利用低品位能的餐厨垃圾及绿化废弃物的高温好氧发酵技术

摘要：对餐厨垃圾的定义、不同国家及地区餐厨垃圾产生量以及餐厨垃圾传统及现有资源化处置技术进行了探讨。在全面研究现有资源化处置技术的基础上，通过分析其各自优点及不足，提出并研发了一种利用低品位能的餐厨垃圾及绿化废弃物混合高温好氧发酵资源化处置的技术，为餐厨垃圾及绿化废弃物的高效、低能耗无二次污染资源化处置提供新的思路和途径。

关键词：餐厨垃圾；绿化废弃物；低品位能；高温好氧发酵

中图分类号：X705 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2016）08-0076-04

1.引言

随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，城市生活垃圾产生量日益增大，尤其以餐厨垃圾增长最为迅猛。餐厨垃圾俗称泔脚，即残羹剩饭，是指除居民日常生活以外的食品加工、饮食服务、单位供餐等活动中产生的厨余垃圾和废弃食用油脂。餐厨垃圾作为城市生活垃圾中一类特殊而重要的组成部分，在城市生活垃圾中占有很大比重（表1），因此对生活垃圾减量化、无害化及资源化处置十分重要。餐厨垃圾含水率和有机物含量高，极易在较短时间内腐烂发臭和滋生蚊蝇等，如果处置不当会对环境造成极大污染。但另一方面，餐厨垃圾营养丰富的特点也使其成为一种很好的资源化原料，如果加以合理利用，将创造巨大的资源化利用价值。

同时，绿化废弃物也是城市有机垃圾处理的顽疾，既不能焚烧处理，填埋也不经济环保。粉碎堆置是目前常用的不得已而为之的处理方式。作为高碳有机化合物，寻找合理高效的资源化处置途径也是至关重要的。

2.餐厨垃圾传统处置技术

餐厨垃圾是城市生活垃圾的重要组成部分，由于技术条件的限制，在传统处置工艺上，我国餐厨垃圾的集中处置仍然占主导地位。在早期餐厨垃圾管理办法尚未完善之前，餐厨垃圾直接用来喂养牲畜，或者与其他城市生活垃圾共同进行焚烧、填埋。

早期，采用餐厨垃圾直接喂养牲畜也存在了一定的问题。但餐厨垃圾容易腐败变质，滋生病菌，同时由于同源性问题，城市中出现的“潲水油”、“垃圾猪”等，会对人体健康造成威胁，已成为城市生活中的公害问题。

同时，由于餐厨垃圾中所含有的水分高达80%～90%，使单位质量的热值在2100 kJ/kg左右，不能满足垃圾焚烧发电的热值要求，焚烧时需要添加辅助燃料，不仅降低了热能利用率，还会增加燃料的消耗，增加处理成本；其次，餐厨垃圾含有大量的脂类物质，燃烧过程中在重金属催化下会形成产生二嗯英等有害因子，处理不当会造成更为严重的二次污染；第三，焚烧处理投资过高，运行费用加大，对管理水平和设备维护要求较高。

此外，将餐厨垃圾混入生活垃圾进行填埋处置时容易产生渗滤液污染地下水，同时大量恶臭气体也会严重污染大气环境。

3.餐厨垃圾资源化处置技术

由于餐厨垃圾高含水率、高有机质含量导致的一系列问题，用传统方式进行处理出现了瓶颈。同时餐厨垃圾中富含食物纤维、淀粉、动植物脂肪和蛋白质等营养物质以及中微量元素，具有很高的资源化利用价值。目前，餐厨垃圾（此处的餐厨垃圾主要指其中的厨余垃圾，不包括废弃油脂）的主要资源化利用方式为堆肥化、饲料化以及厌氧发酵等。

3.1堆肥化

堆肥化是生物处理技术的一种，是利用微生物对餐厨垃圾中的有机质实现降解的过程。餐厨垃圾含有丰富的有机质、适量的水分、均匀的营养元素配比，十分适合微生物的生长。因此在一定的堆积状态下，餐厨垃圾中的微生物自然生长繁殖，使有机质降解最终生成稳定的富含腐肥料。

