散點(diǎn)狀小規(guī)模廚余垃圾回收技術(shù)研究和應(yīng)用

殷小鋒，甄曉云，張　偉

(云南利魯環(huán)境建設(shè)有限公司，云南 昆明 650041)

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散點(diǎn)狀小規(guī)模廚余垃圾回收技術(shù)研究和應(yīng)用

殷小鋒，甄曉云，張偉

(云南利魯環(huán)境建設(shè)有限公司，云南 昆明 650041)

摘要：研究開發(fā)了一種利用“高溫好氧消化技術(shù)”的小型餐廚垃圾處理設(shè)備,處理量為100kg/d，通過篩選馴化能對廚余垃圾進(jìn)行有效處理的菌種，將廚余垃圾進(jìn)行油水分離后，調(diào)整廚余垃圾的含水率至55%，接種底物1%的菌制劑，通過PLC溫度控制系統(tǒng)控制溫度，對廚余垃圾進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理。進(jìn)行發(fā)酵處理后的產(chǎn)物基本滿足國家有機(jī)肥標(biāo)準(zhǔn)，可做有機(jī)肥料進(jìn)行再利用，并且降低致病菌繁殖危害。這種小型的廚余垃圾處理設(shè)備，能針對性地對呈“散點(diǎn)狀”分布的學(xué)校及交通干線沿線的餐廚垃圾進(jìn)行處理。

關(guān)鍵詞：廚余垃圾；散點(diǎn)狀小規(guī)模處理；高溫好氧消化；廚余垃圾處理設(shè)備；研究應(yīng)用

0引言

隨著人們的生活日益進(jìn)步，廚余垃圾逐漸成為食物垃圾中最主要的一種，包括家庭、食堂以及餐飲行業(yè)等產(chǎn)生的食物加工廢棄物。相較于其他的生活垃圾來說，這些廚余垃圾通常成分復(fù)雜，包括水、油、蔬果、米面、肉類以及廢餐具、塑料、紙屑等。這些廢棄物通常以糖類、淀粉和動物脂肪為主，鹽分、油脂含量很高(袁玉玉，2006)。但廚余垃圾有毒有害物質(zhì)含量較低，有很好的再利用價值。通常廚余垃圾含水率較高，若隨意堆棄，其滲濾水通過滲透作用和地表徑流記憶污染地表水和地下水。廚余垃圾有機(jī)質(zhì)含量很高，在溫度較高的條件下，極易腐爛發(fā)臭，產(chǎn)生大量氨、硫化物等有害氣體，會對大氣造成進(jìn)一步的污染(王莉，2011)。

在我國，由于餐飲文化的差異，所產(chǎn)生的廚余垃圾遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于西方人。長期以來廚余垃圾在我國被用于牲畜喂養(yǎng)，例如泔水喂豬。不能用于喂養(yǎng)牲畜的廚余垃圾常常通過粉碎直排的方式排入城市下水管網(wǎng)，極易造成堵塞和二次污染(汪群慧，2004)。隨著對廚余垃圾的再利用價值認(rèn)識的加深，廚余垃圾的集中化處理和再利用技術(shù)已在國內(nèi)外被大量運(yùn)用(王興宇，2012；張健，2012；Refsgaard，2009；Fehr，2002)。這些處理方式通常包括填埋、蚯蚓堆肥、提取生物降解塑料技術(shù)、固態(tài)發(fā)酵、好氧堆肥等(汪群慧，2004；Lai，2009；Zhang，2007)。

城市中對廚余垃圾的集中處理并不難辦到，各省市都相應(yīng)地頒布了關(guān)于廚余垃圾的處理規(guī)定和條例。隨著城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，許多地區(qū)逐漸將高等院校移至遠(yuǎn)離城市的郊區(qū)，而高速公路和交通干道的建設(shè)也導(dǎo)致許多服務(wù)區(qū)、集中餐區(qū)等餐飲服務(wù)型行業(yè)在離城區(qū)較遠(yuǎn)的區(qū)域發(fā)展起來。這些分散的區(qū)域通常無法統(tǒng)一地對廚余垃圾進(jìn)行處理，導(dǎo)致了小規(guī)模的廚余垃圾日益呈現(xiàn)“散點(diǎn)狀”分布。

