CN111333179B

CN111333179B - 一种餐厨垃圾乳酸发酵生产废水反硝化碳源的方法

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Publication number: CN111333179B
Application number: CN202010188313.XA
Authority: CN
Inventors: 高明; 汪群慧; 李晓玲; 吴川福; 马晓宇; 朱文彬; 李媛
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2020-03-17
Filing date: 2020-03-17
Publication date: 2021-09-14
Anticipated expiration: 2040-03-17
Also published as: CN111333179A

Abstract

一种餐厨垃圾乳酸发酵生产废水反硝化碳源的方法，属于固体废物资源化处理技术领域。本发明将餐厨垃圾作为原料，经分拣除杂后，控制固液比磨碎制浆分质分相处理，以及加热回收废弃油脂后，剩余垃圾浆料注入厌氧发酵罐进行批次乳酸发酵，发酵结束后经固液分离，含乳酸上清液可直接用作污水反硝化阶段的液态碳源，实现良好的生物脱氮效果，含氮残渣可收集回用，实现全资源化。本发明直接利用餐厨垃圾进行高效开放式乳酸发酵，充分利用餐厨垃圾中土著微生物菌群实现底物水解并高效地定向转化为乳酸，无需添加外源营养以及工业酶制剂，工艺简单生产成本低，实现餐厨垃圾资源化利用的同时，为污水处理厂反硝化段提供廉价碳源，提高生物脱氮效率。

Description

一种餐厨垃圾乳酸发酵生产废水反硝化碳源的方法

技术领域

本发明涉及固体废物资源化处理技术领域，尤其涉及一种利用餐厨垃圾为原料通过高效的开放式乳酸发酵模式，制备污水反硝化外加液体碳源的方法。

背景技术

随着城市人口增加和人民生活水平的不断提高，我国餐厨垃圾产量也在逐年增长。根据我国主要大中城市生活垃圾清运量测算，近年来我国主要城市实际每年平均产生餐厨垃圾不低于6000万吨，2016年产生餐厨垃圾约8865万吨。随着垃圾分类制度在我国逐步推进，餐饮业及日常生活所产生的餐厨垃圾采取集中收运统一处理的方式进行资源化利用，大量产生的餐厨垃圾给固废处理市场带来机遇的同时，也带来极大的挑战。

目前国内外餐厨垃圾的常规处理方法为焚烧、填埋、好氧堆肥和厌氧消化。由于餐厨垃圾为易腐有机物，其水分和油脂含量高，热值较低，焚烧处理会大大降低焚烧的热能利用，同时产生的有害气体会造成环境污染。填埋处理则产生大量沼气及渗滤液对环境造成二次污染，且占用土地。好氧堆肥由于油分、盐分及其他杂质在餐厨垃圾堆肥产品中的残留，导致肥料质量不高，对土壤存在不同程度的负面影响。厌氧消化产沼气是目前最为常见的餐厨垃圾处理方式，但产生的沼气能够实现上网发电的项目较少，而产生沼气仅能实现处理工艺内部热量循环供给，且需要考虑沼液和沼渣的处理问题，基建投资较大。除以上常规处理方法外，目前利用餐厨垃圾为原料通过微生物发酵生产液体化学品的研究也较多，如乙醇、乳酸、丁醇等等，然而这类资源化产品需要后续较为复杂的提纯工艺才能从复杂且低浓度的发酵液中回收提取高纯度化工产品，成本较高，其产品的商业竞争力较差。因此，目前亟需开发一种高效、简单且经济的餐厨垃圾资源化处理方法。

随着我国环境标准不断提高，对污水处理厂的总氮排放浓度控制更为严格。以传统硝化-反硝化为主的生物脱氮技术是水污染控制主要手段，而我国污水低COD/TN问题十分普遍，某些地区污水COD/TN比值仅为2～3，反硝化过程中无法达到所需COD/TN必需额外添加碳源。据了解，目前我国运行污水处理厂外加碳源费用占其吨水处理成本的25％以上。目前常用外加碳源为甲醇、乙酸、乙酸钠、糖类及污泥水解上清液，其中甲醇有一定的毒害作用，易燃不易运输；乙醇钠多为20％～35％的液体，COD当量低，本身成本及运输成本均较高，乙酸价格昂贵且具有挥发性，糖类如淀粉、葡萄糖等添加量不宜控制，会导致亚硝氮积累以及污泥膨胀的问题，效果不稳定；而污泥水解上清液等廉价碳源成分较为复杂，不宜实现长期稳定的反硝化脱氮效果。因此亟需寻找一种价格低廉，脱氮效率高，成分较为稳定的外加碳源。

