公布日：2024.12.31
申請日：2024.10.18
分類號：C02F9/00(2023.01)I;C02F1/72(2023.01)N;C02F1/66(2023.01)N;C02F3/34(2023.01)N;C02F3/28(2023.01)N;C02F1/58(2023.01)N;C02F1/76(2023.01)N;C02F101
/16(2006.01)N;C02F101/30(2006.01)N;C02F101/10(2006.01)N
摘要
本發明公開一種餐廚垃圾廢水資源化處理工藝，屬于餐廚垃圾資源化利用技術領域。本發明提供的處理工藝包括：向餐廚垃圾廢水中加入高鐵酸鹽復合氧化劑進行調堿和氧化同步處理，加入生物鐵或化學法聚合硫酸鐵反應，再加入反硝化菌進行脫氮處理。本發明提供的處理工藝操作步驟簡單，處理成本低廉，是一種變廢為寶的餐廚垃圾資源化處理工藝。經處理后的餐廚垃圾廢水COD≥50000mg/L，總氮、總磷含量顯著下降，水中小分子有機物質含量增加，可生化性增加，滿足污水處理廠補充碳源的要求，可作為碳源用于污水廠碳源補給。
權利要求書
1.一種處理劑組合物在餐廚垃圾廢水資源化處理中的應用，所述處理劑組合物由高鐵酸鹽復合氧化劑、生物鐵和反硝化菌組成；所述高鐵酸鹽復合氧化劑通過如下方法制備得到：a1)控制反應釜溫度為40-45℃，將濃度為50％的液堿與濃度為12％的液體次氯酸鈉攪拌混合，液堿與次氯酸鈉質量比為(2-3):1；a2)在1000-1500轉/min攪拌速度下，向反應釜中緩慢加入濃度為40％的液體氯化鐵，液體氯化鐵的加入體積為液體次氯酸鈉的1/3-1/2，攪拌1-2小時，制備得到高鐵酸鹽復合氧化劑；所述生物鐵通過如下方法制備得到：b1)向生物反應器中加入工業級固體硫酸亞鐵和水形成濃度為400-450g/L的水溶液，加入無機鹽使其在溶液中的終濃度滿足(NH4)2SO41-1.5g/L、KCL0.1-0.2g/L、K2HPO40.2-0.3g/L、MgSO4·7H2O0.2-0.3g/L，引入菌種，配制得到微生物反應液，所述菌種為氧化亞鐵硫桿菌與嗜酸菌的組合，菌種數比值為(6-9):1；b2)控制溶液中的溶解氧為4-5ppm，反應溫度為20-40℃，反應24小時后，當溶液中Fe2+濃度低于0.1％時，將生物反應器中30％液體排出，靜置熟化，得到生物鐵；b3)向生物反應器中補加步驟S1所述的原料，重復步驟S2的反應，可持續循環得到生物鐵；所述反硝化菌為反硝化桿菌與斯氏桿菌的組合，菌種數占比分別為50-90％和10-50％。
2.根據權利要求1所述的應用，其特征在于，所述餐廚垃圾廢水中COD的濃度為70000-120000mg/L，BOD5的濃度為35000-70000mg/L，TN的濃度為1500-6000mg/L，TP的濃度為50-1200mg/L，所述餐廚垃圾廢水包括餐廚垃圾經過傳統處理工藝和/或發酵處理工藝產生的廢水。
3.根據權利要求2所述的應用，其特征在于，所述餐廚垃圾廢水選自餐廚垃圾發酵處理工藝產生的廢水，所述餐廚垃圾發酵處理工藝指餐廚垃圾循環利用聯合生物加工工藝，簡稱CBP工藝，廢水中TN的濃度為3000-6000mg/L，TP的濃度為600-1200mg/L，pH為2-4。