以云南省為例，云南省高速公路已達(dá)2500多km，運(yùn)營服務(wù)區(qū)近50個，另外還有眾多收費(fèi)站點(diǎn)。這些服務(wù)區(qū)與收費(fèi)站遠(yuǎn)離市區(qū)，且人流量較大，日常產(chǎn)生大量的生活污水及廚余垃圾。目前生活污水已基本得到處理，出水達(dá)到環(huán)保部規(guī)定的要求。廚余垃圾一部分被清運(yùn)至城市垃圾處理系統(tǒng)，一部分被當(dāng)?shù)厝诉\(yùn)至養(yǎng)豬廠，大部分廚余垃圾并未得到處理，或者排入當(dāng)?shù)睾恿?，或者堆于?dāng)?shù)鼗纳?。廚余垃圾的清運(yùn)產(chǎn)生了大量的運(yùn)費(fèi)，未清運(yùn)的廚余垃圾，排入河流引起河流的污染，最終影響河流、湖泊內(nèi)的水生動植物，引起魚類的大量死亡。堆積在荒山的廚余垃圾因腐爛產(chǎn)生難聞的氣味，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)鼐用竦纳瞽h(huán)境，也給過往的游客造成了不好的影響和印象。高速公路沿線有大量的農(nóng)田、菜園、花卉基地等，平常產(chǎn)生的大量秸桿、菜葉、花卉枝葉等被丟棄于路邊，腐爛后隨著雨水的沖刷進(jìn)入當(dāng)?shù)睾恿骱?，一方面增加了湖泊的污染，另一方面影響了高速公路沿線環(huán)境。郊區(qū)的學(xué)校區(qū)域通常師生人數(shù)眾多，日常餐飲除產(chǎn)生大量廢水外，還產(chǎn)生大量的廚余垃圾，這些廚余垃圾一方面會加重污水處理的負(fù)擔(dān)，另一方面也增大了生活垃圾的清運(yùn)和處理費(fèi)用，而廚余垃圾高含水率和高含油率的特點(diǎn)，容易導(dǎo)致堆肥品質(zhì)不良和二次污染等問題。這些“散點(diǎn)狀”分布的廚余垃圾與可降解固體廢棄物的處理成為迫在眉睫的課題。

高溫好氧消化技術(shù)(Thermophilic aerobic digestion，TAD)是一種在高溫下(45～65℃)運(yùn)行的生物好氧降解技術(shù)，具有生物降解速度相當(dāng)快、低細(xì)胞產(chǎn)率(污泥產(chǎn)量少)和滅菌效率高的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過微生物分解后的殘?jiān)沙蔀楦咝У挠袡C(jī)肥料(梁彥杰，2008)。廚余垃圾中有大量的有機(jī)物可供微生物進(jìn)行分解轉(zhuǎn)化，本研究根據(jù)已獲得菌種對廚余垃圾的處理進(jìn)行針對性選育和馴化，選育出適用于廚余垃圾再利用處理的耐高溫菌種，對于獲得的菌種再進(jìn)行高溫好氧馴化。這種方法相較于傳統(tǒng)的好氧堆肥和厭氧消化制沼氣來說，能更加充分地回收利用廚余垃圾中富含的營養(yǎng)成分。

云南省內(nèi)高校眾多，學(xué)校人員集中，日常產(chǎn)生的廚余垃圾及可降解固體廢棄物較多。有多所學(xué)校位于市郊，這些垃圾很難并入城市垃圾收集系統(tǒng)統(tǒng)一處理。本項(xiàng)目選擇的示范點(diǎn)為云南交通高級技工學(xué)校，由學(xué)校推及省內(nèi)的高速公路服務(wù)區(qū)、收費(fèi)站附屬區(qū)。將項(xiàng)目實(shí)施地點(diǎn)生活垃圾中的廚余垃圾與有機(jī)可降解固體廢棄物收集分類，建立高效的廚余垃圾與有機(jī)可降解固體廢棄物處理系統(tǒng)(包括設(shè)備處理系統(tǒng)和微生物反應(yīng)系統(tǒng))和配套工藝技術(shù)，生產(chǎn)出農(nóng)用肥料產(chǎn)品。促進(jìn)項(xiàng)目區(qū)廚余垃圾與有機(jī)可降解固體廢棄物“減量化”、“無害化”和“資源化”循環(huán)利用，變廢為寶，改善環(huán)境質(zhì)量和民生生活條件，并為今后擴(kuò)大推廣應(yīng)用做出示范。

1實(shí)驗(yàn)方法與技術(shù)

1.1實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)

云南交通技師學(xué)院是一所隸屬于云南省交通廳的全日制技師學(xué)院，位于昆明市郊(安寧市)。由于離市區(qū)較遠(yuǎn)，學(xué)校日常產(chǎn)生大量的生活污水及生活垃圾無法并入城市處理系統(tǒng)統(tǒng)一處理。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1小型廚余垃圾資源化利用設(shè)備

