可分解氫氧化四甲基銨的新型菌株以及利用所述菌株的廢水處理方法
2023-06-02 14:17:11
專利名稱：可分解氫氧化四甲基銨的新型菌株以及利用所述菌株的廢水處理方法
技術領域：
本發明涉及可分解氫氧化四甲基銨的新型菌株以及利用所述菌株的廢水處理方法。更具體地說，本發明涉及能夠對在光電子產業的廢液中大量含有且具有難分解性及毒性的TMAH進行有效分解的新型菌株、以及利用所述菌株的廢水處理方法。
背景技術：
光電子(opto-electronic)產業是最近在世界範圍內正快速發展的尖端技術產業。由於消費者對光電子產業產品的需求急劇增加，很多國家正加快進行產品的開發。大多數半導體產業包括針對(1)陣列(array)、(2)濾色片(color filter)以及(3)液晶的工序，而在這些工序中又作為顯影液、洗滌液、及蝕刻劑等而使用大量的有機溶劑，其結果生成大量廢水。該廢水的特點是除了二甲基亞碸(DMSO)或者異丙醇(IPA)等有機溶劑之外，還含有相當多的氫氧化四甲基銨(TMAH)。
由於TMAH是很難發生生物分解並具有強烈毒性的物質(toxicityLC50＝460PPM)，因而目前現狀是，在半導體製造工廠內的廢水處理場的生化需氧量(biological oxygen demand；BOD)發生急劇變動。從而，對環境保護而言，如何從產業廢水中去除TMAH，成為了重要課題。
目前已知的對廢水中的TMAH進行處理的方法有對廢水利用離子交換樹脂柱、UF(超濾)或者RO(反滲透)等方法濃縮TMAH後再廢棄的濃縮廢棄法；或者，將已濃縮的TMAH燃燒而去除的超臨界處理法等。然而，這些以往的淨化方法不僅要經過很複雜的步驟完成，而且還存在由濃縮或者燃燒出現二次汙染問題等重大缺陷。從而，為對應日漸增強的對環境保護的要求，人們已深刻意識到既經濟又高效的TMAH生物處理方法的必要性。
在廢水處理中MBR工序(參照圖1)由於能利用膜的分離特性而完全去除浮遊固形物，因此能在不受汙泥沉降性影響的情況下進行穩定處理，而且與圖2的具備沉澱池的方式不同，無須具備沉澱池，並且能在短時間內堆積高濃度的已處理微生物，因此可以用小空間進行大量水處理即能夠使數值處理時間(HRT)最大化，進而能減小工序的體積，實現工序的緊湊化。此外，MBR的優點中最重要的一項是能進行穩定運轉。由於該方法具有能對汙泥滯留時間(SRT)進行極大化，從而不僅使生物處理時間大幅減少還能提高處理效率的各種優點，因此作為能彌補以往的活性汙泥工序中存在的如下問題的技術而備受矚目，其中，所述的以往活性汙泥工序的問題是指，具有沉降性惡化、含高濃度毒性物質的廢水的流入、對於處理條件的變化等帶來的衝擊負荷顯示脆弱性的問題、或者處理效率低的問題等。
在環境領域使用的隔離膜可定義為能分離兩個相(phase)的障壁(barrier)、即能定義為兩個塊結晶之間的界面、或者只有選擇性的某些物質才能通過其結構的半透膜(semipermeable)障壁。
目前市售的精密隔離膜的原材料分為高分子系和無機系，其中作為無機系的原材料使用陶瓷(主要是α-氧化鋁)、玻璃、碳等，而作為膜製造方法採用分相法(玻璃材質)和燒結法(陶瓷膜)等。
其中，陶瓷隔離膜的優點之一是對高溫或者酸、鹼的穩定性比高分子膜高。優點之二是能製造出形狀和形態比高分子膜更有利的陶瓷膜。優點之三是由於機械強度高，因此在高壓條件下的微細氣孔變化少，進而可在高壓條件下正常運行。優點之四是其實際壽命為比有機質膜更長的3～5年左右，並且無機性原材料對微生物或者有機性基質的汙染程度少，此外，由於能在比高分子膜更高的溫度條件下、或者酸、鹼處理下進行CIP，因此經維持修復的其實際壽命可非常長。另外，由於透過率比有機性膜優良且對毒性物質、有機溶質、汙染物質等的安全性高，因此在環境處理中使用得比高分子膜多。
