申请日2007.04.20
公开(公告)日2009.05.06
IPC分类号C12N1/20; C02F3/12; C02F3/34
摘要
本发明涉及分离的新型微生物，其特征在于，它能够实现：i)凯氏氮、氨型氮和/或氮氧化物向气态氮的转化;以及ii)含碳物质向二氧化碳的转化;这两种转化都在需氧条件下进行。本发明还涉及使用所述微生物来处理废水的方法。
権利要求書
1.分离的微生物，其特征在于，它能够实现：
i)凯氏氮、氨型氮和/或氮氧化物向气态氮的转化;和
ii)含碳物质向二氧化碳的转化;
这两种转化在需氧条件下进行。
2.权利要求1的分离的微生物，其特征在于，它在外施质量载荷(CMA) 大于或等于0.2kg DBO5/kg MVS/j的条件下转化凯氏氮、氨型氮和/或氮氧化物。
3.权利要求1的分离的微生物，其特征在于，它在外施质量载荷(CMA) 大于0.5kg DBO5/kg MVS/j的条件下转化凯氏氮、氨型氮和/或氮氧化物。
4.权利要求1至3中任一项的微生物，其特征在于，它将凯氏氮、氨型氮 和/或氮氧化物转化为气态氮，同时积累少于1%的氮氧化物。
5.权利要求1至4中任一项的微生物，其特征在于，当介质中的C/N比小 于4，优选小于3，更优选大约1.5时，它最佳地将凯氏氮、氨型氮和/或氮氧 化物转化为气态氮。
6.权利要求1至5中任一项的微生物，其特征在于，它属于产碱菌属 (Alcaligenes)。
7.权利要求1至6中任一项的微生物，其特征在于，它属于粪产碱菌 (Alcaligenes faecalis)物种。
8.权利要求1至7中任一项的微生物，其特征在于，它是粪产碱菌的菌株 CNCM I-3448或从其衍生的微生物。
9.权利要求1至8中任一项的微生物用于处理废水的用途。
10.权利要求9的用途，用于在需氧条件下将废水中所包含的凯氏氮、氨 型氮和/或氮氧化物转化为气态氮。
11.权利要求10的用途，用于在需氧条件下联合处理废水中所包含的凯氏 氮、氨型氮和/或氮氧化物以及含碳物质。
12.权利要求11的用途，其特征在于，凯氏氮、氨型氮和/或氮氧化物被 转化为气态氮，以及含碳物质被转化为二氧化碳。
13.权利要求11或12的用途，其特征在于，外施质量载荷(CMA)大于 0.2kg DBO5/kg MVS/j。
14.权利要求13的用途，其特征在于，外施质量载荷(CMA)大于0.5kg DBO5/kg MVS/j。
15.权利要求9至14中任一项的用途，其特征在于，不向待处理的废水中 添加外部碳源。
16.权利要求9至15中任一项的用途，其特征在于，所述处理在单一的游 离活性污泥池中进行。
17.权利要求9至12或15中任一项的用途，其特征在于，所述处理在具 有固定在支持物上的培养物的装置中进行。
18.权利要求9至17中任一项的用途，其特征在于，预先通过连续培养来 产生所述微生物。
19.权利要求18的用途，其特征在于，所述微生物的连续培养在无菌条件 下进行。
20.权利要求19的用途，其特征在于，所述微生物的连续培养在选择压力 下和以不确定的持续时间来进行。
21.处理废水的方法，其特征在于，该方法使用权利要求1至8中任一项 的微生物。
22.权利要求21的处理废水的方法，其包括下列步骤：
i)培养权利要求1至8任一项的微生物;
ii)通过反复供给在步骤i)中产生的培养物来对包含待处理的废水的处 理装置进行自动给料;和
iii)在所述处理装置中，在需氧条件下，对废水中所包含的含碳物质和 含氮物质进行生物处理。
23.权利要求22的处理废水的方法，其中步骤iii)的含碳物质的生物处 理和含氮物质的生物处理同时进行。
