CN107475143A - 用于废水处理的微生物聚生体 - Google Patents

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Abstract

一种含有用于处理废水或含有机废物的水的微生物聚生体的液体组合物，所述微生物聚生体包括至少一种腐生酵母、至少一种光合微生物和至少一种固氮微生物，其中，在所述聚生体中的所述微生物被布置和适合于当施加到废水中并在废水中生长时在废水中彼此形成共生关系。本文所公开的液体组合物产生适合生物粗油生产的油脂性生物质。

Description

用于废水处理的微生物聚生体
技术领域
此本发明涉及微生物混合物，用于有效处理废水以生产生物粗油。更具体地说，所述微生物混合物适合除去废水中的有机物以及由废水生产的油脂性生物质。所述微生物混合物是能够形成微生态系统的混养物。它在废水处理中是有效的并且对于不同的外部冲击(如pH值和温度变化)适应性更强。
背景技术
废水处理一直是一个大问题。对于许多公司来说，废水处理是一种昂贵的责任并可能对环境有害。如果废水未经适当处理而被直接排放到环境中，将会污染受纳水体，即河流或海洋。此外，含有养分的未经处理的废水会激起病原菌的生长，从而导致与水有关的疾病的广泛传播。此外，藻华将导致在甲壳类动物和贝类中海藻毒素积聚(例如，有毒藻华)，这进而导致人类食物过敏。
在自然界中废水可以是有机或无机的，或者是两者的组合。废水中易腐烂的有机物会不利地影响受纳水体的水质。此外，废水中的过量有机物引起受纳水体中的分解体以与其能够被替换相比更快地蓬勃发展和消耗氧气，产生导致很多水生生物死亡的缺氧状态。
用于在排放到受纳水体之前除去废水中的有机物的常规方法是用强烈曝气处理废水，即简单地向体系中注入更多的氧以激起需氧微生物的生长，因此分解速率比自然水路中高出许多倍。好气分解减少在水中的有机和无机污染物的水平，这是因为有机材料被消耗用于微生物生长或以微生物代谢产物(如二氧化碳)的形式被释放到大气中，因此，减少了生化需氧量(BOD)和化学需氧量(COD)。在最常规的需氧废水处理中，分解速率由增加溶解氧(DO)和硝化作用(随后的反硝化作用)的曝气水平来确定。由于氧气被消耗，分解被抑制。但是，这可以通过引入兼性厌氧菌(如来自醋杆菌属(Acetobacter)、乳杆菌属(Lactobacillus)和双歧杆菌属(Bifidobacteria)的发酵细菌)和引入具有这些细菌的共生真菌(如来自念珠菌属(Candida)和酵母菌属(Saccharomyces)的酵母)来得以改善。
特别感兴趣的是美国专利第5811289号，其描述了一种处理乳品工业流出物的方法。所公开的方法包括用细菌和酵母的混合物(其中许多是兼性厌氧菌)注入流出物。在所公开的专利中，两类微生物能够在流出物中共生生活和生长，因此改善了在系统中的有机废物的分解效率。
然而，因为每当在系统中有厌氧袋的时候即产生温室气体，这在所有的需氧系统中都无法避免，所以常规的废水处理仍是一个昂贵的维持过程，并且对环境有害。常规的生物废水处理仅仅是对社会的责任，无论它是多么有效。
另一方面，微生物混养发明与常规废水处理的不同之处在于，通过水热液化(HTL)同时减少废水中的BOD和COD，混养发明消耗废水中的有机和无机养分以形成适合于生产生物燃料的油脂性生物质。这种微生物技术也包括消耗一氧化碳和二氧化碳的微生物，因此大大减少二氧化碳释放进入大气或潜在没有释放二氧化碳进入大气或消耗来自大气中的二氧化碳。
因此，期望提供一种多种微生物培养，其作为用于废水处理和生物质生产二者的微生态系统共生工作，其中，温室气体排放有限并且使对水曝气和化学药品的需要最小化。此外，油脂性生物质非常适合通过水热液化生产生物粗油。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种含有用于处理含有机物的废水的微生物聚生体的液体组合物。微生物对在废水中的有机物的需氧消化有效地降低了废水的生化需氧量(BOD)和化学需氧量(COD)。
本发明的另一个目的是提供一种含有能够在废水中生长而无需提供额外生长养分和曝气的微生物聚生体的液体组合物。在所述聚生体中的所述微生物形成自我维持的微生态系统；它们自己的代谢物支持彼此的生长。所述微生物聚生体能够将有机物分解成碳底物，固定大气的氮以及碳，和/或提供溶解氧。
