专利名称：生物净化废物或废水的方法
技术领域：
本发明涉及净化废物的方法，更具体地讲，涉及净化废物的生物方法。
背景技术：
废物在一般条件下由环境中的天然微生物逐渐分解或生物降解。然而，环境波动 通常阻碍生物降解反应，如温度、PH、盐度、水和空气供应的变化等。废物，如废水和土壤废 物，可通过生物强化(bioaugmentation)生物净化，生物强化是引入一类非天然微生物或 基因工程变体，以加速废物生物降解，并使被污染物改变的环境返回到其初始状态。生物强化的一些主要缺陷是，为生物强化选择的微生物可能不在其新环境中繁荣 生长，并且对废物处理具有很小作用乃至没有作用。不能充分地使要处理的废物环境中的 微生物活化、适应环境和增殖可导致微生物短时间存活或不生长。生物强化的现有尝试涉及微生物在外部补给主营养源的装置或系统中生长或增 殖。因此，强化的微生物必须适应待在另外步骤中处理的环境。适应不充分的微生物在废 物处理系统中经历短时间存活或不生长。需要提供用于净化废物的改进的生物强化方法。发明概述在一个实施方案中，净化废物环境的方法包括处理一部分废物环境，以使天然微 生物失活或减少，将强化微生物加入到经处理的废物环境，使微生物培养物同时生长和适 应环境，并将微生物培养物排到废物环境。不同的实施方案提供具有同时适应环境和生长期的原位强化和降低成本的改善 方法。附图简述
图1为描绘净化废水的方法的示例性实施方案的示意图。图2为描绘净化废水的方法的示例性实施方案的示意图。图3为显示通过光密度测定的细胞生长的绘图。绘图为在600nm波长的光密度与 时间(小时)的关系图。图4为显示通过光密度测定的细胞生长的绘图。绘图为在600nm波长的光密度与 时间(小时)的关系图。发明详述除非上下文另外清楚地指明，单数形式“一”和“所述”包括复数讨论对象。叙述 相同性质的所有范围的端点可独立组合，并且包含所述端点在内。所有参考文献通过引用 结合到本文中。与量相关使用的修饰词“约”包含所述值在内，并且具有由上下文指定的意义(例 如，包括与具体量测量相关的公差范围)。“任选的”或“任选地”意味随后描述的事件或情况可发生或可不发生，或者随后确 定的物质可存在或不存在，并且此描述包括事件或情况发生或物质存在的情况和事件或情 况不发生或物质不存在的情况。
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在一个实施方案中，净化废物环境的方法包括处理一部分废物环境，以使天然微 生物失活或减少，将强化微生物加入到经处理的废物环境，使微生物培养物同时生长和适 应环境，并将微生物培养物排到废物环境。废物环境包含需要去除的污染物或废物。在一个实施方案中，废物环境可以为被 不合乎需要的化合物或污染物污染的工业或城市废水或垃圾，不合乎需要的化合物或污染 物如各种有机化合物、矿质元素、氮污染物或磷酸盐污染物。在一般条件下，污染物由废物 环境中的固有微生物分解或生物降解。当污染物不容易生物降解时，生物降解可能不发生 或以较慢的速率发生。在一个实施方案中，废物环境为废水，废水可经预处理，以去除或减少固体废物。 在另一个实施方案中，可将废水过筛，以去除粗固体。在另一个实施方案中，利用夹气水的 溶解空气浮选澄清器可用去除油、脂、脂肪和其他类型的悬浮固体。在另一个实施方案中， 废水可用消化器装置进行厌氧预处理，消化器装置使有机和无机物质分解成容易在需氧生 物过程中进一步氧化的各种最终产物，包括甲烷、二氧化碳和中间化合物。厌氧消化器利用 厌氧生物过程。生物强化，作为一种使环境恢复到标准状态的过程，包括用非天然微生物增殖强 化环境，以便以较快的速率分解污染物。强化微生物可以为适用于使废物环境中的污染物 生物降解的任何类型微生物，它们可以为厌氧、需氧或兼性性质。一部分废物环境用于滋养生物强化所用的微生物并使其适应环境。在一个实施方 案中，将此部分废物环境输送到生物反应器。在另一个实施方案中，生物反应器位于要处理 废物环境的场所。废物部分可连续送到生物反应器，或者可分一批或多批送入。在一个实施方案中，废物环境为垃圾，并且一部分垃圾可补加水以帮助将垃圾部 分输送到生物反应器。