專利名稱：提高厭氧消化去除污染物工藝中微生物菌落濃度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在連續(xù)流和/或分批處理中，提高形成在竹子(Gramineas bambusoideae)表面上的微生物菌落濃度的方法，其中所述連續(xù)流和/或分批處理利用生 物質(zhì)作為過濾手段以除去水庫以及生活和/或工業(yè)污水中的硝酸鹽以及其他有機和無機 污染物，在所述方法中，在假單胞菌SP (Pseudonomas SP)(亞硝化單胞菌(Nitrosomonas)、 肖化球菌(Nitrosococus)、 肖酸細菌(Nitrobacter)、固氣菌(Azobacter)、Azotomas 禾口*艮 瘤菌(Rhixobium)型微生物厭氧消化的生物降解步驟后設(shè)置吸附的步驟。
背景技術(shù)：
眾所周知，在過去的幾年中，國際市場中日益加劇的競爭強化了進口國對于用于 制造進口產(chǎn)品的工業(yè)方法的要求，其不僅要求終產(chǎn)品的質(zhì)量，而且還要求對環(huán)境的保護。這方面的關(guān)注促使例如ISO 9000和ISO 14000的質(zhì)量和環(huán)境認證得以執(zhí)行，這提 高了工業(yè)領(lǐng)域?qū)?yōu)化其生產(chǎn)過程的興趣，其中特別強調(diào)環(huán)境問題，尤其是與用水相關(guān)的那 些問題。盡管巴西是天然水資源最為豐富的國家之一，但也面臨著自然資源在其不同地理 區(qū)域中分布相當不均勻的問題。更具體而言，盡管巴西北部和東北部擁有大量天然水庫，但在南部和東南部工業(yè) 化水平較高且人口密集的區(qū)域，由于其高消耗和河流污染造成基礎(chǔ)衛(wèi)生體系不穩(wěn)定和農(nóng)業(yè) 肥料的過度使用，從而產(chǎn)生了嚴重的水缺乏。這種情況加劇了環(huán)境的破壞，并且造成公共健康開支大幅度增加，借以改進這種 情況的機會之一是開發(fā)水處理系統(tǒng)，優(yōu)選易于建造，使用效率高且易于適應(yīng)本國經(jīng)濟和結(jié) 構(gòu)條件的系統(tǒng)。在過去的數(shù)十年中，不僅是巴西，全世界的政策都側(cè)重于污染的控制，其體現(xiàn)在為 開發(fā)用于消除烴污染的技術(shù)而付出的大量努力。因此，可以認為尋找用于除去水庫和生活和/或工業(yè)殘余水和污水的含氮化合物 的替代方法是在逐步提高污染控制需求的范疇內(nèi)。為了確保更好地響應(yīng)環(huán)境和社會，特別重要的是要以最可靠的方式設(shè)計并切實裝 備用于除去水庫和生活或工業(yè)廢水的含氮化合物的這些處理站，特別是在以試驗技術(shù)為基 礎(chǔ)的情況下。不同氧化態(tài)的含氮化合物氨態(tài)氮和蛋白類氮、亞硝酸鹽和硝酸鹽是對人類健康 造成最大危害的物質(zhì)之一。氨可發(fā)現(xiàn)于表層水和/或地下水，由于其易于被土壤顆粒吸附，或氧化為亞硝酸 鹽和硝酸鹽，所以其濃度通常相當?shù)?。然而，當其以較高濃度存在時，可能是由臨近的污染 源，或細菌或土壤中存在的鐵離子對硝酸鹽的還原造成的。氨的存在由于形成低殺菌力的氯胺，而對由氯進行水滅菌的過程產(chǎn)生顯著的影響。硝酸根是天然水中最常見的離子之一，其在表層水中的水平通常非常低，但在深 水中能夠達到很高的濃度。其消耗與兩種對健康不利的作用相關(guān)(i)誘導(dǎo)高鐵血紅蛋白 血癥，特別是在兒童中；和(ii)潛在地形成致癌物亞硝胺和亞硝酰胺。在飲用水中發(fā)現(xiàn)的硝酸鹽發(fā)展為高鐵血紅蛋白血癥取決于在消化期間硝酸鹽的 細菌轉(zhuǎn)化，這可能發(fā)生于唾液和胃腸道系統(tǒng)中。幼童，特別是不到3個月齡的嬰幼兒，由于 其堿性較高的胃腸道條件，更易患上這種疾病，另外，在患腸胃炎和貧血的成年個體，或手 術(shù)切除部分胃的那些個體，以及孕婦中也觀察到這種胃腸道條件。在巴西和很多其他國家，地下水被硝酸鹽污染的情況相當頻繁，特別是在農(nóng)業(yè)活 動密集的區(qū)域。當水中的硝酸鹽濃度高于人類消耗的最大可接受量，并且無法使用其他的替代來 源時，就必須對這些水進行處理以除去氮，否則公共健康必然受到嚴重的威脅。通常用于處理水以除去任何可能存在的硝酸鹽的方法包括吸附和生物脫氮的步
