用于产生微生物生物质的废水处理的制作方法
【专利说明】
[0001] 涉及相关申请
[0002] 本申请要求2013年5月29日提交的，标题为"WASTEWATERTREATMENTFORTHE PRODUCTIONOFMICROBIALBIOMASS"的美国临时申请号61/828, 504的优先权，其公开通过 全文提述并入本文。
技术领域
[0003] 本文中提供的本公开一般地涉及废水处理领域，且更具体而言，涉及用于处理废 水以产生微生物生物质的方法。本文中提供的方法是有用的，因为其增强废水处理，并产生 富含蛋白质的微生物生物质，所述生物质可用于制备动物饲料等。
【背景技术】
[0004] 许多工业上生产的产品的制造涉及水的使用，导致生成水性废物流作为制造工艺 的副产品。为了限制与废物流的丢弃相关的环境冲击，通常将有机污染物从废物流通过需 氧生物水处理来去除，即通过培养微生物来去除，所述微生物转化存在于水性废物流中的 污染物（pollutant)以产生微生物细胞物质，二氧化碳和其它代谢物，以及相对不含沾染 物（contaminant)的水。
[0005] 典型的生物废水处理工艺涉及在通气的反应器内培养微生物细胞，所述反应器包 含水性废水和悬浮生长于所述水性废水中的微生物细胞。通常允许在通气的反应器中产生 的微生物细胞持续溢流入固-液分离器（例如重力澄清器、溶解空气浮选容器，或基于膜的 系统），生成澄清的流出物和微生物生物质，常常称作"活性淤泥"。然后将流出物排放于当 地的水路，注入地下或以任何合适的方式排放，并将微生物物质部分地送回至通气反应器 (常常称作"返回的活性淤泥（returnactivatedsludge)"或"RAS"），且部分作为固体废 物丢弃（常常称作"废弃的活性派泥（wasteactivatedsludge)"或"WAS"）。
[0006] 已知的废水处理工艺呈现数种缺点。首先，必须丢弃废弃的活性淤泥组分，且丢弃 成本常常是废水厂运营中显著的成本构成。然而，废弃的活性淤泥可转化为有价值的产品， 例如动物饲料产品（参见美国专利7, 931，806)，由此显著地改善废水处理的经济情况。
[0007] 其次，废水流在其组成成分方面呈现较大程度的差异。例如，昼夜差异，季节差异， 和由上游制造工艺中的差异性导致的差异，均具有影响有机化合物，无机微量营养物，和其 它废水成分的可能。取决于废水流的组成成分，废水流可或多或少地适于作为有效的介质 用于在曝气池中培养微生物细胞。
[0008] 第三，常常观察到丝状微生物生物体在常规通气的生物废水系统中生长，该现象 称为丝状膨胀（filamentousbulking)(参见美国专利申请号2011/0139714)。丝状微生物 生物体的生长导致澄清工艺中的固液分离中微生物物质的不良分离和不良压缩，进一步潜 在地导致不合意的微生物物质被携带至流出物中，以及不合意的废弃的活性淤泥的丧失， 和藉此不合意的供转化为有价值产品的原料的丧失。
[0009] 第四，常规废水处理实践通常着眼于减少产生的总生物质以降低丢弃成本。这通 常通过将细胞保持在有氧的废水处理系统中较长期的时间以在曝气池中将其矿化为二氧 化碳来实现。这使得细胞衰老，导致平均而言较低的胞内蛋白水平。同样也常常观察到该将 细胞维持较长期间的方法可导致营养物特别是氮和磷更不良的去除速率，在许多情况下， 为了满足环境标准，必须在释放之前的流出物中控制所述营养物的浓度。此外，该方法需要 大量氧气矿化有机化合物，这向废水处理增加了显著的成本。减少平均细胞年龄（亦称作 "平均细胞停留时间（meancellresidencetime)"或"MCRT"）导致仍更年轻的细胞的质 量的增加，所述细胞当合适地生长时，具有含有高浓度的蛋白和其它营养成分的潜力。
[0010] 第五，常规废水处理方法需要使用大量的氧，其通常由通气鼓风机（aeration blower)操作来供应；然而这增加了资本和运营成本。
[0011] 此外，一些食品工艺来源的废水含有不利地影响微生物生长的化合物。这些化合 物最通常来源于加工为食品的植物材料，并导致不良的废水处理和使所谓"混合液悬浮固 体浓度（mixedliquorsuspendedsolids)"（或〃MLSS〃）相比通常观察到的浓度降低。
[0012] 因此，用于在废水处理操作中产生微生物物质的常规方法仍然存在显著的缺点， 限制了可回收的增殖产品（value-addedproduct)的总量，且有时导致流出物受不合意地 高浓度的营养物和/或微生物生物体污染。
