新型餐余垃圾資源化處理器設計

郝 迪 康鎖倩 張競元 劉星辰 李 慧 張玉臣 薛培英

（河北農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境科學學院 河北 保定 071000）

1 前言

隨著經(jīng)濟高速發(fā)展，人們生活水平不斷提升，人們每日餐廚垃圾的生產(chǎn)量越來越大，餐廚垃圾的處置逐漸成為一個亟待解決的新型環(huán)境問題。有關研究表明，大城市內(nèi)每天的生活垃圾產(chǎn)量約3 000 t，而餐廚垃圾占到其中的一半甚至以上[1］。2015年，全國餐廚垃圾產(chǎn)生量約為9 110萬t，日均餐余垃圾產(chǎn)生量為25萬t，人均日產(chǎn)量為0.18 kg。

餐余垃圾主要有三方面的危害：餐廚垃圾通過不法渠道流回食物鏈，帶來嚴重的食品安全隱患，人畜食用后產(chǎn)生疾病、疫情；餐余垃圾大量堆積極易腐爛變質(zhì)造成環(huán)境污染，滋生蚊蠅，產(chǎn)生惡臭污染空氣，滲濾液污染水土；大量垃圾不及時處置，隨意丟棄與其他生活垃圾夾雜在一起，影響市容市貌與環(huán)境衛(wèi)生[2］。目前我國餐余垃圾處理主要是焚燒和填埋，而且焚燒處理方式占比由2004年7%增長至2015年38%。預計我國2020年末生活垃圾焚燒處理能力需要從2017年末的23.52萬t/d增長至59.41萬t/d。焚燒所占總垃圾處理方式的比例由2015年的38%上升至2020年的54%。焚燒雖然減容性大、能夠產(chǎn)生一定的熱量，但餐余垃圾高含水率的特性決定它并不適合用，不僅無法資源化利用，還降低焚燒爐內(nèi)溫度，導致燃燒不充分，產(chǎn)生二惡英。而利用生化的方法進行發(fā)酵生產(chǎn)有機肥，適應當前發(fā)展趨勢，逐漸走入人們的生活[3～4］。

垃圾是放錯位置的資源。資源化利用餐廚垃圾，既能帶來環(huán)境效益，同時又得到經(jīng)濟效益。高油，高鹽分，高含水率，是我國餐余垃圾的特性。餐余垃圾干物質(zhì)中含有機物80.21%和粗脂肪25.86%，且餐廚垃圾35%左右的干物質(zhì)中含約12%粗脂肪，含超過20%蛋白質(zhì)。中國餐余垃圾年產(chǎn)量相當于3 000萬畝玉米和600萬t生物柴油。餐廚垃圾資源化特征顯而易見，資源化加工處理是目前產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然選擇。目前資源化處理方式主要分為厭氧發(fā)酵、好氧堆肥、烘干做飼料和微生物處理等。厭氧發(fā)酵有較高的無害化程度和較高的有機復合承擔能力，但占地大、投資高、工藝復雜和發(fā)酵時間長，無法高效處理餐余垃圾。而好氧發(fā)酵可以在較短的周期里使物料堆肥熟化。此外微生物處理，常用固態(tài)發(fā)酵，能耗低、周期較短，產(chǎn)率較高，一定程度上改良了傳統(tǒng)工藝處理餐廚垃圾產(chǎn)生的營養(yǎng)物質(zhì)利用率低的問題，這是餐廚垃圾資源再利用的一種重要方法[5］。因此，好氧發(fā)酵同時添加微生物菌劑可使發(fā)酵時間大大縮短，有機質(zhì)利用率也顯著提高，相較于傳統(tǒng)工藝，優(yōu)勢明顯。

目前現(xiàn)有的好氧發(fā)酵罐有自然發(fā)酵罐、工業(yè)上用來進行微生物好氧發(fā)酵的大型設備、高溫好氧發(fā)酵罐。其主要處理流程都為預處理除油脫水、攪拌、堆肥發(fā)酵、干燥、貯存。但現(xiàn)有好氧發(fā)酵罐存在以下幾個較為顯著的問題：①占地面積大，運行成本高。如現(xiàn)有的設備日處理量為100～2 000 t，尺寸較大，雖處理量大，但體積大難以靈活移動，并不適于高校餐廳或大型食堂餐廚垃圾的就地處理，運行能耗約耗電100度/d，能耗較大。②現(xiàn)有自然發(fā)酵罐，發(fā)酵時間長、效果差、易產(chǎn)生惡臭。③現(xiàn)有一般單層發(fā)酵罐保溫性能差、升溫緩慢，預處理與發(fā)酵一體化程度低。相關研究表明發(fā)酵效率主要取決于溫度、含水率、微生物菌劑。溫度控制與加熱方式有關，現(xiàn)有電熱、太陽能加熱、微波加熱等。其中，微波加熱方式原理為微波使水分子自旋運動而將微波能轉(zhuǎn)化熱能而使介質(zhì)直接被加熱。這使其相較于其他方式優(yōu)勢明顯，效率高、能量利用率高，微波可選擇性加熱，升溫快且裝載量相等時，微波加熱耗能不到電熱的10%[6］。微波加熱可使含水率快速降到適宜的情況。與不接菌種相比，接種微生物菌劑能使堆肥初期激發(fā)微生物增殖，加速腐熟。有研究表明EM菌劑可縮短發(fā)酵周期，提高高溫期溫度，促使餐廚垃圾無害化[7］。