堆肥技术方法简单，工艺趋向完善，在处理城镇有机垃圾上已大规模工业化应用，然而餐厨垃圾堆肥亦存在着较大的技术难题和缺陷。首先，餐厨垃圾中含水率高、易腐。需要大量填充剂调理含水率以及特殊的填充物提高孔隙率，导致餐厨垃圾堆肥附加成本高、设备效率低；此外，高含水率影响堆温的升高，难以达到消毒灭菌以及有机物高速降解的效果；同时餐厨垃圾中盐含量较高，并在堆肥过程中有较大幅度提高，因此用餐厨垃圾制得的有机肥料不能大量使用，以防止土壤的盐化，妨碍农作物的生长；另外，餐厨垃圾的pH值较低，会对生物降解过程产生不利的影响，并产生臭气，为了达到好氧分解的效果，通常采用强制通风，其臭气的排放对环境产生一定的影响；同时餐厨垃圾中含有的大量油脂和盐分影响微生物对有机物的分解速率以及堆肥的品质。餐厨垃圾堆肥化产品存在重金属元素、持久性有机污染物累积的问题，将产品直接使用，会给环境带来负面影响。

3.2饲料化

目前利用餐厨垃圾制备饲料的方法可分为直接干燥法和生物发酵法。直接干燥法是在对餐厨垃圾进行分拣、脱水脱油等预处理后，采用湿热或干热工艺，将餐厨垃圾加热到一定温度以达到灭菌及干燥的效果，并通过后续处理获得饲料或饲料添加剂。生物发酵法是在一定的环境条件下将培养出的菌种加入餐厨垃圾中密封贮藏，利用微生物的降解作用，把餐厨垃圾中的营养物质转变为自身成长和繁殖所需的能源和物质，最终生产出由微生物自身及其蛋白分泌物组成的蛋白饲料。从营养学的角度看，餐厨垃圾营养全面且均衡，最有可能被用作动物饲料，但国内外对餐厨垃圾作为饲料制造原料还存在很大的争议，认为其产品无法满足日益增长的食品卫生安全的要求，冈此阻碍了饲料化技术的研究和实用化进程，目前对该技术的研究不多。

3.3厌氧发酵

餐厨垃圾进行厌氧发酵不仅能解决餐厨垃圾带来的环境污染问题，也能带来能源的再利用产生一定的经济效益。从发展历程看，厌氧发酵经历了3个阶段，即以回收甲烷为主的第一阶段、以发酵产氢、制备燃料乙醇为主的第二个阶段，以及以两阶段发酵产氢产甲烷为主的第三个阶段。然而现有的餐厨垃圾厌氧发酵存在反应条件苛刻、发酵周期长、产沼气率低等问题，不利于工业化应用。

3.4高温好氧发酵

利用高温耗氧发酵生物技术对餐厨废弃物进行无害化处理和资源化利用，是当今世界上公认的先进处理方法，这种方法无害化程度高，资源化效果好，对有机物含量较高的餐厨垃圾尤为适用。该工艺技术是利用高温好氧生物菌群在充分供氧的条件下将餐厨废弃物分解。其工艺温度65℃左右，处理时间约8～24 h。在该工艺温度下，大肠杆菌等致病菌、蛔虫卵等均可被杀灭，没有二次污染，完全达到无害化处理的要求，其产出物为有机生物菌肥，实现了资源化高效利用的目的。但由于普遍采用了电热、燃气、蒸汽等高品位能源的加热方法，热效率低，能耗大，故处理成本很高，导致经济上的微效益甚至负效益。国内某项目一期建成日处理200 t的餐厨废弃物处理厂，用天然气作为热源，每吨的处理成本在1000元以上。企业至今依靠政府的财政补贴维持运转，显然不是可持续发展的模式，故该技术尚未被广泛采用。

因此，探寻餐厨垃圾高效、低能耗、无二次污染的资源化处置工艺，对降低甚至消除此类废弃物产生的环境污染，使之变废为宝，同时降低处置成本、提高人民生活环境具有重要意义。

4.利用低品位能的餐厨垃圾及绿化废弃物高温好氧发酵技术

鉴于餐厨垃圾资源化处置研究尚属起步阶段以及现有处置工艺存在的弊端，在全面研究现有资源化处置技术的基础上，通过分析其各自优点及不足，探讨并研究了一种利用低品位能的餐厨垃圾及绿化废弃物混合高温好氧发酵资源化处置的工艺设备及技术。

4.1工艺原理

将绿化废弃物粉碎后作为调理剂和辅料，与餐厨垃圾混合进行高温好氧发酵处置，同时针对传统高温好氧发酵工艺高温加热耗能的弊端，采用板状重力热管技术，充分利用热管的传导原理与相变介质的快速热传递性质，以及热管优良的等温性和恒温特性，实现利用低品位能，即可满足系统的供热要求，同时可以使热源系统的热效率达到80%以上。

低品位热能来源广泛，从太阳能、空气能、风能、地热能等新能源，生物质能，工业及生活余热等均可获得，可以使餐厨垃圾等有机废弃物在60℃以上的高温条件下，得到无害化、资源化的完善处理。热管技术的利用使餐厨垃圾等有机废弃物的高温生物处理突破了能耗大的瓶颈口。

