餐厨垃圾工艺

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一、餐厨垃圾的性质餐厨垃圾的组成、性质和产生量受社会经济条件、地区差异、居民生活习惯、饮食结构、季节变化的不同而有所差别，但一般表现出以下共同特征：（1）产生量大我国是世界上人口最多的国家，13亿人口的饮食消费数量巨大，加上一些不良的饮食习惯，每年在餐桌上的浪费惊人。据相关统计数据表明，2009年我国餐厨垃圾的年清运量已达5000万t以上，部分特大城市的餐厨垃圾日产生量达到1000t以上。（2）含水率高餐厨垃圾的含水率一般高达80%左右，流动性大，非常容易渗漏，这给其收集、运输和处理都带来很大的难度。（3）易腐烂餐厨垃圾中有机物含量高（约占干物质质量的95%以上），在温度较高的条件下易发酵、腐烂，其中可能含有大量病毒、致病菌、病原微生物等，易造成疾病的传播、引发新的污染。（4）含油率高餐厨垃圾内含大量废食用油脂，是制取生物柴油的理想原料。以上4项特征表明，餐厨垃圾具有废物与资源的双重特性，一方面具有较高的利用价值，另一方面必须对其进行适当的处理，防止其污染环境，实现餐厨垃圾的资源化、减量化、无害化处理，促进社会 效益、经济效益和环境效益的统一。二、餐厨垃圾成分餐厨垃圾性质、组分见表1、表2和表3。表1餐厨垃圾理化性质表项目TS（%）VS（TS%）全氮（%）pHNH3-N（mg/L）碱度（mg/L）CODcr（mg/L）C/N结果13~1875.142.024.75363.1540.548440017.49表2餐厨垃圾组分项目食物垃圾（%）纸张（%）金属（%）骨头（%）木头（%）织物（%）塑料（%）油（%）合计（%）结果90.990.800.105.201.010.100.702.00100表3餐厨垃圾成分项目粗蛋白（%）粗纤维（%）粗脂肪（%）含油量（mg/l）饲料氨基酸（%）钙（%）钠（%）结果16.732.527~30150~6000230.730.76三、餐厨垃圾处理方法综述餐厨垃圾处理方式因各地区实际情况而异，但最终都必须以减量化、资源化、无害化为处理目标，从技术应用方面看，国内外普遍采用的技术方法主要有：厌氧发酵、高温好氧发酵、高温消毒制饲料、热解法等方式。1、厌氧发酵餐厨垃圾厌氧发酵是指在没有溶解氧和硝酸盐氮的条件下，微生物将有机物转化为腐殖质、无机物和沼气的过程，其中沼气主要成分 为甲烷与二氧化碳。餐厨垃圾的厌氧发酵工艺源于工业污水、污泥的厌氧处理技术，是一种应用较成熟的技术。（1）餐厨垃圾厌氧发酵机理餐厨垃圾厌氧发酵是在缺氧条件下，利用微生物将有机物分解，最终产物除了二氧化碳和甲烷外，还有氨、硫化氢和其他有机酸等物质。厌氧发酵过程大致分为产酸和产甲烷两个阶段。产酸阶段主要是水解和发酵菌群将复杂的有机物分解为简单的有机物进而降解为各种有机酸；产甲烷阶段主要是产甲烷菌将部分简单有机物转化为甲烷和二氧化碳，厌氧过程没有氧参加，酸化过程产生的能量较少，许多能量保留在有机酸分子中，在甲烷细菌作用下以甲烷气体的形式释放出来。（2）餐厨垃圾厌氧发酵的主要影响因素1）餐厨垃圾成分厌氧发酵的限速步骤对于不同的基质是不同的。例如，对于富含溶解性糖类的有机物，产甲烷是整个反应的限速步骤；而对于纤维素含量高的有机物，水解酸化则是其限别。因此不同性质的餐厨垃圾即使在同样的发酵条件下，产气量也会有很大差别。同时餐厨垃圾中的有害成分会对厌氧发酵产生不利影响。餐厨垃圾中最常见的有毒物质是高浓度的氨氮，普遍认为高浓度的氨氮会对厌氧发酵产生毒性抑制，而游离氨是氨氮产生抑制作用的主要原因。2）餐厨垃圾粒径餐厨垃圾粒径大小对于垃圾厌氧发酵产沼气具有十分明显的影 响。用机械预处理可使进料的颗粒粒径变小，颗粒尺寸减小引起比表面积增大，提高了有机质的可生化性。从而缩短了发酵时间，提高产气量。垃圾粒径过大，一方面不利于垃圾的流态化处理和搅拌及反应器内料液均匀分布；另一方面也不利于垃圾颗粒和产甲烷菌接触，降低了产气率和产气速度。