申请日2021.05.10
公开日期2021.11.16
IPC分类C02F1/52;D04H3/07;C08F2/20;C02F101/30;D04H3/007;D01F6/48;C08F220/32;C08F214/12;D01F1/10;D04H3/12;C08F226/02;C02F9/14;C02F3/08;C02F1/24;C08F214/08
摘要
本发明涉及一种餐厨垃圾污水处理系统，包括依次连接的预处理系统和生化处理系统，其中，生化处理系统采用生物转盘设备(BBR设备)，所述生物转盘盘片的材料是包括偏二氯乙烯，1,2‑二氯乙烯，甲基丙烯酸缩水甘油酯和阳离子单体共聚得到的改性PVDC聚合物和辅料制成的纤维丝和乳胶一起热定型形成的立体网状结构。本发明工艺流程简单，出水达标率高，污泥易于处理，高效节能，运行费用低，占地少，非常适合对餐厨垃圾污水进行处理。本发明BBR设备中生物转盘形成盘片内部厌氧、缺氧和盘片外部好氧的环境，与生物膜本身微观层面的厌氧、缺氧、好氧环境相结合，发挥出更强的同步硝化反硝化作用，节省运行成本和生化池停留时间。
权利要求
1.一种餐厨垃圾污水处理系统，包括依次连接的预处理系统和生化处理系统，其中，生化处理系统采用生物转盘设备(BBR设备)，所述生物转盘盘片的材料是包括偏二氯乙烯，1,2-二氯乙烯，甲基丙烯酸缩水甘油酯和阳离子单体共聚得到的改性PVDC聚合物和辅料制成的纤维丝和乳胶一起热定型形成的立体网状结构。
2.根据权利要求1所述的餐厨垃圾污水处理系统，其特征在于，所述预处理系统包括依次连接的格栅池、调节池、气浮池、隔油沉淀池；所述气浮池中加入混凝剂进行混凝，混凝剂为聚丙烯酰胺(PAM)和无机混凝剂的复配；优选地，混凝剂为PAM和PAC按照质量比1-3:1的复配；混凝剂的加入量是沉砂池出水质量的0.1-1％，优选为气浮池出水质量的0.2-0.4％。
3.根据权利要求1所述的餐厨垃圾污水处理系统，其特征在于，所述生化处理系统包括依次连接的混合池、BBR设备、生化池、沉淀池；生化池末端水回流至混合池，内回流比为400-600％；沉淀池沉淀的污泥部分经外回流泵池送至混合池和1号曝气池，外回流比为200-400％。
4.根据权利要求1所述的餐厨垃圾污水处理系统，其特征在于，所述生化池包括至少3-5个串联的曝气池，优选为4个曝气池；最后一个曝气池内回流至混合池，曝气池中污泥浓度在6000-10000mg/L，控制曝气量使曝气池中的溶氧量在0.5-2.5mg/L；优选地，3-5个串联的曝气池中，溶氧量逐渐从0.5-1mg/L升高至2-2.5mg/L，在最后一个曝气池再降低至0.5-1mg/L。
5.根据权利要求1所述的餐厨垃圾污水处理系统，其特征在于，所述改性PVDC聚合物，是由包括偏二氯乙烯，甲基丙烯酸缩水甘油酯和阳离子单体通过悬浮聚合物法制备得到，偏二氯乙烯，1,2-二氯乙烯，甲基丙烯酸缩水甘油酯和阳离子单体的质量比为80-100：5-10：3-8：1-3。
6.根据权利要求1所述的餐厨垃圾污水处理系统，其特征在于，所述乳胶选自PVDC乳胶，聚氨酯乳胶，丙烯酸乳胶，优选为PVDC乳胶；乳胶的用量是改性PVDC聚合物和辅料共混后得到的丝状材料质量的100-150％；所述辅料选自增韧剂、碳素、二氧化钛和气象白炭黑。