資源化處理設(shè)備工藝包括生物反應(yīng)倉、驅(qū)動部分、附屬裝置和控制部分，處理量為100kg/d(已申請專利)，如圖1。

(1)反應(yīng)倉體

由于反應(yīng)初期濕度較大，部分垃圾會粘附在倉體內(nèi)壁上，影響反應(yīng)效果，故應(yīng)設(shè)置攪拌裝置，且符合以下要求：①攪拌槳葉與內(nèi)壁圓弧面及兩端面應(yīng)基本吻合。②具有一定的速度可調(diào)性。③可按順、逆時針兩個方向旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)時攪拌槳葉能使垃圾向內(nèi)外兩側(cè)翻轉(zhuǎn)。④攪拌槳葉分為3組，每組槳葉之間的夾角為120°(見圖2、圖3)。

(2)驅(qū)動裝置

驅(qū)動部分由電動機(jī)經(jīng)齒輪減速器驅(qū)動攪拌槳葉主軸，電動機(jī)及減速器安裝在反應(yīng)倉旁的基座上，有防護(hù)擋板。

(3)附屬裝置

①加熱裝置：為了使廚余垃圾始終處于高溫好氧狀態(tài)，必須控制一定的反應(yīng)溫度。反應(yīng)倉夾層內(nèi)設(shè)有電阻加熱套件，同時為控制溫度，在反應(yīng)倉內(nèi)設(shè)有溫度探頭。②通風(fēng)裝置：在反應(yīng)倉上部設(shè)置排氣口，利用出料口作為送風(fēng)口，以保證尾氣不外泄。通過抽風(fēng)機(jī)將尾氣送入尾氣處理裝置進(jìn)行處理后排放。③垃圾進(jìn)出口：由于該設(shè)備為實(shí)驗(yàn)示范性設(shè)備，因此處理量不大，自主研發(fā)設(shè)備采用手動操作。在微生物反應(yīng)倉上口設(shè)置活動蓋，作為垃圾添加口，并在持續(xù)反應(yīng)倉上口設(shè)置檢查蓋，隨時觀察反應(yīng)進(jìn)程。

(4)控制部分(PLC)

控制部分由以下部分組成：①電源控制：可以控制電源的開閉及主軸的轉(zhuǎn)動。②溫度設(shè)定及自動控制：可根據(jù)需要設(shè)定和顯示溫度，并自動控制溫度。

1.2.2廚余垃圾再利用工藝流程(圖5)

1.2.3微生物菌群的馴化和組合篩選

本研究主要以購買菌種為菌源，通過分析菌種中的菌種、數(shù)量，考察微生物對廚余垃圾各營養(yǎng)物的降解效果。通過逐漸改變廚余垃圾與各營養(yǎng)物比例的方法，使菌種得到馴化，使之適應(yīng)廚余垃圾的降解環(huán)境。

(1)優(yōu)勢菌種的分離、篩選與初步鑒別

將各個培養(yǎng)基滅菌后制成斜板，將平板中的細(xì)菌采用畫線法接種至斜面培養(yǎng)基上。在采集平板中菌落的時候，盡量選取細(xì)菌菌落為10個左右的培養(yǎng)基。本次分離和篩選主要是針對廚余垃圾成分而制作：采用淀粉培養(yǎng)基、脂肪培養(yǎng)基、明膠蛋白質(zhì)培養(yǎng)基作用物進(jìn)行培養(yǎng)篩選，通過其變化，驗(yàn)證菌種的作用機(jī)理，并以此來對優(yōu)勢菌種進(jìn)行鑒別和篩選。

分離出來的菌株對其淀粉、脂肪和蛋白降解效果做進(jìn)一步分離。利用菌落的生理特征來確認(rèn)有無降解效果，主要分為平板菌落特征觀察，比較各菌株對淀粉、脂肪和蛋白質(zhì)的降解效果，并采用革蘭氏染色進(jìn)行觀察(圖6)。

(2)優(yōu)勢菌種的馴化

對已獲得的優(yōu)勢菌種，將其接種在廚余垃圾粉碎后的培養(yǎng)基中，放置在30℃恒溫培養(yǎng)箱中，進(jìn)行好氧馴化處理，并定期攪拌。逐步提高培養(yǎng)溫度，直到培養(yǎng)溫度達(dá)到50℃為止。