24.权利要求22或23中任一项的方法，其中所述废水处理装置是具有游 离活性污泥的曝气池。
25.权利要求22或23中任一项的方法，其中所述废水处理装置在具有固 定在支持物上的培养物的装置中。
26.权利要求21至25中任一项的方法，其在所述处理装置上游包括评估 输入的废水对于所述微生物的毒性的步骤。
27.权利要求21至26中任一项的方法，其中所述微生物被固定在支持物 上。
28.权利要求27的方法，其中单独地或者以与一种或多种专门用于处理碳 质污染的微生物共培养的方式固定所述微生物。
29.权利要求21至28中任一项的方法，其中待处理的废水包含大于30g/l 的凯氏氮或氨型氮。
说明书
用于处理废水的新型微生物及方法
技术领域
本发明涉及废水去污染的领域。特别地，其涉及能够在需氧条件下转化含 碳物质和含氮物质的新型微生物的分离和表征。该微生物特别可用于通过生物 学方式来处理负载有碳和氮的排放物(effluent)。
背景技术
目前，以生物学方式处理含碳和含氮物质采用至少两种类型的微生物，第 一种类型专门用于处理含碳物质，第二种类型专门用于处理含氮物质。
这是因为，有机物质的去污染一般在活性污泥池(des bassins à boues activées)中进行，其中含碳物质在需氧条件下被转化为生物质和二氧化碳。 备选地，有机物质可以在厌氧条件下被转化为生物质和甲烷。
在所述处理中的一种或另一种之后，在正进行处理的废水的氮载荷(charge azotée)仍然很高。氮载荷的处理需要牵涉专门的微生物的后续步骤。
现在，存在用于将水性排放物中所包含的氨形式(NH3)或氧化形式(NO2-、 NO3-)的氮转化为气态氮(N2)的不同方法。
当前最普遍的处理方法由下述步骤组成：需氧硝化步骤，以及随后的无氧 反硝化步骤。
硝化包括借助于自养菌(包括，例如亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)、亚 硝化螺菌属(Nitrosospira)和亚硝化球菌属(Nitrosococcus)的物种)将氨 型氮(NH3)氧化成亚硝酸盐(NO2-)，然后借助于自养菌(包括，例如硝化杆菌 属(Nitrobacter)、硝化球菌属(Nitrococcus)和硝化螺菌属(Nitrospira) 的物种)将先前产生的亚硝酸盐氧化成硝酸盐(NO3-)。
反硝化包括在电子供体存在的情况下，通过大多数时间异养的、具有反硝 化功能的微生物群体将无机氮的氧化形式(亚硝酸盐(NO2-)、硝酸盐(NO3-)) 还原成气态化合物(N2)。该过程通过许多细菌来实现，所述细菌包括例如属于 假单胞菌属(Pseudomonas)、芽孢杆菌属(Bacillus)、副球菌属(Paracoccus)、 硫杆菌属(Thiobacillus)、产碱菌属(Alcaligenes)的物种。因此，氮的氧 化形式的还原与有机化合物的氧化相偶联。这表示，碳是一种制约反硝化的因 素。这是因为，如果待处理的水性排放物的含碳物质浓度不足以维持用于氮的 处理的活性微生物群体，那么添加外源碳源就可能显得对于反硝化反应器的良 好运行来说是必需的。如果待处理的排放物负载有很少的碳(碳/氮比(C/N) <4)，或者如果在反硝化前经历了初步的倾析，则情况尤其是如此。
可以在包含反硝化细菌的缺氧池中，在硝化步骤后，通过处理所收集的排 放物来实施反硝化。
根据另一种运作模式，硝化池可以通过使其缺氧而周期性地用作反硝化池， 例如通过中断氧气的供应，和通过添加电子供体，其中甲醇是最经常使用的。
