申请日2015.05.13
公开(公告)日2017.04.19
IPC分类号C02F3/30; C02F3/34; C02F101/12; C02F101/16; C02F103/08; C02F103/24
摘要
本发明涉及用于高盐废水组合物的脱氮的生化方法。
权利要求书
1.用于高盐废水组合物的脱氮的生化方法，所述高盐废水组合物包含至少0.1%(w/v)浓度的硝酸盐以及至少5%(w/v)浓度的氯化物，其中，使用嗜盐和/或耐盐细菌的群落，优选嗜盐和耐盐细菌，并且可选地还包含非特异性的成员，其中，所述群落选自由约85至95重量%的来自市政废水处理方案的脱氮步骤的活性污泥和约5至15重量%的来自太阳能盐田的结晶器池的含盐污泥组成的污泥混合物。
2.根据0所述的方法，用于处理源自离子交换过程、包含至少0.1%(w/v)浓度的硝酸盐和至少5%(w/v)浓度的氯化物的高盐废水。
3.根据01至2中任一项所述的方法，其中，硝酸盐的浓度是至少0.20%(w/v)，更优选地0.25%(w/v)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，用于处理高盐废水，所述高盐废水源自利用氯化钾和硝酸钙以产生包含氯化钙和硝酸盐的废水流的产生过程。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，用于处理高盐废水，所述高盐废水源自利用氯化钠和硝酸钙以产生包含氯化钙和硝酸盐的废水流的产生过程。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述群落选自由约90重量%的来自市政废水处理方案的所述脱氮步骤的活性污泥以及约10重量%的来自太阳能盐田的所述结晶器池的含盐污泥组成的污泥混合物。
7.根据01至6中任一项所述的方法，其中，所述污泥包含来自至少以下属的细菌：假单胞菌(Pseudomonas)、杆菌(Bacillus)和盐单胞菌(Halomonas)。
8.根据01至7中任一项所述的方法，其中，所述嗜盐细菌选自以下属：假单胞菌(丰度：19重量%)、杆菌(丰度：4重量%)和盐单胞菌(丰度：3重量%)，以及可选地具有小(1重量%或更少)丰度的红杆菌属(Rhodobacter)、节细菌属(Arthrobacter)、屈挠杆菌属(Flexibacter)、丙酸菌属(Propionibacterium)、肠杆菌科(Enterobacteriaceae)、黄杆菌属(Flavobacterium)、慢生根瘤菌属(Bradyrhizobium)、生丝微菌属(Hyphomicrobium)、溶杆菌属(Lysobacter)、中华根瘤菌属(Sinorhizobium)、固氮螺菌属(Azospirillum)、硫杆菌属(Thiobacillus)、鞘氨醇杆菌(Sphingobacter)、副球菌属(Paracoccus)、气单胞菌属(Aeromanas)、苍白杆菌属(Ochrobacterium)、亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)、草螺菌属(Herbaspirillum)、紫色杆菌属(Janthinobacterium)、乳杆菌属(Lactobacillus)、硝化菌属(Nitrobacter)、纤维菌属(Cellulomonas)、链霉菌(Streptomycetes)、噬细胞菌属(Cytophaga)、硫微螺菌属(Thiomicrospira)、贝日阿托氏菌(Beggiatoa)、纤维弧菌属(Cellvibrio)、莫拉克斯氏菌属(Moraxella)、交替单胞菌属(Alteromonas)、金氏菌属(Kingella)、水螺菌属(Aquaspirillium)、诺卡氏菌属(Norcadia)和固氮弧菌属(Azoarcus)。
9.根据0至8中任一项所述的方法，其中，所述方法在35℃至40℃下、优选在约37℃下操作。
10.根据0至9中任一项所述的方法，其中，将乙酸钾用作为碳源。
11.根据0至10中任一项所述的方法，其中，在24至48小时内，1.5至3.0g/l的初始硝酸盐浓度降低至约0.001g/l的浓度。
12.根据0至11中任一项所述的方法，其中，所述方法在悬浮污泥反应器类型的生物反应器中进行。
13.根据0至11中任一项所述的方法，其中，所述方法在浮动床反应器类型的生物反应器中进行。