本发明的再一个目的是提供一种含有用于处理含有机物的废水的微生物聚生体的液体组合物，其是遗传稳定的并且对各种环境冲击适应性更强。所述聚生体，由于其代谢多样性，能够应对外部变化。
本发明的还一个目的是提供一种含有能够制造用于生物粗油生产的油脂性生物质同时除去废水中的不需要的物质的微生物聚生体的液体组合物。所述聚生体是藻类、固氮生物和真菌的混养物，当在聚生体中生长时，藻类混养与藻类单一培养相比往往具有更高的脂质含量。此外，与藻类单一培养相比，无需增加藻类混养中的脂质含量的诱导应力。
通过本发明全部或部分地满足至少一个前述目的，其中本发明的实施方式描述了一种含有用于处理废水或含有机物的水的微生物聚生体的液体组合物，所述微生物聚生体包括选自酵母属(Saccharomyces)、隐球菌属(Cryptococcus)、红冬孢酵母属(Rhodosporidium)和耶氏酵母属(Yarrowia)的至少一种腐生酵母；选自微拟球藻属(Nannochloropsis)、小球藻属(Chlorella)、四爿藻(Tetraselmis)、栅藻属(Scenedesmus)、红假单胞菌属(Rhodopseudomonas)和红杆菌属(Rhodobacter)的至少一种光合微生物；和选自固氮菌属(Azotobacter)和固氮螺菌属(Azospirillum)的至少一种固氮微生物，其中，在所述聚生体中的所述微生物被布置和适合于当施加到废水中并在废水中生长时在废水中彼此形成共生关系。
优选地，所述腐生酵母的浓度为所述液体组合物的10重量％至20重量％，所述光合微生物的浓度为所述液体组合物的10重量％至20重量％，以及所述固氮微生物的浓度为所述液体组合物的10重量％至20重量％。优选地，所述液体组合物最初被调节为6.5至8.5的pH值。
本发明的液体组合物优选用于处理来自油料生产厂、城市废水处理厂或食品加工厂的废水。
因此，所述液体组合物由废水生产油脂性生物质。所述油脂性生物质用于生产生物粗油。
本发明还描述了如前所述的含有微生物聚生体的液体组合物用于处理含有有机物质的废水的用途。
此外，本文公开的是如前所述的含有微生物聚生体的液体组合物用于制造用于生物粗油生产的油脂性生物质的用途。
具体实施方式
本领域的技术人员将容易理解的是，本发明非常适合于实现上述目的和获得上述目标和优点，以及其中固有的内容。本文所描述的实施方式并不旨在作为对本发明的范围的限制。
本发明公开了一种含有用于处理废水或含有机物的水的微生物聚生体的液体组合物，所述微生物聚生体包括至少一种腐生酵母、至少一种光合微生物和至少一种固氮微生物，其中，在所述聚生体中的所述微生物被布置和适合于当施加到废水中并在废水中生长时在废水中彼此形成共生关系。本发明的微生物聚生体是遗传上未修饰的和该组合因其生物多样性而对各种外部冲击(如温度，pH值的变化，养分可用性和捕食作用)适应性更强。它也用于与废水天然菌群整合。此外，它有利于生物修复，同时消除了对附加曝气和化学药品的需要。此外，所述微生物聚生体在盐水和/或淡水中是有活力的和功能活性的。
在本发明的优选实施方式中，在所述液体组合物中的腐生酵母可以选自酵母属(Saccharomyces)、隐球菌属(Cryptococcus)、红冬孢酵母属(Rhodosporidium)或耶氏酵母属(Yarrowia)，或它们的组合。更优选地，它可以是弯曲隐球菌(Cryptococcus curvatus)(也称为弯假丝酵母(Candidacurvata和Trichosporon oleaginosus)、圆红冬孢酵母菌(Rhodosporidiumtoruloides)和解脂耶罗威亚酵母(Yarrowia lipotytica)中之一，或它们的组合。所述腐生微生物的浓度为液体组合物的约10重量％至约20重量％。因此，腐生酵母产生使有机化合物(如糖、蛋白质和脂质组分)降解的酶。此外，对于养分(特别是二氧化碳)而言，优选的腐生酵母与产甲烷菌竞争，从而抑制从废水中的甲烷排放。例如，弯假丝酵母(C.curvatus)与产甲烷菌竞争乙酸或乙酸盐，限制产甲烷菌可用的养分。此外，本发明的腐生酵母是具有高油生产能力的油脂性菌株。因此，在液体组合物中包含这些腐生微生物增加了总脂质产量，具有改进的生物修复。
