餐廚垃圾高效好氧發(fā)酵處理工藝優(yōu)化

文_萬(wàn)松峰 張意康 東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院

餐廚垃圾包含廚余垃圾和餐飲垃圾，廚余垃圾是指食物邊角廢料、剩菜剩飯、瓜果皮等易腐有機(jī)垃圾，餐飲垃圾是指飲食剩余物以及果蔬、肉食、油脂、面點(diǎn)等的加工過(guò)程廢棄物。在政府推進(jìn)的垃圾分類(lèi)的大潮下，餐廚垃圾在城市生活垃圾占比50%以上，餐廚垃圾存儲(chǔ)運(yùn)輸途中容易腐爛發(fā)臭、滋生病菌，污染環(huán)境影響生態(tài)安全和人類(lèi)健康。我國(guó)餐廚垃圾含水高、有機(jī)質(zhì)高、含鹽高、含油高，具有污染物和資源的雙重屬性，餐廚垃圾類(lèi)型眾多工藝相對(duì)復(fù)雜、處理難度大，餐廚垃圾資源化和無(wú)害化處理將成為我國(guó)垃圾處理工作的重點(diǎn)。

2019年住建部、發(fā)展改革委、生態(tài)環(huán)境部等九部門(mén)印發(fā)《住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等部門(mén)關(guān)于在全國(guó)地級(jí)及以上城市全面開(kāi)展生活垃圾分類(lèi)工作的通知》要求全面啟動(dòng)生活垃圾分類(lèi)工作。實(shí)行垃圾分類(lèi)管理政策后,餐廚垃圾的占有量與日俱增，急需無(wú)害化、資源化和規(guī)?；幚碓O(shè)備與技術(shù)。目前餐廚垃圾處理方式有集中式填埋、集中式焚燒、機(jī)械破碎、厭氧發(fā)酵和好氧堆肥等，但都存在缺陷。厭氧發(fā)酵和好氧堆肥是工業(yè)應(yīng)用最廣的餐廚垃圾資源化處理技術(shù)。餐廚垃圾厭氧發(fā)酵是在缺氧或無(wú)氧環(huán)境下，在厭氧菌作用下將餐廚垃圾分解為甲烷、二氧化碳和水等清潔無(wú)污染，所需技術(shù)較復(fù)雜、投資大。好氧堆肥法具有高減量率、有害程度低、營(yíng)養(yǎng)程度較高等優(yōu)點(diǎn)，好氧堆肥周期長(zhǎng)、有臭氣等。為有效控制餐廚垃圾存放、清運(yùn)工作，減少末端處理總量和城市環(huán)境污染，開(kāi)展餐廚垃圾源頭減量處理模式與配套技術(shù)的研發(fā)對(duì)改善和提高城市環(huán)境具有重大意義。

1 項(xiàng)目介紹

餐廚垃圾集中處理設(shè)備價(jià)值高、占地大、處理時(shí)間長(zhǎng)和處理費(fèi)高。餐廚垃圾存儲(chǔ)和運(yùn)輸過(guò)程中滋生有害細(xì)菌，要通過(guò)高溫蒸煮或烘干工藝才能去除，餐廚垃圾處理企業(yè)盈利能力有限，需要政府補(bǔ)貼運(yùn)營(yíng)。我國(guó)餐廚垃圾以淀粉、纖維素、蛋白質(zhì)、油脂為主，可以利用酵母菌、地衣芽孢桿菌、孢芽孢桿菌和枯草芽孢桿菌等微生物進(jìn)行分解，降解菌種見(jiàn)圖1。高效菌劑能促進(jìn)發(fā)酵過(guò)程、縮短時(shí)間、提高腐熟效率，利用全自動(dòng)腐熟發(fā)酵機(jī)對(duì)參數(shù)自動(dòng)化精準(zhǔn)控制與調(diào)節(jié)，使發(fā)酵過(guò)程快速、高效。充分利用微生物間的協(xié)同作用優(yōu)化餐廚垃圾生化降解工藝、動(dòng)態(tài)調(diào)整工藝條件，實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾的快速處理。本文通過(guò)好氧堆肥技術(shù)，借助復(fù)合微生物菌劑將難處理的餐廚垃圾轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)肥，構(gòu)建綠色生態(tài)系統(tǒng)。從源頭解決餐廚垃圾分類(lèi)難、處理難、資源再生難的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)“變廢為寶”。

