TWI460137B - 用於水之微生物處理的生物反應器及其方法 - Google Patents

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Description

用於水之微生物處理的生物反應器及其方法
本發明係有關水(特別是得自半導體製造之廢水)之微生物處理方法，及適用於此等方法之微生物。此外，本發明係有關一種生物反應器，以及具有此類微生物之水處理工廠。
全世界之半導體製造地點為工業用水之最大消費者。半導體工業所需之水品質為最高必要條件。例如，水必須實質上完全不含微粒及溶解之無機與有機成分。近年來，愈來愈多從半導體製造中再處理廢水(下文亦稱為回收水)，建立循環程序，使淡水消費量減至最小之嘗試被提出。此等程序提供許多方面之優點：˙得自半導體製造之廢水通常比淡水具有更佳界定組成，因此可更具體地被處理；˙得自半導體製造之廢水不含任何顯著量之無機成分與硬度形成劑(鈣或鎂)及/或碳酸鹽。
然而，再處理之一問題為半導體工業之廢水通常摻合相當高比例(fraction)之有機成分。此等廢水習知上具有500ppb至3000ppb不等之總有機碳(TOC)。彼等有機成分主要為合成有機溶劑之殘留物；與天然有機水成分例如腐殖酸或生物高聚物相較下，彼等具有較低之克分子量；此外，彼等具極性且幾乎不可被解離；可述及之實例為常構成雜質最大比例 之2-丙醇。
因此，若從回收水(及/或淡水與回收水之混合物)開始製造供半導體工業用之超純水，則必須採取特別措施，以從欲處理之水中去除該等有機成分。
專心致力於此特殊問題之若干程序為先前技藝已知。例如，相當長久以前生物方法階段即開始併入超純水處理過程中(Golsham M.and Schmitt S.：Water reuse and reclaim operations at Hyundai semiconductor America,Ultrapure Water OS,2001,34-38；JP 61111198；JP 2002-2336886)。根據其中敘述之程序，微生物或者直接懸浮於處理水中，或者施加於固體支撐物然後與處理水接觸。微生物從廢水中吸收有機化合物以及氧、營養物與溶解之礦物質，將彼等雜質轉化為惰性或易於去除之化合物；於此情形下，有機碳較佳為被礦化。通常係使用污水淤渣作為微生物來源，將彼等污水淤渣接種於超純水處理過程中之適當反應器中。
事實上，使用微生物處理有時可導致非常顯著之有機成分比例減少。然而，據觀察，此等方法之效力及可靠性經常遭受大波動；所得結果並非總是可再現。再者，於許多情形下，亦存在水處理工廠以未受控制之方式接種微生物(特別是病原微生物)之風險。
本發明之目的在於提供上述問題之技術性解決方案。此解決方案必須有效且可再現，特別是，俾使得以純化得自半 導體工業之具有高比例低分子量有機雜質(例如2-丙醇與丙酮)之廢水；於此情形下，彼等必須配置簡單且成本低廉。
此目的利用具有申請專利範圍第1項之特徵之方法、具有申請專利範圍第11項之特徵之生物反應器以及具有申請專利範圍第16至18項之特徵之微生物可達成。根據本發明之方法之較佳具體實例敘述於申請專利範圍第2至10項之各獨立項。根據本發明之生物反應器及根據本發明之微生物之較佳具體實例見述於申請專利範圍第12至14項以及第19與20項之各獨立項。此外，具有申請專利範圍第15項之特徵之水處理工廠以及具有申請專利範圍第21項之特徵之用途亦為本發明之主題。所有申請專利範圍之措辭均併入本說明書中以資參考。
根據本發明之方法係用於水(特別是得自半導體製造之廢水)之微生物處理；該方法包括於生物反應器中以微生物處理。根據本發明，特佳為，欲處理之水係以其中至少70%可分解2-丙醇及/或丙酮之微生物進行處理。因此該微生物係專門分解該等化合物而當然並非完全未界定。
於此，微生物原則上可不僅為單一細菌菌株，亦可為含有多種細菌菌株或甚至為得自不同細菌屬別菌株之細菌培養物。關鍵因素為，分解2-丙醇及/或丙酮的微生物之比例不落於該界限之下；較佳為，分解2-丙醇及/或丙酮的微生物之比例大於80%，特別是大於90%，特佳為差不多100%。
如本文開頭所述，一般已知使用得自污水淤渣之微生物 分解低分子量有機化合物。然而，此決非微生物之針對性(targeted)挑選。於迄今已知之所有程序中，僅能隨機確定分解具體確定雜質的微生物之比例。
