散点状小规模厨余垃圾回收技术研究和应用

殷小锋，甄晓云，张　伟

(云南利鲁环境建设有限公司，云南 昆明 650041)



散点状小规模厨余垃圾回收技术研究和应用

殷小锋，甄晓云，张伟

(云南利鲁环境建设有限公司，云南 昆明 650041)

摘要：研究开发了一种利用“高温好氧消化技术”的小型餐厨垃圾处理设备,处理量为100kg/d，通过筛选驯化能对厨余垃圾进行有效处理的菌种，将厨余垃圾进行油水分离后，调整厨余垃圾的含水率至55%，接种底物1%的菌制剂，通过PLC温度控制系统控制温度，对厨余垃圾进行转化处理。进行发酵处理后的产物基本满足国家有机肥标准，可做有机肥料进行再利用，并且降低致病菌繁殖危害。这种小型的厨余垃圾处理设备，能针对性地对呈“散点状”分布的学校及交通干线沿线的餐厨垃圾进行处理。

关键词：厨余垃圾；散点状小规模处理；高温好氧消化；厨余垃圾处理设备；研究应用

0引言

随着人们的生活日益进步，厨余垃圾逐渐成为食物垃圾中最主要的一种，包括家庭、食堂以及餐饮行业等产生的食物加工废弃物。相较于其他的生活垃圾来说，这些厨余垃圾通常成分复杂，包括水、油、蔬果、米面、肉类以及废餐具、塑料、纸屑等。这些废弃物通常以糖类、淀粉和动物脂肪为主，盐分、油脂含量很高(袁玉玉，2006)。但厨余垃圾有毒有害物质含量较低，有很好的再利用价值。通常厨余垃圾含水率较高，若随意堆弃，其渗滤水通过渗透作用和地表径流记忆污染地表水和地下水。厨余垃圾有机质含量很高，在温度较高的条件下，极易腐烂发臭，产生大量氨、硫化物等有害气体，会对大气造成进一步的污染(王莉，2011)。

在我国，由于餐饮文化的差异，所产生的厨余垃圾远远多于西方人。长期以来厨余垃圾在我国被用于牲畜喂养，例如泔水喂猪。不能用于喂养牲畜的厨余垃圾常常通过粉碎直排的方式排入城市下水管网，极易造成堵塞和二次污染(汪群慧，2004)。随着对厨余垃圾的再利用价值认识的加深，厨余垃圾的集中化处理和再利用技术已在国内外被大量运用(王兴宇，2012；张健，2012；Refsgaard，2009；Fehr，2002)。这些处理方式通常包括填埋、蚯蚓堆肥、提取生物降解塑料技术、固态发酵、好氧堆肥等(汪群慧，2004；Lai，2009；Zhang，2007)。

城市中对厨余垃圾的集中处理并不难办到，各省市都相应地颁布了关于厨余垃圾的处理规定和条例。随着城市经济的发展，许多地区逐渐将高等院校移至远离城市的郊区，而高速公路和交通干道的建设也导致许多服务区、集中餐区等餐饮服务型行业在离城区较远的区域发展起来。这些分散的区域通常无法统一地对厨余垃圾进行处理，导致了小规模的厨余垃圾日益呈现“散点状”分布。

以云南省为例，云南省高速公路已达2500多km，运营服务区近50个，另外还有众多收费站点。这些服务区与收费站远离市区，且人流量较大，日常产生大量的生活污水及厨余垃圾。目前生活污水已基本得到处理，出水达到环保部规定的要求。厨余垃圾一部分被清运至城市垃圾处理系统，一部分被当地人运至养猪厂，大部分厨余垃圾并未得到处理，或者排入当地河流，或者堆于当地荒山。厨余垃圾的清运产生了大量的运费，未清运的厨余垃圾，排入河流引起河流的污染，最终影响河流、湖泊内的水生动植物，引起鱼类的大量死亡。堆积在荒山的厨余垃圾因腐烂产生难闻的气味，严重影响了当地居民的生活环境，也给过往的游客造成了不好的影响和印象。高速公路沿线有大量的农田、菜园、花卉基地等，平常产生的大量秸杆、菜叶、花卉枝叶等被丢弃于路边，腐烂后随着雨水的冲刷进入当地河流湖泊，一方面增加了湖泊的污染，另一方面影响了高速公路沿线环境。郊区的学校区域通常师生人数众多，日常餐饮除产生大量废水外，还产生大量的厨余垃圾，这些厨余垃圾一方面会加重污水处理的负担，另一方面也增大了生活垃圾的清运和处理费用，而厨余垃圾高含水率和高含油率的特点，容易导致堆肥品质不良和二次污染等问题。这些“散点状”分布的厨余垃圾与可降解固体废弃物的处理成为迫在眉睫的课题。

