公布日：2023.03.28
申请日：2023.02.22
分类号：B09B3/60(2022.01)I;C02F3/00(2023.01)I
摘要
本发明公开了一种利用餐厨废弃物制备废水处理用碳源的方法，涉及垃圾处理技术领域，包括：餐厨垃圾经微生物复合菌剂好氧发酵作用发生相变降解为相变液，即得废水处理用碳源；上述微生物复合菌剂包括微生物菌剂，上述微生物菌剂包括好氧菌；和辅料，上述辅料包括铁基MOF纳米复合材料。本发明提供的利用餐厨废弃物制备废水处理用碳源的方法，通过好氧发酵对餐厨废弃物进行处理制备得到碳源，碳氮比大于40，将其作为补充污水厂污水处理工艺的碳源，明显提高了污水厂污水处理的脱氮除磷效果，为实现餐厨垃圾资源化利用提供理论基础和依据。
权利要求书
1.一种利用餐厨废弃物制备废水处理用碳源的方法，包括：餐厨垃圾经微生物复合菌剂好氧发酵作用发生相变降解为相变液，即得废水处理用碳源；所述微生物复合菌剂包括微生物菌剂，所述微生物菌剂包括好氧菌；和辅料，所述辅料包括铁基MOF纳米复合材料；所述铁基MOF纳米复合材料先由铁基金属有机框架与氧化石墨烯经一步溶剂热合成法获得Fe-MOF@GO，再与正丁基硫代磷酸三胺混合经高温处理制备得到。
2.根据权利要求1所述的利用餐厨废弃物制备废水处理用碳源的方法，其特征在于，所述微生物菌剂与辅料的质量比为1:3-10。
3.根据权利要求1所述的利用餐厨废弃物制备废水处理用碳源的方法，其特征在于，所述微生物菌剂包括：按重量份计，10-16份地衣芽孢杆菌，15-20份枯草芽孢杆菌，8-14份酵母菌，10-15份乳酸片球菌。
4.根据权利要求1所述的利用餐厨废弃物制备废水处理用碳源的方法，其特征在于，所述方法具体包括：取餐厨垃圾，分拣去除杂物，按照固液比1g:1-1.2mL的比例加入水混合，然后放入粉碎机进行破碎磨浆，过滤网，之后将过滤后的餐厨垃圾浆料在75-90℃下加热30-60min，经三相分离器提取回收70-80%废弃油脂；接着加入微生物复合菌剂，调节初始pH值6.5-7.2，进行发酵，发酵温度为35-45℃，开放式发酵4-6d；发酵后的物料4000-4200rpm条件下离心10-15min进行固液分离，取上清液即得废水处理用碳源。
5.根据权利要求1所述的利用餐厨废弃物制备废水处理用碳源的方法，其特征在于，所述废水处理用碳源的碳氮比大于40:1。
6.根据权利要求1所述的利用餐厨废弃物制备废水处理用碳源的方法，其特征在于，所述废水处理用碳源中，COD含量20000-40000mg/L，NH4+-N含量200-600mg/L，TN含量300-500mg/L，TP含量30-50mg/L。
7.权利要求1所述的利用餐厨废弃物制备废水处理用碳源的方法制备获得的碳源在提高污水厂污水处理效率中的用途。
8.根据权利要求7所述的用途，其特征在于，所述污水处理过程中碳源使用量为污水的0.25-3wt%。
9.权利要求1中所述的铁基MOF纳米复合材料在制备餐厨废弃物降解用微生物复合菌剂中的应用。
10.权利要求1中所述的铁基MOF纳米复合材料在制备废水处理用碳源中的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用餐厨废弃物制备废水处理用碳源的方法，该方法通过好氧发酵对餐厨废弃物进行处理制备得到碳源，碳氮比大于40，将其作为补充污水厂污水处理工艺的碳源，明显提高了污水厂污水处理的脱氮除磷效果，为实现餐厨垃圾资源化利用提供理论基础和依据。
本发明为实现上述目的所采取的技术方案为：
一种利用餐厨废弃物制备废水处理用碳源的方法，包括：餐厨垃圾经微生物复合菌剂好氧发酵作用发生相变降解为相变液，即得废水处理用碳源；
上述微生物复合菌剂包括微生物菌剂，上述微生物菌剂包括好氧菌；和
