廚余垃圾的資源化技術(shù)及發(fā)展

1、廚余垃圾（泔腳）的資源化技術(shù)及發(fā)展作者：不詳 時間 2007摘要：本文綜述了廚余垃圾的特性、各種資源化技術(shù)及其研 究進展。并提出了今后的努力方向，應(yīng)在堅持因地制宜、技 術(shù)可行，注重綜合利用及經(jīng)濟效益的前提下，積極開發(fā)多元 廚余垃圾資源化技術(shù)。關(guān)鍵詞：廚余垃圾；泔腳；資源化技術(shù)、八 、-前言廚余垃圾（泔腳）指飯店、賓館等餐飲業(yè)以及企事業(yè)單位、 學校等公共食堂的食物下料和食物殘余。廚余的主要組成有 果蔬、果皮、果核、肉食、骨頭等，還有一定量的廢餐具、 牙簽及餐紙。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人民生活水平的提高， 廚余的發(fā)生量越來越大。傳統(tǒng)的處置手段已不能滿足環(huán)境保 護和人體健康衛(wèi)生的需要。為了完全消除或使

2、廚余垃圾對人 體健康、市容環(huán)境的影響降至最低限度，必須積極開發(fā)各種 廚余處理技術(shù)。廚余中含有大量的細菌等病原微生物，不利 于廚余的直接利用，但其有機物含量高，具有較高的生物可 降解度，這也為廚余的轉(zhuǎn)化利用提供了可行的途徑。1 廚余垃圾（泔腳）特性1.1 高有機質(zhì)含量泔腳中有機成分 （淀粉、蛋白質(zhì)、肉類、油 等 ）的含量較高，泔腳受微生物作用， 易腐爛變質(zhì)， 但另一方 面又具有較高的潛在資源化利用價值。1.2 高含水量作為餐飲的剩余物質(zhì)，泔腳的含水量較高（約70 ）。由于泔腳的有機質(zhì)及水分含量高， 若直接采用填埋方 式處理易產(chǎn)生大量滲濾水及惡臭氣體，不利于填埋場的處理 且嚴重影響周圍環(huán)境，高含水

3、率導致燃燒困難，因此也不適 宜于焚燒處理。1.3 油份及鹽份含量高由于我國的飲食習慣，與國外的食物 垃圾相比，我國的食物垃圾 （包括泔腳 ）除產(chǎn)量高外，油份與 鹽份的含量也較高。這就增加了泔腳生化處理的難度，有可 能影響生化處理工藝的正常運行，如泔腳中的油脂在冬天凝 結(jié)，會影響微生物的活性。泔腳是一種特殊的有機垃圾，含 有大量的細菌的病原微生物，不利于直接利用，但有機物含 量高，具有較高的生物可降解度，這也為泔腳的轉(zhuǎn)化利用提 供了可行的途徑。2 廚余垃圾（泔腳）的資源化技術(shù)簡述從 20 世紀 50 年代以來，廚余垃圾（泔腳）一直作為喂生豬 的飼料。并一直是通過市場渠道自行尋找出路的。但是，從

4、衛(wèi)生防疫、市容環(huán)境等方面考慮，泔腳養(yǎng)豬可能產(chǎn)生后患。 為此，許多地方嚴格禁止用泔腳直接作為喂生豬的飼料，例 如， 2000 年 5月上海市農(nóng)委等部門聯(lián)合發(fā)文，要求取締該 市近郊的個體養(yǎng)豬戶，中斷泔腳作為飼料的消納途徑。因此，如何資源化利用廚余垃圾（泔腳）成為目前亟待解決 的問題。由于廚余垃圾（泔腳）有機物含量高，目前最主要 的資源化技術(shù)是生物轉(zhuǎn)化法。生物轉(zhuǎn)化是利用微生物的新陳 代謝作用，實現(xiàn)垃圾的穩(wěn)定化、無害化，同時進行資源的回 收利用。在當前世界上普遍存在自然資源與能源緊張的情況 下，這種回收和利用技術(shù)的開發(fā)更有著深遠的意義。根據(jù)處 理過程中微生物對氧氣要求的不同，生物處理又可分為好氧 生物

