餐廚垃圾高效好氧發酵處理工藝優化

文_萬松峰 張意康 東莞職業技術學院

餐廚垃圾包含廚余垃圾和餐飲垃圾，廚余垃圾是指食物邊角廢料、剩菜剩飯、瓜果皮等易腐有機垃圾，餐飲垃圾是指飲食剩余物以及果蔬、肉食、油脂、面點等的加工過程廢棄物。在政府推進的垃圾分類的大潮下，餐廚垃圾在城市生活垃圾占比50%以上，餐廚垃圾存儲運輸途中容易腐爛發臭、滋生病菌，污染環境影響生態安全和人類健康。我國餐廚垃圾含水高、有機質高、含鹽高、含油高，具有污染物和資源的雙重屬性，餐廚垃圾類型眾多工藝相對復雜、處理難度大，餐廚垃圾資源化和無害化處理將成為我國垃圾處理工作的重點。

2019年住建部、發展改革委、生態環境部等九部門印發《住房和城鄉建設部等部門關于在全國地級及以上城市全面開展生活垃圾分類工作的通知》要求全面啟動生活垃圾分類工作。實行垃圾分類管理政策后,餐廚垃圾的占有量與日俱增，急需無害化、資源化和規模化處理設備與技術。目前餐廚垃圾處理方式有集中式填埋、集中式焚燒、機械破碎、厭氧發酵和好氧堆肥等，但都存在缺陷。厭氧發酵和好氧堆肥是工業應用最廣的餐廚垃圾資源化處理技術。餐廚垃圾厭氧發酵是在缺氧或無氧環境下，在厭氧菌作用下將餐廚垃圾分解為甲烷、二氧化碳和水等清潔無污染，所需技術較復雜、投資大。好氧堆肥法具有高減量率、有害程度低、營養程度較高等優點，好氧堆肥周期長、有臭氣等。為有效控制餐廚垃圾存放、清運工作，減少末端處理總量和城市環境污染，開展餐廚垃圾源頭減量處理模式與配套技術的研發對改善和提高城市環境具有重大意義。

1 項目介紹

餐廚垃圾集中處理設備價值高、占地大、處理時間長和處理費高。餐廚垃圾存儲和運輸過程中滋生有害細菌，要通過高溫蒸煮或烘干工藝才能去除，餐廚垃圾處理企業盈利能力有限，需要政府補貼運營。我國餐廚垃圾以淀粉、纖維素、蛋白質、油脂為主，可以利用酵母菌、地衣芽孢桿菌、孢芽孢桿菌和枯草芽孢桿菌等微生物進行分解，降解菌種見圖1。高效菌劑能促進發酵過程、縮短時間、提高腐熟效率，利用全自動腐熟發酵機對參數自動化精準控制與調節，使發酵過程快速、高效。充分利用微生物間的協同作用優化餐廚垃圾生化降解工藝、動態調整工藝條件，實現餐廚垃圾的快速處理。本文通過好氧堆肥技術，借助復合微生物菌劑將難處理的餐廚垃圾轉變為有機肥，構建綠色生態系統。從源頭解決餐廚垃圾分類難、處理難、資源再生難的問題，實現“變廢為寶”。

圖1 降解菌種圖

該項目的技術路線如圖2 所示，主要包括垃圾成份分析與菌種選擇、整體方案設計、樣機制造與調試、復合菌種優化和工藝多目標優化等。通過對國內外餐廚垃圾處理工藝和設備的研究，提出利用多菌種密封發酵技術研發一種小型智能餐廚拉圾處理設備的方案，設備主要包括機械裝置、加熱加壓裝置、智能控制系統、人工智能技術與多菌種的協同等技術，構建微生物菌種智能高效的發酵環境。

圖2 技術路線

2 餐廚垃圾處理系統

利用多菌種發酵技術研發小型智能餐廚垃圾處理設備。通過分類收集、高效處理、資源再生、肥料供應實現閉環管理，輔助政府決策和精準管理。該設備橫跨智能控制、節能科技、生物科技、人因工程等多領域與之相結合。通過機械裝置、加熱加壓裝置、智能控制系統、人工智能技術與多菌種的協同作用，構建微生物菌種發酵環境，實現餐廚垃圾的智能、高效降解處理，將發酵剩余殘留物高溫烘干制作為有機肥料，既提高了對致病菌的去除效率，也實現了餐廚垃圾處理的減量化、資源化以及無害化處理。

好氧發酵通風是為好氧發酵提供發酵氧氣、帶走水汽和熱量。餐廚垃圾發酵中發酵菌群對有機物的降解需要提供氧氣的計算公式見公式（1），V為通風量，Z0-Z1為進出口氧氣含量變化量，a為降解單位質量有機物需要的氧氣；M為有機物質量；v為發酵倉的溶劑。當有機物的降解速度最大時消耗的氧氣量也隨最大。在好氧發酵倉進行攪拌時開啟通風，故好氧發酵需要設計良好的通風系統

好氧發酵的溫度是影響好氧發酵的關鍵，溫度過低時餐廚垃圾中的水分無法及時被蒸發，含水率高減緩好氧發酵的速度，發酵溫度過高會降低發酵菌的活性、水分散失過快也減緩好氧發酵的速度。好氧發酵的溫度與發酵過程密不可分，餐廚垃圾發酵過程中需要的熱量可由公式（2）計算得到。式中Qout為好氧發酵排出熱量，Qw為蒸發水分所需熱量，Qe為散發熱量，Qs為物料升溫所需的熱量，Qg為通風帶走的熱量。

