散點狀小規模廚余垃圾回收技術研究和應用

殷小鋒，甄曉云，張　偉

(云南利魯環境建設有限公司，云南 昆明 650041)

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散點狀小規模廚余垃圾回收技術研究和應用

殷小鋒，甄曉云，張偉

(云南利魯環境建設有限公司，云南 昆明 650041)

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

關鍵詞：廚余垃圾；散點狀小規模處理；高溫好氧消化；廚余垃圾處理設備；研究應用

0引言

隨著人們的生活日益進步，廚余垃圾逐漸成為食物垃圾中最主要的一種，包括家庭、食堂以及餐飲行業等產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。廚余垃圾有機質含量很高，在溫度較高的條件下，極易腐爛發臭，產生大量氨、硫化物等有害氣體，會對大氣造成進一步的污染(王莉，2011)。

在我國，由于餐飲文化的差異，所產生的廚余垃圾遠遠多于西方人。長期以來廚余垃圾在我國被用于牲畜喂養，例如泔水喂豬。不能用于喂養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，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識的加深，廚余垃圾的集中化處理和再利用技術已在國內外被大量運用(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、固態發酵、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，各省市都相應地頒布了關于廚余垃圾的處理規定和條例。隨著城市經濟的發展，許多地區逐漸將高等院校移至遠離城市的郊區，而高速公路和交通干道的建設也導致許多服務區、集中餐區等餐飲服務型行業在離城區較遠的區域發展起來。這些分散的區域通常無法統一地對廚余垃圾進行處理，導致了小規模的廚余垃圾日益呈現“散點狀”分布。

以云南省為例，云南省高速公路已達2500多km，運營服務區近50個，另外還有眾多收費站點。這些服務區與收費站遠離市區，且人流量較大，日常產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，出水達到環保部規定的要求。廚余垃圾一部分被清運至城市垃圾處理系統，一部分被當地人運至養豬廠，大部分廚余垃圾并未得到處理，或者排入當地河流，或者堆于當地荒山。廚余垃圾的清運產生了大量的運費，未清運的廚余垃圾，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生難聞的氣味，嚴重影響了當地居民的生活環境，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田、菜園、花卉基地等，平常產生的大量秸桿、菜葉、花卉枝葉等被丟棄于路邊，腐爛后隨著雨水的沖刷進入當地河流湖泊，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境。郊區的學校區域通常師生人數眾多，日常餐飲除產生大量廢水外，還產生大量的廚余垃圾，這些廚余垃圾一方面會加重污水處理的負擔，另一方面也增大了生活垃圾的清運和處理費用，而廚余垃圾高含水率和高含油率的特點，容易導致堆肥品質不良和二次污染等問題。這些“散點狀”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(Thermophilic aerobic digestion，TAD)是一種在高溫下(45～65℃)運行的生物好氧降解技術，具有生物降解速度相當快、低細胞產率(污泥產量少)和滅菌效率高的優點。經過微生物分解后的殘渣可成為高效的有機肥料(梁彥杰，2008)。廚余垃圾中有大量的有機物可供微生物進行分解轉化，本研究根據已獲得菌種對廚余垃圾的處理進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行高溫好氧馴化。這種方法相較于傳統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成分。

云南省內高校眾多，學校人員集中，日常產生的廚余垃圾及可降解固體廢棄物較多。有多所學校位于市郊，這些垃圾很難并入城市垃圾收集系統統一處理。本項目選擇的示范點為云南交通高級技工學校，由學校推及省內的高速公路服務區、收費站附屬區。將項目實施地點生活垃圾中的廚余垃圾與有機可降解固體廢棄物收集分類，建立高效的廚余垃圾與有機可降解固體廢棄物處理系統(包括設備處理系統和微生物反應系統)和配套工藝技術，生產出農用肥料產品。促進項目區廚余垃圾與有機可降解固體廢棄物“減量化”、“無害化”和“資源化”循環利用，變廢為寶，改善環境質量和民生生活條件，并為今后擴大推廣應用做出示范。

1實驗方法與技術

1.1實驗地點

云南交通技師學院是一所隸屬于云南省交通廳的全日制技師學院，位于昆明市郊(安寧市)。由于離市區較遠，學校日常產生大量的生活污水及生活垃圾無法并入城市處理系統統一處理。

1.2實驗方法

1.2.1小型廚余垃圾資源化利用設備

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

(1)反應倉體

由于反應初期濕度較大，部分垃圾會粘附在倉體內壁上，影響反應效果，故應設置攪拌裝置，且符合以下要求：①攪拌槳葉與內壁圓弧面及兩端面應基本吻合。②具有一定的速度可調性。③可按順、逆時針兩個方向旋轉，在旋轉時攪拌槳葉能使垃圾向內外兩側翻轉。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)驅動裝置

驅動部分由電動機經齒輪減速器驅動攪拌槳葉主軸，電動機及減速器安裝在反應倉旁的基座上，有防護擋板。

(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，必須控制一定的反應溫度。反應倉夾層內設有電阻加熱套件，同時為控制溫度，在反應倉內設有溫度探頭。②通風裝置：在反應倉上部設置排氣口，利用出料口作為送風口，以保證尾氣不外泄。通過抽風機將尾氣送入尾氣處理裝置進行處理后排放。③垃圾進出口：由于該設備為實驗示范性設備，因此處理量不大，自主研發設備采用手動操作。在微生物反應倉上口設置活動蓋，作為垃圾添加口，并在持續反應倉上口設置檢查蓋，隨時觀察反應進程。

