處理廢汙水和/或廢汙泥的方法
2023-06-07 03:52:51
專利名稱：處理廢汙水和/或廢汙泥的方法
技術領域：
本發明提供涉及一種廢汙水和/或廢汙泥混合物的處理方法。具體地說，本發明涉及一種利用天然微生物和澱粉衍生物，特別是澱粉衍生物環糊精(Cyclodextrins)來處理和分解廢汙水和/或廢汙泥中的有害化學物質及重金屬的方法。
許多產業製造或應用過程中，產生許多難以處理的汙水和廢汙泥混合物。這些廢水有重金屬離子，造成處理上的困難。環保人員通常必須用昂貴的處理方式如高溫燃燒或固化的方式加以處理，以符合環保要求。一些含聚苯或聚酚類的化學物質，在燃燒過程中可能產生對人體有害的化學物質，如多氯聯苯的燃燒即是一例，需要更進一步的空氣汙染處理。
利用微生物如細菌，蕈藻來分解碳氫化合物的商業實例很多，如水肥的分解處理和食品業的發酵處理等。許多廢汙水中含苯類、酚類、脂類等化合物，其對人體或動物的有害性見諸於各種文獻。然而，這些苯類或酚類的化學物質，事質上是消毒劑或殺菌劑的基本原料，因此，直接將微生物加入到上述的廢水中，廢水中苯類、酚類等物質將會造成微生物的喪失功能及死亡，而無法分解廢汙水中的有害物質。對於一些濃度較高的化學廢水，在用微生物處理前，必須把廢水稀釋百倍或千倍，所含的化學成分才有可能自然分解。這樣必將加大成本。
另外，廢汙水中可能含有重金屬離子如鋅、銅、錫、鉛等或其他相似的重金屬物質。這些金屬離子本身亦具殺菌作用，因此也將會造成微生物的喪失功能及死亡，而無法分解廢汙水中的有害物質。對於含苯酚類和重金屬結合的化合物的廢水，例如電路板的清洗汙水，除了會造成微生物的喪失功能及死亡外，由於其化學結構複雜，難以用燃燒方式處理。因此，在廢汙水和廢汙泥的處理方式上，除了高溫燃燒和固化處理外，仍需要有其他經濟、容易使用且有效的處理方法。
環糊精為澱粉衍生物，具有許多用途。例如，在食品工業，利用環糊精進行果汁保鮮處理(美國專利第4,975,293號)或從事薄荷糖的製造以減少薄荷的揮發；在香水工業，利用環糊精來避免香料揮發。環糊精的這些應用方式皆強調利用環糊精來含蓋或粘合所需要的化學物質。豈今為止，還沒有利用環糊精做為微生物吸收消化並用於廢汙水和/或廢汙泥處理的報導。
發明概述本發明提供一種處理廢汙水或廢汙泥混合物的方法，該廢汙水或廢汙泥混合物中可含有苯酚類化學物質或金屬離子，或苯酚金屬化合物；其包括下列步驟(a)向廢汙水或廢汙泥混合物中加入適量的環糊精，並經過適度的混合攪拌；(b)再加入適當的微生物，經過需要的反應時間，以分解該苯酚化學物質或氧化該金屬物質。
本發明還提供一種清除吸於物體表面的油漬化學物質的方法。
本發明的目的是提供一種分解含有清潔劑或具有殺菌作用的化學廢水的方法。
本發明的另一個目的是提供一種清除物體表面的油漬物質的方法。
本發明的方法可應用於原先微生物無法生存的廢汙水中，分解廢水中的有害化學物質成為有機肥料，這樣可以減少稀釋汙水的需要，以提高作業的經濟效益。該方法可以氧化廢水中的重金屬離子，使重金屬離子能達到類似高溫燃燒的氧化效果，且分解原先和重金屬離子結合的苯酚化學物質。
圖1所示分別為α-、β-、γ-環糊精的結構式。
發明的詳細描述本發明人經過深入的研究發現，利用天然微生物混合液配合澱粉衍生物中的環糊精可以有效地處理廢汙水和/或廢汙泥中的有害化學物質。本發明的處理方法具有經濟、容易使用、有效的特點。本發明正是基於上述發現而完成的。
