TWI480234B - 分解硫氰酸鹽之脫氮假單胞桿菌及方法 - Google Patents

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分解硫氰酸鹽之脫氮假單胞桿菌及方法
本發明係關於一種廢水處理技術，詳言之，係關於新穎之脫氮假單胞桿菌及利用該菌以分解硫氰酸鹽之技術。
在二十世紀初開始，針對人類造成之環境污染開始運用自然界具自淨功能之微生物進行生物處理，以減低人為廢棄物對自然環境造成之衝擊。目前利用微生物本身或生物代謝物所製成之環境生物菌劑主要應用在生物復育(Bioremediation)、廢水處理之啟動期、活性污泥系統異常之排除、穩定廢水生物處理系統之去除率等。現今台灣之微生物菌劑商品約73%用於水污染處理，其餘27%則用於畜牧、養殖及土壤污染處理(江晃榮，生物技術的污染防治(四)，生物技術在廢水處理系統上的應用，第26-43頁，1993)。此外，由於生物代謝物之成本較高，因此實場廢水處理用的商品化生物菌劑仍以污染分解之微生物為主要組成，例如有機化合物、酚類、脂肪/油/動物脂等污染物之分解菌。
焦炭為一貫作業鋼廠之必要原料，在煉焦過程產生的廢水中含有大量的污染物及毒性物質，於排放至廠外前必需經過妥適之廢水處理，以避免造成環境污染，亦方符合嚴格的環保法規標章，因此煉焦廢水處理為鋼廠重要製程之一。
由於煉焦廢水含高濃度有機化合物、酚類(phenolics)、多環芳香族碳氫化合物、油脂類、銨類、氰化物與硫化物(如S2 O3 2- 、SCN- )等，其中硫氰酸鹽(SCN- )為含氮及硫之單碳有機化合物，主要來自重工業如石化、礦業、冶金、火力發電及電鍍之製程，亦常出現於顯影劑、除草劑、殺菌劑中。一般常用之硫氰化鉀(KSCN)化合物對於大鼠之半致死(LD50 )劑量為854 mg/kg，人類誤食硫氰酸鹽則會導致急性中毒症狀，再者，一旦經過生物分解、酸化或氯化後，容易產生毒性很強之氰酸鹽(N≡C-O)或氯化氰(硫氰化鉀物質安全資料表http://baike.baidu.com/view/418524.htm#11)，因此工業廢水之氰酸鹽處理及監測非常重要。
現今最廣泛使用之廢水處理程序係利用微生物分解污染物質之活性污泥系統，其處理成本相較於其他廢水處理法較為低廉且操作方便。石化及煉焦廢水之活性污泥系統正常時一般去除率可達100%。然而，當活性污泥系統去除率異常，如發生膨化、泡沫異常或過度排泥等狀況時，會造成生物性的固體懸浮物(SS)大量流失，導致系統中微生物量不足，而造成污染物質去除效率不穩定，SCN- 去除率常優先顯現，SCN- 殘留量易於1至3日迅速升高，恢復期1至3週不等(Chao,Y. M.、I. C. Tseng及J. S. Chang. Mechanism for sludge acidification in aerobic treatment of coking wastewater，2006)，隨後有機化合物之去除率亦下降，導致三級處理系統負荷及操作成本增加，造成放流水化學需氧量(Chemical Oxygen Demand，COD)超過法規排放標準(Chao,Y. M.、I. C. Tseng及J. S. Chang. Mechanism for sludge acidification in aerobic treatment of coking wastewater，2006)。
就穩定廢水生物處理系統之去除率而言，業界係持續添加生物菌劑於該活性污泥系統中，以增加微生物之種類及數目，以強化分解污染物之能力，然而，該活性污泥經過多年廢水處理之馴化，去除率雖可穩定提升至大於等於80%，但系統中之微生物相已與啟動期不同，一旦發生操作或進流異常時，已無法藉由添加習知之生物菌劑而提升系統之穩定性。
