利用低品位能的餐廚垃圾及綠化廢棄物的高溫好氧發酵技術

安瑩

摘要：對餐廚垃圾的定義、不同國家及地區餐廚垃圾產生量以及餐廚垃圾傳統及現有資源化處置技術進行了探討。在全面研究現有資源化處置技術的基礎上，通過分析其各自優點及不足，提出并研發了一種利用低品位能的餐廚垃圾及綠化廢棄物混合高溫好氧發酵資源化處置的技術，為餐廚垃圾及綠化廢棄物的高效、低能耗無二次污染資源化處置提供新的思路和途徑。

關鍵詞：餐廚垃圾； 綠化廢棄物； 低品位能； 高溫好氧發酵

中圖分類號：X705

文獻標識碼：A 文章編號：16749944（2016）08007604

1 引言

隨著社會經濟的發展和人民生活水平的提高，城市生活垃圾產生量日益增大，尤其以餐廚垃圾增長最為迅猛。餐廚垃圾俗稱泔腳，即殘羹剩飯，是指除居民日常生活以外的食品加工、飲食服務、單位供餐等活動中產生的廚余垃圾和廢棄食用油脂。餐廚垃圾作為城市生活垃圾中一類特殊而重要的組成部分，在城市生活垃圾中占有很大比重（表1）[1～6]，因此對生活垃圾減量化、無害化及資源化處置十分重要。餐廚垃圾含水率和有機物含量高，極易在較短時間內腐爛發臭和滋生蚊蠅等，如果處置不當會對環境造成極大污染。但另一方面，餐廚垃圾營養豐富的特點也使其成為一種很好的資源化原料，如果加以合理利用，將創造巨大的資源化利用價值。

同時，綠化廢棄物也是城市有機垃圾處理的頑疾，既不能焚燒處理，填埋也不經濟環保。粉碎堆置是目前常用的不得已而為之的處理方式。作為高碳有機化合物，尋找合理高效的資源化處置途徑也是至關重要的。

2 餐廚垃圾傳統處置技術

餐廚垃圾是城市生活垃圾的重要組成部分，由于技術條件的限制，在傳統處置工藝上，我國餐廚垃圾的集中處置仍然占主導地位。在早期餐廚垃圾管理辦法尚未完善之前，餐廚垃圾直接用來喂養牲畜，或者與其他城市生活垃圾共同進行焚燒、填埋。

早期，采用餐廚垃圾直接喂養牲畜也存在了一定的問題。但餐廚垃圾容易腐敗變質，滋生病菌，同時由于同源性問題，城市中出現的“潲水油”、“垃圾豬”等，會對人體健康造成威脅，已成為城市生活中的公害問題[7]。

同時，由于餐廚垃圾中所含有的水分高達80%～90%，使單位質量的熱值在2100 kJ/kg左右[8]，不能滿足垃圾焚燒發電的熱值要求[9]，焚燒時需要添加輔助燃料，不僅降低了熱能利用率，還會增加燃料的消耗，增加處理成本；其次，餐廚垃圾含有大量的脂類物質，燃燒過程中在重金屬催化下會形成產生二噁英等有害因子，處理不當會造成更為嚴重的二次污染[10]；第三，焚燒處理投資過高，運行費用加大，對管理水平和設備維護要求較高。

此外，將餐廚垃圾混入生活垃圾進行填埋處置時容易產生滲濾液污染地下水，同時大量惡臭氣體也會嚴重污染大氣環境。

3 餐廚垃圾資源化處置技術

由于餐廚垃圾高含水率、高有機質含量導致的一系列問題，用傳統方式進行處理出現了瓶頸。同時餐廚垃圾中富含食物纖維、淀粉、動植物脂肪和蛋白質等營養物質以及中微量元素，具有很高的資源化利用價值。目前，餐廚垃圾（此處的餐廚垃圾主要指其中的廚余垃圾，不包括廢棄油脂）的主要資源化利用方式為堆肥化、飼料化以及厭氧發酵等。

3.1 堆肥化

堆肥化是生物處理技術的一種，是利用微生物對餐廚垃圾中的有機質實現降解的過程。餐廚垃圾含有豐富的有機質、適量的水分、均勻的營養元素配比，十分適合微生物的生長。因此在一定的堆積狀態下，餐廚垃圾中的微生物自然生長繁殖，使有機質降解最終生成穩定的富含腐肥料。

