使用α-淀粉酶处理增强污泥脱水能力的方法

专利名称：：使用α-淀粉酶处理增强污泥脱水能力的方法
技术领域：
：本发明涉及增强由常规废水处理操作产生的残余物(即污泥)的脱水能力(dewaterability)的方法。
背景技术：
：在常规废水处理期间产生的污泥在通过焚化、土地利用(landapplication)、填埋、堆肥等处理之前通常对其进行脱水(即浓缩)。基本脱水方案涉及通过添加调节剂(例如硫酸铁)和/或絮凝剂(例如聚电解质)形成强力、抗剪切(shear-resistant)污泥絮凝物，其后是通过带式比重沉降槽(gravitybeltthickeners)、带式压滤机(beltfilterpresses)或离心机的机械固/液分离。通过将污泥脱水，废水处理设备(WWTP)将最终必需处理掉的污泥每体积单位的固体量(即泥饼固体(cakesolids))提高。较高泥饼固体的益处包括降低脱水污泥体积(将由设备"处理"的污泥较少)；较低的年度运输成本(将污泥海运至填埋地或土地利用地点)；在污泥能够被焚化之前水的蒸发较少(在将焚化用于废热发电(cogeneration)目的时使污泥的净能值增加)；给消化器(digester)更浓缩的进料；和减少将被填埋或土地利用的污泥体积。污泥的一般性组成通常是大约90-99%水，剩下的部分是带有真实细胞群(即细菌细胞)的总固体，所述细胞群占总固体的大约10%。剩下90%的总固体由胞外聚合物(EPS)组成，其形成水合基质，细菌细胞分散在所述水合基质中。与用于产生污泥的方法无关，污泥脱水能力^[艮大程度上与整体污泥中的EPS部分有关。EPS由细胞溶解后的碎片(例如核酸、脂质/磷脂、蛋白质等)、活性分泌的胞外产物(例如多糖和蛋白质)、胞外产物、EPS结合的酶活性(例如多糖)、从废水吸收的材料(例如腐殖质、多价阳离子)组成。由于EPS这种复杂的性质和多糖及蛋白质突出的存在，传统上按糖和蛋白质的比例(EPS糖:蛋白质)来表征EPS。虽然一次污泥(primarysludge)之间的EPS糖:蛋白质可以因为WWTP的多种搡作参数而有所不同，但是二次污泥中的EPS组合物在某种程度上更具消化特异性厌氧消化的污泥EPS糖:蛋^趋向于小于1，而有氧消化的污泥EPS^^^则大于1。在任何情况下，认为这些主要成分在污泥絮凝物中是关键的可水合物质，其有效地结合水并且抵抗脱水。认为破坏污泥絮凝物的水结合能力和/或机械完整性的方法在聚合絮凝之后将整体污泥的脱水能力增加。这些方法大多集中于破坏EPS成分和改进脱水能力的新化学(例如酸预处理、多价阳离子调节剂)和方法(高温预处理、放电、声处理)的能力。已有的许多论文描述了将酶用于EPS内的选择性水解以减少污泥体积，获得了各种结果。参见DE10249081、US2003014125、WO9110723和DE3713739。发明简述本发明涉及用于增强污泥脱水能力的方法，包括用包含a-淀粉酶的酶组合物处理污泥。在优选的实施方式中，本发明涉及用于增强污泥脱水能力的方法，包括用包含嗜热脂肪土芽孢杆菌(Geo6ac/〃wsWeflraAemwp/zz'/z^)a-淀粉酶的酶组合物处理污泥。而在另一个实施方式中，处理包含酶组合物，所述酶组合物包含a-淀粉酶和至少一种额外的酶，如蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶、半纤维素酶、氧化还原酶、漆酶、糖基水解酶和/或酯酶。优选在污泥调理(即，在凝固和/或絮凝之前)和机械脱水之前添加酶处理。附图简述图1显示脱水泥饼固体作为增加的嗜热脂肪土芽孢杆菌a-淀粉酶预处理水平的函数。图2显示每单位时间产生的脱水泥饼体积作为嗜热脂肪土芽孢杆菌a-淀粉酶剂量的函数。图3显示脱水泥饼固体作为酶预处理的函数。图4显示脱水泥饼体积作为酶预处理的函数。图5显示脱水泥饼固体作为酶预处理的函数。5图6显示脱水泥饼体积作为酶预处理的函数。图7显示脱水泥饼固体作为酶预处理的函数。发明详述本发明涉及促进和/或改进污泥脱水过程的酶方法，所述污泥如常规废水处理期间产生的污泥。