优选地，在所述液体组合物中使用的光合微生物是选自微拟球藻属(Nannochloropsis)、小球藻属(Chlorella)、四爿藻(Tetraselmis)、栅藻属(Scenedesmus)、红假单胞菌属(Rhodopseudomonas)和红杆菌属(Rhodobacter)。更优选地，微绿球藻(Nannochloropsis oculata)、普通小球藻(Chlorella vulgaris)、四肩突四鞭藻(Tetraselmis suecica)、绿藻(Scenedesmusobliquus)、荚膜红假单胞菌(Rhodopseudomonas capsulate)和球形红杆菌(Rhodobacter sphaeroides)中之一，或它们的组合可以包含在所述液体组合物中。所述光合微生物的浓度为液体组合物的约10重量％至约20重量％。根据本发明的光合微生物消耗废水中的有机物，并因此除去废水中的过量养分，同时为需氧腐生菌提供氧气。因此，将需氧废水处理系统中的缺氧状态的影响减至最小。更具体地说，本发明的光合微生物可以是微藻和/或紫色非硫细菌。在本发明考虑之内的微藻物种具有高含油量，使得他们成为适合生物燃料生产的候选者。微藻的光合活性消耗二氧化碳和产生氧气，从而增加在废水中的溶解氧的量。此外，本发明的微藻，由于其吸附重金属的能力，能够从废水中除去重金属。在所述液体组合物中的微藻可以与紫色非硫细菌(PNSB)伴随或可以不与紫色非硫细菌(PNSB)伴随。对于生长，PNSB可以通过消耗二氧化碳而光合自养地生长。通过与产甲烷菌竞争各种形式的碳源(如二氧化碳和乙酸盐)，PNSB限制产甲烷菌的甲烷产量，并且它们消耗二氧化碳的事实进一步减少了环境中的温室气体。此外，PNSB中和废水中的各种有毒的和有气味的有机化合物。它们甚至在缺氧条件下的固定氮的能力也增加了多种微生物培养物的生存力。有趣的是，PNSB也有助于反硝化作用，进一步清理过量污染物的废水。
优选在所述液体组合物中包括选自固氮菌属(Azotobacter)和固氮螺菌属(Azospirillum)中任一者或两者的固氮微生物。更优选地，使用圆褐固氮菌(Azotobacter chroococcum)和巴西固氮螺菌(Azospirillum brasilense)。固氮微生物的浓度为液体组合物的约10重量％至约20重量％。固氮微生物能够降解废水中的多种有机化合物，如多酚类和植物毒素类。他们还将大气的氮固定成更可使用的形式，例如氨，其然后被氧化成硝酸盐和亚硝酸盐，最终增加废水中的溶解氮的水平。溶解氮支持如微藻和腐生酵母的其他微生物特别是在油料厂废水中的生长(其中由于缺乏氮，而使得氮成为限制生长的因子)。此外，油料厂废水通常包含抑制微生物活性的抗微生物多酚，并且固氮微生物(如固氮螺菌属(Azospirillum))还被显示降解这些抗微生物多酚。腐生酵母和光合微生物因而能够在包含抗微生物多酚的废水中生长。因此，固氮微生物在废水中的存在提高油脂性生物质的产量，并因此提供总脂质产量。
根据本发明的优选实施方式，所述液体组合物含有作为微生态系统共生工作的微生物的混养物。本文所公开的三类微生物创造了自支撑的生态系统，其中一类微生物的微生物支持另一类微生物的生长。注入到废水中的液体组合物将逐渐地把环境变成更加有利于系统内在的其它共生微生物的生长的环境。具体而言，一类微生物的存在提供了对在废水中本来没有的其它微生物种类中的微生物而言必需的生长养分。例如，当废水中含有丰富的有机碳源但缺乏或具有可忽略的量的溶解氮时，固氮微生物的生长是有利的，但光合微生物和腐生酵母的生长可能无法开始。固氮微生物分解并利用废水中的碳源，并将大气的氮固定成更可用形式，例如氨，其也被氧化成对非固氮生物(non-azotrophs)而言是关键的生长因子的硝酸盐和亚硝酸盐。随着充足的固定的氮的数量，光合微生物和腐生酵母的生长将随之而来。光合微生物的生长为固氮生物和腐生酵母的生长提供氧气，同时腐生酵母和固氮生物作为回报为光合微生物提供二氧化碳。二氧化碳的存在也有助于保持废水的pH。对于系统中的其它微生物，混养还有助于螯合矿物质和改善矿物质的生物利用度。系统最终成为更适合于所有微生物的生长，从而提高废水污染物的消耗速率。
本文所公开的含有微生物聚生体的液体组合物可有效处理来自场所(包括，但不限于，油料生产厂、城市废水处理厂和食品加工厂)的废水。待处理的废水主要包含有机物，其用作用于所述微生物聚生体生长的生长底物。由于在废水处理中的不同的水型，如来自醋或油料生产厂的高碳但低氮的废水，或来自肉类加工厂的高氮但低碳的废水，如本文所公开的具有多种代谢模式的多种微生物培养对于有效地处理各种水型将是必要的。这些微生物的多样化的代谢模式和共生性质创造了它自己的微生态系统。这种共生性质允许多种微生物培养更有效地消耗废水养分，同时向大气中产生几乎小到可忽略不计的废物。