對照之下，根據本發明之處理，較佳為以針對性方式使用具有適合特定雜質(亦即2-丙醇及/或丙酮)之生長及分解動力學之微生物。經由此方法，回收水中所含有機碳可再現性地及非常有效地予以去除。通常-從TOC值介於500ppb與3000ppb間之回收起算-總能觀察到80%以上之分解率。此等去除回收水中所含有機碳之可信賴之解決方案迄今於先前技藝中尚未為人所知。
於本發明之準備工作中，針對不同屬別之多種細菌菌株在根據本發明方法中之適合性進行研究。特別適當之微生物係於黃色桿菌屬(Xanthobacter)細菌中鑑定出。相應地，於根據本發明方法之情形下，欲處理之水特佳為以至少一種黃色桿菌屬(Xanthobacter)細菌菌株及/或其變異株處理。
茲已證明以編號DSM No.19987寄存於德國Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH(DSMZ[德國微生物及細胞培養物保存中心])或以編號BCRC 910424寄存於財團法人食品工業發展研究所之菌株特別適當。
於標準培養基上，此菌株通常形成具有平滑邊緣、圓形生長、結構均勻及平坦外形之透明帶白色表面粗糙之菌落；觀察到具有球菌細胞形狀及圓角、寬大約0.8微米及長大約1.2微米之雙球菌。
利用直接定序經PCR擴增之16S rRNA測定核酸序列而進行精確親緣工作；隨後將該序列數據與代表性黃色桿菌屬細菌已知序列進行比較；發現與黃色桿菌(Xanthobacter flavus)(DSM 338)之最高序列一致性為99.5%。
此外，根據本發明，欲處理之水亦可使用至少一種赤球菌屬(Rhodococcus)細菌菌株及/或其變異株進行處理。此等細菌菌株亦已被證明非常適用於根據本發明之方法。
特別是，以編號DSM No.19985寄存於德國Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH(DSMZ)或以編號BCRC 910422寄存於財團法人食品工業發展研究所之菌株被鑑定為特別適當。
此菌株亦利用直接定序經PCR擴增之16S rRNA測定核酸序列；將該序列數據與代表性赤球菌屬之已知序列進行比較；鑑定出此菌株為代表性之亞目赤紅球菌(Rhodococcus rubber)。
副球菌屬(Paracoccus)之細菌菌株及/或其變異株同樣高度適用於根據本發明之方法。特別是，使用以編號DSM No.19986寄存於德國Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH(DSMZ)或以編號BCRC 910423寄存於財團法人食品工業發展研究所之菌株可達到非常良好之結果。
被鑑定為較佳之上述細菌菌株不僅可單獨使用，亦可於根據本發明之方法中組合使用。若適當，則彼等亦可存在具有不能分解2-丙醇及/或丙酮之一或多種其他細菌菌株之混 合培養物中。
較佳為，分解2-丙醇及/或丙酮的微生物之比例始終在該較佳界限值之上。於根據本發明方法之較佳具體實例中，所使用之微生物全部為被鑑定為較佳之一或多個菌株。
於本發明中，上述生物反應器應被視為意指最簡單狀況之容器，於其中使欲處理之水與微生物接觸，例如經由使微生物懸浮於欲處理之水中。
然而，特佳為所用生物反應器係充氣或未充氣之過濾元件，於較佳具體實例中，其具有微粒過濾材質。以此等方式之裝備，生物反應器可同時實現多項功能。首先，低分子量有機成分例如2-丙醇及/或丙酮可於其中分解，其次，可具有濾器之作用以自欲處理之水中去除微粒。
微粒過濾材質由於表面積大，因此提供微生物菌落化之良好條件。特佳為，根據本發明方法中使用之微生物係固定於建構為過濾元件的生物反應器之過濾材質上。彼等微生物可於過濾材質之微粒及/或細孔上形成連續膜。
於文獻中，由下而上之流程通常被記述為係操作生物濾器之較佳模式(參閱，例如，EP 585036、JP 7284799、JP 6063592與JP 62065792)。然而，當通過生物濾器之流程由下而上時，微生物很容易被處理水沖洗掉。因此，會於下游處理階段接種微生物。基於此因，先前技藝中已知之生物反應器常與連接於生物濾器下游附加之過濾階段結合(參閱，例如，JP 63185494、JP 8197094與JP 9155371)。然而，此等解決方法 就設備而言相當複雜且價格昻貴。