在该硝化-反硝化方法的缺点当中，注意到，自养型硝化菌株具有低的生长 速率。这种动力学特征导致在池中的大量停留时间，而这又造成需要或者设计 大规模的设施(ouvrages)，或者通过新设施来延长处理链，这导致更高的投资 成本。此外，在附加池中进行反硝化步骤的情况下，必需向反硝化菌群提供有 机碳源，例如甲醇，这可能造成运行成本的超额。
另一种处理氨型氮的方法称作Anammox(厌氧氨氧化(Anaerobic Ammonia 0xidation))，其使得能够实现氨型氮和亚硝酸盐向气态氮的生物转化。该反应 可以如此来进行：在分开的池中处理硝化排放物(包含亚硝酸盐和未反应的铵)， 以产生气态氮。根据另一种运作模式，硝化池可以通过交替变换有氧或无氧条 件来进行操作，或者在限制氧的条件连续地来进行操作。在此情况下，硝化细 菌对于氧气的消耗产生了Anammox方法的缺氧条件。能够催化Anammox反应的 细菌可以从常规的活性污泥(boues activées)中获得，在后者包含厌氧氨氧 化布罗卡德氏菌(Brocardia anammoxidans)类型的浮霉状菌细菌(bactéries planctomycètes)的情况下。
Anammox方法主要的缺点是所使用的浮霉状菌细菌的低生长速率，这造成 长的设备起动阶段。此外，这些细菌的培养条件以及其以纯培养物形式的维持 仍然是困难的。最后，部分硝化(50%的从氨向亚硝酸盐的转化)应当完全得到 控制，这在实际的运行条件下是难以实现的。
置于Anammox处理上游的Sharon方法允许获得部分硝化。Sharon方法基 于氧化氨的细菌和氧化亚硝酸盐的细菌之间存在的生长速率的差异。该处理以 这样的水压保留时间(temps de rétention hydraulique)来运作，即所述水 压停留时间低于氧化亚硝酸盐的细菌的生长速率，但是高于氧化氨的细菌的生 长速率(差不多一天)。由于没有污泥的保留，氧化亚硝酸盐的细菌不在反应器 中维持，并因而被消除。
最近，粪产碱菌(Alcaligenes faecalis)的菌株被鉴定为能够在需氧条 件下实施硝化和反硝化。菌株粪产碱菌sp.No.4的情况这是如此，其描述于 Joo等人的文章中(Biotechnology Letter(2005)27：773-778)。借助于该菌 株，可以在单个需氧步骤中实现氨型氮的处理。
然而，该细菌不允许将全部氨型氮转化为气态氮。这是因为，不可忽略的 量的反硝化中间产物会积累。因此，在最好的情况下，在需氧条件下，以10的 C/N比，基于使用粪产碱菌sp.No.4来处理高含量的铵，导致通过反硝化而 消除40-50%的NH4+，并且90%的反硝化产物是气态氮。另一方面，这种细菌在 高C/N比时最佳地发挥作用，这就需要向待处理的排放物补充碳(Joo等人， (2005))。
因此，目前，废水中的氨型氮的处理性能的改善通过向现有设备添加使用 活性污泥或生物滤器的称为第三处理的特殊处理来获得。对于施行这些处理而 言所必需的装备和设施意味着高水平的投资，并且当变得需要添加含碳底物时， 例如当反硝化的时候，还产生大量的运行成本。
本发明旨在缓解现有技术的缺点，并且描述了在单一需氧步骤中通过异养 微生物经生物学方式来处理含碳物质以及凯氏、氨或氧化形式的氮的方法，所 述异养微生物具有使得能够设计尺寸减小的净化设施的高生长速率。
本发明还旨在获得净化站(station)的运行成本的减少，尤其是那些使用 置于硝化池下游的反硝化池的净化站。这是因为，由于氨型氮在曝气池中转化 为气态氮，因而置于下游的缺氧的反硝化池不再有用。
因此，所产生的成本节省一方面来源于取消了有机含碳底物(甲醇类型) 的添加，另一方面来源于通过无氧处理步骤的去除而减少了污泥的产生。
