CN101679089A - 一种用于在水净化中酶处理污泥的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于在水净化中处理污泥的方法，该方法包括下述步骤：提供包括能够消化天然聚合物材料的至少一种酶的酶混合物；以及以任选的顺序或同时将酶混合物和至少一种螯合试剂添加到含水污泥悬浮液中。螯合剂选自由柠檬酸及其盐组成的组。
Description
发明领域
本发明涉及一种用于在水净化中处理污泥的新颖的方法及其用途。
背景技术
最近二十年来，已经研究了污泥的酶水解，且已经报道了许多来自不同有机体的酶在大范围的废水处理应用中起到了重要的作用。酶对存在于市政污泥中的特定物质起作用且因此可以改变废物的特征。污泥变得更易受到进一步的处理，并促进了生物转化成有附加值的产物。厌氧消化之前的混合污泥的酶处理显示出污泥的降解并引起甲烷的产生。酶处理废水污泥可能对污泥体积的减少做出贡献，且不会产生生物质。
酶通过多步骤工艺来分解类似蛋白质、多糖和脂质的聚合物。一开始，酶吸附到固体底物上并且粘住被松散地结合到表面上的小聚合物。更密实的污泥芯的溶解以较低的速率发生，这取决于酶向表面活性部位和芯颗粒的扩散。先前的研究已经显示出蛋白酶、脂肪酶和内切聚糖酶(endo-glycanase)的组合加速了市政污泥的溶解。然而，酶被捕集在污泥内。此捕集减弱了酶对污泥的作用，而不是酶对存在的可溶性生色底物的作用。
在UK专利申请2167399中，描述了一种用于水解酶处理有机物质和生物质的方法。该方法描述了这样的步骤：在氧存在下，即在好氧或需氧工艺中，将呈三乙酸腈的二铵盐和/或三铵盐形式的螯合物形成剂(chelate-former)添加到该方法中。水解酶降解了蛋白质结构。在好氧环境中，酶处理的最终产物是二氧化碳和水。
在美国专利5 783 081中，描述了一种改进操作厌氧固体消化器的性能的方法，其包括如下步骤：添加至少一种产甲烷菌(methanogen)的至少一种基本上纯的培养基。在此处描述的实施方案中，将螯合剂柠檬酸添加到所述消化器中。此专利中仅仅描述了在厌氧环境中微生物如细菌和螯合剂的组合。
在此领域内，仍存在对找到在水净化中增强污泥的降解的新的方式的需求，以便获得更有成本效益的方法。现在使用的酶是非常昂贵的，且如果可以提供使用更少的酶的可选择的方法，那么工业水净化厂将看到这种有成本效益的方法的益处。
发明概述
通过本发明已经解决了上述问题。
在一个方面，本发明涉及一种用于在水净化中处理污泥的方法，其特征在于下述步骤：
a)提供包括能够消化天然聚合物材料的至少一种酶的酶混合物；
b)以任选的顺序或同时将酶混合物和至少一种螯合试剂添加到含水污泥悬浮液中。
在另一个方面，本发明涉及上述方法的用途，其除了用于水净化中的常规消化之外。
在又一个方面，本发明涉及上述方法的用途，其取代用于水净化中的常规消化。
附图描述
图1描述了与不存在螯合试剂相比，当在不同的总的酶剂量(13.7mg/g、34.25mg/g和54.8mg/g)下使用螯合试剂柠檬酸(以25mM和50mM)和EDTA(以25mM和50mM)时所释放的COD(mg/l)。
图2描述了当使用酶连同螯合试剂柠檬酸(Cit A)、EDTA、沸石(Zeo)、氟化钠(Flu)和与硅酸钠结合的沸石(Zeo+Kwet)(Kwet是由Kemira销售的硅酸钠的产品名)时所释放的ΔCOD(mg/l)。
图3描述了在25mM和50mM的螯合试剂Cit A和EDTA存在下以及不存在任何螯合试剂时，呈固相和液相形式的酶即蛋白酶和纤维素酶的活性(酶活性U/ml)。所有样品中的酶的量是137mg/g干固体污泥。
发明详述
本发明的目的是提供用于在水净化中处理污泥的新颖的方法。已经认识到，向净化方法中添加根据本发明方法的螯合剂增强了污泥的消化。而且，螯合剂防止酶被捕集在污泥表面上，并增强了污泥的酶溶解。本发明因提供了更有效和更有成本效益的工艺而确实有益于水净化工业。因此，提高水净化中的酶的效率是本发明的主要关注点。