垃圾處理工藝路線見圖3。生活垃圾經過分類后形成的餐廚垃圾首先通過AGV智能垃圾回收終端實現餐廚垃圾的回收和運輸到小型智能餐廚垃圾處理設備處，通過自動上料裝置放入預處理入口，預處理設備對垃圾進行破碎和脫水，在好氧發酵倉內混料和發酵產生有機肥。生活垃圾經過分類后根據預約，AGV智能垃圾回收終端通過自動導航技術實現餐廚垃圾預約自動上門回收，自動將餐廚垃圾送至餐廚垃圾集中處理處，小型智能餐廚拉圾處理設備自動完成餐廚垃圾處理產生有機肥。預處理設備對垃圾進行破碎和脫水，液態物質通過油水分離裝置實現油水分離，油脂通過有資質的公司回收，污水通過水處理系統處理后排入市政管道。固體物質加入菌種后再密閉容器內發酵產生有機肥。在好氧發酵倉內，混料裝置將微生物菌劑與餐廚垃圾充分混合，微生物在適宜的溫度及好氧條件下降解有機物。發酵過程考察溫度、通風、復合微生物菌劑與餐廚垃圾進料質量比等因素對餐廚垃圾降解率、能耗的影響，確定餐廚垃圾生化降解工藝的最佳參數組合。

圖3 工藝路線

3 好氧發酵的工藝分析

實驗所用材料來自學校食堂產生的餐廚垃圾，成份主要是淀粉、纖維素、蛋白質、油脂等，與菌種設計相同。餐廚垃圾中的淀粉、脂肪含量利用酸水解法來檢測，餐廚垃圾中的蛋白質含量利用凱氏定氮法來檢測，餐廚垃圾中的纖維素利用NREL法進行檢測，淀粉含量20.3%、纖維素17.1%、蛋白質15.4%、油脂9.7%，粉碎脫水后含水率小于70%。有氧發酵的效率簡單通過24h發酵后餐廚垃圾重量的減少量來衡量，減少量越多認為發酵效率越快。通過對餐廚垃圾發酵的不同溫度、餐廚垃圾發酵的不同含水率、餐廚垃圾發酵的不同菌種含量下餐廚垃圾重量的減少量來分析有氧發酵的效率。不同批次的實驗使用同一批次餐廚垃圾粉碎混合均勻后進行試驗，每次餐廚垃圾和發酵復合菌劑分批按不同含量添加，總重量1200kg。

餐廚垃圾好氧發酵時，溫度是影響發酵效率的重要因素，外界環境溫度波動將影響發酵效果。發酵溫度分別控制在30℃、40℃、50℃和60℃，每隔30min攪拌通風5min，發酵艙內餐廚垃圾含水率控制在60%，發酵復合菌劑含量30%，連續發酵24h。稱量發酵后的重量得出減少量不同溫度下餐廚垃圾發酵的減量化見圖4。從圖4中可以得出當50℃時減量最多為860kg，有氧發酵的效率最高。

圖4 不同發酵溫度下的餐廚垃圾處理減量圖

含水率是影響餐廚垃圾發酵處理效率的重要參數，水作為可溶性有機物的載體為微生物降解提供良好的工作環境，發酵過程時水分蒸發將帶走熱量影響溫度調節。水進入物料間空隙減少微生物發酵獲取氧氣，影響發酵進程。含水率來自于餐廚垃圾本身和好氧發酵時微生物分解有機質產生的水。研究表明有氧發酵物料含水率下限為40%、上限為70%，否則不利于好氧微生物的基礎代謝及繁殖等活動。發酵溫度控制在50℃，每隔30min攪拌通風5min，發酵艙內餐廚垃圾含水率分別控制在40%、50%、60%和70%,發酵復合菌劑含量30%，連續發酵24h。稱量發酵后的重量得出減少量不同含水率下餐廚垃圾發酵的減量化見圖5。從圖5中可以得出當60%時減量最多為860kg，有氧發酵的效率最高。

圖5 不同含水率下的餐廚垃圾處理減量圖

發酵菌種占有整個餐廚垃圾的含量也將影響發酵處理的速度。發酵溫度控制在50℃，每隔30min攪拌通風5min，發酵艙內餐廚垃圾含水率控制在60%,發酵復合菌劑含量分別為5%、10%、20%、30%和40%時，連續發酵24h。稱量發酵后的重量得出減少量不同含水率下餐廚垃圾發酵的減量化見圖6。從圖6中可以看出復合菌劑含量越高發酵速度越快，當復合菌劑含量40%時減量最多為860kg，有氧發酵的效率最高，復合菌劑含量越高發酵越快但所需菌種成本越高，含量超過20%后垃圾處理的后的減量增長效率變緩和，在實施應用中需綜合考慮垃圾處理的實際速度、效率和成本。

圖6 不同菌種含量的餐廚垃圾處理減量圖

4 結語

針對我國餐廚垃圾特點和實際需求，利用多菌種密封發酵技術研發一種小型智能餐廚垃圾處理設備，設備橫跨智能控制、節能科技、生物科技、人因工程等多領域與之相結合。通過機械裝置、加熱加壓裝置、智能控制系統、人工智能技術與多菌種的協同作用，構建微生物（菌種）發酵環境。利用自行研發的設備進行驗證，從發酵溫度、餐廚垃圾處理時的含水率、發酵菌種接的含量等影響發酵效率的多個因素進行研究，通過24h發酵，對餐廚垃圾減量單一因素考查，驗證得出當發酵溫度為50℃、餐廚垃圾處理時的含水率為60%、發酵菌種接的含量30%時餐廚垃圾降解速度最快。實現了餐廚垃圾有效處理，既提高了對致病菌的去除效率，也實現了餐廚垃圾處理的減量化、資源化以及無害化處理。但是本項目還需進一步對發酵時能耗、有機物降解率和有機肥的質量等多目標的優化。