公布日：2024.12.31
申请日：2024.10.18
分类号：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
本发明公开一种餐厨垃圾废水资源化处理工艺，属于餐厨垃圾资源化利用技术领域。本发明提供的处理工艺包括：向餐厨垃圾废水中加入高铁酸盐复合氧化剂进行调碱和氧化同步处理，加入生物铁或化学法聚合硫酸铁反应，再加入反硝化菌进行脱氮处理。本发明提供的处理工艺操作步骤简单，处理成本低廉，是一种变废为宝的餐厨垃圾资源化处理工艺。经处理后的餐厨垃圾废水COD≥50000mg/L，总氮、总磷含量显著下降，水中小分子有机物质含量增加，可生化性增加，满足污水处理厂补充碳源的要求，可作为碳源用于污水厂碳源补给。
权利要求书
1.一种处理剂组合物在餐厨垃圾废水资源化处理中的应用，所述处理剂组合物由高铁酸盐复合氧化剂、生物铁和反硝化菌组成；所述高铁酸盐复合氧化剂通过如下方法制备得到：a1)控制反应釜温度为40-45℃，将浓度为50％的液碱与浓度为12％的液体次氯酸钠搅拌混合，液碱与次氯酸钠质量比为(2-3):1；a2)在1000-1500转/min搅拌速度下，向反应釜中缓慢加入浓度为40％的液体氯化铁，液体氯化铁的加入体积为液体次氯酸钠的1/3-1/2，搅拌1-2小时，制备得到高铁酸盐复合氧化剂；所述生物铁通过如下方法制备得到：b1)向生物反应器中加入工业级固体硫酸亚铁和水形成浓度为400-450g/L的水溶液，加入无机盐使其在溶液中的终浓度满足(NH4)2SO41-1.5g/L、KCL0.1-0.2g/L、K2HPO40.2-0.3g/L、MgSO4·7H2O0.2-0.3g/L，引入菌种，配制得到微生物反应液，所述菌种为氧化亚铁硫杆菌与嗜酸菌的组合，菌种数比值为(6-9):1；b2)控制溶液中的溶解氧为4-5ppm，反应温度为20-40℃，反应24小时后，当溶液中Fe2+浓度低于0.1％时，将生物反应器中30％液体排出，静置熟化，得到生物铁；b3)向生物反应器中补加步骤S1所述的原料，重复步骤S2的反应，可持续循环得到生物铁；所述反硝化菌为反硝化杆菌与斯氏杆菌的组合，菌种数占比分别为50-90％和10-50％。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述餐厨垃圾废水中COD的浓度为70000-120000mg/L，BOD5的浓度为35000-70000mg/L，TN的浓度为1500-6000mg/L，TP的浓度为50-1200mg/L，所述餐厨垃圾废水包括餐厨垃圾经过传统处理工艺和/或发酵处理工艺产生的废水。
3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，所述餐厨垃圾废水选自餐厨垃圾发酵处理工艺产生的废水，所述餐厨垃圾发酵处理工艺指餐厨垃圾循环利用联合生物加工工艺，简称CBP工艺，废水中TN的浓度为3000-6000mg/L，TP的浓度为600-1200mg/L，pH为2-4。
4.一种餐厨垃圾废水资源化处理工艺，所述工艺包括：c1)向餐厨垃圾废水中加入高铁酸盐复合氧化剂进行调碱和氧化同步处理；c2)向上步反应体系中加入生物铁或化学法聚合硫酸铁反应，搅拌反应5-200分钟；c3)继续向反应体系加入反硝化菌进行脱氮处理，上清为餐厨垃圾资源化处理水。
5.根据权利要求4所述的工艺，其特征在于，在所述处理工艺中，高铁酸盐复合氧化剂加入量为1-100kg/吨餐厨垃圾废水；按含铁量1％计算，生物铁或化学法聚合硫酸铁的加入量为10-1000kg/吨餐厨垃圾废水；反硝化菌的加入量为0.01-10kg/吨餐厨垃圾废水。
6.根据权利要求5所述的工艺，其特征在于，针对CBP工艺产生的餐厨垃圾废水，高铁酸盐复合氧化剂加入量为10-25kg/吨餐厨垃圾废水；按含铁量1％计算，生物铁或化学法聚合硫酸铁的加入量为100-200kg/吨餐厨垃圾废水；反硝化菌的加入量为0.2-0.5kg/吨餐厨垃圾废水。