4.一種餐廚垃圾廢水資源化處理工藝，所述工藝包括：c1)向餐廚垃圾廢水中加入高鐵酸鹽復合氧化劑進行調堿和氧化同步處理；c2)向上步反應體系中加入生物鐵或化學法聚合硫酸鐵反應，攪拌反應5-200分鐘；c3)繼續向反應體系加入反硝化菌進行脫氮處理，上清為餐廚垃圾資源化處理水。
5.根據權利要求4所述的工藝，其特征在于，在所述處理工藝中，高鐵酸鹽復合氧化劑加入量為1-100kg/噸餐廚垃圾廢水；按含鐵量1％計算，生物鐵或化學法聚合硫酸鐵的加入量為10-1000kg/噸餐廚垃圾廢水；反硝化菌的加入量為0.01-10kg/噸餐廚垃圾廢水。
6.根據權利要求5所述的工藝，其特征在于，針對CBP工藝產生的餐廚垃圾廢水，高鐵酸鹽復合氧化劑加入量為10-25kg/噸餐廚垃圾廢水；按含鐵量1％計算，生物鐵或化學法聚合硫酸鐵的加入量為100-200kg/噸餐廚垃圾廢水；反硝化菌的加入量為0.2-0.5kg/噸餐廚垃圾廢水。
7.根據權利要求6所述的工藝，其特征在于，針對CBP工藝產生的餐廚垃圾廢水，高鐵酸鹽復合氧化劑加入量為20kg/噸餐廚垃圾廢水；按含鐵量1％計算，生物鐵或化學法聚合硫酸鐵的加入量為200kg/噸餐廚垃圾廢水；反硝化菌的加入量為0.2kg/噸餐廚垃圾廢水。
8.一種以餐廚垃圾廢水為原料，使用權利要求1-3任一所述的處理劑組合物，根據權利要求4-7任一所述的工藝處理得到的餐廚垃圾資源化處理水。
9.一種權利要求8所述的餐廚垃圾資源化處理水在作為污水處理廠碳源中的應用。
10.權利要求4-7任一所述的工藝在如下至少一項中的應用：d1)在餐廚垃圾廢水資源化處理中的應用；d2)在制備餐廚垃圾資源化處理水中的應用。
發明內容
基于上述背景，本發明提供一種經濟且高效的餐廚垃圾廢水資源化處理的實用工藝，所述工藝操作步驟簡單，處理成本低廉，處理后的餐廚垃圾廢水COD≥50000mg/L，滿足污水處理廠補充碳源的要求，且BOD5/COD、BOD5/TN、BOD5/TP的比值均顯著提升，說明經過處理后水中小分子有機物質含量增加，可生化性進一步增加；總氮、總磷含量顯著下降，并且NH3-N的含量顯著下降，作為污水排放不會對污水處理廠水質產生較大影響。因此，經過本發明提供的工藝處理后的餐廚垃圾廢水能夠作為碳源滿足污水廠碳源利用的需求。
本發明包括如下技術方案：
在本發明的第一方面，本發明提供一種處理劑組合物在餐廚垃圾廢水資源化處理中的應用，所述處理劑組合物由高鐵酸鹽復合氧化劑、生物鐵和反硝化菌組成。
所述高鐵酸鹽復合氧化劑通過如下方法制備得到：
a1)控制反應釜溫度為40-45℃，將濃度為50％的液堿與濃度為12％的液體次氯酸鈉攪拌混合，液堿與次氯酸鈉質量比為(2-3):1；
a2)在1000-1500轉/min攪拌速度下，向反應釜中緩慢加入濃度為40％的液體氯化鐵，液體氯化鐵的加入體積為液體次氯酸鈉的1/3-1/2，攪拌1-2小時，制備得到高鐵酸鹽復合氧化劑。
若沒有特別說明，本發明中出現的“濃度”均指質量濃度。
所述生物鐵通過如下方法制備得到：