因此，本发明允许现有水处理设备的最佳运行，而无需补充的处理步骤。
发明详述
在本文中，申请人已分离出了新型微生物，其能够在需氧条件下转化含碳 物质和含氮物质，这使得其在废水处理中特别有用。
由本发明的微生物所转化的含氮物质可以是凯氏氮(azote Kjeldahl)、氨 型氮(azote ammoniacal)和/或氮氧化物(oxydes d′azote)。
凯氏氮包括有机形式的和氮形式的氮，排除含硝的(nitreuse)形式(亚 硝酸盐、硝酸盐)。
因此，本发明的第一个目的涉及分离的微生物，其特征在于，它能够实现：
i)凯氏氮、氨型氮和/或氮氧化物向气态氮的转化;和
ii)含碳物质向二氧化碳的转化;
这两种转化在需氧条件下进行。
优选地，本发明的微生物能够将凯氏氮、氨型氮和/或氮氧化物转化为气态 氮，同时积累少于1%的氮氧化物。
更优选地，本发明的微生物能够实现凯氏氮、氨型氮和/或氮氧化物向气态 氮的转化，同时积累少于1%的氮氧化物，所述转化在介质的C/N比小于4，优 选小于3，优选大约1.5时是最佳的。
本发明的微生物能够在外施质量载荷(charge massique appliquée，CMA) 小于0.2kgDBO5/kgMVS/j的条件下实现凯氏氮、氨型氮和/或氮氧化物向气态氮 的转化。
更加特别优选的是这样的如前所述的分离的微生物，其特征在于，它在外 施质量载荷(CMA)大于或等于0.2kgDBO5/kgMVS/j，优选大于0.5kgDBO5/kgMVS/j 的条件下转化凯氏氮、氨型氮和/或氮氧化物。
本发明的微生物优选属于产碱菌属(Alcaligenes)，特别地属于粪产碱菌 物种。
更加优选地，本发明的微生物的代表为于2005年6月10日以编号CNCM I-3448保藏在位于巴斯德研究所中的国立微生物保藏中心(Collection Nationale de Cultures de Microorganismes，CNCM)的粪产碱菌菌株。
本发明延伸至从菌株CNCM I-3448衍生的微生物，其具有在需氧条件下转 化含碳物质和含氮物质的能力。
“衍生的微生物”意指任何源自菌株CNCM I-3448的微生物，其可以由于例 如菌株CNCM I-3448的培养、突变、转化的步骤或者甚至其与另一种微生物一 起生长的步骤而产生，并且其保留了菌株CNCM I-3448的基本特征。
本发明的另一个目的在于本发明的微生物用于处理废水的用途。
本发明微生物的优选用途涉及在需氧条件下将废水中所包含的凯氏氮、氨 型氮和/或氮氧化物转化为气态氮。
根据本发明用途的一个方面，积累少于1%的氮氧化物(NO3-、NO2-)。
更优选地，本发明微生物的用途涉及在需氧条件下联合处理废水中所包含 的凯氏氮、氨型氮和/或氮氧化物以及含碳物质。
特别地，在本发明的用途过程中，凯氏氮、氨型氮和/或氮氧化物被转化为 气态氮，以及含碳物质被转化为二氧化碳。
本发明的用途可以在介质的外施质量载荷(CMA)小于0.2kgDBO5/kgMYS/j 的条件下实施。
优选地，本发明的用途在外施质量载荷(CMA)大于0.2kgDBO5/kgMVS/j， 更优选大于0.5kgDBO5/kgMVS/j的条件下实施。
根据本发明用途的一个优选实施方案，不向待处理的废水中添加外部碳源。
本发明的用途的优选特征之一在于，废水中所包含的凯氏氮、氨型氮和/ 或氮氧化物以及含碳物质的联合处理在单一的游离活性污泥池(bassin de boues activées libres)中进行。
备选地，本发明的用途的特征在于，废水中所包含的凯氏氮、氨型氮和/ 或氮氧化物以及含碳物质的联合处理在具有固定在支持物上的培养物的装置中 进行。