处理工业和市政废水的多种方法通常产生污泥作为正常操作的副产品。对废水处理工业产生的污泥的分类不仅根据废水的来源(即市政的或工业的)，而且还根据废水处理过程中的具体阶段。在最广泛的分类中，认为污泥有一次(primary)、二次(secondary)或三次(tertiary)之分。通常将一次污泥认为是"原始未加工的"，因为它们通常在原料废水流经过一次澄清器(primaryclarifiers)沉降固体后产生。在大多数情况下，其后将经澄清的水输送至活性污泥池(activatedsludgebasin;ASB)，其中悬浮的微生物絮凝物将可溶性污染物从水中去除。由于微生物的复制，必需定期将它们从ASB中移除以避免生长过度。它们的移除在从ASB接收流入物的二次澄清器中进行。这种"二次污泥"被认为是"废活性污泥"(WAS)并且在使用生物养分去除(BNR)体系的WWTP中具有相对普遍的存在。为了降低这种二次污泥的体积(并且稳定这种二次污泥)，可以将污泥输送至好氧(环境通气(ambientaeration)或纯氧)或厌氧消化器，所述消化器可以在中温或高温条件下运行。将所得"三次"污泥称为"消化污泥"，并且可以根据消化的特性进一步分类(例如高温好氧消化的污泥)。因此能够看出，在废水处理期间产生无数的污泥类型。然而，能够将它们大致分组为1.一次或原津+污泥；2.二次或废活性污泥；和3.三次、稳定或消化的污泥。无论由哪种方法产生，在通常使用某些生物养分去除方法的废水处理操作期间产生的污泥将包含作为酶水解底物的物质。在大多数情况下，这种物质作为胞外聚合物(EPS)的成分存在，所述胞外聚合物包含了污泥固体中的主要部分。各种污泥之间的EPS组成依赖于多种变量而变化，所述变量包括待处理的废水的性质、-使用的处理方法和处理条件。特定的单糖(例如葡萄糖、甘露糖、半乳糖等)趋向于普遍地存在于污泥EPS中。考虑到这点，尽管污泥的EPS在总体成分上变化显著，但是在污泥组分中存在的糖苷键类型上具有某种程度的相似性。根据本发明，本文描述的a-淀粉酶组合物能够应用于所有与常规废水处理有关的污泥以特异性地改进脱水能力。在优选的方面，将a-淀粉酶组合物应用于处理工业和市政废水期间产生的一次和二次污泥。在另一个优选的实施方式中，将a-淀粉酶组合物应用于来自一次澄清器的一次污泥、废活性污泥、回流活性污泥(returnactivatedsludge)、好氧消化污泥和/或厌氧消化污泥。本发明的目的是促进或改进污泥脱水方法，其包括用a-淀粉酶处理污泥，优选在常规污泥调理和脱水操作之前进行处理。根据本发明增强污泥脱水性的方法包括以下步骤a)产生污泥，如在常规废水处理期间；b)用a-淀粉酶酶组合物处理所述污泥；c)任选地，用凝固和/或絮凝添加剂调理所述污泥；d)用常规设备脱水经a-淀粉酶处理的污泥。除了上述步骤，还可以包括其它任选步骤，例如，在消化/稳定阶^:之前和之后均用酶处理污泥。用于酶处理的优选的a-淀粉酶的实例是源自土芽孢杆菌属(Geobacillus)(先前为芽孢杆菌属(Bacillus))的菌抹(例如源自嗜热脂肪土芽孢杆菌)的那些a-淀粉酶。在本文中使用时，例如用在"源自嗜热脂肪土芽孢杆菌，，中时，"源自"的意思是野生型a-淀粉酶及其变体。这些酶也能够以合成方法制备，如本领域熟知的。在优选的实施方式中，a-淀粉酶源自嗜热脂肪土芽孢杆菌的菌抹。在特别优选的实施方式中，a-淀粉酶是商业a-淀粉酶酶组合物AQUAZYMULTRA(可从NovozymesNorthAmerica,Inc.获得)。优选的a-淀粉酶在PCT申请号WO96/23873和WO99/19467中描述。在另外的优选实施方式中，酶组合物包含a-淀粉酶，所述a-淀粉酶与如SEQIDNO:l中所示的嗜热脂肪土芽孢杆菌a-淀粉酶具有至少50%同一性、至少60%同一性、至少70%同一性、至少75。/。同一性、至少80%同一性、至少85%同一性、至少90%同一性、至少95%同一性、至少96%同一性、至少97%同一性、至少98%同一性或至少99。