7.根据权利要求1所述的餐厨垃圾污水处理系统，其特征在于，所述阳离子单体为具有烯基的季铵盐，具体选自二甲基二烯基氯化铵(DMDAAC)，长链烷基二甲基烯丙基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基二甲基烷基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、甲基丙烯酸二乙氨基乙酯、丙烯酸乙酯基三甲基氯化铵、丙烯酸二甲氨基乙酯中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的餐厨垃圾污水处理系统，其特征在于，所述改性PVDC聚合物的制备方法，包括以下步骤：通过悬浮聚合法得到，将水和分散剂体配制为水相，将单体和引发剂配制为油相，将水相加入到油相中，在搅拌条件下加热进行反应，反应结束后放料，洗涤干燥即得，所述分散剂为水溶性纤维素和聚乙烯吡咯烷酮的复配；优选地，水溶性纤维素和聚乙烯吡咯烷酮的质量比为2-4:1；
进一步地，所述水溶性纤维素类选自羟丙基甲基纤维素(HPMC)、羟乙基纤维素、羟甲基纤维素中的至少一种；所述聚乙烯吡咯烷酮分子量为5000-8000。
9.根据权利要求8所述的餐厨垃圾污水处理系统，其特征在于，单体偏二氯乙烯(VDC)分两次投料，第一次投料是部分VDC和其他单体一起投料，占全部VDC的50-70％，聚合反应的15-20后，再投入剩余VDC；优选地，引发剂分为两次投料，第一次投料全部引发剂的70-90％，第二次是聚合反应15-20后，和第二次补加的VDC单体一起加入剩余引发剂。
10.根据权利要求1所述的餐厨垃圾污水处理系统，其特征在于，所述生物转盘盘片的材料是通过包括以下步骤的制备方法得到的：将改性PVDC聚合物和辅料一起混料，造粒，拉丝，收卷，铺网，喷涂乳胶，热压，定形得到；
优选地，所述辅料中不含增塑剂；
优选地，拉丝的丝径为0.5-0.8mm，更优选为0.5-0.6mm；
优选地，在定形后，静置8-10天以完成PVDC的结晶后，再进行剪裁。
说明书
一种餐厨垃圾污水处理系统
技术领域
本发明涉及污水处理领域，具体涉及一种餐厨垃圾污水处理系统。
背景技术
随着我国城市化建设的不断发展，餐厨垃圾的量与日俱增，产生的餐厨垃圾污水处理成为目前亟待解决的问题。餐厨垃圾在运输和堆放过程中，会产生大量的污染物，溶解在餐厨垃圾的渗滤液中，餐厨垃圾污水相对于其他类型的城市污水处理难度大，主要是因为餐厨垃圾废水有机物浓度高，可生化性差，氨氮浓度高。一般的餐厨垃圾污水COD约6000-15000mg/L，氨氮浓度高约1000-2500mg/L，总磷约30-60mg/L，此外，餐厨垃圾污水中蛋白质和油脂的含量高，容易腐烂变质，散发恶臭，如果没有经过妥善处理，会产生恶臭等污染；此外若将未经处理的餐厨垃圾污水直接排入环境会导致水体富营养化，造成环境污染，严重会导致藻类过渡繁殖产生的赤潮、水华。但是餐厨垃圾污水水质复杂，水质波动大，污染物浓度极高，出水指标COD、SS等居高不下，使得生物处理系统难以高效、稳定地运行，进而影响污水处理效果。
生物转盘法是目前处理城市废水的处理效率高、成本低、占地面积小、能耗小的的污水处理方式。传统生物转盘盘片由于材料的限制原因，无法做到比较大的面积，生物膜微生物量小，对高浓废水，比如餐厨垃圾污水处理效果差，处理量小。因此，生物转盘法在餐厨垃圾污水的处理中受到限制，应用较少。为了加大负荷量，有采用玻璃钢等材质制作生物转盘，但玻璃钢材料比重大，负荷重，易损坏。后续还有开发比重小，附着性能好的聚合物，比如聚氯乙烯，聚苯乙烯等高分子材料制作生物转盘盘片材料，但是聚苯乙烯对于大直径的生物转盘还是力学强度不足，容易变形破损；聚氯乙烯存在易老化的现象。日本旭化成开发一类聚偏二氯乙烯(PVDC)的生物转盘材料，具有力学强度高，挂膜量高，使用寿命长，不易变形的优点，目前是市场上生物转盘盘片材料一线厂家的选择。该生物转盘盘片材料配方和生产工艺保密，国内厂家难以仿制，需要使用只能购买。而且该PVDC 生物转盘材料在面对餐厨垃圾污水仍然会有强度不足的缺陷。