堆肥技術方法簡單，工藝趨向完善，在處理城鎮有機垃圾上已大規模工業化應用，然而餐廚垃圾堆肥亦存在著較大的技術難題和缺陷。首先，餐廚垃圾中含水率高、易腐，需要大量填充劑調理含水率以及特殊的填充物提高孔隙率，導致餐廚垃圾堆肥附加成本高、設備效率低；此外，高含水率影響堆溫的升高，難以達到消毒滅菌以及有機物高速降解的效果；同時餐廚垃圾中鹽含量較高，并在堆肥過程中有較大幅度提高，因此用餐廚垃圾制得的有機肥料不能大量使用，以防止土壤的鹽化，妨礙農作物的生長；另外，餐廚垃圾的pH值較低，會對生物降解過程產生不利的影響，并產生臭氣，為了達到好氧分解的效果，通常采用強制通風，其臭氣的排放對環境產生一定的影響；同時餐廚垃圾中含有的大量油脂和鹽分影響微生物對有機物的分解速率以及堆肥的品質。餐廚垃圾堆肥化產品存在重金屬元素、持久性有機污染物累積的問題，將產品直接使用，會給環境帶來負面影響。

3.2 飼料化

目前利用餐廚垃圾制備飼料的方法可分為直接干燥法和生物發酵法。直接干燥法[11]是在對餐廚垃圾進行分揀、脫水脫油等預處理后，采用濕熱或干熱工藝，將餐廚垃圾加熱到一定溫度以達到滅菌及干燥的效果，并通過后續處理獲得飼料或飼料添加劑。生物發酵法是在一定的環境條件下將培養出的菌種加入餐廚垃圾中密封貯藏，利用微生物的降解作用，把餐廚垃圾中的營養物質轉變為自身成長和繁殖所需的能源和物質，最終生產出由微生物自身及其蛋白分泌物組成的蛋白飼料。從營養學的角度看，餐廚垃圾營養全面且均衡，最有可能被用作動物飼料，但國內外對餐廚垃圾作為飼料制造原料還存在很大的爭議，認為其產品無法滿足日益增長的食品衛生安全的要求，因此阻礙了飼料化技術的研究和實用化進程，目前對該技術的研究不多。

3.3 厭氧發酵

餐廚垃圾進行厭氧發酵不僅能解決餐廚垃圾帶來的環境污染問題，也能帶來能源的再利用產生一定的經濟效益。從發展歷程看，厭氧發酵經歷了3個階段，即以回收甲烷為主的第一階段、以發酵產氫、制備燃料乙醇為主的第二個階段，以及以兩階段發酵產氫產甲烷為主的第三個階段。然而現有的餐廚垃圾厭氧發酵存在反應條件苛刻、發酵周期長、產沼氣率低等問題，不利于工業化應用。

3.4 高溫好氧發酵

利用高溫耗氧發酵生物技術對餐廚廢棄物進行無害化處理和資源化利用，是當今世界上公認的先進處理方法，這種方法無害化程度高，資源化效果好，對有機物含量較高的餐廚垃圾尤為適用。該工藝技術是利用高溫好氧生物菌群在充分供氧的條件下將餐廚廢棄物分解。其工藝溫度65 ℃左右，處理時間約8～24 h。在該工藝溫度下，大腸桿菌等致病菌、蛔蟲卵等均可被殺滅，沒有二次污染，完全達到無害化處理的要求，其產出物為有機生物菌肥，實現了資源化高效利用的目的。但由于普遍采用了電熱、燃氣、蒸汽等高品位能源的加熱方法，熱效率低，能耗大，故處理成本很高，導致經濟上的微效益甚至負效益。國內某項目一期建成日處理200 t的餐廚廢棄物處理廠，用天然氣作為熱源，每噸的處理成本在1000元以上。企業至今依靠政府的財政補貼維持運轉，顯然不是可持續發展的模式，故該技術尚未被廣泛采用。

因此，探尋餐廚垃圾高效、低能耗、無二次污染的資源化處置工藝，對降低甚至消除此類廢棄物產生的環境污染，使之變廢為寶，同時降低處置成本、提高人民生活環境具有重要意義。

4 利用低品位能的餐廚垃圾及綠化廢棄物高溫好氧發酵技術

鑒于餐廚垃圾資源化處置研究尚屬起步階段以及現有處置工藝存在的弊端，在全面研究現有資源化處置技術的基礎上，通過分析其各自優點及不足，探討并研究了一種利用低品位能的餐廚垃圾及綠化廢棄物混合高溫好氧發酵資源化處置的工藝設備及技術。

4.1 工藝原理

將綠化廢棄物粉碎后作為調理劑和輔料，與餐廚垃圾混合進行高溫好氧發酵處置，同時針對傳統高溫好氧發酵工藝高溫加熱耗能的弊端，采用板狀重力熱管技術，充分利用熱管的傳導原理與相變介質的快速熱傳遞性質，以及熱管優良的等溫性和恒溫特性，實現利用低品位能，即可滿足系統的供熱要求，同時可以使熱源系統的熱效率達到80%以上。

低品位熱能來源廣泛，從太陽能、空氣能、風能、地熱能等新能源，生物質能，工業及生活余熱等均可獲得，可以使餐廚垃圾等有機廢棄物在60 ℃以上的高溫條件下，得到無害化、資源化的完善處理。熱管技術的利用使餐廚垃圾等有機廢棄物的高溫生物處理突破了能耗大的瓶頸口。