但是垃圾粒径越小，处理费用越高，经济性降低。因此粒径大小只要能够保证比较高的产气率和便于流态化处理就满足要求。3）温度甲烷菌对温度变化非常敏感，温度对其活性有很大的影响，最终影响甲烷产量。厌氧发酵过程中，通常在两个温度下甲烷菌活性较高：中温37℃和高温55℃，在这两个温度下易于获得得高甲烷产量。而在更低温(≤30℃)和更高温(>60℃)条件下，甲烷菌只产生少量的甲烷气体。由于中温(370℃)厌氧发酵的运行费用较低，因此在实际中应用的较多。而高温厌氧发酵可以比中温发酵有更短的固体停留时间和更小的反应器容积，且高温条件对于有机废物的降解和病原菌的杀灭更有效。但是高温条件下会产生比中温条件更高的NH4+浓度，会对厌氧发酵产生毒性抑制。4）碳氮比在厌氧消化过程中，碳氮比例(C/N)是稳定运行以及微生物生长和新陈代谢的先决条件。C/N值太高，含氮量不足，缓冲能力低，pH值容易降低；反之若C/N值太低含氮量过高，pH值则上升，有机物分解则受到抑制。一般C/N值宜控制在20左右。 5）pH值pH值是影响厌氧生物处理过程的重要因素，厌氧微生物的生命活动、物质代谢与pH值有密切的关系，pH值的变化直接影响着发酵过程和发酵产物，不同的微生物要求不同的pH值，过高或过低的pH值对微生物代谢有明显影响。产甲烷菌对生长环境的pH值极为敏感，甲烷菌最适宜的pH值范围为6.8~7.5，若pH<6.3，将使二氧化碳增加，促使大量水溶性有机酸和硫化氢产生，硫化物含量的增加会抑制甲烷菌生长。若pH>8.0，NH4+转变成非离子化的NH3，会产生毒性抑制。6）搅拌强度搅拌强度也会影响甲烷产量。有机物的厌氧发酵是依靠微生物的代谢活动来进行的，需要通过搅拌使微生物不断接触到新的食料进行发酵，并使微生物与发酵产物及时分离，提高发酵效率、增加产气量和缩短反应周期。（3）餐厨垃圾厌氧发酵制沼气工艺流程餐厨垃圾的厌氧发酵包括破碎、调配进料等前处理过程以及厌氧发酵、沼气净化和综合利用等环节。首先是通过利用破碎机对垃圾中粗大的物体进行破碎，有利于后续发酵单元的顺利进行，然后利用机械进行物料的水分调节以适于厌氧发酵；调配好的物料进入厌氧发酵系统，通过投加厌氧菌和兼性菌，强化物料中有机组分的分解，使生成较稳定的以甲烷为主的发酵气体。甲烷是一种具有较高经济利用价值的气体，经过净化装置去除发酵气中的杂质气体后，进行发电等综 合利用。（4）餐厨垃圾厌氧发酵的特点根据餐厨垃圾的特点，厌氧发酵技术不需要进行脱水处理，反应不受供氧限制。但厌氧发酵产气周期较长，需要对菌种进行选择管理，工艺较复杂而且厌氧发酵技术很难消灭垃圾中的病菌、虫卵，尤其是蛔虫卵和大肠杆菌杀灭率低，例如SARS病毒要在70℃、30分钟的条件下才能被杀死，但是厌氧处理很难达到这个温度。与此同时，在厌氧发酵的温度区间内极易产生臭气，因为这个温度区间正适宜各种杂菌的生长繁殖，使得臭气浓度不断增加，难以控制。同时，厌氧发酵对餐厨垃圾处理的资源化程度不高，处理后产出物品质不高。如厌氧生产沼气的处理方式投资额较大，产生的废气沼液不能直接排放还要进行再次处理。2、高温好氧发酵（1）餐厨垃圾高温好氧发酵机理餐厨垃圾高温好氧发酵是在有氧的情况下，利用从自然界中筛选出的高温好氧微生物的菌种，在高温处理设备中对餐厨垃圾进行分解处理，在此温度下绝大部分杂菌被杀灭，也不易产生臭气，通过6~12小时的高温好氧发酵，可有效的分解有机垃圾中的脂肪、动植物蛋白及淀粉类有机物质，并产生大量分解蛋白质和脂肪的酶。（2）餐厨垃圾高温好氧发酵的主要影响因素1）水分餐厨垃圾的含水率较高，在80%左右。在发酵过程中，不同的发 酵物料，发酵过程中所要求的含水率有一定的差异。一般认为，按重量计，50%～60%的含水率最有利微生物分解，水分超过70%，温度难以上升，分解速度明显降低。因为水分过多，使发酵物质之间充满水分，有碍于通风，从而造成厌氧状态，并产生废气。餐厨垃圾在堆肥前必须进行水分调节，降低含水率到60%左右。