CN102123955A - 通过微生物处理水 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于微生物处理水的方法，特别是来自半导体生产的废水，其中将被处理的水在具有微生物的生物反应器中被处理，其中至少70％的所述微生物可以分解2-丙醇和/或丙酮。另外，描述了这样的生物反应器，水处理设备，其具有此类生物反应器以及合适的微生物，以及其在所描述的方法中的用途。

Description

通过微生物处理水
本发明涉及微生物处理水的方法，特别是来自半导体生产的废水，和适于在这样的方法中使用的微生物。另外，本发明涉及生物反应器，以及涉及具有这样的微生物的设备。
半导体生产场所是全球最大的工业用水消费者之一。最高要求包括在半导体工业中所要求的水质量。例如，水必须基本完全不含颗粒和溶解的无机和有机成分。近年来，进行了越来越多的努力再处理来自半导体生产的废水(以下也称为回收水)以及建立循环程序以最小化新鲜水的消耗。这样的程序在许多方面提供优点：
Figure BPA00001233625200011
来自半导体生产的废水通常具有比新鲜水更明确限定的组成，因此它们可能被更特异性地处理。
Figure BPA00001233625200012
来自半导体生产的废水不含有任何显著数量的无机成分和形成硬度的试剂(钙或者镁)和/或碳酸盐。
然而，再处理的问题是来自半导体工业的废水通常混合相当高比例的有机成分。这样的废水通常总有机碳(TOC)含量介于500ppb和3000ppb之间。有机成分主要是合成有机溶剂的残余。与天然的水的有机成分例如腐殖酸或者生物高聚物相比较，这些具有较低的摩尔质量。另外，它们是极性的，并且实际上不可分离的。作为它的实例，可以提到2-丙醇，其频繁地构成杂质的最大部分。
因此，如果用于半导体工业超纯水的生产从回收水开始(和/或来自新鲜水和回收水的混合物)，那么必须进行专门的测量以从将处理的水除去所述有机成分。
现有技术中已知的某些程序致力于这个专门的问题。例如，在相对长时间以前，开始将生物学方法阶段集成在超纯水处理的过程中(Golsham M.and Schmitt S.：Water reuse and reclaim operations at Hyundai semiconductor America，Ultrapure Water 05，2001，34-38；JP 61111198；JP2002-2336886)。根据其所描述的程序，直接将微生物悬浮于处理水中，或者应用于固体载体材料，其随后与处理水接触。微生物吸收有机化合物以及氧气、营养物和来自废水的溶解矿物质，并且将这些杂质转化成惰性或者容易除去的化合物。在这种情况中，优选将有机碳矿化。污水浆通常用作微生物的来源，其中在超纯水处理方法中适合为反应器接种污水浆。
事实上，利用微生物的处理有时可以导致十分明显的有机成分部分的减少。然而，已经观察到这样的测量的效率和可靠性通常会有显著的波动。获得的结果不一定总是可再现的。而且，在很多情况下还有水处理厂被以不受控制的方式接种微生物的风险，特别是还可能接种病原微生物。
本发明的目的是提供解决上述问题的技术方案。技术方案应该有效率地并且可再现地实现，尤其是来自半导体工业的具有高比例低分子量有机杂质例如2-丙醇和丙酮的废水的纯化。在这种情况中，它们应该被简单和便宜地配置。
这个目的是通过具有权利要求1的特征的方法，具有权利要求11的特征的生物反应器以及具有权利要求16到18的特征的微生物实现的。本发明所述的方法的优选实施方案描述在从属权利要求2到中。本发明所述的生物反应器以及本发明所述的微生物的优选实施方案见于从属权利要求12到14以及19和20。另外，具有权利要求15的特征的水处理设备以及具有权利要求21的特征的用途也是本发明的主题。所有权利要求的措辞都被通过参照并入说明书中。本发明所述的方法用于微生物处理水，尤其是来自半导体生产的废水。它包括在生物反应器中用微生物处理的即将被处理的水。特别优选，根据本发明，利用微生物处理将被处理的水，在所述微生物中至少70％能够降解2-丙醇和/或丙酮。因此，这些微生物专门用于降解所述化合物，并且当然不是完全被限定的。
