通过碱性生物处理技术实现水玻璃流出物的零排放

摘要

本发明涉及嗜碱/耐碱微生物的收集及在水玻璃污水处理中所述微生物的用途。该污水可用培养在颗粒活性炭上的嗜碱/耐碱微生物直接处理，不用任何预先pH调节。随后，通过降低该已生物处理水的pH将水玻璃从其中分离出来。备选地，由于水和水玻璃有不同的沸点，也可通过蒸馏该已生物处理水将水玻璃从其中分离出来。

说明书

发明背景

发明领域

本发明总体上涉及水玻璃污水的处理，尤其涉及获取嗜碱/耐碱微生物，并在对水玻璃污水不预先进行pH调节的情况下利用颗粒活性炭上培养的嗜碱/耐碱微生物直接处理水玻璃污水，随后根据水玻璃和水的不同化学和物理性质从水资源中回收水玻璃。

相关技术的描述

“水玻璃”的定义是含有胶态二氧化硅颗粒的溶液。可溶性硅酸盐包含三种成分，它们在消耗性应用中都具有一定价值。二氧化硅是所有可溶性硅酸盐的基本成分。实质上所有硅酸盐的最终应用都使用了二氧化硅的化学性质。碱性成分也是可溶性硅酸盐的一个关键成分。它能以钠或钾的氧化物的形式存在，并且它对维持二氧化硅的可溶性起作用。水是第三种成分。虽然可以获得无水硅酸盐产品，但大多数包含大量水。几乎所有情况下，为了利用二氧化硅的功能必须加入水。硅酸钠或水玻璃(Na₂O·XSiO₂)是二氧化硅的金属氧化物。所有可溶性硅酸盐能通过定义为二氧化硅与碱的重量比(SiO₂/Na₂O)的比率加以鉴别。该比率决定了产品的物理性质和化学性质。

硅酸钠或水玻璃(Na₂O·XSiO₂)呈碱性(pH＞11.5)。水玻璃污水也呈碱性(pH通常在11.0以上)，但是，水玻璃流出物的pH值依照流出物中的水玻璃浓度而变化。源自纺织印染工业的水玻璃流出物的pH值高达11.5。一旦水玻璃流出物的pH值下降，即使是微小的下降，水玻璃流出物将凝结或形成固体水玻璃悬液。这些反应的本质是液态硅酸盐溶液的不稳定性。当改变液态硅酸盐的pH值至低于11时，二氧化硅就失稳，并且这个体系会聚合或形成凝胶。

在常规的水玻璃污水处理中，污水被转移至中性生物处理塘，并凝结或形成固体水玻璃悬液，一方面形成了无用的污泥，另一方面清除了有效的生物污泥。进一步的物理和化学处理然后导致化学污泥和水玻璃污泥的形成。这些污泥能堵塞管道以致于需要额外的清洗和清除工作。以纺织印染工业所产生的水玻璃流出物为例，1吨水玻璃污水产生0.3吨水玻璃污泥，这些水玻璃污泥堵塞现场的管道并产生了需要清洗和去除这些污泥的问题，严重降低了现场活性污泥和化学处理的效率。

采用常规水玻璃污水处理方法形成的污泥导致这些污水处理方法效率降低。因此，提供一种水玻璃污水处理的改进方法是有必要的。

发明概述

本发明的目的是提供一种处理水玻璃污水的方法，包括在对水玻璃污水没有任何预先pH调节的情况下，利用生长于颗粒活性炭(GAC)上的嗜碱/耐碱微生物对水玻璃进行生物降解的步骤。颗粒活性炭(GAC)有助于浓缩水玻璃污水中的污染物并可通过嗜碱/耐碱微生物而进行生物再生。在本发明的另一个实施方案中，所述方法进一步包括从经GAC上的嗜碱/耐碱微生物处理后的水资源中分离水玻璃的步骤。所述从水资源中分离水玻璃的步骤包括在所述污水被颗粒活性炭(GAC)上生长的嗜碱/耐碱微生物生物降解后降低所述污水pH的步骤并回收凝结的水玻璃的步骤。另外，该pH可被降至低于11或在6-11的范围内。在本发明的另一个实施方案中，水资源经GAC上的嗜碱/耐碱生物膜(BAC)处理后，所述从水资源中分离水玻璃的步骤包括蒸馏已处理过的水的步骤。依据本发明的一个优选实施方案，所述蒸馏可以用来获得其中Na₂O浓度为7-12％的溶液或依据回收市场的需要获得其中Na₂O为任何浓度的溶液。

