餐廚垃圾一體化處理系統設計

張 勇

（1.廈門大學嘉庚學院環境科學與工程學院；2.河口生態安全與環境健康福建省高校重點實驗室，福建 漳州 363105）

餐廚垃圾主要包括餐飲垃圾和廚余垃圾，是城市生活垃圾的重要組成部分，占城市生活垃圾的37%～62%，且所占比例逐年升高。隨著中國居民消費水平不斷提高，餐飲業日益繁榮，我國餐廚垃圾數量巨大且呈快速上升趨勢。2020年，餐廚垃圾產生總量達12 775萬t，2021年，餐廚垃圾的產生量持續增加。餐廚垃圾通常具有顯著的危害和資源的二重性：危害性表現在對環境的污染、影響市容、威脅人體健康、引發社會問題；資源性表現在其可轉化為清潔能源、有機肥、生物飼料等，可以緩解能源危機，達到資源再生的目的。國家自2000年起開始頒發餐廚垃圾管理政策，至今已初步形成了餐廚垃圾管理和處理的政策體系。近年來，全國多個省（自治區、直轄市）制定了餐廚垃圾管理條例，部分地區啟動了餐廚垃圾資源化利用和無害化處理試點城市項目，積極推動了設區城市餐廚垃圾的分類收運和處理，加強了城市餐廚垃圾管理制度化建設。但是，餐廚垃圾處理實施進度仍然較為緩慢，低于市場預期。

餐廚垃圾的化學組成包括纖維素、淀粉、蛋白質、無機鹽和脂類等，其中，米面類食物的殘余、動植物油、蔬菜、骨頭等有機物質極易滋生細菌和病菌，腐敗變質，產生二氧化碳和甲烷等氣體。目前，國內餐廚垃圾處理方式多為傳統的集中填埋、焚燒、好氧堆肥和厭氧消化等，并未有飛躍性突破。餐廚垃圾含水率和有機物含量高，而且其可能含有大量致病菌，未經處理不能直接填埋。此外，餐廚垃圾填埋后期產生的滲濾液和臭氣會對周圍土壤與大氣產生不可逆的二次污染，進而導致全球氣候變暖。餐廚垃圾含水率高且燃燒熱值低，焚燒會產生大量有害氣體，不適合采用焚燒法處理，其高可降解有機質含量也增加了填埋難度和二次污染風險。好氧堆肥處理能力大，但升溫時間長，處理成本較高，影響其市場化推廣。厭氧消化工藝復雜，工程投資較大，產生的沼液需要處理，但是其有機負荷高，產生的沼氣能回收能源，實現資源化利用。此外，餐廚垃圾處理過程中產生的廢氣、廢水等也對周邊環境產生一定污染，因此要對廢氣、廢水等進行處理，達標后方可排放。

本文綜合設計了餐廚垃圾一體化處理系統，該系統通過整合改造后實現餐廚垃圾的順序處理，包括提升進料、破碎、油污分離、廢水/廢氣處理、熱泵烘干、微生物處理和出料堆肥，其占地面積小、使用方便、處理效果好，對于組分復雜的餐廚垃圾也能夠進行有效處理，并且可以將處理后的剩余物質充分回收利用，進而提高經濟效益。

1 系統整體設計

餐廚垃圾一體化處理系統以餐廚垃圾作為處理的原料，以市場需求為導向，包括預處理系統、可編程邏輯控制器（PLC）控制系統、發酵系統、廢水和廢氣處理系統五個主要部分（見圖1），涵蓋提升進料、破碎、油污分離、廢水/廢氣處理、熱泵烘干、微生物處理和出料堆肥等高效降解餐廚垃圾的設備，實現餐廚垃圾處理的減量化、無害化和資源化。

圖1 餐廚垃圾一體化處理系統總體設計

本設計將儲熱式熱泵蒸汽機組與高溫微生物菌種結合在一起，實現高溫好氧發酵。在餐廚垃圾干化過程中，餐廚垃圾中的油脂、鹽以及各種洗滌劑、消毒劑等有毒化學物質得到有效降解，使其無害化。儲熱式熱泵蒸汽機組可代替傳統的燃煤和蒸汽烘干設備，它是一種高效環保的節能設備，可以提供高溫熱源，不受環境溫度影響，有效地降低干燥費用。

2 工藝流程設計

微生物處理技術在國內外逐漸興起，與傳統處理技術相比，它具有明顯的優勢。微生物處理技術將餐廚垃圾就地處理，餐廚垃圾處理較徹底，垃圾總質量減少約90%，殘留物可以制成有機肥，很大程度上實現了資源的循環利用，促進了資源的節約。