本發明提供一種處理廢汙水或廢汙泥混合物的方法，該廢汙水或廢汙泥混合物中可含有苯酚類化學物質或金屬離子，或苯酚金屬化合物；其包括下列步驟(a)加入適量的環糊精，並經過適度的混合攪拌和需要的混合時間；
(b)再加入適當的微生物，經過需要的反應時間，以分解該苯酚化學物質或氧化該金屬物質。
根據本發明，所用的環糊精可以為α-、β-、γ-環糊精及其混合物，優選使用β-環糊精。但根據待處理的化學物質本身尺寸的大小，可以使用較大或較小尺寸的環糊精。這些環糊精例如可以從Cerestar USA，Inc.購得。
環糊精是澱粉鏈分子的結合體。常見的環糊精是利用酵素結合6個、7個或8個葡萄糖分子而成的環狀結構，一般亦俗稱α-、β-、γ-環糊精，分子結構式列於圖1。環糊精本身結構穩定，並可抗酸鹼，其中空的環狀結構，使環糊精在應用上產生特殊的物理和化學性質。
環糊精的加入量可以根據廢水中待處理的有害物質的量而定。通常，環糊精的量是有害物質量的1-15倍，優選2-10倍，更優選3-7倍，如5倍。例如，汙水含有20ppm的苯類物質，則在汙水中加入100ppm的環糊精。優選，環糊精的量比有害物質的量過量，以增加環糊精和有害物質如苯類的粘合機會。根據廢水處理的實際要求，例如根據一定的廢水排放標準，也可使用比有害物質量少的環糊精。
根據本發明，在將環糊精加入待處理的廢汙水或油汙泥水之後，加以不斷地適度攪拌，這樣環糊精有機會藉由流體的流動和待處理液中的苯酚化學分子，長鏈碳氫化合物，苯酚金屬化合物等有害物質接觸。攪拌的速度並不需要非常嚴格，只要能讓環糊精有機會與有害物質如苯酚類物質粘合。攪拌可以是連續性或間斷性的，但不需要特別的快速攪拌。攪拌的方式可由機械攪拌機來攪拌，或利用循環幫助保持廢水流體的來回循環。
當環糊精和這些化學分子相接觸時，經由分子間的相互吸引力，將會產生粘合作用。由於環糊精的中空結構尺寸大小適合苯酚類分子的結構大小，有甚高的機率，這些化學分子被套於環糊精的中空結構中。當這些化學分子被外圍的環糊精分子包圍時，原先苯酚類的化學性質亦無從顯現於廢水中，整個粘合的分子成為中性穩定物質。經過環糊精的作用標示廢水中的特殊化學物質如多氯聯苯，多酚類的化學分子，從而使其容易被有效地分解。
對於一些聚苯類的長鏈分子，由於分子本身結構較大，無法套在環糊精中。但由於分子間的相互吸引力，可能有兩個或更多的環糊精附著於長鏈分子上。數個環糊精附著於長鏈聚苯分子可有許多不同幾何空間組合，依環糊精所著於長鏈聚苯分子組合空間的排列而定，長鏈聚苯分子可能會或不會顯現其原來的化學性質。至於廢水中含的重金屬，特別是苯酚類金屬化合物，亦經由環糊精的附著能力，附著於環糊精的內部或外面側部，以整個巨觀統計的觀點來看，整個液體中的有害化學性質經由環糊精的作用而減少甚多，而且環糊精在流體中有標示作用，讓微生物容易找尋要分解處理的目標。也就是說，環糊精可安定廢汙水中的有害化學物質，並具有標示作用，可改變原先微生物無法生存或繁殖的廢汙水生態環境。
環糊精與廢水的攪拌混合的時間也不是非常嚴格，這和攪拌的速度、汙水量、加入的環糊精的量等有關，只要環糊精與待處理的物質能基本上粘合即可。例如，對於500或1000毫升的實驗室量杯，攪拌2-15分鐘如5-10分鐘即可，而對於大型作業，攪拌時間會拉長，如15-30分鐘，或更長如45-60分鐘。
