高溫好氧發酵技術在餐廚垃圾處理中的應用

鐘景球

（瀚藍（佛山三水）生物環保技術有限公司 廣東佛山 528100）

引言

餐廚垃圾俗稱泔水、潲水，也就是殘渣，是城市生活垃圾中的一種有機廢物。在城市化快速推進、餐桌愈發豐富的背景下，餐廚垃圾已逐漸成為城市生活垃圾的主要來源。根據清華大學固體廢棄物污染防治與資源化研究院的統計，我國城市的餐廚垃圾總量達到了6 千萬噸。餐飲垃圾非常容易腐敗，如果處理不好，很容易引起“地溝油”、“垃圾豬”等食品安全問題，對城市的形象造成嚴重的影響，對于自然環境以及人類的健康狀態都有一定的影響。相比于其他類型的廢棄物，餐廚垃圾富含養分和有機物，可再生利用。通過對餐廚垃圾的資源化利用，使廢物轉化為利益，防止其直接進入食品鏈，對堆肥焚燒等行為的消極影響有抑制作用，確保資源有序利用以及環境的健康狀態，符合多方面的效益需求。由此可見建立餐廚垃圾資源無害處理體系的重要性，也需要正視當前處理體系中存在的種種問題。傳統的垃圾填埋、焚燒既造成了大量的有機物質的浪費，又造成了環境的二次污染。好氧發酵技術在處理生活垃圾、廚余垃圾等有機垃圾過程中發揮重要作用，根據好氧發酵技術的要求，做好溫度、含氧量等條件的準備工作，在處理有機垃圾的基礎上，將分解后的產物應用在土壤施肥、改良等多個領域，有效保證有機垃圾的無害化處理效果，同時吻合資源循環利用的原則。基于好氧發酵技術的優勢，世界各地已經研制出了大量的分散式垃圾處理機，并在食堂、養殖場、飯店等垃圾產生的源頭進行了初步的應用。[1]

1 餐廚垃圾的特點及危害

餐廚垃圾是指食品加工過程中的廢棄物與食物殘渣。餐廚垃圾具體細分為多種類型，例如水、紙巾、骨肉、蔬菜等等。此類垃圾通常含有較多的有機物和水分，在常溫環境下發生變質腐敗的概率較高。在餐廚垃圾發霉變質的情況下，產生的氣味影響周圍環境。與此同時也為寄生蟲提供了良好的滋養條件，寄生蟲、毒素含量居高不下。我國大多數地方都是將餐廚垃圾進行簡單的處理，其中一部分用作低成本的飼料，而餐廚垃圾則會對人類的身體造成一定的傷害，另外，餐廚垃圾中的動物蛋白含量顯著偏高，如果處理過于簡單，意味著禽畜同源性風險顯著提升。所以美、日、歐盟等發達國家都制定了法律，禁止利用反芻蛋白生產飼料，也不允許在同類動物中使用動物來源的蛋白質。國家還制定了禁止以動物為原料喂養反芻動物的相關政策。部分地溝油精制后又回到了餐桌上，對人民的身體造成了很大的威脅。

2 國內餐廚垃圾處理現狀

在餐廚垃圾處理體系中，以源頭處理和集中處理兩種模式最為典型，效果最好。但是要認識到我國餐廚垃圾分類仍處于相對滯后的狀態，仍有較長的改革道路，在短期內很難實施，很難發揮決定性的效果。因此，在我國目前的情況下，小型現場好氧發酵處理裝置是一種很好的過渡產品，但由于我國地域廣闊，地域差異大，有些地方難以進行，成本較高，采用現場好氧發酵工藝是一種有效的補充。目前國內大部分的好氧高溫發酵設備通常采用烘焙方式。這種方式的核心在于高溫加熱，針對餐廚垃圾實現減量化處理效果，加熱溫度不能低于65℃。由于這種方式依賴烘箱設備，對電力依賴度較高。有機物質的蒸發濃縮過程中，沒有經過微生物的好氧發酵，大部分的機械肥料都沒有完全腐爛，不適合農業生產。有研究以杭州市12 個小型農用機械生產的肥料為原料，對其進行了品質取樣，結果表明，在12-48 小時之內，采用速化法生產的食品，其腐熟度較低，達不到國家要求的有機肥料標準，不宜用于農業。[2]