在根据本发明的方法的一个实施方案中，至少一种螯合试剂选自由柠檬酸(Cit A)、乙二胺四乙酸(EDTA)、酒石酸及它们的盐、沸石A、氟化钠、与沸石A结合的硫代硫酸钠、硅酸钠、与沸石A结合的硅酸钠以及上述物质的任何组合。因而，螯合试剂可以是所述试剂中的两种或更多种的组合或此处没有明确提到的任何其他螯合试剂。本领域的技术人员应认识到，只要能获得期望的结果，此处没有明确提到的任何其他螯合试剂都可以根据本发明来使用。然而，由于含磷螯合试剂会增大流出物中的磷负荷，所以含磷螯合试剂是不适合的。
根据本发明，已经证明了不同螯合剂对酶污泥降解的积极作用。此作用可以通过溶液中较高的化学需氧量(COD)值来见证。除了详细提到的诸如EDTA和Cit A的试剂外，也试验了其他试剂，即：酒石酸、沸石A、氟化物、与沸石A结合的硫代硫酸盐、与沸石A结合的硅酸钠以及硅酸钠。柠檬酸是所试验的最佳试剂。而且，柠檬酸是可生物降解的。
较大的聚集体的破裂导致可用于酶水解的比表面积增大。从污泥去除聚阳离子减少了网络度，但也改变了污泥表面的电荷和极性。例如，静电结合部位是废水处理和生物修复中的金属生物吸附的关键指标。污泥的电荷变化将会影响包括非阳离子型在内的所有的离子相互作用。已经显示出，水解温度越低，则释放的负性基团越少。
将至少一种螯合试剂以(总的污泥悬浮液中的)约0.1mM-200mM的总的最终浓度添加到污泥悬浮液中，优选以(总的污泥悬浮液中的)约0.1mM-75mM如1mM-75mM的总的最终浓度进行添加。例如，螯合剂可以约5mM、10mM、15mM、20mM、25mM、30mM、35mM、40mM、45mM、50mM、55mM、60mM、65mM、70mM和75mM的浓度进行添加。优选地，螯合剂可以约0.1mM-50mM，优选0.1mM-25mM且更优选0.1mM-10mM如0.1mM-5mM的浓度来进行添加。螯合剂可以约1mM-50mM如1mM-25mM的浓度来进行添加。
在根据本发明的方法中，提供了能够消化天然聚合物材料的酶混合物。本领域的技术人员应认识到，只要能获得期望的结果，此处没有明确提到的任何类型的酶都可以用在酶混合物中。
在本发明的一个实施方案中，酶混合物中的至少一种酶选自糖苷酶、脂肪酶、蛋白酶、氧化酶、肌醇六磷酸酶。因而，酶混合物可以包括一种或多种酶。可以被使用的酶的其他示例是淀粉酶、纤维素酶、木聚糖酶、葡聚糖酶和麦芽糖糊精酶(glycanse)。可以根据污泥的类型和来源选择酶。优选的酶是诸如Alcalase(市售的蛋白酶的产品名)的蛋白酶和诸如Lipolase(市售的脂肪酶的产品名)的脂肪酶。Alcalase是对以下物质具有非常广泛的特异性即高特异性的蛋白酶：诸如Phe、Trp和Tyr的芳族氨基酸；酸性氨基酸Glu；诸如Met的含硫氨基酸以及诸如Leu和Ala的脂肪族氨基酸。上述蛋白酶共有与一些蛋白酶单独相关的特异性。这对具有广泛的基质特异性的市售的Lipolase同样是适用的。换句话说，Lipolase促进了多种甘油三酸酯的水解。
在本发明的又一个实施方案中，酶混合物是例如至少两种酶的组合，如包括如α-淀粉酶与纤维素酶的组合、漆酶与脂肪酶的组合、漆酶与α-淀粉酶的组合或上述物质的任何其他组合。酶的另外的组合是如，诸如Alcalase的蛋白酶与诸如Lipolase的脂肪酶。酶混合物中的酶应该能够消化天然聚合物材料，即具有消化存在的天然聚合物材料的能力。这是酶的重要特征，因为否则污泥就不能被消化和/或被分解。换句话说，将酶添加到水净化工艺中以便消化天然聚合物材料。因而，添加有效量的酶来消化存在的天然聚合物材料。
本发明的优势在于根据本发明的酶溶解工艺比常规的酶溶解工艺快得多。例如，酶溶解工艺进行1-12小时，优选3-8小时，更优选4-6小时，如4小时。常规的酶溶解工艺将要求至少12小时。
