CN100425550C - 生物分解含硝基芳香族化合物的废水的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及生物分解含硝基芳香族化合物的废水的方法，尤其是含高氮盐载量的废水，如硝基苯生产中出现的那样。

Description

生物分解含硝基芳香族化合物的废水的方法
本发明涉及生物降解含硝基芳香族化合物的废水的方法，尤其是含高氮盐载量的废水，如硝基苯生产中出现的那样。
硝基苯是最重要的工业化学品之一，全球年产量超过2百万吨。仅在美国，2001年就合成了超过1.5百万吨硝基苯，并且从1990年起生产已经翻倍还要多。例如在德国，在Uerdingen Bayer工厂，有产能约300,000吨/年的硝基苯车间；见新闻信息Bayer AG，30.01.2002。全球生产的约97％硝基苯用于生产苯胺。
硝基苯用“硝化酸”(HNO3+H2SO4)将苯硝化而合成。作为合成结果，消耗的约0.1％苯以副产物形式并因而作为生产废水而出现。此废水含有2，4-二硝基苯酚和苦味酸(2，4，6-三硝基苯酚)以及通常高负载的氮和硫盐作为主要成分；见Rajan J.，R.Perkins and S.Sarianslani 1994，“Microbial degradation of picric acid”，Abstr.Q-121，p.409.Abstr.94th Ann.Meet.Am.Soc.Microbiol.1994，以及Patil S.S.andV.M.Shinde，“Gas chromatographic studies on the biodegradation of nitrobenzeneand 2，4-dinitrophenol in the nitrobenzene plant wastewater”，Environ.Pollut.57，1989，235-250。
硝基苯酚化合物具有高毒性潜能。在硝基苯生产中通常出现的废水中作为主要杂质的2，4-二硝基苯酚尤其如此，具体是因为它对呼吸链磷酸化的解偶联作用；见Pinchot G.B.，“The mechanism of uncoupling of oxidative phosphorylation by2，4-dinitrophenol”，J.Biol.Chem.242，1967，4577-4583。因此，产生的合成废水必须用适当处理方法处理。当前使用的四种方法是：
(a)深海倾倒法，其中问题物质最终沉积到深海中，
(b)深井注入法，其中经注入方法将废物输入到不危害地下水的地球深层的位点，
(c)热解法，其中废水在高压约280℃下热分解(见US-A-5,232,605)，和
(d)臭氧处理方法，其中废水在增加压力下60-100℃的温度下用臭氧处理(US-A-6245,242)。
然而在深海倾倒法和深井注入法中，废物最终只是沉积。比较而言，尽管热解法和臭氧处理法的处理结果有效，但因为必要的工艺步骤(温度、压力、使用臭氧)它们在整体硝基苯生产方法中是很大的成本因素。在热解法中，它还要求另外增加安全预防措施。因此本发明目的是提供替代当前已知方法、并能从相应的合成废水中基本完全消除硝基芳香族化合物的廉价和环境接受的方法。
通过以权利要求书为特征的本发明实施方案可以实现此目的。
具体而言，提供生物降解废水中硝基芳香族化合物的方法，特别是具有高氮盐载量的那些，这通常在硝基苯生产中出现，包括以下步骤：
(a)提供活性污泥作为生物基质，
(b)将降解硝基芳香族化合物的微生物加入活性污泥中，
(c)将含硝基芳香族化合物的废水加入步骤(b)的物质中，和
(d)将比待降解的硝基芳香族化合物更易于利用的至少一种碳源加入步骤(c)的物质中，为进行氮限制，将溶解碳/氮摩尔比值设定在≥8∶1的范围内。
本发明方法使得以特别廉价和环境接受的方式基本完全消除相应合成废水中的硝基芳香族化合物，如具体在硝基苯生产中产生的废水。
已知特定微生物或细菌菌株，例如红球菌属，适用于降解相应废水中的硝基芳香族化合物。然而，如果这些微生物在发酵容器中用硝基芳香化合物作为单一基质以纯培养形式培养较长时间，随着毒性亚硝酸盐积累，系统自身将在培养过程中失去稳定，导致不能进行连续培养。这是由于当使用硝基芳香族化合物作为单一碳源和氮源时，其碳/氮比不适于该微生物。此外在这些条件下观察到细胞聚集。
惊人地发现，当同时再加入至少一种更易于利用的碳源时，组合活性污泥和可降解硝基芳香族化合物的微生物即导致用于生物降解含硝基芳香族化合物废水的自稳定有效的系统，尤其是对于高盐负载的硝基苯生产废水。这种附加碳源执行两项任务：它导致获得物种的生物多样性，并在以适当浓度给予时导致目的性氮限制。这种氮限制迫使生物体使用硝基芳香族化合物作为氮源。而且在本发明方法中，因为不使用纯培养而没有污染问题，而活性污泥基质中物种的天然生物多样性有助于系统的稳定。这导致与使用纯物种培养方法相比较的更大优点。
