一种快速处理废水的方法及其组合物的制作方法

专利名称：一种快速处理废水的方法及其组合物的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于快速处理废水的包括微生物、酶和辅因子的协同组合物，以及一种去除废水中污染物的方法。
背景技术：
生物除污(Bioremediation)是指使用微生物、真菌、绿色植物或其酶处理由废水引起的自然环境污染的任何方法。更具体地，生物除污使用生命系统(living systems)尤其是微生物在不破坏自然环境的情况下催化难降解(recalcitrant)化学品的降解。工业部门如纺织业、造纸业、炼油厂、制药和食品加工单位(units)排放的废水中的主要化学成分包括但不限于染料、偶氮染料、活性染料或其组合，芳香族化合物，酚醛塑料，硝基苯。进一步地，废水还含有有机残体，如来自纤维、漂白剂和其他有机溶剂的纤维素和半纤维素物质。这些物质决定了排出水的色度、化学需氧量(C0D)、气味、总溶解固体以及其他污染参数。
基于去除和运输废料的处理，生物除污可以异位或原位实现。原位生物除污包括诸如生物通气、强化的生物降解(enhanced biodegradation)以及植物修复技术。原位生物除污的优点包括最低限度的现场破坏、污染土壤或水体的同步处理、最低限度的公众和现场人员接触以及低成本。
原位生物除污技术包括在同一处理过程的各阶段向废水中引入不同的活微生物菌株。优选地，现有技术中公知的方法已靶向了所形成的污泥。在形成的初期处理污泥一次，然后在废水的二级处理之后，获得活性污泥。大部分已知方法在培养物的生长对数期引入微生物/细菌菌株。这些活跃生长的微生物消耗废料和氧用于其增殖，并且每隔一定时间需要被活化，这导致了降解所需时间的增加。
因此，需要减少用于降解的时间，Kemira的美国申请No. 2006/0086659公开了这样一种用以减少 降解所需时间的方法。该方法包括以下步骤提供一种可以消化 (digesting)天然聚合材料的酶混合物，将所述酶混合物加入到污泥的水悬浮液中，之后将至少一种发酵细菌加入到上述悬浮液中，然后将所得悬浮液进行发酵。
酶的加入可以消化聚合材料，而且加入的微生物促进了污泥悬浮液的发酵，从而减少了处理时间。但是，该申请主要用于污泥悬浮液，并且仅用于处理天然聚合材料的降解。通常，甚至在污泥形成阶段之前也需要废水的快速处理。因此，需要一种可在任何处理阶段快速处理废水的方法。同样地，还需要一种可普遍适用存在于废水中的各种污染物的废水处理方法。
US 4478683描述了一种杀死并抑制工业生产液流中微生物生长的方法。该方法包括添加一种酶促催化抗微生物剂体系的步骤，利用微生物或植物脱氢酶如过氧化物酶或漆酶在氧化剂如过氧化氢或氧气存在下，氧化工业生产液流中发现的或添加的酚类化合物， 以产生对微生物有害的氧化产物。
US 7285217要求保护一种用于控制废品气味的协同组合物。该组合物包括硝酸盐、硫化物-消耗化合物(sulfide-consuming compound)、pH-提升化合物(pH-elevating compound)、硫化物-氧化和硝酸盐-还原细菌以及硫化物_氧化酶的组合。该方法包括 向废物流中加入足量的组合物以提供足量的硫化物-消耗化合物来快速除去硫化物。所述组合物包含了 pH-提升化合物，其可减少气态H2S的量，并使水相达到天然细菌在其中更容易代谢硫化物的PH值范围。该组合物还包括一种或多种硝酸盐，其可实现长时间的气味阻隔；制剂中还引入了特定细菌以保证硝酸盐具有正确种类和数量的细菌存在以防止形成和 /或消耗硫化物。制剂中还引入了特定的酶以促进硫化物的氧化。发明概要