5、處理和厭氧生物處理兩類。生物處理法是最主要的污水 處理方法之一，在固廢處理方面也開展了深入的研究，得到 了廣泛的應(yīng)用。目前應(yīng)用最廣泛的有堆肥法和厭氧發(fā)酵沼氣 化技術(shù)等。下面將詳細介紹一下這兩種泔腳資源化技術(shù)及其 發(fā)展。3 廚余垃圾（泔腳）的堆肥化處理及其發(fā)展3.1 堆肥化定義 依照自然界廣泛分布的細菌、放線菌、真菌等微生物，人為 地促進可生物降解的有機物向穩(wěn)定的腐殖質(zhì)生化轉(zhuǎn)化的微 生物過程叫做堆肥化。堆肥化的產(chǎn)物稱作堆肥。3.2 堆肥作用和用途 堆肥還田，能夠增加土壤中穩(wěn)定的腐殖質(zhì)，形成土壤的團粒 結(jié)構(gòu)，改善土壤物理的、化學的、生物的性質(zhì)，使土壤環(huán)境 保持適于農(nóng)作物生長的良好狀態(tài)。腐殖質(zhì)又有增

6、進化肥肥效 的作用?？傊?，使用堆肥具有以下兩種作用。（1）堆肥的改土作用堆肥對土壤的作用不同于化肥，它是 優(yōu)良的土壤改良劑。堆肥施入土壤可以明顯的降低土壤容重， 增加土壤的空隙率，使固相下降，液相和氣相增加；提高了 土壤的保水能力、通氣性和滲水性。腐殖質(zhì)的增加提高了土 壤的陽離子交換能力，有利于保持肥效；腐殖化的有機物具 有調(diào)節(jié)植物生長的作用，也有助于根系發(fā)育和伸長，即有助 于植物擴大根部范圍；最后，堆肥使用增加了土壤中的微生 物數(shù)量。微生物分泌的各種有效成分直接或間接被植物根吸 收而起到有益作用，故堆肥使晝夜有效的肥料。（2）堆肥的增產(chǎn)作用國內(nèi)外的許多試驗表明，堆肥具有明 顯的增產(chǎn)作用。有試

7、驗表明，連續(xù)使用堆肥23年后土壤空隙度增加2.14%，田間持水量增加1.43.5%，有機質(zhì) 增加 0.050.17%，增產(chǎn)幅度最高達 15%。3.3 堆肥原理和堆肥化過程好氧堆肥是在有氧的條件下 ,借好氧微生物 （主要是好養(yǎng)菌 ）的 作用完成的。在堆肥化過程中，廚余垃圾的溶解性有機物質(zhì) 透過微生物的細胞壁和細胞膜而為微生物所吸收，固體和膠 體的有機物先附著在微生物體外，有生物所分泌的胞外酶分 解為溶解性物質(zhì)，再滲入細胞。微生物通過自身的生命活動 氧化、還原、合成等過程，把一部分被吸收的有機物氧 化成簡單的無機物，并放出生物生長活動所需要的能量，把 另一部分有機物轉(zhuǎn)化為生物體所必需的營養(yǎng)物質(zhì)，合

8、成新的細胞物質(zhì)，于是微生物逐漸生長繁殖，產(chǎn)生更多的生物體， 圖1 簡單的說明了這個過程。圖1 有機物的好氧堆肥分解 一般情況下，可以利用堆肥溫度變化來作為堆肥過程的評價 指標。一個完整的堆肥過程由四個堆肥階段（升溫階段、高 溫階段、降溫階段、腐熟階段）組成。在堆肥初期，堆層基 本成中溫，嗜溫性微生物較為活躍，并利用堆肥中可溶性有 機物旺盛繁殖，它們在轉(zhuǎn)換和利用化學能的過程中，一部分 變成熱能，堆溫不斷上升。適合于中溫的微生物種類極多， 主要有細菌、真菌和放線菌。細菌特別適應(yīng)可溶性有機物， 真菌和放線菌對于纖維素和半纖維素分解具有特殊功能；當 溫度升高到45 C后，進入高溫階段，此時主要由嗜熱性

