通过用极端嗜盐生物的生物预处理再循环富含碱金属硫酸盐的废水的制作方法

发明领域

本发明涉及水性组合物，其包含至少一种嗜盐微生物菌株的细胞和基于所述水性组合物的总体积，浓度为至少30g/l的碱金属硫酸盐(alkalisulfate)。本发明进一步涉及用于处理包含碱金属硫酸盐的废水的方法，其包括获得或提供包含碱金属硫酸盐的废水，使所述废水与至少一种嗜盐微生物菌株的细胞接触，且由此生成包含浓度为至少30g/l的碱金属硫酸盐的水性组合物，和在允许处理废水的条件下孵育所述水性组合物。

发明背景

在许多钠化合物与硫酸或与二氧化硫和氧气的反应中产生硫酸钠的溶液。这些溶液以及其他碱金属硫酸盐(诸如硫酸钾或硫酸锂)的溶液必须进行处理，以防止水污染。

富含硫酸盐的废水的处理包括物理-化学方法(诸如硫酸盐的萃取或沉淀)或生物处理(诸如使用还原硫酸盐的细菌)。然而，这些方法是复杂的，部分需要强烈稀释，并且使用大量的能量和/或化学品。常规处理的目标是将硫酸盐转化为生态危害较小的组分并释放至环境中。

对于常规的生物处理，硫酸盐被还原硫酸盐的细菌降解以形成硫化物。废水中的有机杂质用常规的产甲烷细菌降解。然而，这种方法产生硫化物，其显示明显抑制常规生物的活性并导致不令人满意的cod(化学需氧量)除去性能。因此，可能需要进一步的纯化步骤，诸如剥离(stripping)，以减少硫化物含量(yamaguchi等人,1999)。

到目前为止，常规的生物处理仅允许处理浓度最高达每升5g硫酸钠的废水(参见vallero等人,2005,yamaguchi等人1999,或saritpongteeraka,等人2008)。原则上，废水中更高浓度的硫酸钠抑制生物活性。为了允许生物处理富含硫酸盐的废水，目前通过物理-化学预处理步骤减少硫酸盐的含量。

例如，us5,346,620公开了一种通过使用有机溶剂萃取硫酸盐来处理富含硫酸钠(>20%(w/v))的废水的方法。在除去硫酸钠后，通过活性污泥生物处理废水，用于除去toc(总有机碳)并减少有机氮。

与上面提及的美国专利相反，本发明的构思是在不经先前处理的情况下生物处理富含硫酸盐的废水(>30g/l)。由于高硫酸盐浓度导致高渗透压，所以使用已知在高渗透环境中蓬勃生长(thriving)的微生物：嗜盐微生物。研究嗜盐微生物的实验通常在高浓度的nacl上进行。本发明的基本想法是使生物在高硫酸钠浓度而不是高nacl浓度下蓬勃生长。已很少研究嗜盐细胞对培养基中阳离子或阴离子的变化的反应。amoozegar等人提出了一个例外，他们在其中用kcl或nano3替代nacl的培养基上培养中等嗜盐细菌盐弧菌属物种(amoozegar等人,2008)。尽管对于kcl，生长受到抑制，但细胞对于nano3显示高细胞密度。然而，对于nano3，脂肪酶产生被高度抑制，表明阴离子/阳离子的交换可以对酶产生具有不可预测的后果。极端嗜盐菌中的渗透物的机制和相互作用尚未完全理解。

文献中很少报道嗜盐微生物在富含硫酸盐的培养基上的生长。amoozegar等人描述了中等盐杆菌属物种菌株ma-2在含有最高达15%(w/v)硫酸钠的培养基中生长(amoozegar等人,2003)。当在高浓度的硫酸钠中生长时，盐杆菌显示在所有样品中明显的生长和淀粉酶的增加产生。然而，来自同一小组的后来出版物显示，当用硫酸钠替代氯化钠时，盐杆菌ma-2的生长受到明显抑制(karbalaei-heidari等人,2009)。用2m硫酸钠，活性产物的形成降至0单位/ml。该实例显示，微生物对高硫酸盐浓度的反应难以预测，并且在高硫酸盐浓度下的嗜盐微生物的代谢活性是不明显的。

膜电解工艺通常用于电解含有氯化钠的溶液，但也可用于将na2so4裂解为硫酸和naoh。因此，原则上，可以通过硫酸钠电解来处理废水。然而，仅当溶液的toc(总有机碳)低于特定阈值时才可能进行膜电解。较高浓度的有机组分充当膜电解室中的混杂因素。

有利地，在作为本发明基础的研究中已经发现，通过嗜盐微生物可以减少具有高浓度的硫酸钠的溶液的总有机碳含量。因此，嗜盐微生物是用于处理具有高浓度硫酸钠的废水的有价值的工具。进一步，嗜盐微生物也可以是处理具有高浓度的其他碱金属硫酸盐、诸如硫酸锂或硫酸钾的废水的工具。在通过嗜盐微生物处理废水之后，即在减少toc含量之后，可以将经处理的废水进一步进行电泳。在富含硫酸钠的废水的情况下，减少废水的硫酸钠含量，并且产生naoh、硫酸、氧气和氢气。