本发明的一个目的是提供一种快速处理废水的方法或工艺，其在短时间内有效去除污染环境的天然和/或合成化合物。
本发明的另一个目的是提供一种包括微生物、·酶和辅因子的协同组合物，其用于快速去除废水中的污染物。
本发明涉及一种用于处理废水以去除污染物的组合物。所述组合物包括微生物、 酶和辅因子。此外，可将营养物加入到所述组合物中。所述辅因子包括氧化剂和金属离子的无机盐。本发明进一步公开的所述微生物可以单独使用或互相进行组合。所述酶也可以单独使用或互相进行组合。用于从废水中去除污染物的所述组合物为协同组合物，因为其可非常有效地处理废水以去除污染物，并减少此类工艺所需的总时间。
本发明还涉及一种用于废水处理以从中去除污染物的方法。所述方法包括将微生物、酶和辅因子的组合加入到废水中。使所述组合与废水反应至预定的时间。此外，还可将营养物加入至所述组合中。所述方法的最后步骤包括量化所述反应以确定废水的净化程度。


图1显示废水处理工艺中不同阶段的流程图。
图2显示用微生物菌株处理后与用微生物菌株、营养物、酶和辅因子的组合处理后的污水(effluent)参数下降的对比。
图3显示污水中色度(用钼-钴单位(Platinum-Cobalt units)表示)的下降。
图4显示污水中总溶解固体(TDS)的下降。
图5显示污水中以百万分之一(ppm)测量的化学需氧量(COD)的下降。
发明详述
本发明的一个实施方案涉及一种用于处理废水以去除污染物的组合物。所述组合物为一种协同组合物，包括微生物、酶和辅因子。此外，所述组合物还包括营养物。 存在于所述组合物的微生物选自单独的绿脓杆菌(Pseudomonas aeruginosa)、假单胞菌(Pseudomonas fluorescence)、恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)、解链无色杆菌 (Pseudomonas desmolyticum)、彩云革盖菌(Coriolus versicolour)、乳酸菌属枯草杆菌 (Lactobacillus sp. Bacillus subtilis)、腊样芽抱杆菌(Bacillus cereus)、葡萄球菌属 (Staphylococcus sp.)、黄抱平革菌(Phanerochaete chrysosporium)或其组合。优选地， 上述微生物均存在于所述组合物中。所述酶选自单独的过氧化物酶(依赖锰和不依赖锰)、木质素过氧化物酶、漆酶、过氧化氢酶、细胞色素c氧化酶、葡萄糖氧化酶、酚氧化酶、N-和 O-脱甲基酶、蛋白酶、脂肪酶、α-淀粉酶以及细菌素或其组合。优选地，上述酶均存在于所述组合物中。辅因子包括氧化剂和金属的无机盐。所述氧化剂为过氧化氢，其可以直接引入，或获自其前体如过硼酸盐或过碳酸盐，或获自能将分子氧和有机或无机底物转变为过氧化氢的酶。所述金属离子的无机盐为硫酸亚铁七水合物和氯化铁。所述营养物包括酵母提取物、动物组织的胃消化物、磷酸二铵、氯化钠、胰蛋白胨、大豆提取物、明胶的酶消化物 (enzymatic digest of gelatin)、硫酸镁、氯化|丐、氯化镁和硫酸钾。
所述组合物中存在的酶的量为10%-20%v/v的过氧化物酶(依赖锰和不依赖锰)、 7%-10%v/v的木质素过氧化物酶、7%-10%v/v的漆酶、1%_5%ν/ν的过氧化氢酶、O. 5%_3%v/v 的细胞色素c氧化酶、5%_10%v/v的葡萄糖氧化酶、3%_5%v/v的酹氧化酶、1%-2%ν/v的N-和 O-脱甲基酶、5%-7%v/v的蛋白酶、5%-7%v/v的脂肪酶、5%v/v的α -淀粉酶以及1%ν/ν的细菌素。