同時綠化廢棄物作為高碳有機化合物，和餐廚廢棄物有機結合，作為處置過程中的調理劑，不僅為餐廚垃圾處置增加了空隙率，降低了含水率，滿足了最佳的碳氮比需求，同時通過高溫好氧發酵生物技術，為兩大類有機廢棄物的資源化處置提供了出路。

4.2 工藝設備

本工藝研發的設備（圖1）采用多能源自動供熱系統，應用超導傳熱的板狀重力熱管技術，快速實現高溫等溫加熱，加熱熱管工質的熱水主要來自于低品位能源利用及熱泵的高效增溫。對餐廚垃圾及綠化廢棄物的混合物進行高溫好氧發酵，反應溫度為55～85 ℃，有機質含量為20%～90%，反應物含水率≤80%，反應pH值范圍為6～9，反應物中C/N為25：1～35：1，C/P為75：1～150：1，鼓風量為0.5～5 m3/min，反應時間為12～96 h，微生物菌劑投加量為反應物總質量的0.2%～2%。反應后產出物含水率≤30%，可用做肥料、土壤改良劑以及種植土原輔料（圖2）。

4.3 技術優勢

（1）采用多能源自動供熱系統，可因地制宜選擇最廉價的低品位能源（如光能、風能，地熱能、生物質能、工廠余熱）等；采用直接制熱模式，沒有熱能和電能互相轉換的能量損耗；多種新能源的互補、優化、集成模式，極大的提高了供熱系統的能效比。

（2）采用熱管技術，內置真空，具有理想的等溫性，降低反應體系中加熱水沸點，且加熱過程無熱轉換，無論是汽化段或是凝結段，蒸汽的狀態都是飽和的，由汽化段產生的蒸汽流向凝結段的壓降幾乎為零，減少能量損耗。

（3）將綠化廢棄物與餐廚垃圾混合處置，提高反應物孔隙率及反應體系中氧氣傳輸速率，同時在餐廚垃圾中富含N、P元素的同時，通過加入綠化廢棄物補充反應產物中K元素，并降低餐廚垃圾中含水率及鹽度，彌補傳統堆肥工藝營養不全面、含鹽量高、容易形成土地鹽堿化等不足。

（4）具有高效殺菌滅菌功效。高溫殺菌：復合微生物菌種在60℃以上的高溫好氧條件下快速生長的同時，長時間高溫將滅殺這些有機廢棄物中的大腸桿菌、沙門氏菌、志賀氏菌等病原菌及蛔蟲卵等；分泌物殺菌：復合微生物菌種在快速生長的同時，分泌的一些有機酸、抗生素等有效成分，可以抑制和殺滅有機廢棄物中的致病菌和蟲卵；生長競爭抑制殺菌滅蟲：蒼蠅和蛔蟲等卵變成成蟲的過程中，主要依靠幼蟲攝入腐爛物質中的特定成分而產生的變態激素，由于高溫發酵減少腐爛物質的生成，以及高溫菌產生的高氧化物質，抑制幼蟲產生變態激素，從而達到消滅蟲蠅的效果。

（5）加熱水可反復循環利用，反應產物可同時作為發酵菌劑，能減少微生物菌劑投加量。處理周期短，產物無異味，處理過程環境污染性小。

（6）產出物既可以作為一種土壤增效劑，降解化肥、溶解土壤中被固化的營成分，增加土壤中有效養分的含量；還可作為土壤修復劑，抑制和殺死土壤中的病原菌，有效地控制和預防農作物病蟲害的發生；同時由于產出物具有較高的腐殖質含量和肥效，還可以作為種植土原輔料代替其中泥炭及有機肥成分。

5 結語

餐廚垃圾具有污染與資源雙重性，尋找合理高效的資源化處置技術，不僅可以解決現有的重大環境污染問題，還可通過對其資源化產品的利用產生一定的經濟效益。利用低品位能的餐廚垃圾及綠化廢棄物混合高溫好氧發酵資源化處置技術是在借鑒國內外現有技術優缺點的基礎上對其進行的創新研發，不僅解決了現有工藝處理周期長、反應過程產生惡臭等二次污染問題，同時還有效解決了現有高效無污染卻高能耗、高成本的主要技術問題，利用太陽能、生物質能等低品位能作為供熱能源，大大節約了處置成本，提高了微生物利用率，具有廣闊的應用前景。

致謝：本論文中餐廚垃圾及綠化廢棄物高溫好氧發酵資源化處置工藝技術研究及設備研發是在上海市科委科技創新專項課題資助下完成的，感謝上海市科委對創新技術研發的大力支持。與此同時，還要特別感謝本公司的戰略合作伙伴上海天萌環保科技有限公司對本工藝技術及設備在研發過程中提供的大力支持與幫助。

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