馬聚ο用于人飲用水脫氮的重要方法之一是厭氧消化，所述厭氧消化是在缺氧的條件下 通過復(fù)雜的大型生物群系統(tǒng)將有機物轉(zhuǎn)化成甲烷和二氧化碳。此技術(shù)消耗少量的能量，產(chǎn) 生少量的粘性物質(zhì)，并且在生產(chǎn)區(qū)域中直接產(chǎn)生有用的可燃生物氣，因此，此方法越來越多 地用于廢水的純化。脫氮作用本身是硝酸鹽在缺氧條件下的還原反應(yīng)，也被稱作異化作用或生物還 原，其中細菌利用硝酸鹽代替氧作為電子的最終受體。此過程被表征為兩個反應(yīng)在第一反應(yīng)中將硝酸鹽還原成亞硝酸鹽，隨后將亞硝 酸鹽還原成氣體產(chǎn)物，例如氮氣或氮氧化物，這個過程被稱作硝酸鹽呼吸作用。以下反應(yīng)式 表征了脫氮過程的第一個步驟 NO3 — NO2 — NO — N2O — N2第二反應(yīng)涉及在被稱作氨化作用的過程中硝酸鹽經(jīng)由亞硝酸鹽被還原成氨，其與 生成甲烷的過程一起發(fā)生。可通過添加外源碳源，或通過使用待處理污水中已存在的碳來 獲得電子供體。脫氮步驟由細菌進行，特別是假單胞菌屬(Pseudomonas)的細菌。參與氮化的其 他細菌有亞硝化單胞菌、硝化球菌、硝酸細菌、固氮菌、Azotomas和根瘤菌。它們是利用硝 酸鹽作為電子受體，并且需要一些有機物作為電子供體的異養(yǎng)厭氧菌。N03>5/6CH30H — 5/6C02+l/2H20+0r脫氮作用可有效地以有機物與氮的濃度關(guān)系表現(xiàn)，約5g. (0⑶)g—1 (N-NO3-) (0⑶/ N-NO3-的比例為5/1)。比例低于此數(shù)量時脫氮效率出現(xiàn)下降，而高于此數(shù)量則導(dǎo)致產(chǎn)生過 量的氨，則不能以氣體形式消除污水中存在的氮。最近文獻中的其他研究顯示根據(jù)以下反應(yīng)式，也可通過環(huán)境中存在的游離氨離子 除去硝酸鹽3N03>5NH4+ — 4N2+9H20+2H+此反應(yīng)可能是由于吉布斯自由能(等于-297KJ/nol)的有利能量狀態(tài)造成的。由 于形成毒害微生物的酸形式的氮氧化物，此反應(yīng)必須在中性以上的PH值環(huán)境中進行?？砷_
4發(fā)這些微生物，并使用生物質(zhì)源，例如竹子進行培養(yǎng)，竹子在世界各地均易于獲得且產(chǎn)量豐
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發(fā)明內(nèi)容
利用生物質(zhì)，特別是竹子(Gramineas bambusoideae)處理人用水以及生活和工業(yè) 污水，除去有機和無機雜質(zhì)的方法在本領(lǐng)域中是公知的。然而，這些本領(lǐng)域中熟知的方法的不方便之處在于需要很長時間使形成在竹子表 面上的微生物菌落濃度達到確保此方法有效操作所需的最低水平。本發(fā)明的目的是以一定方式快速提高可用有機物質(zhì)上的量，從而使竹子表面上的 微生物菌落濃度達到此方法有效操作所需的最低水平，由此克服上述缺陷。根據(jù)本發(fā)明，通過向供入反應(yīng)器的溶液中添加約200-300ppm的乙酸鈉以保持 2 1的C N比例，加速所述菌落的生長，從而實現(xiàn)上述目標。
具體實施例方式為了開發(fā)出能夠降低污染地下水和/或生活和工業(yè)廢水中硝酸鹽以及有機和無 機雜質(zhì)含量的天然處理方法，本發(fā)明人研究了硝酸鹽物理和化學(xué)吸附過程的可行性和操作 條件，隨后為生物降解脫氮過程。出于此目的，本發(fā)明人使用了竹子內(nèi)壁和表面吸附了活化 粘土的活塞流竹反應(yīng)器(piston flux bamboo reactors)。該反應(yīng)器被作為過濾裝置使用。對于吸附步驟，用于真實比例的單位用具(unit project in real scale)的基本 參數(shù)是填充物，其決定了通過單位質(zhì)量的吸附劑除去的污染物量。此結(jié)果報告了指定柱的 飽和時間，以及用于除去污染物(在本申請中為硝酸鹽)的過濾裝置的必需質(zhì)量。通過物理_化學(xué)吸附和生物降解除去硝酸鹽使用兩種吸附劑測量通過吸附作用從天然水中除去硝酸鹽的功效活性炭和竹子。將Carbonifera Catarinense S/A公司提供的活性炭粉碎，直到粒徑相當于 80-100篩目大小。