9、微生 物起作用，復雜的有機物開始降解； 溫度進一步升高到70 C 以上時，微生物大量死亡或進入休眠期，與此同時，堆肥中 有機質(zhì)大量消耗， 堆肥物質(zhì)逐步進入穩(wěn)定化狀態(tài)。 高溫階段， 有機物質(zhì)的分解較快， 且高溫對殺滅病原菌、 寄生蟲、蟲卵、 孢子等有利。在堆肥后期，溫度逐步下降，堆肥進入腐熟階 段，腐殖物質(zhì)不斷增多且穩(wěn)定化?？傊?，在堆肥的每個階段 擁有不同的細菌、真菌、放線菌和原生動物。微生物利用廢 物和階段產(chǎn)物作為食料和能量的來源，這種過程一直進行到 穩(wěn)定的腐殖物質(zhì)形成為止。3.4 廚余堆肥工藝的發(fā)展利用有機物進行堆肥已有幾千年的歷史，近幾十年來，堆肥 原理和堆肥工藝有了很大的發(fā)展，高速機械化

10、堆肥得到了廣 泛的應(yīng)用。國內(nèi)科研人員也對堆肥進行了大量的研究。在我 國國家科委社會發(fā)展司、建設(shè)部科技發(fā)展司的組織推動下， 經(jīng)過專家評估，通過確定了一系列城市垃圾處理技術(shù)推廣項 目。其中，屬于機械化堆肥處理技術(shù)有五項，簡易或半機械 化高溫堆肥處理技術(shù)項目有六項。目前，隨著對廚余垃圾環(huán)境危害的認識，法律法規(guī)的進一步 嚴格，科研人員在原有堆肥研究的基礎(chǔ)上，利用好氧堆肥進 行廚余處理的研究日益增多，積累了一定的經(jīng)驗，其中提高 堆肥品質(zhì)和堆肥速率是研究的主要方向，并開發(fā)出一系列的 廚余好氧堆肥設(shè)備。通過外加熱源，提高溫度，利用嗜熱菌 作用快速分解廚余中有機物極高溫好氧堆肥工藝，已經(jīng)開發(fā) 成功，并投入應(yīng)用

11、。下面介紹一下兩種廚余堆肥處理和極高 溫堆肥的工藝及流程。廚余高溫機械堆肥工藝廚余高溫機械堆肥工藝包括廚余垃圾的前處理、一次發(fā)酵、 二次發(fā)酵和后處理等工序。1）廚余的前處理廚余的含水率高，堆肥前需要調(diào)節(jié)水分 到堆肥要求的最佳水分 5060% ,然后進行破碎、配料。配料時加入一定量的填充料，保證堆肥時顆粒分離及一定的空 隙率、營養(yǎng)比，并進行微生物接種。前處理系統(tǒng)可簡單表示為：廚余-自然滲瀝-離心脫水-破碎-配料 另外，有研究表明，廚余經(jīng)過厭氧預處理（1 2d ）后，再進行好氧堆肥，可明顯縮短堆肥周期，提高堆肥效率。（2）一次發(fā)酵和二次發(fā)酵廚余堆肥的一次發(fā)酵和二次發(fā)酵， 與其他原料堆肥工藝類似。在

12、廚余堆肥過程中，由于廚余的 有機物含量高，對氧的需求大，在運行參數(shù)上有一定區(qū)別。（3 ）后處理廚余中雜物少，后處理主要有造粒、貯存等系 統(tǒng)，旨在提高堆肥品質(zhì)及利用價值。廚余垃圾進入場區(qū)后首先稱重計量，取樣測定水分后進行脫 水、 配料處理， 調(diào)節(jié)含水率到 50 60% 。水分調(diào)節(jié)后通過破 碎機對廚余垃圾中粗大物料進行破碎處理，再由裝載機送入 地面帶有通風裝置的一次發(fā)酵池內(nèi)， 強制通風 1215d 后進 行二次發(fā)酵。二次發(fā)酵產(chǎn)物可作為產(chǎn)品肥直接銷售，為了提 高堆肥產(chǎn)品的品質(zhì)，可對堆肥產(chǎn)品進行精加工，制成精品肥 銷售，可獲得較好的經(jīng)濟效益。堆肥工藝見圖 2。EATAD 工藝由加拿大科學家（ IBR