/o同一性。两个氨基酸序列之间的同一性程度能够通过Clustal方法(Higgins,1989，CABIOS5:151-153)使用LASERGENEMEGALIGN软件(DNASTAR,Inc.,Madison，Wis.)测定，采用同一性表和以下多重比对参数缺口罚分(Gappenalty)为10和缺口长度罚分(Gaplengthpenalty)为10。配对比对(pairwisealignment)参数是K元组(Ktuple)-l、缺口罚分=3、窗口(window"5和对角线(diagonal)-5。将所述a-淀粉酶以有效促进或改进污泥脱水方法的量应用，所述方法包括用a-淀粉酶处理污泥，优选地，在常规污泥调理和脱水操作之前进行处理。合适量的实例包括2-140g蛋白每kg总悬浮固体，2-70g蛋白每kg总悬浮固体，2-35g蛋白每kg总悬浮固体，更优选2-15g蛋白每kg总悬浮固体，2-8g蛋白每kg总悬浮固体，和2-5g蛋白每kg总悬浮固体。可以在适合于污泥处理条件的条件下应用所述a-淀粉酶，例如，温度为5至40°C，pH条件为4至10和处理时间为0.5至30小时，如1分钟至24小时，30分钟至12小时和1小时至2小时。a-淀粉酶处理也可以包含添加一种或多种额外的酶。优选的额外的酶包括蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶、半纤维素酶、氧化还原酶、漆酶、糖基水解酶和/或酯酶。实施例实施例1.嗜热脂肪土芽孢杆菌a-淀粉酶改进工业废活性污泥的脱水能力方法1.将从NovozymesNorthAmerica的活性污泥池获得的400ml废活性污泥(1.4%TS、pH7.2)添加至(6)500ml摇瓶。2.随后向每个摇瓶的内容物根据下表剂量提供配制的嗜热脂肪土芽孢杆菌a-淀粉酶(AQUAZYMULTRA):<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>3.随后在室温使用回转摇床(rotaryshaker)将摇瓶摇动60分钟(确保足够的RPM以保持污泥固体在摇瓶中不形成分离的区域，但也不因过度摇动而过度切割污泥絮凝物)。4.温育之后，对每个摇瓶内包含的污泥进行调理、脱水，并且根据以下方法测定脱水能力的程度a.将摇瓶内容物转移至500ml塑料烧杯。b.在应用之前的至少30分钟制备0.5°/。重量/重量稀释的高分子乳剂(CytecCPAM)，将其添加至污泥以确保剂量为6.5kg聚合物/DT污泥固体。c.使用叶轮(impeller)緩慢地将污泥混合15秒(按经验决定以确保充分的污泥絮凝)。d.絮凝(即，"调理，，)之后，迅速将污泥倾倒至CrownPress(Phipps&Bird,Richmond,Virginia)的重力排液杯(gravitydrainagecup)中并且使其排液60秒(将在此重力排液期间收集的滤液体积认为是"自由排液"滤液)。e.随后将污泥饼转移至CrownPress的下带(lowerbelt)(理想地，作为一单位/污泥小饼(sludgepatty))并且立即根据下表所列压力进行压制<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>f.根据StandardMethodsfortheExaminationofW^terand^^astewater2540B."TotalSolidsDriedat103-105。C，，测定脱水泥饼中的％固体。还测定了从重力排液和压制回收的总滤液内的TSS。g.使用这些值通过质量平衡(考虑到进料中由于添加聚合物带来的额外体积)来确定压制污泥的总体积(假设代表"每单位时间"基准)。图1和2提供的试验结果清楚地表明小剂量的嗜热脂肪土芽孢杆菌a-淀粉酶能够使泥饼固体增加多至0.56%,并且同时使脱水泥饼体积减少3.34%。