7.根据权利要求6所述的工艺，其特征在于，针对CBP工艺产生的餐厨垃圾废水，高铁酸盐复合氧化剂加入量为20kg/吨餐厨垃圾废水；按含铁量1％计算，生物铁或化学法聚合硫酸铁的加入量为200kg/吨餐厨垃圾废水；反硝化菌的加入量为0.2kg/吨餐厨垃圾废水。
8.一种以餐厨垃圾废水为原料，使用权利要求1-3任一所述的处理剂组合物，根据权利要求4-7任一所述的工艺处理得到的餐厨垃圾资源化处理水。
9.一种权利要求8所述的餐厨垃圾资源化处理水在作为污水处理厂碳源中的应用。
10.权利要求4-7任一所述的工艺在如下至少一项中的应用：d1)在餐厨垃圾废水资源化处理中的应用；d2)在制备餐厨垃圾资源化处理水中的应用。
发明内容
基于上述背景，本发明提供一种经济且高效的餐厨垃圾废水资源化处理的实用工艺，所述工艺操作步骤简单，处理成本低廉，处理后的餐厨垃圾废水COD≥50000mg/L，满足污水处理厂补充碳源的要求，且BOD5/COD、BOD5/TN、BOD5/TP的比值均显著提升，说明经过处理后水中小分子有机物质含量增加，可生化性进一步增加；总氮、总磷含量显著下降，并且NH3-N的含量显著下降，作为污水排放不会对污水处理厂水质产生较大影响。因此，经过本发明提供的工艺处理后的餐厨垃圾废水能够作为碳源满足污水厂碳源利用的需求。
本发明包括如下技术方案：
在本发明的第一方面，本发明提供一种处理剂组合物在餐厨垃圾废水资源化处理中的应用，所述处理剂组合物由高铁酸盐复合氧化剂、生物铁和反硝化菌组成。
所述高铁酸盐复合氧化剂通过如下方法制备得到：
a1)控制反应釜温度为40-45℃，将浓度为50％的液碱与浓度为12％的液体次氯酸钠搅拌混合，液碱与次氯酸钠质量比为(2-3):1；
a2)在1000-1500转/min搅拌速度下，向反应釜中缓慢加入浓度为40％的液体氯化铁，液体氯化铁的加入体积为液体次氯酸钠的1/3-1/2，搅拌1-2小时，制备得到高铁酸盐复合氧化剂。
若没有特别说明，本发明中出现的“浓度”均指质量浓度。
所述生物铁通过如下方法制备得到：
b1)向生物反应器中加入工业级固体硫酸亚铁和水形成浓度为400-450g/L的水溶液，加入无机盐使其在溶液中的终浓度满足(NH4)2SO41-1.5g/L、KCL0.1-0.2g/L、K2HPO40.2-0.3g/L、MgSO4·7H2O0.2-0.3g/L，引入菌种，配制得到微生物反应液，所述菌种为氧化亚铁硫杆菌与嗜酸菌的组合，菌种数比值为(6-9):1；
b2)控制溶液中的溶解氧为4-5ppm，反应温度为20-40℃，反应24小时后，当溶液中Fe2+浓度低于0.1％时，将生物反应器中30％液体排出，静置熟化，得到生物铁；
b3)向生物反应器中补加步骤S1所述的原料，重复步骤S2的反应，可持续循环得到生物铁。
通过上述方法制备得到的生物铁全铁含量为1-9％，盐基度为10-22％，外观为棕色黏稠液体。本发明所述的生物铁可替换为铁含量相同的化学法聚合硫酸铁，因此，化学法聚合硫酸铁属于本发明提供的生物铁的等同替换，将生物铁替换为化学法聚合硫酸铁的处理剂组合物也属于本发明技术方案的范围。
理论上，本发明所述的反硝化菌为本领域常规使用的具有脱氮作用的所有反硝化菌。在本发明的优选实施方式中，所述反硝化菌选自反硝化杆菌、斯氏杆菌、萤气极毛杆菌、脱氮小球菌、反硝化假单胞菌中的一种或两种以上的组合；最优选为反硝化杆菌与斯氏杆菌的组合，菌种数占比分别为50-90％和10-50％。
若没有特别说明，本发明所述的餐厨垃圾是指食品加工、饮食服务、单位供餐等活动中产生的饮食剩余物，尤其包括餐馆、饭店、食堂等场所产生的饮食剩余物。所述饮食剩余物包括废弃食用油脂和厨余垃圾。