基于本发明的发现，可能再循环具有高碱金属硫酸盐含量的废水流。在第一步中，生物处理富含碱金属硫酸盐的废水，例如富含硫酸钠的废水，用于降解有机污染物。作为结果，减少总有机碳(toc)。在该工艺的第二步中，电化学裂解废水中的碱金属硫酸盐，例如na2so4，例如在富含硫酸钠的废水的情况下，裂解为硫酸和氢氧化钠。在不进行先前的生物处理的情况下，来自工业废水的有机组分将非常快速地引起膜污染。作为结果，功耗将明显增加，并且钠离子的迁移将受到阻碍。高频清洗系统将是必要的。用呈现的两步工艺，可以有利地实现富含硫酸盐的废水的有效再循环。

这种处理的主要优点是将化学组分返回至资源循环而不是被处置。在富含硫酸钠的废水的情况下，从废物流产生化学品naoh、硫酸、氢气和氧气。与确立的处置方法相比，如果应用，废物转化为价值的方法(waste-to-valueapproach)在经济和生态因素的方面将是有益的。本发明帮助实现富含硫酸盐的废水的廉价、快速和有效的再循环工艺。所用生物的嗜极端特征不需要无菌处理。在工艺的成本和可管理性的方面，这是优点。

发明简述

本发明涉及水性组合物，其包含

(a)至少一种嗜盐微生物菌株的细胞，和

(b)碱金属硫酸盐

其中基于所述水性组合物的总体积，所述水性组合物中的碱金属硫酸盐的浓度为至少30g/l。

在本发明的一个实施方案中，所述碱金属硫酸盐是硫酸钠(na2so4)。在本发明的另一个实施方案中，所述碱金属硫酸盐是硫酸锂(li2so4)。在本发明的一个进一步实施方案中，所述碱金属硫酸盐是硫酸钾(k2so4)。

在本发明的一个实施方案中，基于所述水性组合物的总体积，其中所述水性组合物中的碱金属硫酸盐、诸如硫酸钠的浓度为至少50g/l，特别是，其中所述水性组合物中的碱金属硫酸盐的浓度为100g/l至150g/l。

在本发明的一个实施方案中，所述嗜盐微生物是嗜盐古细菌。特别是，所述嗜盐古细菌是属于盐杆菌科的古细菌。

在本发明的组合物的一个特别优选的实施方案中，所述嗜盐古细菌选自地中海富盐菌(haloferaxmediterranei)、富盐菌属物种d1227、沃氏富盐菌(haloferaxvolcanii)、亚历山大富盐菌(haloferaxalexandrines)、haloferaxchudinovii、反硝化富盐菌(haloferaxdenitrificans)、延长富盐菌(haloferaxelongans)、吉氏富盐菌(haloferaxgibbonsii)、拉氏富盐菌(haloferaxlarsenii)、阿利坎特港富盐菌(haloferaxlucentense)、地中海富盐菌(haloferaxmediterranei)、粘着富盐菌(haloferaxmucosum)、普拉霍瓦富盐菌(haloferaxprahovense)和硫泉富盐菌(haloferaxsulfurifontis)。

在另一个优选实施方案中，所述嗜盐古细菌是格氏嗜盐碱杆菌(natronobacteriumgregoryi)。

在本发明的组合物的另一个优选的实施方案中，所述嗜盐微生物是嗜盐细菌，特别是所述嗜盐细菌是属于盐单胞菌属的细菌，优选食有机物盐单胞菌(halomonasorganivorans)、盐单胞菌属物种ma-c、食物盐单胞菌(halomonasalimentaria)、嗜盐盐单胞菌(halomonashalophila)、halomonasmaura、盐盐单胞菌(halomonassalina)、广盐盐单胞菌(halomonaseurihalina)。

在本发明的一个实施方案中，所述水性组合物进一步包含至少一种允许所述嗜盐微生物的生长的化合物，特别是甘油、乙酸盐、葡萄糖、蔗糖、乳酸盐、苹果酸盐、琥珀酸盐或柠檬酸盐。

在本发明的一个实施方案中，所述水性组合物进一步包含至少一种有机污染物，诸如甲酸盐、苯酚或苯胺。

在本发明的水性组合物的一个实施方案中，所述水性组合物具有至少50mg/l的toc含量。

在本发明的水性组合物的一个实施方案中，所述嗜盐微生物在所述水性组合物中生长。

本发明还涉及包含本发明的水性组合物的生物反应器。

本发明进一步涉及用于处理废水的方法，其包括

(a)获得或提供包含碱金属硫酸盐的废水，

(b)使所述废水与至少一种嗜盐微生物菌株的细胞接触，且由此生成根据本发明的水性组合物，和

(c)在允许处理废水的条件下孵育所述水性组合物。

在本发明的方法的一个优选实施方案中，步骤b)中生成的水性组合物包含至少一种有机污染物。

在本发明的方法的一个优选实施方案中，废水的处理包括减少所述废水的总有机含量和/或减少所述废水包含的至少一种有机污染物的量。

在本发明的方法的一个优选实施方案中，所述方法进一步包括以下步骤：从经处理的废水分离细胞以获得经处理的废水的滤液，和对获得的经处理的废水的滤液进行碱金属硫酸盐电解，特别是硫酸钠电解。

最后，本发明涉及至少一种嗜盐微生物菌株的细胞用于减少所述废水的总有机碳含量和/或根据本发明的水性组合物中至少一种有机污染物的量的用途。

发明详述

如上所述，本发明涉及水性组合物，其包含

(a)至少一种嗜盐微生物菌株的细胞，和

(b)碱金属硫酸盐(诸如硫酸钠(na2so4))

