餐廚垃圾厭氧處理的工藝特點(diǎn)分析

張?jiān)倨穑?杰，陳可金

(1.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保土肥研究所，武漢 430064;2.湖北省農(nóng)村能源辦公室，武漢 430070)

1 引言

餐廚垃圾是指由家庭產(chǎn)生的廚房有機(jī)垃圾和食品加工，飲食服務(wù)，單位供餐等活動(dòng)中產(chǎn)生的廢棄食用物質(zhì)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生活水平的不斷提高，餐廚垃圾正成為我國(guó)政府面臨的新問(wèn)題。餐廚垃圾中含有大量病菌，如用來(lái)喂豬，極易引發(fā)同源疾病的傳播，特別是近來(lái)禽流感的爆發(fā)及歐洲國(guó)家爆發(fā)的二口惡英和口蹄疫事件，引起了各國(guó)政府的高度重視，發(fā)達(dá)國(guó)家已紛紛立法，嚴(yán)禁用餐廚垃圾作飼料來(lái)喂豬，也嚴(yán)禁將其焚燒易產(chǎn)生二口惡英)。我國(guó)近年也開始重視此問(wèn)題，各大城市如北京、上海、廣州、杭州、深圳等紛紛制定《餐廚垃圾管理辦法》。但大多數(shù)城市的餐廚垃圾被近郊的一些養(yǎng)殖戶收購(gòu)去作飼料用于喂豬及提煉潲水油，少數(shù)通過(guò)發(fā)酵做為飲料，極少數(shù)通過(guò)厭氧發(fā)酵制沼氣，還有部分進(jìn)入生活垃圾被填埋［1］。

目前我國(guó)餐廚垃圾的收集還很不規(guī)范，也沒有相關(guān)的規(guī)范約束，具有以下特殊性:一是形狀不規(guī)范，材質(zhì)較為特殊的大塊雜物可能會(huì)混雜在垃圾之中;二是垃圾中的油脂部分需要回收再利用;三是垃圾中塑料及玻璃等雜質(zhì)含量較多;四是垃圾中水分及有機(jī)物含量較高，垃圾在短時(shí)間內(nèi)即呈現(xiàn)酸性。

2 處理特征

2.1 具有顯著的廢物和資源的二重性

資源性:我國(guó)餐廚垃圾富含淀粉、脂肪、蛋白、纖維等有機(jī)物質(zhì)，氮、磷、鉀、鈣以及各種微量元素;有毒有害化學(xué)物質(zhì)(如重金屬等)含量很少，營(yíng)養(yǎng)豐富，是制作動(dòng)物飼料和有機(jī)肥的豐富資源，用來(lái)作為厭氧發(fā)酵的底物還可以產(chǎn)生清潔能源沼氣。

廢物性:餐廚垃圾易腐爛變質(zhì)，易攜帶滋生病菌。直接利用和使用不當(dāng)?shù)奶幚頃?huì)造成病源菌的傳播和感染。不法分子利用潲水油、地溝油制造加工食物油，重返餐桌直接危害人類健康。

2.2 處理難度大

餐廚垃圾作為城市有機(jī)生活垃圾的主要成分，因其高水分、高油脂、高鹽分以及易腐發(fā)臭、易生物降解等特點(diǎn)。在較高溫度下，餐廚垃圾腐爛變質(zhì)速率很快，如果產(chǎn)生到處理的時(shí)間長(zhǎng)會(huì)使其可回收利用價(jià)值降低;由于我國(guó)餐廚垃圾其成分復(fù)雜且含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)外，所以國(guó)外的工藝并不適用，這就加大了處理難度［2］。

3 餐廚垃圾的厭氧處理工藝流程

針對(duì)我國(guó)餐廚垃圾處理利用的特點(diǎn)要求，其厭氧處理工藝流程見圖1。

圖1 餐廚垃圾厭氧處理工藝流程圖

4 餐廚垃圾的厭氧處理工藝特點(diǎn)

厭氧降解過(guò)程主要是指在無(wú)分子氧存在的條件下，通過(guò)厭氧微生物(或兼氧微生物)的作用將有機(jī)物分解轉(zhuǎn)化為沼氣(主要是甲烷)的過(guò)程［3］。其過(guò)程是在密閉的反應(yīng)器(發(fā)酵罐)中進(jìn)行的，因此反應(yīng)器的運(yùn)行參數(shù)會(huì)直接影響到厭氧發(fā)酵過(guò)程。按照反應(yīng)器運(yùn)行的技術(shù)參數(shù)，厭氧工藝可分為:中溫工藝與高溫工藝(按照反應(yīng)器內(nèi)溫度劃分);濕法工藝與干法工藝(按照垃圾中干物質(zhì)含量劃分);單相工藝和兩相工藝(按照厭氧降解階段劃分);序批次工藝與連續(xù)式工藝(按照進(jìn)料方式劃分)。