通过加入另外的更易于利用的碳源，发酵容器中的溶解碳/氮比可以满足微生物的要求。除了硝基芳香族化合物以外，硝基苯生产的废水通常还含高浓度无机氮盐，如亚硝酸盐、硝酸盐和铵盐。作为结果，有过量的氮。生物体没有被迫使通过降解硝基芳香族化合物满足其自身氮需求。因此，需要逆转这种不平衡，因而通过给予一种或多种易于利用的碳源而引入氮限制。然后微生物降解硝基芳香族化合物并释放其中所含的氮。此外，氮限制防止降解硝基芳香族化合物的微生物被活性污泥中的其他生物替换，因为只有通过降解硝基芳香族化合物的微生物才能确保整个群体的氮供应。
因此本发明方法基于以下方面的组合：
(a)使用能降解待消除硝基芳香族化合物(在实例性实施方案中，2，4-二硝基苯酚和2，4，6-三硝基苯酚)的细菌(起始)培养物；
(b)另外使用活性污泥来降解由很多营养物组成的废水，结果实现系统的生物多样性和柔性，由此毒性降解产物如亚硝酸盐以及工业废水的其它组分也能被消除；和
(c)引入严格氮限制；这通过“给予”能使多种微生物存活的碳源而实现，结果实现生物多样性，同时负责利用硝基芳香族化合物作为自身营养。
本发明中，表述“活性污泥”在此指通过降解废水成分(“活化”容器中)以及其无机和有机组分而在需氧性生物废水纯化中形成的生物质(biomass)，该生物质基本由细菌、真菌、原生动物、轮虫和线虫组成。活性污泥通常以絮团形式存在，其中除了活和死的生物质以外还含有吸附和掺入的有机和矿物组分。理想情况下，活性污泥絮团由厌氧性条件占优的带褐色矿物核心以及具有生物活性的微生物的需氧灰色边缘区组成。本发明中用作生物基基质的活性污泥例如可以来源于市政污水处理厂。
本发明方法中提供的微生物或细菌菌株能用硝基芳香族化合物作为氮源生长，即它们具有对硝基芳香族化合物的必要降解潜能。本领域技术人员能从多种可能的微生物中选择适用于预定任务，即用于降解硝基芳香族化合物的那些。本领域技术人员可以从菌株库中或通过合适分离方法从自然界中选择相应微生物。降解硝基芳香族化合物的微生物例如选自：类诺卡氏菌(Nocardioides)属物种(如DSM No.12746)、伯克霍尔德菌(Burkholderia)物种(如DSM No.8530和12775)、红球菌属菌株如特别是Rhodococcus koreensis(如DSM No.44498)和节杆菌属(Arthrobacter)物种(如ATCC No.55546、55547、55548和55549)。优选的，降解硝基芳香族化合物的细菌株能降解硝基苯酚，即单-、二-和/或三硝基苯酚，特别优选2，4-二硝基苯酚和/或苦味酸。
含硝基芳香族化合物的废水优选来源于硝基苯生产且通常有高盐负载。盐负载通常大量含氮盐如亚硝酸盐、硝酸盐和铵盐，它们又作为比待降解硝基芳香族化合物更易利用的氮源。在本发明方法中，使起始生物群落随后适应含硝基芳香族化合物的废水成分是有利的，所述生物群落由活性污泥和降解硝基芳香族化合物的微生物组成。通常，从开始就注意严格氮限制，即添加生物培养物更易利用的碳源。术语“生物群落”在此表示该系统中的互相依赖并与非活性环境相互作用的所有微生物共生。
本发明方法使用的生物质可以根据常规方法固定或定位于支持物上。尽可能保持其生物活性的条件下，这通常使得获得大大改进的与待处理废水的混合物，并且大大有助于从处理废水分离并循环利用生物质或生物催化剂。
本发明方法的待降解硝基芳香族化合物优选是硝基苯酚，如单-、二-或三硝基苯酚，特别优选2，4-二硝基苯酚和/或苦味酸，它们以不同比例存在于废水中，尤其是硝基苯生产的废水中。
关于术语“比待降解硝基芳香族化合物更易于利用的碳源”，可以指出，当物质不能被细菌简单再循环到天然代谢循环中时该物质被认为难以降解。这涉及例如硝基芳香族化合物。然而，细菌需要碳源用于其代谢和生长。如果这些细菌利用硝基芳香族化合物作为碳源有问题，它们就需要不同的碳源，即“更易于利用或转化的碳源”。本发明方法中另外加入到系统中的更易于利用的碳源因此是比待处理废水中待降解硝基芳香族化合物更易于被生物利用。附加碳源浓度的选择应对于基质整体平衡中的微生物实现严格氮限制。为此，本发明方法中的溶解碳/氮摩尔比值设定在≥8∶1的范围，优选≥20∶1。合适的易于利用的碳源例如是糖如葡萄糖或果糖、糖醇如甘露醇或山梨醇、淀粉、石蜡、脂肪醇、羧酸及其混合物。以相似方式，含淀粉、蛋白质或其它碳源的生产废水适用作更易于利用的碳源。优选的，使用糖，特别是葡萄糖、果糖或其混合物。