原则上，本文中的微生物不仅是单个菌株也可以是细菌培养物，其包含复数菌株或者甚至来自不同细菌属的菌株。关键因素是微生物比例，其分解2-丙醇和/或丙酮不会低于所述限制。优选，分解2-丙醇和/或丙酮的微生物的比例大于80％，尤其是大于90％，实际上特别是优选100％。
如当初提及的，已知使用来自下水道污泥的微生物用于分解低分子量有机化合物。然而，这个决不是指定的微生物选择。特异性分解确定杂质的微生物的比例在所有程序中是目前已知的，而不是偶然测定的。
相反，按照根据本发明的方法，优选以靶向方式使用微生物，这些微生物具有与具体的杂质(即与2-丙醇和/或丙酮)相匹配的生长和分解动力学。根据这种措施，包含于回收水的有机碳被可再现地并且极端有效率地除去。通常地(从TOC数值在500ppb和3000ppb之间开始)，一直观察到80％或更高的分解率。清除包含于回收水中的有机碳的该可靠的技术方案到目前为止在现有技术中还是未知的。
在本发明的准备工作中，对不同属的种种细菌菌株研究它们在根据本发明方法中的适用性。特殊的，在黄色杆菌属细菌属中鉴定合适的微生物。相应地，在根据本发明的方法中，将被处理的水被处理，特别优选地用至少一种黄色杆菌属细菌属的菌株和/或它的突变株进行处理。
在deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH(DSMZ[German Collection of Microorganisms and Cell Cultures])以保藏号DSM No.19987保藏的菌株已经被证明是特别合适的。
在标准培养基上，这个菌株通常形成透明的白色不光滑的菌落，其具有平滑边、圆形生长、均匀结构和平坦曲线。双球菌具有球形的细胞形状和圆角，观察到的宽度为大约0.8μm，长度为大约1.2m。
通过确定核酸序列进行精确的系统发育的比对，借助对PCR-扩增的16SrRNA进行直接测序。之后，将序列数据与黄色杆菌属典型的已知序列进行比较。发现与黄黄色杆菌(Xanthobacter flavus)(DSM 338)具有99.5％的最高序列一致性。
另外，根据本发明将被处理的水也可以被细菌属黄色杆菌属的至少一个菌株和/或它的突变株处理。该菌株也已经被证明是很适于用在根据本发明的方法中。
特别地，在deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH(DSMZ)以DSM No.19985保藏的菌株被鉴定为特别合适。
对于这个菌株也测定核酸序列，借助于直接测序PCR扩增的16SrRNA。通过将序列数据与红球菌属典型的已知序列进行比较，该菌株被鉴定为赤红球菌(Rhodococcus ruber)亚类的代表。
副球菌细菌属的菌株和/或它的突变株同样地高度适于用在根据本发明的方法中。特别地，利用在the deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH(DSMZ)以DSM No.19986保藏的菌株实现了非常好的结果。
以上所述鉴定为优选的菌株不仅能被分别地使用，而且可以在根据本发明的方法中联合使用。如果适当的话，它们还可以存在于与一种或更多种其它的不能分解2-丙醇和/或丙酮的菌株的混合培养物中。
优选，分解2-丙醇和/或丙酮的微生物的比例始终达到上述的优选极限值。在根据本发明方法的优选实施方案中，使用的微生物仅仅是一个或更多个菌株，被鉴定为优选的。