發明內容
本發明的目的在於解決所述問題，提供一種利用上述菌株並經過MBR工序有效去除廢水中的TMAH的廢水處理方法。
本發明的另一目的是提供一種能有效分解·去除具有難分解性及毒性的TMAH的新型菌株。
為達到上述目的，本發明提供一種菌株以及利用所述菌株的生物廢水處理方法，其中，所述菌株是能在常溫下有效分解在光電子產業廢水中大量含有且具有難分解性及毒性的TMAH的新型菌株。
本發明的菌株通過以下過程進行了分離鑑定。
首先，將韓國國內半導體工廠的廢水作為試樣採集，然後將試樣接種到營養豐富的培養基上，再一次性地繁殖廢水中存在的菌株並挑選12種菌株，最後將各個菌株命名為IBN-H01～H12。接著，在30℃下在含有TMAH的培養基中對上述菌株進行培養使之生長，進而分離出對TMAH具有耐性且TMAH分解性優異的5種菌株。
對其中的TMAH分解性優異的3種菌株，利用生物系統、MIDI以及16s RNA的部分鹼基序列的確定等而進行了鑑定，由其結果可知，上述3種菌株中的2種分別是與已在韓國公開專利特2002-0009060中進行過詳細說明的IBN-H1以及IBN-H7相同的菌株。剩下的1種被確定為是屬於不動桿菌屬(Acinetobacter sp.)的新型菌株，從而命名為不動桿菌屬IBN-H6，並於2005年5月24日向作為菌株國際委託機構的韓國典型培養物保藏中心(KCTC)以委託號KCTC 10809BP辦理了保藏。
此外還弄清了在作為必需礦物成分和碳源僅含有TMAH的最小培養基中上述被分離的新型菌株能生長至使OD值成大約0.2的程度。此外，能在30℃下沒有很大差異地生長，並能在中性乃至弱酸性條件下很好地生長。
根據本發明提供的菌株不僅對TMAH具有耐性，而且能將它作為唯一碳源進行生長，因此能利用上述菌株對含有TMAH的廢水進行生物處理。此時，可以單獨使用上述菌株，也可以與在韓國公開專利2002-0009060號中針對TMAH分解能力進行過詳細說明的3種菌株IBN-H1、IBN-H4及IBN-H7一起，以混合2～4種培養的狀態使用。
在TMAH處理系統中，必須在已有廢水處理場中存在的微生物的標記度 高的大量有機物和如TMAH這樣的毒性以及有機的廢棄物共存且碳源絕對枯竭的狀態下對TMAH進行分解，，但由於實際上很難實現，因此在TMAH處理工序中優選將TMAH分解能力優異的本發明的微生物IBN-H6單獨或者將IBN-H6和其他微生物的混合微生物人為地進行培養後與廢水分離而獨立處理。
上述廢水處理工序可適用於以往已知的生物處理工序的任何一個工序中，但由於上述TMAH處理微生物的細胞大小比一般廢水處理場的微生物小，因此考慮到微生物的特性以及處理效率最大化以及對衝擊負荷的應對能力等，優選使用MBR處理方式。如果用MBR方式單獨處理如上所述的生物毒性強的TMAH，則具有不僅不影響脫氮、脫磷等其他水處理工序而且不需要進行2次處理、汙泥產生量少、不受流入水中的TMAH濃度的影響等優點。而且還由於具備空間效率性，因此如表1所示，與以往設備相比僅需要1/18～1/35的空間，並由此能實現佔地最小化，此外設備維持費也很低廉。
表1
在上述MBR方式中隔膜(membrane)優選是陶瓷膜。與已普遍使用的高分子膜不同，陶瓷膜具有化學穩定性和物理堅固性且能夠導入反向脈衝(backpulse)，因此能克服由廢水以及微生物的特性引起的運轉問題。