辅料，上述辅料包括铁基MOF纳米复合材料。本发明利用微生物复合菌剂在有氧条件下，通过异化作用将餐厨废弃物的有机质降解为小分子有机物、H2O、CO2、NH4+-N、SO42-等无机盐，制备得到的废水处理用碳源主要特征表现为水质成分复杂、有机物富含量大以及含有氨氮等无机盐，降解过程基本不包括产生沼气的路径，氨氧化反应及反硝化过程氮消耗的更彻底，使得碳源的含碳量更高，碳氮比大于40:1，具有更佳的可生化性。餐厨废弃物氧化过程中产生的复合小分子可溶性有机物种类较多，尤其适合为碳氮比低的废水，如生活污水、垃圾渗滤液及工业废水补充碳源，提高这类废水的处理效率。同时，采用铁基MOF纳米复合材料作为辅料，与微生物菌剂复合制备得到微生物复合菌剂，能够有效增强复合菌剂对餐厨废弃物的降解作用，加快生物降解过程，有效促进餐厨废弃物中有机质的降解率，且制备的碳源组成含量得到一定的调整改善，作为废水处理过程中的补充碳源，能够有效增强废水处理效果，提高污水处理的脱氮除磷作用；并且能够有效促进活性污泥中微生物的增长，增强污泥的活性，使得活性污泥维持优异的凝聚沉降性能。其原因可能在于，本发明采用正丁基硫代磷酸三胺改性制备铁基MOF纳米复合材料，作为辅料应用于微生物复合菌剂中，有效提高了微生物降解有机物的降解率，猜测该纳米复合材料具有更强的吸附能力，制备过程其内部结构得到一定调整，进而能够通过吸附氨氮降低氨毒性，改善微生物生存环境，提高其生物活性；同时，纳米复合材料也能够促进微生物之间的相互作用，提高酶活性，进而有效将复杂的有机物转化为小分子有机物，促进其生物降解，从而提高餐厨废弃物的生物降解速率。
具体的，上述利用餐厨废弃物制备废水处理用碳源的方法，包括：
取餐厨垃圾，分拣去除金属、塑料等杂物，按照固液比1g:1-1.2mL的比例加入水混合，然后放入粉碎机进行破碎磨浆，过滤网，之后将过滤后的餐厨垃圾浆料在75-90℃下加热30-60min，经三相分离器提取回收70-80%废弃油脂；接着加入微生物复合菌剂，调节初始pH值6.5-7.2，进行发酵，发酵温度为35-45℃，开放式发酵4-6d；发酵后的物料4000-4200rpm条件下离心10-15min进行固液分离，取上清液即得废水处理用碳源。
于具体实施方式中，微生物菌剂与辅料的质量比为1:3-10。
于具体实施方式中，微生物菌剂包括：按重量份计，10-16份地衣芽孢杆菌，15-20份枯草芽孢杆菌，8-14份酵母菌，10-15份乳酸片球菌。
本发明又公开了上述微生物复合菌剂的制备方法，具体为：
将地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、酵母菌分别于LB固体培养基上，乳酸片球菌于MRS固体培养基上，30-42℃培养24h，之后单独接种于发酵液体摇瓶中，130-150r/min、30-42℃震荡培养24-32h得到各菌种种子液；
接着分别将各菌种种子液按照体积比为1:380-420的比例接种到发酵罐中的培养料中进行发酵，温度30-42℃，搅拌速度130-150r/min，pH为6-7，溶解氧25-35%，罐压0.03-0.05MPa；之后再在6000-6400r/min条件下离心10-15min，取沉淀物加无菌水稀释得到活菌浓度为109-1010CFU/mL的各菌种菌剂；
按照一定重量份取各菌种菌剂混合得到微生物菌剂，再与载体复合，45℃以下干燥至包含水分10-14%，得到微生物复合菌剂。
于具体实施方式中，微生物复合菌剂，加入量为餐厨垃圾浆料的8-12wt%。
于具体实施方式中，铁基MOF纳米复合材料先由铁基金属有机框架与氧化石墨烯经一步溶剂热合成法获得Fe-MOF@GO，再与正丁基硫代磷酸三胺混合经高温处理制备得到。
进一步的，上述铁基MOF纳米复合材料的制备方法，具体为：
Fe-MOF@GO由现有技术常规制备方法制备获得；
分别取Fe-MOF@GO和正丁基硫代磷酸三胺放入两个敞开的瓷舟中；在石英管上风口放置装有正丁基硫代磷酸三胺的瓷舟，下风口放置另外一个瓷舟，间距为2.8-3.2cm；之后抽真空，通入氩气，气流为95-105mL/min，按照2-3℃/min的升温速率升温至680-720℃，保温1.5-3.5h；冷却后取出获得铁基MOF纳米复合材料。
于具体实施方式中，Fe-MOF@GO和正丁基硫代磷酸三胺的质量比为1:4-6。
于具体实施方式中，废水处理用碳源的碳氮比大于40:1。
于具体实施方式中，废水处理用碳源中，COD含量20000-40000mg/L，NH4+-N含量200-600mg/L，TN含量300-500mg/L，TP含量30-50mg/L。