上述生物反应器在本文中意味着，在最简单的情况下是一种容器，在其中将被处理的水接触微生物，例如通过在将被处理的水中悬浮微生物。
然而，特别优选地，使用的生物反应器是通气或者非通气的过滤装置，其在优选实施方案中具有颗粒过滤材料。用这种方式装备，生物反应器可以同时完成复数种功能。首先，低分子量有机成分例如2-丙醇和/或丙酮在其中可以被分解，第二，它可以作为过滤器以除去来自将被处理的水的颗粒。
颗粒过滤材料，由于他们的大表面面积，提供了良好条件用于微生物形成菌落。特别优选的，用于根据本发明方法的微生物被固定化在生物反应器中构建为过滤装置的过滤材料上。微生物可以在过滤材料颗粒上和/或孔中形式连续模。
在文献中，通常自下至上的流径被报道为优选的生物过滤器运行方式(参见例如EP 585036，JP 7284799，JP 6063592和JP 62065792)。当流动自下至上通过生物过滤器时，然而，微生物可以被容易地被工艺用水洗出。因而，下游的处理阶段可以被接种微生物。因为这个理由，现有技术已知的生物反应器经常地与另外的过滤阶段结合，其中所述过滤阶段被连接到生物过滤器的下游(参见例如JP 63185494，JP 8197094和JP9155371)。然而，这些技术方案就设备而言是复杂的并且昂贵的。根据本发明优选将被处理的水作为废液通过作为过滤装置构造的生物反应器。以这种方式，确保提高浓度的微生物不会离开过滤装置。回收水，例如生物处理的下游可以被直接引入水处理设备的滤液槽。
根据本发明的生物反应器特别地用于水处理，特别是用于来自半导体工业的工艺废水，并且特别地适用于根据本发明的方法。它具有可以分解2-丙醇和/或丙酮的微生物。
在优选实施方案中，它具有微生物，所述微生物的至少70％，优选超过80％，特别地超过90％，特别优选几乎100％可以分解2-丙醇和/或丙酮。
如上述，细菌属黄色杆菌属和/或红球菌属和/或副球菌属的菌株或者它的突变株特别合适作为所述微生物。以上所述的可以优选使用的微生物描述因此清楚地通过对照并入本文。
根据以上所述实施方案，在优选实施方案中，根据本发明的生物反应器构造为通气或者非通气过滤装置，其中过滤装置具有颗粒过滤材料，在所述颗粒过滤材料上固定微生物。该生物反应器的有利的双重功能已经被在上面考虑。
特别优选颗粒过滤材料是活性碳。然而，其它的材料例如结构或者不规则的塑料填料例如聚乙烯、砂、膨胀粘土或者硬煤也可以是非常适合的。在优选实施方案中，颗粒过滤材料可以是多孔的，特别地具有超过微生物尺寸至少10倍的尺寸。
活性碳对于有机溶剂具有显著的吸附能力，特别地对于2-丙醇和丙酮。通过为过滤材料负载这些溶剂，形成底物的存储器，其特别适合微生物培养。在操作中，将被处理的废水的速度和组成波动可以被补偿。
本发明进一步包括一种水处理设备，其特征在于它具有根据本发明的生物反应器。正被讨论用于生产超纯水，特别地为了半导体工业对于的类型水处理设备足以从先有技术获知，因此不需要在本申请中被详细地描述。
特别适用于根据本发明方法或者用于根据本发明生物反应器中的上述微生物也包含在本发明中。
与以上所述细节一致，根据本发明的微生物特别地特征在于它是细菌属黄色杆菌属保藏号为DSM NO.19987的菌株或其突变菌株。根据本发明的另一种微生物特征在于它是细菌属红球菌属保藏号为DSMNo.19985的菌株或者它的突变株。根据本发明的第三微生物属于副球菌属，并且以DSM No.19986保藏在DSMZ。
在优选实施方案中，根据本发明的微生物可以被固定化在载体材料上例如活性碳。其他合适的载体已经如上作为过滤材料进行描述。
另外，可以优选的是根据本发明的微生物包装在水密封的、空气可渗透的容器中。令人惊讶的是，这个是因为据证明根据本发明的微生物(特别是固定化在活性炭上)可以甚至被保存相对长的时间，只要他们被包装在容器中，保证为微生物供给足够的氧气。这样的容器是例如塑料膜制成的扁袋，优选聚乙烯，特别地膜厚度为大约0.05毫米。这些具有足够的透气性以保证所包裹的微生物的供氧，持续最高达到数个星期的相对长时期。在这段时间中，可以在载体材料上覆盖微生物的营养需要，例如覆盖通过吸附存储的2-丙醇。