污泥中的有机物质的主要来源之一是胞外聚合物(EPS)，存在两种形式：可溶性的EPS和键合的EPS，这取决于污泥来源。可溶性的EPS可以仅通过离心法被提取，而生物质的絮凝物中的键合的EPS要求额外的处理。EPS中的主要组分是多糖和糖缀合物。因此，被选择来水解污泥的适当的关键酶是内切聚糖酶。大多数酶的最佳pH是在酸性区域且分子量是约50kDa。这些酶主要由单一多肽链组成且在高于环境温度至高达50℃都是稳定的。然而，根据所使用的关键酶的类型，pH可以在中性范围。
污泥絮凝物的结构依赖于通过存在于污泥中的聚阳离子连接的微生物聚合物、酸性多糖、糖缀合物和类似凝集素的蛋白结合多糖以及腐殖酸盐之间的相互作用。
在根据本发明的方法中，在添加至少一种螯合试剂之后，有时候需要通过添加酸或碱，如通过添加HCl或NaOH或任何其他合适的碱或酸来将污泥悬浮液的pH调节到约6-9，优选7-8。
在本发明的一个实施方案中，在任何厌氧消化器中，即不存在氧的情况下进行处理。厌氧工艺的最终产物是甲烷，可以从厌氧工艺回收甲烷以获得将要用在其他应用中的另外的产物。因而，不仅使污泥的消化得到增强，而且由此工艺还获得了附加值产物。因而，本发明的非常重要的实施方案是本发明的方法在厌氧环境中的用途，由此可以分离并重新使用诸如甲烷的附加值产物。
酶混合物：污泥干固体的质量比是约0.1mg/g干固体-140mg/g干固体，优选0.1mg/g干固体-70mg/g干固体，如1mg/g干固体-70mg/g干固体，更优选1mg/g干固体-55mg/g干固体，更优选1mg/g干固体-35mg/g干固体，以及更优选1mg/g干固体-14mg/g干固体。基于经济原因，酶混合物：污泥干固体的质量比可以是，如优选低到0.1mg/g干固体-5mg/g干固体、0.1mg/g干固体-10mg/g干固体或2mg/g干固体-6mg/g干固体。
在本发明的上下文中，已经将酶混合物：污泥悬浮液的质量比界定到0.1mg/g干固体-140mg/g干固体的范围。除了酶之外，酶混合物可以包括其他量的诸如水的成分或合适的有机溶剂或无机溶剂或其他组分。使用在本发明方法中的酶混合物可以是，如市售的包含相关的酶和一定量的用于这些酶的溶剂和其他组分的酶产品。当然重要的是，这些其他组分和溶剂并不会干扰酶的重要活性。下面的市售的酶产品来自NovozymeA/S，能够被包括在用于本发明方法中的酶混合物中：Termamyl 300L，DX类型(淀粉酶)且公开活性为300KNU/g(37℃，pH 5.6)；Lipolase 100L(脂肪酶)100KLU/g(30℃，pH 7.0)；Celluclast 1.5L(纤维素酶)700EGU/g(30℃，pH 5.6)；Pulpzyme HC(内切木聚糖酶)1000AXU/g；以及Dextranase PlusL(葡聚糖酶)；Alcalase 2.4LFG(蛋白酶)2.4AU-A/g(37℃，pH 8.5)。为了进一步说明上述内容，本发明的非限制性的示例是在酶混合物：污泥干固体的质量比为13.7mg/g的情形，在此非限制性的示例中，这意味着每1g污泥干固体有13.7mg的一种商用酶产品或若干种商用酶产品的混合物。
用于本方法中的酶混合物并不限于上述市售的酶产品的具体实例。
本领域的技术人员应认识到，酶混合物中的要求使污泥有效降解的酶的需要量是根据工艺的条件，即温度、污泥的类型和所要求的效率等等。
在本发明的另一个实施方案中，该方法还包括向悬浮液中添加至少一种发酵细菌物种的步骤，由此使本发明方法的步骤b)中获得的所得到的污泥悬浮液发酵。因而，还可以通过向悬浮液中添加不同的发酵微生物如发酵细菌来进一步增强污泥的降解。发酵细菌如选自产酸菌(acidogenicbacteria)、产乙酸菌(acetogenic bacteria)和产甲烷菌。优选地，发酵细菌选自由氧化葡萄糖酸杆菌(Gluconobacter oxydans)、醋杆菌属(Acetobactersp.)