【发明内容】
[0013] 在多种实施方案中，本发明提供了改善的和新颖的使用水性废水流作为生长介质 用于产生微生物生物质的方法。提供的方法在许多方面优于之前已知的方法，包括用于产 生微生物生物质中的营养组分，限制废水处理池中的丝状微生物，减少氮和磷的流出水平， 将微生物生物质转化为有价值的产品，和从包含抑制微生物生长的化合物的废水产生有价 值的产品的能力。
[0014] 此外，在多种实施方案中，本发明提供了改善的和新颖的使用水性废水流作为生 长介质用于对于一种或多种微生物菌株富集微生物生物质的方法。此种富集允许产生所需 的微生物化合物。
[0015] 相应地，在多种实施方案中，本发明提供了改善的用于生长微生物物质的方法，其 包括：
[0016] (a)提供水性废水流；
[0017] (b)确定水性废水流中微量营养物的浓度，所述微量营养物选自铝、硼、钴、镁、锰 和锌，及其任意组合；
[0018] (c)确定微量营养物的生物需氧量（B0D)归一化剂量；
[0019] (d)调制水性废水流中至少一种微量营养物的浓度以提供微量营养物调制的水 性废水流，由此使得所述微量营养物调制的水性废水流具有（i)铝的B0D归一化剂量为约 60mg/日/lbB0D/日至约285mg/日/lbB0D/日；（ii)硼的B0D归一化剂量为约115mg/ 日/lbBOD/日至约300mg/日/lbBOD/日；（iii)钴的BOD归一化剂量为约50mg/日/ lbB0D/日至约500mg/日/lbB0D/日；（iv)镁的B0D归一化剂量为至少约100mg/日/lb BOD/日；（v)锰的BOD归一化剂量为约65mg/日/lbBOD/日至约220mg/日/lbBOD/日； 和（vi)锌的BOD归一化剂量为约115mg/日/lbBOD/日至约275mg/日/lbBOD/日；和
[0020] (e)在微量营养物调制的水性废水流中生长微生物生物质。
[0021] 依照本公开获得的微生物生物质可用作制备动物饲料的成分。
[0022] 在本发明的一些实施方案中，步骤（b)进一步包括确定常量营养物BOD和氮和磷 的浓度，其中BOD和氮和磷的浓度在步骤⑷中调制以提供⑴至少100mg/升B0D:6-20mg/ 升氮的BOD:氮比；和（ii)至少100mg/升B0D:0. 5-2mg/升磷的BOD:磷比。
[0023] 微量营养物以及任选地，常量营养物的浓度，可通过增加微量营养物或任选地，常 量营养物的浓度，或减少微量营养物或任选地，常量营养物的浓度，来进行调制。
[0024] 依照本公开获得的微生物生物质可用作制备动物饲料的成分。
[0025] 在一些实施方案中，本文中提供的方法进一步包括步骤（f)，其包括用在步骤（e) 的生长之后获得的微量营养物调制的水性废水流稀释第二水性废水流以获得稀释的废水 流。
[0026] 本发明亦提供了供用作产生微生物生物质的添加剂的组合物，所述组合物包含 铝、硼、钴、镁、锰和锌的混合物，其中所述混合物包含（i)约5. 5%至约28. 6%(w/w)铝；（ii) 约 4. 8% 至约 9.l%(w/w)硼；（iii)约 1. 8% 至 9. 3%(w/w)钴；（iv)约 9. 5% 至约 72. 7%(w/w) 镁；（v)约 7. 3% 至约 23. 9% (w/w)锰；和（vi)约 3. 6% 至约 23. 9% (w/w)锌。
[0027] 在本发明的一个实施方案中，用于产生微生物生物质的水性废水流中的丝状微生 物的生长受限制。相应地，本发明进一步提供了用于限制用于产生微生物生物质的水性废 水流中的丝状微生物的生长的方法，其包括：
[0028] (a)提供水性废水流；
[0029] (b)确定水性废水流中多种微量营养物的每一种的浓度，所述微量营养物包括铝、 硼、妈、钴、镁、猛和锌；
[0030] (C)确定所述微量营养物中每一种的生物需氧量（B0D)归一化剂量；
[0031] (d)调制水性废水流中至少一种微量营养物的浓度以获得微量营养物调制的水 性废水流，由此使得所述微量营养物调制的水性废水流具有（i)铝的B0D归一化剂量为约 60mg/日/lbB0D/日至约285mg/日/lbB0D/日；（ii)硼的B0D归一化剂量为约115mg/ 日/lbBOD/日至约300mg/日/lbBOD/日；（iii)钴的BOD归一化剂量为约50mg/日/ lbB0D/日至约500mg/日/lbB0D/日；（iv)镁的B0D归一化剂量为至少约100mg/日/lb BOD/日；（v)锰的BOD归一化剂量为约65mg/日/lbBOD/日至约220mg/日/lbBOD/日； 和（vi)锌的BOD归一化剂量为约115mg/日/lbBOD/日至约275mg/日/lbBOD/日；和