可以以无菌和水密封的方式对包进行封闭。以这种方式，固定化微生物可以被存储相对长的时间，并且在大距离使用位置上进行转运。在使用位置，例如过滤装置的固定床，例如活性碳固定床，可以十分简单地被接种固定化微生物(将简单的过滤装置转化为根据本发明的生物反应器)。添加一体积份在其上固定微生物的活性碳，通常达到50至10000体积份固定床，通常是足够的。
在生物反应器中迅速倍增微生物重要条件是为反应器进料添加盐类营养物。盐类营养物优选被添加直到生物反应器已经达到它的全部产出量。盐类营养物优选含有需要的大量元素(特别地N、P、S、Na、Ca和Mg)以及微量元素(特别地Fe、Cu、Cr、Co和Zn)。调节盐类营养物的添加，特别地以这样的一种方式使得在反应器进料中，元素C、N和P的摩尔浓度达到相互比例为C∶N∶P＝100∶10∶1。
若干优点起因于根据本发明微生物的可利用性：
-始终确保在短时间内微生物的可利用性，例如用于接种活性碳固定床。
-以恒定和可控的质量提供微生物。
以上所述微生物不是致病的，因此他们的使用是没有风险的。
-完全地遵守生物项目规则的要求。
-生物反应器可以被未受专门训练的人激活。
-避免了在生物反应器位置安装与操作单独的发酵装置。
-生物反应器可以十分快速的投入运转，它的开动时间被大大缩短。
根据本发明的一个或更多个微生物用于处理水特别地在根据本发明的方法中或者在根据本发明的生物反应器的用途也是本发明的客体。根据本发明用途的优选实施方案起因于以上所述描述并且不需要再次单独存在。
关于所描述特征以及本发明的其他特征的细节来自于下面优选实施方案的描述结合附图和权利要求。在这种情况中，本发明的各个特征可以各自单独或者彼此组合实现。
图1显示根据本发明用于处理回收水的水处理设备部分实施方案的流程图。
该图显示水箱2具有回收水的进料11。水箱2具有用于控制所含有回收水的pH的装置。优选，在水中pH设置为4和9之间的数值，特别是7和8之间。从水箱2，线路12引导至生物反应器1，其中设置活性碳的固定床，其表面形成DSM No.19985菌株微生物的集落。在将回收水引入生物反应器1中，如果需要，回收水可以被混合经由线路16来自贮存器3的电解质。如果适当的话，这是必要的，因为回收水不能完全无盐，以保证长时间在生物反应器中微生物的存活率。在贮存器和5中，设置2-丙醇和盐类营养物。从这些，底物(例如2-丙醇)和营养素可以经由线路17和18被增加给回收水，如果适当的话，其可以在激活阶段是必要的，或者用于补偿在操作中浓度的变化。如果需要的话，将被处理的水可以被循环以及通气。后者在生物学激活的启动过程中是必要的。阀6a和6b用于在生产操作、循环和回流之间进行切换。后者可以是必要的，例如当生物反应器的固定床被杂质颗粒阻塞时，所述杂质颗粒来自将被处理的水。而且，水处理设备具有循环泵7用于循环操作以及关闭循环料流的阀8。以生产模式在生物反应器中被处理的水的出口以及回流料流的进料由参数13和14指示。
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2在提到10.2(a)(ii)和(iii)时，指的是最近的存活测试
3如果适用就画×
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1表示原始保藏日期，或者进行新保藏或传输的日期，最近的相关日期(新保藏的日期或者传输的日期)
2在提到10.2(a)(ii)和(iii)时，指的是最近的存活测试
3如果适用就画×
4如果已经要求了信息并且测试结果是阴性的，则填入，