根据另一个方面，本发明涉及预先通过连续培养产生的如前所述的微生物 的用途。优选地，所述连续培养在无菌条件下进行。更优选地，所述连续培养 在选择压力下和以不确定的持续时间来进行。
本发明另一个目的涉及处理废水的方法，其特征在于，使用了如前所述的 微生物。
根据本发明的一个方面，所述处理废水的方法包括下列步骤：
i)培养如前所述的微生物;
ii)通过反复供给在步骤i)中产生的培养物来对包含待处理的废水的处 理装置进行自动给料;和
iii)在所述处理装置中，在需氧条件下，对废水中所包含的含碳物质和 含氮物质进行生物处理。
根据本发明的一个方面，步骤iii)的含碳物质的生物处理和含氮物质的 生物处理同时进行。
优选地，在步骤ii)和iii)中所提及的废水处理装置是曝气池(bassin d′aération)。
本发明的目的还在于控制废水的生物去污染的效率，以便依照限制因素例 如碳和/或氮载荷增加来优化排放物的处理。
此外，更优选地，在根据前面描述的方法之一的曝气池的游离污泥中存在 的本发明微生物的活性通过下列方式来评估：向培养装置中定时转移样品，然 后与在选择压力下维持的所述微生物的培养物相比较。
根据另一个实施方案，本发明的方法平行地包括：在处理装置中通过本发 明的微生物进行凯氏氮、氨型氮和/或氮氧化物以及含碳物质的需氧转化，在含 有对于微生物生长而言必需的营养物(碳源、氮源...)的介质中连续培养本发 明的微生物，以便定期地用所述微生物接种该处理装置。
优选地，微生物的生长在无菌培养条件下在允许培养本发明微生物的装置 中进行。更优选地，该培养在选择压力下和以不确定的持续时间来进行。
根据本发明的一个具体实施方案，将这种平行培养物用于定时地接种具有 数百升至数立方米的体积的扩增反应器，在其中非无菌地大量产生本发明微生 物的培养物。培养介质可以是合成的或者包含待处理的废水，并且必须具有充 分的选择性以促进所述微生物的大量产生。可以根据确定的频率向废水处理装 置(例如，具有游离活性污泥的曝气池)中自动地反复供给该培养物。由于本 发明的微生物利用在待处理的废水中存在的有机物质作为碳源，因而在处理装 置中并不添加有机底物例如甲醇来促进本发明的微生物的维持。
备选地，有利地，在步骤ii)和iii)中提及的废水处理装置是具有固定 在支持物上的培养物的装置。
根据本发明方法的另一个方面，所述方法在所述处理装置上游包括评估输 入的废水对于所述微生物的毒性的步骤。特别地，该毒性评估步骤可以基于测 量所述微生物在所述废水中的生长。
因而，可以将对于该微生物有毒并因而对于凯氏氮、氨型氮和/或氮氧化物 向气态氮的转化有害的排放物导向安全池以备后续处理。
根据本发明的另一个方面，将该微生物固定在支持物上。
所述支持物可以包括结构化(structuré)类型或其他类型的衬料 (garnissage)，其允许优化本发明微生物的培养群体的种植、其固定以及其在 有利条件下的发展。所述衬料可以是本领域技术人员已知的不同类型或不同材 料。
特别地，单独地或者以与一种或多种专门用于处理碳质污染的微生物共培 养的方式固定本发明的微生物。
本发明的微生物在支持物表面上的分布应尽可能地好，并且该方法的良好 施行依赖于在所述微生物与待处理的排放物之间的转移。在曝气方面，应当如 此设计所述设备，即使得氧气的转移对于固定在支持物上的净化用微生物尽可 能有效。另一方面，关于待处理的污染物(尤其是凯氏氮、氨型氮和/或氮氧化 物以及含碳物质)，需要将排放物向固定的微生物良好地转移，以及对于微生物 的代谢产物(尤其是二氧化碳和气态氮)则以相反方向转移。