2）温度在发酵过程中，餐厨垃圾是分阶段转化为肥料的。在每一阶段中发酵的微生物种类各有不同。在发酵初期，中温微生物十分活跃，它们负责餐厨垃圾中有机物分解，同时放出大量热量，使发酵温度提升。接着发酵进入高温阶段，这时中温微生物的生长、繁殖受到抑制及死亡，由高温微生物取代。在高温阶段，一些较难分解的有机物（纤维素、木质素等）将渐渐被分解成腐殖质，餐厨垃圾中寄生虫、卵、病原微生物等被杀死。最后，随着餐厨垃圾中有机物分解基本完成，发酵温度开始下降，中温微生物又开始活跃起来，并由它们最终完成发酵产品的腐熟。3）碳氮比餐厨垃圾的有机物含量高，控制好碳氮比、碳磷比对发酵很重要，一般认为，碳素高，氮素养料相对缺乏，细菌和其它微生物的生长受到限制，有机物的分解速度就慢，发酵过程就长，为了保证成品堆肥中一定的碳氮比和在堆肥过程中有理想分解速度，调整好原料中的碳氮比在25：1左右。4）通风供氧控制 餐厨垃圾中的有机物含量较高，对发酵过程中的通风供氧有一定的要求，供氧不足会产生厌氧和废气。通风量过高，又会影响发酵的堆温，发酵速度较低。实际生产中，可以通过测定排气中氧的含量，确定发酵器内氧的浓度和氧的吸收率，排气中氧的适宜体积浓度为14～17%，如果降到10%，好氧发酵将会停止。5）pH值pH值对微生物的生长也是重要因素，一般微生物最适宜的pH值是中性和弱碱性，pH值太高或者太低都会影响发酵的进行。但在一般情况下，餐厨垃圾具有pH缓冲作用，能使pH值稳定在可以保证好氧分解的酸碱度水平。（3）餐厨垃圾高温好氧发酵工艺流程餐厨垃圾高温好氧发酵工艺是一种利用从自然界中筛选出的高温好氧微生物的菌种，在高温处理设备中对餐厨垃圾进行分解处理的发酵技术。餐厨垃圾由专用的收运车辆运至处理厂，首先经过自动破袋机后装入投料仓，利用螺旋输送机将原料输送至组合分拣系统，再利用螺旋输送机送至粉碎和固液分离系统。前面过程产生的液体进入油水分离装置，固体进入生物处理系统，通过添加辅料、菌剂后进行高温好氧发酵。处理机设有通风口，通过处理机的不断慢速搅拌为发酵提供充足氧气。经20~24小时发酵处理后可出料，产出物含水量低于20%，可作为肥料原料使用。（4）高温好氧发酵工艺特点餐厨度弃物高温好氧发酵技术具有设备工艺先进，技术成熟，自 动化程度高，占地面积小，运营稳定，维修方便，运营成本低等优点。利用从自然界中筛选出的高温好氧微生物的菌种，在高温处理设备中对餐厨垃圾进行分解处理，在此温度下绝大部分杂菌被杀灭，也不易产生臭气，在处理方式上机械化程度高，自动化程度高，能集约化处理。3、高温消毒制饲料（1）高温消毒制饲料工艺流程餐厨垃圾的主要成分是淀粉类、食物纤维类、动物脂肪类和蛋白质等营养物质，可用于制作动物饲料。高温消毒制饲料工艺一般包括以下步骤。来自原料贮仓的湿原料经过分选槽分拣后送入蒸煮机，部分水分通过槽底部的筛板流出去。蒸煮机中的夹套蒸汽对物料进行预热，使物料中的油脂等组分粘度降低，便于脱离物料。物料经蒸煮后再送入压榨机，使物料脱水、脱油后制成半干料。脱出的油水混合物进入油水分离系统，分离出的油脂可进行炼制生物柴油等综合利用。脱水后的半干料再送入干燥机中，在110～150℃条件下通过高温高压蒸汽进行消毒灭菌和二次脱水过程，最终使物料中的水分降至10%左右，最后经过筛分、磁选、粉碎，最后将饲料粉成品装袋。（2）高温消毒制饲料工艺特点高温消毒制饲料工艺较简单，处理成本较低，处理周期短，自动化程度高。但需对物料采用高温高压蒸汽消毒，能耗偏大；并且对所物料有大小均匀、厚薄相等的体积要求，使工艺设备需要更多的挤压、 输送机构，设备电耗高。（3）饲料市场分析对畜产品的需求是影响饲料需求量的主要因素，畜牧产品市场的需求状况是饲料市场状况的最重要的影响因素。随着我国人口的持续增长，以及国民生活水平的提高带动饮食结构的改变，其趋势是谷类食品消费下降，动物性食品消费上升。因食用畜产品需求量的增加而使肉、奶、蛋生产的发展，将引起国内饲料需求量的持续增加。