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1如果适用6.4(d)条，则该日期为国际保藏单位状态获得的日期
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1表示原始保藏日期，或者进行新保藏或传输的日期，最近的相关日期(新保藏的日期或者传输的日期)
2在提到10.2(a)(ii)和(iii)时，指的是最近的存活测试
3如果适用就画×
4如果已经要求了信息并且测试结果是阴性的，则填入，
表格DSMZ-BP/9(一页)08/2006

Claims (21)

1.用于微生物处理水的方法，特别是来自半导体生产的废水，其中将被处理的水在生物反应器中被微生物处理，其特征在于至少70％的所述微生物可以分解2-丙醇和/或丙酮。
2.根据权利要求1的方法，或者权利要求1的前序部分，其特征在于将被处理的水被细菌属黄色杆菌属的菌株和/或它的突变株进行处理。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于菌株是代表性的物种黄黄色杆菌，特别是DSM No.19987菌株。
4.根据权利要求1的方法，或者权利要求1的前序部分，其特征在于将被处理的水被细菌属红球菌属的菌株和/或它的突变株进行处理。
5.根据权利要求4的方法，其特征在于菌株是代表性的物种赤红球菌，特别是DMS No.19985菌株。
6.根据前述之一的方法，或者权利要求1的前序部分，其特征在于将被处理的水被细菌属副球菌属的菌株和/或它的突变株处理。
7.根据权利要求6的方法，其特征在于菌株是DMS No.19986菌株。
8.根据前述权利要求之一的方法，其特征在于使用过滤装置作为生物反应器，其中所述过滤装置在优选实施方案中具有颗粒过滤材料。
9.根据权利要求8的方法，其特征在于微生物固定化在过滤材料上。
10.根据权利要求8或者9的方法，其特征在于将被处理的水作为废液通过过滤装置用于处理。
11.用于水处理的生物反应器，特别地用于根据前述权利要求之一的方法，其特征在于其具有微生物，所述微生物的至少70％能够分解2-丙醇和/或丙酮。
12.根据权利要求11的生物反应器，或者权利要求11的前序部分，其特征在于它具有细菌属黄色杆菌属和/或红球菌属和/或副球菌属的至少一种菌株，和/或至少一种其突变株。
13.根据权利要求11或者权利要求12的生物反应器，其特征在于它被构造为过滤装置，其中过滤装置优选具有颗粒过滤材料，在所述颗粒过滤材料上固定化微生物。
14.根据权利要求13的生物反应器，其特征在于颗粒过滤材料是活性碳。
15.水处理设备，其特征在于具有根据权利要求11-14之一的生物反应器。
16.微生物，特别地用于根据权利要求1-15之一的方法、生物反应器或者水处理设备，其特征在于所述微生物是细菌属黄色杆菌属的菌株DSM No.19987或者它的突变株。
17.微生物，特别地用于根据权利要求1-15之一的方法、生物反应器或者水处理设备，其特征在于所述微生物是细菌属红球菌属的菌株DSM No.19985或者它的突变株。
18.微生物，特别地用于根据权利要求1-15之一的方法、生物反应器或者水处理设备，其特征在于所述微生物是细菌属副球菌属的菌株DSMNo.19986或者它的突变株。
19.根据权利要求16-18之一的微生物，其特征在于所述微生物固定化在载体上，例如活性碳。
20.根据权利要求16-19之一的微生物，其特征在于其被包装在水密封的、空气可渗透容器中。
21.根据权利要求16-20之一的微生物用于处理水，特别是在根据权利要求1-15之一的方法、生物反应器或者水处理设备中的用途。
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