3 高溫好氧發酵運用的技術優點

由于我國居民的飲食習慣，餐廚垃圾處于高位運行、快速上升的狀態。在餐廚垃圾規模膨脹的背景下，其中的水分和有機物的腐敗效應更加突出。在運輸、處置過程中，不僅會產生大量的有毒物質，還會釋放出難聞的氣味，對水體、空氣都有一定的影響。

隨著我國經濟的快速發展和城市居民的日益增多，我國的餐飲垃圾處理量也在快速增長，傳統的垃圾處理方法已經無法適應城市生活的需要。只有對餐廚垃圾進行無害化、再利用，才能從根本上消除其對人體的傷害。現在大家都在關心食物的安全性，促進了國家在處理餐廚垃圾方面的政策導向，使其走向無害化、資源化的發展方向。

餐廚垃圾是一種資源性的廢物，采用高溫好氧發酵技術進行資源化已成為研究熱點。好氧發酵技術在處理有機廢棄物中的應用，其優點是：無需較高成本就可以使用好氧發酵技術，在較短時間內高質量處理餐廚垃圾，形成的產品具有較高應用價值。高溫好氧發酵是通過人工調節一定濕度、C/N、通風等環境，并通過微生物的生物化學降解，對有機物質進行分解轉換處理，核心機制在于破壞餐廚垃圾有機物質的穩定狀態。在好氧發酵技術作用下，實現有機物到腐殖物質的轉化效果，清除全部的病原菌以及雜質，轉化后的物質環保安全，在土壤施肥過程中可以廣泛使用。目前，這一技術已被國際上廣泛接受，特別是在缺乏整體土地供應、需要分散處置有機廢物的城市地區尤為突出。

4 高溫好氧發酵運用的技術重點

4.1 堆肥單元容積

從堆肥單位來說，不僅可以分解有機物，而且可以分解微生物，無論是體積，還是每天的處理能力，都與設計的停留時間有著密切的關系，不僅要將其分解，而且要滿足材料運輸的要求。例如，日處理的負荷是1000 千克，材料的含水率為80%，而不進行二次發酵的制品，其出料的水分含量一般維持在30%到40%。在進行擠壓后，會減少100 千克的水分，從而使其質量保持在900 千克，使材料的含水量降低。如果在里面加入300 千克的輔助材料，在水分含量為10%的情況下，物料的合計重量是1200 千克，含水率為60%。在此期間，必須確保材料滯留7 日，否則無法完成全部的堆肥。同時，預期的產物的重量為600 千克，水分含量為40%。7 日內，總減重達到600 千克，蒸發水分489千克，除去由有機物質分解產生的濕氣。如果在裝置操作期間，每日的原料和蒸發器速度都很均衡，那么堆肥單元中的物料總重將達到6300 千克左右。經過稱量試驗，發現脫水完成的廚房廢棄物濃度為1200kg/m3，其實際體積為5.25m3。由于混合等因素，發酵壁的有效體積占60%左右，在此期間，發酵壁體積在8.7m3～8.8m3之間，發酵室與原料體積之比不到8.5:1，則很容易造成發酵劑不完全，其原料的水分含量也會很高，所生成的原料也無法達到相應的肥料標準。[3]

4.2 發酵單元保溫

通常，環境溫度會對有機垃圾降解的活性產生影響，進而對其生物降解速度造成一定的影響。通常來說，50℃-65℃是理想的堆肥溫度，這就要求發酵室有一定的保溫作用。至于生物分解，則是一個釋放熱量的過程，根據裝置的不斷運轉，再加上隔熱材料的保護，就能讓高溫降解過程中的堆體溫度在幾天的時間內始終大于60℃。若發酵室保溫性能不佳，則不利于細菌產生熱量，可以對發酵過程供熱，使微生物在低溫下仍能存活。同時，還可以通過換熱、對供養的空氣進行加熱，達到了再循環的目的，從而降低運營費用。

4.3 物料攪拌

對于發酵來看，物料的攪拌是一個很關鍵的過程。通過連續好氧堆肥的原理不難看出，在攪拌作用下，腔內底料與物料的融合程度更高，有效促進分解效應，實現吸納堆體充氧的效果。就地處理設備側重于使用機械攪拌法，即通過攪拌設施的周期運動，將機械能施加到材料上，在這個期間，攪拌機周圍會形成一個高紊動的攪拌區，促進液體在腔體中的流動。就攪拌器來說，通常根據葉片的方向和葉片的傾角來劃分，分為三大類：一為直立葉片、二為折葉片、三為旋葉片。在進行現場處置時，以轉速為20～80rpm 的槳式槳葉最為典型。無論采用何種混合設備，其攪拌轉矩和力臂計算均是影響其性能的關鍵。通常來說，攪拌機構都是力學模型，根據力學分析得知，如果在堆肥室中裝滿了液體，則可以通過對混合器的攪拌轉矩進行計算，得出其安全因子為1.5-2，從而獲得攪拌設施的最大應力。[4]