说明书
含盐工业废水的脱氮
发明内容
工业废水处理方法集中于不同的目的，但通常目标是减少有机和无机污染物。工业废水流通常包含极少数但高浓度的化合物，并且因此处理过程需要特别专门化。
处理的程度取决于法律要求。市政府通常限定至污水管网的排放规定，并且国家权力机关如环境保护机构通常限定至河流、湖泊和公海中的排放规定。
具有高硝酸盐浓度的排放流也可能含有大量的其他化合物，如氯化物(来自鱼罐头工业，湿石灰-石膏脱硫过程，和来自离子交换柱的再生液体)和硫酸盐(来自制革厂废物)。
特别是离子交换过程可以导致被无机物严重污染的废水流。例如，将碱金属氯化物和硝酸钙转化为碱金属硝酸盐和氯化钙的离子交换过程导致了具有高硝酸盐污染的高盐废水。在所述离子交换过程中，碱金属可以是钾或钠。
工业废水处理方法可以具有物理的(过滤、分离、离子交换)、化学的(絮凝、中和、氧化)或生化的性质。取决于化合物的毒性和可持续性，需要选择最合适的处理方法。在很多情况下，生物-化学方法是有成本效益的。
生物-化学的工业废水处理要求：
·选择能够降解目标污染物的物质;
·建立用于选择的物质以进行它们的新陈代谢的最佳条件;
·供给以补足营养和碳供给的物质。
脱氮是一种在自然界中以及在废水处理系统中普遍的生化方法。例如，在准则ATV-DVWK-A 131(Bemessung von einstufigen Belebungsanlagen.第5版/2000.DWA.Germany.ISBN：978-3-933707-41-3)中描述了在传统废水条件下的方法。在存在硝酸盐以及不存在氧的情况下，缺氧细菌能够使用硝酸盐用于有机化合物的氧化以支持其代谢。因此，在维持和生产生物质(biomass)以及释放CO2、N2和水的过程期间消耗硝酸盐和生物可利用的有机化合物。
脱氮过程由四个步骤构成：
硝酸盐还原NO3-+2H++2e-→NO2-+H2O
亚硝酸盐还原NO2-+2H++e-→NO+H2O
一氧化氮还原2NO+2H++2e-→N2O+H2O
一氧化二氮还原N2O+2H++2e-→N2+H2O
亚硝酸盐(一种在该过程中的中间物)对于许多有机体是有毒的。特别是在积聚和随后浓度增加的情形下，亚硝酸盐可以变为对于硝酸盐还原菌本身的一种关键的毒素。在标准条件下，与硝酸盐还原相比，亚硝酸盐还原更快速地进行，并且因此，在平衡的条件下，避免了亚硝酸盐的积聚。高浓度的硝酸盐和易于可降解的碳源导致首先发生高的亚硝酸盐释放，并且因此，导致亚硝酸盐毒性诱导的硝酸盐还原的停止。
已知的是，在废水中的高含盐浓度对于生物脱氮具有消极效果。然而，在高盐水中已经分离且鉴定了若干耐盐的脱氮细菌。栖息地的盐度越高，在该栖息地中可以存活或繁殖(thrive)的特定细菌分类群(taxa)的数量越少。在极端环境，如太阳能盐田的结晶器池中，相当少的嗜盐细菌的适应物种可以存活。
同样水温对脱氮速率具有高冲击。一直到某些界限，微生物活性随着温度增加。由于硝酸根和亚硝酸根与氧竞争作为电子受体，则应当避免介质(medium)与大气的富氧条件接触以获得最佳的脱氮速率。因此，优选地，在高温下进行生物的脱氮过程，然而，其受限于所包括的相应的细菌种类的最大存活温度。极少例外的是，脱氮是一种厌氧过程。
目前本发明人已经确定了使用嗜盐和/或耐盐细菌，用于包含至少0.1%(w/v)浓度的硝酸盐以及至少5%(w/v)浓度的氯化物的高盐废水组合物的脱氮的生化方法。
在本申请中，将高盐组合物如废水、盐水(海水，brine)等定义为包含至少5%(w/v)浓度的氯离子(Cl-)。
在本申请中，将包含高浓度的硝酸盐的组合物定义为包含至少0.1%(w/v)浓度的硝酸根(NO3-)。
在本申请中，当将“硝酸盐”或“氯化物”作为参考时，作出对以离子形式或作为未解离的化合物存在的“硝酸盐”或“氯化物”化合物的总量的参考。
在本申请中，根据Le Borgne等人(Biodegradation of Organic Pollutants byHalophilic Bacteria and Archaea,Journal of Molecular Microbiology andBiotechnology 2008;15:74-922008)将嗜盐菌分类为当在2至5%(w/v)NaCl浓度中(具有3.5%(w/v)平均浓度的海水)活跃时为轻微嗜盐、当在5至20%(w/v)NaCl浓度中活跃时为中度嗜盐、以及当在20至30%(w/v)NaCl浓度中活跃时为极度嗜盐。根据我们的发明，可以将大多数的补充细菌(辅助细菌，supplementary bacteria)分类为中度至极度的嗜盐菌。然而，在我们的实验中使用的微生物群落是嗜盐性、耐盐性和非特异性物种的混合物，其获得自来自市政的废水处理方案的脱氮步骤的活性污泥以及来自太阳能盐田的结晶器池的含盐污泥的混合物。与不需要NaCl但可以在含盐条件下生长的耐盐物种相反，嗜盐物种需要NaCl以用于生长的。