1.2.4處理前垃圾分類

為了保證設(shè)備產(chǎn)出成品肥料的合格率，對投入設(shè)備的廚余垃圾與有機(jī)可降解固體廢棄物進(jìn)行了采集分析。先用篩濾除去其中的水和油，剩下濕渣，形成檢測樣品。結(jié)合廚余垃圾的特點(diǎn)，對含水率、有機(jī)碳、總氮、總磷、蛋白質(zhì)和動植物油等進(jìn)行檢測和分析。

1.2.5處理后產(chǎn)出物成分分析

對廚余垃圾生產(chǎn)出的有機(jī)肥進(jìn)行組分含量檢測。

2結(jié)果與分析

2.1微生物的篩選和馴養(yǎng)結(jié)果

觀察發(fā)現(xiàn)，隨著培養(yǎng)基中廚余垃圾的含量增加，菌的生長速度變慢。在全部使用廚余垃圾作為培養(yǎng)基時，菌絲在第4d開始濃密，并觀察到培養(yǎng)基變?yōu)楹诤稚?，稠度也隨著微生物作用時間的增加，開始稠度降低，隨后稠度很快增加。當(dāng)溫度逐步上升為50℃，微生物依然可以生長。同時，對菌劑進(jìn)行安全性檢測，主要包括沙門氏菌、志賀氏菌、金黃色葡萄球菌、溶血性鏈球菌、總大腸菌群和糞大腸菌群，結(jié)果如表1。

2.2處理前垃圾成分分析

對投入設(shè)備的廚余垃圾與有機(jī)可降解固體廢棄物進(jìn)行了采集，對含水率、有機(jī)碳、總氮、總磷、蛋白質(zhì)和動植物油等進(jìn)行檢測和分析。對廚余垃圾的含水率、含固率分析得出，廚余垃圾平均含水率為87%，平均含固率為13%。廚余垃圾內(nèi)的有機(jī)干物質(zhì)含量高達(dá)93%，而含油率為17%。分析所得的有機(jī)碳、總氮、總磷等含量如表3所示。

2.3廚余垃圾產(chǎn)出有機(jī)肥成分檢測

廚余垃圾處理后得到大量有機(jī)肥，對生產(chǎn)出的有機(jī)肥進(jìn)行檢測，結(jié)果見表4。對比國標(biāo)有機(jī)肥標(biāo)準(zhǔn)(NYN525-2002)(表5)，其成分對比均大于有機(jī)肥標(biāo)準(zhǔn)(NYN525-2002)，而pH值相較于國標(biāo)來說偏低。

表1　高溫菌劑致病菌檢測

表2　廚余垃圾與有機(jī)可降解固體廢棄物組分

表3　廚余垃圾化學(xué)成分分析

表4　廚余垃圾產(chǎn)出有機(jī)肥成分檢測結(jié)果

表5　國標(biāo)有機(jī)肥標(biāo)準(zhǔn)(NYN525-2002)

3結(jié)論與討論

本研究采用的“高溫好氧消化技術(shù)”，在反應(yīng)過程中，預(yù)先對廚余垃圾進(jìn)行自然沉降油水殘?jiān)蛛x，沉降后投入設(shè)計(jì)好的垃圾資源化設(shè)備中進(jìn)行處理。處理后得到大量的有機(jī)肥料，有機(jī)肥料pH值偏低，可以通過添加草木灰等來中和調(diào)整，以達(dá)到有機(jī)肥的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。這種肥料化技術(shù)是餐廚垃圾資源化技術(shù)中最有效的方式之一。雖然廚余垃圾中含水率和含油率較高，但是對廚余垃圾進(jìn)行合理的分類和篩選沉淀，調(diào)節(jié)含水率和含油率以后，可以通過高溫好氧消化技術(shù)，利用微生物有效地分解。梁彥杰(2008)在對廚余垃圾的高溫好氧消化技術(shù)研究中也指出，高溫好氧消化段最佳的工藝條件為含水率55%，接種微生物量1%，加熱溫度50℃。在這樣的條件下，廚余垃圾可以得到有效處理，得到的有機(jī)肥料可以有效進(jìn)行再利用。通過分離得到的油脂，可以通過集中回收再利用。進(jìn)行集中統(tǒng)一管理，也能有效杜絕“地溝油”的產(chǎn)生。