本发明有利地提供了一种获取嗜碱/耐碱微生物的方法，包括从水处理设备中收集微生物并在水玻璃污水中培养所述微生物的步骤，其中所述污水的ADMI值为108-44,600，pH值为11-12。

本发明进一步提供了用于染色纺织品的组合物，该组合物包含购买的水玻璃和回收的水玻璃的混合物。在本发明的一个优选实施方案中，所述组合物包含比率为1∶1的水玻璃与回收的水玻璃。

本发明进一步提供了一种处理水玻璃污水的方法，包括获取嗜碱/耐碱微生物，在对水玻璃污水没有任何预先pH调节的情况下，通过GAC上的嗜碱/耐碱生物膜处理所述水玻璃污水，通过降低被嗜碱/耐碱微生物生物降解的所述污水的pH从水中分离水玻璃，以及从水中回收凝结的水玻璃的步骤。

本发明的另一实施方案进一步提供了一种处理水玻璃污水的方法，其包括获取嗜碱/耐碱微生物，通过GAC上的嗜碱/耐碱生物膜处理没有进行任何预先pH调节的所述水玻璃污水，以及通过蒸馏被GAC上的嗜碱/耐碱生物膜生物降解的所述污水从而回收污水中的水玻璃的步骤。

在本发明的一个优选实施方案中，用于处理水玻璃污水的方法包括从污水处理设备中收集微生物，在ADMI值的范围为108-44,600和pH值为11-12的水玻璃污水中培养所述微生物，通过GAC上的嗜碱/耐碱生物膜处理没有进行任何预先pH调节的所述水玻璃污水，通过降低被所述微生物生物降解的所述污水的pH从水中回收水玻璃，以及从水中回收凝结的水玻璃的步骤。

在本发明的另一优选实施方案中，用于处理水玻璃污水的方法包括从水处理设备中收集微生物，在ADMI值的范围为108-44,600和pH值为11-12的水玻璃污水中培养所述微生物，通过GAC上的嗜碱/耐碱生物膜处理没有进行任何预先pH调节的所述水玻璃污水，以及通过蒸馏被GAC上的嗜碱/耐碱生物膜处理后的所述污水从水资源中分离水玻璃以获得其中Na₂O浓度为7-12％的溶液基获得依据回收市场的需要其中Na₂O为任何浓度的溶液的步骤。

附图简述

图1是现场污水处理工艺的流程图。

图2显示了经培养和筛选的分解微生物的结果，该分解微生物生长于“水玻璃污水琼脂平板，pH为11.5”(右)，且左平板是没有接种物的“水玻璃污水琼脂平板，pH为11.5”。