(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動。②溫度設定及自動控制：可根據需要設定和顯示溫度，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、數量，考察微生物對廚余垃圾各營養物的降解效果。通過逐漸改變廚余垃圾與各營養物比例的方法，使菌種得到馴化，使之適應廚余垃圾的降解環境。

(1)優勢菌種的分離、篩選與初步鑒別

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

分離出來的菌株對其淀粉、脂肪和蛋白降解效果做進一步分離。利用菌落的生理特征來確認有無降解效果，主要分為平板菌落特征觀察，比較各菌株對淀粉、脂肪和蛋白質的降解效果，并采用革蘭氏染色進行觀察(圖6)。

(2)優勢菌種的馴化

對已獲得的優勢菌種，將其接種在廚余垃圾粉碎后的培養基中，放置在30℃恒溫培養箱中，進行好氧馴化處理，并定期攪拌。逐步提高培養溫度，直到培養溫度達到50℃為止。

1.2.4處理前垃圾分類

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

1.2.5處理后產出物成分分析

對廚余垃圾生產出的有機肥進行組分含量檢測。

2結果與分析

2.1微生物的篩選和馴養結果

觀察發現，隨著培養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基時，菌絲在第4d開始濃密，并觀察到培養基變為黑褐色，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。當溫度逐步上升為50℃，微生物依然可以生長。同時，對菌劑進行安全性檢測，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，結果如表1。

2.2處理前垃圾成分分析

對投入設備的廚余垃圾與有機可降解固體廢棄物進行了采集，對含水率、有機碳、總氮、總磷、蛋白質和動植物油等進行檢測和分析。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%。廚余垃圾內的有機干物質含量高達93%，而含油率為17%。分析所得的有機碳、總氮、總磷等含量如表3所示。

2.3廚余垃圾產出有機肥成分檢測

廚余垃圾處理后得到大量有機肥，對生產出的有機肥進行檢測，結果見表4。對比國標有機肥標準(NYN525-2002)(表5)，其成分對比均大于有機肥標準(NYN525-2002)，而pH值相較于國標來說偏低。

表1　高溫菌劑致病菌檢測

表2　廚余垃圾與有機可降解固體廢棄物組分

表3　廚余垃圾化學成分分析

表4　廚余垃圾產出有機肥成分檢測結果

表5　國標有機肥標準(NYN525-2002)

3結論與討論

本研究采用的“高溫好氧消化技術”，在反應過程中，預先對廚余垃圾進行自然沉降油水殘渣分離，沉降后投入設計好的垃圾資源化設備中進行處理。處理后得到大量的有機肥料，有機肥料pH值偏低，可以通過添加草木灰等來中和調整，以達到有機肥的質量標準。這種肥料化技術是餐廚垃圾資源化技術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，但是對廚余垃圾進行合理的分類和篩選沉淀，調節含水率和含油率以后，可以通過高溫好氧消化技術，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，得到的有機肥料可以有效進行再利用。通過分離得到的油脂，可以通過集中回收再利用。進行集中統一管理，也能有效杜絕“地溝油”的產生。

在國外，機械化、自動化地將餐廚垃圾進行再處理，運用微生物法發酵再利用的方法已被廣泛運用(余群，2003；Lai，2009)。通常來說在城市區域或者人口較為密集的區域，廚余垃圾的集中回收再利用都較為容易。隨著社會經濟的發展，遠離市區的一些“衛星區域”例如大學城、大學校區、高速路服務區等也迅速發展。這些區域通常缺乏集中處理垃圾的設備設施，尤其是高速公路服務區。以云南省為例，許多高速路和主要交通干道管理處、收費站以及服務區都位于人口稀疏的山區，而餐廚垃圾的四處丟棄現象也很嚴重，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域，長期的垃圾污染容易導致地下水污染、植被受到破壞等后果。

這些分布相對零星的學校校區、交通干道沿線服務區等，通常只是利用傳統方式對廚余垃圾進行處理，包括“泔水喂豬”和傳統堆肥。傳統的“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殖戶拉走喂養牲畜的廚余垃圾做出安全監測，食品安全成為一個很嚴重的問題。簡單的傳統堆肥，雖然也能有效將廚余垃圾發酵轉化成為有機肥料，但是通常腐熟周期長，需要大量的翻堆機械和人力，缺乏管理，導致污水橫流，臭味連天，對于周邊環境是一個很大的威脅(余群，2003)。相對于這些傳統利用方式，本研究中開發的廚余垃圾資源化設備能有效進行好氧堆肥，在封閉艙內通過攪拌臂的翻動來實現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行針對性的處理，減少排放，縮短發酵時間，提高轉化率，從而提高再利用效率。

在廚余垃圾的處理中添加經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現，經過該種方式處理，降解廚余垃圾的細菌為主要優勢群落，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。

本研究開發的小型廚余垃圾再利用裝置，能為遠離于市區或者垃圾處理廠的區域提供垃圾處理示范作用，隨著裝置的推行和使用，所產生的廢水和廢油需再進行處置后再循環利用或者進行排放(許華鋒，2012)。廚余垃圾處理后的剩余物，可成為高效的有機肥料再利用，這也與發展循環經濟，進行可持續發展的倡導相契合。

參考文獻：

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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，主要從事環境污染治理與研究工作。

中圖分類號：X705

文獻標志碼：A

文章編號：1673-9655(2016)02-0039-06