其中所述水性组合物中的碱金属硫酸盐的浓度为至少30g/l。

所述碱金属硫酸盐优选为硫酸钠(na2so4)、硫酸锂(li2so4)或硫酸钾(k2so4)。

根据本发明的水性组合物包含至少一种嗜盐微生物菌株的细胞。

在本发明的一个优选实施方案中，所述嗜盐微生物是嗜盐古细菌(古细菌)。优选地，所述嗜盐古细菌是属于盐杆菌纲的嗜盐古细菌。更优选地，所述嗜盐古细菌是属于盐杆菌目的古细菌。甚至更优选地，所述嗜盐古细菌是属于盐杆菌科的古细菌。最优选地，所述嗜盐古细菌是属于富盐菌属的古细菌。

文献中已经描述了几种属于富盐菌属的物种，例如盐沼盐杆菌(halobacteriumsalinarum)、沃氏富盐菌(haloferaxvolcanii)、亚历山大富盐菌(haloferaxalexandrines)、haloferaxchudinovii、反硝化富盐菌(haloferaxdenitrificans)、延长富盐菌(haloferaxelongans)、吉氏富盐菌(haloferaxgibbonsii)、拉氏富盐菌(haloferaxlarsenii)、阿利坎特港富盐菌(haloferaxlucentense)、地中海富盐菌(haloferaxmediterranei)、粘着富盐菌(haloferaxmucosum)、普拉霍瓦富盐菌(haloferaxprahovense)和硫泉富盐菌(haloferaxsulfurifontis)。因此，设想本发明的水性组合物的细胞属于这些物种中的任一种。

具体而言，所述嗜盐古细菌是地中海富盐菌(haloferaxmediterranei)(在本文中简称为“hfx”)。该物种已由rodriguez-valera,f.,juez,g.,kushner,d.j.(1983).halobacteriummediterraneisp.nov.,anewcarbohydrate-utilizingextremehalophile.syst.appl.microbiol.4:369-381描述。该文件在此通过引用以其整体并入。进一步，该菌株已经以dsm编号1411保藏在dsm(德国微生物和细胞培养物保藏中心(deutschesammlungvonmikroorganismenundzellkulturen),braunschweig,德国)中。如何培养该菌株是本领域中众所周知的。例如，合适的培养条件可以例如从该菌株的dsmz数据库进行评价。

在另一个优选的实施方案中，所述嗜盐古细菌是属于嗜盐碱单胞菌属的古细菌。嗜盐碱单胞菌是盐杆菌科的属。优选地，属于嗜盐碱单胞菌属的古细菌是n.moolapensis，更优选地，属于嗜盐碱单胞菌属的古细菌是n.pharaonic(kamekuram,等人(1997).int.j.syst.bacteriol.47(3):853–857)。

在另一个优选的实施方案中，所述嗜盐古细菌是格氏嗜盐碱杆菌(natronobacteriumgregoryi)。该菌株已经以dsm编号3393保藏在dsm(德国微生物和细胞培养物保藏中心(deutschesammlungvonmikroorganismenundzellkulturen),braunschweig,德国)中。

在另一个优选的实施方案中，所述嗜盐微生物是嗜盐细菌。优选地，所述嗜盐细菌是属于γ-变形菌纲的嗜盐细菌。更优选地，所述嗜盐细菌是属于海洋螺菌目的细菌。甚至更优选地，所述嗜盐细菌是属于盐单胞菌科的细菌。最优选地，所述嗜盐细菌是属于盐单胞菌属的细菌。优选的盐单胞菌菌株以及用于菌株生长的优选培养基例如公开于mata,j.a.,martínez-cánovas,j.,quesada,e.,béjar,v.,2002.adetailedphenotypiccharacterisationofthetypestrainsofhalomonasspecies.systematicandappliedmicrobiology25,360–375，其关于其全部公开内容在此通过引用并入。优选地，所述嗜盐细菌是食有机物盐单胞菌(halomonasorganivorans)、盐单胞菌属物种ma-c、食物盐单胞菌(halomonasalimentaria)、嗜盐盐单胞菌(halomonashalophila)、halomonasmaura、盐盐单胞菌(halomonassalina)、广盐盐单胞菌(halomonaseurihalina)。

最优选的盐单胞菌菌株是食有机物盐单胞菌(halomonasorganivorans)和盐单胞菌属物种ma-c。两种菌株均描述于科学文献中。菌株ma-c例如由azachi等人(can.j.microbiol.,vol.41(1995):548-553)和oren等人(biodegradation(1992),3:387-398)(其两者均在此通过引用以其整体并入)描述。菌株ma-c已经作为dsm7328保藏在dsm(德国微生物和细胞培养物保藏中心(deutschesammlungvonmikroorganismenundzellkulturen),braunschweig,德国)中。

优选地，所述嗜盐微生物不是盐杆菌属物种菌株ma-2。因此，本发明的组合物不包含细胞盐杆菌属物种菌株ma-2。

本发明的水性组合物优选为嗜盐微生物的细胞在水溶液中的悬浮液。所述水溶液优选主要由废水构成。如本文其他地方所述，所述废水优选为有机化合物。在实施方案中，所述废水由化学或生物生产工艺产生。优选地，所述水溶液具有如本文其他地方所述的浓度的碱金属硫酸盐。