图3显示了用碱性BAC处理的水玻璃污水COD值降低效率的评价结果。

图4显示了用碱性BAC处理的水玻璃污水ADMI值降低效率的评价结果。

图5显示了从水玻璃污水中分离污水和水玻璃。

图6显示了水玻璃污水经碱性BAC净化后所获得的回收水玻璃。

图7显示了水玻璃污水经碱性BAC净化的不同阶段的色彩对比。

图8显示了在印染工艺(蓝色)中由经生物净化后的水玻璃污水获得的回收水玻璃的使用结果。

图9显示了在印染工艺(红色)中由经生物净化后的水玻璃污水获得的回收水玻璃的使用结果。

发明详述

本发明涉及在水玻璃污水的碱性BAC处理中培养和使用嗜碱/耐碱微生物。

本发明源自微生物的基本性质以及这些性质的应用。微生物以不同方式繁殖，即二分裂、孢子形成等，而且速度非常快，例如细菌每九分钟能分裂一次。由于这种快速的繁殖率，随机突变经常发生以致于在帮助微生物存活并适应经常变化的环境方面起到非常重要的作用。通过保证微生物的合适数量，已经收集到能在不同和经常变化条件下存活下来的微生物。这些年来从不同来源即不同工业的污水处理设备收集了超过10,000种的不同微生物物种和菌株。收集到的微生物在碱性水玻璃污水中培养。通过自然选择，最适应水玻璃污水碱性环境的微生物将存活下来并进行繁殖。以相同的方式，即使水玻璃污水有不同特性，即在不同条件和或从不同设备产生的污水，所收集的不同微生物将在不同条件下适应和或进化且存活下来。然后，经过在水玻璃污水中培养所收集的微生物，通过将在该水玻璃污水环境中存活的微生物置于固体“水玻璃污水琼脂平板”上从而对其生长进行检测。然后，嗜碱/耐碱微生物固定于反应器中的颗粒活性炭上，污水以恒定速率流进和流出反应器。水玻璃污水直接被生物过滤处理工艺净化，不需要任何化学或生物处理的预调节。在该生物过滤工艺后，通过改变已生物处理的水的pH至较小的碱性值，使水玻璃和水从已生物处理水中分离。在降低该pH后，水玻璃趋向凝结或固化。所需引起凝结而进行pH调节的程度取决于已生物处理水的水玻璃浓度。通常，一旦该pH被调至6-11的范围，水玻璃就凝结。可选择的是，由于水玻璃和水有不同的沸点，也能通过蒸馏已生物处理水使水玻璃和水分离。从已生物处理水中分离的回收水玻璃能被重新使用。从经济的角度看，本发明的水处理方法也是有成本效率的，因为其年操作费用远低于传统水处理工艺。大量的化学处理和清洗费用能被消除，并且本发明新厂的建设费用能在一年后从传统活性污泥处理、化学处理和通常每年进行污泥清洗费用的节省而得以收回。

实施例

对于机织物纺织品印染厂而言，其有连续的染色工序(A厂)和浸染工序(B厂)。主要产品包括19.8％的纯棉、22％的T/C、42％的PET(含尼龙)和14.2％的Tence1等。基于产品类型调配的考虑计算，某一时间95％的颜色一致率和每产品单元平均65～70L/kg的水用量是合适的结果。

目前现场污水处理使用深度活性污泥系统和化学絮凝系统。为了实现独立地深度活性污泥处理，现场污水被分别引至两个分离的厂子，如图1：A厂——源自脱浆工艺、丝光处理工艺和蒸汽处理工艺(含水玻璃)的高浓度流出物，B厂——源自染色工艺污水和定色工艺污水的低COD浓度流出物。经过生物处理的污水流出物混合在一起以进行进一步的化学处理。经过处理的污水流出物的COD约为50～170mg/L，这可能没有达到直接排放的许可但满足工业场所为进一步处理而可接受的排放要求。由于水玻璃导致了A厂处理系统污水处理的低效，如下面表1和2中的分析结果所示，所以为了不降低总效率水玻璃污水应该被单独处理。目前的生物处理系统可被分为系统A(A厂)和系统B(B厂)。系统A的水力停留时间长达60小时，而系统B的水力停留时间为13.5小时。如果用独立的工艺处理水玻璃污水且系统A和B串联放置，那么这两个系统的处理效率将明显提高。

表1  从A厂的终端处理管道取现场样品的分析结果(2002/03/05)

    pH    COD    (mg/L)    BOD    (mg/L)    传导率    (mS/cm)    真色度    ADMI    NH₄-N    (mg/L)    PO₄-P    (mg/L)  OUR  (mg/L/h)    混合污水    11.99    2800    (2690)    760    (720)    10.78    1171    0.23    12.2    活性污泥    反应器    9.80    (509)  14.1  35.1_(加料)    生物沉淀池    9.51    (596)    (10)    10.05    1436    0.8    3.90    化学处理前    8.19    586    3    4.92    1390    0.77    1.77    (294)  化学处理后    7.06    220    (165)    2.4    5.16    925    2.81    0.47

注：括号内的值是没有固体悬浮时测的值，不带括号的值是有固体悬浮时测的值

表2  从B厂污水处理取现场样品的分析结果(2002/03/05)

    pH    COD    (mg/L)    BOD    (mg/L)    传导率    (mS/cm)  真色  度  ADMI    NH₄-N    (mg/L)    PO₄-P    (mg/L) OUR (mg/L/h)  混合污水    12.04    1382    (1330)    390    (320)    5.27  888    0.27    3.45  活性污泥反应器    8.01    (211)    3.85  847    0.98    2.68 16.4 143.5_(加料)  生物沉淀池    7.69    (314)    (3)    4.46  1399    0.7    1.69  化学处理前    8.19    586    (294)    3    4.92  1390    0.77    1.77  化学处理后    7.06    220    (165)    2.4    5.16  925    2.81    0.47