根据本发明，待处理的废水包括任何废水，不论其是市政、工业、农业来 源的还是任何其他来源的，所述废水包含显著水平的氨型氮。待处理的排放物 中的凯氏氮或氨型氮含量为例如50mg/l，尤其是1g/l，特别是30g/l。待 处理的废水还可以来自于用于净化含有氨型氮的气体的水。
本发明的方法特别适用于处理含有超过30g/l的凯氏氮或氨型氮的废水。
待处理的废水中还包含显著水平的有机碳。有机碳的总含量可以为例如80 mg/l，尤其是1g/l，特别是80g/l或95g/l。
根据另一个方面，本发明的方法伴随着少于1%的氮氧化物(NO2-、NO3-)的 积累。
以下实施例举例说明了本发明，但这些实施例不应当被认为是限制性的。
实施例1：城市综合排放物(effluent synthétique)的生物转化
使用具有城市来源废水的平均组成的综合排放物，对有效体积为1升的发 酵罐进行连续给料。该排放物的组成如下：53mg/l以(NH4)2SO4形式的N-NH3， 82mg/l以乙酸钠形式的总有机碳(carbone organique total，COT)，0.1g/l K2HPO4和本领域技术人员已知用于促进所述微生物生长的微量元素。如果必要， 用HCl/NaOH将溶液的pH调节至8。
该发酵罐含有菌株粪产碱菌CNCM I-3448的纯培养物。
该持续的运转状态通过固定1.9g NH3/m3/j和2.6g C/m3/j的外施体积载 荷(charge volumique appliquée)来维持。
该实施方案相应于其中外施质量载荷(CMA)为0.27kgDBO5/kgMVS/j和介质 的C/N比为1.5的条件。
培养物的曝气通过压缩空气鼓泡来保证(溶解氧的浓度大于3mg/l)。空 气的唯一出口连接至包含有2升pH5的经渗透纯化的水的鼓泡器。此种装配的 目的是保证，在进行排放物的连续生物降解时，氨不由于曝气而被排出。
当达到稳定的运转状态时，鼓泡器(pH5)中的氨浓度为零，干物质的平 均浓度为0.7g/l，90%的输入的碳(COT)被转化为生物质或二氧化碳。
测得氨型氮减少99.9%，其被转化为生物质或气态氮。因此，所获得的氮 的生物转化产率大于99.9%。
此外，在介质中和在出口排放物中均未测量到亚硝酸盐和硝酸盐的积累。
实施例2：浓集了有机氮的工业排放物的生物转化
使用主要包含来源于肽生产过程的含氮溶剂(例如乙腈或二甲基甲酰胺) 的废水，对有效体积为7.5升的发酵罐进行连续给料。
对该排放物的分析显示出，总有机碳(COT)的浓度为95g/l，和凯氏氮 的浓度为34g/l(基本上来自于乙腈)。
该发酵罐含有菌株粪产碱菌CNCM I-3448的纯培养物。
该持续的运转状态通过固定1.2kg N/m3/j和3.2kg C/m3/j的外施体积载 荷来维持。
该实施方案相应于其中外施质量载荷(CMA)为0.96kgDBO5/kgMVS/j和介质 的C/N比为2.8的条件。
输入至培养物中的空气(8升/分钟)通过增湿器。空气的唯一出口连接至 包含有2升pH5的经渗透纯化的水的鼓泡器。此种装配的目的是保证，在进行 排放物的连续生物降解时，凯氏氮不由于曝气而被排出。观察到，在气态排放 物中的凯氏氮的流量相当于输入流量的十分之一。
当达到稳定的运转状态时，鼓泡器(pH5)中的凯氏氮浓度为零，干物质 的平均浓度为10g/l，98%的输入的碳(COT)被转化为生物质或二氧化碳。
测得凯氏氮减少99.9%，其被转化为生物质或气态氮。
此外，在介质中和在出口排放物中氮的氧化形式(NO2-和NO3-)的积累少于 1%，并且是暂时的(<12小时)。
因此，所获得的凯氏氮的生物转化产率大于99%。