工業(yè)化厭氧處理廠的工藝選擇主要依據(jù)厭氧降解階段采用的工藝來(lái)確定。本文以濕法中溫工藝為例，分析餐廚垃圾厭氧處理的一些工藝特點(diǎn)，探討適合中國(guó)餐廚垃圾厭氧處理的工藝技術(shù)。

4.1 預(yù)處理工藝特點(diǎn)

采用濕法工藝時(shí)，要求進(jìn)入?yún)捬踅到馊萜鲀?nèi)的物料中干物質(zhì)含量小于20%。超出這一范圍，須選用干法工藝。濕法厭所降解工藝對(duì)預(yù)處理的要求是，去除餐廚垃圾原料中會(huì)影響有機(jī)物厭氧降解的物質(zhì)。如金屬、玻璃、沙石、塑料等。同時(shí)調(diào)節(jié)物料中干物質(zhì)含量至20%以下。目前我國(guó)餐廚垃圾的收集不規(guī)范，垃圾中可能混有的雜質(zhì)種類繁多，廚具、餐具、包裝物品等都有可能會(huì)隨著垃圾進(jìn)入到處理廠內(nèi)，這就增加了預(yù)處理的難度。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)的情況看，預(yù)處理階段的問(wèn)題主要集中在餐廚垃圾中大塊雜質(zhì)較多，會(huì)對(duì)預(yù)處理階段的設(shè)備產(chǎn)生損害，進(jìn)而影響處理效果。因此在工藝設(shè)計(jì)中，必須事先考慮到這種可能，增加必要的破碎機(jī)設(shè)備，最大限度地去除其中的大塊雜質(zhì)。

另外，采用濕法工藝時(shí)要求對(duì)垃圾原料進(jìn)行粉碎，使物料顆粒小于12mm，便于厭氧菌吸附，加快厭氧降解進(jìn)程。餐廚垃圾中可能含有玻璃，金屬、木制品等，對(duì)粉碎機(jī)的要求較高，能夠連續(xù)穩(wěn)定地將顆粒粉碎至要求的大小。粉碎后物料中混雜的小顆粒重物質(zhì)，如金屬、沙石、玻璃等，如果進(jìn)入?yún)捬醢l(fā)酵罐內(nèi)，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)會(huì)形成堆積，減少發(fā)酵罐的有效容積，削弱厭氧降解效果。因此在預(yù)處理階段的設(shè)計(jì)中，應(yīng)選用恰當(dāng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)的去除，來(lái)保證后階段厭所降解階段的順利進(jìn)行。

4.2 油脂回收工藝特點(diǎn)

餐廚垃圾中含有大量的動(dòng)植油，它們對(duì)厭氧消化過(guò)程有一定的抑制作用，因此需要單獨(dú)考慮油脂的回收工藝。廢棄的油脂需要從垃圾中分離出來(lái)，再進(jìn)一步地加工成可再次利用的高附加值產(chǎn)品，如生物柴油等。從餐廚垃圾中分離油脂的工藝相對(duì)成熟，可先將其中的液體部分濾出，再對(duì)液體部分進(jìn)行油水分離。利用自然沉降的方式。近年來(lái)出現(xiàn)了濕熱除油法，通過(guò)高溫蒸煮的方式，盡可能地將垃圾中含有的固態(tài)油脂轉(zhuǎn)化為液態(tài)油脂，然后再采用油水分離出油脂，以增加油脂分離的比例。

4.3 厭氧降解工藝特點(diǎn)

厭氧降解是餐廚垃圾厭氧處理利用的核心工藝部分，影響厭氧降解過(guò)程的因素主要有物料的PH值，溫度和攪拌效果等。

厭氧降解階段經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題是發(fā)酵罐酸化。酸化是由于有機(jī)物降解時(shí)產(chǎn)生有機(jī)酸的速度極快，罐內(nèi)環(huán)境呈酸性。酸性環(huán)境抑制甲烷菌的生長(zhǎng)，進(jìn)而影響厭氧降解過(guò)程。目前工藝技術(shù)上可以解決發(fā)酵罐酸化的問(wèn)題，采用兩級(jí)降解的方式。由于有機(jī)酸化過(guò)程極快，可在厭氧發(fā)酵罐前設(shè)置一個(gè)水解酸化罐，人為的將厭氧降解過(guò)程分為兩個(gè)階段。先將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為有機(jī)酸，再將有機(jī)酸導(dǎo)入發(fā)酵罐中，通過(guò)選擇合適的罐體大小以及合適的攪拌方式，避免發(fā)酵罐內(nèi)出現(xiàn)酸化現(xiàn)象。所以，采用二相技術(shù)，工藝上更易控制，沼氣中甲烷含量更高。

