一种适用于强化餐厨垃圾水解制备碳源的复合药剂及方法与流程

本发明涉及一种餐厨垃圾处理药剂和方法，特别涉及一种适用于强化餐厨垃圾水解制备碳源的复合药剂及方法，属于餐厨垃圾资源化利用。

背景技术：

1、餐厨垃圾是指餐馆、饭店、单位食堂等的饮食剩余物以及后厨的果蔬、肉食、油脂、面点等的加工过程废弃物。餐厨垃圾极易腐烂变质，散发恶臭，传播细菌和病毒，如果不及时处理会给人的身体健康和人居环境造成极大的危害。但同时餐厨垃圾因其高cod值和高c/n比的特质，可以作为外加碳源为反硝化细菌提供营养物资和电子供体而成为了绝佳的外加碳源物料。但是由于餐厨垃圾的成分比较复杂，其具备的高油脂、高氨氮、高大分子有机质的特性导致其作为外加碳源在实际运用的过程中存在如下问题：1.餐厨垃圾含油较高，虽然经过三相离心后其中大部分的油脂已被去除，但是其残留油脂量还是高达0.8～1％，大量研究表明：油脂会包裹发酵体系中的微生物并将其带到发酵体系上层，降低体系中的微生物量，从而抑制水解速率，不仅如此，油脂难以降解，随着碳源产品进入生化系统，还会抑制生化系统的反应，造成二次污染；2.餐厨垃圾水解产酸的过程中，由于有机酸的生成，会导致浆液ph下降，甚至当酸积累到一定浓度时会产生酸抑制，导致水解无法继续进行，浆液水解不彻底，大量大分子物质无法被降解，这些大分子物质残留在碳源产品中进入后端生化系统，大分子的降解需要时间，而生化系统的停留时间不够，导致降解不完全，最终会导致系统出水cod较高；3.餐厨垃圾作为外加碳源，因其含氮较高，作为外加碳源引入生化系统后会增加系统的氮负荷，如降解不完全还会造成后端出水的二次污染。

2、针对这些问题，近年来，研究人员开发了一些药剂如文献“优化餐厨垃圾乳化液深度去油方案”(邓蒙轩等，科学技术与工程，20.4(2020):7)中使用聚合硫酸铁进行破乳，对餐厨垃圾进行了去油处理，最终取得了不错的效果。但是此方法消耗了scod，对后续水解不利；如文献“柠檬酸钠强化剩余污泥酶水解和酸化的研究”(罗琨等，环境科学学报，35.11(2015):6)中使用阳离子络合剂柠檬酸钠强化剩余污泥的水解和酸化，取得了理想的效果，但是药剂功能单一，适用面窄。所以急需找到一种功能多样，适用面广，既能消除不利因子又能促进后端水解的复合型药剂。

技术实现思路

1、针对现有技术中餐厨垃圾作为外加碳源在其制备及使用过程中存在油脂含量高、酸抑制导致难降解有机物含量高、氮含量高等技术问题，本发明的第一个目的在于提供一种适用于强化餐厨垃圾水解制备碳源的复合药剂，该复合药剂用于餐厨垃圾水解制备碳源过程，能够有效减缓或消除水解抑制因素促进后端水解，同时消除碳源产品中的不利因子，提升碳源产品的附加价值的目的。

2、本发明的第二个目的是在于提供一种餐厨垃圾水解制备碳源的方法，使用该复合药剂能够有效降低碳源产品中油脂含量40～45％，增加小分子有机酸含量2～3倍，且氨氮去除率达到65～75％，磷去除率达到80～90％，有利于餐厨垃圾的资源化处理。

3、为了实现上述技术目的，本发明提供了一种适用于强化餐厨垃圾水解制备碳源的复合药剂，其活性成分包括碳酸氢钠(nahco3)、烷基糖苷(apg0810)、磷酸氢二钠(na2hpo4)和氯化镁(mgcl2)。