存在的辅因子为过氧化氢、硫酸亚铁七水合物(FeSO4. 7Η20)和氯化铁，其范围各为 5%-30%。
所述组合物中存在的营养物的量为O. 2%-0. 5%的酵母提取物、O. 3-0. 6%的动物组织的胃消化物、O. 05%-0. 2%的磷酸二铵、O. 3%-0. 8%的氯化钠、O. 3%-0. 6%的胰蛋白胨、 O. 2%-0· 5%的大豆提取物、O. 2%-0· 5%的明胶的酶消化物、O. 3%-0· 8%的硫酸镁、O. 3%_0· 8% 的氯化钙、O. 3%-0. 8%的氯化镁和O. 3%-0. 8%的硫酸钾。
所述组合物显示出协同增效作用并有效去除了废水中的污染物。酶将污染物分子离解成更简单的形态，微生物利用这些简单的中间体进行代谢活动从而彻底降解废水中的污染物。由于简单中间体的可获得性增加，微生物生长加快，产生了更多可以进一步降解污染物的酶。包括氧化剂和金属离子无机盐的辅因子对于酶催化促使污染物分子键断裂而言是必须的，也是非常重要的，因为键的断裂越快、污染物的降解越快。将硫 酸亚铁七水合物和氯化铁添加至组合物中以提供Fe+2和Fe+3离子的混合物。在Fe+2的存在下，酶具有更强的活性催化污染物分子键的断裂。Fe+2同样有助于微生物细胞的新陈代谢。没有Fe+2存在时，污水或废水中的污染物降解会受到影响。过氧化氢释放促进酶催化的分子氧。过氧化氢还与Fe+2进行反应，该反应能降低色度。营养物直接加强污水中微生物的生长和食物供应(sustenance)，有利于在代谢活动中合理利用这些简单分子，从而有助于废水中污染物的完全降解。没有营养物时，微生物的生长受到损害，进而影响其降解污染物的能力。可以理解的是，酶、微生物、辅因子和营养物是互相依赖的，相互密切作用使污染物分子易于降解。向废水中连续供应所述组合物可在短时间内去除污染物。
根据本发明的另一个实施方案，一种用于从废水中去除污染物的废水处理方法包括向待处理的废水中加入微生物、酶和辅因子的组合物或组合。使所述组合与废水进行反应。所述反应持续2-48小时。用所述组合物处理废水之后，量化所述反应以确定废水的净化程度。将营养物与微生物、酶和辅因子的组合一起添加至废水中。所述组合的添加步骤包括连续地将所述组合物通过现有废水处理厂曝气池的入口加入。添加所述组合时，必要时通过加入适当的酸或碱，将废水的pH值维持在6. 5-7. 5。曝气池的温度维持在25-40°C 的范围内。可将微生物、酶和辅因子的添加步骤在现有废水处理厂中整合为一个或多个步骤以降低排放废水中的污染物水平。
添加期间，所述组合物的流速根据废水的流速来调节。基于废水流速，通过设计用于连续输送所需量组合物的计量泵来调节组合物的流速。所述组合物相对于废水的量与存在于所得组合中的、或已存在于待处理废水中的微生物的量完全没有关联。由于存在活的对数期微生物、外源酶以及增强酶效率的辅因子，该方法能快速降解废水。
用组合物处理后废水的净化程度的量化通过参数的估算来实现，包括但不限于化学需氧量(C0D)、色度、总溶解固体(TDS)、总悬浮固体(TSS)以及气味。首先在需要进行测量的预期阶段(desired stage)的入口处进行量化，然后用组合物处理样品。持续预定的反应时间之后在预期阶段的出口处再进行一次量化以确定净化的程度。所述测量表示为参数下降的百分比，通过处理前后的参数值差进行计算。由于促进了脱色以及降低了化学需氧量和TDS，所述方法加强了可用水的最终回收。