中溫發(fā)酵是指發(fā)酵溫度一般在30℃ ～40℃范圍之間，中溫發(fā)酵加熱量少，發(fā)酵容器散熱較少，反應(yīng)和性能較為穩(wěn)定，可靠性高，如果物料有較好的前處理，會(huì)提高反應(yīng)速度和氣體產(chǎn)量;同時(shí)中溫時(shí)發(fā)酵罐內(nèi)的氨氮物質(zhì)濃度較低，對(duì)厭氧菌的抑制作用較小，厭氧降解過(guò)程較為穩(wěn)定。

攪拌的目的是使罐內(nèi)的物料、溫度、PH值能夠均勻分布，保證厭氧降解過(guò)程的進(jìn)行。攪拌的方式主要有氣體攪拌、泵循環(huán)攪拌及機(jī)械攪拌。通常大型發(fā)酵罐多采用機(jī)械攪拌方式。機(jī)械攪拌在罐內(nèi)可形成較好的流場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)物料、溫度、PH值的均勻分布。同時(shí)結(jié)合物料進(jìn)出罐的位置與方式，避免罐內(nèi)出現(xiàn)生物質(zhì)堆積沉淀以及浮渣［4］。

4.4 “三沼”的處理工藝特點(diǎn)

沼氣:餐廚垃圾經(jīng)過(guò)厭氧反應(yīng)器產(chǎn)生的沼氣是含有飽和水蒸氣的混合氣體，除含有CH4和CO2外，還含有H2S氣體和懸浮的顆粒狀雜質(zhì)。因此新產(chǎn)生的沼氣還需經(jīng)脫硫、氣水分離等凈化處理后才能作為發(fā)電機(jī)組的燃料。通過(guò)發(fā)電機(jī)的余熱回收鍋爐產(chǎn)生的蒸氣，用于厭氧罐的保溫和增溫，可實(shí)現(xiàn)熱量自給，實(shí)現(xiàn)能量最大化利用和提高容積產(chǎn)氣率，減少投資成本和經(jīng)營(yíng)成本。

沼渣和沼液:由于沼渣和沼液中含有N、P、K和多種微量元素，利用沼渣生產(chǎn)生物有機(jī)肥，將沼液制作濃縮合成液，應(yīng)用在有機(jī)、綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)和畜禽、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)，實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)再利用。

5 結(jié)論

厭氧消化技術(shù)處理餐廚垃圾能夠最大限度地實(shí)現(xiàn)對(duì)有用物質(zhì)及能量的回收和利用，在處理過(guò)程中避免了造成二次污染的有害有毒氣體和液體的排放，做到真正的無(wú)害化，減量化和資源化處理。另外，厭氧發(fā)酵處理后的殘留物無(wú)論是作肥料還是作飼料，都可取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

在餐廚垃圾厭氧消化處理的工程應(yīng)用方面，目前我國(guó)還處于起步階段，還沒有商業(yè)化的餐廚垃圾厭氧消化處理工程投入實(shí)際運(yùn)行。究其原因，除經(jīng)濟(jì)因素外，其中一個(gè)重要的方面是缺乏對(duì)餐廚垃圾厭氧消化工藝技術(shù)的系統(tǒng)研究和掌握。尋找適合我國(guó)餐廚垃圾組分與特點(diǎn)的厭氧處理工藝，解決其厭氧消化過(guò)程中水解速度慢、厭氧發(fā)酵過(guò)程中的酸抑制和氨氮抑制、甲烷產(chǎn)量低、發(fā)酵后的沼液及沼渣處置等難題，并保證厭氧消化系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定，降低運(yùn)行管理難度及費(fèi)用是當(dāng)前亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

［1］沈劍山，顏曉英，蔣宏華.餐廚垃圾厭氧消化及綜合利用技術(shù).云南師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2011(9):220～224.

［2］張慶芳，楊林海，周丹丹.餐廚垃圾廢棄物處理技術(shù)概述.中國(guó)沼氣，2012，30(1):22 ～26.

［3］徐曉軍，管錫君，羊依金.固體廢棄物污染控制原理與資源化技術(shù).冶金工業(yè)出版社，2007.

［4］劉國(guó)治，尤宇嘉.中國(guó)餐廚垃圾厭氧處理工藝難點(diǎn).中國(guó)沼氣，2011，29(6):33 ～34.