[0032] (e)使用微量营养物调制的水性废水流生长微生物生物质。
[0033] 在某些方面，本发明提供了微量营养物调制的废水流，其表征为当用至少一种微 营养物以下述方式调制时，沉降的派泥体积（settledsludgevolume，SSV)与从未经调制 的水性废水流收集的废水的SSV相比要更低，在所述方式中，获得了微量营养物调制的水 性废水流，其具有（i)铝的B0D归一化剂量为约60mg/日/lbB0D/日至约285mg/日/lb BOD/日；（ii)硼的BOD归一化剂量为约115mg/日/lbBOD/日至约300mg/日/lbBOD/日； (iii)钴的BOD归一化剂量为约50mg/日/lbBOD/日至约500mg/日/lbBOD/日；（iv)镁 的BOD归一化剂量为至少约100mg/日/lbBOD/日；（v)锰的BOD归一化剂量为约65mg/日 /lbB0D/日至约220mg/日/lbB0D/日；和（vi)锌的B0D归一化剂量为约115mg/日/lb BOD/ 日至约 275mg/ 日/lbBOD/ 日。
[0034] 此外，在某些方面，本发明提供了微量营养物调制的废水流，其表征为在微量营养 物调制之后一至三或更多平均细胞停留时间（MCRT)，其SSV与来自从相同的废水流收集的 废水相比较低。此外，依照本发明的方法，用至少一种微量营养物调制废水，导致水性废水 流中肉眼可观察到的微生物丝状物的减少。
[0035] 相应地，以下述方式调制水性废水流，使得获得了微量营养物调制的水性废水流， 其中（i)铝的BOD归一化剂量为约60mg/日/lbBOD/日至约285mg/日/lbBOD/日；（ii) 硼的BOD归一化剂量为约115mg/日/lbBOD/日至约300mg/日/lbBOD/日；（iii)钴的 BOD归一化剂量为约50mg/日/lbBOD/日至约500mg/日/lbBOD/日；（iv)镁的BOD归一 化剂量为至少约l〇〇mg/日/lbBOD/日；（v)锰的BOD归一化剂量为约65mg/日/lbBOD/ 日至约220mg/日/lbBOD/日；和（vi)锌的BOD归一化剂量为约115mg/日/lbBOD/日至 约275mg/日/lbBOD/日，且其中所述调制导致水性废水流中肉眼可观察到的微生物丝状 物的减少。
[0036] 在一些实施方案中，还确定和调制了常量营养物氮和磷的浓度。相应地，本发明进 一步提供了用于生长微生物物质的方法，其包括：
[0037] (a)提供水性废水流；
[0038] (b)确定水性废水流中多种微量营养物的浓度，所述微量营养物包括铝、硼、钙、 钴、镁、锰和锌，和确定水性废水流中常量营养物氮和磷的浓度；
[0039] (c)确定一种或多种微量营养物，包括其任意组合的生物需氧量（B0D)归一化剂 量；
[0040] (d)调制水性废水流中至少一种微量营养物的浓度以提供微量营养物调制的水 性废水流，由此使得所述微量营养物调制的水性废水流具有（i)铝的B0D归一化剂量为约 60mg/日/lbB0D/日至约285mg/日/lbB0D/日；（ii)硼的B0D归一化剂量为约115mg/ 日/lbBOD/日至约300mg/日/lbBOD/日；（iii)钴的BOD归一化剂量为约50mg/日/ lbB0D/日至约500mg/日/lbB0D/日；（iv)镁的B0D归一化剂量为至少约100mg/日/lb BOD/日；（v)锰的BOD归一化剂量为约65mg/日/lbBOD/日至约220mg/日/lbBOD/日； 和（vi)锌的BOD归一化剂量为约115mg/日/lbBOD/日至约275mg/日/lbBOD/日；和 [0041]调制微量营养物调制的水性废水流中至少一种常量营养物的浓度以提供微量营 养物调制和常量营养物调制的水性废水流，由此使得所述微量营养物调制和常量营养物调 制的水性废水流具有（vii)BOD:氮比为至少约100mg/升B0D:6-20mg/升氮；和（viii)BOD: 磷比为至少约l〇〇mg/升B0D:0. 5_2mg/升磷；和
[0042] (e)使用微量营养物调制和常量营养物调制的水性废水流生长微生物生物质。
[0043] 在本发明的一些实施方案中，在微生物生物质的生长之后，微量营养物和常量营 养物调制的水性废水流中的B0D:磷比达到约100mg/升BOD:lmg/升磷，而B0D:氮比达到 约 100mg/ 升BOD: 10mg/ 升氮。