存在于所述组合物中的微生物选自单独的绿脓杆菌、假单胞菌、恶臭假单胞菌、解链无色杆菌、彩云革盖菌、乳酸菌属枯草杆菌、蜡样芽孢杆菌、葡萄球菌属、黄孢平革菌或其组合。优选地，上述微生物均存在于所述组合物中。所述酶选自单独的过氧化物酶(依赖锰和不依赖锰)、木质素过氧化物酶、漆酶、过氧化氢酶、细胞色素c氧化酶、葡萄糖氧化酶、酚氧化酶、N-和O-脱甲基酶、蛋白酶、脂肪酶、α-淀粉酶以及细菌素或其组合。优选地，上述酶均存在于所述组合物中。辅因子包括氧化剂和金属无机盐。所述氧化剂为过氧化氢，其可以直接引入，或获自其前体如过硼酸盐或过碳酸盐，或获自能将分子氧和有机或无机底物转变为过氧化氢的酶。所述金属离子的无机盐为硫酸亚铁七水合物和氯化铁。所述营养物包括酵母提取物、动物组织的胃消化物、磷酸二铵、氯化钠、胰蛋白胨、大豆提取物、明胶的酶消化物、硫酸镁、氯化钙、氯化镁和硫酸钾。
所述组合物中酶的量为10%_20%ν/ν的过氧化物酶(依赖锰和不依赖锰)、7%_10%ν/ V的木质素过氧化物 酶、7%_10%ν/ν的漆酶、1%_5%ν/ν的过氧化氢酶、O. 5%-3%ν/ν的细胞色素c氧化酶、5%_10%ν/ν的葡萄糖氧化酶、3%_5%ν/ν的酹氧化酶、1%_2%ν/ν的N-和O-脱甲基酶、5%-7%ν/ν的蛋白酶、5%-7%ν/ν的脂肪酶、5%ν/ν的α -淀粉酶以及1%ν/ν的细菌素。 ν/ν表示特定酶的体积与终产物的总体积之比。
辅因子为过氧化氢、硫酸亚铁七水合物(FeSO4. 7Η20)和氯化铁，其范围各为 5%-30%。
所述组合物中营养物的量为O. 2%-0. 5%的酵母提取物、O. 3-0. 6%的动物组织的胃消化物、O. 05%-0· 2%的磷酸二铵、O. 3%-0· 8%的氯化钠、O. 3%_0· 6%的胰蛋白胨、O. 2%_0· 5% 的大豆提取物、O. 2%-0. 5%的明胶的酶消化物、O. 3%-0. 8%的硫酸镁、O. 3%-0. 8%的氯化钙、 O. 3%-0. 8%的氯化镁和O. 3%-0. 8%的硫酸钾。
根据本发明的另一个实施方案，废水的处理方法包括以下步骤
a.将微生物、酶和辅因子的组合物连同营养物混合物一起加入到废水中；
b.使所述组合物与废水反应预定的持续时间 '及
c.量化所述反应以确定废水的净化程度。
使用重铬酸钾通过开管回流法(open reflux method)处理之前,确定废水的化学需氧量(C0D)。在该方法中，将特定体积的已知浓度重铬酸钾加入到适当稀释的废水样品中。在浓硫酸存在下进行回流吸收步骤之后，通过残留于样品中的氧化剂的滴定分析或分光光度测定来计算样品中有机物质的起始浓度。向大量的蒸馏水中加入全部试剂(如酸和氧化剂)以建立空白样品。测量废水和空白样品的COD并将二者进行比较。原始样品中的 COD减去空白样品中的需氧量以确保有机物的真实测量值。
本发明其他的实施方案中描述了所述组合物和工艺参数。
图1显示了废水处理工艺中不同阶段的流程图。所述工艺包括首先将废水(下文称为样品)排放至收集池，然后至均衡池的步骤。在此阶段，除去筛渣和沉砂以便分离出对泵和处理工艺中其他设备有害的沙子及其余无机物。然后使样品进入中和池，用浓酸或碱将该池的PH值调节为中性(6. 5-7. 5)。中和后的样品进入初级沉淀池从水中分离出较重的固体颗粒物质，然后进入曝气池或通常被称作BIOT的生物氧化池。
在BIOT中，通过曝气和BIOT微生物群落的共同作用，澄清样品中的有机和无机物质被分解成更为简单的成分。在此阶段，将包括微生物、酶、辅因子连同营养物的组合物与流入的废水一起连续投入池中。废水在池中停留至预定时间。废水在池中的停留时间可基于水池大小和废水入池的流速来确定。经过组合物对废水的处理，再将处理后的废水送至二级沉淀池中沉淀悬浮物质和存在的微生物的生物质以形成污泥。随后，将此阶段得到的净水按照要求进行进一步加工。