此外，為了適用於上述MBR方式以外的一般生物工序，在容易進行菌株的反覆利用以及處理水內的菌株去除的連續處理中，優選將上述菌株固定在規定載體上利用。此時，作為載體可使用藻酸鹽(alginate)、聚氨酯泡沫(urethane foam)等通常的微生物固定用材料。
圖1是表示本發明的MBR廢水處理裝置的示意圖。
圖2是表示採用以往技術的通常的沉澱池廢水處理裝置的示意圖。
圖3是表示本發明的各菌株對於不同TMAH濃度的生存密度的圖表。
圖4是表示本發明的IBN-H6的系統圖。
圖5是表示本發明的IBN-H6的基於培養溫度的生長曲線的曲線圖。
圖6是表示本發明的IBN-H6的基於培養pH的生長曲線的曲線圖。
圖7是表示在進行本發明的MBR廢水處理時的菌株濃度的曲線圖。
具體實施例方式
下面將對本發明的實施例進行更詳細的說明。這些實施例僅用於具體說明本發明，而掌握本發明技術領域中的一般知識的人員當然知道本發明的範圍不會被這些實施例所限制。
實施例1對TMAH具備耐性的菌株的分離(1)在半導體工廠廢水中存在的菌株的繁殖在韓國國內各半導體製造工廠的生物有機處理工序和脫氮處理工序中，準備了流入原水、曝氣水、回流汙泥等廢水試樣。
按順序稀釋上述試樣之後，將其塗抹到碳源豐富的營養性瓊脂平板培養基(牛肉抽提物0.3％(DIFCO)、腖0.5％(DIFCO)、瓊脂1.5％(DIFCO))上，在30℃下培養18小時，並挑選12種菌株，將它們分別命名為IBN-H01～IBN-H12。
(2)對TMAH具有耐性的菌株的分離對於在繁殖階段獲得的菌株進行了是否對TMAH具有耐性的判斷。
在碳源豐富的培養基(牛肉抽提物0.3％(DIFCO)、腖0.5％(DIFCO))中使TMAH的濃度分別為0.25％、0.5％、1.0％、1.5％、2.0％並塗抹上述繁殖的菌株之後，以250rpm的速度在30℃下震蕩培養24小時。
從其中選出能用肉眼確認菌體生長的5個培養基(IBN-H01、IBN-H04、IBN-H05、IBN-H06及IBN-H08)，並將選出的最終培養液按順序稀釋法塗抹到上述營養性瓊脂平板培養基上，進而用在每1ml培養液中形成的菌落形成單位(colony forming unit，CFU)表示了全體細菌數(參照圖3)。
根據圖3可知，IBN-H01、IBN-H04、IBN-H05、IBN-H06及IBN-H08這5種菌株雖然都在TMAH存在1.7％以上時顯示出了若干的生存率降低，但除此之外，作為對TMAH的強的耐性，到1.5％為止顯示了高到108以上的生存率。尤其在IBN-H06的情況下，從低的TMAH濃度到2.0％的濃度區域為止，顯示出了均勻且優良的生存率。
實施例2對於被選出的具備TMAH耐性的菌株進行TMAH分解率調查對於在實施例1中被挑選出的TMAH耐性菌株的TMAH分解率進行了調查。
在含有對菌株生長來說必需的礦物成分的最小培養基((NH4)2SO43g/L，微量元素(H3BO30.3g、CoSO4·7H2O 0.2g、ZnSO4H2O 0.1g、MnCl2H2O0.03g、NaMoO4H2O 0.03g、NiCl2H2O 0.02g、CuSO4H2O 0.01g、FeSO4H2O20g、CaCl2H2O 10g/L)2ml/L、MgSO47H2O(40％)2ml/L、1M磷酸鹽緩衝溶液(pH7))中，作為碳源添加1％TMAH，並在30℃下震蕩培養72小時。
根據利用三重實驗(triple test)對最終培養液的BOD進行測定的結果可知，在IBN-H04、IBN-H05及IBN-H06菌株中顯示了90％以上的BOD去除率(參照表2)。
表2
實施例3TMAH分解能力優異的菌株的鑑定對於在實施例1中挑選出並在實施例2中確認TMAH分解能力優異的3種菌株IBN-H04、IBN-H05及IBN-H06，利用生物試驗、脂肪酸分析、MIDI及16S rRNA部分鹼基序列等，進行了菌株的鑑定。