、凯伍产醋菌(Acetogenium kivui)、浸麻芽孢杆菌(B.macerans)、多粘芽孢杆菌(B.polymyxa)、凝结芽孢杆菌(B.coagulans)、布氏乳杆菌(Lactobacillus buchneri)、热醋酸梭菌(Clostridium thermoaceticus)、缓纤维梭菌(Clostridium lentocellum)、甲酸乙酸梭菌(Clostridiumformicoaceticu)、热纤梭菌(Clostridium thermocellum)和假单孢菌属(Pseudomonas sp.)组成的组。自然地，没有明确提到的任何其他的细菌物种可以被使用在本发明的此实施方案中。而且，产甲烷菌选自由巴氏甲烷八叠球菌(Methanosarcina barkeri)、甲烷八叠球古菌(Methanosarcinamazeii)、索氏甲烷八叠球菌(Methanosarcina soehngenii)、醋酸甲烷八叠球菌(Methanosarcina acetivorans)和甲烷髦毛菌属(Methanosaeta sp)及其混合物组成的组。
根据本发明，将所产生的甲烷从污泥悬浮液中分离出来也是可以的。正如上面已经陈述的，根据此特定的实施方案，另外的作用是以附加值产物的形式获得的。
在本发明的上下文中，短语“天然聚合物材料”是被酶消化的，这些天然聚合物材料是，如蛋白质、多糖、多酚、木质素、腐殖酸盐、脂肪、蜡和矿物油。自然地，该短语包括在此处没有明确提到的任何其他材料或组分，它们存在于污泥中且也受本发明的酶的影响。
在本发明的上下文中，词汇“螯合试剂(chelating reagent)”和“螯合剂(chelator)”以及螯合剂(chelating agent)被互换地使用。然而，它们全部都将按照与螯合剂(chelating agent)的通常已知的定义相同的方式来进行解释。
本发明方法中的污泥悬浮液的温度是约4℃到约90℃，优选约10℃到约80℃，且更优选约30℃到约60℃，以及甚至更优选37℃到约40℃。基于存在的酶和它们对天然聚合物材料的作用来选择温度。本领域的技术人员可以确定最佳的条件以便获得有效的降解。
为了进一步优化本发明的方法，可以使污泥悬浮液经历在高于0rpm到200rpm的范围内的搅拌。从效率的观点来看，搅拌是有益的。由于搅拌使污泥的利用度变得更高，所以酶能够更有效地起作用。
在本发明的又一个实施方案中，在添加酶、螯合剂和任选的细菌之前，通过重力作用或增强的沉降将污泥预浓缩至每11污泥悬浮液10g-80g污泥固体的范围。
总之，鉴于下面的实施例，根据本发明的方法已经显示出在诸如Cit A或EDTA的螯合剂的存在下，观察到了下面的有益效果：明显增强污泥的溶解，和显著减轻所添加的酶被捕集到固体中，以及增强固体和液体部分中的酶的活性。酶与螯合剂一起使用比单独使用时更有效。这意味着与不存在螯合试剂相比，与螯合试剂一起时的酶的剂量可以更少。由此，该工艺可以变得更有成本效益。
为了进一步解释本发明，提供了下面的非限制性的试验以显示本发明的有益效果。
试验
材料和方法
污泥和试剂
从Lund(瑞典)的当地市政废水处理厂获得了使用在此处的试验中的过量的生物污泥。将新收集的污泥在4℃下沉降2-4小时并通过在4℃下以7000g离心10分钟来进一步稠化。在使用前，在4℃将污泥放置过夜。
总的固体(TS)含量是在2％到4％的范围内。
所使用的所有试剂都是分析级纯度。脂肪醇乙氧基化物(FAE，Synperonic 91/6)和低分子量的聚丙二醇(PPG4，聚丙二醇P 400E)是来自MB-Sveda，Sweden的赠品。柠檬酸(Cit A)和二水合乙二胺四乙酸二钠盐(EDTA)由Merck供给。
所有使用的酶都是工业级。蛋白酶(Alcalase 2.4L)、脂肪酶(Lipolase100L)和聚糖酶：葡聚糖酶(Dextranase PlusL)、内切木聚糖酶(PulpzymeHC)、纤维素酶(Celluclast 1.5L)、α-淀粉酶(Termamyl 300L)都是来自NovozymeA/S，Denmark的赠品。