圖1 降解菌種圖

該項(xiàng)目的技術(shù)路線(xiàn)如圖2 所示，主要包括垃圾成份分析與菌種選擇、整體方案設(shè)計(jì)、樣機(jī)制造與調(diào)試、復(fù)合菌種優(yōu)化和工藝多目標(biāo)優(yōu)化等。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外餐廚垃圾處理工藝和設(shè)備的研究，提出利用多菌種密封發(fā)酵技術(shù)研發(fā)一種小型智能餐廚拉圾處理設(shè)備的方案，設(shè)備主要包括機(jī)械裝置、加熱加壓裝置、智能控制系統(tǒng)、人工智能技術(shù)與多菌種的協(xié)同等技術(shù)，構(gòu)建微生物菌種智能高效的發(fā)酵環(huán)境。

圖2 技術(shù)路線(xiàn)

2 餐廚垃圾處理系統(tǒng)

利用多菌種發(fā)酵技術(shù)研發(fā)小型智能餐廚垃圾處理設(shè)備。通過(guò)分類(lèi)收集、高效處理、資源再生、肥料供應(yīng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)管理，輔助政府決策和精準(zhǔn)管理。該設(shè)備橫跨智能控制、節(jié)能科技、生物科技、人因工程等多領(lǐng)域與之相結(jié)合。通過(guò)機(jī)械裝置、加熱加壓裝置、智能控制系統(tǒng)、人工智能技術(shù)與多菌種的協(xié)同作用，構(gòu)建微生物菌種發(fā)酵環(huán)境，實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾的智能、高效降解處理，將發(fā)酵剩余殘留物高溫烘干制作為有機(jī)肥料，既提高了對(duì)致病菌的去除效率，也實(shí)現(xiàn)了餐廚垃圾處理的減量化、資源化以及無(wú)害化處理。

好氧發(fā)酵通風(fēng)是為好氧發(fā)酵提供發(fā)酵氧氣、帶走水汽和熱量。餐廚垃圾發(fā)酵中發(fā)酵菌群對(duì)有機(jī)物的降解需要提供氧氣的計(jì)算公式見(jiàn)公式（1），V為通風(fēng)量，Z0-Z1為進(jìn)出口氧氣含量變化量，a為降解單位質(zhì)量有機(jī)物需要的氧氣；M為有機(jī)物質(zhì)量；v為發(fā)酵倉(cāng)的溶劑。當(dāng)有機(jī)物的降解速度最大時(shí)消耗的氧氣量也隨最大。在好氧發(fā)酵倉(cāng)進(jìn)行攪拌時(shí)開(kāi)啟通風(fēng)，故好氧發(fā)酵需要設(shè)計(jì)良好的通風(fēng)系統(tǒng)

好氧發(fā)酵的溫度是影響好氧發(fā)酵的關(guān)鍵，溫度過(guò)低時(shí)餐廚垃圾中的水分無(wú)法及時(shí)被蒸發(fā)，含水率高減緩好氧發(fā)酵的速度，發(fā)酵溫度過(guò)高會(huì)降低發(fā)酵菌的活性、水分散失過(guò)快也減緩好氧發(fā)酵的速度。好氧發(fā)酵的溫度與發(fā)酵過(guò)程密不可分，餐廚垃圾發(fā)酵過(guò)程中需要的熱量可由公式（2）計(jì)算得到。式中Qout為好氧發(fā)酵排出熱量，Qw為蒸發(fā)水分所需熱量，Qe為散發(fā)熱量，Qs為物料升溫所需的熱量，Qg為通風(fēng)帶走的熱量。