根據鑑定結果可知，菌株IBN-H04和IBN-H05分別是與在韓國公開專利特2002-0009060中已鑑定的IBN-H1及IBN-H7相同的菌株，因此下面省略對它們的資料的說明，而僅對IBN-H06的鑑定結果進行詳細敘述。
首先，根據對本發明的菌株IBN-H06的形態學以及生物化學特性進行調查的結果可知，其具備過氧化氫酶活性，並在細菌鑑定時觀察的革蘭氏染色反應中顯示出了陰性(參照表3)。
表3
根據對上述菌株的16S rRNA部分鹼基序列(序列號1)的同源性進行分析的結果可知，其顯示出了與不動桿菌屬之間的94～97％的同源性(參照表4)，因此確定為不動桿菌屬。
表4
由於不動桿菌屬目前存在8種，而且沒有相似度為98％以上的種類，因此判斷是新種類。如上所述，可確認本發明的菌株IBN-06是未曾被報告的新型菌株，從而命名為不動桿菌屬IBN-H6(Acinetobacter sp.IBN-H6)，並於2005年5月24日向作為菌株國際委託機構的韓國典型培養物保藏中心(KCTC)以委託號KCTC 10809BP辦理了委託(以下將IBN-H06記為IBN-H6)。此外，為表示該菌株是與以往的TMAH分解菌株即不動桿菌屬IBN-H7及蠟狀芽孢桿菌屬IBN-H4不同的新型菌株，這裡用系統圖(phylogenic tree)(參照表4)表示了上述微生物及其他具有有緣關係的菌株。
實施例4被挑選·鑑定的菌株的TMAH利用性對上述鑑定的本發明菌株IBN-H6是否能將TMAH作為唯一碳源利用進行了確認。
在含有對於菌株生長來說必需的礦物成分的最小培養基(參照實施例2)中作為碳源附加添加0.5％的TMAH之後，接種所述菌株，並在30℃下震蕩培養72小時。按順序稀釋所述培養液，製造出具有與培養液成分相同的組成的平板培養基並塗抹。
觀察到本發明的菌株能在各個平板培養基上生成菌落，從而能確認本發明的菌株能夠將TMAH作為唯一碳源和能量源利用而生長。
為進行比較，對於與本發明的菌株具有有緣關係的菌株，確認了其對TMAH的利用性。
替代本發明的菌株，分別培養魯氏不動桿菌、乙酸鈣不動桿菌或者不動桿菌基因種(Acinetobacter genospecies)，對這些是否能將TMAH作為碳源利用進行了調查。
其結果顯示出，與本發明的菌株具有有緣關係的所有菌株都沒有形成菌落，並由此可知這些菌株不能將TMAH作為碳源利用。
根據該結果可再一次確認，本發明的菌株IBN-H6雖然屬於不動桿菌屬，但是，它是與以往的菌株在生物化學方面具有不同特性的新型菌株。
實施例5鑑定的菌株的生長特性(1)基於培養溫度的生長特性為確定被分離的菌株的最佳培養溫度，將分離的菌株接種到具有在與實施例2中使用的培養基相同的成分的培養基200μl中並加入於96-井(well)微型板，在25℃及30℃下以250rpm震蕩培養72小時。使用微型板讀出器(MR5000，Dynatech U.S.A)在600nm測定了菌株的OD值(參照圖5)。
根據圖5可知，在整個培養過程中，溫度30℃的情況下的生長比25℃的情況更好，而且在各溫度下隨著培養時間的推移，菌體數(OD值)幾乎保持一致，在30℃及25℃下分別顯示出了大約0.2、0.15的值。
(2)基於pH的生長特性為確定被分離的菌株的最佳培養pH值，將分離的菌株接種到具有在與實施例3中使用的培養基相同的成分的培養基200μl中並加入於96-井(well)微型板，在pH5、pH7及pH9的條件下於30℃以250rpm震蕩培養72小時。使用微型板讀出器(MR5000，Dynatech U.S.A)在600nm測定了菌株的OD值(參照圖6)。