b1)向生物反應器中加入工業級固體硫酸亞鐵和水形成濃度為400-450g/L的水溶液，加入無機鹽使其在溶液中的終濃度滿足(NH4)2SO41-1.5g/L、KCL0.1-0.2g/L、K2HPO40.2-0.3g/L、MgSO4·7H2O0.2-0.3g/L，引入菌種，配制得到微生物反應液，所述菌種為氧化亞鐵硫桿菌與嗜酸菌的組合，菌種數比值為(6-9):1；
b2)控制溶液中的溶解氧為4-5ppm，反應溫度為20-40℃，反應24小時后，當溶液中Fe2+濃度低于0.1％時，將生物反應器中30％液體排出，靜置熟化，得到生物鐵；
b3)向生物反應器中補加步驟S1所述的原料，重復步驟S2的反應，可持續循環得到生物鐵。
通過上述方法制備得到的生物鐵全鐵含量為1-9％，鹽基度為10-22％，外觀為棕色黏稠液體。本發明所述的生物鐵可替換為鐵含量相同的化學法聚合硫酸鐵，因此，化學法聚合硫酸鐵屬于本發明提供的生物鐵的等同替換，將生物鐵替換為化學法聚合硫酸鐵的處理劑組合物也屬于本發明技術方案的范圍。
理論上，本發明所述的反硝化菌為本領域常規使用的具有脫氮作用的所有反硝化菌。在本發明的優選實施方式中，所述反硝化菌選自反硝化桿菌、斯氏桿菌、螢氣極毛桿菌、脫氮小球菌、反硝化假單胞菌中的一種或兩種以上的組合；最優選為反硝化桿菌與斯氏桿菌的組合，菌種數占比分別為50-90％和10-50％。
若沒有特別說明，本發明所述的餐廚垃圾是指食品加工、飲食服務、單位供餐等活動中產生的飲食剩余物，尤其包括餐館、飯店、食堂等場所產生的飲食剩余物。所述飲食剩余物包括廢棄食用油脂和廚余垃圾。
本發明所述的餐廚垃圾廢水包括餐廚垃圾經過傳統處理工藝和/或發酵處理工藝產生的廢水，所述餐廚垃圾廢水中COD的濃度為70000-120000mg/L，BOD5的濃度為35000-70000mg/L，TN的濃度為1500-6000mg/L，TP的濃度為50-1200mg/L。
餐廚垃圾傳統處理工藝廢水是經餐廚垃圾制漿、蒸汽加熱、油水分離產生的廢水；餐廚垃圾發酵處理工藝廢水是經餐廚垃圾制漿、蒸汽加熱、發酵、油水分離產生的廢水。在本發明的具體實施例中，所述餐廚垃圾發酵處理工藝特指餐廚垃圾循環利用聯合生物加工工藝，簡稱CBP工藝。
進一步的，所述餐廚垃圾發酵處理工藝廢水中TN的濃度為3000-6000mg/L，TP的濃度為600-1200mg/L，pH為2-4。廢水中的總氮和總磷含量奇高，是影響廢水資源化利用的最大屏障，本領域技術人員知曉，總氮和總磷會消耗水中的BOD5濃度，減少水中可被微生物利用的有機質含量，降低廢水可生化性。因此，妥善治理廢水中的總氮和總磷，同時保證廢水的可生化性，是餐廚垃圾廢水資源化處理的重中之重。本發明通過所述處理劑組合物的配合使用，使得處理后的餐廚垃圾廢水中COD≥50000mg/L，TN和TP濃度顯著下降，pH達到6-9，同時BOD5/COD、BOD5/TN、BOD5/TP的比值均顯著提升，在提高廢水可生化性的基礎上，顯著減少總氮和總磷含量。因此，經過本發明提供的處理劑組合物處理后的餐廚垃圾污水可作為碳源用于污水處理廠的碳源補給，真正做到從餐廚垃圾廢水的無害化排放到資源化再利用。