申请人在前的专利申请CN202110372254.6，涉及一种改性PVDC聚合物，具有力学强度好、耐水稳定、挂膜量高的优点，可以应对各种废水处理，可以基于此开发一种餐厨垃圾污水处理系统和方法，对目前市政高浓有机污水的处理具有重要的现实意义和商业价值。
发明内容
针对现有技术餐厨垃圾污水处理难度大，处理效率低，本发明提供一种餐厨垃圾污水处理系统及方法，在生化处理系统中使用阳离子改性的PVDC聚合物制成的生物转盘盘片材料，能够在较细的PVDC聚合物纤维丝丝径条件下制得力学强度优异的立体网状结构构作为微生物接触体，生物转盘具有更大的比表面积和挂膜量，对于处理高浓的餐厨垃圾污水大有裨益，缩短停留时间，提高处理效率。
本发明的第一个目的是提供一种餐厨垃圾污水处理系统，包括依次连接的预处理系统和生化处理系统，其中，生化处理系统采用生物转盘设备(BBR设备)，所述生物转盘盘片的材料是包括偏二氯乙烯，1,2-二氯乙烯，甲基丙烯酸缩水甘油酯和阳离子单体共聚得到的改性PVDC聚合物和辅料制成的纤维丝和乳胶一起热定型形成的立体网状结构。
所述预处理系统包括依次连接的格栅池、调节池、气浮池、隔油沉淀池。预处理系统主要预先去除污水中的悬浮物、杂质和油脂。
进一步地，所述格栅池的网孔为10-80mm，优选地，格栅池设置为二级格栅池，即粗格栅池和细格栅池联用，其中粗格栅池的网孔为30-60mm，细格栅池的网孔为5-20mm。
调节池出水进入气浮池，并加入混凝剂进行混凝，进一步除去悬浮物杂质；混凝池中混凝剂为聚丙烯酰胺(PAM)和无机混凝剂的复配。所述聚丙烯酰胺分子量为500万至1500万。所述无机混凝剂为聚合硫酸铝，聚合氯化铝(PAC)，聚合硅酸铁，聚合硫酸氯化铝中的至少一种；优选地，混凝剂为PAM和PAC按照质量比1-3:1的复配。混凝剂的加入量是调节池出水质量的0.1-1％，优选为气浮池出水质量的0.2-0.4％。
气浮池出水进入隔油沉淀池，利用油水的密度差和隔板截留作用，使污水中的大量浮油隔离除去。隔油沉淀池出水进入混合池，将隔油沉淀池出水、外回流、内回流三股水源进行混合，混合池出水进入后续生化处理系统。
生化处理系统包括依次连接的混合池、BBR设备、生化池、沉淀池；生化池末端水回流至混合池，内回流比为400-600％；沉淀池沉淀的污泥部分经外回流泵池送至混合池，外回流比为200-400％。
所述生化池包括至少3-5个串联的曝气池，优选为4个曝气池；最后一个曝气池内回流至混合池，曝气池中污泥浓度在6000-10000mg/L。
污水在生化池池的停留时间为4-6天。由于餐厨污水属于高浓度有机废水，利用常规商购的生物转盘，由于挂膜量不高，需要通过延长停留时间至10-12天才能达到较好的处理效果。利用本发明特制的PVDC聚合物作为纤维丝的树脂材料制成的生物转盘，比表面积大，挂膜量高，处理效率高，可以显著缩短污水在生化池的停留时间，仅需4-6天即可达到达《污水排入城镇下水道水质标准》(GB/T31962-2015)中C排放标准。
控制曝气量使曝气池中的溶氧量在0.5-2.5mg/L。优选地，3-5个串联的曝气池中，溶氧量逐渐从0.5-1mg/L升高至2-2.5mg/L，在最后一个曝气池再降低至0.5-1.0mg/L。优选地，当生化池为4个串联的曝气池组成，第一个曝气池溶氧量0.3-0.5mg/L，第二个曝气池溶氧量在1-1.5mg/L，第三个曝气池溶氧量在2-2.5mg/L，第四个曝气池溶氧量在 0.5-1.0mg/L。