根據本發明，較佳為欲處理之水呈廢液流通過建構為過濾元件之該等生物反應器。以此方式確保高濃度微生物不會從過濾元件出去。例如，生物處理下游之回收水即可直接引入水處理工廠之濾液水箱中。
根據本發明之生物反應器專門為水處理而提供，特別是得自半導體工業之廢水，及特別適用於根據本發明之方法；其具有可分解2-丙醇及/或丙酮之微生物。
於較佳具體實例中，其具有微生物，其中至少70%，較佳為80%以上，特別是90%以上，特佳為差不多100%，可分解2-丙醇及/或丙酮。
如上述，黃色桿菌屬及/或赤球菌屬及/副球菌屬等細菌菌株或其變異株為特別適合之微生物。較佳可用的微生物之上述說明在此明確併入本文以資參考。
根據上述具體實例，於較佳具體實例中之根據本發明之生物反應器係建構為充氣或未充氣之過濾元件，其中該過濾元件具有微生物固定於其上之微粒過濾材質。此等生物反應器之雙功能優點已於上文被慮及。
微粒過濾材質特佳為活性碳；然而，例如結構化或不規則堆砌之塑料如聚苯乙烯、沙、脹性黏土或無煙煤等其他材質亦極為適用。於較佳具體實例中，微粒過濾材質可具多孔性，特別是具有大小超過微生物大小至少10倍之細孔。
活性碳對有機溶劑，特別是2-丙醇與丙酮，具有顯著的吸附能力。經由以彼等溶劑裝載過濾材質，即形成基質之貯存庫，特別適合微生物培養。操作上，欲處理廢水之比率及組成可予以補正。
本發明進一步包括一種水處理工廠，其特徵為具有根據本發明之生物反應器。探討製造超純水(特別是供半導體工業用途)類型之水處理工廠，從先前技藝已充分瞭解，因此不需於此申請案之說明書中詳細說明。
本發明亦涵蓋特別適用於根據本發明方法或根據本發明生物反應器之上述微生物。
與上述細節一致地，根據本發明之微生物之特色特別在於其為編號DSM No.19987之黃色桿菌屬細菌菌株或其變異株。根據本發明進一步之微生物之特色在於其為編號DSM No.19985之赤球菌屬細菌菌株或其變異株。根據本發明之第三個微生物屬於副球菌屬，以編號DSM No.19986寄存於DSMZ。
於較佳具體實例中，根據本發明之微生物可固定於支撐材質例如活性碳上。進一步適當之支撐物為上文已述及作為濾器材質者。
此外，根據本發明之微生物以包裝於防水、透氣容器中呈現較佳；令人驚奇地，已證明特別是固定於活性碳上之根據本發明之微生物，只要包裝於確保供應微生物足夠氧氣之容器中，實際上可保存相當長的時間。此等容器為，例如， 塑料膜(較佳為聚乙烯)製成之平面袋，特別是膜厚大約0.05毫米者；彼等具有足夠之透氣性以確保封入其內的微生物於多達數週相當長時間內之氧氣供應。此期間微生物之營養需求可為例如貯存於吸附在支撐材質上的2-丙醇供應。
該等袋可以無菌及防水方式閉合；以此方式，固定化之微生物可貯存相當長時間及運輸長距離至使用位點。於使用位點，例如，過濾元件之固定床(例如活性碳之固定床)，可很簡單地以固定化微生物接菌(將結構簡單之過濾元件轉換為根據本發明之生物反應器)。添加微生物固定於其上之一容量份活性碳至一般為50至10 000容量份固定床中通常即足夠。
微生物於生物反應器中快速繁殖之重要條件為於反應器飼料中添加營養鹽類。該等營養鹽類較佳為添加至生物反應器已達其全部輸出量(full output)為止。營養鹽類較佳為含有必需之巨量元素(特別是N、P、S、Na、Ca與Mg)以及微量元素(特別是Fe、Cu、Cr、Co與Zn)。特別是，營養鹽類應以使反應器飼料中C、N與P等元素之莫耳濃度比互為C：N：P=100：10：1之方式進行添加。
利用根據本發明之微生物可獲得數項優點：- 隨時確保微生物於任何時候之可利用性(供接種於活性碳固定床)；- 可以恒定及經控制之品質供應微生物； - 上述微生物不具病原性，因此其用途無風險；- 完全遵守生物物質管控之需求；- 生物反應器可由未受專業訓練人員啟動；- 避免於生物反應器現場安裝及操作分離之發酵裝置；- 生物反應器非常迅速即可進行操作，啟動時間大為縮減。
根據本發明之用於處理水之該一或多種微生物(特別是於根據本發明方法中或於根據本發明之生物反應器中)之用途乃本發明之主題。根據本發明該等用途之較佳具體實例係源自上述說明而不需另行呈現。