考虑到NZWAS的总固体百分比是1.4%,向每吨干固体添加0.5kg配制的酶等于向污泥进料中添加7ppm的剂量。这意味着在相对低的酶添加水平能够实现益处。实施例2.增强市政一次污泥的脱水能力方法1.将从地方市政废水处理厂新近获得的400ml—次污泥(3%TSS、pH6.8)等分至(2)500ml摇瓶。2.随后根据下剂量表向摇瓶加样<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>3.根据实施例1中所述方法对全部摇瓶进行温育、调理和脱水。图3和4呈现从地方市政废水处理厂获得的一次污泥通过酶预处理得到的脱水泥饼特征。再一次，在仅仅60分钟的温育之后，嗜热脂肪土芽孢杆菌a-淀粉酶预处理能够改进泥饼固体(1.43。/。增加)并且同时减少脱水污泥的体积(~7,5%减少)。实施例3.增强市政废活性污泥的脱水性方法1.使从地方废水处理厂新近获得的回流活性污泥RAS在静止条件下沉降~60分钟。2.倾析上清，并且测定沉降污泥的TSS。3.将400ml沉降的回流活性污泥(0.77。/。TSS、pH6.5)添加至(6)500ml摇瓶。4.随后根据下表所列剂量向每个摇瓶的内容物添加a-淀粉酶或产麦芽糖a-淀粉酶(a-淀粉酶A:嗜热脂肪土芽孢杆菌a-淀粉酶；a-淀粉酶B:嗜热脂肪土芽孢杆菌变体；a-淀粉酶C:产麦芽糖a-淀粉酶；a-淀粉酶D:可从Novozymes获得的STAINZYME):<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>5.随后根据实施例1中描述的方法对全部摇瓶进行温育、调理和脱水。图5提供直接从脱水泥饼(即泥饼固体)获得的结果，而图6提供从质量平衡计算获得的结果(即每单位时间的泥饼体积)。所述结果清楚地说明通过用1kg嗜热脂肪土芽孢杆菌a-淀粉酶每吨干的污泥固体来预处理浓缩的市政WAS,效果相当显著。泥饼固体增加了多于7%,再考虑到压制物(pressate)内的百分比固体，在最终必须处理的总泥饼体积上产生40%以上的减少。有趣的是，还发现嗜热脂肪土芽孢杆菌a-淀粉酶的变体改进了WAS的脱水能力。然而，嗜热脂肪土芽孢杆菌a-淀粉酶A的活性大约是变体嗜热脂肪土芽孢杆菌a-淀粉酶B的两倍。实施例4.增强纸浆厂和造纸厂废活性污泥的脱水能力方法1.将600g纸浆厂生物污泥(获得自瑞典造纸厂的废水处理操作)置于(3)1000ml烧杯中。2.在搅盘(stirplate)上用搅棒搅拌全部污泥时，根据下表所列剂量向每个烧杯添加嗜热脂肪土芽孢杆菌a-淀粉酶<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>3.搅拌60分钟之后，对500ml的每种污泥用9.71kg的FennopalK594(Kemira,Sweden)每吨干的污泥固体进行调理。4.立即将絮凝的污泥倾入装有带式压滤布部分的漏斗，并且使其自由排液5分钟，在这期间作为排液时间的函数记录滤液重量(通过将滤液收集在置于电子天平上配衡的IL量筒中来完成)。5.在5分钟结束时，收集滤液样品以测定TS0/。。6.将所得污泥饼转移至铝制船型称量皿(aluminumweighboat)并且均质化(用刮刀)以保证相同的湿度。7.将~60g的湿污泥置于咖啡滤器上，并且在设计成模拟带式压滤器的定制设备(custom-builtdevice)内脱水20分钟。8.记录船型称量皿中剩余的絮凝污泥的重量，然后将船型亚置于105°C过夜干燥，其后测定浓缩污泥中的固体。9.压制20分钟之后，将脱水污泥饼从两种设备中去除，并且用于测定可由任一方法获得的泥饼固体的百分比。10.为了计算在定制的带式压滤模拟器中压制的60g湿污泥中固体总量上的差异(在单独的浓缩阶段中水去除程度不同的结果)，从每种单独压制的污泥样品计算的泥饼固体乘以在其浓缩期间获得的百分比固体，随后将乘积除以由试验中全部样品获得的浓缩固体平均值。通过带式压滤模拟进行机械脱水之后，用每吨干的总污泥物体6.971g嗜热脂肪土芽孢杆菌a-淀粉酶预处理污泥使泥饼固体比未处理的对照改进了7个百分点。