4.4 充氧以及排出水汽

在對垃圾開展好氧微生物降解時，需要消耗大量的氧，也會產生大量的二氧化碳。因此，在反應腔中的氧氣含量也相對較高，最大限度保證細菌的成活狀態，避免細菌死亡影響菌床的生成，從而使裝置無法正常運轉。考慮到發酵工藝，其堆內含氧量為15%，這要求反應器能進行通風。在通風方面，最佳的通風位置是封閉的，采用上部的通風，下部的空氣供給。空氣從底部流入反應腔，再從上部排出，有利于發酵液的充分供給。在此期間，空氣方向的傳送也可以把肥料所產生的濕氣排除出去。在凝結水蒸汽以后，可以進行集中的收集和處置。密封式空腔可以防止有害物質在周圍的環境中傳播。

5 高溫好氧發酵技術在餐廚垃圾處理中的應用

5.1 實例概況

高溫好氧發酵技術適合于沿海城市、縣鎮、農村、海島上各種工業的餐廚垃圾、廚余垃圾、果蔬垃圾等進行好氧生物有機肥的資源化和再利用。本文對佛山市三水區中心城區（西南街道和云東海街道、白坭鎮）餐廚有機垃圾資源化處理項目的餐廚垃圾好氧生物降解再循環利用進行了研究，該項目處理規模64t/d。

5.2 生產流程和技術指標

餐廚垃圾通過分類的方式進入預處理設備。采用雙軸型粉碎設備以及超細粉碎方法，有效處理餐廚垃圾中的海鮮硬殼物質。超細粉碎方法有效控制餐廚垃圾的顆粒尺寸，至少九成的物料粒徑在1～3cm 之間，保證顆粒尺寸統一。隨后將物料投入到雙級深度脫水裝置，由螺旋變直徑擠出機進行深層脫水，將含有高水分的餐飲垃圾進行固液分離，分離后的液體被送入蓄水池、隔油池等現有的污水處理設備中，或者運輸到相應的處理設施，基于一體化原則進行排放處理。固體物質經過分離處理后，含水率和體積均明顯下降，含水率降低到處理前的70%，物質體積為處理前的60%。在好氧發酵倉內部，采用“迷宮式”多槽推進推動方式，使餐廚垃圾在其自身研制的、定向、高效、復合微生物等微生物的協同下，共同實現堆肥效果。利用發酵倉的智能效應，有效控制倉內的溫度濕度條件，調控餐廚垃圾的含鹽量、含油量，確保原料與高效成熟菌體的融合效果，利用區域環境內的優勢條件。發揮微生物種群的作用，最大限度降低油鹽等物質對發酵反應的抑制效應，提升餐廚垃圾發酵效果。保證好氧發酵裝備與生物除臭設備的連接效果，在發酵的同時執行除臭任務。[5]

5.3 關鍵技術參數

預處理裝置能將90%以上的原料顆粒大小達到1～3cm；經過預處理的物料經固液相分離后，物料的水分含量在70%以下，在55～65℃的發酵室中進行發酵，整體的減量化比例達到90%。

5.4 生產過程

從項目現場產生的餐廚垃圾被投放到專門的可生物分解回收槽中，再通過運輸車將其運送到餐廚垃圾處理中心。該設備采用了一種新型的送料裝置，將原料送入到粉碎體系，將大塊的材料粉碎，使其對微生物的作用和產品的品質有所改善。經過脫水劑的脫水量超過50%，固體廢物的含水量小于70%，初期的減容比40%左右。而作為溶解狀態的鹽類和油脂則進入了水相區。

經過處理后的固相進入到發酵體系中，經過微生物的催化，將含有豐富的有機物的混合物分解成易于被作物所吸收的小分子的化肥。經過該裝置能夠獲得成品，發酵后獲取的產物與國家在有機肥料領域頒布的標準。色澤呈棕色或灰色，顆粒或粉末，不含異味，不含機械成分。可以用作土壤調節器和粗化有機質，通過化肥的深度處理，可以生產出各種商品化的復合肥、微生物菌肥等。其結果是能夠調控農作物的“生態微環境”，是一種很有應用前景的新型肥料。