所述諸特徵細節以及本發明其他特徵係源自與圖式結合之下述較佳具體實例之說明及專利申請範圍諸附屬項。於此情形下，本發明之各個特徵可單獨或彼此結合付諸實施。
圖式顯示具有回收水進料器11之水箱2。水箱2具有調控所含回收水pH之裝置。水箱中之pH較佳為設定於介於4與9間，特別是介於7與8間之值。從水箱2，有線路12引導至活性碳固定床坐落其中之生物反應器1，活性碳表面被DSM No.19985微生物菌株菌落化。在將回收水引入生物反應器1中之前，若需要，可使回收水與經由線路16之得自貯存桶3之電解液摻合；如果適當，則需要此步驟，因為為了確保生物反應器中之微生物長期生存，回收水不能完全不含鹽類。貯存桶4與5中分別貯存2-丙醇及營養鹽類；基質(例 如2-丙醇)與營養物可自此經由線路17及18添加於回收水；適當時，於活化階段或於作業中用於補償濃度變化時可能需要。若需要，亦可將欲處理之水循環以及充氣；後者於啟動生物活化作用期間可能需要。閥門6a與6b之作用為生產運作、循環及反沖洗間之切換；後者於例如當生物反應器之固定床被得自欲處理水之污物微粒堵塞時可能需要。再者，水處理工廠具有用於循環操作之循環泵7以及用於循環流之關閉閥8。生產模式中經生物反應器處理的水之出水口以及反沖洗進料器如參考標誌13及14所示。
1‧‧‧生物反應器
2‧‧‧水箱
3‧‧‧貯存桶
4‧‧‧貯存桶
5‧‧‧貯存桶
6a‧‧‧閥門
6b‧‧‧閥門
7‧‧‧循環
8‧‧‧關閉閥
11‧‧‧回收水進料器
12‧‧‧線路
13‧‧‧參考標誌
14‧‧‧參考標誌
16‧‧‧線路
17‧‧‧線路
18‧‧‧線路
圖1顯示根據本發明處理回收水用之小部分水處理工廠具體實例之流程圖。
1‧‧‧生物反應器
2‧‧‧水箱
3‧‧‧貯存桶
4‧‧‧貯存桶
5‧‧‧貯存桶
6a‧‧‧閥門
6b‧‧‧閥門
7‧‧‧循環
8‧‧‧關閉閥
11‧‧‧回收水進料器
12‧‧‧線路
13‧‧‧參考標誌
14‧‧‧參考標誌
16‧‧‧線路
17‧‧‧線路
18‧‧‧線路

Claims (12)

  1. 一種得自半導體製造之廢水的微生物處理方法，其中該欲處理之水係於生物反應器中以微生物處理，其特徵在於至少70%之微生物可分解2-丙醇及/或丙酮，且該欲處理之水係以具編號BCRC 910424之黃色桿菌(Xanthobacter flavus)的細菌菌株或具編號BCRC 910422之赤紅球菌(Rhodococcus ruber)的細菌菌株或具編號BCRC 910423之副球菌屬(Paracoccus)的細菌菌株處理。
  2. 根據申請專利範圍第1項之方法，其中使用具有微粒過濾材質的過濾元件作為生物反應器。
  3. 根據申請專利範圍第2項之方法，其中微生物係固定於該過濾材質上。
  4. 根據申請專利範圍第2或3項之方法，其中欲處理之水係流通過該過濾元件。
  5. 一種根據申請專利範圍第1項之用於微生物處理得自半導體製造廢水的生物反應器，其特徵在於具有微生物，其中至少70%可分解2-丙醇及/或丙酮，係選自由具編號BCRC 910424之黃色桿菌(Xanthobacter flavus)的細菌菌株或具編號BCRC 910422之赤紅球菌(Rhodococcus ruber)的細菌菌株或具編號BCRC 910423之副球菌屬(Paracoccus)的細菌菌株的群組。
  6. 根據申請專利範圍第5項之生物反應器，係建造為過濾元件，其中該過濾元件具有微生物固定於其上之微粒過濾材質。
  7. 根據申請專利範圍第6項之生物反應器，其中該微粒過濾材 質係活性碳。
  8. 一種微生物，用於根據申請專利範圍第1項之方法，特徵為其係編號BCRC 910424之黃色桿菌屬細菌的細菌菌株。
  9. 一種微生物，用於根據申請專利範圍第1項之方法，特徵其為係編號BCRC 910422之赤球菌屬細菌的細菌菌株。
  10. 一種微生物，用於根據申請專利範圍第1項之方法，特徵為其係編號BCRC 910423之副球菌屬細菌的細菌菌株。
  11. 根據申請專利範圍第8至10項中任一項之微生物，其係固定於活性碳支撐體上。
  12. 根據申請專利範圍第8至10項中任一項之微生物，其係裝於防水、透氣之容器中。
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