水质量分析方法

COD：参照标准方法508C.封闭回流(Closed Reflux)，比色方法

MLSS：参照NIEA W210.55A

NH₄⁺：MERCK SQ-118比色计；分析方法号：14752-6号方法

PO₄^3-：MERCK SQ-118比色计；分析方法号：14842-84号方法

pH：SUNTEX TS-2 pH计

BOD：参照NIEA W510.50A

传导率：参照NIEA W203.51B

VSS：标准方法209D不挥发性和挥发性固体于550℃点燃

真色度：参照NIEA W223.50B

OUR(未加料的)测定：从活性污泥反应器中取400ml水样，曝气直至饱和(约5分钟)，然后转移至BOD瓶以测量氧吸收率。

OUR(加料的)测定：加一定量欲进入活性污泥系统的污水至BOD瓶，从活性污泥反应器中取400ml水样，曝气直至饱和(约5分钟)，然后转移该水样至该BOD瓶以测量氧吸收率。

培养和筛选水玻璃污水的分解微生物

这些年来微生物从不同来源被收集，即不同工业的水处理厂。所收集到的微生物可直接置于范围为108 ADMI至44,600 ADMI且pH为11.5的水玻璃污水中培养。参见下面表3关于水玻璃污水的分析结果。然后，添加1.5％的细菌培养用琼脂(BACTO-AGAR)至pH为11.5的水玻璃污水，在高压灭菌器中灭菌并冷却至50℃。在层流中，溶液被分配至已灭菌的培养皿。由于已制备了“污水琼脂平板”，将培养皿分为两组，即对照组和实验组。该对照组培养皿没有接种微生物，而实验组培养皿接种有筛选出的微生物。将培养皿放置于30℃的培养箱。48小时后，对照纽培养皿依然洁净，而实验组培养皿包含白色的生长物，参见图2。从实验组培养皿移出一部分琼脂并用无菌水洗涤。该洗涤水在1000x显微镜下观察，能发现许多微生物。

表3  水玻璃污水样品的分析结果

  样品数量  pH  COD  (mg/L)    BOD    (mg/L)    传导率    (mS/cm)  真色度  ADMI  水玻璃  污水  ＞40  11-12  131_(最小)  1476_(最大)    5-30    10-40  108_(最小)  44,600_(最 大)

注：水玻璃污水的COD值仅列出作为参考，因为该水玻璃污水的COD分析受到干扰。

实验室内连续生物处理水玻璃污水

从水玻璃污水中筛选出的微生物在作为载体和污染物集中器的颗粒活性炭上培养。然后将经过培养的生物活性炭(BAC)置于2.1升的处理反应器中，其中BAC占反应器总容积的80％。水玻璃污水以恒速从上流进并流出反应器，保留时间灵活调节，这种调节取决于进入反应器污水的分析结果，即COD和真色度值。基本原则是保持系统稳定。对于真色度高于10000 ADMI的水玻璃污水，该水玻璃污水应用多级反应器处理。见图7，很容易观察从一个反应器到另一个反应器污水颜色的去除。流进物和流出物COD值的测量显示于图3。在pH为11.5的水环境下，生物活性炭处理(BAC)明显地减少了污水的COD值。流进物和流出物真色度的分析显示于图4。在pH为11.5的水环境下，生物活性炭处理明显地使水脱色至几乎无色。

现场连续生物活性炭处理水玻璃污水

将水玻璃污水分解微生物以较大规模在活性炭上培养并随后将其置于20升的四件套处理反应器中，其中该生物活性炭占该处理反应器总容积的90％。水玻璃污水恒速流进流出反应器，保留时间为3.9天。在系统稳定后，它被移出实验室而到污水处理现场并在相同条件下运行。流进物和流出物的COD值和真色度的分析显示于下面的表4。在pH为11.5的液体环境下，该碱性BAC处理能明显地降低水玻璃污水90％的COD值且使污水脱色至几乎无色。

表4  经碱性生物处理法处理后现场水玻璃流出物的评价结果(20L反应池)

    日期    天    COD(进)    (mg/L)    COD(出)    (mg/L)    ADMI    (进)    ADMI    (出)    11/28    37    242    6076    11/29    38    242    15    6076    40    12/02    41    468    9151    12/03    42    468    173    9151    53    12/06    45    468    57    9151    70    12/09    48    728    4226    12/10    49    728    15    4226    97    12/12    51    724    4146    12/13    52    724    10    4146    99    12/16    55    822    4128    12/17    56    822    88    4128    64    12/19    58    751    20653    12/20    59    751    22    20653    146    12/26    65    605    42    44600    345    1/7    77    605    25    44600    77    1/10    80    286    63    6860    168    1/14    84    184    40    2132    86    1/22    92    165    31    2535    28    1/24    94    201    10    2597    19    1/29    99    223    39    2844    16    3/14    143    322    24    2673    16    3/21    150    342    25    3230    31    3/28    157    514    5    4450    83    4/1    161    481    41    5194    108