根據圖6可知，在pH9的條件下OD值幾乎是0，但在pH5～7範圍內則顯示大約0.2的OD，從而可知在中性乃至弱酸性條件下能良好地生長。
實施例6利用本發明菌株的TMAH的MBR方式處理工序由於在上述實施例中已確認了本發明的菌株能將TMAH作為唯一碳源利用而生長，因此以MBR方式處理含有TMAH的廢水，確認了其效率。通常來說，如果使用單一菌種則可能會出現穩定性問題，因此在本實施例中使用了本發明的菌株IBN-H6和其他菌株的混合菌株。
(1)為在工序中使用而進行的菌體高密度培養為了在含有TMAH的廢水的水處理中應用，分別以高密度培養了本發明的菌株IBN-H6和在韓國專利公開2002-0009060號中說明的3種菌株IBN-H1、4、7。
在包含高濃度生產培養基(葡萄糖20g/L、酵母抽提物15g/L、MgSO4·7H2O 2g/L、KH2PO45g/L、(NH4)2·SO44g/L、pH 7.0(HCl))350L的500L容量的培養槽中，分別接種本發明的菌株，在30℃下攪拌培養，同時在接種開始12小時之後追加葡萄糖10g/L當量的碳源，以上述方法培養24～48小時。
將經過純粹培養而OD達到40以上的被培養成高濃度的本發明的菌株IBN-H6及IBN-H1、4、7的菌株培養液1200L播種到TMAH廢水12噸之中。
(2)本發明菌株的向TMAH廢水處理工序的適用發酵槽的運轉條件是，維持培養溫度25～35℃、流入空氣量0.5vvm、流入的原廢水的TMAH濃度為3～5g/L，並利用硫酸將pH調整至6.5～7.5。為了菌體的穩定化，以24小時為間隔將培養液的1/10濃縮、11噸的TMAH廢水的流入實施了3天，並作為營養源，將TMAH 5g/L、(NH4)2·SO43g/L、酵母抽提物0.3g/L、MgSO4·7H2O 0.3g/L以該濃度追加投入。在反應器內進行菌體安定化之後的連續運轉作業的容量是14～16噸，並且pH是6.5～7.5、處理溫度是25～35℃。在播種菌株後第四天開始，流入流出含有3～5g/L濃度的TMAH的廢水，同時對排出的處理水進行膜分離，從而將菌體重新回收至發酵槽，從而進行了MBR連續處理。
將連續運轉之後隨著時間推移而變化的反應器內微生物的濃度，通過測定乾燥菌體量和活細菌總量，表示在圖7中。如圖7所示，菌體濃度在連續運轉第5天為止一直增加，並在MLSS濃度活性化到3000ppm程度之後以5～20kg/L水平進行汙泥的取出。以7～8小時的平均數學保留時間將廢水處理量維持50m3/天。流入的原廢水的pH是12～13，並在pH調節池中將pH預先調節至9.5～10.5後使之流入，而流出的廢水的pH是7.0。TMAH的處理效率從連續運轉開始3天之後開始被處理90％以上，而連續運轉15天之後發酵槽內的MLSS維持3000～15000ppm，此外在膜分離工序中的膜間壓力差(TMP)是大約0.7巴(bar)。表5表示了連續運轉時的更詳細的運轉條件。
表5
如圖5所示，廢水處理中的發酵槽內的菌株濃度不太受TMAH的流入的影響而能夠穩定地維持，並且在連續運轉3個月以上時也沒有大的變化而穩定維持，且其處理率也相對於TMAH原廢水上昇平均90％。
(發明的效果)根據本發明，能夠提供可分解在半導體製造工序中對矽表面進行蝕刻時主要使用的具有難分解性及毒性的氫氧化四甲基銨的新型菌株、以及利用該菌株的含有TMAH廢水的處理方法。
根據本發明的廢水處理方法，能夠提供採用可將難分解性的TMAH作為唯一碳源使用的微生物和維持高濃度微生物濃度的MBR方式而將TMAH的處理效率最大化的環境友好型水處理方法。