芽孢杆菌微生物在曝气池始终处于悬浮状态，且与水中污染物质完全混合，在吸附的同时进行吸收及分解有机物质，从而降低废水中污染物质浓度，达到净化作用。
本发明BBR设备中所使用的生物转盘盘片材料是PVDC聚合物和辅料共混后得到的丝状材料和乳胶形成的立体网状结构，所述改性PVDC聚合物，是由包括二氯乙烯，二氯乙烯，甲基丙烯酸缩水甘油酯和阳离子单体通过悬浮聚合物法制备得到，优选地，偏二氯乙烯，1,2-二氯乙烯，甲基丙烯酸缩水甘油酯和阳离子单体的质量比为80-100：5-10：3-8： 1-3。
生物转盘的旋转立体网络结构为微生物提供附着载体，生化处理过程中微生物主要附着在立体旋转网状接触体上，接触体浸入水中部分与水中有机物质充分接触吸附并降解部分有机物质；接触体旋转进入空气中时，与空气接触，微生物分解有机物质。接触体表面生物膜形成与成熟后，由于微生物不断增殖，生物膜的厚度不断增加，在增厚到一定程度后，在氧不能透入的里侧深部即将转变为厌氧状态，形成厌氧性膜，外部与水及空气接触部分形成好氧性膜，有机物的降解主要是在好氧层内进行。污水与生物膜接触，污水中的有机污染物，作为营养物质，被生物膜上的微生物所摄取，污水得到净化，微生物自身也得到繁衍增殖。生物转盘的40-50％浸没在水中，转速2.5-5r/min，使生物转盘挂膜交替在水中与空气中形成了水上水下的好氧区与缺氧区，同时也形成了生物膜的膜里膜外的好氧区与缺氧区环境，形成了水上水下及膜里膜外两级AO。
所述生物转盘盘片材料的孔隙率在97％以上，优选在98％以上；有效比表面积为950-1100m2/m3。制成直径1-2m的生物转盘，大的比表面积保证了生物转盘在运行过程中具有高的挂膜量和单位面积负荷。本发明的餐厨垃圾污水处理系统由于采用了特制的PVDC聚合物作为纤维丝的基础料，和辅料共混后，再配合特定的PVDC聚合物制备工艺，所得的PVDC纤维丝，可以在在丝径0.5-0.8mm的情况下，保持优异的力学性能。
所述乳胶选自PVDC乳胶，聚氨酯乳胶，丙烯酸乳胶，优选为PVDC乳胶。乳胶的用量是改性PVDC聚合物和辅料共混后得到的丝状材料质量的100-150％。采用PVDC乳胶可以保持生物转盘材料的一致性。
所述辅料选自增韧剂、碳素、二氧化钛和气象白炭黑。进一步地，改性PVDC聚合物、增韧剂、碳素、二氧化钛和气象白炭黑的质量比为100：2-5：0.1-0.3：0.5-1：0.5-1。优选地，所述增韧剂为高分子增韧剂，具体选自甲基丙烯酸甲酯—丁二烯—苯乙烯三元共聚物(MBS)、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)、乙烯-丙烯酸甲酯共聚物(EMA)，乙烯-丙烯共聚物(EAA)、丙烯酸酯共聚弹性体(ACR)中的至少一种；二氧化钛的粒径为5-20μm，气象白炭黑的比表面积BET为170-230m2/g。进一步优选地，辅料中还可以加入脱模剂和抗氧剂，加入量分别是改性PVDC聚合物质量的1-3％和0.5-1％。所述脱模剂选自聚二甲基硅氧烷，所述抗氧剂选自2,6-对二叔丁基对甲酚。