获得不同微生物菌株共培养物(co-culture)的方法将单独的微生物菌株分别在纯培养物(pure culture)中进行培养直至生长对数期。然后各取10% (ν/ν)的每种纯培养物以制备含有上述全部微生物菌株的共培养物。将由此制备的共培养物进一步孵育至少8-14h以实现用于制备最终制剂的所有菌株的最大程度生长。在本发明的一个实施方案中，每种在生长周期对数期的菌株纯培养物各选择10%v/v (特定菌株培养物的体积/共培养物的总体积)。
施用于废水处理的包括微生物、酶和辅因子连同营养物的组合物的制备将单独的微生物菌株分别在纯培养物的营养物中进行培养直至生长对数期。然后各取10% (ν/ν) 的每种纯培养物用于制备含有上述所有微生物菌株的共培养物。将由此制备的共培养物进一步孵育至少8-14h以实现制备最终制剂的所有菌株的最大程度生长。向微生物菌株占 40%-60%体积/体积的共培养物中，加入60%-40%体积/体积的酶。将5%-30%的辅 因子随酶、微生物和营养物的组合一起加入。
由于酶、微生物和辅因子的促进作用，所述方法可以将存在于工业废水中的难降解化合物转变成更简单、更易于处理的中间体和终产物，由此降低了色度和C0D，并提高了用水的质量。组合物的持续加入保证了用于处理的菌群的有效(active)供给，因此不需要对处理后的废水进行再活化。酶的加入使复杂化合物快速降解为更简单的分子，使微生物更加容易摄取。废水中污染物降解所需的时间减少了。通过所述方法，使将酶-微生物组合的添加步骤合并至废水处理过程中的任意步骤成为可能。使用同样的酶、微生物和辅因子以及营养物的组合，所述方法可以处理任何类型的废水。
本发明在纺织厂、造纸单位、炼油厂、石化厂、制革厂、制药、化学品制造、发酵厂、 食品加工厂以及其他任何在废水中排放难降解化合物的单位中，都具有重要的工业化应用。
16小时的反应时间过后，用所述组合物处理污水后的从纺织、造纸单位排放的废水中测量的各种参数明显一致下降。出于说明目的，仅显示了个别测量参数。所示的第一个参数为采用了标准钼钴比色法(PC-单位)表明废水色度降低的色度估算。第二个参数为表明TDS明显减少的总溶解固体(以ppm计)。总溶解固体使用基于导电性的TDS测量仪进行估算。第三个分析的参数为表明废水中化学需氧量(以PPm计)明显降低的化学需氧量。 COD通过开管回流法进行估算。气味通过基于人体嗅觉器官感觉的感官法进行估算。
估算了用以证明所述方法效果的各个参数。结果证明了所述协同组合物及方法可以有效控制废水中的污染物。
所述微生物的来源和地理来源为
权利要求
1.一种用于处理废水的组合物，所述组合物包括微生物、酶和辅因子，其中所述微生物、酶和辅因子相互协同作用从而降低废水中的污染物水平。
2.如权利要求1所述的组合物，其进一步包括营养物。
3.如权利要求1所述的组合物，其中所述辅因子包括氧化剂和金属离子的无机盐。
4.如权利要求1所述的组合物，其中所述微生物选自单独的绿脓杆菌(Pseudomonas aeruginosa)、假单胞菌(Pseudomonas fluorescence)、恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)、解链无色杆菌(Pseudomonas desmolyticum)、彩云革盖菌(Coriolus versicolour)、乳酸菌属枯草杆菌(Lactobacillus sp. Bacillus subtilis)、腊样芽抱杆菌(Bacillus cereus)、葡萄球菌属(Staphylococcus sp.)、黄抱平革菌(Phanerochaete chrysosporium)或其组合。