处理废物环境部分以去除、杀死或减少废物环境中的任何天然微生物群，并防止 这些微生物污染或干扰强化微生物。在一个实施方案中，通过加热、过滤或衰减生长限制因 素或天然微生物群的其他处理，可处理一部分废物环境。在另一个实施方案中，通过加热、 巴氏杀菌(pasteurizing)、灭菌(sterilizing)或处理废物环境处理一部分废物环境，以 使活天然微生物减少或失活。在一个实施方案中，通过将废物环境加热到至少约50°C处理 废物环境。在另一个实施方案中，通过将废物环境加热到约80°C至约150°C的温度处理废 物环境。在一个实施方案中，通过将环境加热到至少约100°C的温度使废物环境蒸汽灭菌。 在另一个实施方案中，将废物环境加热约10分钟至约1小时时间。在恒定温度条件下，微生物群死亡率为时间的对数函数
N tiog(—=—
N D其中Ntl为初始细菌数，N为在暴露时间t的细菌数，D为对数速率常数或D值(分 钟或小时)。D值(分钟)为在给定处理温度菌群得到Ilog(减少10倍)所需的时间。在另一个实施方案中，通过膜装置过滤废物环境处理一部分废物环境。膜适用于 去除天然微生物。在一个实施方案中，膜为微滤(MF)或超滤(UF)膜。在另一个实施方案 中，膜具有约0.01 μ至约10μ的孔径。在一个实施方案中，在生物反应器中处理一部分废物环境。在另一个实施方案中，
4将一部分废物环境在生物反应器中灭菌。在另一个实施方案中，在进入生物反应器时将一 部分废物环境过滤。将强化微生物加入到经处理的废物环境，此废物环境构成微生物生长和繁荣的 主要营养源。强化微生物可以为适用于使废物环境中的污染物生物降解的任何类型微生 物。在一个实施方案中，强化微生物为厌氧、需氧或兼性。强化微生物的实例包括但不限 于地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformus)、枯草杆菌(Bacillus subtilis)、荧光假单 胞菌(Pseudomonas fluorescens E.)、恶;M^iM单胞菌(Pseudomonas putida)、阴沟肠杆菌 (Enterobacter cloacae)禾口苏云金芽 包杆菌(Bacillusthuringeinsis)。强化微生物以足够使微生物培养物生长的量加入。在一个实施方案中，微生 物以至少约IXlO4Cfu/毫升流体的细胞浓度加入。在另一个实施方案中，微生物以约 IX IO4Cfu/毫升流体至约IX IO9Cfu/毫升流体的细胞浓度加入。在一个实施方案中，将微 生物加入到生物反应器中的废物环境。使微生物生长和增殖，以增加微生物的生物量密度，并形成微生物培养物。待得到 的生物量密度取决于生物反应器中细胞生长底物和营养物的量及细胞生长底物和营养物 如何有效地转化成生物质。在一个实施方案中，使微生物生长到至少5 X IO8个细胞/ml的 生物量密度。在另一个实施方案中，使微生物生长到约5 X IO8个细胞/ml至约5 X IO9个细 胞/ml的生物量密度。在另一个实施方案中，使微生物生长到约2. 5X IO9个细胞/ml。在一个实施方案中，使微生物保持基本指数生长，指数生长为介于滞后期和稳定 期之间的中途。在恒定条件下在培养物周期中，典型的生长周期具有四个不同期。四个生 长期为滞后期、指数期、稳定期和死亡期。在滞后期中，细胞数不增加，并且细胞准备活性生 长。最后，细胞分裂开始，并达到指数期生长。随着营养物耗尽或毒性代谢产物积累，生长 速率降低，生长停止。微生物可在生物反应器中生长。可用常规生物化学工程技术使微生物生长和增 殖，如分批进料、营养物给料和参数监测。同时使微生物适应要处理的废物环境。不必有使微生物适应废物环境的另外步 骤，因为用作微生物主营养源的废物环境也使微生物适应环境。微生物的主营养源为经处理的废物环境。根据经处理废物环境的营养组成和强化 微生物的要求，可能需要补充营养源使微生物生长和增殖。补充源可包括矿质元素和/或 添加的氮、磷或碳源。在一个实施方案中，强化微生物的营养源具有约100 5 1的最佳 COD N P比(COD为化学需氧量)。