由于餐厨垃圾作为原料制动物饲料，价格低廉，产品营养丰富、利润区间幅度较大，具有校强的市场竞争力。但是，现有的餐厨垃圾饲料化技术存有缺陷，如加热烘干的方式很难去除霉杆霉菌等菌种，若提高消毒温度，又会破坏饲料中的营养物质（如维生素等热敏性物质），导致产品存在安全隐患。由于餐厨垃圾中各类动物的肉、骨、内脏混合在一起无法准确分选开，动物吃了用动物的内脏、骨头等加工而成的饲料，实际上就是在“食用同类”。流行病学调查表明，饲喂了被阮病毒污染的肉骨粉再生饲料导致了疯牛病的发生，这是疯牛病流行的主要原因。阮病毒对所有杀灭病毒的物理化学因素均有抵抗力，目前的高温措施不能保证完全杀灭。餐厨垃圾中含有大量的动物性残余物，若消毒不完全，这种病毒就很可能通过饲料大面积传播，并有可能通过食物链间接传染给人，带来人体健康的潜在威胁。欧盟已明确规定严禁以餐厨垃圾制饲料饲养禽畜，其在1774/2002号条例中《经加工的饲用动物蛋白和其他制品的加工和投 放市场的具体卫生要求》（附件Ⅷ）第1章原料要求（第4款）规定：只有第6条第3类材料目录第1(a)到(j)款中所列的，明确排除了来自于任何形式的餐厨垃圾成分。第22条使用限制还规定：不得使用含有餐厨垃圾成分的饲料饲喂除毛皮动物以外的动物。欧盟以外进口的动物源性产品也不得含有来自餐厨垃圾的成分中的蛋白。国家农业部颁布的《动物源性饲料产品安全卫生管理办法》（农业部令第40号）于2004年10月1日起实施，其中第十八条明确规定“禁止在反刍动物饲料中使用动物源性饲料产品，但乳及乳制品除外。”国内目前尚未颁布餐厨垃圾作原料生产动物饲料的技术标准，由于餐厨垃圾作为饲料原料有其特殊性，如果仅用饲料标准检验，难以保证食品安全。餐厨垃圾任何形式的处理物作饲料原料，首先不符合当代饲料工业的原料要求，即单一、来源清晰、可跟踪追溯的特性，而餐厨垃圾来源复杂，难以物理分离和追溯，二是已知的疯牛病和其他潜在危害因素的存在，目前的高温措施不能保证完全杀灭；三是放任餐厨垃圾的饲料化进程，对我国的畜产品的国际贸易将受影响，食品安全的形象会受损；四是监管难度大。青海洁神环境能源产业有限公司与西宁市政府签订了餐厨垃圾特许经营许可协议，处理厂于2008年6月份建成投产，采用固液分离、油水分离等技术，生产动物饲料添加料和生物柴油，日处理餐厨垃圾量约150t/d。青海省质量技术监督局于2009年12月底发布了“关 于注销青海洁神环境能源产业有限公司《蛋白饲料母料》企业标准备案号的通知”，通知中声明“因生产的蛋白饲料母料营养成分以及杂质含量等指标难以控制，不适宜作饲料或饲料添加物饲养动物，为了确保我省饲料及畜产品的质量安全，维护人体健康，根据有关法律法规的要求，提出以下意见：“注销青海洁神环境能源产业有限公司在我局备案的《蛋白饲料母料》企业标准的QB630000X1294-2008的企业标准备案号。”苏州市餐厨垃圾处理项目饲料生产线已拆除。用餐厨垃圾作饲料所面临的主要问题仍然是饲料安全，尤其是在当今食品信用危机频现的阶段，面对人们不断提出的对食品安全卫生的呼声，因此在该技术的选择上需慎之又慎。4、热解法热解法是利用垃圾中有机物的热不稳定性，在无氧或缺氧条件下对之进行加热蒸馏。使有机物产生热裂解，经冷凝后形成各种新的气体（甲烷、一氧化碳、二氧化碳、氢气）、液体（有机酸、焦油、芳阱）和固体（碳黑、炉渣），从中提取燃油、油脂和燃气。但由于餐厨垃圾低位热值偏低，在热解过程中需要吸收大量热量，要增加补充燃料，特别是热解前期干燥阶段需消耗较多的外部加热能源，会增加运行成本。另外，餐厨垃圾含水率约80%，垃圾中所含水分在热解过程中总是先汽化，热解前期使垃圾干燥要求外部加热能耗要大大增加；同时，水蒸气与可燃的热解燃气共存，将严重降低热解燃气的热值和可使用价值。再者，由于餐厨垃圾中有机物成分复杂，导致热解工艺 参数处在一个很复杂的不确定因素中，使热解生产工艺不稳定而难以控制。技术尚未达到实用阶段，目前应用的工程实例极少。