本发明所述的餐厨垃圾废水包括餐厨垃圾经过传统处理工艺和/或发酵处理工艺产生的废水，所述餐厨垃圾废水中COD的浓度为70000-120000mg/L，BOD5的浓度为35000-70000mg/L，TN的浓度为1500-6000mg/L，TP的浓度为50-1200mg/L。
餐厨垃圾传统处理工艺废水是经餐厨垃圾制浆、蒸汽加热、油水分离产生的废水；餐厨垃圾发酵处理工艺废水是经餐厨垃圾制浆、蒸汽加热、发酵、油水分离产生的废水。在本发明的具体实施例中，所述餐厨垃圾发酵处理工艺特指餐厨垃圾循环利用联合生物加工工艺，简称CBP工艺。
进一步的，所述餐厨垃圾发酵处理工艺废水中TN的浓度为3000-6000mg/L，TP的浓度为600-1200mg/L，pH为2-4。废水中的总氮和总磷含量奇高，是影响废水资源化利用的最大屏障，本领域技术人员知晓，总氮和总磷会消耗水中的BOD5浓度，减少水中可被微生物利用的有机质含量，降低废水可生化性。因此，妥善治理废水中的总氮和总磷，同时保证废水的可生化性，是餐厨垃圾废水资源化处理的重中之重。本发明通过所述处理剂组合物的配合使用，使得处理后的餐厨垃圾废水中COD≥50000mg/L，TN和TP浓度显著下降，pH达到6-9，同时BOD5/COD、BOD5/TN、BOD5/TP的比值均显著提升，在提高废水可生化性的基础上，显著减少总氮和总磷含量。因此，经过本发明提供的处理剂组合物处理后的餐厨垃圾污水可作为碳源用于污水处理厂的碳源补给，真正做到从餐厨垃圾废水的无害化排放到资源化再利用。
在本发明的第二方面，本发明提供一种餐厨垃圾废水资源化处理工艺，所述工艺包括：
c1)向餐厨垃圾废水中加入高铁酸盐复合氧化剂进行调碱和氧化同步处理；
c2)向上步反应体系中加入生物铁或化学法聚合硫酸铁反应，搅拌反应5-200分钟；
c3)继续向反应体系加入反硝化菌进行脱氮处理，上清为餐厨垃圾资源化处理水。
本发明对反硝化菌脱氮时间不做具体限定，一般需要0.5小时以上，作用时间越长越好，优选0.5-24小时，48、72或96小时也可以，对最长时间没有限制。
在所述处理工艺中，所述高铁酸盐复合氧化剂的制备方法如本发明第一方面所述，高铁酸盐复合氧化剂加入量为1-100kg/吨餐厨垃圾废水，针对CBP工艺产生的餐厨垃圾废水优选加入量为10-25kg/吨餐厨垃圾废水，最优选为20kg/吨餐厨垃圾废水。
在所述处理工艺中，所述生物铁的制备方法如本发明第一方面所述，化学法聚合硫酸铁可通过商业途径购买得到。生物铁或化学法聚合硫酸铁(按含铁量1％计算)的加入量为10-1000kg/吨餐厨垃圾废水，针对CBP工艺产生的餐厨垃圾废水优选加入量为100-200kg/吨餐厨垃圾废水，最优选为200kg/吨餐厨垃圾废水。
在所述处理工艺中，所述反硝化菌是指所有的具有脱氮作用的所有反硝化菌；优选的，所述反硝化菌选自反硝化杆菌、斯氏杆菌、萤气极毛杆菌、脱氮小球菌、反硝化假单胞菌中的一种或两种以上的组合；最优选的，所述反硝化菌为反硝化杆菌与斯氏杆菌的组合，菌种数占比分别为50-90％和10-50％。反硝化菌的加入量为0.01-10kg/吨餐厨垃圾废水，针对CBP工艺产生的餐厨垃圾废水优选加入量为0.2-0.5kg/吨餐厨垃圾废水，最优选为0.2kg/吨餐厨垃圾废水。
本发明提供的高铁酸盐复合氧化剂为现制现用处理剂，能同时对餐厨垃圾废水进行调碱和氧化，将大分子有机物分解为小分子VFAs，并且脱除部分磷，发明人将其称为高级氧化处理。本领域技术人员知晓，常规的餐厨垃圾废水是酸性的，其pH通常为2-4，虽然废水氧化处理是本领域技术人员的常规操作，但是必须要先加碱将溶液pH调至6-9才能开始进行氧化反应，本发明通过加入自行制备的高铁酸盐复合氧化剂能实现调碱和氧化同步进行，显著降低成本，提高治理效率。并且，本发明提供的高铁酸盐复合氧化剂还能去除部分NH3-N，将其转化为亚硝态氮或硝态氮，便于后续使用反硝化菌进行脱氮处理，为提高BOD5/TN比值创造有利条件。此外，餐厨垃圾的废水比较臭，高铁酸盐符合氧化剂还能除臭，原理是其可以氧化掉臭味物质如硫化氢、硫醇和粪素等，同时杀死产生恶臭物质的微生物，大幅改善员工的工作环境。
