Abbau von PVA mit MO (Isolation und Identifizierung von Mikroorganismen zum biologischen Abbau von Polyvinylalkohol)

• Forschungsstelle: BAFU
• Projektnummer: UTF 435.31.12

Schlüsselwörter (Deutsch)

Polyvinyl-Alkohol, Entschlichte-Verfahren, mikrobieller Abbau, Abwasserbehandlung, PVA-Abbau, Enzyme, Textilveredelung

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Polyvinylalkohol (PVA) ist ein künstliches, thermoplastisches und wasserlösliches Polymer, welches auf Grund seiner Eigenschaften einen breiten Anwendungsbereich aufweist. So wird beispielsweise PVA in der Textilindustrie zur Unterstützung des Webprozesses auf das Rohgarn aufgebracht.

Bei der anschliessenden textilen Nassveredelung bei AG Cilander fallen dann beim Entschlichten des eingekauften Rohgewebes grosse Mengen mit PVA-belastete Abwässer an.

 Während die am höchsten belastete Waschflotte im Abwasservorbehandlungssystem aufkonzentriert und direkt dem anaeroben Abbau im Faulturm zugeführt wird, gelangen grosse Mengen weniger stark belasteter Abwässer unbehandelt in die kommunale ARA.

 

PVA, welche biologisch schwer abbaubar sind, werden aufgrund der stark schwankenden Tageskonzentrationen im Abwasser der AG Cilander und der kurzen durchschnittlichen Verweilzeit in der ARA (ca. 3 Tage) kaum umgesetzt.

 

Durch verschärfte Auflagen des Amts für Umwelt und Energie (AFU) für die Einleitbedingungen der kommunalen ARA in Gewässer fallen bei der ARA Flawil in den nächsten Jahren Investitionen von ca. 8 Mio. CHF an. An diesen Kosten muss sich die AG Cilander als grosser Frachteinleiter massgeblich beteiligen.

 

Mikroorganismen bzw. daraus isolierte PVA-abbauende Enzyme bilden die Grundlage für die Entwicklung eines erweiterten biologischen Entschlichteverfahrens für die Textilveredelung, durch welches PVA zugänglich für einen raschen mikrobiellen Abbau in der ARA gemacht werden soll.

Ergebnisse gemäss Vertrag (Deutsch)

1. Aus Anreicherungskulturen, gezüchtet aus Probenmaterial der AG Cilander durch die  EMPA, sind einzelne PVA-abbauende Spezies isoliert und charakterisiert.

 

2. Durch das Screening und Testen auf oxidativen PVA-Abbau der Stammsammlung der Firma Madep S.A. sind  Mikroorganismen im Hinblick auf ihre Fähigkeit zum PVA-   Abbau charakterisiert. Meilenstein 1.

 

3. Ausgewählte Bakterienstämme aus Stammsammlungen, die aus Textilbetrieben und Papierfabriken isoliert wurden, sind auf PVA-Abbau charakterisiert, die PVA-Abbaurate und PVA-Abbaumengen bekannt.

 

4. Das Kommerzialisierungspotential der Ergebnisse ist evaluiert und liegt vor. Meilenstein 2.

 

5. Redaktion eines Schlussberichtes mit Darstellung der Ergebnisse aus 1. bis 4.

 

6. Bereitstellung von Textbausteinen und Illustrationen für die Erstellung eines Publikums-Factsheets

 

7. Präsentation der Ergebnisse an einem wissenschaftlichen Kolloquium beim BAFU mit entsprechender Power-Point Darstellung

Projektziele (Deutsch)

Ziel der Machbarkeitsstudie ist die Isolierung und Identifizierung mehrerer Mikroorganismen, die die enzymatische Ausstattung zum oxidativen Abbau von PVA besitzen, und somit als Grundlage für weiterführende Studien,  PVA-Bioremediation und Entwicklung eines erweiterten enzymatischen Entschlichteverfahrens für die Textilveredelung dienen.

Beschreibung der Resultate (Deutsch)

In der Textilveredelung fallen beim Entschlichten angekaufter Rohtextilien grosse Mengen stark belasteter Abwässer an. Den Hauptteil der darin gelösten Fracht bilden polymere Schlichtehilfsmittel wie Stärke und Polyvinylalkohole (PVA). Während Stärke schon beim Entschlichten durch Zugabe des Stärke-hydrolysierenden Enzyms Amylase gespalten und damit leicht zugänglich für den Abbau durch Mikroorganismen gemacht wird, gelten PVA als problematisch, da sie biologisch nur sehr langsam abbaubar sind und aufgrund der kurzen durchschnittlichen Verweilzeit des Abwassers in der Kläranlage kaum umgesetzt werden. In der an der Empa durchgeführten Machbarkeitsstudie wurden aus Wasser- und Klärschlammproben der Kläranlagen Herisau und Flawil drei mikrobielle Mischkulturen isoliert, die die Fähigkeit besitzen auf PVA als einziger Kohlenstoffquelle zu wachsen und das Polymer abzubauen. Unter standardisierten Laborbedingungen konnten maximale PVA-Abbauraten von ca. 100 mg/L pro Tag (300 bis 400 mg/L pro Tag mit Zusatz von Hefeextrakt) erreicht werden. Die adaptierten Kulturen setzten drei verschiedene Typen von PVA um, darunter zwei, die gängig in Schlichtehilfsmitteln eingesetzt werden. Beim Projektpartner Madep S.A. wurden durch Abbauexperimente drei weitere bakterielle Konsortia identifiziert, die PVA im Nährmedium mit ähnlichen Raten wie die an der Empa isolierten Kulturen abbauen können.

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Die in der Machbarkeitsstudie erzielten Ergebnisse machen deutlich, dass mit Hilfe adaptierter mikrobieller Mischkulturen ein rascher biologischer Abbau von PVA unter konstanten Kulturbedingungen im Labor gelingt. Weitere Untersuchungen müssen zeigen, ob der Einsatz der PVA-abbauenden Kulturen und damit eine praktische Umsetzung der in der Machbarkeitsstudie erzielten Ergebnisse im Textilbetrieb möglich ist (siehe Beschreibung zum weiteren Vorgehen in 3.).

Weiteres Vorgehen (Deutsch)

Um den Abbau von PVA im Textilabwasser zu gewährleisten, soll der Fokus weiterführender Studien zunächst auf eine Untersuchung der PVA-abbauenden Kulturen unter realitätsnahen Kulturbedingungen in Schlichteabwässern gerichtet werden. Dabei muss zwingend untersucht werden, in welcher Weise der mikrobielle Abbau von PVA durch Schwankungen der PVA-Konzentration, des pH-Werts und der Temperatur sowie durch die Anwesenheit von weiteren im Textilabwasser befindlichen Stoffen beeinflusst wird. Sollten diese Versuche positiv verlaufen, müssen Langzeitstudien Aufschluss über die mikrobiologische Stabilität der Mischkulturen sowie über den fortlaufenden Abbau von PVA unter wechselnden Wachstumsbedingungen geben. Fernziel ist der Aufbau einer „Mini-ARA“ als Pilotanlage, in welcher schon vor dem Einleiten der Schlichteabwässer in die kommunale Kläranlage ein biologischer Abbau von PVA stattfinden kann. Zeitgleich sollen die für den PVA-Abbau verantwortlichen Enzyme isoliert, biotechnologisch hergestellt und für ein erweitertes enzymatisches Entschlichteverfahren eingesetzt werden, das bereits während des Entschlichtens den Abbau von PVA auf dem Textil erlaubt.

Publikationen / Ergebnisse (Deutsch)

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