同时绿化废弃物作为高碳有机化合物，和餐厨废弃物有机结合，作为处置过程中的调理剂，不仅为餐厨垃圾处置增加了空隙率，降低了含水率，满足了最佳的碳氮比需求，同时通过高温好氧发酵生物技术，为两大类有机废弃物的资源化处置提供了出路。

4.2工艺设备

本工艺研发的设备（图1）采用多能源自动供热系统，应用超导传热的板状重力热管技术，快速实现高温等温加热，加热热管工质的热水主要来自于低品位能源利用及热泵的高效增温。对餐厨垃圾及绿化废弃物的混合物进行高温好氧发酵，反应温度为55～85℃，有机质含量为20%～90%，反应物含水率≤80%，反应pH值范围为6～9，反应物中c/N为25：1～35：1，C/P为75：1～150：1，鼓风量为0.5～5 m3/min，反应时间为12～96 h，微生物菌剂投加量为反应物总质量的0.2%～2%。反应后产出物含水率≤30%，可用做肥料、土壤改良剂以及种植土原辅料（图2）。

4.3技术优势

（1）采用多能源自动供热系统，可因地制宜选择最廉价的低品位能源（如光能、风能，地热能、生物质能、工厂余热）等；采用直接制热模式，没有热能和电能互相转换的能量损耗；多种新能源的互补、优化、集成模式，极大的提高了供热系统的能效比。

（2）采用热管技术，内置真空，具有理想的等温性，降低反应体系中加热水沸点，且加热过程无热转换，无论是汽化段或是凝结段，蒸汽的状态都是饱和的，由汽化段产生的蒸汽流向凝结段的压降几乎为零，减少能量损耗。

（3）将绿化废弃物与餐厨垃圾混合处置，提高反应物孔隙率及反应体系中氧气传输速率，同时在餐厨垃圾中富含N、P元素的同时，通过加入绿化废弃物补充反应产物中K元素，并降低餐厨垃圾中含水率及盐度，弥补传统堆肥工艺营养不全面、含盐量高、容易形成土地盐碱化等不足。

（4）具有高效杀菌灭菌功效。高温杀菌：复合微生物菌种在60℃以上的高温好氧条件下快速生长的同时，长时间高温将灭杀这些有机废弃物中的大肠杆菌、沙门氏菌、志贺氏菌等病原菌及蛔虫卵等；分泌物杀菌：复合微生物菌种在快速生长的同时，分泌的一些有机酸、抗生素等有效成分，可以抑制和杀灭有机废弃物中的致病菌和虫卯；生长竞争抑制杀菌灭虫：苍蝇和蛔虫等卵变成成虫的过程中，主要依靠幼虫摄入腐烂物质中的特定成分而产生的变态激素，由于高温发酵减少腐烂物质的生成，以及高温菌产生的高氧化物质，抑制幼虫产生变态激素，从而达到消灭虫蝇的效果。

（5）加热水可反复循环利用，反应产物可同时作为发酵菌剂，能减少微生物菌剂投加量。处理周期短，产物无异味，处理过程环境污染性小。

（6）产出物既可以作为一种土壤增效剂，降解化肥、溶解土壤中被固化的营成分，增加土壤中有效养分的含量；还可作为土壤修复剂，抑制和杀死土壤中的病原菌，有效地控制和预防农作物病虫害的发生；同时由于产出物具有较高的腐殖质含量和肥效，还可以作为种植土原辅料代替其中泥炭及有机肥成分。

5.结语

餐厨垃圾具有污染与资源双重性，寻找合理高效的资源化处置技术，不仅可以解决现有的重大环境污染问题，还可通过对其资源化产品的利用产生一定的经济效益。利用低品位能的餐厨垃圾及绿化废弃物}昆合高温好氧发酵资源化处置技术是在借鉴国内外现有技术优缺点的基础上对其进行的创新研发，不仅解决了现有工艺处理周期长、反应过程产生恶臭等二次污染问题，同时还有效解决了现有高效无污染却高能耗、高成本的主要技术问题，利用太阳能、生物质能等低品位能作为供热能源，大大节约了处置成本，提高了微生物利用率，具有广阔的应用前景。

致谢：本论文中餐厨垃圾及绿化废弃物高温好氧发酵资源化处置工艺技术研究及设备研发是在上海市科委科技创新专项课题资助下完成的，感谢上海市科委对创新技术研发的大力支持。与此同时，还要特别感谢本公司的战略合作伙伴上海天萌环保科技有限公司对本工艺技术及设备在研发过程中提供的大力支持与帮助。