以兩種形式使用竹子。首先，將竹子制成平均質(zhì)量為25g的圓盤，隨后，制備顆粒 大小相當于30-100篩目的粉碎竹子，使用0. IM NaOH溶液清洗以除去水溶性化合物，并在 105°C的烘箱中干燥2小時。在試驗中使用的水是添加了硝酸鈉以模擬濃度為10_500mg/L的N-NO3的蒸餾水。吸附試驗在批處理方法以及連續(xù)流方法中進行。每批加入包含10_500mg/L硝酸 鹽濃度(N-NO3)的IOOOmL水。將此系統(tǒng)保持在恒定攪拌(IOOrpm)、室溫(20_40°C )、pH 3-9 的條件下。按照Norm NBR 12620/92描述的方法(硝酸鹽測定-鉻變酸和酚二磺酸法)，通過 測定吸附步驟后溶液中剩余的硝酸鹽濃度來測量吸附能力。在數(shù)學(xué)上，通過以下物質(zhì)平衡式表示與吸附劑表面上硝酸鹽負載相關(guān)的吸附能 力Mfi吸附= Mfi除去q = [(C0-Cf). V]/W
其中，C。和Cf分別代表吸附前后的硝酸鹽濃度，V是溶液體積，W是吸附劑的質(zhì)量。通過生化降解和過濾除去硝酸鹽本文還使用竹子以促進通過生物降解除去硝酸鹽，通過生物降解水和/或生活和 工業(yè)廢水(industrial affluents and effluents)中的有機物和無機物，特別是硝酸鹽。為了進行此試驗，制備NO3濃度為約20ppm的溶液。用于承載微生物產(chǎn)生的工具 是在試驗中使用的新收集的竹子。如下表1所示，相對于硝酸鹽溶液的總體積，制備竹子質(zhì) 量不同的4個反應(yīng)器。反應(yīng)器由具有水容量為約225升的熱塑箱構(gòu)成。使用了 3個反應(yīng)器。在每個反應(yīng)器中添加8kg切割的竹子(橫向切割成30cm的 Ife)，由圣卡塔琳娜州拉古納地區(qū)(Laguna-state of Santa Catarina)的CASAN-Companhia de Aguas e Saneamento do Estado de Santa Catarina (圣卡塔琳女那州供水禾口衛(wèi)生公司) 提供80升帶有足量硝酸鈉的水，以產(chǎn)生30ppm的Ν-Ν03_濃度。表1 用于除去硝酸鹽的生物反應(yīng)器的裝載
權(quán)利要求
提高厭氧消化去除污染物工藝的反應(yīng)器中微生物菌落濃度的方法，該工藝利用形成在竹子上的微生物菌落作為過濾裝置，所述方法包括向供入所述反應(yīng)器的溶液中添加化學(xué)計量可接受量的乙酸鈉。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述乙酸鈉在約200-300ppm的范圍內(nèi)。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述化學(xué)計量可接受量保持2 1的C N摩爾比。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述反應(yīng)器是活塞流反應(yīng)器。
全文摘要
本發(fā)明涉及在連續(xù)流和/或分批處理中，提高形成在禾本科(Gramineas)竹亞科(bambusoideae)表面上的微生物菌落濃度的方法，其中所述連續(xù)流和/或分批處理利用生物質(zhì)作為過濾手段以除去水庫以及生活和/或工業(yè)污水中的硝酸鹽以及其他有機和無機污染物，在所述方法中，在假單胞菌SP(Pseudonomas SP)(亞硝化單胞菌(Nitrosomonas)、硝化球菌(Nitrosococus)、硝酸細菌(Nitrobacter)、固氮菌(Azobacter)、Azotomas和根瘤菌(Rhixobium)型微生物厭氧消化的生物降解步驟后設(shè)置吸附的步驟。根據(jù)本發(fā)明，向供入反應(yīng)器的溶液中添加約200-300ppm的乙酸鈉，保持2∶1的C∶N比例，從而使除去水中硝酸鹽以及有機和無機可溶物的效率提高80％至98％。
文檔編號C02F3/10GK101952211SQ200880123294
公開日2011年1月19日 申請日期2008年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月27日
發(fā)明者熱拉爾多·諾蓋羅·小洛佩斯 申請人:南共市貿(mào)易有限公司