die entsprechenden Untersuchungen wurden sowohl in Laborkläranlagen als auch in kommunalen und industriellen Abwasserbehandlungsanlagen durchgeführt. Mit den Untersuchungen in den Laborkläranlagen wurde gezeigt, dass die Änderungen der mikrobiellen Aktivität aller relevanten Stoffwechselvorgänge detektiert werden konnten. Damit steht mit dem BAS erstmals ein Sensorsystem zur Verfügung, mit dem die Aktivitäten sowohl der aeroben hetero- und autotrophen Biomasse als auch der anoxischen Denitrifikanten und der anaeroben Mikroorganismen detektiert werden können. Das BAS-Signal wurde mit etablierten Methoden zur Bestimmung der mikrobiellen Aktivität verglichen und es konnten die Vorteile des elektrochemischen Systems dargestellt werden. Die Wirkungen von stoffwechselspezifischen Hemmstoffen auf die Aktivität der Mikroorga-nismen und damit auf das BAS-Signal wurden in Versuchen mit E. coli, S. cerevisiae und Belebtschlamm untersucht. Es konnten quantitative Dosis-Wirkungs-Beziehungen aufgezeigt werden. Für den Einsatz in realen Abwasserbehandlungsanlagen wurde ein Prototyp des BAS entwickelt. Dieser automatisierte Messaufbau wurde in kommunalen und industriellen Abwasserreinigungsanlagen verschiedener Ausbaugrößen erprobt. Im Rahmen dieser Praxisuntersuchungen konnten die Änderungen der mikrobiellen Aktivität während kontinuierlicher und periodischer Fahrweisen aufgezeigt und auftretende Störungen detektiert werden. Der Einsatz des BAS zur Optimierung der Kläranlagenprozesse wurde am Beispiel einer Steigerung der Raum-Zeit-Ausbeute sowie der Bestimmung des Abbaupotentials im Labormaßstab gezeigt. Weitere Nutzungspotentiale des Sensorsystems wurden im Rahmen der Praxisteste untersucht. Die Laborkläranlage wurde mit dem Softwarepaket SIMBAŽ auf Basis des Modells ASM 1 simuliert. Es konnten die Messergebnisse und die simulierten Werte der mikrobiellen Aktivität quantitativ und qualitativ verglichen werden. Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass mit dem BAS ein neuartiger Sensor zur Ver-fügung steht, welcher geeignet ist, die Prozessverläufe in der biologischen Abwasserreinigung online zu detektieren. Weiterhin wurden die Grundlagen des BAS durch die durchgeführten Untersuchungen besser verstanden und damit der Weg für zukünftige weitergehende Nutzungen eröffnet.

Betreuer Reichl, Udo; Prof.Dr.
Gutachter Reichl, Udo; Prof.Dr.
Gutachter Mörl, Lothar; Prof. Dr.
Gutachter Sell, Dieter; PD Dr.

Upload: 2005-11-21
URL of Theses: http://diglib.uni-magdeburg.de/Dissertationen/2005/dirholtmann.pdf

Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg , Universitätsbibliothek
Universitätsplatz 2 , D - 39106 Magdeburg