高温好氧消化技术(Thermophilic aerobic digestion，TAD)是一种在高温下(45～65℃)运行的生物好氧降解技术，具有生物降解速度相当快、低细胞产率(污泥产量少)和灭菌效率高的优点。经过微生物分解后的残渣可成为高效的有机肥料(梁彦杰，2008)。厨余垃圾中有大量的有机物可供微生物进行分解转化，本研究根据已获得菌种对厨余垃圾的处理进行针对性选育和驯化，选育出适用于厨余垃圾再利用处理的耐高温菌种，对于获得的菌种再进行高温好氧驯化。这种方法相较于传统的好氧堆肥和厌氧消化制沼气来说，能更加充分地回收利用厨余垃圾中富含的营养成分。

云南省内高校众多，学校人员集中，日常产生的厨余垃圾及可降解固体废弃物较多。有多所学校位于市郊，这些垃圾很难并入城市垃圾收集系统统一处理。本项目选择的示范点为云南交通高级技工学校，由学校推及省内的高速公路服务区、收费站附属区。将项目实施地点生活垃圾中的厨余垃圾与有机可降解固体废弃物收集分类，建立高效的厨余垃圾与有机可降解固体废弃物处理系统(包括设备处理系统和微生物反应系统)和配套工艺技术，生产出农用肥料产品。促进项目区厨余垃圾与有机可降解固体废弃物“减量化”、“无害化”和“资源化”循环利用，变废为宝，改善环境质量和民生生活条件，并为今后扩大推广应用做出示范。

1实验方法与技术

1.1实验地点

云南交通技师学院是一所隶属于云南省交通厅的全日制技师学院，位于昆明市郊(安宁市)。由于离市区较远，学校日常产生大量的生活污水及生活垃圾无法并入城市处理系统统一处理。

1.2实验方法

1.2.1小型厨余垃圾资源化利用设备

资源化处理设备工艺包括生物反应仓、驱动部分、附属装置和控制部分，处理量为100kg/d(已申请专利)，如图1。

(1)反应仓体

由于反应初期湿度较大，部分垃圾会粘附在仓体内壁上，影响反应效果，故应设置搅拌装置，且符合以下要求：①搅拌桨叶与内壁圆弧面及两端面应基本吻合。②具有一定的速度可调性。③可按顺、逆时针两个方向旋转，在旋转时搅拌桨叶能使垃圾向内外两侧翻转。④搅拌桨叶分为3组，每组桨叶之间的夹角为120°(见图2、图3)。

(2)驱动装置

驱动部分由电动机经齿轮减速器驱动搅拌桨叶主轴，电动机及减速器安装在反应仓旁的基座上，有防护挡板。

(3)附属装置

①加热装置：为了使厨余垃圾始终处于高温好氧状态，必须控制一定的反应温度。反应仓夹层内设有电阻加热套件，同时为控制温度，在反应仓内设有温度探头。②通风装置：在反应仓上部设置排气口，利用出料口作为送风口，以保证尾气不外泄。通过抽风机将尾气送入尾气处理装置进行处理后排放。③垃圾进出口：由于该设备为实验示范性设备，因此处理量不大，自主研发设备采用手动操作。在微生物反应仓上口设置活动盖，作为垃圾添加口，并在持续反应仓上口设置检查盖，随时观察反应进程。

(4)控制部分(PLC)

控制部分由以下部分组成：①电源控制：可以控制电源的开闭及主轴的转动。②温度设定及自动控制：可根据需要设定和显示温度，并自动控制温度。

1.2.2厨余垃圾再利用工艺流程(图5)