现有技术
文献说明了特异性的生物处理目标以及所得到的选择的微生物，并且每种生物处理目标需要单独调节的温度、pH值、微量营养素和选择的物种。
Okeke等人(Reduction of perchlorate and nitrate by salt-tolerantbacteria.Environmental Pollution 118(2002)357–363)描述了最佳用于从包含100mg/l的ClO4-(0.01%w/v)和11.7mg/l的NO3-(0.001%w/v)的废水中除去高氯酸离子的废水生物处理方法。在7天内对于耐盐的柠檬酸杆菌属细菌和非耐盐的作为“perclace”声明的细菌的共培养的硝酸盐去除效率为16.4%，以及对于柠檬酸杆菌单培养的硝酸盐去除效率为15.6%。将乙酸盐和酵母提取物用作为碳源。对于0-5%的NaCl，去除ClO4-的推荐温度为30℃。
Cyplik P.等人(Effect of Macro/micro Nutrients and Carbon Source Overthe Denitrification Rate of Haloferax Denitrificans Archaeon,Enzyme andMicrobial Technology 40,2007,212-220)公开了通过仅使用耐盐细菌，特别是富盐菌属脱氮古菌(Haloferax Denitrificans Archaeon)对盐水的脱氮。引用的NaCl的量是2.5至3.5M(14.5至20%(w/v))并且硝酸盐的量是100-1000mg/l。中性的pH和37℃的温度是优选的。
Foglar等人(Nitrate Removal with Bacterial Cells Attached to QuartzSand and Zeolite from Salty Wastewater,World J Microbiol Biotechnol(2007)23:1595-1603)公开了其中使用混合的细菌培养物以从盐水中去除硝酸盐的研究。用于实验的NaCl的量是3%(w/v)并且硝酸盐的量是750mg/l。在一些实例中添加了碳源，温度是37℃并且pH是中性的。提及的细菌包括假单胞菌属(Pseudomonas sp)和副球菌属(Paracoccussp)。与在本发明中的相比，在该研究中的氯化物的量和硝酸盐的量更低，并且与根据本申请相比，随着花费更长时间硝酸盐浓度减少(在37℃下多至10天及更多)。
Nair等人(Biological denitrification of high strength nitrate wasteusing pre-adapted denitrifying sludge.Chemosphere 67(2007)1612-1617)示出了使用活性污泥技术可以进行从来自肥料生产方案的废水中去除硝酸盐。试验示出了在6h的时期内可以充分地处理具有最高至4%的起始浓度的NO3-的含硝酸盐的污泥。然而，不存在氯化物。去除NO3-的推荐温度是37℃。
Le Borgne等人(Biodegradation of Organic Pollutants by HalophilicBacteria and Archaea,Journal of Molecular Microbiology and Biotechnology2008;15:74-922008)示出了由嗜盐细菌生物降解有机污染物的概述。没有公开脱氮。