本新型處理器針對以上缺陷進行改進，設計為體積適宜、移動靈活、放置在餐廳室內(nèi)直接回收餐廚垃圾。運行時采用微波加熱技術，人工高效輔助升溫，減少運行時間，與大型設備相比更節(jié)省能耗。結(jié)合高效EM菌劑共同促使發(fā)酵過程快速完成。另外，此設計改進了處理器外殼，設計為雙層結(jié)構(gòu)，提高了保溫

性能，且雙層金屬外殼有效阻止了電磁波的逸出，保證其安全性。各個處理單元緊湊排列，處理過程連續(xù)、一體化。滿足人們對餐余垃圾進行高效快速處理的需求。

2 新型餐廚垃圾發(fā)酵罐設計

2.1 設計原理?；诤醚醵逊屎臀⑸锾幚碓?，通過加溫和控制含水率，投加高效處理餐余垃圾的EM菌劑，完成餐余垃圾的快速腐熟。相關探究復合微生物降解餐余垃圾機理的實驗表明，在48℃～52℃時有利于殺滅病原菌，加速腐熟[8］?？刂圃撎幚砥魑⒉üβ?0 W左右，先使餐余垃圾快速升溫到50℃左右，再低溫持續(xù)加熱，保溫并降低垃圾含水率到40%～50%。裝置由上到下分別是平旋開閉蓋，下層可設放置活性炭包的金屬網(wǎng)，再下一層為潷水器除油裝置，下部側(cè)面為餐余垃圾進口同時又可通過此處投加發(fā)酵菌粉，整體微波恒溫加熱裝置、左右各設一個可變速的集攪拌、粉碎于一體的攪拌器，底部設有格柵用以除水來控制含水率。

2.2 材料與方法。餐余垃圾處理器整體采用不銹鋼材料，外殼涂層為鍍鋅噴漆，耐長時間高溫且抗腐蝕性能較好，并有效屏蔽電磁波，避免對人體產(chǎn)生傷害。整體為高80 cm，地面直徑1 m的不銹鋼圓柱筒體，一次可處理0.6 m3的餐余垃圾，適用于放置于大型食堂每層餐余垃圾回收處。圓筒潷油器為高度5 cm可伸縮的豎直刮板。攪拌器為直徑約15 cm的螺旋刀片，攪拌粉碎，快速檔位100 r/min，慢速檔位20 r/min。

圖1 餐廚垃圾處理器設計圖

2.3 餐余垃圾處理流程

2.3.1 預處理階段。餐余垃圾廢棄物從側(cè)面入口進入處理器后，首先打開頂部潷油裝置，刮除餐余垃圾上層大量油脂。然后，打開兩側(cè)攪拌器，調(diào)到快速檔位，對餐余垃圾進行粉碎同時固液連續(xù)分離，產(chǎn)生的游離性液體通過擠壓從底部格柵排出到液體收集裝置。

2.3.2 好氧發(fā)酵階段。經(jīng)過前期的預處理操作，為好氧發(fā)酵準備條件，進入高效率好氧發(fā)酵處理階段。在頂部金屬網(wǎng)放置適量的活性炭包，防止發(fā)酵過程產(chǎn)生異味污染大氣。打開微波恒溫加熱裝置，通過微波快速均勻的加熱餐廚垃圾，使盡快達到好氧堆肥腐熟的適宜溫度，同時又通過加溫降低含水率，控制水分含量40%左右。攪拌器開到慢速檔位，使物料與空氣不斷接觸，防止進入?yún)捬鯛顟B(tài)。最后通過微波加熱，把發(fā)酵完成后的基礎肥烘干，基礎肥進一步包裝處理，便于儲存、運輸和銷售。

3 結(jié)論

此新型餐余垃圾處理器結(jié)合好氧發(fā)酵和微生物處理的雙重優(yōu)勢，通過加入EM高效菌劑，并創(chuàng)新性地把微波加熱技術融入好氧發(fā)酵過程，解決了以往傳統(tǒng)工藝自然發(fā)酵狀態(tài)下難升溫、耗時長、腐熟度低，部分垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)異味等弊端。通過攪拌器慢速轉(zhuǎn)動，在保持低能耗的狀態(tài)下使餐余垃圾與空氣連續(xù)接觸避免進入?yún)捬鯛顟B(tài)。此處理器還具有占地面積小，可靈活移動，預處理、發(fā)酵、烘干一體化等優(yōu)勢，可用于高校餐廳、大型工廠食堂，具有較強實用性。產(chǎn)生的優(yōu)質(zhì)有機肥可施于校園草木或廠區(qū)綠地，或干燥處理后出售給花木基地等。在降低餐余垃圾清運費用的同時也避免對環(huán)境的二次污染，帶來經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。