垃圾處理工藝路線(xiàn)見(jiàn)圖3。生活垃圾經(jīng)過(guò)分類(lèi)后形成的餐廚垃圾首先通過(guò)AGV智能垃圾回收終端實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾的回收和運(yùn)輸?shù)叫⌒椭悄懿蛷N垃圾處理設(shè)備處，通過(guò)自動(dòng)上料裝置放入預(yù)處理入口，預(yù)處理設(shè)備對(duì)垃圾進(jìn)行破碎和脫水，在好氧發(fā)酵倉(cāng)內(nèi)混料和發(fā)酵產(chǎn)生有機(jī)肥。生活垃圾經(jīng)過(guò)分類(lèi)后根據(jù)預(yù)約，AGV智能垃圾回收終端通過(guò)自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾預(yù)約自動(dòng)上門(mén)回收，自動(dòng)將餐廚垃圾送至餐廚垃圾集中處理處，小型智能餐廚拉圾處理設(shè)備自動(dòng)完成餐廚垃圾處理產(chǎn)生有機(jī)肥。預(yù)處理設(shè)備對(duì)垃圾進(jìn)行破碎和脫水，液態(tài)物質(zhì)通過(guò)油水分離裝置實(shí)現(xiàn)油水分離，油脂通過(guò)有資質(zhì)的公司回收，污水通過(guò)水處理系統(tǒng)處理后排入市政管道。固體物質(zhì)加入菌種后再密閉容器內(nèi)發(fā)酵產(chǎn)生有機(jī)肥。在好氧發(fā)酵倉(cāng)內(nèi)，混料裝置將微生物菌劑與餐廚垃圾充分混合，微生物在適宜的溫度及好氧條件下降解有機(jī)物。發(fā)酵過(guò)程考察溫度、通風(fēng)、復(fù)合微生物菌劑與餐廚垃圾進(jìn)料質(zhì)量比等因素對(duì)餐廚垃圾降解率、能耗的影響，確定餐廚垃圾生化降解工藝的最佳參數(shù)組合。

圖3 工藝路線(xiàn)

3 好氧發(fā)酵的工藝分析

實(shí)驗(yàn)所用材料來(lái)自學(xué)校食堂產(chǎn)生的餐廚垃圾，成份主要是淀粉、纖維素、蛋白質(zhì)、油脂等，與菌種設(shè)計(jì)相同。餐廚垃圾中的淀粉、脂肪含量利用酸水解法來(lái)檢測(cè)，餐廚垃圾中的蛋白質(zhì)含量利用凱氏定氮法來(lái)檢測(cè)，餐廚垃圾中的纖維素利用NREL法進(jìn)行檢測(cè)，淀粉含量20.3%、纖維素17.1%、蛋白質(zhì)15.4%、油脂9.7%，粉碎脫水后含水率小于70%。有氧發(fā)酵的效率簡(jiǎn)單通過(guò)24h發(fā)酵后餐廚垃圾重量的減少量來(lái)衡量，減少量越多認(rèn)為發(fā)酵效率越快。通過(guò)對(duì)餐廚垃圾發(fā)酵的不同溫度、餐廚垃圾發(fā)酵的不同含水率、餐廚垃圾發(fā)酵的不同菌種含量下餐廚垃圾重量的減少量來(lái)分析有氧發(fā)酵的效率。不同批次的實(shí)驗(yàn)使用同一批次餐廚垃圾粉碎混合均勻后進(jìn)行試驗(yàn)，每次餐廚垃圾和發(fā)酵復(fù)合菌劑分批按不同含量添加，總重量1200kg。

餐廚垃圾好氧發(fā)酵時(shí)，溫度是影響發(fā)酵效率的重要因素，外界環(huán)境溫度波動(dòng)將影響發(fā)酵效果。發(fā)酵溫度分別控制在30℃、40℃、50℃和60℃，每隔30min攪拌通風(fēng)5min，發(fā)酵艙內(nèi)餐廚垃圾含水率控制在60%，發(fā)酵復(fù)合菌劑含量30%，連續(xù)發(fā)酵24h。稱(chēng)量發(fā)酵后的重量得出減少量不同溫度下餐廚垃圾發(fā)酵的減量化見(jiàn)圖4。從圖4中可以得出當(dāng)50℃時(shí)減量最多為860kg，有氧發(fā)酵的效率最高。