分析方法
所有的污泥样品都以7000g和在4℃下离心10分钟，固相和液相被进一步分析。使用来自Merck的COD细胞测试(编号1.14541.0001)来确定液相中的化学需氧量(COD)。对每一个新批次的污泥来说，根据标准方法(APHA 1995)来确定TS。
根据来自Megazyme，Ireland(Megazyme)的测定程序，使用可溶性生色底物来测量污泥的液体部分和固体部分内的酶活性。使用了下面的底物(i)用于蛋白酶，AZO-Casein(0.1M磷酸盐缓冲液中的2％的溶液，pH 7.0)，(ii)用于纤维素酶，AZO-CM-Cellulose(0.1M乙酸钠缓冲液中的2％的溶液，pH 4.5)。一种酶的活性单位被界定为在标准测定条件(即，i：pH 7.0或ii：pH 4.5以及45℃)下，每分钟水解1微摩尔可溶性底物所需的酶的量。
污泥的酶处理
在受控的温度条件(45±1℃)下在1L反应器内进行酶处理，且pH在工艺过程中是恒定的(pH 7)。将诸如柠檬酸(Cit A)或EDTA的螯合剂以粉末添加到污泥中，达到25mM或50mM的最终浓度。添加50mMEDTA或Cit A分别使pH降至5.5和3.3。在添加酶之前，使用1M NaOH将污泥的pH调节至7。向预浓缩的污泥(TS 2％)中添加酶A和酶B的混合物以达到不同的酶浓度：每1g TS的污泥中68.5mg(60mg A和8.5mg B)、54.8mg(48mg A和6.8mg B)、34.25mg(30mg A和4.25mg B)和13.7mg(12mg A和1.7mg B)的总酶，并在4小时过程中反应。在处理过程中，用螺旋桨式搅拌器以200rpm连续混合污泥。
60mg的酶混合物A包含：12mg的来自NovozymeA/S的下述酶制剂中的每一种：Termamyl 300L，DX类型(淀粉酶)且公开活性为300KNU/g(37℃，pH 5.6)；Lipolase 100L(脂肪酶)100KLU/g(30℃，pH 7.0)；Celluclast 1.5L(纤维素酶)700 EGU/g(30℃，pH 5.6)；Pulpzyme HC(内切木聚糖酶)1000AXU/g；以及Dextranase Plus L(葡聚糖酶)，且酶被悬浮在1.2mg的PPG 4和0.12mg的FAE中。8.5mg的酶混合物B包含8.5mg的酶制剂Alcalase 2.4LFG(蛋白酶)2.4AU-A/g(37℃，pH 8.5)。
进行不含螯合剂的酶处理用于参考。添加了Cit A和EDTA时的酶对COD值的结果可以见于图1中。在实验室规模中，与不含螯合剂的酶处理相比，在低剂量的酶如13.7mg/g TS时，添加25mM EDTA几乎使COD释放值增至三倍(COD是酶污泥溶解的指标)，且添加25mM Cit A的影响甚至更好。
使用下面的不同浓度的螯合试剂进行了另一个试验且每1g污泥TS68.5mg(60mg A和8.5mg B)酶混合物：EDTA、沸石A、Cit A、沸石A+硅酸钠(Zeo+Kwet)和氟化钠(Flu)。测量了COD释放值且在图2中，以ΔCOD(ΔCOD)(ΔCOD是用酶和螯合剂处理的COD值已经减去无螯合剂的酶处理的COD值的值)表示结果。最佳结果见于Cit A和EDTA。
在第三个试验中，使用更高量的酶混合物137mg/g污泥TS(120mgA和17mg B)，根据第一个试验来处理污泥。在根据先前描述的方法处理了24小时后，由固体部分和液体部分测量了蛋白酶和纤维素酶的活性。与只有酶处理相比，含螯合剂的酶仍留有相当大的活性。正如可以在图3中看到的，对蛋白酶和纤维酶来说，与不含螯合剂的处理相比，在螯合剂Cit A和EDTA的存在下，液相和固相中的酶活性明显更高。特别增大的活性见于在25mM Cit A存在下的液相中的蛋白酶。
Claims (18)