在本發明的第二方面，本發明提供一種餐廚垃圾廢水資源化處理工藝，所述工藝包括：
c1)向餐廚垃圾廢水中加入高鐵酸鹽復合氧化劑進行調堿和氧化同步處理；
c2)向上步反應體系中加入生物鐵或化學法聚合硫酸鐵反應，攪拌反應5-200分鐘；
c3)繼續向反應體系加入反硝化菌進行脫氮處理，上清為餐廚垃圾資源化處理水。
本發明對反硝化菌脫氮時間不做具體限定，一般需要0.5小時以上，作用時間越長越好，優選0.5-24小時，48、72或96小時也可以，對最長時間沒有限制。
在所述處理工藝中，所述高鐵酸鹽復合氧化劑的制備方法如本發明第一方面所述，高鐵酸鹽復合氧化劑加入量為1-100kg/噸餐廚垃圾廢水，針對CBP工藝產生的餐廚垃圾廢水優選加入量為10-25kg/噸餐廚垃圾廢水，最優選為20kg/噸餐廚垃圾廢水。
在所述處理工藝中，所述生物鐵的制備方法如本發明第一方面所述，化學法聚合硫酸鐵可通過商業途徑購買得到。生物鐵或化學法聚合硫酸鐵(按含鐵量1％計算)的加入量為10-1000kg/噸餐廚垃圾廢水，針對CBP工藝產生的餐廚垃圾廢水優選加入量為100-200kg/噸餐廚垃圾廢水，最優選為200kg/噸餐廚垃圾廢水。
在所述處理工藝中，所述反硝化菌是指所有的具有脫氮作用的所有反硝化菌；優選的，所述反硝化菌選自反硝化桿菌、斯氏桿菌、螢氣極毛桿菌、脫氮小球菌、反硝化假單胞菌中的一種或兩種以上的組合；最優選的，所述反硝化菌為反硝化桿菌與斯氏桿菌的組合，菌種數占比分別為50-90％和10-50％。反硝化菌的加入量為0.01-10kg/噸餐廚垃圾廢水，針對CBP工藝產生的餐廚垃圾廢水優選加入量為0.2-0.5kg/噸餐廚垃圾廢水，最優選為0.2kg/噸餐廚垃圾廢水。
本發明提供的高鐵酸鹽復合氧化劑為現制現用處理劑，能同時對餐廚垃圾廢水進行調堿和氧化，將大分子有機物分解為小分子VFAs，并且脫除部分磷，發明人將其稱為高級氧化處理。本領域技術人員知曉，常規的餐廚垃圾廢水是酸性的，其pH通常為2-4，雖然廢水氧化處理是本領域技術人員的常規操作，但是必須要先加堿將溶液pH調至6-9才能開始進行氧化反應，本發明通過加入自行制備的高鐵酸鹽復合氧化劑能實現調堿和氧化同步進行，顯著降低成本，提高治理效率。并且，本發明提供的高鐵酸鹽復合氧化劑還能去除部分NH3-N，將其轉化為亞硝態氮或硝態氮，便于后續使用反硝化菌進行脫氮處理，為提高BOD5/TN比值創造有利條件。此外，餐廚垃圾的廢水比較臭，高鐵酸鹽符合氧化劑還能除臭，原理是其可以氧化掉臭味物質如硫化氫、硫醇和糞素等，同時殺死產生惡臭物質的微生物，大幅改善員工的工作環境。
本發明提供的生物鐵是利用微生物與七水硫酸亞鐵生成的微生物聚合硫酸鐵，在本發明中主要起到脫磷的作用，同時，由于生物鐵對大分子物質的絮凝效果較好，在調堿氧化之后加入生物鐵能對水體中部分難降解COD進行絮凝沉淀，難降解COD即不容易被微生物利用的COD，將其絮凝沉淀后則間接提高了餐廚垃圾廢水的可生化性。此外，本發明特意選擇在反硝化菌脫氮之前加入生物鐵進行反應的原因在于，微生物在反硝化活動的同時會吸磷，而吸磷會消耗大量的BOD5(1P:10-20BOD的比例)，導致餐廚垃圾廢水中珍貴的BOD5減少。因此，本發明提供的處理方法先選擇加入生物鐵有效的脫除磷，再進行反硝化脫氮，避免在反硝化階段珍貴的BOD5被消耗。另外，發明人還發現本發明提供的生物鐵對餐廚垃圾廢水具有明顯的水體凈化作用。