利用餐厨垃圾为原料开发廉价污水反硝化外加碳源，实现以废治废的新模式。目前相关工作，如CN110157747A公开一种餐厨垃圾处理与资源化利用的方法，CN104324930A公开一种利用餐厨垃圾生产废水反硝化溶解性碳源的方法，CN103833133A公开一种基于餐厨垃圾水解酸化液处理生活污水的方法，以上报道均以厌氧水解酸化污泥做为接种物，发酵生成多种挥发性有机酸(VFA)混合物作为反硝化外加碳源，其成分复杂较难控制，并不能作为稳定的反硝化碳源。餐厨垃圾本身含大量土著微生物，大量研究工作证明，适当的调控发酵条件如温度、pH值以及碳/氮比等，可以有效控制其中水解菌和乳酸菌的生长，实现定向的高效乳酸发酵，如CN101671701A公开了一种开放式发酵食品废物生产L-乳酸的调控方法。与挥发性有机酸类碳源相比，乳酸的挥发性低，高效的乳酸发酵可以保证其发酵液的成分较为稳定，因此，利用餐厨垃圾为底物开发高效的定向产乳酸发酵技术，是获得廉价、稳定的污水反硝化液体碳源的关键，也是本发明的核心所在。

发明内容

(一)要解决的问题

针对现有餐厨垃圾处理及资源化技术存在的问题，以及污水处理反硝化外加碳源价格昂贵的问题，本发明提供一种餐厨垃圾乳酸发酵生产废水反硝化碳源的方法，该方法工艺简单生产成本低，实现餐厨垃圾资源化利用的同时，为污水处理厂反硝化段提供廉价碳源。

(二)技术方案

为实现以上技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种餐厨垃圾乳酸发酵生产废水反硝化碳源的方法，包含以下步骤：

(1)餐厨垃圾经分拣除杂去除不易发酵的部分，如金属、塑料、木头等，加水调节固液比(w/v)1:3～2:1，随后破碎制粗磨浆；

(2)分质分相预处理，将垃圾粗磨浆经滤网过滤，通过的餐厨垃圾浆料用于后续发酵，截留餐厨垃圾滤渣富含蛋白质，可收集回用；

所述分质分相预处理，过滤筛网孔径为1～3mm，餐厨垃圾中淀粉、葡萄糖等碳源底物将流向过滤浆料中，餐厨垃圾中蛋白质颗粒富集截留到滤渣中，减少餐厨垃圾自身氮源在后续乳酸发酵中的积累，影响脱氮效果。

(3)餐厨垃圾浆料注入蒸煮罐，加热温度60℃～80℃，加热时长45～75min，将餐厨垃圾内部凝结脂肪溶出，与表面浮油一起经三相分离器提取回收餐厨垃圾粗油脂；

(4)经提油后，剩余全部垃圾浆料注入批次乳酸发酵罐，将已完成富集驯化的餐厨垃圾乳酸复合菌扩培反应器中料浆作为接种物，按照10％～25％(v/v)的比例接种至批次发酵罐中，调节初始pH值6.5～7.2，维持发酵温度35℃～45℃，密封厌氧条件下搅拌，开放式发酵4～8d；

所述餐厨垃圾乳酸复合菌扩培反应器的启动，采用未经蒸煮提油的餐厨垃圾浆料为基质，设置连续进料或半连续进料模式进行培养，启动调节进料COD浓度50000～150000mg/L，稀释速率控制0.021～0.042h^-1，连续监测并实时调控发酵pH值5.5～6.8之间，维持发酵温度37℃～43℃，反应器启动后连续监测出料中乳酸浓度，待数值趋于稳定反应器运行平稳，即餐厨垃圾土著产乳酸微生物菌群驯化与富集完成。

(5)批次乳酸发酵结束后的浆料在3000～7000rpm下离心10～30min，或采用压滤的方式，进行固液分离，上清液可直接用作污水处理反硝化段外加液体碳源，其主要碳源成分以乳酸为主，另外包含乙酸、丙酸、丁酸等挥发性有机酸，分离后剩余固渣含乳酸菌体及蛋白质，收集回用。

(6)该液体碳源投加至污水处理的进水段或反硝化段，以及地下水硝酸盐去除过程中，混合均匀调节COD/TN为7～13，可实现良好反硝化脱氮效果。

进一步地，步骤(1)所述餐厨垃圾为市政集中分离收集的餐饮剩余物，以及食品加工过程中产生的含淀粉废物，如生面粉浆、土豆淀粉加工业的淀粉残渣以及玉米、木薯粮食产品或其加工剩余物。

进一步地，步骤(2)与(5)所述过程分别产生的含氮滤渣与含氮固渣，两者混合的蛋白质含量达20％～45％(w/w，干基)，可用于蚯蚓、蝇类、黑水虻、黄粉虫等生物转化生产昆虫体蛋白饲料的合成氮源。

