CN104324930A - 一种利用餐厨垃圾生产废水反硝化溶解性碳源的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用餐厨垃圾生产废水反硝化溶解性碳源的方法，以餐厨垃圾作为底物，应用漩涡重力分离、筛分及发酵控制技术，生产废水反硝化需要的可溶性碳源。利用该方法生产的溶解性碳源，挥发性脂肪酸的浓度达到20-30g/L，氨氮浓度小于150mg/L，溶解性磷的浓度小于50mg/L，可以以二百分之一到三百分之一的比例加入污水厂出水中作为碳源使用，污水出水深度处理后的总氮低于15mg/L，氨氮低于5mg/L，达到国家污水排放一级A标准。

Description

一种利用餐厨垃圾生产废水反硝化溶解性碳源的方法

一、技术领域

本发明涉及一种餐厨垃圾回收再利用的方法，具体地说是一种利用餐厨垃圾生产废水反硝化溶解性碳源的方法，属于废弃物资源化利用及废水深度处理技术领域。

二、背景技术

中国有众多河流、湖泊、水库和地下水被严重污染，导致资源性缺水和水质性缺水彼此叠加，使中国水资源严重短缺。通过对中国532条河流的污染状况进行的调查显示，已有436条河流受到不同程度的污染，占调查总数的82％。根据国家环保部水质自动监测周报2014年第43期的报告，全国主要河流141个重点断面中，Ⅳ类水质的断面为22个，占16％；Ⅴ类水质的断面为6个，占4％；劣Ⅴ类水质的断面为5个，占3％，表明我国河流的污染情况仍然非常严峻。对我国湖泊的调查显示，达到富营养化水平已达到63.3％，处于富营养和中营养状态的湖泊水库面积占湖泊水库总面积的99.5％，如巢湖和滇池每年都发生蓝藻爆发生长现象。河流和湖泊富营养化的主要污染物是总磷和总氮，因此，总氮和总磷的排放控制是水体污染治理的关键。

据住房和城乡建设部通报，截至2014年3月底，全国设市城市、县累计建成污水处理厂3622座，设计污水处理能力约1.53亿立方米/日，实际处理能力达到1.2亿立方米/日。随着建设数量的增加，建设规模的扩大，以及处理能力的不断增强，污水处理厂在改善水体质量中发挥了重要作用。但目前很多污水处理厂主要采用一级B的污水出水排放标准，出水中的总氮浓度仍然较高，一般为20-25mg/L左右，导致每年排入到河流和湖泊的中总氮量仍然较高。而且由于我国人口密度大，很多地方地表径流小，导致污水厂出水的稀释率低，限制了水体的自净功能，致使水体污染仍然非常严重。因此，污水处理厂提高出水水质提上了日程，环境保护部和住房和城乡建设部要求污水处理厂出水标准从原先的一级B提高到一级A标准，其中最主要就是大幅度降低总氮和总磷的排放。

目前污水处理厂深度脱氮处理主要通过硝化和反硝化细菌的作用，将硝态氮还原成氮气排放到大气。反硝化细菌是异养型细菌，在反硝化过程中需要溶解性有机碳源作为反硝化反应的电子供体，为了保证反硝化反应能够顺利进行，一般要求生化需氧量(BOD)/总凯氏氮(TKN)>4。但是我国城市污水管网系统目前并不完善，以及城市内化粪池的设置，导致排入污水处理厂污水的C/N比较低，碳源严重不足，无法满足反硝化所需的有机碳源。因此，反硝化过程必需添加外源碳源实现废水的深度脱氮。

目前污水处理厂一般采用添加工业甲醇和乙酸作为反硝化碳源，但甲醇和乙酸的成本较高，极大地增加了污水的处理成本，限制了其更广泛的应用。因此，寻找廉价的溶解性碳源成为降低污水处理厂污水深度处理成本的关键。国内外已研究利用剩余污泥发酵作为反硝化碳源，但污泥中的氮磷含量都较高，限制了其进一步利用。我国每年都产生大量的餐厨垃圾，据估计足够2亿人的食物，数量非常巨大。但餐厨垃圾中有一定含量的蛋白质和磷，直接采用厌氧发酵方法，厌氧发酵液中含有高浓度的氨氮和溶解性磷，作为溶解性碳源会带入高浓度的氨氮到处理的污水出水中，导致除去硝态氮，带入氨氮的结果。因此，利用餐厨垃圾发酵生产低氮磷含量的溶解性碳源是可实现大幅度降低污水反硝化成本的关键，也是本发明的核心所在。

三、发明内容

本发明旨在提供一种利用餐厨垃圾生产废水反硝化溶解性碳源的方法，通过对餐厨垃圾的资源化再利用，生产低氨氮、低磷含量的溶解性碳源，作为污水深度反硝化脱氮的外加碳源，为污水反硝化过程提供电子供体，使得污水处理厂出水氨氮的含量低于5mg/L、总氮含量低于15mg/L，达到国家废水排放一级A标准。