进一步地，所述阳离子单体为具有烯基的季铵盐，具体选自二甲基二烯基氯化铵(DMDAAC)，长链烷基二甲基烯丙基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基二甲基烷基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、甲基丙烯酸二乙氨基乙酯、丙烯酸乙酯基三甲基氯化铵、丙烯酸二甲氨基乙酯。优选为二甲基二烯丙基氯化铵(DMDAAC)，该单体是一种常见的阳离子单体，多用于石油开采，造纸等领域，也有聚合得到的阳离子聚合物作为絮凝剂用于水处理。发明人预料不到地发现，采用DMDAAC作为共聚单体，能够调节共聚物的结晶度，使得共聚物熔融温度有所降低。同时聚合后的高分子主链上具有五元环的结构，能够增强材料的强度，使得生物转盘在运行时，随着生物膜越来越厚，重量负载越越来越大，可以保持不变形，不脱落。发明还发现，由于DMDAAC 作为单体共聚后的改性材料，带有部分阳离子电荷，更有利于污水处理时的菌类附着，能够在更短时间内达到较高的生物量，提高污水处理效率。
季铵盐具有一定的广谱抗菌活性，但本发明制得的阳离子改性PVDC聚合物，在污水处理的生物膜法中最常使用的芽孢杆菌属(Bacillus)并没有不利影响。一方面是聚合物上阳离子浓度较低，而且在生物转盘表面还有一层乳胶，并不会阻碍微生物在生物转盘上的附着。
所述改性PVDC聚合物的制备方法，包括以下步骤：通过悬浮聚合法得到，将水和分散剂体配制为水相，将单体和引发剂配制为油相，将水相加入到油相中，在搅拌条件下加热进行反应，反应结束后放料，洗涤干燥即得，所述分散剂为水溶性纤维素和聚乙烯吡咯烷酮的复配。优选地，水溶性纤维素和聚乙烯吡咯烷酮的质量比为2-4:1。
进一步地，所述水溶性纤维素类选自羟丙基甲基纤维素(HPMC)、羟乙基纤维素、羟甲基纤维素中的至少一种；所述聚乙烯吡咯烷酮分子量为5000-8000。
所述水，引发剂，分散剂的用量为本领域所熟知，在本发明具体一个实施方案中，水的用量是水相是油相质量的1-2倍，引发剂的用量是单体总质量的0.3-0.8wt％，分散剂的用量是水相中分散剂浓度为10-20wt％。
聚合反应条件是加热至60-90℃，搅拌条件为600-1000rpm，聚合时间为12-24h。
引发剂没有特别的限定，为本领域所熟知，引发剂的的例子包括但不限于过氧类(BPO，DTBP，EHP，MEKP，过氧化环己酮)，过硫酸盐类(过硫酸钾，过硫酸钠，过硫酸铵)，偶氮类(AIBN)。
发明人预料不到地发现，采用水溶性纤维素类和聚乙烯吡咯烷酮复配的分散剂，能够有效分散体系，还能一定程度克服悬浮聚合分子量分布宽的缺陷，但分子量分布不易过窄，部分相对分子质量较低的存在，还能起到内增塑的作用，不需要额外加入增塑剂。因此，本发明制备得到的PVDC聚合物制备生物转盘盘片材料时，辅料中不加入增塑剂就可达到良好的可加工性。材料中的增塑剂在存放一段时间后有向表面迁移的趋势，不加入增塑剂，一方面避免了加工过程中的增塑剂的热分解；另一方面也增强了生物转盘盘片在水中的稳定性。
在本发明一个优选的悬浮聚合方法中，所述加热是采用阶段升温的方式，具体是先以 10-20℃/h的升温速率升温至40-50℃，维持该温度范围3-6h，再以2-5℃的升温速率升温至70-90℃，维持该温度范围12-18h至反应结束。在反应中期，聚合反应为放热反应，可能会导致温度过高，需要用冷凝水热交换的方式降低温度，不要使升温速率过快，或者使温度超过90℃，导致暴聚或者其他导致最终共聚物性能变差的现象。
在本发明另一个优选的悬浮聚合方法中，单体偏二氯乙烯(VDC)分两次投料，第一次投料是部分VDC和其他单体一起投料，占全部VDC的50-70％，聚合反应的15-20后，再投入剩余VDC；优选地，引发剂分为两次投料，第一次投料全部引发剂的70-90％，第二次是聚合反应15-20后，和第二次补加的VDC单体一起加入剩余引发剂。