所述步骤(6)餐厨垃圾乳酸发酵制备液体碳源，其中COD浓度达100000mg/L以上，BOD₅浓度达88000mg/L以上，相同污水处理工艺条件下，单投加单位餐厨垃圾碳源获得的反硝化速率与常规乙酸钠碳源基本相当。

本发明的原理为：利用餐厨垃圾开放式自然发酵产乳酸的特性，通过基质调控与定向发酵条件调控的方式，采用流加式发酵系统驯化和富集餐厨垃圾中土著微生物菌，获得高效水解餐厨垃圾和生产乳酸的功能微生物菌群，协同提高发酵速率和转化率，促进高浓度乳酸发酵液的高效生成，用做性能良好的液态反硝化碳源。同时，针对餐厨垃圾进行分质分相预处理，实现餐厨垃圾中蛋白质的分相去除，有效解决垃圾中高浓氮素进入反硝化碳源中的难题，含氮固态残渣集中收集后可用作生产昆虫体蛋白饲料的合成氮源，上述工艺流程实现餐厨垃圾的全资源化利用。

(三)有益效果

从以上描述可以看出，与现有技术相比本发明的有益效果在于：

(1)本发明解决了污水处理过程中反硝化段COD/TN低的问题，利用餐厨垃圾定向乳酸发酵获得廉价液体外加碳源，提高生物脱氮效率并降低吨水处理成本，同时实现餐厨垃圾的高效资源化利用。

(2)本发明采用连续式发酵系统调控的方式，实现餐厨垃圾中水解与发酵功能微生物菌群的定向驯化富集，实现稳定的餐厨垃圾乳酸生产，获得成分较为稳定的液体反硝化碳源。

(3)本发明利用分质分相的预处理方式，实现对餐厨垃圾中氮素在固相中的截留，解决生产液态反硝化碳源中氮素积累的问题，并获得高含氮固体残渣，实现全资源化利用。

(4)本发明工艺流程简单、经济成本低，操作方便，实现餐厨垃圾全部资源化利用，具有良好的推广应用前景。

附图说明

图1为本发明工艺流程图；

图2为本发明中餐厨垃圾预处理与批次乳酸发酵设备工艺流程图；

图3为本发明实施例1开放式批次乳酸发酵过程中碳源物质浓度变化图；

图4为本发明实施例2污水生物处理过程中氮素浓度变化图(外加餐厨垃圾液体碳源)；

图5为本发明对比例1污水生物处理过程中氮素浓度变化图(外加市售乙酸钠碳源)。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

实施例1

取市政集中收运的餐厨垃圾，经过分拣去除金属、塑料等，按照固液比1:1(w/v)加水混合，注入粉碎机进行破碎磨浆，粗磨浆经过滤网(Φ1mm)进行分质分相处理。滤渣截留了餐厨垃圾中约40％左右的蛋白质，测试滤渣干基的蛋白质含量32.52％，可收集回用。过滤后餐厨垃圾浆料蒸煮罐，加热温度80℃，加热时长60min，经三相分离器提取回收餐厨垃圾中75％的废弃油脂。提油后垃圾浆料注入厌氧发酵罐中，提取连续式餐厨垃圾乳酸复合菌扩培反应器中料浆作为接种物，接种比10％(v/v)，调节初始pH值7.0，发酵温度43℃，开放式发酵6d，发酵结果见图3。发酵后的物料在4000rpm下，离心15min实现固液分离。上清液可直接作为反硝化液体碳源，其主要成分以乳酸为主，HPLC测试乳酸浓度超过97g/L，COD达135342mg/L。发酵固体残渣经测试，其干基蛋白质含量42.54％，可收集回用。

实施例2

序批式SBR反应器，有效容积8L，水力停留时间6h，运行模式120min好氧,180min缺氧，60min静沉。反应器初始氨氮浓45mg/L,投加餐厨垃圾乳酸发酵液体碳源直接提高进水COD浓度达400mg/L，调节COD/TN比值9，曝气2h后水体中氨氮转化为硝态氮21.9mg/L，无亚硝态氮；缺氧反硝化处理3h后，出水未检测出硝态氮和亚硝态氮，氨氮浓度2.0mg/L，出水COD浓度为48mg/L，反应过程中不同型态氮素浓度变化见图4。反硝化速率达6.43NO^3-mg/(gMLVSS·h)^-1。