1.一种用于在水净化中处理污泥的方法，所述方法包括下述步骤：
a)提供包括能够消化天然聚合物材料的至少一种酶的酶混合物；
b)以任选的顺序或同时将所述酶混合物和至少一种螯合试剂添加到含水污泥悬浮液中，
其中所述至少一种螯合试剂选自由柠檬酸及其盐组成的组，且
所述至少一种螯合试剂以约0.1mM-200mM的浓度存在。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一种螯合试剂以约1mM-75mM的浓度存在。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其中所述酶混合物中的所述至少一种酶选自糖苷酶、脂肪酶、蛋白酶、氧化酶、肌醇六磷酸酶的组。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中在添加所述至少一种螯合试剂之后，通过添加酸或碱将pH调节至6-9。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述处理发生在任何厌氧消化器中。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述酶混合物：污泥干固体的质量比是约0.1mg/g干固体-140mg/g干固体。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述质量比是约1mg/g干固体-70mg/g干固体，优选1mg/g干固体-55mg/g干固体，更优选1mg/g干固体-35mg/g干固体，更优选1mg/g干固体-14mg/g干固体。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其中还包括向所述悬浮液中添加至少一种发酵细菌物种的步骤，由此使步骤b)中获得的所得到的污泥悬浮液发酵。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述发酵细菌选自产酸菌、产乙酸菌和产甲烷菌。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述发酵细菌选自由氧化葡萄糖酸杆菌、醋杆菌属、凯伍产醋菌、浸麻芽孢杆菌、多粘芽孢杆菌、凝结芽孢杆菌、布氏乳杆菌、热醋酸梭菌、缓纤维梭菌、甲酸乙酸梭菌、热纤梭菌和假单孢菌属组成的组。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述产甲烷菌选自由巴氏甲烷八叠球菌、甲烷八叠球古菌、索氏甲烷八叠球菌、醋酸甲烷八叠球菌和甲烷髦毛菌属及其混合物组成的组。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所产生的甲烷是从所述污泥悬浮液中分离出来的。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的方法，其中所述天然聚合物材料是蛋白质、多糖、多酚、木质素、腐殖酸盐、脂肪、蜡和矿物油。
14.根据权利要求1-13中任一项所述的方法，其中所述污泥悬浮液的温度是4℃到90℃，优选10℃到80℃，且更优选30℃到60℃。
15.根据权利要求1-14中任一项所述的方法，其中使所述污泥悬浮液经历在高于0rpm至200rpm的范围内的搅拌。
16.根据权利要求1-15中任一项所述的方法，其中在添加酶、螯合试剂和任选的细菌之前，通过重力作用或增强的沉降将所述污泥预浓缩至每11污泥悬浮液10g-80g污泥固体的范围。
17.根据权利要求1-16中任一项所述的方法的用途，其除了用于水净化中的常规消化之外。
18.根据权利要求1-16中任一项所述的方法的用途，其替代用于水净化中的常规消化。
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