13、）開發(fā)的高溫好氧無污染生物處理法 （EATAD ），對包括廚余垃圾在內(nèi)的有機垃圾具有較好的處 理效果。 該工藝的生化部分， 采用高度嗜熱微生物進行發(fā)酵， 由于發(fā)酵溫度高，有利于加快發(fā)酵過程。 不同的微生物耐熱性不同，通常嗜熱菌所具有的耐熱性是因 為這些微生物的酶耐熱性強，核酸也具有保證熱穩(wěn)定性的結(jié) 構(gòu)，tRNA在特定的堿基對區(qū)域內(nèi)含有較多的G = C對，可以提供較多的氫鍵，增加熱穩(wěn)定性；另外，嗜熱微生物的細 胞膜結(jié)構(gòu)也與普通微生物不同，這類菌通常含有較多的飽和 脂肪酸和直鏈脂肪酸，從而使得在高溫下細胞膜還具有較好 的流動性和完整性。從細胞膜的流動鑲嵌模型來說，膜的流 動性對于保持細胞內(nèi)環(huán)境與外

14、環(huán)境的物質(zhì)交換是很重要的。圖2 廚余垃圾堆肥的工藝流程該技術(shù)發(fā)酵所采用的菌種是混合菌團，能在85 C的高溫下很好的生長。發(fā)酵周期為 72h 。實行二次發(fā)酵，保持漿料含水 為 92% ，固形物為 8% ，將漿料輸送到一次發(fā)酵罐，升溫到 55 C接種發(fā)酵，由于在 55 C條件下，該嗜熱菌的酶被迅速 激活，從而快速利用有機質(zhì)進行新陳代謝。一次發(fā)酵后的漿 料再迅速送入二次發(fā)酵罐，由于新陳代謝的進一步加強，代 謝產(chǎn)生的熱使溫度繼續(xù)上升，直到85 C時，有機質(zhì)基本被降解。隨后，溫度有所下降。發(fā)酵完成后，其中 5%的發(fā)酵液 被用作下次發(fā)酵的種子，其他部分制成固態(tài)和液態(tài)有機肥料。EATAD 技術(shù)工藝包括：分揀

15、、粉碎、溶漿、分離、一次發(fā) 酵、二次發(fā)酵、干燥 /沉淀和壓制 /蒸發(fā)等環(huán)節(jié)。在發(fā)酵過程 中，采用閉環(huán)控制系統(tǒng)進行在線監(jiān)測， 嚴格控制隔工藝參數(shù)， 使發(fā)酵液中的有機垃圾成分最大限度的轉(zhuǎn)化為目標產(chǎn)物 有機肥料。應(yīng)用 EATAD 工藝處理廚余垃圾的工藝流程 如圖 3 所示。根據(jù)資料介紹，該技術(shù)的核心是供氧方式和速 率。由于含水率非常高，可以比較方便的把氧氣均勻地向漿 狀液體擴散，使有機廢物與氧氣充分接觸；但另一方面，漿 狀體的含固率也在 2%8%，粘度較大，氧氣的噴射裝置和 噴射量也非常重要。若能夠把氧氣或空氣以溶氣的方式進入 漿狀體中，可明顯提高氧氣的利用率。圖 3EATAD 技術(shù)工藝流程4 廚余