[0044] 本发明进一步提供了使用水性废水流作为生长介质用于对于一种或多种微生物 菌株富集微生物生物质的方法。相应地，本发明提供了用于生长微生物群落以供产生微生 物生物质的方法，其包括下述步骤：
[0045] (a)提供水性废水流；
[0046] (b)从所述废物流获得微生物群落样品，其包含多种微生物菌株；
[0047] (c)在多种使用水性废物流作为底物产生微生物物质的生长方案下生长所述多种 微生物群落的微生物菌株；
[0048] (d)在产生的微生物物质中，确定能够在微生物物质中产生废弃的活性淤泥化合 物的一种或多种微生物菌株（或由其产生的一种或多种细胞成分）的比例代表；
[0049] (e)在产生的微生物物质中，确定能够在微生物物质中产生废弃的活性淤泥化合 物的一种或多种微生物菌株（或由其产生的一种或多种细胞成分）的比例代表；和
[0050] (f)在选定用于产生废弃的活性淤泥的生长方案下使用水性废水流作为底物生长 所述微生物群落。
[0051] 在一些实施方案中，生长方案针对微量营养物的浓度有变化。相应地，所述公开进 一步提供了：
[0052] (a)提供水性废水流；
[0053] (b)从水性废水流获得微生物群落样品，其包含多种微生物菌株；
[0054] (c)在多种使用水性废水流作为底物产生微生物物质的生长方案下生长所述多种 微生物群落的微生物菌株，其中生长介质中的BOD归一化剂量为（i)铝为约60mg/日/lb BOD/ 日至约 285mg/ 日/lbBOD/ 日；（ii)硼为约 115mg/ 日/lbBOD/ 日至约 300mg/ 日 / lbBOD/ 日；（iii)钴为约 50mg/ 日/lbBOD/ 日至约 500mg/ 日/lbBOD/ 日；（iv)镁至少 为约 100mg/ 日/lbBOD/ 日；（v)锰为约 65mg/ 日/lbBOD/ 日至约 220Illg/ 日/lbBOD/ 日的范围；（vi)锌为约115mg/日/lbBOD/日至约275mg/日/lbBOD/日；
[0055] (d)在产生的微生物物质中，确定能够在微生物物质中产生废弃的活性淤泥化合 物的一种或多种微生物菌株（或由其产生的一种或多种细胞成分）的比例代表；
[0056] (e)在多种生长方案中选择一种生长方案，在该生长方案下调制了微生物物质中 一种或多种微生物菌株（或一种或多种由其产生的细胞成分）的比例代表；和
[0057] (f)在选定用于产生微生物生物质的生长方案下使用水性废水流作为底物生长所 述微生物群落。
[0058] 在一些实施方案中，在步骤（c)中，还选择了生长介质中的氮的浓度使得生长介 质中B0D:氮比为至少100mg/升B0D: 6-20mg/升氮，并选择了生长介质中的磷的浓度，使得 B0D:磷比为至少100mg/升B0D: 0? 5-2mg/升磷。
[0059]在一些实施方案中，所述方法进一步包括步骤（g)，其包括用在步骤（e)的生长之 后获得的微量营养物调制的水性废水流稀释第二水性废水流以获得稀释的废水流。
[0060] 在一些实施方案中，在步骤（e)中调制的比例代表的微生物菌株是能够产生合意 的细胞化合物如蛋白质、粗脂肪、脂肪酸、辅酶Q10、核酸或氨基酸的微生物菌株。
[0061] 根据下述详细描述，本发明的其它特征和优点会变得显而易见。然而，应理解的 是，所述详细描述和具体实施例，尽管指示本公开的具体实施方案，但其是通过以非限定性 方式说明而给出的，因为对于本领域技术人员，根据所述详细描述，本公开的精神和范围内 的多种变化和修饰会是显而易见的。
【附图说明】
[0062]图1描绘的流程图说明了依照一种实施方案用于生长微生物群落以产生废弃的 活性淤泥的方法。
[0063] 图2描绘了依照一些实施方案在多种条件下用于处理废水和产生微生物生物质 的实验室规模反应器的概略图。
【具体实施方式】
[0064] 本发明涉及用于从水性废水流产生微生物生物质的方法和组合物。相应地，本发 明提供了用于使用水性废水流作为生长介质并调整生长介质中某些微量营养物和任选的 常量营养物的浓度产生微生物生物质的方法和组合物。本文中提供的方法和组合物是有益 的，因为它们令人意想不到地导致了微生物生物质中总蛋白显著的增加，其接着增强了可 从依照本文中列出的方法产生的微生物生物质制造的饲料产品的营养价值。本发明的方法 亦导致丝状膨胀的减少，并进一步导致流出物中总氮和总磷浓度的减少。
[0065] 此外，本文中提供的方法允许有效处理含有抑制性浓度的抗