因此，本发明的组合物可以通过使至少一种嗜盐微生物菌株的细胞与包含如上所指定的浓度(例如，至少30g/l的浓度)的碱金属硫酸盐的废水接触(例如通过使之混合)而获得。此外，可以将允许细胞生长的基质、营养物和痕量元素添加至组合物中。此外，可以(优选在使废水与细胞接触之前)将废水处理至如本文其他地方所述的特定ph。

包含碱金属硫酸盐的废水是本领域中众所周知的，并且可以例如由化学或生物生产工艺产生。例如，包含硫酸钠的废水描述于ullmann'sencyclopediaofindustrialchemistry,2012,vol.33,wiley-vchverlaggmbh&co.kgaa,weinheim,doi:10.1002/14356007.a24_355，特别是参见第389页的表4。优选地，所述废水选自来自粘胶-纤维纺丝浴的废水，来自重铬酸钠生产的废水，来自抗坏血酸生产的废水，来自硼酸生产的废水，来自二氧化氯生产的废水，来自羟胺生产的废水，来自碳酸锂生产的废水，来自硫酸废物中和的废水，来自黄铁矿烧渣的焙烧和氯化的废水以及来自烟道气的脱硫的废水。

本发明的组合物中的嗜盐微生物的细胞的生物质的浓度为优选至少0.1g/l，更优选至少1g/l，且最优选至少2g/l。如本文所用的术语“生物质”意指干燥的生物质。因此，该术语是指嗜盐微生物的细胞的干物质。在一个实施方案中，所述组合物包含约10⁶至约10¹²个菌落形成单位的嗜盐微生物。本发明的组合物包含的细胞应当是活的，即活细胞。可以通过众所周知的方法评价如何评价细胞是否存活。

在本发明的水性组合物的一个优选实施方案中，所述嗜盐微生物在水性组合物中生长。因此，所述嗜盐微生物不仅应当是活的，而且其还应当生长。所述嗜盐微生物的生长允许减少toc含量和/或减少所述组合物包含的有机污染物(诸如苯酚、甲酸盐和/或苯胺)的含量(如本文其他地方所述)。优选地，所述嗜盐微生物以至少0.005h^-1的生长速率μ生长。因此，所述组合物中细胞的倍增时间是139小时或小于139小时，例如在5至139小时的范围内。同样优选地，生长速率μ在0.005-0.3h^-1的范围内，特别是在0.008-0.02h^-1的范围内。因此，本发明的组合物中的细胞的倍增时间优选在2.3至139小时的范围内，特别是在32.5至87小时的范围内。

本发明的组合物优选包含碱金属硫酸盐，诸如硫酸钠，浓度为至少30g/l，更优选浓度为50g/l，且最优选浓度为100g/l。在作为本发明基础的研究中，测试50至400g/l的硫酸钠浓度(参见实施例部分)。对于50至250g/l的浓度观察到测试微生物的生长。对于100至150g/l的硫酸钠浓度，获得最佳结果。因此，组合物中的硫酸钠的浓度优选为50至250g/l，且更优选为100至150g/l。本文给出的浓度优选基于本发明的水性组合物的总体积。

根据本领域，所述嗜盐微生物需要高浓度的nacl用于生长。例如，已经描述了在实施例中测试的菌株地中海富盐菌(haloferaxmediterranei)需要至少60g/l浓度的nacl用于生长。有利地，在作为本发明基础的研究的上下文中已经显示，地中海富盐菌能够在如本文所定义的水性组合物中生长，甚至在组合物中完全不存在nacl的情况下。

因此，在本发明的一个实施方案中，所述组合物不包含nacl，或包含浓度远低于通常生长所需的nacl浓度的nacl。优选地，所述组合物另外包含小于50g/l的氯化钠，更优选小于25g/l的氯化钠，甚至更优选小于10g/l的氯化钠。

而且，已经显示，如果所述组合物包含氯化钠和碱金属硫酸盐两者，则测试的菌株可以生长。因此，除了碱金属硫酸盐以外，特别是除了硫酸钠以外，所述组合物中还可以存在氯化钠。

在本发明的另一个实施方案中，所述组合物可以进一步包含nacl，即除了碱金属硫酸盐(例如硫酸钠)以外还可以包含nacl。优选地，所述组合物另外包含至少50g/lnacl，特别是至少100g/lnacl。

应当调节水性组合物的组合物的ph用于维持至少一种嗜盐微生物的细胞的活力。具体而言，所述组合物的ph应当允许所述嗜盐微生物的生长和/或减少toc含量或有机污染物，如本文其他地方所述。优选地，本发明的组合物的ph值在4至9的范围内，更优选在6.0至8.2的范围内，甚至更优选在6.2至7.6的范围内，最优选在6.8至7.4的范围内。最佳ph值为7.0。为了获得这些值，可以用合适的中和剂中和该组合物。

因为所述嗜盐微生物能够在如上文所述的组合物中生长，所以它是用于减少总有机含量(toc)且因此用于处理富含硫酸盐的废水的有价值的工具。取决于所使用的菌株，同样可以减少废水中的某些有机污染物的量。例如，显示hfx能够减少降解如本文所定义的富含硫酸盐的组合物中的甲酸盐和苯酚。

因此，本发明的组合物可以进一步包含至少一种有机污染物。所述至少一种有机污染物应当被嗜盐微生物的细胞(例如被富盐菌)降解。在一个优选的实施方案中，所述至少一种有机污染物可以是糖、糖醇、有机酸、多糖、蛋白或芳族有机化合物(诸如苯酚或苯胺)。在一个甚至更优选的实施方案中，所述有机污染物选自甲酸盐、苯酚和苯胺。