5.5 污染防治效果和達標情況

（1）使用好氧發酵技術處理生活垃圾時，還需要處理該過程中生成的廢氣。廢氣的處理過程，應當符合國家頒布的關于大氣污染物與惡臭污染物的排放標準。處理過程中的噪聲排放也應當符合國家頒布的噪聲排放標準。常規情況下，廠房內的噪聲值為75dB（A）。

（2）將生活廢棄物的源頭減量化率在90%之上。

（3）將其再利用至100%。

（4）所述的生活廢棄物發酵劑符合國家《有機肥料》NY525-2012 國家標準。

5.6 資源節約與綜合利用

（1）分散式的加工方式極大地降低了能源和運輸期間的二氧化碳排放量。

（2）采用液壓推桿控制壓盤，可使料液在脫模后的水分含量低于70%，可使反應能量消耗減少60%，輔料節約100%。

（3）采用我國自主研發的新型有機廢棄物復合發酵液，該產品的綜合性能達到替代或超過國外同類產品，而且僅需要一次投入，可達到多代產品的再利用，減少了裝置的操作費用。推廣計劃中的微生物品種可無償供應，使其使用費用幾乎為0。

（4）通過技術創新和優勢菌種的篩選，達到節能、減排的目的，一噸廚余廢棄物可節省0.05 噸標準煤炭，減少0.11 噸CO2，節省運輸成本約80 元/噸。

6 難點與展望

不可否認的是好氧發酵技術吻合資源處理、可持續發展等多方面的要求，但是要結合我國當前情況，要生產出滿足農業生產標準的化肥，對有機質、含水率、C/N 的含量都有很大的影響，而這解決問題的一個關鍵條件是生活垃圾分類，但目前我國的垃圾分選、破碎、脫水、調節，必須建立在精心篩選、并進行破碎調節等處理的基礎之上，人力與設備資源應用較多。從生產經營的觀點來考慮，由于餐廚廢棄物的現場處置常常靠近居住區，對設備的發酵速率和脫水的利用率都有一定的提高，不然容易出現臭氣，從充分發酵的角度切入，必須經過一周時間，因此兩者之間存在一定矛盾，對于現行餐廚垃圾處置裝置也有一定影響，裝置往往只能做到減量化，而不是“再利用”。我國目前尚無一套標準化的餐廚垃圾資源化處置技術規范。可以說，當前我國餐廚垃圾處理還有很多欠缺，并沒有完善的法律體系作為支撐，餐廚垃圾處理不夠妥當。導致了一些常規的餐飲垃圾回收公司沒有辦法繼續運營下去的局面。另外，大多數的餐飲企業對其進行的不完全的處置，一般都是將其作為廢水的一部分交給城市的下水道進行處置，而高含鹽量又不利于微生物的生長，容易腐蝕設備，增加了廢水的負荷。從技術角度看，我國目前的生活污水收集、處置與再利用的技術和技術水準尚不完善；許多研究機構僅限于解決城市餐廚廢棄物的資源化處置問題，在產業化研究領域存在欠缺，對于城市餐廚垃圾的處理與循環利用體系的發展蒙上陰影，始終無法形成象征著良性循環的產業鏈。由此指明了好氧發酵技術的未來應用方向，需要保證好氧發酵技術的應用質量。注意好氧發酵應用環境的封閉性和智能化屬性，確保環境溫度足夠穩定，從根本上節省垃圾處置的運行費用，并減小臭氣和噪聲。只有通過這種方式，方可打通好氧發酵技術深入居民小區的道路，為餐廚垃圾的就地處置奠定良好基礎。

結語

綜上所述，我國的廚余廢棄物來源廣泛，餐廚垃圾含水量較高，產量規模逐步提升，容易發生腐爛現象，包含N、P、K 等多種元素。常規的垃圾填埋方法不僅會造成巨大的庫存量和大量的垃圾，同時也會造成堆肥過程中的污染；而燃燒技術由于其熱量和水分含量高，導致燃燒費用高昂，無法連續進行。高溫好氧發酵技術總體來講實現餐廚垃圾的快速發酵與有機物轉化效果，生成的產物可以應用在農田施肥、土壤改良等多個領域，在妥善處理餐廚垃圾的同時實現廢物再生利用的效果，為有機垃圾的處理提供了新的思路。當前餐廚垃圾處理機在諸多餐飲、養殖場景中大量應用，為處理餐廚垃圾做出巨大貢獻。