5.如权利要求1所述的组合物，其中所述酶选自单独的过氧化物酶(依赖锰和不依赖锰)、木质素过氧化物酶、漆酶、过氧化氢酶、细胞色素c氧化酶、葡萄糖氧化酶、酚氧化酶、 N-和O-脱甲基酶、蛋白酶、脂肪酶、α -淀粉酶和细菌素或其组合。
6.如权利要求5所述的组合物，其中所述酶选自10%-20%ν/ν的过氧化物酶(依赖锰和不依赖猛)、7%_10%ν/ν的木质素过氧化物酶、7%_10%ν/ν的漆酶、1%_5%ν/ν的过氧化氢酶、O. 5%-3%ν/V的细胞色素c氧化酶、5%_10%ν/ν的葡萄糖氧化酶、3%_5%ν/ν的酹氧化酶、 1%-2%ν/ν的N-和O-脱甲基酶、5%_7%ν/ν的蛋白酶、5%_7%ν/ν的脂肪酶、5%ν/ν的α -淀粉酶和1%ν/ν的细菌素。
7.如权利要求3所述的组合物，其中所述氧化剂为过氧化氢。
8.如权利要求3所述的组合物，其中所述金属离子的无机盐为硫酸亚铁七水合物和氯化铁。
9.如权利要求2所述的组合物，其中所述营养物包括酵母提取物、动物组织的胃消化物、磷酸二铵和氯化钠、胰蛋白胨、大豆提取物、明胶的酶消化物、硫酸镁、氯化钙、氯化镁和硫酸钾。
10.如权利要求9所述的组合物，其中所述营养物包括O.2%-0. 5%的酵母提取物、O. 3-0. 6%的动物组织的胃消化物、O. 05%-0· 2%的磷酸二铵、O. 3%_0· 8%的氯化钠、O.3%-0. 6%的胰蛋白胨、O. 2%-0. 5%的大豆提取物、O. 2%-0. 5%的明胶的酶消化物、O.3%-0. 8%的硫酸镁、O. 3%-0. 8%的氯化钙、O. 3%-0. 8%的氯化镁和O. 3%-0. 8%的硫酸钾。
11.一种处理废水的方法，所述方法包括以下步骤将微生物、酶和辅因子的组合连同营养物一起加入到所述废水中；使所述组合与所述废水反应预定的持续时间；及量化所述反应以确定废水的净化程度，其中所述微生物、酶和辅因子的协同组合降低了所述废水中的污染物水平。
12.如权利要求11所述的组合物，其中所述辅因子包括氧化剂和金属离子的无机盐。
13.如权利要求11所述的组合物，其中所述微生物选自单独的绿脓杆菌、假单胞菌、恶臭假单胞菌、解链无色杆菌、彩云革盖菌、乳酸菌属枯草杆菌、蜡样芽孢杆菌、葡萄球菌属、 黄孢平革菌或其组合。
14.如权利要求11所述的组合物，其中所述酶选自单独的过氧化物酶(依赖锰和不依赖锰)、木质素过氧化物酶、漆酶、过氧化氢酶、细胞色素c氧化酶、葡萄糖氧化酶、酚氧化酶、N-和O-脱甲基酶、蛋白酶、脂肪酶、α -淀粉酶和细菌素或其组合。
15.如权利要求12所述的组合物，其中所述氧化剂为过氧化氢。
16.如权利要求12所述的组合物，其中所述金属离子的无机盐为硫酸亚铁七水合物和氯化铁。
17.如权利要求11所述的组合物，其中所述营养物包括酵母提取物、动物组织的胃消化物、磷酸二铵、氯化钠、胰蛋白胨、大豆提取物、明胶的酶消化物、硫酸镁、氯化钙、氯化镁和硫酸钾。
全文摘要
本发明公开了一种用于废水处理的方法和组合物。所述组合物包括微生物、酶和辅因子以及营养物。所述组合物为协同组合物，使用所述协同组合物可以有效处理废水以去除污染物。
文档编号C02F103/32GK103025668SQ201180022382
公开日2013年4月3日 申请日期2011年6月21日 优先权日2010年6月24日
发明者斯瓦蒂·苏查丽塔·达旭, 拉玛婵蒂拉帕·萨布拉玛尼, 蒂娜卡·萨斯娅巴山·坎帕拉 申请人:瑞奇克尔生命科学私人有限公司