16、垃圾（泔腳）的厭氧發(fā)酵處理及其發(fā)展4.1 厭氧發(fā)酵技術(shù)簡述 有機物的厭氧發(fā)酵過程就是有機物在特定的厭氧環(huán)境下，微 生物將有機物質(zhì)進行降解，其中一部分碳素物質(zhì)轉(zhuǎn)化為甲烷 和二氧化碳。厭氧生物技術(shù)，雖然在經(jīng)濟和節(jié)能方面具有明顯的優(yōu)勢，但 長期以來，厭氧消化技術(shù)被認為是一種較慢的生物處理過程， 而且僅僅適用于很有限的一些有機物。近年來的研究表明，厭氧微生物的生物轉(zhuǎn)化能力可以與好氧微生物的生物轉(zhuǎn)化能力相比擬的，其生物轉(zhuǎn)化能力主要取決于它的時代時間。隨著經(jīng)濟的發(fā)展、能源短缺的現(xiàn)實為大家普遍接受的同時， 厭氧生物技術(shù)越來越引起人們的興趣。4.2 廚余垃圾厭氧生物處理的優(yōu)點 廚余垃圾具有自身特性，采用厭氧處

17、理具有比好氧生物處理 有獨到的優(yōu)勢。（1）廚余垃圾有機物含量高，經(jīng)過厭氧生物處理能回收大 量甲烷氣，實現(xiàn)能源回收、具有較大的經(jīng)濟價值。（2）好氧堆肥處理廚余垃圾，產(chǎn)生臭氣和大量二氧化碳氣 體，不經(jīng)有效處理能在一定程度上造成大氣污染，二氧化碳 氣體是一種溫室氣體；厭氧處理則無尾氣污染，具有生態(tài)優(yōu) 點。（3）廚余垃圾含水率高，脫水性能差。采用好氧處理一般必須調(diào)節(jié)水分到堆肥所要求的 5060%，消耗大量的能量;不進行水分調(diào)節(jié)，為了提高堆肥溫度，則又要消耗更大的外源能量。厭氧處理時，對水分的要求不如好氧條件嚴格，反 應(yīng)溫度的保持可通過回收能量的全部或部分維持，即實現(xiàn)能 量的平衡。（4）厭氧微生物對 N

18、、P 等營養(yǎng)元素的要求比好氧微生物低， 減少附加費用。5）發(fā)酵沼渣、沼液可作為良好的有機肥，經(jīng)過適當處理 后可作為動物飼料。4.3. 廚余垃圾厭氧發(fā)酵處理的工藝流程 廚余垃圾的厭氧發(fā)酵包括脫水、破碎等前處理過程、厭氧發(fā) 酵、滲液處理、氣體凈化及貯存等環(huán)節(jié)。首先是通過離心機 等機械進行物料的水分調(diào)節(jié)。破碎則利用破碎機對物料中的 粗大物體進行破碎，有利于后續(xù)發(fā)酵單元的順利進行。厭氧 發(fā)酵階段通過投加兼性和厭氧微生物菌種，強化物料中有機 組分的分解，使生成較穩(wěn)定的發(fā)酵產(chǎn)品和以甲烷為主的發(fā)酵 氣體。利用水處理裝置對物料脫水形成的有機廢水進行處理， 防止?jié)B液形成二次污染。另外，甲烷是一種有較高經(jīng)濟利用

19、價值的氣體，通過凈化裝置去除發(fā)酵氣中 H2S 等雜質(zhì)氣體， 能提高發(fā)酵氣的利用價值。工藝流程如圖4 。圖4 廚余垃圾厭氧發(fā)酵工藝流程4.4. 廚余垃圾厭氧發(fā)酵處理技術(shù)的發(fā)展 近幾十年來，廚余垃圾厭氧發(fā)酵處理技術(shù)有了長足的發(fā)展， 環(huán)保工作者們開發(fā)研制了許多可行的厭氧處理工藝。1979 年，美國建立了世界上第一個年處理能力為 5000t 的 實驗工廠，由于經(jīng)濟原因，運行 4 年后停轉(zhuǎn)，它在 4 年中所 取得的經(jīng)驗、數(shù)據(jù)為以后的研究提供了很好的參考；其生產(chǎn) 工藝也是以后各種不同工藝的基礎(chǔ)。 該工藝流程簡圖如圖 4 所收集垃圾經(jīng)破碎分選后，去除無機成分和塑料等；調(diào)節(jié)固 體含量25%左右，在55C下高溫