例如，所述组合物优选包含至少10mg/l的量、更优选至少30mg/l的量且最优选至少100mg/l的量的甲酸盐(优选地，基于所述组合物的总体积)。

例如，所述组合物优选包含至少0.5mg/l的量、更优选至少2mg/l的量且最优选至少5mg/l的量的苯胺(优选地，基于所述组合物的总体积)。

例如，所述组合物优选包含至少1mg/l的量、更优选至少5mg/l的量且最优选至少10mg/l的量的苯酚(优选地，基于所述组合物的总体积)。

本发明的组合物的总有机碳含量(“toc”)优选为至少50mg/l的toc，更优选至少75mg/l的toc，且最优选至少100mg/l的toc。可以通过本领域中众所周知的方法来测量toc。在一个实施方案中，toc值通过高温催化氧化测定。样品中的有机碳通过使用铂催化剂氧化。生成的二氧化碳气体通过非分散红外(ndir)检测器测量。

根据本发明的总有机碳含量不涵盖嗜盐微生物的细胞。因此，toc的测量可能需要将细胞与组合物分离。例如，可以在过滤后获得的组合物的澄清滤液中测量toc。

本发明的组合物优选进一步包含营养物和痕量元素，其允许嗜盐微生物的细胞在组合物中生长。优选地，所述组合物包含至少一种磷源、至少一种氮源、至少一种钾源和至少一种镁源作为营养物。此外，所述组合物可以包含铁、铜、锌、锰和钴作为痕量元素。

营养物和痕量元素的合适浓度可以由技术人员无需进一步费力地确定。例如，本发明的组合物可以包含以下中的一种或多种：

(a)nh4cl，浓度为0.5至3g/l，例如1.5g/l

(b)kh2po4，浓度为0.05至0.5g/l，例如0.15g/l

(c)mgcl2*6h2o，浓度为0.5至3g/l，例如1.3g/l

(d)cacl2*2h2o，浓度为0.1至2g/l，例如0.55g/l

(e)kcl，浓度为0.5至3g/l，例如1.66g/l

(f)mgso4.7h2o，浓度为0.5至3g/l，例如1.15g/l

(g)fecl3，浓度为0.001至0.1g/l，例如0.005g/l

(h)kbr，浓度为0.1至2g/l，例如0.5g/l

(i)mncl2.4h2o，浓度为0.001至0.1g/l，例如0.003g/l。

在本发明的一个优选实施方案中，所述组合物进一步包含基质。所述基质应当允许所述嗜盐微生物的细胞的生长。化合物是否允许微生物生长，可以由技术人员无需进一步费力地评价。优选地，所述基质是碳水化合物，更优选地，所述基质是甘油、有机酸或糖，更优选地，所述基质选自甘油、乙酸盐、葡萄糖、蔗糖、乳酸盐、苹果酸盐、琥珀酸盐和柠檬酸盐。在一个特别优选的实施方案中，所述基质是甘油。

在本发明的组合物的一个实施方案中，所述组合物包含0.5g/l至10g/l,，特别是0.5g/l至5g/l的上述基质，诸如甘油。

营养物、痕量元素和，任选地，基质应当允许所述嗜盐微生物的生长，如本文其他地方所指定。因此，本发明的组合物应当包含足够量(即应当允许生长的量)的营养物、痕量元素和，任选地，基质。

本发明的组合物优选由生物反应器包含。因此，本发明还涉及包含本发明的组合物的生物反应器。术语“生物反应器”是本领域中众所周知的，并且优选地是指其中条件被密切控制以允许减少如本文所提及的至少一种污染物的含量的系统。在一个实施方案中，所述生物反应器是搅拌釜反应器。在一个进一步实施方案中，所述生物反应器是气提反应器。在一个甚至进一步实施方案中，所述生物反应器是鼓泡塔反应器。优选地，所述生物反应器由非腐蚀性材料，诸如不锈钢、硼硅酸盐玻璃或塑料(例如聚砜(psu)、聚醚醚酮(peek)、聚四氟乙烯(ptfe)或聚偏二氟乙烯(pvdf))制成。

上文给出的定义优选地加上必要的变更适用于以下内容。

因此，本发明进一步涉及用于处理包含碱金属硫酸盐的废水的方法，其包括

(a)获得或提供包含碱金属硫酸盐的废水，

(b)使所述废水与至少一种嗜盐微生物菌株的细胞接触，且由此生成本发明的水性组合物，和

(c)在允许处理废水的条件下孵育所述水性组合物。

在一个优选的实施方案中，所述方法进一步包括步骤(d)：使经处理的(经孵育的)水性组合物，即在进行步骤(c)之后获得的废水，进行电解。

如果碱金属硫酸盐是硫酸钠，则可以通过所述电解产生naoh、硫酸、氧气和氢气。

因此，本发明进一步涉及用于产生naoh、硫酸、氧气和氢气的方法，其包括

(a)获得或提供包含硫酸钠的废水，

(b)使所述废水与至少一种嗜盐微生物菌株的细胞接触，且由此生成本发明的水性组合物，和

(c)在允许处理所述废水的条件下孵育所述水性组合物，和

(d)使经孵育的水性组合物进行电解，由此产生naoh、硫酸、氧气和氢气。

在使经处理的废水进行电解之前，可以从经处理的废水分离细胞以获得经处理的废水的滤液。因此，步骤d)可以包括从经处理的废水分离细胞以获得经处理的废水的滤液，并使获得的经处理的废水的滤液进行电解。