对比例1

序批式SBR反应器，有效容积8L，水力停留时间6h，运行模式120min好氧，180min缺氧，60min静沉。反应器初始氨氮浓度45mg/L，投加市售乙酸钠作为外加碳源直接提高进水COD浓度达400mg/L，调节COD/TN比值9，曝气2h后水体中氨氮转化为硝态氮浓度为24.3mg/L，亚硝态氮浓度为0.03mg/L，缺氧反硝化处理3h后，水中硝态氮浓度为0.67mg/L，亚硝氮浓度为2.17mg/L，氨氮浓度为0.42mg/L，出水COD浓度为49.7mg/L，反应过程中不同型态氮素浓度变化见图5。反硝化速率达6.46NO^3-mg/(gMLVSS·h)^-1。

上述实施例与对比例中，具体公开的数据选取、任何原料的选取等均不用于限定权利要求书中所保护的范围，选取权利要求书的各数值范围中的任何具体数值、原料等，均可完整的实施本发明的技术方案。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种餐厨垃圾乳酸发酵生产废水反硝化碳源的方法，其特征在于：以餐厨垃圾为原料，利用其中土著微生物菌群实现开放式定向乳酸发酵，制取污水反硝化外加液体碳源，具体步骤如下：

（1）餐厨垃圾经分拣除杂去除不易发酵的部分，加水调节固液比w/v 1:3~2:1，随后破碎制粗磨浆；

（2）分质分相预处理，将垃圾粗磨浆经滤网过滤，通过的餐厨垃圾浆料用于后续发酵，截留餐厨垃圾滤渣富含蛋白质，可收集回用；

所述分质分相预处理条件是，过滤筛网孔径为1~3 mm，餐厨垃圾中淀粉、葡萄糖碳源底物将流向过滤浆料中，餐厨垃圾中蛋白质颗粒富集截留到滤渣中，减少餐厨垃圾自身氮源在后续乳酸发酵中的积累，影响脱氮效果；

（3）餐厨垃圾浆料注入蒸煮罐，加热温度60℃~80℃，加热时长45~75 min，将餐厨垃圾内部凝结脂肪溶出，与表面浮油一起经三相分离器提取回收餐厨垃圾粗油脂；

（4）经提油后，剩余全部垃圾浆料注入批次乳酸发酵罐，将已完成富集驯化的餐厨垃圾乳酸复合菌扩培反应器中料浆作为接种物，按照10%~25% v/v的比例接种至批次发酵罐中，调节初始pH值6.5~7.2，维持发酵温度35℃~45℃，密封厌氧条件下搅拌，开放式发酵4~8 d；

所述餐厨垃圾乳酸复合菌扩培反应器的启动，采用未经蒸煮提油的餐厨垃圾浆料为基质，设置连续进料或半连续进料模式进行培养，启动调节进料COD浓度50000~150000 mg/L，稀释速率控制0.021~0.042 h^-1，连续监测并实时调控发酵pH值5.5~6.8之间，维持发酵温度37℃~43℃，反应器启动后连续监测出料中乳酸浓度，待数值趋于稳定反应器运行平稳，即餐厨垃圾土著产乳酸微生物菌群驯化与富集完成；

（5）批次乳酸发酵结束后的浆料在3000~7000 rpm下离心10~30 min，或采用压滤的方式，进行固液分离，上清液可直接用作污水处理反硝化段外加液体碳源，其主要碳源成分以乳酸为主，另外包含乙酸、丙酸、丁酸挥发性有机酸，分离后剩余固渣含乳酸菌体及蛋白质，收集回用；

（6）该液体碳源投加至污水处理的进水段或反硝化段，以及地下水硝酸盐去除过程中，混合均匀调节COD/TN为7~13，可实现良好反硝化脱氮效果;

所述步骤（6）餐厨垃圾乳酸发酵制备液体碳源，其中COD浓度达100000 mg/L以上，BOD₅浓度达88000 mg/L以上，相同处理工艺条件下，投加单位餐厨垃圾碳源获得的反硝化速率与投加常规乙酸钠碳源获得的反硝化速率相当。

2.根据权利要求1所述的餐厨垃圾乳酸发酵生产废水反硝化碳源的方法，其特征在于，所述步骤（1）餐厨垃圾为市政集中分离收集的餐饮剩余物，以及食品加工过程中产生的含淀粉废物，包括生面粉浆、土豆淀粉加工业的淀粉残渣以及玉米、木薯粮食产品或其加工剩余物。

3. 根据权利要求1所述的餐厨垃圾乳酸发酵生产废水反硝化碳源的方法，其特征在于，所述步骤（2）与步骤（5）过程分别产生的含氮滤渣与含氮固渣，按照干基计算，两者混合的蛋白质含量达20%~45% w/w，用于蚯蚓、蝇类、黑水虻、黄粉虫生物转化生产昆虫体蛋白饲料的合成氮源。