上述步驟(a)的反應溫度可以是通常進行廢水處理的溫度，如在廢水環境溫度下，例如0-85℃，優選5-70℃，更優選10-60℃。
加入環糊精的廢水經過適當混合攪拌，徐徐加入適量的微生物。
根據本發明，所使用的微生物可以是任何有能力分解環糊精的微生物。因為環糊精是由澱粉製備的，而澱粉本身是葡萄糖的組合，因此，有能力分解環糊精的微生物很多。這些微生物可包括喜氣菌、兼氣菌、厭氣菌和一些天然蕈藻類。在本發明的方法中，優選採用的主要的菌種可有芽孢桿菌(Bacillus)，假單胞菌(Pseudomonas)，固氮螺旋菌(Azospirillus)，根瘤菌(Rhizodium)，固氮桿菌(Azotobacter)，土壤傳播藍細菌(SoilborneCyanobacteria)等，各單一的菌種均可商購得到。各別單一的微生物菌種無法提供完整的廢水處理，因此優選使用二種或多種微生物的混合物，其比例也並沒有特別的要求。選擇微生物的首要條件是微生物中不含使人生病的病菌，且微生物濃縮液中混合的菌種，須能保持微生物彼此間的生態平衡。微生物濃縮液優選以天然微生物為主。本發明所用的微生物混合物例如可從Advanced Concept Thermal System，Inc.U.S.A.以商品名Super Max購得。若微生物混合物不易購得，可以將各種微生物先單獨在葡萄糖營養液中培育繁殖，然後將數種微生物大致平均混合在一起即可。
本發明中，微生物加入量可以根據需要而改變，這取決於例如微生物的種類、廢水和環糊精的量、所希望的處理速度等。微生物的量為每毫升廢水含有幾千或幾萬隻微生物，例如1萬到50萬隻，優選5-30萬隻。微生物的量並不是嚴格，例如加入營養物質後，可加快微生物的繁殖，因此可以加入少量的微生物，或者若需要快速處理廢水，則需要加入較多的微生物優選加入微生物後，經過適當的攪拌讓微生物與廢水充分地混合。
同樣地，本發明的廢水與微生物混合物的反應時間可以根據需要而改變，這取決於例如微生物的種類、廢水和環糊精的量、所希望的處理速度和所需要達到的處理效果等。反應時間可從幾小時到幾個月，例如從5小時至30天，優選10小時到兩周，如二天或三天。
當這些微生物加入廢水後，微生物脫離休眠狀態而開始活動。此時微生物開始繁殖，吃食消化廢汙水中的游離碳氫化合物。
根據本發明，有時為加速微生物的繁殖量，可在廢汙水中加入適量的肥料(氮、磷、鉀)或糖、澱粉等營養物質。這些營養物質不但可加速微生物繁殖量，且容易和原先廢汙水中的環糊精混合分子粘合，使微生物容易找尋環糊精，增加對要分解處理分子的標示作用並加速微生物分解廢水中有害物質的時效。這些營養物質的加入時間可以在加入環糊精或微生物之前。過程中或之後加入。優選在加入環糊精後加入微生物前加入。
微生物在繁殖過程中，逐漸適應廢汙水中的生態環境，並開始分解環糊精和其所附著的化學物質。微生物和廢水中的有害化學物質反應是多方面且複雜的，並不是簡單的單一步驟，對於被環糊精套住或粘住的碳氫化合物，整體分子結構的四周被微生物所包圍，各別微生物對此特定的化學物質釋出特定的酵素互相爭食消化此特定的化學物質。當數種或數十種酵素的結合力量來分解環糊精及其附著的化學物質，原先的化學物質被轉化成其它較適合微生物分解的碳氫化合物中間副產品，原先釋出的酵素把處理有害化學物質的能力傳給新生代的微生物，新生代的微生物結合原先釋出的特定酵素在分解化學物質過程中，又把如何更有效分解化學物質的能力更新在新的酵素裡。這樣一代傳一代，逐漸地使微生物適應如何分解待處理的化學物質。