术语“废水的处理”优选是指减少废水的总有机碳含量和/或减少特定有机污染物，特别是甲酸盐、苯胺和苯酚。如果实施步骤d)，则该术语优选进一步包括减少碱金属硫酸盐含量，例如废水的硫酸钠含量。如本文所用的术语“减少”应当是指显著减少(toc含量，特定有机污染物的含量和/或硫酸钠的含量)。优选地，该术语表示减少步骤b)中生成的组合物中存在的至少30%、至少50%、至少70%或特别是至少90%或至少95%的toc含量、特定有机污染物的含量和/或硫酸钠的含量。因此，所述含量应当减少至少30%、至少50%、至少70%或特别是至少90%或至少95%。

此处呈现的两步工艺尤其使得富含硫酸钠的废水能够再循环。尽管该工艺的步骤a)至c)具有从废水除去有机杂质的目的，但步骤d)从废水重新获得硫酸和氢氧化钠。在没有先前的生物处理的情况下，来自工业废水的有机组分将非常快速地引起膜污染。作为结果，功耗将明显增加，并且钠离子的迁移将受到阻碍。高频清洗系统将是必要的。因此，可以实现富含硫酸盐的废水的有效再循环。

在前述方法的步骤b)中，使废水与至少一种嗜盐微生物菌株的细胞接触。优选地，通过将细胞与废水混合(例如在生物反应器中)，使细胞与废水接触。

通过使废水与细胞接触，生成如上所定义的本发明的组合物。取决于废水的组成，步骤b)可以进一步包括向该组合物中添加另外的组分。在一个优选的实施方案中，向该组合物中添加基质、营养物和/或痕量元素。

在使废水与细胞接触之后(以及任选地向该组合物中添加足够量的基质、营养物和/或痕量元素之后)，将所得的组合物孵育以允许处理废水，即用于减少toc含量和/或特定有机污染物(诸如甲酸盐和苯酚)的含量。组合物的孵育应当在合适的条件下、即在允许通过如本文所指的所述嗜盐微生物的细胞减少toc含量和/或特定有机污染物的含量的条件下实施。优选地，所述孵育在生物反应器中实施。

术语“在允许处理废水的条件下孵育所述水性组合物”是技术人员众所周知的。通过至少一种嗜盐微生物菌株的细胞的活性来实现本发明的方法的步骤c)中所述的废水的处理。如技术人员将理解，此类细胞需要某些条件才有活性。例如，ph值或温度必须在特定范围内。进一步，可能需要氧气的存在。此外，可能必须存在营养物。合适条件的建立可以由技术人员无需进一步费力地实施。另外，通常评价细胞是否有活性。

优选的ph值和温度在下文给出。

优选地，步骤c)中的孵育在18℃至55℃的温度下、更优选在25℃至45℃的温度下、甚至更优选在30℃至40℃的温度下、最优选在35℃至40℃的温度下实施。最佳温度为37℃。

优选地，步骤c)中的孵育在4.0至9.0的范围内、更优选在6.0至8.2的范围内、甚至更优选在6.2至7.6的范围内、最优选在6.8至7.4的范围内的ph值下实施。最佳ph值为7.2。

取决于待处理的废水的ph值，可以将废水中和。因此，本发明的方法可以进一步包括将废水处理至如上所示的ph值、例如4.0至9.0的范围内的ph值的步骤。该步骤优选在使细胞与水接触之前实施。在一个实施方案中，通过将中和剂添加至废水中，将废水处理至如本文所指定的ph值。

进一步，该工艺应当在有氧条件下实施。优选地，通过将空气或纯化的氧气引入生物反应器来维持有氧条件。

在实施孵育步骤c)之后，可以将获得的废水(即，经处理的废水)处置或进行进一步的步骤。

在本发明的方法的一个实施方案中，从经处理的废水分离细胞以获得经处理的废水的滤液。从废水分离细胞可以通过本领域中众所周知的方法来实现。在一个实施方案中，通过离心来从废水分离细胞。在一个进一步实施方案中，通过倾析来从废水分离细胞。在一个甚至进一步实施方案中，通过沉降来从废水分离细胞。在一个特别优选的实施方案中，通过过滤来从经处理的废水分离细胞。优选地，所述过滤是膜过滤。

在本发明的一个优选实施方案中，所述方法进一步包括浓缩获得的经处理的废水的滤液的步骤。该步骤将增加经处理的废水的碱金属硫酸盐浓度、例如硫酸钠浓度，即硫酸钠在经处理的废水中向上浓缩。

分离步骤和浓缩步骤优选在使经处理的废水进行电解之前实施。

进一步，可以对在本发明的方法的步骤c)中获得的经处理的废水、获得的经处理的废水的滤液或浓缩的滤液进行进一步的纯化步骤。在本发明的方法的一个实施方案中，所述方法进一步包括除去无机组分。所述无机组分优选是培养基组分的痕量元素和/或盐。在对步骤c)中获得的经处理的废水、获得的经处理的废水的滤液或浓缩的滤液进行碱金属硫酸盐电解、例如硫酸钠电解之前，应当实施进一步的纯化步骤。

如何实施碱金属硫酸盐电解是本领域中众所周知的(参见例如：ullmann'sencyclopediaofindustrialchemistry,2012,vol.33,wiley-vchverlaggmbh&co.kgaa,weinheim,p.383-397;doi:10.1002/14356007.a24_355。硫酸钠的电解根据以下总体反应进行：

