新型餐余垃圾資源化處理器設計

郝 迪 康鎖倩 張競元 劉星辰 李 慧 張玉臣 薛培英

（河北農業大學資源與環境科學學院 河北 保定 071000）

1 前言

隨著經濟高速發展，人們生活水平不斷提升，人們每日餐廚垃圾的生產量越來越大，餐廚垃圾的處置逐漸成為一個亟待解決的新型環境問題。有關研究表明，大城市內每天的生活垃圾產量約3 000 t，而餐廚垃圾占到其中的一半甚至以上[1］。2015年，全國餐廚垃圾產生量約為9 110萬t，日均餐余垃圾產生量為25萬t，人均日產量為0.18 kg。

餐余垃圾主要有三方面的危害：餐廚垃圾通過不法渠道流回食物鏈，帶來嚴重的食品安全隱患，人畜食用后產生疾病、疫情；餐余垃圾大量堆積極易腐爛變質造成環境污染，滋生蚊蠅，產生惡臭污染空氣，滲濾液污染水土；大量垃圾不及時處置，隨意丟棄與其他生活垃圾夾雜在一起，影響市容市貌與環境衛生[2］。目前我國餐余垃圾處理主要是焚燒和填埋，而且焚燒處理方式占比由2004年7%增長至2015年38%。預計我國2020年末生活垃圾焚燒處理能力需要從2017年末的23.52萬t/d增長至59.41萬t/d。焚燒所占總垃圾處理方式的比例由2015年的38%上升至2020年的54%。焚燒雖然減容性大、能夠產生一定的熱量，但餐余垃圾高含水率的特性決定它并不適合用，不僅無法資源化利用，還降低焚燒爐內溫度，導致燃燒不充分，產生二惡英。而利用生化的方法進行發酵生產有機肥，適應當前發展趨勢，逐漸走入人們的生活[3～4］。

垃圾是放錯位置的資源。資源化利用餐廚垃圾，既能帶來環境效益，同時又得到經濟效益。高油，高鹽分，高含水率，是我國餐余垃圾的特性。餐余垃圾干物質中含有機物80.21%和粗脂肪25.86%，且餐廚垃圾35%左右的干物質中含約12%粗脂肪，含超過20%蛋白質。中國餐余垃圾年產量相當于3 000萬畝玉米和600萬t生物柴油。餐廚垃圾資源化特征顯而易見，資源化加工處理是目前產業發展的必然選擇。目前資源化處理方式主要分為厭氧發酵、好氧堆肥、烘干做飼料和微生物處理等。厭氧發酵有較高的無害化程度和較高的有機復合承擔能力，但占地大、投資高、工藝復雜和發酵時間長，無法高效處理餐余垃圾。而好氧發酵可以在較短的周期里使物料堆肥熟化。此外微生物處理，常用固態發酵，能耗低、周期較短，產率較高，一定程度上改良了傳統工藝處理餐廚垃圾產生的營養物質利用率低的問題，這是餐廚垃圾資源再利用的一種重要方法[5］。因此，好氧發酵同時添加微生物菌劑可使發酵時間大大縮短，有機質利用率也顯著提高，相較于傳統工藝，優勢明顯。

目前現有的好氧發酵罐有自然發酵罐、工業上用來進行微生物好氧發酵的大型設備、高溫好氧發酵罐。其主要處理流程都為預處理除油脫水、攪拌、堆肥發酵、干燥、貯存。但現有好氧發酵罐存在以下幾個較為顯著的問題：①占地面積大，運行成本高。如現有的設備日處理量為100～2 000 t，尺寸較大，雖處理量大，但體積大難以靈活移動，并不適于高校餐廳或大型食堂餐廚垃圾的就地處理，運行能耗約耗電100度/d，能耗較大。②現有自然發酵罐，發酵時間長、效果差、易產生惡臭。③現有一般單層發酵罐保溫性能差、升溫緩慢，預處理與發酵一體化程度低。相關研究表明發酵效率主要取決于溫度、含水率、微生物菌劑。溫度控制與加熱方式有關，現有電熱、太陽能加熱、微波加熱等。其中，微波加熱方式原理為微波使水分子自旋運動而將微波能轉化熱能而使介質直接被加熱。這使其相較于其他方式優勢明顯，效率高、能量利用率高，微波可選擇性加熱，升溫快且裝載量相等時，微波加熱耗能不到電熱的10%[6］。微波加熱可使含水率快速降到適宜的情況。與不接菌種相比，接種微生物菌劑能使堆肥初期激發微生物增殖，加速腐熟。有研究表明EM菌劑可縮短發酵周期，提高高溫期溫度，促使餐廚垃圾無害化[7］。