至於在處理過程中的碳氫化合物中間副產品，則由其他微生物加以進一步分解，分解成數小段的碳氫化合物，經過多層次的消化分解，最後成為有機肥，蛋白質、水、和二氧化碳、各種微生物在處理廢水的生態中，互相支援但也互相平衡。使用環糊精於有害化學物質的廢汙水和廢汙泥中，基本上提供一個可讓微生物喘息生存的環境，使微生物在廢汙水中，有機會逐步演變和適應，分解廢汙水中的有害物質。當微生物顯現對某項特定化學物質有分解能力時，微生物將對相類似的特定化學物質展現分解能力。
上述步驟(b)的反應溫度可以是通常進行廢水處理的溫度，如在環境溫度下進行，例如0-45℃，優選5-40℃，更優選10-30℃。
本發明所提供的處理方法，另一項重要特徵是可同時處理廢水中的重金屬離子。重金屬離子本身並非微生物可直接消化分解的食物，但由於環糊精和金屬離子的粘合，或是環糊精和苯酚類金屬化合物的粘合，微生物在嘗試消化此粘合分子時，釋放出特定的酵素。酵素幫助微生物把重金屬離子和環糊精中提供的氧粒子結合。特定的酵素成為催化媒介，透過催化作用把較高位能的重金屬離子轉變成較低位能的氧化金屬。經微生物氧化生成的金屬氧化物，一般多成為固相，猶如燃燒生成的金屬氧化物，化學性質安定，因比重較水高，較容易沉澱於水池底，可用重力沉澱分離，過濾或離心方式分離，分離的氧化金屬，可回收再生利用。這獨特的生化反應中，實際含兩種主要的處理效果，其一是微生物將苯酚等有害化學物質進行分解反應；其二是重金屬離子藉由環糊精的氧粒子和微生物酵素達到氧化安定作用。這種在常溫下氧化重金屬離子及分解苯酚類化學物質的處理方式，可適用於一些電路板製程中的廢水，廢棄潤滑油溶液，和油汙泥的處理。
根據本發明，處理過的廢汙水含有微生物及其產生的酵素，在該處理過的廢汙水中，再加入混合有環糊精的待處理廢水，以加速待處理廢水中化學物質的分解時效。
適於本發明的廢水或廢汙泥可以是多種多樣的，如電路板製造過程中的廢水，廢棄潤滑油溶液，有機合成化工廠排出的廢水，特別是含有苯酚類化學質或金屬離子或苯酚金屬化合物的那些廢水。
根據本發明的另一方面，提供一種清除吸附於物體表面的油漬化學物質的方法，其包含(a)利用環糊精和/或澱粉衍生物的混合粉料清除吸附物體表面的油漬化學物質；
(b)將清除後收集的混合粉料加水混合攪拌；(c)經過一段時間，加入適當的微生物以分解油漬化學物質。
本發明所提供的處理方法，可運用的範圍廣泛。一些化學油性的聚苯和聚酚物質，容易粘附於其他接觸到的物體表面，不容易用化學溶劑清洗，常造成清除這些有害物質的困擾。如多氯聯苯容易粘附於塑膠桶或橡膠的表面，即是一例。利用環糊精或其與澱粉衍生物的混合物料，可用來清除物體表面的油漬，將油性化學物質粘附於環糊精和澱粉衍生物的混合粉中，然後在將收集的混合粉料放在容器內加水，並經過適當的攪拌後，讓環糊精有機會粘合油性化學物質。然後加入適當的微生物混合液，原先苯酚類化學物質逐漸分解成為有機物質。這種清除油漬的應用，可使用純的環糊精，只是考慮到經濟成本時，環糊精和澱粉衍生物的混合物料在實際操作上較為經濟。此運用方式可用於河岸海灘油汙的清除作業。
根據本發明的另一實施方案，提供一種處理廢汙水的方法，該廢汙水中可含苯酚類化學物質，或苯酚金屬化合物，其包括下列步驟(a)廢汙水流經濾水器，而利用環糊精做為濾材成份的一部分，使環糊精吸附廢汙水中的苯酚類化學物質，或苯酚金屬化合物。