此外，設備費用和維持費用少，空間效率很高，而且由於單獨處理生物毒性強的TMAH，因而不影響其他水處理工序。此外，由於具有不太受流入水內的TMAH濃度的影響且不需要2次處理以及汙泥產生量少等優點，因此有望作為環境友好型廢水處理方法在產業現場廣泛使用。
110因必歐奈特公司120可分解氫氧化四甲基銨的新型菌株以及利用所述菌株的廢水處理方法1601170KopatentIn 1.712101211349212DNA213不動桿菌屬(Acinetobacter sp.)4001gaccttgcgc taatagatga gcctaagtcg gattagctag ttggtggggt aaaggcctac60caaggcgacg atctgtagcg ggtctgagag gatgatccgc cacactggga ctgagacacg120gcccagactc ctacgggagg cagcagtggg gaatattgga caatgggggg aaccctgatc180cagccatgcc gcgtgtgtga agaaggcctt ttggttgtaa agcactttaa gtggggagga240ggctctcttg gttaatacct aagaagagtg gacgttaccc acagaataag caccggctaa300ctctgtgcca gcagccgcgg taatacagag ggtgcgagcg ttaatcgga349
權利要求
1.一種含有TMAH的廢水的生物處理方法，其是含有TMAH的廢水的處理方法，其中採用MBR方式。
2.如權利要求1所述的含有TMAH的廢水的生物處理方法，其中，所述廢水處理方法利用不動桿菌屬IBN-H6(Acinetobacter sp.IBN-H6；KCTC 10809BP)菌株。
3.如權利要求2所述的含有TMAH的廢水的生物處理方法，其中，還追加有Kluvermyces delphenisis IBN-H1(KCTC 0834BP)、蠟狀芽孢桿菌IBN-H4(Bacillus cereus IBN-H4；KCTC 0835BP)、不動桿菌屬IBN-H7(Acinetobacter sp.IBN-H7；KCTC 0836BP)菌株中的一個以上菌株。
4.如權利要求1所述的廢水的生物處理方法，其中，在所述MBR方式的處理方法中使用的膜是陶瓷膜。
5.如權利要求2或者3所述的廢水的生物處理方法，其中，對所述菌株進行固定化。
6.一種菌株，是不動桿菌屬IBN-H6(Acinetobacter sp.IBN-H6；KCTC 10809BP)菌株，其對氫氧化四甲基銨具有耐性，並且可將所述化學物質作為碳源生長。
全文摘要
本發明涉及可分解氫氧化四甲基銨(tetramethylammonium hydroxide，TMAH)的新型菌株以及利用所述菌株的廢水處理方法。更具體地說，本發明涉及能夠對在光電子產業的廢液中大量含有且具有難分解性及毒性的TMAH進行有效分解的新型菌株、以及將所述菌株適用於能維持高的微生物濃度的隔膜生物反應器(membrane bio－reactor；MBR)工序中的廢水處理方法。通過採用本發明的菌株以及廢水處理方法，能夠相對於以往設備使佔地最小化、且設備費用以及維持費用低廉，從而有望作為環境友好型廢水處理方法在產業現場中被廣泛應用。
文檔編號C12N1/20GK1899982SQ20051011877
公開日2007年1月24日 申請日期2005年10月31日 優先權日2005年7月22日
發明者廉燾榮, 丁相允, 梁在均, 具本琸 申請人:因必歐奈特公司