4、本发明的复合药剂活性成分包括nahco3、apg0810、na2hpo4和mgcl2，这些活性成分之间具有协同作用，能够解决传统药剂功能单一，效果不明显等问题。本发明的复合药剂在餐厨垃圾水解制备碳源过程中协同作用的机理如下：(1)复合药剂中包含烷基糖苷，可以实现油污基质表面的湿润反转、渗透和分散等作用实现乳化油污的破乳，然后通过油水分离实现油脂的去除，油脂的去除可以缓解油脂对于餐厨垃圾水解的抑制，促进水解的发生，也可以降低碳源产品的油脂含量，提高碳源产品的附加价值；(2)复合药剂中含有碳酸氢钠和磷酸氢二钠等酸式盐，对溶液体系的ph起到很好的缓冲作用，可以在水解过程中和餐厨浆液中的vfas、nh4+-n组成多元ph缓冲体系，在缓冲体系的作用下，系统的ph值可以维持稳定，而稳定的生长环境更有利于水解产酸细菌的生长代谢，削弱发酵过程中因有机酸积累造成的酸抑制，进一步促进水解；(3)复合药剂中含有磷酸根离子和镁离子，餐厨浆液中含有铵离子，在碱性环境中这三种离子相互结合反应生成磷酸铵镁(mgnh4po4·6h2o)，而磷酸铵镁的溶度积为1×10-13～7.08×10-14，在水中的溶解度极小，通过固液分离可以实现氮磷的同步回收，回收的磷酸铵镁是一种缓释肥料，可以用于农业生产；(4)烷基糖苷是可生物降解的环保药剂，它可以作为水解微生物早期营养物质丰富微生物群落，碳酸氢钠作为缓冲溶液可以为水解微生物提供稳定的环境促进微生物的生长，其他盐成分也可以作为微生物生长的营养盐促进其生长。复合药剂中的组分协同解决了餐厨垃圾作为外加碳源在制备和使用过程中的油脂含量高、难降解有机物含量高、氮含量高的问题，在提高水解效率的同时提升了碳源产品的附加价值。

5、作为一个优选的方案，所述nahco3、apg0810、na2hpo4和mgcl2之间的质量比为(2.5～3.75):(500～750):(140～210):(165～247.5)。如果apg0810用量太低时，则复合药剂难以与污染物充分接触，导致其油脂去除效率不佳，而过高的添加量对油脂去除效率的提升并不明显，还会增加成本；nahco3使用量过高或过低都不利于缓冲体系的形成，其添加量取决于溶液中酸和氨氮的含量；na2hpo4和mgcl浓度太高会导致系统渗透压偏高破环细胞结构，抑制水解菌的生长，太低则无法很好地形成沉淀回收氮磷。

6、作为一个优选的方案，所述复合药剂包含水和活性成分，所述活性成分中nahco3在水中的浓度为2.5～3.75mg/ml、apg0810在水中的浓度为500～750mg/ml、na2hpo4在水中的浓度为140～210mg/ml、mgcl在水中的浓度为165～247.5mg/ml。

7、作为一个优选的方案，所述复合药剂的ph为5.5～6.5。

8、本发明提供了一种餐厨垃圾水解制备碳源的方法，其包括以下步骤：1)将餐厨垃圾通过三相离心预处理，得到餐厨浆液；2)将所述的复合药剂加入所述餐厨浆液中搅拌反应后，静置处理，再撇掉上清夜，得到脱油浆液；3)将活性污泥接种至脱油浆液中，进行厌氧水解，水解产物在碱性条件下进行沉淀反应，上层清液即为碳源溶液。

9、本发明提供的餐厨垃圾水解制备碳源的方法，先对餐厨垃圾进行离心预处理，主要是脱除绝大部分油脂，而残留的油脂含量在0.8～1％，这些油脂的存在对后续的厌氧水解过程是不利的，而通过引入复合药剂，利用复合药剂增强油脂的渗透和分散等作用以实现油水分离，从而达到深度去除油脂的目的。脱除油脂的浆料顺利进入厌氧水解过程，复合药剂具有稳定体系ph的作用，其通过与餐厨浆液中的vfas、nh4+-n组成多元ph缓冲体系，为水解产酸细菌的生长代谢提供稳定的ph环境，促进有机酸水解，降低发酵过程中因有机酸积累造成的酸抑制，厌氧水解完成后，通过调节体系至碱性环境，可以利用复合药剂中引入的po43-、nh4+与mg2+等生成稳定的磷酸铵镁复合盐沉淀，达到脱磷脱氨的目的。