由于高鐵酸鹽復合氧化劑將廢水中的部分NH3-N轉化為亞硝態氮或硝態氮，為使用反硝化菌進行脫氮處理創造有利條件。本發明選擇反硝化菌進行脫氮處理，有效降低廢水中的總氮濃度，使BOD5/TN比值顯著提升，增加廢水的可生化性。本發明提供的反硝化菌可選自反硝化桿菌、斯氏桿菌、螢氣極毛桿菌、脫氮小球菌、反硝化假單胞菌中的一種或兩種以上的組合，可通過商業途徑購買得到，也可通過自行培養篩選得到。通過發明人篩選和優化，得到的最佳反硝化菌為反硝化桿菌與斯氏桿菌的組合。
在本發明的第三方面，本發明提供一種以餐廚垃圾廢水為原料，使用本發明第一方面提供的處理劑組合物，根據本發明第二方面提供的工藝處理得到的餐廚垃圾資源化處理水。
所述餐廚垃圾資源化處理水中COD的濃度≥50000mg/L，BOD5的濃度≥27000mg/L，NH3-N的濃度≤200mg/L，TN的濃度≤1500mg/L，TP的濃度≤60mg/L。
通過本發明提供的工藝處理得到的餐廚垃圾資源化處理水的COD濃度≥50000mg/L，滿足污水處理廠補充碳源的要求，BOD5/COD≥0.5，BOD5/TN≥18、BOD5/TP≥450，與未處理的餐廚垃圾廢水相比，可生化性顯著提高。雖然資源化處理水中依然含有一定濃度的總氮和總磷，但是污水處理廠的碳源補充一般按照萬分之一比例投加，相當于每1.0t水中投加0.1kg碳源，投加后在不考慮總氮和總磷去除的情況下，總氮和總磷濃度均降至很低水平，不會對污水處理廠水質產生較大影響。因此，根據本發明提供的工藝制備得到的餐廚垃圾資源化處理水可作為碳源用于污水處理廠的碳源補給。
在本發明的第四方面，本發明提供一種本發明第三方面所述的餐廚垃圾資源化處理水在作為污水處理廠碳源中的應用。
在本發明的第五方面，本發明提供一種本發明第二方面提供的工藝在如下至少一項中的應用：
d1)在餐廚垃圾廢水資源化處理中的應用；
d2)在制備餐廚垃圾資源化處理水中的應用。
本發明提供的技術方案優勢在于：
針對餐廚垃圾廢水提供的處理工藝步驟簡單，操作方便，且處理費用低，設備維護方便，能經濟高效地解決餐廚垃圾廢水處理難的問題。經過本發明提供的工藝處理后的餐廚垃圾廢水不再是需要排放的污水，而是污水廠所需要的碳源，可作為一種商品銷售于各污水處理廠，用于污水處理廠中的碳源補給。
目前，市面上的污水處理廠普遍使用的碳源包括甲醇、乙酸鈉和葡萄糖類產品。甲醇為甲類危化品，且微生物對其響應較慢；乙酸鈉的當量COD較低、成本昂貴；葡萄糖類的投加精準性差，更容易引起污泥膨脹。本發明提供的技術方案可以解決所述問題，以餐廚垃圾廢水為原料，通過簡單的工藝和低廉的處理成本就能制備得到污水處理廠所需的碳源。在目前餐廚垃圾產量持續增加的情況下，以此方法制備的碳源數量也是穩定的。
本發明成功地將餐廚垃圾廢水無害化處理的現狀變成可資源化利用，不僅解決了餐廚垃圾廢水治理的問題，還將其變廢為寶，具有較高的經濟與社會環境效益。
（發明人：楊鵬）