在另一个实施方案中，补加废物环境营养源，以达到 约100 5 1的COD N P比，或以氮和磷酸盐以非限制量存在的其他比补加。将微生物培养物排入、注入或种入废物环境，以达到生物强化处理。在一个实施方 案中，在微生物活性最高的指数生长期输送微生物。排放的微生物培养物的量为适用于使废物环境中污染物生物降解的任何量，并且 取决于要处理的废物环境的多个因素，例如流体流速、有机负荷量、天然微生物浓度、水力 停留时间和温度。在一个实施方案中，排放的微生物培养物的量为约lX105cfu/ml至约 5X108cfu/ml待处理流体的细胞浓度。生物强化微生物在废物环境中繁荣，并立即开始使废物生物降解。生物强化过程 可持续并且可成功进行，因为用废物环境滋养微生物并使其生长。用废物环境作为主营养
5源使微生物完全适应废物环境，并节省了将外部营养物提供到生长微生物的花费。也使制 备微生物培养物的时间减少，因为适应环境与微生物生长同时进行，并且不需要单独的适 应环境步骤。在一个实施方案中，生物反应器位于废物处理的场所，以提供原位生物强化。在另 一个实施方案中，使微生物生长，并且在废物环境中位于生物强化场所的生物反应器中原 位预处理废物环境。原位提供微生物为废物环境提供快速输送，并且使从变化或不稳定环 境输送期间可能对微生物产生的任何损害最大限度地减小，例如短时间存活。原位生物强化生物反应器可以为任何常规生物反应器类型。在一个实施方案中， 原位生物反应器包含装配有曝气、加热、pH、溶解氧和温度监测装置的罐。可在生物反应器 中安装混合器，如搅拌器或桨叶，以增加流体混合。生物反应器具有至少一个入口，以接收 要处理的一部分废物环境和用于接种(inoculation)或种入(seeding)的强化微生物源， 并具有至少一个出口，以释放培育的微生物。生物反应器可连续或周期性操作。图1显示利用原位生物强化反应器(20)的工业废水净化过程(10)的示例性实施 方案。任选预处理(40)工业废水(30)，以去除粗固体和悬浮的固体。在一个实施方案中， 将废水(30)过筛，以用筛网或格栅去除或减少粗固体。在另一个实施方案中，可用利用夹 气水的溶解空气浮选澄清器预处理(40)废水(30)，以去除油、脂、脂肪和其他类型悬浮固 体。任选在厌氧罐(50)中厌氧处理工业废水(30)，以消化污染物或使污染物生物降 解。生物降解在厌氧下发生，并且包括有机和无机物质生物分解成较容易在曝气罐(60)中 氧化的各种最终产物，包括甲烷、二氧化碳和中间化合物。将一部分废水(30)输送到生物强化生物反应器(20)，其余废水(30)送到曝气罐 (60)。在生物反应器(20)中处理废水(30)，以杀死、钝化或减少天然微生物，从而防止天然 微生物污染强化微生物的强化微生物培养物。在一个实施方案中，将生物反应器(20)加热 到至少约50°C温度，并在反应器(20)内处理废水(30)。在处理后，生物反应器(20)中的 温度降低到用于使强化微生物生长的适合温度。在一个实施方案中，使温度降低到约37°C 或低于37°C的温度。在另一个实施方案中，使温度降到约25°C至约37°C的温度。为了种入强化微生物培养物，将强化微生物源(70)送入生物反应器(20)。对生物 反应器(20)曝气(80)，以用空气或氧气源使强化微生物生长。可根据需要提供补充营养物 (90)，以促进强化微生物生长。种入的强化微生物经活化，并开始在生物反应器(20)中生 长和增殖，并形成微生物培养物。同时强化微生物适应废水(30)。处理废水(30)和使强化微生物生长的过程可作为分批过程进行，或者可连续进 行。在一个实施方案中，此过程以分批方式进行。通过将生物反应器(20)加热到适合温度， 然后使生物反应器(20)冷却，可将废水在生物反应器(20)内灭菌，以将强化微生物种入生 物反应器，并使强化微生物生长。在另一个实施方案中，通过在单独的灭菌罐(未显示)中 处理废水(30)连续进行此过程。然后，为了种入强化微生物并使其生长，将经处理的废水 提供到生物反应器(20)。单独的灭菌罐可连续或周期性将经处理的废水提供到生物反应器 (20)。