2na2so4+6h2o→h2so4+4naoh+2h2+o2。

在一个实施方案中，电解室被分成由离子交换膜隔开的两个隔室。在阳极，水被氧化成质子和氧。钠离子在电场的作用下通过离子交换膜迁移至阴极空间。在阴极侧，水被电化学还原为氢氧根离子和氢。作为结果，在阳极空间中形成硫酸和氧，并且在阴极空间中形成氢连同氢氧化钠。

在另一个实施方案中，电解室被分成三个隔室。在该情况下，将滤液或滤液的浓缩物进料至隔室，所述隔室在一侧经由阴离子交换膜连接至阳极空间，且在另一侧经由阳离子交换膜连接至阴极空间。作为结果，可以以更高纯度萃取产物并且萃取至更高浓度。

在另一个实施方案中，所述阴极是氧去极化阴极。在这种情况下，硫酸钠的电解根据以下总体反应进行：

2na2so4+4h2o→h2so4+4naoh。

在图中：

图1.hfx在具有150g/lnacl和x%na2so4的培养基上的生长。600nm处的光密度(od)作为生物质浓度的量度。实验一式三份(烧瓶1-3)进行。对于所有情况都可以观察到生物质的形成。最高达50g/lna2so4的硫酸盐添加对生物质生长具有积极影响。重现性高。

图2：hfx在部分补充有na2so4的具有nacl的培养基上的生长。600nm处的光密度(od)作为生物质浓度的量度。实验一式三份(烧瓶1-3)进行。对于所有情况都可以观察到生物质的形成。最高达75g/lnacl+91.2g/lna2so4的硫酸盐添加对生物质生长具有积极影响。重现性高。

图3.甘油浓度取决于培养基中的盐浓度。在92h培养时间时添加5g/l甘油。甘油的最高降解不是在参考(150g/lnacl+0g/lna2so4)中，而是在含有硫酸钠的摇瓶中。

图4.甲酸盐减少取决于培养基中的盐浓度。浓度的差异参考起始值。可以在所有摇瓶中测量甲酸盐浓度的降低。

图5.苯酚减少取决于培养基中的盐浓度。浓度的差异参考起始值。nacl抑制苯酚浓度的降低。nacl浓度越低，苯酚降解越高。

图6.在50-400g/lna2so4或170g/lnacl(参考)下培养的开始(0小时)和结束(95.5小时)之间的光密度差异。600nm处的光密度(od)用作生物质浓度的量度。δod600被称为起始浓度，以获得以%计的相对值。以双重测定进行实验。硫酸钠在50-250g/lna2so4之间对生物质生长具有积极影响。重现性高。

图7.在0和95.5小时之间的甘油降解取决于盐浓度。δc参考起始浓度，以获得以%计的相对降解。以双重测定进行实验。在含有100-150g/l硫酸钠的摇瓶中的甘油的降解最高。

图8.在98.5和146小时之间的苯酚降解取决于盐浓度。δc参考起始浓度，以获得以%计的相对降解。在含有100g/l硫酸钠的摇瓶中发现最高的苯酚降解。

本说明书中引用的所有参考文献就其全部公开内容和本说明书中具体提及的公开内容而言在此通过引用并入。

本发明将仅通过以下实施例进行举例说明。所述实施例无论如何不应以限制本发明的范围的方式进行解释。

示例性实施方案

实施例1：与氯化钠组合的硫酸钠的耐受性

地中海富盐菌(dsm1411)是一种极端嗜盐古细菌，其对于生长需要最少140g/lnacl。对于170g/lnacl的浓度报道了最佳生长。本实施例中描述的实验应当回答以下问题：

1)hfx可以耐受高浓度的硫酸钠吗

2)当培养基中的氯化钠被硫酸钠部分替代时，hfx可以降解有机组分吗

3)hfx可以降解富含硫酸盐的废水中的组分甘油、苯酚和甲酸盐吗

对于实验的部分1)，将hfx在含有150g/l氯化钠和浓度为0至100g/l的硫酸钠的培养基中培养。在部分2)中，将培养基中的氯化钠用硫酸钠替代。因为na2so4含有两个钠分子，所以每mol的nacl被0.5molna2so4替代。在部分1)和2)中，甘油用作基质。当细胞的代谢降低甘油浓度时，显示成功的toc减少。在部分3)中，将组分苯酚和甲酸盐作为脉冲添加至摇瓶中。hplc分析应当显示在6天的时段内组分的降解。

所有实验的基础培养基都含有以下组分：kcl1.66g/l,nh4cl1.5g/l,kh2po40.15g/l,mgcl2.6h2o1.3g/l,mgso4.7h2o1.1g/l,fecl30.005g/l,cacl2.2h2o0.55g/l,kbr0.5g/l,mn储备物3ml和痕量元素1ml。将ph调节至7.0。痕量元素含有fe、cu、mn、co、zn。根据实验的描述，将氯化钠和硫酸钠添加至培养基中。在培养之前，将500ml烧瓶填充150ml的体积并灭菌。将摇瓶接种30ml不包含任何复杂碳源或氮源或硫酸钠的预培养物。接种物不含任何残余的碳源。细胞在实验室培养箱(infors,switzerland)中以180rpm和37℃生长。实验1和2连同只有培养基且没有细胞的对照实验一式三份进行。

hfx可以耐受高浓度的硫酸钠吗

结果显示，在0至100g/l的硫酸钠浓度下，hfx可以在基质甘油上生长(参见图1)。令人惊讶地，对于用150g/lnacl和50g/lna2so4的实验，od(作为生物质浓度的量度)是最高的。这表明通过添加硫酸盐促进生物的生长。所述结果得到培养基中的甘油的测量值的支持(参见图3)。一式三份的结果显示该实验部分1的高重现性。