本发明利用餐厨垃圾生产废水反硝化溶解性碳源的方法，包括漩涡重力分离、预处理及厌氧发酵各单元过程：

所述漩涡重力分离是将从食堂和餐厅收集得到的固态餐厨垃圾和水按质量比1:5的比例混合，过筛(孔径为7mm)除去塑料制品、纸巾、骨头、大块肉类、一次性筷子等杂物后得到餐厨垃圾混合物；将所述餐厨垃圾混合物加入旋转式餐厨垃圾组分分离器中进行漩涡重力分离，控制转速为70-100转/分钟，除去上层漂浮物以及沉入底部的小骨头及其它重物，从分离器侧下方收集混合沉淀物，该混合沉淀物的主要成分为碳水化合物。

所述预处理是将收集的混合沉淀物机械压碎，控制压碎的机械压力为0.12-0.13MPa，这样能避免将肉类和蔬菜等高蛋白物质完全粉碎，然后加入3倍质量的水，混合均匀，过10目的筛网后收集得到浆状物。

所述厌氧发酵是将所述浆状物加入已驯化完成的连续式水解酸化生物反应器中。水解酸化生物反应器的接种物为厌氧酸化污泥，厌氧酸化污泥的挥发分(微生物)浓度为4-6g/L，所述浆状物的添加浓度为40-60g/L，添加负荷为20g/(升·天)，控制水解酸化的停留时间为12-36小时，温度控制在25-35℃；通过加入氢氧化钠，控制反应器内溶液的pH值在8.0-8.5之间，酸化降解后反应器出水经4000转/秒离心后上清液即可作为反硝化溶解性碳源。其中总挥发性脂肪酸浓度达20-30g/L，氨氮浓度小于150mg/L，溶解性磷的浓度小于50mg/L，可以以二百分之一到三百分之一的比例加入污水厂出水中作为溶解性碳源使用，深度处理后的污水达到国家污水排放一级A标准。

连续式水解酸化生物反应器的驯化过程如下：

接种种子污泥(即取自污水处理厂的活性污泥)，控制接种污泥中的挥发分(微生物)浓度为4-6g/L，以糊化淀粉(淀粉在100℃沸水中煮20分钟并冷却至室温)为底物，底物添加负荷逐渐从5g/(升·天)增加到20g/(升·天)。反应器运行条件为：控制温度为25-35℃，水力停留时间为12-36小时，通过添加氢氧化钠控制反应器溶液pH在8.0-8.5范围内。当添加负荷持续为20g/(升·天)，出水中挥发性脂肪酸和可溶性有机碳浓度保持稳定时，即表示水解酸化生物反应器驯化完成。

本发明处理方法具体原理如下：

餐厨垃圾是淀粉、骨头、肉类和蔬菜等食品的混合物，肉类和蔬菜及骨头的比重和淀粉类物质不同，利用筛网和漩涡重力分离的方法可以去除大部分骨头、肉类和蔬菜等蛋白类食品混合物，而预处理可以进一步去除纤维状的肉类和蔬菜，收集的浆状物中绝大部分为淀粉类碳水化合物。通过控制生物反应器的水力停留时间和pH值，优化反应器内微生物种群结构，控制水解碳水化合物类物质的微生物为优势菌群，降解碳水化合物，生成溶解性碳源，作为反硝化微生物的电子供体。

与现有的技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明采用漩涡重力分离及预处理技术，能有效地将淀粉类的物质和肉类、蔬菜及骨头等餐厨垃圾分离，大幅度减少用作发酵底物的餐厨垃圾中蛋白类的物质的大量带入，这是实现通过发酵生成低氮和低磷的溶解性碳源的重要基础。

2、本发明采用控制性发酵技术，通过探索和优化生物反应器条件，实现碳水化合物酸化菌群为反应器内的优势菌群，微生物生长本身消耗掉部分氨氮和磷，实现发酵溶解性产物中氨氮和磷的浓度较低，溶解性碳源浓度较高。

四、附图说明

图1是本发明使用的筛分及漩涡分离后餐厨垃圾的发酵装置。

图2是向废水中加入本发明溶解性碳源的反硝化效果。从图2中可以看出，源水中硝酸盐的浓度为25mg/L，加入餐厨垃圾发酵生产的溶解性碳源后，经过120分钟反硝化反应，硝酸盐的浓度降低至0-0.5mg/L。

图3是向废水中加入纯乙酸和丁酸的反硝化效果。从图3中可以看出应用纯乙酸和纯丁酸，并按1:1或1:2比例混合，经过120分钟反硝化反应后，残留硝酸盐浓度和添加餐厨垃圾发酵生产的溶解性碳源的效果类似。

图4是向废水中加入本发明溶解性碳源后水中的氨氮浓度。从图4中可以看出添加餐厨垃圾发酵生产的溶解性碳源进行反硝化后，水中氨氮的浓度小于4mg/L，低于国家标准规定的5mg/L，说明餐厨垃圾发酵生产的溶解性碳源能够作为废水深度处理的反硝化碳源。……