在國外，機(jī)械化、自動化地將餐廚垃圾進(jìn)行再處理，運(yùn)用微生物法發(fā)酵再利用的方法已被廣泛運(yùn)用(余群，2003；Lai，2009)。通常來說在城市區(qū)域或者人口較為密集的區(qū)域，廚余垃圾的集中回收再利用都較為容易。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，遠(yuǎn)離市區(qū)的一些“衛(wèi)星區(qū)域”例如大學(xué)城、大學(xué)校區(qū)、高速路服務(wù)區(qū)等也迅速發(fā)展。這些區(qū)域通常缺乏集中處理垃圾的設(shè)備設(shè)施，尤其是高速公路服務(wù)區(qū)。以云南省為例，許多高速路和主要交通干道管理處、收費(fèi)站以及服務(wù)區(qū)都位于人口稀疏的山區(qū)，而餐廚垃圾的四處丟棄現(xiàn)象也很嚴(yán)重，垃圾再利用率很低。這些地方附近往往是田地或者天然植被區(qū)域，長期的垃圾污染容易導(dǎo)致地下水污染、植被受到破壞等后果。

這些分布相對零星的學(xué)校校區(qū)、交通干道沿線服務(wù)區(qū)等，通常只是利用傳統(tǒng)方式對廚余垃圾進(jìn)行處理，包括“泔水喂豬”和傳統(tǒng)堆肥。傳統(tǒng)的“泔水喂豬”的方式，雖然將廚余垃圾利用了起來，但是并未對這些被養(yǎng)殖戶拉走喂養(yǎng)牲畜的廚余垃圾做出安全監(jiān)測，食品安全成為一個很嚴(yán)重的問題。簡單的傳統(tǒng)堆肥，雖然也能有效將廚余垃圾發(fā)酵轉(zhuǎn)化成為有機(jī)肥料，但是通常腐熟周期長，需要大量的翻堆機(jī)械和人力，缺乏管理，導(dǎo)致污水橫流，臭味連天，對于周邊環(huán)境是一個很大的威脅(余群，2003)。相對于這些傳統(tǒng)利用方式，本研究中開發(fā)的廚余垃圾資源化設(shè)備能有效進(jìn)行好氧堆肥，在封閉艙內(nèi)通過攪拌臂的翻動來實(shí)現(xiàn)對肥堆的自動翻動和攪拌，同時通過添加馴化后微生物來對廚余垃圾進(jìn)行針對性的處理，減少排放，縮短發(fā)酵時間，提高轉(zhuǎn)化率，從而提高再利用效率。

在廚余垃圾的處理中添加經(jīng)篩選馴化后的特定菌種，在降解對象為廚余垃圾時，菌種可以正常增殖并且對廚余垃圾有有效的處理效果，當(dāng)溫度逐步上升為50℃，微生物依然可以生長。同時對致病菌的檢測也可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過該種方式處理，降解廚余垃圾的細(xì)菌為主要優(yōu)勢群落，不帶有沙門氏菌、志賀氏菌、金黃色葡萄球菌、溶血性鏈球菌、總大腸菌群和糞大腸菌群等菌群。

本研究開發(fā)的小型廚余垃圾再利用裝置，能為遠(yuǎn)離于市區(qū)或者垃圾處理廠的區(qū)域提供垃圾處理示范作用，隨著裝置的推行和使用，所產(chǎn)生的廢水和廢油需再進(jìn)行處置后再循環(huán)利用或者進(jìn)行排放(許華鋒，2012)。廚余垃圾處理后的剩余物，可成為高效的有機(jī)肥料再利用，這也與發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，進(jìn)行可持續(xù)發(fā)展的倡導(dǎo)相契合。

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Study on Application of Recycling Small Scale Kitchen Waste

YIN Xiao-feng,ZHEN Xiao-yun,ZHANG Wei

(Yunnan Lilu Environmental Construction Limited Company, Kunming Yunnan 650041, China)

Abstract：One new type of device applied to treat small scale kitchen waste was built based on the thermophilic aerobic digestion technology. The device could dispose 100 kilogram wastes per day. The strain were selected and tamed first of all. The oil and water were separated from the waste. The water content of the waste was adjusted to 55%. One percent of Bacterial preparation was inoculated. The waste was heated for fermentation treatment. The yields after fermentation could meet national fertilizer standard and used as organic fertilizers. The device could dispose small scale kitchen wastes such as the small restaurants in schools and the restaurants along the main transportation roads.

Key words：kitchen waste; small scale treatment; thermophilic aerobic digestion; kitchen waste treatment device; study and application

收稿日期：2015-07-21

作者簡介：殷小鋒(1981-)，男，安徽繁昌人，工程師，主要從事環(huán)境污染治理與研究工作。

中圖分類號：X705

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1673-9655(2016)02-0039-06