本发明提供的生物铁是利用微生物与七水硫酸亚铁生成的微生物聚合硫酸铁，在本发明中主要起到脱磷的作用，同时，由于生物铁对大分子物质的絮凝效果较好，在调碱氧化之后加入生物铁能对水体中部分难降解COD进行絮凝沉淀，难降解COD即不容易被微生物利用的COD，将其絮凝沉淀后则间接提高了餐厨垃圾废水的可生化性。此外，本发明特意选择在反硝化菌脱氮之前加入生物铁进行反应的原因在于，微生物在反硝化活动的同时会吸磷，而吸磷会消耗大量的BOD5(1P:10-20BOD的比例)，导致餐厨垃圾废水中珍贵的BOD5减少。因此，本发明提供的处理方法先选择加入生物铁有效的脱除磷，再进行反硝化脱氮，避免在反硝化阶段珍贵的BOD5被消耗。另外，发明人还发现本发明提供的生物铁对餐厨垃圾废水具有明显的水体净化作用。
由于高铁酸盐复合氧化剂将废水中的部分NH3-N转化为亚硝态氮或硝态氮，为使用反硝化菌进行脱氮处理创造有利条件。本发明选择反硝化菌进行脱氮处理，有效降低废水中的总氮浓度，使BOD5/TN比值显著提升，增加废水的可生化性。本发明提供的反硝化菌可选自反硝化杆菌、斯氏杆菌、萤气极毛杆菌、脱氮小球菌、反硝化假单胞菌中的一种或两种以上的组合，可通过商业途径购买得到，也可通过自行培养筛选得到。通过发明人筛选和优化，得到的最佳反硝化菌为反硝化杆菌与斯氏杆菌的组合。
在本发明的第三方面，本发明提供一种以餐厨垃圾废水为原料，使用本发明第一方面提供的处理剂组合物，根据本发明第二方面提供的工艺处理得到的餐厨垃圾资源化处理水。
所述餐厨垃圾资源化处理水中COD的浓度≥50000mg/L，BOD5的浓度≥27000mg/L，NH3-N的浓度≤200mg/L，TN的浓度≤1500mg/L，TP的浓度≤60mg/L。
通过本发明提供的工艺处理得到的餐厨垃圾资源化处理水的COD浓度≥50000mg/L，满足污水处理厂补充碳源的要求，BOD5/COD≥0.5，BOD5/TN≥18、BOD5/TP≥450，与未处理的餐厨垃圾废水相比，可生化性显著提高。虽然资源化处理水中依然含有一定浓度的总氮和总磷，但是污水处理厂的碳源补充一般按照万分之一比例投加，相当于每1.0t水中投加0.1kg碳源，投加后在不考虑总氮和总磷去除的情况下，总氮和总磷浓度均降至很低水平，不会对污水处理厂水质产生较大影响。因此，根据本发明提供的工艺制备得到的餐厨垃圾资源化处理水可作为碳源用于污水处理厂的碳源补给。
在本发明的第四方面，本发明提供一种本发明第三方面所述的餐厨垃圾资源化处理水在作为污水处理厂碳源中的应用。
在本发明的第五方面，本发明提供一种本发明第二方面提供的工艺在如下至少一项中的应用：
d1)在餐厨垃圾废水资源化处理中的应用；
d2)在制备餐厨垃圾资源化处理水中的应用。
本发明提供的技术方案优势在于：
针对餐厨垃圾废水提供的处理工艺步骤简单，操作方便，且处理费用低，设备维护方便，能经济高效地解决餐厨垃圾废水处理难的问题。经过本发明提供的工艺处理后的餐厨垃圾废水不再是需要排放的污水，而是污水厂所需要的碳源，可作为一种商品销售于各污水处理厂，用于污水处理厂中的碳源补给。
目前，市面上的污水处理厂普遍使用的碳源包括甲醇、乙酸钠和葡萄糖类产品。甲醇为甲类危化品，且微生物对其响应较慢；乙酸钠的当量COD较低、成本昂贵；葡萄糖类的投加精准性差，更容易引起污泥膨胀。本发明提供的技术方案可以解决所述问题，以餐厨垃圾废水为原料，通过简单的工艺和低廉的处理成本就能制备得到污水处理厂所需的碳源。在目前餐厨垃圾产量持续增加的情况下，以此方法制备的碳源数量也是稳定的。
本发明成功地将餐厨垃圾废水无害化处理的现状变成可资源化利用，不仅解决了餐厨垃圾废水治理的问题，还将其变废为宝，具有较高的经济与社会环境效益。
（发明人：杨鹏）