10、作为一个优选的方案，所述复合药剂与餐厨浆液的体积比为(2～3):100；所述餐厨浆液的ts质量含量为8～12％。复合药剂添加量如果在此基础上继续增长，其污染物去除效果和水解强化效果提升并不明显，且会增加系统的成本。更有甚者，添加量过高还可能导致溶液中盐分过高，破坏细胞内外的渗透压平衡，使微生物失去活性，抑制水解。反之，如果添加量过低，反应分子之间无法充分接触碰撞，反应速率也会随之下降。

11、作为一个优选的方案，所述搅拌反应的时间为30～60min，搅拌速率为300～500rpm/min。通过机械搅拌能够促进复合药剂与餐厨浆液之间的相互作用，提高油脂的渗透和分散能力，改善油水分离效果。静置处理的时间为40～80min。

12、作为一个优选的方案，所述厌氧水解的温度为37～38℃，时间为4～6d，采用间断性搅拌辅助厌氧水解，时间间隔为0.5～1.5h，搅拌速率为300～500rpm/min。

13、作为一个优选的方案，调节ph的碱性试剂为4～6mol/l的naoh，ph调节范围为7.5～8.5，沉淀反应时间为30～60min，静置时间为80～120min。在优选的反应条件下，可以促进磷酸铵镁复合盐沉淀的生成。

14、本发明提供的强化餐厨垃圾水解制备碳源的方法，包括以下具体步骤：

15、s1：取餐厨垃圾三相离心液，其ts含量为8～12％；按复合药剂和餐厨浆液体积比为2～3％往混合浆液中投加复合药剂，投加过程中辅以搅拌，搅拌速率为300～500rpm/min，保证药剂混合均匀且与浆液接触充分，反应30～60min后，静置40～80min，撇掉上清夜；其中，复合药剂的配方如下：碳酸氢钠(nahco3)2.5～3.75mg/ml、烷基糖苷(apg0810)500～750mg/ml、磷酸氢二钠(na2hpo4)140～210mg/ml、氯化镁(mgcl2)165～247.5mg/ml，调节ph至5.5～6.5。

16、s2：按接种活性污泥与餐厨浆液的体积比为1:(3～5)，往浆液中投加接种污泥，然后开始对餐厨垃圾浆料进行厌氧水解，水解温度为37～38℃，时间为4～6d，过程中对浆液进行间断性搅拌，中间断性搅拌的时间间隔为0.5～1.5h，搅拌速率为300～500rpm/min。

17、s3：水解完成后，向系统中添加碱性试剂，碱性试剂为4～6mol/l的naoh，调节系统ph至7.5～8.5，反应30～60min后，静置60～120min，取上清液。

18、本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

19、本发明提供的复合药剂在餐厨垃圾水解制备碳源过程中主要起到协同作用，能够带来以下有益效果：第一方面，可以提高餐厨浆液的脱油脂效果，消除油脂对水解抑制，促进水解的发生，同时降低后端产品的油脂含量，提高产品附加值；第二方面，可以稳定厌氧水解过程中体系的ph，通过与vfas、nh4+-n组成多元ph缓冲体系，为水解产酸细菌的生长代谢提供稳定的ph环境，削弱发酵过程中因有机酸积累造成的酸抑制，有利于促进厌氧水解过程；第三方面，可以实现体系中氨氮和磷的回收，通过引入po43-和mg2+离子与nh4+在碱性环境中反应生成难溶物mgnh4po4·6h2o沉淀，再通过固液分离回收废水中的氮磷；第四方面，烷基糖苷是可生物降解的环保药剂，它可以作为水解微生物早期营养物质丰富微生物群落，碳酸氢钠作为缓冲溶液可以为水解微生物提供稳定的环境促进微生物的生长，其他盐成分也可以作为微生物生长的营养盐促进其生长。综上所述，复合药剂中的活性组分协同解决了餐厨垃圾作为外加碳源制备和使用过程中的油脂含量高、难降解有机物含量高、氮含量高的问题，在提高效率的同时提升了碳源产品的附加价值。

20、本发明的复合药剂采用的成分是可生物降解有机质和营养盐，对人体无害，环保无污染。