本发明方法通常在10-35℃、优选15-30℃的温度进行。另外，本发明通常在5.5-10.0、优选6.5-8.0的pH进行。根据具体条件，发酵容器中的水力停留时间(污泥龄)通常是2-21天，优选4-14天。
通过本发明方法，可以完全以连续操作方式降解废水中、尤其是硝基苯生产废水中的硝基芳香族化合物。与现有技术中的已知方法比较，本发明方法更廉价、更有效，同时更易被环境接受。
以下将用实施例说明本发明方法，但不是对本发明的限制。
实施例
装备搅拌器、进气控制和pH监测的实验室发酵容器(体积：2升)以连续恒化器方法进行操作。经计量泵，组成与硝基苯生产中常规废水相同的合成废水被送入发酵容器。经水平控制器，经第二个泵从发酵容器将过量培养体积吸走。使市政污水处理厂的活性污泥富集浑浊红球菌(Rhodococcus opacus)(“PAM”)和Rhodococcuskoreensis(“PAP1”)的预培养物。当这些生物培养物与合成废水混一起时，从开始就注意严格氮限制，即加入容易由生物培养物利用的碳或能源，优选葡萄糖和果糖的1∶1混合物。在此情况下，基于摩尔比，溶解总碳含量/溶解总氮含量的浓度比设定或控制在≥8∶1，更优选≥20∶1，以对“培养液”中的微生物恒定保持严格氮限制。根据介质中氮含量，向基质混合物中加入至多200mM葡萄糖/果糖1∶1。
基于以下组成的缓冲矿物介质(加到1升)递送废水成分：
Na2HPO4·H2O      7g
KH2PO4            1g
CaCl2·2H2O       5mg
柠檬酸Fe(III)     2mg
MgSO4·7H2O       20mg
在适应期，起始生物群落相继适应合成废水的成分。发酵容器培养物中每种情况下的期望pH分别用H3PO4或NaOH调整。
下表中，列出了待处理废水中的相应废水成分的浓度范围。
表1
  成分   浓度范围(mM)  相应最大值(ppm)
  苦味酸   0-20  4380
  2，4-二硝基苯酚   0-20  3680
  NaNO<sub>2</sub>   0-20  1380
  NaNO<sub>3</sub>   0-2  170
  (NH<sub>4</sub>)<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>   0-1  132
合成废水含苦味酸最大浓度是4380ppm，这显著高于不同文献中的硝基苯生产废水中的苦味酸浓度数据(65-2500ppm)。任选的，待处理合成废水含2，4-二硝基苯酚的最大浓度是4380ppm，这同样高于常规废水中的2，4-二硝基苯酚浓度(300-2800ppm)。将硝基苯合成废水中的氮盐考虑在内，另外在发酵容器的基质投料中混合不同浓度的亚硝酸盐、硝酸盐和氨。为模拟常规硝基苯生产废水中的硝基芳香族化合物组分和盐负载组成的波动，使用不同混合比的这些组分作为基质(见表1)。此外，测定不同停留时间(污泥龄)的稳定的恒化器比值。在上述实例性实施方案中，确定生物群落的恒定降解性能在光密度(546nm)约为30，对应生物质干重9g/l。
因而本发明方法适于消除例如表1中重现的硝基苯生产的合成废水中成分的浓度范围。在发酵容器流出物中，用HPLC分析没有检测到基质或已知转化产物。发酵容器流出物中的剩余COD(COD＝化学需氧量)被常规活性污泥完全降解，因而能使用相应的活性污泥方法。甚至在连续操作1年后，降解过程和生物群落发现仍是稳定的。

Claims (9)

1. 生物降解含硝基芳香族化合物的废水的方法，包括以下步骤：
(a)提供活性污泥作为生物基质，
(b)将降解硝基芳香族化合物的微生物加入活性污泥中，
(c)将含硝基芳香族化合物的废水加入步骤(b)的物质中，和
(d)将比待降解的硝基芳香族化合物更易于利用的至少一种碳源加入步骤(c)的物质中，为进行氮限制，将溶解碳/氮摩尔比值设定在≥8∶1的范围内。
2. 权利要求1所述的方法，其中温度保持在10-35℃，pH保持在5.5-10.0。
3. 权利要求1或2所述的方法，其中降解硝基芳香族化合物的微生物降解硝基苯酚。
4. 权利要求3所述的方法，其中硝基苯酚是单-、二-和/或三苯酚。
5. 权利要求4所述的方法，其中硝基苯酚是2，4-二硝基苯酚和/或苦味酸。
6. 权利要求1或2所述的方法，其中更易于利用的碳源是选自糖、糖醇、石蜡、脂肪醇、羧酸、淀粉和蛋白质中的一种或多种。
7. 权利要求6所述的方法，其中糖是葡萄糖、果糖或其混合物。
8. 权利要求1或2所述的方法，其中废水含选自亚硝酸盐、硝酸盐和铵盐的一种或多种氮盐。
9. 权利要求1或2所述的方法，其中废水来源于硝基苯生产。
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