当酶剂量加倍时，改进稍低(可能由于污泥絮凝物的过量水解导致机械完整性的损失和破碎(fragmentation))。1权利要求1.用于增强污泥脱水能力的方法，其包括在机械脱水设备之前，向污泥添加α-淀粉酶。2.权利要求1的方法，其中所述a-淀粉酶源自嗜热脂肪土芽孢杆菌的菌抹。3.根据权利要求1的方法，其中所述a-淀粉酶与SEQIDNO:1中所示a-淀粉酶具有至少80%同一性，如使用LASERGENEMEGALIGNtm軟件(DNASTAR,Inc.,Madison,Wis.)采用Clustal方法(Higgins,1989,CABIOS5:151-153)用同一性表和以下多重比对参数所测定的缺口罚分为IO和缺口长度罚分为10;配对比对参数是K元组-1、缺口罚分=3、窗口=5和对角线=5。4.根据权利要求1的方法，其中所述a-淀粉酶与嗜热脂肪土芽孢杆菌a-淀粉酶具有至少80%同一性，如使用LASERGENETMMEGALIGNtm軟件(DNASTAR,Inc.,Madison，Wis.)采用Clustal方法(Higgins,1989，CABIOS5:151-153)用同一性表和以下多重比对参数所测定的缺口罚分为IO和缺口长度罚分为10;配对比对参数是K元组-1、缺口罚分=3、窗口=5和对角线=5。5.根据权利要求1的方法，其中a-淀粉酶的剂量是每吨干的总悬浮固体2至140g。6.根据权利要求1的方法，其中a-淀粉酶的剂量是每吨干的总悬浮固体2至70g。7.根据权利要求1的方法，其中a-淀粉酶的剂量是每吨干的总悬浮固体2至35g。8.根据权利要求1的方法，其中a-淀粉酶的剂量是每吨干的总悬浮固体2至8g。9.根据权利要求1的方法，其中a-淀粉酶的剂量是每吨干的总悬浮固体2至5g。10.根据权利要求1的方法，其中将所迷酶与污泥温育1分钟至24小时。11.根据权利要求1的方法，其中将所述酶与污泥温育30分钟至12小时。12.根据权利要求1的方法，其中将所述酶与污泥温育1小时至2小时。13.根据权利要求1的方法，其中所迷污泥是在常规市政和工业废水处理操作中产生的。14.根据权利要求5的方法，其中所述污泥选自下组来自一次澄清器的一次污泥、废活性污泥、回流活性污泥、厌氧消化污泥和有氧消化污泥。15.根据权利要求2的方法，其中将所述a-淀粉酶与一种或多种蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶、半纤维素酶、氧化还原酶、漆酶、糖基水解酶和/或酯酶组合添力口。16.用于增强污泥脱水能力的方法，包括在机械脱水设备之前向污泥添加a-淀粉酶，其中所述a-淀粉酶源自嗜热脂肪土芽孢杆菌的菌抹或是具有与SEQIDNO:1中所示a-淀粉酶有至少80%同一性的氨基酸序列的a-淀粉酶。17.根据权利要求16的方法，其中所述a-淀粉酶源自嗜热脂肪土芽孢杆菌的菌抹。18.根据权利要求16的方法，其中所述a-淀粉酶是具有下述氨基酸序列的a-淀粉酶所述氨基酸序列与SEQIDNO:1中所示a-淀粉酶有至少80%同一性，与SEQIDNO:1中所示a-淀粉酶有至少85%同一性，与SEQIDNO:1中所示a-淀粉酶有至少90%同一性，与SEQIDNO:1中所示a-淀粉酶有至少95%同一性，与SEQIDNO:1中所示a-淀粉酶有至少96%同一性，与SEQIDNO:1中所示a-淀粉酶有至少97%同一性，与SEQIDNO:1中所示a-淀粉酶有至少98。/。同一性，与SEQIDNO:1中所示a-淀粉酶有至少99%同一性。19.根据权利要求16的方法，其中所述a-淀粉酶具有SEQIDNO:1的氨基酸序列。全文摘要本发明涉及通过在常规调理和脱水操作之前向污泥添加α-淀粉酶来增强污泥脱水能力。文档编号A62D3/00GK101495192SQ200680032132公开日2009年7月29日申请日期2006年9月1日优先权日2005年9月2日发明者格雷戈里·德洛齐尔,贾森·霍姆斯申请人:诺维信北美公司