圖4 不同發(fā)酵溫度下的餐廚垃圾處理減量圖

含水率是影響餐廚垃圾發(fā)酵處理效率的重要參數(shù)，水作為可溶性有機(jī)物的載體為微生物降解提供良好的工作環(huán)境，發(fā)酵過(guò)程時(shí)水分蒸發(fā)將帶走熱量影響溫度調(diào)節(jié)。水進(jìn)入物料間空隙減少微生物發(fā)酵獲取氧氣，影響發(fā)酵進(jìn)程。含水率來(lái)自于餐廚垃圾本身和好氧發(fā)酵時(shí)微生物分解有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生的水。研究表明有氧發(fā)酵物料含水率下限為40%、上限為70%，否則不利于好氧微生物的基礎(chǔ)代謝及繁殖等活動(dòng)。發(fā)酵溫度控制在50℃，每隔30min攪拌通風(fēng)5min，發(fā)酵艙內(nèi)餐廚垃圾含水率分別控制在40%、50%、60%和70%,發(fā)酵復(fù)合菌劑含量30%，連續(xù)發(fā)酵24h。稱(chēng)量發(fā)酵后的重量得出減少量不同含水率下餐廚垃圾發(fā)酵的減量化見(jiàn)圖5。從圖5中可以得出當(dāng)60%時(shí)減量最多為860kg，有氧發(fā)酵的效率最高。

圖5 不同含水率下的餐廚垃圾處理減量圖

發(fā)酵菌種占有整個(gè)餐廚垃圾的含量也將影響發(fā)酵處理的速度。發(fā)酵溫度控制在50℃，每隔30min攪拌通風(fēng)5min，發(fā)酵艙內(nèi)餐廚垃圾含水率控制在60%,發(fā)酵復(fù)合菌劑含量分別為5%、10%、20%、30%和40%時(shí)，連續(xù)發(fā)酵24h。稱(chēng)量發(fā)酵后的重量得出減少量不同含水率下餐廚垃圾發(fā)酵的減量化見(jiàn)圖6。從圖6中可以看出復(fù)合菌劑含量越高發(fā)酵速度越快，當(dāng)復(fù)合菌劑含量40%時(shí)減量最多為860kg，有氧發(fā)酵的效率最高，復(fù)合菌劑含量越高發(fā)酵越快但所需菌種成本越高，含量超過(guò)20%后垃圾處理的后的減量增長(zhǎng)效率變緩和，在實(shí)施應(yīng)用中需綜合考慮垃圾處理的實(shí)際速度、效率和成本。

圖6 不同菌種含量的餐廚垃圾處理減量圖

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)我國(guó)餐廚垃圾特點(diǎn)和實(shí)際需求，利用多菌種密封發(fā)酵技術(shù)研發(fā)一種小型智能餐廚垃圾處理設(shè)備，設(shè)備橫跨智能控制、節(jié)能科技、生物科技、人因工程等多領(lǐng)域與之相結(jié)合。通過(guò)機(jī)械裝置、加熱加壓裝置、智能控制系統(tǒng)、人工智能技術(shù)與多菌種的協(xié)同作用，構(gòu)建微生物（菌種）發(fā)酵環(huán)境。利用自行研發(fā)的設(shè)備進(jìn)行驗(yàn)證，從發(fā)酵溫度、餐廚垃圾處理時(shí)的含水率、發(fā)酵菌種接的含量等影響發(fā)酵效率的多個(gè)因素進(jìn)行研究，通過(guò)24h發(fā)酵，對(duì)餐廚垃圾減量單一因素考查，驗(yàn)證得出當(dāng)發(fā)酵溫度為50℃、餐廚垃圾處理時(shí)的含水率為60%、發(fā)酵菌種接的含量30%時(shí)餐廚垃圾降解速度最快。實(shí)現(xiàn)了餐廚垃圾有效處理，既提高了對(duì)致病菌的去除效率，也實(shí)現(xiàn)了餐廚垃圾處理的減量化、資源化以及無(wú)害化處理。但是本項(xiàng)目還需進(jìn)一步對(duì)發(fā)酵時(shí)能耗、有機(jī)物降解率和有機(jī)肥的質(zhì)量等多目標(biāo)的優(yōu)化。