五、具体实施方式

实施例1：

本实施例中利用餐厨垃圾生产废水反硝化溶解性碳源的方法，包括漩涡重力分离、预处理及厌氧发酵各单元过程：

1、漩涡重力分离

从合肥某大学食堂取固态餐厨垃圾10公斤，将该固态餐厨垃圾和水按质量比1:5的比例混合，过孔径为7mm的筛网除去塑料制品、纸巾、骨头、大块肉类、一次性筷子等杂物后得到餐厨垃圾混合物；将所述餐厨垃圾混合物加入旋转式餐厨垃圾组分分离器中进行漩涡重力分离，控制转速为70-100转/分钟，除去上层漂浮物以及沉入底部的小骨头及其它重物，从分离器侧下方收集混合沉淀物，该混合沉淀物的主要成分为碳水化合物。

2、预处理

将收集的混合沉淀物机械压碎，控制压碎的机械压力为0.12-0.13MPa，这样能避免将肉类和蔬菜等高蛋白物质完全粉碎，然后加入3倍质量的水，混合均匀，过10目的筛网后收集得到浆状物。

3、厌氧发酵

连续式水解酸化生物反应器的驯化：

图1所示的4L连续式的水解酸化生物反应器，接种取自某污水处理厂的活性污泥，控制接种污泥中的挥发分(微生物)浓度为5g/L，以糊化淀粉(淀粉在100℃沸水中煮20分钟并冷却至室温)为底物，底物添加负荷逐渐从5g/(升·天)增加到20g/(升·天)。反应器运行条件为：控制温度为30℃，水力停留时间为15小时，通过添加氢氧化钠控制反应器溶液pH在8.0-8.5范围内。当添加负荷持续为20g/(升·天)，出水中挥发性脂肪酸和可溶性有机碳浓度保持稳定在15-20g/L时，即表示水解酸化生物反应器驯化完成。

将所述浆状物加入图1所示的4L驯化完成的连续式水解酸化生物反应器中，所述浆状物的添加浓度为40-60g/L，负荷为20g/(升·天)，控制水解酸化的停留时间为15小时，温度控制在30℃，通过加入氢氧化钠控制反应器内溶液的pH值在8.5，收集发酵液并离心(4000转/秒)，上清液即为溶解性有机碳源，测定其中挥发性脂肪酸含量为18-20g/L，稀释到挥发性脂肪酸含量10g/L待用。

实施例2：利用本发明溶解性碳源处理含硝态氮废水

接种4L的SBR反应器，按照表1所示，加入硝酸钾作为硝酸盐(25mg/L硝酸根)，并分别加入乙酸和正丁酸的混合碳源(10g/L)及本发明溶解性碳源(10g/L)，反硝化反应在微氧或缺氧(溶解氧小于0.1mg/L)的条件下进行。在反硝化反应过程中，在0min、5min、10min、15min、20min、25min、30min、35min、40min、45min、50min、55min、60min、70min、80min、90min、100min、110min、120min等时间点取样，每次8mL，立即用台式高速离心机离心处理，离心机转速为10000转/min，离心10min，离心后上清液过滤处理，分析反硝化过程中硝态氮、氨氮的浓度变化，结果如图2、图3和图4所示，表明废水中的硝态氮能被有效去除，氨氮浓度控制在5mg/L以下。

表1硝酸钾和外加碳源的接种比例设计

注：中温为30℃，底物即指步骤3中加入的浆状物，上清液为稀释至挥发性脂肪酸含量10g/L后的溶液。

Claims (3)

1.一种利用餐厨垃圾生产废水反硝化溶解性碳源的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)漩涡重力分离

将从食堂和餐厅收集得到的固态餐厨垃圾和水按质量比1:5的比例混合，过筛除去塑料制品、纸巾、骨头、大块肉类、一次性筷子等杂物后得到餐厨垃圾混合物；将所述餐厨垃圾混合物加入旋转式餐厨垃圾组分分离器中进行漩涡重力分离，控制转速为70-100转/分钟，除去上层漂浮物以及沉入底部的小骨头及其它重物，从分离器侧下方收集混合沉淀物；

2)预处理

将收集的混合沉淀物机械压碎，然后加入3倍质量的水，混合均匀，过10目的筛网后收集得到浆状物；

3)厌氧发酵

将所述浆状物加入已驯化完成的连续式水解酸化生物反应器中，水解酸化生物反应器的接种物为厌氧酸化污泥，厌氧酸化污泥的挥发分浓度为4-6g/L，所述浆状物的添加浓度为40-60g/L，添加负荷为20g/(升·天)，控制水解酸化的停留时间为12-36小时，温度控制在25-35℃；酸化降解后反应器出水经4000转/秒离心后上清液即为反硝化溶解性碳源。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

步骤2)中控制压碎的机械压力为0.12-0.13MPa。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

步骤3)中控制反应器内溶液的pH值在8.0-8.5。