1.2.3微生物菌群的驯化和组合筛选

本研究主要以购买菌种为菌源，通过分析菌种中的菌种、数量，考察微生物对厨余垃圾各营养物的降解效果。通过逐渐改变厨余垃圾与各营养物比例的方法，使菌种得到驯化，使之适应厨余垃圾的降解环境。

(1)优势菌种的分离、筛选与初步鉴别

将各个培养基灭菌后制成斜板，将平板中的细菌采用画线法接种至斜面培养基上。在采集平板中菌落的时候，尽量选取细菌菌落为10个左右的培养基。本次分离和筛选主要是针对厨余垃圾成分而制作：采用淀粉培养基、脂肪培养基、明胶蛋白质培养基作用物进行培养筛选，通过其变化，验证菌种的作用机理，并以此来对优势菌种进行鉴别和筛选。

分离出来的菌株对其淀粉、脂肪和蛋白降解效果做进一步分离。利用菌落的生理特征来确认有无降解效果，主要分为平板菌落特征观察，比较各菌株对淀粉、脂肪和蛋白质的降解效果，并采用革兰氏染色进行观察(图6)。

(2)优势菌种的驯化

对已获得的优势菌种，将其接种在厨余垃圾粉碎后的培养基中，放置在30℃恒温培养箱中，进行好氧驯化处理，并定期搅拌。逐步提高培养温度，直到培养温度达到50℃为止。

1.2.4处理前垃圾分类

为了保证设备产出成品肥料的合格率，对投入设备的厨余垃圾与有机可降解固体废弃物进行了采集分析。先用筛滤除去其中的水和油，剩下湿渣，形成检测样品。结合厨余垃圾的特点，对含水率、有机碳、总氮、总磷、蛋白质和动植物油等进行检测和分析。

1.2.5处理后产出物成分分析

对厨余垃圾生产出的有机肥进行组分含量检测。

2结果与分析

2.1微生物的筛选和驯养结果

观察发现，随着培养基中厨余垃圾的含量增加，菌的生长速度变慢。在全部使用厨余垃圾作为培养基时，菌丝在第4d开始浓密，并观察到培养基变为黑褐色，稠度也随着微生物作用时间的增加，开始稠度降低，随后稠度很快增加。当温度逐步上升为50℃，微生物依然可以生长。同时，对菌剂进行安全性检测，主要包括沙门氏菌、志贺氏菌、金黄色葡萄球菌、溶血性链球菌、总大肠菌群和粪大肠菌群，结果如表1。

2.2处理前垃圾成分分析

对投入设备的厨余垃圾与有机可降解固体废弃物进行了采集，对含水率、有机碳、总氮、总磷、蛋白质和动植物油等进行检测和分析。对厨余垃圾的含水率、含固率分析得出，厨余垃圾平均含水率为87%，平均含固率为13%。厨余垃圾内的有机干物质含量高达93%，而含油率为17%。分析所得的有机碳、总氮、总磷等含量如表3所示。

2.3厨余垃圾产出有机肥成分检测

厨余垃圾处理后得到大量有机肥，对生产出的有机肥进行检测，结果见表4。对比国标有机肥标准(NYN525-2002)(表5)，其成分对比均大于有机肥标准(NYN525-2002)，而pH值相较于国标来说偏低。

表1　高温菌剂致病菌检测

表2　厨余垃圾与有机可降解固体废弃物组分

表3　厨余垃圾化学成分分析

表4　厨余垃圾产出有机肥成分检测结果

表5　国标有机肥标准(NYN525-2002)

3结论与讨论

本研究采用的“高温好氧消化技术”，在反应过程中，预先对厨余垃圾进行自然沉降油水残渣分离，沉降后投入设计好的垃圾资源化设备中进行处理。处理后得到大量的有机肥料，有机肥料pH值偏低，可以通过添加草木灰等来中和调整，以达到有机肥的质量标准。这种肥料化技术是餐厨垃圾资源化技术中最有效的方式之一。虽然厨余垃圾中含水率和含油率较高，但是对厨余垃圾进行合理的分类和筛选沉淀，调节含水率和含油率以后，可以通过高温好氧消化技术，利用微生物有效地分解。梁彦杰(2008)在对厨余垃圾的高温好氧消化技术研究中也指出，高温好氧消化段最佳的工艺条件为含水率55%，接种微生物量1%，加热温度50℃。在这样的条件下，厨余垃圾可以得到有效处理，得到的有机肥料可以有效进行再利用。通过分离得到的油脂，可以通过集中回收再利用。进行集中统一管理，也能有效杜绝“地沟油”的产生。