Osaka等人(Effects of Carbon Source on Denitrification Efficiency andMicrobial Community Structure in a Saline Wastewater Treatment Process,WaterResearch 42,2008,3709-3718)公开了将选择合适碳源作为重点的盐水的生物脱氮的学术性研究。当NaCl浓度是0-10%时乙酸盐是优选的。在实验室条件下，从用NaCl活化的合成的废水污泥中获得了细菌培养物。硝酸盐的量是1.5g/l。公开了不同的微生物物种用于在脱氮中起作用的甲醇进料(固氮弧菌属、生丝微菌属、噬甲基菌属(Methylophage)和副球菌属)或者乙酸盐进料(固氮弧菌属、海杆菌属和盐单胞菌属)的反应器。
Tsang等人(A novel sludge minimized biological nitrogen removalprocess for saline treatment.Water Science&Technology,Vol.59,Issue 10,2009;pp.1893-1899)描述了将去除有机污染物作为重点的处理包含(0.05%w/v)量的硫酸盐的含盐污泥的多步方法。没有提及氯化物。
Rezaee等人(Denitrification of high salinity,high nitrate wastewaterusing clinoptilolite in a packed bed bioreactor.Journal of EnvironmentalResearch and Management Vol.3(2).pp.031-036,March,2012)描述了使用填充有斜发沸石作为载体的填充床生物反应器的高强度硝酸盐、高盐度废水(最高至4%w/v)的处理，并且示出了可以成功地处理500mg/l(0.05%w/v)的硝酸盐入流(inflow)。温度是25℃。
Cyplik等人(Biological Denitrification of High Nitrate ProcessingWastewaters from Explosives Production Plant.Water Air Soil Pollution(2012)223:1791-1800)公开了处理来自炸药生产工厂的废水的高硝酸盐的生物脱氮，并且示出了可以建立用于高硝酸盐污染的废水的硝酸盐去除。在硝化甘油和低水平(21mg/l)的氯化物存在下，在16天内去除了3g/L的N(来自NO3-)。没有给出温度水平，因此可以假定标准的实验室条件(20℃)。
US 4,356,092(1982)公开了一种生物的废水处理方法，但并不将硝酸盐去除作为重点。其包括培养新型菌株(粪产碱杆菌(Alcaligaenes faecalis)HRL-1)的步骤，并且将该培养的细胞添加至将被处理的废水。没有讨论盐度。
同样EP 2018417 B1(2007)公开了能够将凯氏氮(Kjeldahl nitrogen)、氨氮和/或氮氧化物转化为气态氮以及将含碳的物质转化为二氧化碳的粪产碱杆菌(Alcaligenesfaecalis)的新型菌株CNCM 1-3448，其中两种转化发生在好氧的条件下。没有讨论盐度。
CN 101054232A(2007)公开了用于高盐废水的高度有效的生物废水处理方法，在不使用嗜盐细菌的情况下在序批式反应器(sequencing batch reactor)中产生好氧性粒状污泥，因此可以有效地处理高盐废水并且可以改善系统对盐度冲击耐性。
WO 2010/076794 A1(2010)公开了通过添加嗜盐的厌氧细菌用于盐水脱氮的方法。脱氮发生在中性pH条件下，并且在约37℃的温度下添加碳源。在流化床生物反应器中进行该方法。盐水处理仅仅包含0.5至4%的盐、2g/l的氯化物、以及0.05g/l的硝酸盐(作为N)，其远远少于本发明中的。
现有技术没有公开以高浓度的氯化物存在下快速去除硝酸盐作为重点的使用特定细菌的组合用于无机废水处理的生化方法。
具体实施方式
本发明涉及用于在高浓度的氯化物的存在下包含高浓度的硝酸盐的高盐废水组合物的脱氮的生化方法。
根据本发明，使包含高浓度硝酸盐的高盐废水组合物经受生化处理，其中在高浓度氯化物存在下，将所述高浓度硝酸盐还原至较低浓度，优选在短时间内，通过将所述高盐废水组合物暴露至嗜盐和/或耐盐的细菌。
根据本发明，公开了使用嗜盐和/或耐盐细菌，用于包含至少0.1%(w/v)浓度的硝酸盐和至少5%(w/v)浓度的氯化物的高盐废水组合物的脱氮的生化方法。
根据一个实施方式，公开了使用嗜盐和耐盐细菌，用于源自离子交换过程、包含至少0.1%(w/v)浓度的硝酸盐和至少5%(w/v)浓度的氯化物的高盐废水组合物的脱氮的生化方法。