本新型處理器針對以上缺陷進行改進，設計為體積適宜、移動靈活、放置在餐廳室內直接回收餐廚垃圾。運行時采用微波加熱技術，人工高效輔助升溫，減少運行時間，與大型設備相比更節省能耗。結合高效EM菌劑共同促使發酵過程快速完成。另外，此設計改進了處理器外殼，設計為雙層結構，提高了保溫

性能，且雙層金屬外殼有效阻止了電磁波的逸出，保證其安全性。各個處理單元緊湊排列，處理過程連續、一體化。滿足人們對餐余垃圾進行高效快速處理的需求。

2 新型餐廚垃圾發酵罐設計

2.1 設計原理。基于好氧堆肥和微生物處理原理，通過加溫和控制含水率，投加高效處理餐余垃圾的EM菌劑，完成餐余垃圾的快速腐熟。相關探究復合微生物降解餐余垃圾機理的實驗表明，在48℃～52℃時有利于殺滅病原菌，加速腐熟[8］。控制該處理器微波功率80 W左右，先使餐余垃圾快速升溫到50℃左右，再低溫持續加熱，保溫并降低垃圾含水率到40%～50%。裝置由上到下分別是平旋開閉蓋，下層可設放置活性炭包的金屬網，再下一層為潷水器除油裝置，下部側面為餐余垃圾進口同時又可通過此處投加發酵菌粉，整體微波恒溫加熱裝置、左右各設一個可變速的集攪拌、粉碎于一體的攪拌器，底部設有格柵用以除水來控制含水率。

2.2 材料與方法。餐余垃圾處理器整體采用不銹鋼材料，外殼涂層為鍍鋅噴漆，耐長時間高溫且抗腐蝕性能較好，并有效屏蔽電磁波，避免對人體產生傷害。整體為高80 cm，地面直徑1 m的不銹鋼圓柱筒體，一次可處理0.6 m3的餐余垃圾，適用于放置于大型食堂每層餐余垃圾回收處。圓筒潷油器為高度5 cm可伸縮的豎直刮板。攪拌器為直徑約15 cm的螺旋刀片，攪拌粉碎，快速檔位100 r/min，慢速檔位20 r/min。

圖1 餐廚垃圾處理器設計圖

2.3 餐余垃圾處理流程

2.3.1 預處理階段。餐余垃圾廢棄物從側面入口進入處理器后，首先打開頂部潷油裝置，刮除餐余垃圾上層大量油脂。然后，打開兩側攪拌器，調到快速檔位，對餐余垃圾進行粉碎同時固液連續分離，產生的游離性液體通過擠壓從底部格柵排出到液體收集裝置。

2.3.2 好氧發酵階段。經過前期的預處理操作，為好氧發酵準備條件，進入高效率好氧發酵處理階段。在頂部金屬網放置適量的活性炭包，防止發酵過程產生異味污染大氣。打開微波恒溫加熱裝置，通過微波快速均勻的加熱餐廚垃圾，使盡快達到好氧堆肥腐熟的適宜溫度，同時又通過加溫降低含水率，控制水分含量40%左右。攪拌器開到慢速檔位，使物料與空氣不斷接觸，防止進入厭氧狀態。最后通過微波加熱，把發酵完成后的基礎肥烘干，基礎肥進一步包裝處理，便于儲存、運輸和銷售。

3 結論

此新型餐余垃圾處理器結合好氧發酵和微生物處理的雙重優勢，通過加入EM高效菌劑，并創新性地把微波加熱技術融入好氧發酵過程，解決了以往傳統工藝自然發酵狀態下難升溫、耗時長、腐熟度低，部分垃圾厭氧發酵產異味等弊端。通過攪拌器慢速轉動，在保持低能耗的狀態下使餐余垃圾與空氣連續接觸避免進入厭氧狀態。此處理器還具有占地面積小，可靈活移動，預處理、發酵、烘干一體化等優勢，可用于高校餐廳、大型工廠食堂，具有較強實用性。產生的優質有機肥可施于校園草木或廠區綠地，或干燥處理后出售給花木基地等。在降低餐余垃圾清運費用的同時也避免對環境的二次污染，帶來經濟效益和環境效益。