当培养基中的氯化钠被硫酸钠部分替代时，hfx可以降解有机组分吗

结果显示，在氯化钠被硫酸钠最高达100%替代的情况下，hfx可以在培养基中生长(参见图2)。令人惊讶地，对于用75g/lnacl和91.2g/lna2so4的实验，od(作为生物质浓度的量度)是最高的，且因此高于用150g/lnacl的参考。这表明通过添加硫酸盐促进生物的生长。所述结果得到培养基中的甘油的测量值的支持(参见图3)。一式三份的结果显示实验部分2的高重现性。

来自甘油测量的结果令人惊讶地显示，hfx可以降解含有硫酸钠、但不含氯化钠的培养基中的有机组分。

hfx可以降解富含硫酸盐的废水中的组分甘油、苯酚和甲酸盐吗

在实验部分1)和2)中显示甘油的降解。对于苯酚和甲酸盐的降解，在接种92h后将那些物质作为脉冲添加至摇瓶中。较早的研究显示，当已经添加第二种基质时，苯酚和甲酸盐的除去是更有效的。由于该原因，脉冲为5g/l甘油+0.1g/l苯酚或5g/l甘油+1.5g/l甲酸钠。来自实验部分3)的结果显示，hfx可以在富含硫酸盐的废水中降解甲酸盐和苯酚两者(参见图4和5)。极端的嗜盐古细菌由此显示甘油和甲酸盐或甘油和苯酚的同时降解。令人惊讶地，可以观察到nacl抑制苯酚的降解。尽管在含有150g/lnacl+xg/lna2so4的培养基中的苯酚浓度可以仅降低很少，但当用na2so4替代nacl时，苯酚显著降解。对于含有182.3g/lna2so4且不含nacl的培养基，令人惊讶地显示苯酚的最高降解(参见图5)。

实施例2：培养基中的硫酸钠浓度的变化

1)地中海富盐菌可以耐受高浓度的50-400g/l硫酸钠而没有任何nacl吗

2)hfx可以降解没有任何nacl的富含硫酸钠的培养基中的有机组分(例如甘油、苯酚)吗

对于实验的部分1)，代替氯化钠，将不同浓度的硫酸钠添加至合成的hfx培养基中。由于在37℃下的最大溶解度为480g/l，因此以50-400g/l的浓度添加硫酸钠。甘油以2g/l的浓度用作碳源。当在培养5天期间细胞的代谢降低甘油浓度时，显示成功的toc减少。

当甘油在96小时时完全降解时，每次双重测定的一个摇瓶用0.1g/l苯酚和2g/l甘油作为第二基质脉冲。第二个摇瓶用2g/l甘油脉冲。hplc分析应当显示在2天的时段内组分的降解。在两个部分中，每24小时使用1mnaoh调节摇瓶中的ph。

所有实验的基础培养基都含有以下组分：kcl1.66g/l,nh4cl1.5g/l,kh2po40.15g/l,mgcl2.6h2o1.3g/l,mgso4.7h2o1.1g/l,fecl30.005g/l,cacl2.2h2o0.55g/l,kbr0.5g/l,mn储备物3ml和痕量元素1ml。将ph调节至7.0。痕量元素含有fe、cu、mn、co、zn。根据实验的描述，将氯化钠和硫酸钠添加至培养基中。在培养之前，将500ml烧瓶填充150ml的体积并灭菌。将每个摇瓶以17的od接种4.5ml预培养物，导致初始od为0.5。预培养不含任何复杂的碳源或氮源。预培养物含有91g/l硫酸钠和75g/l氯化钠，导致摇瓶中的额外的硫酸钠和氯化钠浓度为0.34和0.28g/l。接种物不含任何残余的碳源。细胞在实验室培养箱(infors,switzerland)中以180rpm和37℃生长。在双重测定中进行实验1和2连同用170g/l氯化钠培养基的参考实验和用150g/l硫酸钠培养基而没有细胞的对照实验。

地中海富盐菌(hfx)可以耐受高浓度的50-400g/l硫酸钠而没有任何nacl吗

结果显示，在50-250g/l的硫酸钠浓度且没有任何氯化钠的情况下，hfx可以在基质甘油上生长(参见图6)。所述结果得到培养基中的甘油的测量值的支持(参见图7)。令人惊讶地，在具有50-150g/lna2so4的培养基中，hfx的生长比具有170g/lnacl的参考中甚至更好。如先前实验中一样，这再次表明，通过添加硫酸盐促进生物的生长。

hfx可以降解没有任何nacl的富含硫酸钠的培养基中的有机组分(例如甘油、苯酚)吗

在实验部分1)中显示甘油的降解。对于100和150g/lna2so4，发现100%甘油降解(参见图7)。

令人惊讶地，可以观察到在含有170g/lnacl的培养基中，苯酚浓度可以仅降低很少，而当nacl被100g/lna2so4替代时，苯酚被完全降解(参见图)。结果表明，当培养基中含有nacl时，苯酚降解被抑制。