硫氰酸鹽分解菌是指可分解硫氰酸鹽化合物作為該種微生物生長所需之碳、氮及硫元素來源。硫氰酸鹽亦可被微生物異化分解成硫酸鹽、銨離子、氫離子與碳酸氫鹽等無毒性物質，產生微生物生長所需的能量。目前已知具有分解或利用硫氰酸鹽能力的好氣或兼性細菌包含不動桿菌(Acinetobocter )、嗜甲烷菌(Methylococcus )、嗜鹽菌(Halomonas )、硫鹼弧菌(Thioalkalivibrio )、硫桿菌(Thiobacillus )、副球菌(Paracoccus )和假單胞菌(Pseudomonas )七個屬，在營養需求上可分為異營菌(如：假單胞菌及硫氰酸嗜甲烷菌(Methylococcus thiocyanatum ))、絕對自營性硫氧化菌(如：硫鹼弧菌)、及以SCN- 為氮源及能量源的絕對自營性硫氧化菌(如：脫氮硫桿菌(Thiobacillus denitrificans )及排硫桿菌(Thiobacillus thioparus ))三類，然而，目前仍未有任何有效可分解硫氰酸鹽之商用生物菌劑產品。
 發明概述
本發明提供一高硫氰酸鹽去除能力之菌株，可作為生物菌劑開發之原料，其為具前瞻性、經濟性、和方便性之環境友善菌種，可於活性污泥系統異常時恢復廢水處理系統之效率與穩定性，為煉焦廢水硫氣酸鹽處理之一大利器。
本發明係提供一種微生物菌株之生物純培養物，其中該微生物菌株係為脫氮假單胞桿菌(Pseudomonas denitrificants )D113，該培養物具有可分解硫氰酸鹽(SCN-)之性質；其中脫氮假單胞桿菌D113寄存於中華民國台灣新竹食品工業發展研究所，寄存編號為BCRC910505。
本發明亦提供一種培養如前述之培養物之方法，其係以硫氰酸鹽作為碳源及/或硫源。
本發明再提供一種包含如前述培養物之組合物。
本發明另提供一種分解硫氰酸鹽之方法，其利用如前述之微生物菌株之生物純培養物以分解硫氰酸鹽。
本發明又提供一種降低廢水化學需氧量之方法，其利用如前述之微生物菌株之生物純培養物以降低廢水化學需氧量。
本發明亦提供一種分解硫氧化物之方法，其利用如前述之微生物菌株之生物純培養物以分解硫氧化物。
發明詳細說明
本發明係關於一種微生物菌株之生物純培養物，其中該微生物菌株係為脫氮假單胞桿菌D113，該培養物具有可分解硫氰酸鹽(SCN- )之性質；其中脫氮假單胞桿菌D113寄存於中華民國台灣新竹食品工業發展研究所，寄存編號為BCRC910505。
根據本發明之脫氮假單胞桿菌D113係自鋼廠煉焦廢水處理系統之活性污泥中所分離而得，經16S rRNA基因鑑定為脫氮假單胞桿菌，為格蘭氏陰性之異營菌，其具有高效硫氰酸鹽之分解能力。
由於根據本發明之D113菌株係分離自本土煉焦廢水處理之活性污泥系統，比起其他商品化，且為外國進口之生物菌劑對本土之微生物生態具有環境友善特性，且本菌株已適應該種廢水各種毒性成分以及廢水處理系統之操作條件，應用時菌株之恢復期較短，能連到快速活化效果，且應更容易融入原系統之活性污泥中不致被洗掉，對系統穩定性提昇將有助益。
本發明亦提供一種培養如前述之培養物之方法，其係以硫氰酸鹽作為碳源及/或硫源。
根據本發明之方法除硫氰酸鹽外，另包含以一第二碳源以培養該培養物，其中該第二碳源係選自由葡萄糖、蔗糖及甘油所組成之群。
另一方面，根據本發明之方法較佳係以批次培養該培養物。於本發明之一較佳具體實施例中，D113菌株以5 L及50 L醱酵體積皆可順利繁殖菌體3.5及30g/批次，量產及保存方式簡單而快速。
於本發明之一具體實施例中，以葡萄糖與硫氰酸鹽為基質培養除可增加菌體生長濃度外，亦同時維持所得菌體之硫氰酸鹽分解能力，配合適當的碳源、氮源提供與轉速控制，可將菌液之培養程序放大至50 L(working volume)，而大量生產出可應用於廢水處理系統所需的菌量。
本發明再提供一種包含如前述培養物之組合物。
於本發明之較佳具體實施例中，該培養物係用以處理煉焦廢水，因此該組合物較佳係為煉焦廢水，更佳地，其係為用以處理煉焦廢水之活性污泥。於本發明之一較佳具體實施例中，添加D113培養物可使去除率0%之異常活性污泥，由7日提早至4日開始恢復去除率達49%，有效減輕去除率異常程度。於本發明之另一較佳具體實施例中，根據本發明之D113菌株與硫氰酸鹽去除率0%之異常活性污泥一同以適當條件培養，可以提早3日開始分解硫氰酸鹽，因此有縮短去除率異常時間，加速系統恢復正常100%硫氰酸鹽去除率之應用潛力。