由于各个单体的竞聚率不同，在反应的不同阶段，所得共聚物的单体比例是不一致的，特别是VDC单体的含量。严重可能导致所得生物转盘盘片的强度薄弱点。后期补加部分 VDC单体和引发剂，可以使PVDC聚合物的单体含量基本保持一致。
本发明制备得到的改性PVDC聚合物分子量为6-8万，分子量分布(PDI＝Mw/Mn)以1.8-2.2为宜，优选为1.9-2.1；熔融温度为140-145℃，最优选为142-143℃。
进一步地，所述生物转盘盘片的材料是通过包括以下步骤的制备方法得到的：将上述改性PVDC聚合物和辅料一起混料，造粒，拉丝，收卷，铺网，喷涂乳胶，热压，定形得到；优选地，所述辅料中不含增塑剂。
所述混料是PVDC和辅料先经过高混机中在70-90℃混合，再进入冷混机中降温混合；所述造粒是在双螺杆挤出机中，以150-160℃的工作温度挤出造粒；所述拉丝是先经过五棍牵引机进行初步拉伸定型，再经过七棍牵引机进行最终拉伸定型，拉丝的丝径为 0.5-1mm；所述乳胶为PVDC乳胶，用量是改性PVDC聚合物质量的80-150％；所述热压是在温度120-140℃的温度，最终得到一定厚度的生物转盘盘片材料。
优选地，拉丝的丝径为0.5-0.8mm，更优选为0.5-0.6mm。
优选地，在定形后，静置5-15天，优选静置8-10天以完成PVDC的结晶后，再进行剪裁。
本发明改性PVDC生物转盘盘片的制备过程中，通过对主要原料改性PVDC聚合物树脂的单体配方，以及制备工艺进行了优化，降低了PVDC聚合物的熔融温度，增强了其加工性能，同时力学性能还有提高，具有很好的稳定性。本发明提供的生物转盘盘片的形状没有特别的限定，一般为圆形，也可以制作为一定角度的扇形，角度为60-90°。比如申请人在前的专利CN201710388394.6记载的，为一个扇形主体。可以在圆形或在扇形主体上可以开设有多个贯穿孔，比如在60°的扇形上开设3-10个贯穿孔，具体比如每个扇形上具有3，4，5，6，7，8，9或10个贯穿孔。
相对于现有技术，本发明取得了以下有益效果：
一、本发明工艺流程简单，对水质适应性强，出水达标率高，污泥易于处理，高效节能，运行费用低，占地少。非常适合对餐厨垃圾污水进行处理。
二、本发明制备得到了改性的PVDC聚合物树脂作为生物转盘盘片的材料，引入了阳离子单体，特别是二甲基二烯丙基氯化铵(DMDAAC)，聚合后在主链上形成的五元环结构的链段，一方面能够改善PVDC的可加工性，使所得盘片的力学性能得到改善；另一方面，少量阳离子的存在使盘片在水中偏正电荷，更有利于吸附生物膜，实现处理系统芽孢杆菌优势化培养，使得初始生物量可以快速增加。本发明制备得到的生物转盘盘片挂膜量高，适合对城市高浓废水，比如餐厨垃圾污水的处理。
三、本发明制备得到了改性的PVDC聚合物树脂作为生物转盘盘片的材料，引入了阳离子单体，特别是二甲基二烯丙基氯化铵(DMDAAC)，聚合后在主链上形成的五元环结构的链段，一方面能够改善PVDC的可加工性，使所得盘片的力学性能得到改善；另一方面，少量阳离子的存在使盘片在水中偏正电荷，更有利于吸附生物膜，实现处理系统芽孢杆菌优势化培养，使得初始生物量可以快速增加。
四、本发明制备的生物转盘盘片为立体网状结构，应用时放置在缺氧区，40-50％浸没在水中，以2.5-5r/min的转速旋转，微生物挂膜量大，不易脱落，挂膜量是传统平面板和波纹板的900倍，同时便于形成盘片内部厌氧、缺氧和盘片外部好氧的环境，与生物膜本身微观层面的厌氧、缺氧、好氧环境相结合，发挥出更强的同步硝化反硝化作用，节省运行成本和生化池停留时间。