20、消化，機械攪拌，在反應(yīng) 器中停留一個月； 所產(chǎn)生沼氣處理利用， 滲濾液處理后排放， 殘余固體物質(zhì)加工成肥料或土壤調(diào)節(jié)劑。法國的 VALOGRA 工藝是 20 世紀 80 年代后期開發(fā)研制的。 由于其具有較好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，取得了較大的成功， 在歐洲地區(qū)得到了一定的工業(yè)運用。垃圾經(jīng)破碎分選后，有 機組分與反應(yīng)器回流液混合，調(diào)成漿狀。在中溫或高溫下連 續(xù)消化1725d，出料壓縮后，進一步加工成肥料出售；滲 濾液部分回流，調(diào)節(jié)進料濃度，并起一定的接種作用，多余 的滲濾液處理后排放；所產(chǎn)生沼氣一部分壓縮后回流，起攪 拌作用，另一部分輸出利用。垃圾產(chǎn)氣量為 149.6m3/t, 其中 甲烷含量 5

21、4% ； COD 去除率為 58% 。該工藝最主要的特征 是：用壓縮氣體來進行攪拌，從而避免了機械攪拌帶來的泄 漏、機械磨損、消耗動力高等缺點。 CarIBro 工藝由丹麥 CarIBro 公司開發(fā)研制，已有了工業(yè)運用。垃圾破碎分選， 有機組分進入一級反應(yīng)器； 中溫3537C停留23h ,進行 酸化， PH6.5 左右；酸化后，固液分離，固體部分進一步加 工成肥料；液體部分進入二級反應(yīng)器；中溫下停留 12d 產(chǎn) 沼氣，氣液分離，所產(chǎn)沼氣出售給電廠。垃圾產(chǎn)氣量 150 175m3/t ，固體去除率 60% 以上。 厭氧好氧工藝由美國加利福尼亞大學開發(fā)研制。由于厭氧 消化后的產(chǎn)物中還含有一定量的可

22、生物降解物質(zhì)，以及細菌 等微生物， 對人體和環(huán)境有一定危害， 不能直接出售或排放。 因此，研究者們提出在厭氧消化后，進行好氧堆肥處理，進 一步降解有機物質(zhì)，殺滅細菌。垃圾破碎分選，有機成分進 入?yún)捬醴磻?yīng)器，高溫（5560 C）停留2530d，厭氧消化 產(chǎn)生沼氣；再進入好氧反應(yīng)器， 在55C下腐熟，徹底殺死各 種病菌等微生物，最終產(chǎn)物性質(zhì)穩(wěn)定，化學組成合理，有很 高的肥效和熱值，可用作肥料或電廠燃料。垃圾產(chǎn)氣量為 800m3/t ，經(jīng)兩級處理后，固體去除率 55%65%。5 廚余垃圾（泔腳）的其他資源化技術(shù) 廚余垃圾不同于一般的城市垃圾，一些專門針對廚余垃圾的 資源化利用技術(shù)已被開發(fā)成功，并具有

23、較好的資源化效果和 經(jīng)濟效益。例如，雖然未經(jīng)任何處理的廚余是不能喂養(yǎng)動物 的，但把廚余進行生物轉(zhuǎn)化，使之成為植物飼料，就有可能 成為良好的動物飼料。因此利用廚余發(fā)展城市近郊養(yǎng)豬業(yè)是 可行的。此外，近年來開發(fā)的真空油炸技術(shù)和微生物與蚯蚓處理廚余 技術(shù)具有良好的市場前景。下面簡單介紹一下這兩種技術(shù)。5.1 真空油炸技術(shù) 真空油炸技術(shù)主要是在真空的特定條件下，也就是在氧氣成 分大大減小的環(huán)境里進行油炸廚余，使被炸物的氧化大大減 少，保證了廚余的營養(yǎng)成分。另一方面，也是進行了一次真 空消毒處理，從而提供了第二次使用的可能性。真空油炸的主要生產(chǎn)過程如下：真空油炸T粉碎T造粒T冷卻T包裝過程真空油炸的油可以利用食品加工廠、飯店等使用過的廢食品 油，因為在真空條件下對油實行了純化處理。根據(jù)油溫和病 菌要求一次處理時間約為 40min ，每次處理量為 5t ?，F(xiàn)在市