本發明另提供一種分解硫氰酸鹽之方法，其利用如前述之微生物菌株之生物純培養物以分解硫氰酸鹽。
於本發明之一較佳具體實施例中，其係以硫氰酸鹽作為該生物純培養物之唯一碳源，並用以分解約200至約1000 mg/L之硫氰酸鹽。
於本發明之一較佳具體實施例中，其係用以分解高濃度硫氰酸鹽突增負荷(shock loading)及/或硫氰酸鹽超負荷(over loading)。
根據本發明之方法較佳包含以約2至約100 mg/L之該生物純培養物與該廢水以約1:1至約1:5比例混合，以分解硫氰酸鹽；更佳係以約10 mg/L之該生物純培養物與該廢水以約1:1比例混合。習知之硫氰酸鹽分解菌係使用無機鹽培養基測試菌種的分解能力，於本發明之一較佳具體實施例，D113之活化菌液與煉焦/生活廢水1:1體積比混合，培養2週可完全100%分解硫氰酸鹽，其每日每單位生物量(MLSs)之硫氰酸鹽分解能力約為實場活性污泥之9倍，因此，根據本發明之菌株優於文獻報導之菌種，對硫氰酸鹽處理確有效益。
於本發明之一較佳具體實施例中，該方法包含添加約2至約100 mg/L之該生物純培養物至與活性污泥中，以分解硫氰酸鹽；更佳係添加約2 mg/L之該生物純培養物至與活性污泥中。較佳地，根據本發明之D113菌株10 mg之低量菌體濃度，即可分解300 mg/L‧日。
本發明又提供一種降低廢水化學需氧量之方法，其利用如前述之微生物菌株之生物純培養物以降低廢水化學需氧量。
本發明亦提供一種分解硫氧化物之方法，其利用如前述之微生物菌株之生物純培養物以分解硫氧化物，其中較佳地，該硫氧化物係為S2 O3 2- 。
根據本發明之D113菌株同時具有高的硫氰酸鹽分解能力，且不受煉焦廢水所含毒性物質影響，而同時具有降低廢水化學需氧量及分解硫氧化物之優點，對於廢水處理實場應用具有高度價值。
茲以下列實例予以詳細說明本發明，唯並不意味本發明僅侷限於此等實例所揭示之內容。
 實施例一
將脫氮假單胞桿菌D113以含有300 mg/L硫氰酸鹽之培養基(如表1所示)活化2至3日後，添加300、400、500、1000 mg/L硫氰酸鹽測試菌株對不同濃度硫氰酸鹽之去除率，其結果如圖1所示，起始之菌液濃度約10 mg/L。
D113菌株對300 mg/L硫氰酸鹽之分解速率最佳，培養1日去除率即達100%，其次是400、500 mg/L硫氰酸鹽，培養5至7日可100%分解硫氰酸鹽。菌株在1000 mg/L硫氰酸鹽培養下則出現2日的去除率遲滯期，但第3日隨即迅速分解75%之硫氰酸鹽，單日分解速率達16.4 mg/L‧hr，顯示D113在高濃度硫氰酸鹽刺激後，雖需要約2日之適應期，但是去除能力有強化現象，因此本菌株十分適用於因應煉焦廢水活性污泥系統突增負荷或超負荷異常。
實施例二
為確認D113菌株之硫氰酸鹽去除率不會受到煉焦廢水其他毒性成分抑制，將D113培養液與煉焦/生活廢水1:1體積比例混合，使起始菌液濃度約10 mg/L。
結果顯示，培養一週菌液濁度OD600 由0.3增加至1(約30 mg/L)有明顯提升，培養2週可100%分解硫氰酸鹽，如圖2所示。計算D113菌株與實場煉焦/生活廢水之活性污泥每日每單位生物量(MLSS=1 mg/L)之硫氰酸鹽分解量，分別為0.06 mg/L以及0.52 mg/L，D113菌株之硫氰酸鹽分解速率約為實場活性污泥之9倍高，因此確認本菌株對煉焦廢水硫氫酸鹽處理確有效益。
實施例三
為瞭解添加D113對活性污泥硫氰酸鹽去除率異常之影響，本研究利用冷凍乾燥技術製備硫氰酸鹽去除率0%之異常污泥，添加平板培養之D113菌體至濃度約2 mg/L，處理約200 mg/L硫氰酸鹽之煉焦廢水，測試純菌添加對異常污泥硫氰酸鹽去除率之提升效果。