(b)將使用後的濾材，另置於汙水容器中，加入適當的微生物，以分解所含的物質。
對於大型的廢汙水廠處理作業，可先將廢汙水經過適當的酸鹼中和及初步沉澱處理。然後使廢汙水流過濾水器後，再流放到後續的汙水處理池做進一步汙水處理作業。這濾水器的濾材可由環糊精、澱粉衍生物、木炭、砂石分層組合而成。原廢汙水內所含的苯酚有害化學物質，在流經濾水器時，即被濾蕊中的環糊精吸附和捕捉。當濾水器的濾蕊接近飽和時，可更換濾材以便繼續吸附苯酚類化學物質。使用過的濾材，可另置於汙水容器中，然後加微生物於其中，讓微生物分解被吸附的化學物質。至於經由濾水器流放出來的廢汙水，仍含少許不被吸附的有害苯酚化學物質和些流失的環糊精，在排放至後續的汙水處理池後，可在汙水處理池內添加微生物，其作業方式如本發明前面所述。使用環糊精為濾材及微生物添加於廢汙水的作業方式，可減輕汙水處理池的作業負荷，並可增加大型廢汙水處理廠的作業容量。
當廢汙水清除和處理作業完畢後，原先有害化學物質在廢水中含量已降至微量，而廢水中可供微生物利用的食料已大量減少，造成微生物的繁殖量縮減，恢復水中微生物的生態平衡。依被處理的化學物質而定，剩餘的液體可排放至當地的廢水處理廠，或經適當的處理，如雜質過濾後，成為農業可利用的有機物質。
下面用實施例對本發明進行進一步的說明。實施例1100毫升(ml)的水中，含0.3％重量的下列苯酚混合液，苯酚的混合液含有苯甲酸(Benzoic Acid)， 1-硝基-苯酚(1-Nitro-phenol)，氨基苯酚(Amino-phenol)，2-苄基-苯酚(2-benzyl-phenol)和2-氨基-5-氯-苯酚(2-amino-5-chloro-phenol)。此混合液基本上有防腐殺菌的功效，使用時用水稀釋500倍，可達到防腐效果。在此溶液中加約10公克的環糊精(購自Cerestar USA，Inc.，混合攪拌約30分鐘，然後加微生物濃縮液10毫升(Supermax，購自Advanced Concept Thermal System，Inc.，USA)，每一毫升的濃縮液中含超過1百萬隻微生物。微生物在7天左右即完全分解水中的苯酚化學物質。
實施例21000毫升的汙水其中含總共500ppm硝基酚和苯甲酸，加入2000ppm的環糊精，經過10分鐘的攪拌，再加入混合微生物200毫升，然後加以曝氣，一星期後，再添加1000ppm的環糊精及200毫升的混合微生物(SuperMax，購自Advanced Concent Thermal System，Inc.，USA)，然後曝露於空氣。微生物在總共2星期的時間內，分解水中含化學物質至微量。
實施例3將苯甲酸銅及水混合，然後加熱，使苯甲銅溶於水中，原來水的體積為1000毫升，而溶解的苯甲酸銅濃度為20ppm。加100ppm量的環糊精及3公克的氮、磷、鉀化學肥料。然後添加微生物混合液200ml(SuperMax，購自Advanced Concent Thermal System，Inc.，USA)，給予密集連續曝氣，三天後，苯甲酸銅的含量較至微量，而原先水中的銅離子，以氧化銅方式沉澱於容器底部。