更优选地，利用餐厨废弃物制备废水处理用碳源的方法中，采用新型离子液体与水的混合溶液替代水。本发明采用N-甲基牛磺酸钠改性制备新型离子液体，与水复配使用，对餐厨废弃物进行预处理，然后进行微生物复合菌剂降解处理，有效促进餐厨废弃物降解进程，进一步提升有机质的降解率，制备得到的碳源的理化性能得到改善，C/N比进一步增加，将其应用于污水处理工艺中，进一步增强了污水污水处理的脱氮除磷效果，且促进活性污泥中微生物的增长，提高污泥活性，使其维持优异的凝聚沉降性能。其原因可能在于，本发明制备的新型离子液体对纤维素等生物大分子具有更佳的溶解性能，为微生物复合菌剂的降解过程提供更加便利的条件，更好地促进降解行为的发生，提升降解效率，进而对制备的碳源产生有益的影响。
于具体实施方式中，新型离子液体与水的质量比为1:2-3。
需要说明的是，新型离子液体的制备方法，包括：
取咪唑、NaH加入THF，0℃条件下搅拌40-60min，升温至室温，加入1-溴代正己烷，继续搅拌20-24h，之后水洗、THF萃取产物，硅胶柱纯化得到1-正己基咪唑；
取1,6-二溴己烷加入乙腈，加热回流，然后滴加1-正己基咪唑的乙腈溶液，85-95℃反应24-26h，减压蒸除溶剂，无水乙醚洗涤得到中间产物S；
取中间产物S、N-甲基牛磺酸钠以及碳酸钾混合，加入乙腈，85-95℃反应68-76h；过滤除去固体，减压蒸馏，无水乙醚洗涤，之后溶解于超纯水中，加入过量LiNTf2进行阴离子交换，5-8h之后加入二氯甲烷萃取、无水硫酸钠干燥，再次进行该操作1-2次，蒸干溶剂得到新型离子液体。
于具体实施方式中，咪唑、NaH的摩尔比为1:1-1.1；咪唑与THF的固液比为0.3-0.4g:1mL；1-溴代正己烷与咪唑的摩尔比为1:0.9-1.1。
于具体实施方式中，1,6-二溴己烷与乙腈的固液比为0.8-1.2g:1mL；1-正己基咪唑的乙腈溶液浓度为0.1-0.2g/mL；1-正己基咪唑与1,6-二溴己烷的摩尔比为1:13-15。
于具体实施方式中，中间产物S、N-甲基牛磺酸钠以及碳酸钾的摩尔比为1:1.2-1.3:6-7；中间产物S与乙腈的固液比为0.010-0.025g:1mL。
本发明又公开了上述利用餐厨废弃物制备废水处理用碳源的方法制备获得的碳源在提高污水厂污水处理效率中的用途。
于具体实施方式中，污水处理过程中碳源使用量为污水的0.25-3wt%。
本发明的又一目的在于，提供了上述铁基MOF纳米复合材料在制备餐厨废弃物降解用微生物复合菌剂中的应用。
本发明的又一目的在于，提供了上述铁基MOF纳米复合材料在制备废水处理用碳源中的应用。
相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
本发明利用微生物复合菌剂在有氧条件下，通过异化作用将餐厨废弃物的有机质降解为小分子有机物、H2O、CO2、NH4+-N、SO42-等无机盐，制备得到的废水处理用碳源，碳氮比大于40:1，具有更佳的可生化性。微生物复合菌剂采用铁基MOF纳米复合材料作为辅料，与微生物菌剂复合，能够有效增强复合菌剂对餐厨废弃物的降解作用，加快生物降解过程，有效促进餐厨废弃物中有机质的降解率，且制备的碳源的碳氮比进一步增大，作为废水处理过程中的补充碳源，能够有效增强废水处理效果，提高污水处理的脱氮除磷作用；并且能够有效促进活性污泥中微生物的增长，增强污泥的活性。此外，本发明采用N-甲基牛磺酸钠改性制备新型离子液体，与水复配使用，对餐厨废弃物进行预处理，有效促进餐厨废弃物降解进程，进一步提升有机质的降解率，制备得到的碳源的理化性能得到改善，C/N比进一步增加，将其应用于污水处理工艺中，进一步增强了污水污水处理的脱氮除磷效果，且促进活性污泥中微生物的增长，提高污泥活性，使其维持优异的凝聚沉降性能。
因此，本发明提供了一种利用餐厨废弃物制备废水处理用碳源的方法，该方法通过好氧发酵对餐厨废弃物进行处理制备得到碳源，碳氮比大于40，将其作为补充污水厂污水处理工艺的碳源，明显提高了污水厂污水处理的脱氮除磷效果，为实现餐厨垃圾资源化利用提供理论基础和依据。
（发明人：徐坚麟;顾斌;付源;邱正庚）