結果顯示D113菌株約有3日的分解遲滯期，培養第4日硫氰酸鹽去除率49%，第9日完全分解硫氰酸鹽，僅有異常污泥之對照組則於培養第7日後才開始分解6.5%硫氰酸鹽，亦於第9日完全分解硫氰酸鹽，如圖3所示。因此添加D113菌株可使活性污泥系統提早開始恢復去除率，減輕去除率異常的嚴重程度。由於研究經驗顯示煉焦廢水處理活性污泥系統實場之異常，必須於硫氰酸鹽去除率下降至90至95%前開始因應，因此本菌株確實有應用之潛力。
實施例四
為進一步瞭解D113菌株是否容易量產，作為實場應用之添加菌種，以5 L及50 L醱酵體積評估量產菌體之可行性。
結果顯示根據本發明之D113菌株於5 L醱酵槽之生長狀況添加4%葡萄糖、300 mg/L硫氰酸鹽以及上述培養液，培養3天OD600 達3.83，約可生產冷凍乾燥菌體3.5 g/批次，生長曲線如圖4所示。直接以上述醱酵菌液2 L為植種進行50 L(working volume)醱酵，培養4天後菌液濃度OD600 可達2.5，約可生產冷凍乾燥菌體30 g/批次。由此可知根據本發明之D113菌株，其量產方式簡單而快速，製程放大量並不困難，具有產業應用之潛力。
上述實施例僅為說明本發明之原理及其功效，而非限制本發明。習於此技術之人士對上述實施例所做之修改及變化仍不違背本發明之精神。本發明之權利範圍應如後述之申請專利範圍所列。
圖1為根據本發明之脫氮假單胞桿菌D113對不同濃度硫氰酸鹽之去除率。
圖2為根據本發明之脫氮假單胞桿菌D113在菌液與煉焦/生活廢水體積比1:1培養下之菌液濃度與硫氰酸鹽去除率。
圖3為硫氰酸鹽去除率0%之異常污泥(對照組)添加根據本發明之脫氮假單胞桿菌D113菌體對硫氰酸鹽去除率之影響。
圖4為以5 L醱酵培養根據本發明之脫氮假單胞桿菌D113之菌量及硫氰酸鹽去除率。
(無元件符號說明)

Claims (19)

  1. 一種微生物菌株，其中該微生物菌株係為脫氮假單胞桿菌(Pseudomonas denitrificants )D113；其中脫氮假單胞桿菌D113寄存於中華民國台灣新竹食品工業發展研究所，寄存編號為BCRC910505。
  2. 一種培養如請求項1之微生物菌株之方法，其係以硫氰酸鹽作為碳源及/或硫源。
  3. 如請求項2之方法，其另包含以一第二碳源培養該微生物菌株，其中該第二碳源係選自由葡萄糖、蔗糖及甘油所組成之群。
  4. 如請求項2之方法，其係以批次培養該微生物菌株。
  5. 一種包含如請求項1之微生物菌株之組合物。
  6. 如請求項5之組合物，其係為煉焦廢水。
  7. 如請求項5之組合物，其係為用以處理煉焦廢水之活性污泥。
  8. 一種分解硫氰酸鹽之方法，其利用如請求項1之微生物菌株之生物純培養物以分解硫氰酸鹽。
  9. 如請求項8之方法，其係以硫氰酸鹽作為該生物純培養物之唯一碳源，並用以分解約200至約1000mg/L之硫氰酸鹽。
  10. 如請求項8之方法，其係用以分解高濃度硫氰酸鹽突增負荷(shock loading)及/或硫氰酸鹽超負荷(over loading)。
  11. 如請求項8之方法，其係為用以分解煉焦廢水中之硫氰 酸鹽。
  12. 如請求項8之方法，其中該培養物係於用以處理煉焦廢水之活性污泥中，以分解煉焦廢水中之硫氰酸鹽。
  13. 如請求項11或12之方法，其包含以約2至約100mg/L之該生物純培養物與該廢水以約1：1至約1：5比例混合，以分解硫氰酸鹽。
  14. 如請求項12之方法，其包含添加約2至約100mg/L之該生物純培養物至與活性污泥中，以分解硫氰酸鹽。
  15. 一種降低廢水化學需氧量(Chemical Oxygen Demand，COD)之方法，其利用如請求項1之微生物菌株之生物純培養物以降低廢水化學需氧量。
  16. 如請求項15之方法，其中該廢水係為煉焦廢水。
  17. 一種分解硫氧化物之方法，其利用如請求項1之微生物菌株之生物純培養物以分解硫氧化物。
  18. 如請求項17之方法，其中該硫氧化物係為S2 O3 2- 。
  19. 如請求項17之方法，其係為用以分解煉焦廢水中之硫氧化物。
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