从已生物处理水中分离水玻璃和水资源

随后，通过利用水玻璃和水有不同的物理性质和化学性质建立了从已生物处理水中分离和回收水玻璃及水资源的方法。与水不同，水玻璃在较低pH下能快速凝结或固化。因此，通过调节其pH至一个较低的碱性值或至中性，水玻璃和水非常容易分离。图5显示了从水玻璃污水中分离水玻璃和污水的结果。图6显示了在水玻璃污水经碱性生物处理将其COD和真色度值分别降低至35mg/L和57ADMI后，从水资源中分离水玻璃的结果。在本实施例中，已生物处理水的pH值调至8。另一被用来从水中分离水玻璃的方法是利用是玻璃和水有不同的沸点。水玻璃污水首先经碱性生物处理，其COD和真色度值分别降低至50mg/L和60ADMI以下。然后，通过蒸馏已生物处理水玻璃污水(水玻璃和水有不同的沸点)将水玻璃从水中分离。表5分析了不同浓度的回收水玻璃流出物的物理性质和化学性质。经过生物处理的流出物被蒸馏至去除82.5％的水且其Na₂O百分比接近染色所需要的水玻璃浓度。在利用回收的水玻璃进行染色测试时所使用的浓度比率是相同的。

表5  经碱性生物处理法处理并浓缩的水玻璃流出物的物理性质和化学性质的评价

分析项目  密度  pH    传导率    (mS/cm)    Na₂O(％)    SiO₂(％)    SiO₂/Na₂O比    率水玻璃(购买的)  1.3685  11.81    35.0    11.21    26.54    2.37浓度比率为85％的已生物处理的流出物  1.3318  11.63    48.4    8.41    19.71    2.34浓度比率为82.5％的已生物处理的流出物  1.2717  11.85    48.2    7.56    17.91    2.36浓度比率为80％的已生物处理的流出物  1.2262  11.71    47.4    6.64    15.9    2.39浓度比率为70％的已生物处理的流出物  1.1006  11.69    45.2    5.35    12.34    2.31浓度比率为60％的已生物处理的流出物  1.1309  11.68    40.5    3.97    8.7    2.19浓度比率为50％的已生物处理的流出物  1.1047  11.66    35.8    3.22    6.8    2.11浓度比率为40％的已生物处理的流出物  1.0791  11.63    32.4    2.72    5.17    1.9

染色工艺中回收水玻璃的使用

水玻璃在染色工艺和其它使用中能循环重复使用。水玻璃污水首先经碱性BAC生物处理，然后将其pH调至中性。一旦pH调节至中性，水玻璃就固化且水被去除。固化的水玻璃能以各种方式被重新利用，例如作为防水建筑物添加剂等。可选择地，利用不同的沸点从水中分离的水玻璃可重新用于染色工艺，其结果显示于图8和9。与使用常规非回收水玻璃的染色结果相比较两者均显示了一些色差。但是，当将回收的水玻璃与常规水玻璃以1∶1的比率相混合用于染色工艺时，其结果是可接受的并且与用常规或非回收水玻璃的结果较接近。

碱性生物处理单元的经济效果

以一个排放250CMD的水玻璃污水的短纤维纺织印染工厂为例，碱性BAC生物处理单元的建设成本经计算为25×10⁶新台湾(NT)元且年运行费用经计算为0.3×10⁶NT$。但是，当将其与用于处理水玻璃污水的传统污水处理方法25.44×10⁶NT$/年的运行成本相比较时(参考表6)，每年将节省25.14×10⁶NT$作为纯利(节省的运行费用和)。因此，估计该碱性BAC生物处理单元的建设成本在一年后能收回，参见表6。

表6  用于处理水玻璃污水的额外生物处理单元的经济效果评价

                                    单位：NT$

    成本项目    水玻璃流出物    250CMD    费用    建设费用    25,000,000    运行费用(NT$/年)    300,000    节省    酸化成本    1,260,000    污水处理成本    1,860,000    外购污泥处理成本    22,320,000    节省金额和    25,440,000    纯利(节省的运行费用和)    25,140,000    收回期限    1年

注：1.外购污泥处理成本以1,200NT$/吨计