根据本发明的液体组合物是通过单独在特定介质中培养腐生酵母、光合微生物和固氮微生物直至微生物达到每毫升培养物104至107个微生物细胞的密度。然后在由补充有矿物质和盐的最小氮源和碳源组成的营养液体培养基(nutrient broth)中根据特定比例组合单一培养物。优选地，当在所述液体组合物中包括超过一种来自微生物种类的菌株时，使用每种菌株的相等部分的培养物。尽管使用超过一种来自微生物种类的菌株，但是在所述液体组合物中的每个微生物种类的实际比例自身重调。这与pH是相同的，其最初将被调节到7。
本文所公开的含有微生物聚生体的液体组合物能够产生脂质含量高达20重量％至55重量％的油脂性多种微生物生物质，而不需要遗传修饰所述微生物。优选地，油脂性生物质经水热液化(HTL)处理，以产生其组成最接近天然原油的组成的生物粗油。因此，生物粗油可以用使这一技术经济可行的现有的基础设施来进行处理。
多种微生物的生物质利用HTL技术的好处，该技术不需要潜心收获和干燥油脂性生物质，不受生物质的生物多样性的限制，并且在HTL处理前无需物理或化学预处理(但催化剂的存在将增加生物粗油的产率)。用水作为溶剂，生物质保持在15重量％至30重量％，并经历在250℃和370℃之间温度以及在10MPa至5MPa之间的压力。在此温度和压力下，高活性的亚临界水促进了重新构成的油脂性生物质的化学结构单元的分解，而形成生物粗油。
本发明还描述了如前所述的含有微生物聚生体的液体组合物用于处理含有有机废物的废水的用途。用本发明的液体组合物注入废水。因为本文所公开的微生物聚生体将自身调节pH至适合其自身的生长的6.5至8.5的范围，所以无需调节pH。为了促进聚生体在新废水环境中的建立，可能需要多次注入，因为它们会慢慢整合或与现有菌群竞争。根据本发明的菌株能够作为游离培养物生长。优选地，对于处理约1000L的废水，需要约1L至4L的液体组合物。废水处理是在连续的基础上实现的，除非它是一个完全建立的系统。根据本发明的优选实施方式，本文所公开的液体组合物从废水中除去至少90％，优选99％，的有机物。同时，如前所述由废水产生油脂性生物质，其可以加工成生物粗油。

Claims (10)

1.一种含有用于处理废水或含有机物的水的微生物聚生体的液体组合物，所述微生物聚生体包括选自酵母属(Saccharomyces)、隐球菌属(Cryptococcus)、红冬孢酵母属(Rhodosporidium)和耶氏酵母属(Yarrowia)的至少一种腐生酵母；
选自微拟球藻属(Nannochloropsis)、小球藻属(Chlorella)、四爿藻(Tetraselmis)、栅藻属(Scenedesmus)、红假单胞菌属(Rhodopseudomonas)和红杆菌属(Rhodobacter)的至少一种光合微生物；和
选自固氮菌属(Azotobacter)和固氮螺菌属(Azospirillum)的至少一种固氮微生物，
其中，在所述聚生体中的所述微生物被布置和适合于在废水中彼此形成共生关系。
2.根据权利要求1所述的液体组合物，其中，所述腐生酵母的浓度为所述液体组合物的10重量％至20重量％。
3.根据权利要求1所述的液体组合物，其中，所述固氮微生物的浓度为所述液体组合物的10重量％至20重量％。
4.根据权利要求1所述的液体组合物，其中，所述光合微生物的浓度为所述液体组合物的10重量％至20重量％。
5.根据权利要求1所述的液体组合物，其中，所述废水来源于油料生产厂、城市废水处理厂或食品加工厂。
6.根据权利要求1所述的液体组合物，其中，所述液体组合物的pH值为从6.5至8.5。
7.根据权利要求1所述的液体组合物，其中，所述聚生体产生油脂性生物质。
8.根据权利要求7所述的液体组合物，其中，所述油脂性生物质用于生产生物粗油。
9.如权利要求1所述的含有微生物聚生体的液体组合物用于处理废水或含有有机物的水的用途。
10.如权利要求1所述的含有微生物聚生体的液体组合物用于制造用于生物粗油生产的油脂性生物质的用途。
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