然后将经强化的微生物培养物(25)输送到有氧罐(60)，有氧罐(60)也包含其余 废水(30)。对有氧罐(60)曝气，例如从空气或氧气源，经强化的微生物培养物开始消化和分解废水(30)中的有机物质和无机物质，如氨。将有氧处理的废水送到澄清器(100)，以通过沉降使净化的废水(110)从生物质 或活化的污泥(120)分离。净化的废水(110)从澄清器(100)的顶部移除。活化的污泥 (120)可以弃去，或者可返回到厌氧罐(50)(如果使用)，或者送到有氧罐(60)以补充这些 罐中的生物质。图2显示利用原位生物强化反应器(210)的工业废水净化过程(200)的示例性实 施方案。任选预处理(230)工业废水(220)，以去除粗固体和悬浮的固体。在一个实施方案 中，将废水(220)过筛，以用筛网或格栅去除或减少粗固体。在另一个实施方案中，可用利 用夹气水的溶解空气浮选澄清器预处理(230)废水(220)，以去除油、脂、脂肪和其他类型 悬浮固体。任选在厌氧罐(240)中厌氧处理工业废水(220)，以消化污染物或使污染物生物 降解。生物降解在厌氧下发生，并且包括有机和无机物质生物分解成较容易在曝气罐(250) 中氧化的各种最终产物，包括甲烷、二氧化碳和中间化合物。将一部分废水(220)输送到生物强化生物反应器(210)，其余废水(220)送到曝气 罐(250)。在进入生物反应器(210)前，转向的废水流通过膜(260)，以滤出天然微生物，从 而防止天然微生物污染生物反应器(210)中的强化微生物。在一个实施方案中，膜(260) 为微滤(MF)或超滤(UF)膜。经过滤的废水(265)送到生物反应器(210)。自膜(260)的 残余物(262)送入曝气罐(250)。为了种入强化微生物培养物，将强化微生物源(270)送入生物反应器(210)。对 生物反应器(210)曝气(272)，以用空气或氧气源使强化微生物生长。可根据需要提供补 充营养物(274)，以促进强化微生物生长。种入的强化微生物经活化，并开始在生物反应器 (210)中生长和增殖，并形成微生物培养物。同时强化微生物适应废水(220)。处理废水 (220)和使强化微生物生长的过程可作为分批过程进行，或者可连续进行。将经强化的微生物培养物(215)输送到有氧罐(250)，有氧罐(60)也包含其余废 水(220)。对有氧罐(250)曝气，例如从空气或氧气源，经强化的微生物培养物开始消化和 分解废水(220)中的有机物质和无机物质，如氨。将有氧处理的废水送到澄清器(290)，以通过沉降使净化的废水(225)从生物质 或活化的污泥(295)分离。净化的废水(225)从澄清器(290)的顶部移除。活化的污泥 (295)可以弃去，或者可返回到厌氧罐(240)(如果使用)，或者送到有氧罐(250)，以补充这 些罐中的生物质。为了使本领域的技术人员能够更好地实施本发明，现在给出以下实施例，这些实 施例作为说明，而不作为限制。
实施例实施例1通过混合25gFluka Nutrient Broth No. 1 (含15g蛋白胨、3g酵母提取物、6g氯 化钠和Ig D(+)_葡萄糖)、500mg苯酚和IL水，制备合成废水。将合成废水在121°C蒸汽灭 菌15分钟。将IOOml经灭菌的废水倒入4个500ml锥形瓶的各瓶中。瓶I用IOOmgBioPluS 29Q0(BioPluS 2900 为GE Water and Process Technologies销售的生物强化产品，这是
7一种在干麸糠载体上含约5X 109cfu/g量细菌的固体产品)接种。瓶II用300mgBioPluS 2900接种。瓶III用城市活化污泥以0.02g/L MLSS (混合液悬浮固体)接种。瓶IV用城 市活化污泥以0.04g/L MLSS接种。使用前，将所用活化污泥在冰箱中储存过夜。将所有四 个瓶在30°C在水浴摇床中以IOOrpm搅拌。取各瓶中细胞培养物的样品，并测定。用在eoonm光波长操作的HACH DR5000 分光光度计测定各样品的光密度。图3显示各样品的通过光密度测定的细胞生长-时间 的绘图。定期取各瓶的样品，并如图3中绘图测定。