在国外，机械化、自动化地将餐厨垃圾进行再处理，运用微生物法发酵再利用的方法已被广泛运用(余群，2003；Lai，2009)。通常来说在城市区域或者人口较为密集的区域，厨余垃圾的集中回收再利用都较为容易。随着社会经济的发展，远离市区的一些“卫星区域”例如大学城、大学校区、高速路服务区等也迅速发展。这些区域通常缺乏集中处理垃圾的设备设施，尤其是高速公路服务区。以云南省为例，许多高速路和主要交通干道管理处、收费站以及服务区都位于人口稀疏的山区，而餐厨垃圾的四处丢弃现象也很严重，垃圾再利用率很低。这些地方附近往往是田地或者天然植被区域，长期的垃圾污染容易导致地下水污染、植被受到破坏等后果。

这些分布相对零星的学校校区、交通干道沿线服务区等，通常只是利用传统方式对厨余垃圾进行处理，包括“泔水喂猪”和传统堆肥。传统的“泔水喂猪”的方式，虽然将厨余垃圾利用了起来，但是并未对这些被养殖户拉走喂养牲畜的厨余垃圾做出安全监测，食品安全成为一个很严重的问题。简单的传统堆肥，虽然也能有效将厨余垃圾发酵转化成为有机肥料，但是通常腐熟周期长，需要大量的翻堆机械和人力，缺乏管理，导致污水横流，臭味连天，对于周边环境是一个很大的威胁(余群，2003)。相对于这些传统利用方式，本研究中开发的厨余垃圾资源化设备能有效进行好氧堆肥，在封闭舱内通过搅拌臂的翻动来实现对肥堆的自动翻动和搅拌，同时通过添加驯化后微生物来对厨余垃圾进行针对性的处理，减少排放，缩短发酵时间，提高转化率，从而提高再利用效率。

在厨余垃圾的处理中添加经筛选驯化后的特定菌种，在降解对象为厨余垃圾时，菌种可以正常增殖并且对厨余垃圾有有效的处理效果，当温度逐步上升为50℃，微生物依然可以生长。同时对致病菌的检测也可以发现，经过该种方式处理，降解厨余垃圾的细菌为主要优势群落，不带有沙门氏菌、志贺氏菌、金黄色葡萄球菌、溶血性链球菌、总大肠菌群和粪大肠菌群等菌群。

本研究开发的小型厨余垃圾再利用装置，能为远离于市区或者垃圾处理厂的区域提供垃圾处理示范作用，随着装置的推行和使用，所产生的废水和废油需再进行处置后再循环利用或者进行排放(许华锋，2012)。厨余垃圾处理后的剩余物，可成为高效的有机肥料再利用，这也与发展循环经济，进行可持续发展的倡导相契合。

参考文献：

[1]Elem,B.O.,Oladimeji,O.S.,Adu,O.B.,Olayeye,O.I. Chemical evaluation of waste from Thaumatococcus danielli (Benth) processing [J].Plant Foods for Human Nutrition，1999(54):101-108.

[2]胡新军,张敏,余俊锋,等.中国餐厨垃圾处理的现状、问题和对策[J].生态学报,2012，32(6):4575-4584.

[3]黎敏.餐厨垃圾处理技术及其应用探讨[J].资源节约与环保,2013(3):78.

[4]曹书翰,陈立功,刘先杰, 等.餐厨垃圾油水分离技术与方法研究[J].环境卫生工程,2012，12(2):39-42.

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

作者简介：殷小锋(1981-)，男，安徽繁昌人，工程师，主要从事环境污染治理与研究工作。

中图分类号：X705

文献标志码：A

文章编号：1673-9655(2016)02-0039-06