根据一个实施方式，硝酸盐的浓度是至少0.20%(w/v)，更优选地0.25%(w/v)。
由细菌群落而不是由单一细菌属来进行该处理。考虑到高盐度，合理地假定活性群落的所有成员至少是耐盐的、最可能是嗜盐的或耐盐的，优选嗜盐的和耐盐的两种，并且可选地，活性群落还含有非特异性的成员。随着时间从来自市政废水处理厂的普通脱氮活性污泥以及来自西班牙的Ses Salines的太阳能盐田的结晶器池的含盐沉淀污泥的污泥混合物选择群落。约85至95重量%、更优选约90重量%的污泥由来自市政废水处理厂的脱氮步骤的活性污泥组成。约5至15重量%、更优选约10重量%的污泥由来自包含天然嗜盐性脱氮细菌的太阳能盐田的结晶器池的沉淀物组成。通过在35℃至40℃且优选37℃的恒定温度下，随时间缓慢地增加氯化钙和硝酸钾浓度直至期望水平来进行培养和选择过程。
尽管使用Illumina MySeq末端配对序列，利用短分类标记基因(SSU rDNA的V4-V6)大比例(69重量%)的太阳能盐田细菌仍是未鉴别出的，但是可以将许多细菌认定为以下确定的属：假单胞菌(Pseudomonas)(丰度：19重量%)、杆菌属(Bacillus)(丰度：4重量%)和盐单胞菌(Halomonas)(丰度：3重量%)，以及可选地检测到具有小(1重量%或更少)丰度的红杆菌属(Rhodobacter)、节细菌属(Arthrobacter)、屈挠杆菌属(Flexibacter)、丙酸菌属(Propionibacterium)、肠杆菌科(Enterobacteriaceae)、黄杆菌属(Flavobacterium)、慢生根瘤菌属(Bradyrhizobium)、生丝微菌属(Hyphomicrobium)、溶杆菌属(Lysobacter)、中华根瘤菌属(Sinorhizobium)、固氮螺菌属(Azospirillum)、硫杆菌属(Thiobacillus)、鞘氨醇杆菌(Sphingobacter)、副球菌属(Paracoccus)、气单胞菌(Aeromanas)、苍白杆菌属(Ochrobacterium)、亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)、草螺菌属(Herbaspirillum)、紫色杆菌属(Janthinobacterium)、乳杆菌属(Lactobacillus)、硝化菌属(Nitrobacter)、纤维菌属(Cellulomonas)、链霉菌(Streptomycetes)、噬细胞菌属(Cytophaga)、硫微螺菌属(Thiomicrospira)、贝日阿托氏菌(Beggiatoa)、纤维弧菌属(Cellvibrio)、莫拉克斯氏菌属(Moraxella)、交替单胞菌属(Alteromonas)、金氏菌属(Kingella)、水螺菌属(Aquaspirillium)、诺卡氏菌属(Norcadia)和固氮弧菌属(Azoarcus)。考虑到在其下脱氮发生的高盐浓度，合理的是假定所有的活性脱氮菌是耐盐的或嗜盐的。
该方法在35℃至40℃下操作，优选地在当记录最佳性能时的约37℃下。
优选地，该方法使用乙酸钾作为碳源，但是甲醇或乙醇也是可选的，但是由于更高的成本，在工业设置中不是非常优选的。
由于脱氮菌的具体选择过程主要需要硝酸盐，因此不将营养物添加到系统。在输入污泥中存在足够的微量元素、以及磷酸盐。在具有恒定废水处理和输入污泥的大规模应用中，仅在建立该方法的开始时，可能必须额外输入的微量元素和磷酸盐。
根据本发明的方法，示出了可以在24至48小时内使1.5至3.0g/l的初始硝酸盐浓度降低至约0.001g/l的浓度，特别是当使用由约85至95重量%、更优选约90重量%的来自市政废水处理方案的脱氮步骤的活性污泥以及约5至15重量%、更优选约10重量%的来自太阳能盐田的结晶器池的含盐污泥组成的污泥混合物时。
以技术人员已知的常规方式在生物反应器中进行根据本发明的方法。生物反应器可以是悬浮污泥或浮动床反应器类型。在该方法中，添加作为主要的营养物的碳源以达到用于生化硝酸还原的条件。该操作可以是分批地或者以连续方式。
可以在离子交换工厂中产生必须被处理的废水。在该产生过程中，氯化钾或氯化钠与硝酸钙起反应，并且产生硝酸钾或硝酸钠作为产物以及氯化钙溶液作为废弃物质。由于对于未处理的排出物而言硝酸盐的污染过高，因此废水流需要显著的处理。