经35小时时间，观察这四个瓶的细 胞生长分布没有显著差异。虽然与具有2-4g/L MLSS的通常浓度并且不处于很活性环境 (由于在接种前已在冰箱中储存过夜)的典型活化污泥废水处理罐比较，瓶III和IV中的 接种活化污泥浓度显著更低，但却与瓶I和II中的接种的生物强化微生物以大约相同的 速率生长。图3也显示，接种的强化微生物活化，充分适应环境并且增殖，因为细菌量增加 2-31og(100-1000 倍)。在24小时从瓶III取Iml培养物(在指数生长期)，并种入含IOOml灭菌合成废 水的新500ml锥形瓶(瓶AS)。图4显示自瓶AS的样品的细胞生长分布。为了比较，在图 4中也包括自瓶I和II的样品的细胞生长分布。从活性生长活化污泥接种的微生物在前 10个小时比用BioPlus 产品接种更快地生长(由比生长速率计算快约3倍)。因此，如果 用废水使强化微生物活化、适应环境和增殖而不处理除去或减少天然微生物，废水中的天 然微生物就很容易地过度生长，并污染强化微生物培养。因此，废水的营养物由天然微生物 消耗，生物强化微生物的生长将受到天然微生物的极大抑制和污染。虽然已为了说明阐述一般实施方案，但不应将前述说明认为是对本发明范围的限 制。因此，本领域的技术人员可在不脱离本文的精神和范围下想到多种改进、修改和替代。
权利要求
一种净化废物环境的方法，所述方法包括处理一部分废物环境，以使天然微生物失活或减少，将强化微生物加入到经处理的废物环境，使微生物培养物同时生长和适应环境，并将微生物培养物排到废物环境。
2.权利要求1的方法，其中所述废物环境为废水或垃圾。
3.权利要求1的方法，其中处理一部分废物环境包括加热、巴氏杀菌、灭菌或处理废物 环境，以使活的天然微生物减少或失活。
4.权利要求3的方法，其中将废物环境加热到至少约50°C经历约10分钟至约1小时 时间。
5.权利要求1的方法，其中处理一部分废物环境包括通过膜过滤废物环境。
6.权利要求5的方法，其中所述膜包括微滤或超滤膜。
7.权利要求1的方法，其中所述强化微生物以至少约1X IO4Cfu/毫升流体的细胞浓度 加入。
8.权利要求1的方法，其中所述强化微生物在生物反应器中生长。
9.权利要求8的方法，其中所述生物反应器为位于废物环境场所的原位生物强化生物反应器。
10.一种净化废水的方法，所述方法包括处理一部分废水，以使天然微生物失活或减 少，将强化微生物加入到进一步处理部分的废水，使微生物培养物同时生长和适应环境，并 将微生物培养物排到废水中，使废物环境中的微生物培养物增殖，以分解废水中的有机和 无机物质，并从生物质分离经净化的废水。
11.权利要求10的方法，其中处理一部分废水包括加热、巴氏杀菌、灭菌或处理废水， 以使活的天然微生物减少或失活。
12.权利要求11的方法，其中将所述部分废水加热到至少约50°C经历约10分钟至约 1小时时间。
13.权利要求10的方法，其中所述部分废水由通过膜过滤废水来处理。
14.权利要求13的方法，其中所述膜包括微滤或超滤膜。
15.权利要求10的方法，其中所述强化微生物以至少约IXIO4Cfu/毫升流体的细胞浓 度加入。
16.权利要求10的方法，其中所述强化微生物在生物反应器中生长。
17.权利要求16的方法，其中所述生物反应器为位于废水场所的原位生物强化生物反应器。
全文摘要
一种净化废物环境的方法，包括处理一部分废物环境，以使天然微生物失活或减少，将强化微生物加入到经处理的废物环境，使微生物培养物同时生长和适应环境，并将微生物培养物排到废物环境。所述方法提供改善的废物生物净化和原位生物强化。一种净化废水的方法，包括处理一部分废水，以使天然微生物失活或减少，将强化微生物加入到进一步处理部分的废水，使微生物培养物同时生长和适应环境，并将微生物培养物排到废水中，使废物环境中的微生物培养物增殖，以分解废水中的有机和无机物质，并从生物质分离经净化的废水。
文档编号C02F3/34GK101977854SQ200980110604
公开日2011年2月16日 申请日期2009年2月20日 优先权日2008年3月18日
发明者S·王 申请人:通用电气公司