實施例4原清潔劑廢水1000ml內含約10ppm的苯甲酸，COD(化學需氧量)值約1850。首先，先在原廢水中加入20ppm的環糊精，加以適度的攪拌以粘合廢水中的苯甲酸，然後加入200ml的微生物混合物(SuperMax，購自Advanced Concent Thermal System，Inc.，USA)，並加以曝氣，在經過21小時後，微生物在原清潔劑廢水內大量繁殖，並將原廢水COD值降至48。
以上用實施例對本發明進行了描述。但本發明提供的處理方法，在實際操作上可依廢汙水中有害的物質的含量，相對地彈性運用或重複使用。對於本領域的普通技術人員來說，在閱讀本說明書以後可以做些改變，這些均應在本發明的範圍內。
權利要求
1.一種處理廢汙水或廢汙泥混合物的方法，該廢汙水或廢汙泥混合物中含有待處理物質苯酚類化學物質、金屬離子或苯酚金屬化合物；該方法包括下列步驟(a)向廢汙水或廢汙泥混合物中加入待處理物質重量的1-15倍的環糊精；(b)向步驟(a)得到的混合物中再加入微生物，以分解該苯酚化學物質或氧化該金屬物質。
2.如權利要求1的方法，其中環糊精可包括α-、β-、γ-環糊精及其混合物。
3.如權利要求2的方法，其中環糊精的量為廢水中待處理的物質的重量的2-10倍，更優選3-7倍。
4.如權利要求1的方法，其中微生物可包括喜氣菌，兼氣菌，厭氣菌和一些天然蕈藻類及其混合物，優選為芽孢桿菌，假單胞菌，固氮螺旋菌，根瘤菌，固氮桿菌，土壤傳播藍細菌及其混合物。
5.如權利要求1的方法，其中還可以加入營養成分如肥料氮、磷、鉀，糖和澱粉以增加微生物的繁殖量和增加分解廢汙水中待處理物質的效率。
6.如權利要求1的方法，其中處理過的廢汙水含有微生物及其產生的酵素，在該處理過的廢汙水中，再加入混合有環糊精的待處理廢水，以加速待處理廢水中化學物質的分解時效。
7.一種清除吸附於物體表面的油漬化學物質的方法，其包含(a)利用環糊精和澱粉衍生物的混合粉料清除吸附物體表面的油漬化學物質；(b)將清除後收集的混合粉料加水混合攪拌；(c)向步驟(b)得到的混合物中加入微生物以分解油漬化學物質。
8.如權利要求7的方法，其中的環糊精可包括α-、β-、γ-環糊精，其中微生物可包括喜氣菌，兼氣菌，厭氣菌和一些天然的蕈藻類。
9.如權利要求8的方法，其中吸附於物體表面的油漬化學物質，包括粘附於塑膠桶或橡膠表面的多氯聯苯等油性的聚苯或聚酚物質。
10.一種處理廢汙水的方法，該廢汙水中可含苯酚類化學物質，或苯酚金屬化合物，其包括下列步驟(a)廢汙水流經環糊精做為至少一部分濾材成份的濾水器，使環糊精吸附廢汙水中的苯酚類化學物質或苯酚金屬化合物；(b)將使用後的濾材，加入微生物，以分解所吸附的物質。
11.如權利要求10的方法，其中的環糊精可包括α-、β-、γ-環糊精及其混合物，使用的微生物可包括喜氣菌、兼氣菌、厭氣菌和一些天然的蕈藻類。
全文摘要
一種處理廢汙水或廢汙泥混合物的方法,用來分解廢汙水中的有害化學物質及重金屬處理。此處理方法是利用環糊精和天然的微生物混合液來實行廢汙水處理。環糊精用以安定廢汙水中的有害化學物質和標誌作用,而微生物吸收分解消化環糊精及其粘合的化學分子,並在此生化反應同時,氧化環糊精所粘附的金屬離子。原先廢汙水的有害化學物質經由環糊精和微生物處理方法成為有機物質,而氧化過的金屬物經過適當的分離處理,可另外回收再利用。
文檔編號C02F11/02GK1273946SQ9910663
公開日2000年11月22日 申請日期1999年5月17日 優先權日1999年5月17日
發明者吳正新, 陳秋茶 申請人:吳正新, 陳秋茶