經設計，餐廚垃圾處理工藝流程如下：餐廚垃圾經過提升后被破碎機破碎，固體垃圾經過脫水機脫水后實現固液分離，固體進入儲熱式熱泵蒸汽機組進行微生物高溫發酵，發酵后的殘渣經除臭處理和脫油脫鹽處理即可得到有機肥。固液分離后的液體進入廢水處理系統，首先經過油水分離系統，將油、水分離，廢水進入納米晶石過濾吸附系統，再進入生態微型污水處理系統凈化后達標排放。發酵過程產生的廢氣收集后進行微波等離子體裂解處理、生物除臭和超聲波霧化處理，然后達標排放。

3 系統結構設計

餐廚垃圾一體化處理系統設計如圖2所示。

圖2 餐廚垃圾處理系統組成

餐廚垃圾裝入進料筒，然后通過提升機進入固液分離裝置內進行固液分離，分離后的液體進入油水分離裝置進行油水分離，分離后的水進入廢水處理裝置，分離后的油污進入油污處理裝置，固液分離后的固體通過固廢傳送裝置進入脫水機進行脫水，熱泵為脫水機提供動力，脫水后的固體進入出料筒，液體進入后續廢水處理裝置，產生的氣體進入廢氣處理裝置處理。

固液分離系統利用底部分離排渣技術，可有效地提高功效，實現雜物截留一次排空，艙門密封，跌水不漫溢。油水分離系統采用全斷面過流方式，組合運用臭氧微型納米氣泡（MNB）技術與輪式機構刮油技術。全斷面過流方式流道阻力小、過流面積大、液位差均衡，其更適應餐飲廢水的水流特性；MNB技術有效地提高了功效，可以凈化水質，促進有氧運動，減少酸臭味；輪式機構刮油技術有效地降低了運轉噪聲，驅動阻力小，能耗低，效率高，通道封閉不漫溢。殘渣處理利用高溫好氧發酵技術，將儲熱式熱泵蒸汽機組與高溫微生物菌種相結合，在餐廚垃圾干化過程中，油脂、鹽以及各種洗滌劑、消毒劑等有毒化學物質得到有效降解，實現減量化、無害化和資源化。儲熱式熱泵蒸汽機組是一種新型間歇式真空干燥設備，濕物料經傳導蒸發，機組帶有刮板攪拌器，不斷清除熱面上的物料，物料在容器內推移形成循環流，水分蒸發后由真空泵抽出。

4 廢水、廢氣處理系統

廢水處理主要將納米晶石過濾和吸附技術與生態微型污水處理技術相結合。納米晶石是一種新型多孔結構的無機蓄水材料，具備良好的污水調蓄能力，在自然條件下具有穩定的物化性能和表型特征，是一種綠色材料。納米晶石的主要作用是保水的同時吸收污水中的有機物和化學需氧量（COD），并可以在適當條件下將其供應給植物生長。納米晶石過濾吸附系統由納米晶石層、碳基納米晶砂層和種植土層組成，其利用納米晶石中的氣孔和碳納米管有效吸收和緩釋有機質和COD，并逐步供應給碳基納米晶砂層，再利用碳納米管的緩釋輸送功能將有機質和水分緩慢供應給土壤層。該系統在種植土層中加入微生物群落和植物，構建生態微型污水處理系統，利用土壤中的微生物和植物（如香根草）吸收水中的有機物和氮、磷等污染物。凈化后的污水進入地表再循環系統，將生態環保與景觀相耦合，利用觀賞魚、生態塘等實現污水的進一步凈化。

低溫干化過程中會產生有毒有害尾氣。為了完全達到環保要求，餐廚垃圾一體化處理系統增加廢氣處理系統。廢氣處理系統由微波等離子體裂解處理、生物除臭和超聲波霧化處理等模塊組成。微波照射在金屬吸附體材料上，金屬吸附體材料對廢氣中的有毒有害物質進行吸附，并與微波作用發生放電反應，形成高溫等離子體，高溫等離子體在微波作用下對吸附有毒有害物質的吸附體進行微波等離子體裂解處理，使得有毒有害物質中的有機物還原成碳材料和石墨烯材料。凈化后的廢氣再經過生物除臭和超聲波霧化后排出。

5 結論

餐廚垃圾一體化處理系統通過高溫好氧發酵將餐廚垃圾就地處理，生產有機肥，避免餐廚垃圾存儲、清運、處理時產生的二次污染，很好地實現餐廚垃圾的減量化、無害化和資源化，使餐廚垃圾在源頭上得到有效控制，變廢為寶。餐廚垃圾處理過程會產生廢水和廢氣，而餐廚垃圾一體化處理系統擁有獨立的廢水、廢氣處理系統，可大大減少餐廚垃圾滲濾液的污染，不會對周邊環境產生負面影響，避免臭味影響居民生活。