餐厨垃圾特性和厌氧消化处理技术(10页).doc

-餐厨垃圾特性和厌氧消化处理技术-第 10 页餐厨垃圾特性和厌氧消化处理技术廖燕（广西大学轻工与食品工程学院，广西南宁 530004）摘要：本文概述了餐厨垃圾的饲料化，能源化，堆肥化的资源特性以及对环境造成的危害性。介绍了餐厨垃圾厌氧消化处理原理，厌氧消化工艺的特点和分类以及联合消化的可行性和现阶段国内外发展现状。关键词：餐厨垃圾；厌氧消化；混合发酵；环境保护The characteristic of food waste and anaerobic digestion techniquesLiaoYan(light industry and food engineering college of Guangxi university, nanning, 530004 )Abstracts: This paper summarizes the resources characteristics of food residue treatment for feed, energy-oriented, composting, and the harmfulness of impact on the environment. Introduced the food residue anaerobic digestion processings principle, characteristics and sorting.aslo as the feasibility of mixed fermentation and the current situation and development at home and abroad.Key words: food waste; anaerobic digestion; mixed fermentation; environmental protection引言我国餐饮行业日益发展，餐饮企业不断增加，每天产生巨量的餐厨垃圾。据北京市发展改革委统计：北京市每天产生1200吨餐厨垃圾。清华大学环境系固体废物污染控制及资源化研究所的统计数据显示：我国城市每年产生餐厨垃圾不低于6000万吨。餐厨垃圾营养丰富，是宝贵的可再生资源,具有很大的回收利用价值李小卉.餐厨垃圾的危害及综合治理对策J.太原科技,2006,11(11):24-25。但由于尚未引起重视，处置方法不当，它已成为影响食品安全和生态安全的潜在危险源。处置不当会产生严重的环境隐患，餐厨垃圾具有废物与资源的双重特性，可以说是典型的“放错了地方的资源”。 对餐厨垃圾进行合理利用可以实现废物资源化，在一定程度上是解决我国物资、能源紧缺问题的有效途径。1.餐厨垃圾的特性餐厨垃圾，俗称泔脚，是居民在生活消费过程中形成的生活废物，极易腐烂，变质，散发恶臭，传播细菌和病毒。餐厨垃圾主要成分包括米和面粉类食物残余、蔬菜、动植物油、肉骨等，从化学组成上，有淀粉、纤维素、蛋白质、脂类和无机盐任连海，田媛。城市典型固体废弃物资源化工程M. 北京：化学工业出版社，2009,236-273袁玉玉,曹先艳,牛冬杰等.餐厨垃圾特性及处理技术环境J.卫生工程.2006,14(6):46-49。并且营养元素丰富, C/N较低,含有大量的微生物菌种等,具有很高的产甲烷能力 Lay J. J. Analysis of environmental factors affecting methane production from high-solids organic waste. Water Science and Technology.,1997, 36(67): 493500 。餐厨垃圾的固体含量通常为20%左右，含水率高（65%-95%） 黄文雄,刘畅餐.厨垃圾处理现状与发展趋势J.建设科技.2008(3):90-92，脱水性能差，热值为2100-3100kj/kg 王向会,李广魏,孟虹等.国内外餐厨垃圾处理状况概述J.环境卫生工程.2005,13(2):41-43，和生活垃圾一起焚烧，达不到垃圾焚烧发电的发热要求的热值5000kj/kg2。资源性饲料化餐厨垃圾内含大量的营养物质，主要成分是油脂和蛋白质,可替代玉米、鱼粉、豆粕等通过对其粉碎、脱水、发酵、分离后加工成高能蛋白优质饲料。按干物质含量计算，5000万吨餐厨垃圾相当于500万吨的优质饲料，内含的能量相当于每年1000万亩耕地的能量产出量，内含的蛋白质相当于每年2000万亩大豆的蛋白质产出量。也就是说，如果我国一年产出的餐厨垃圾全部得以利用，相当于节约了1000万亩耕地。面对中国耕地紧张、粮食短缺，每年需要大量进口粮食饲料的国情，合理利用餐厨垃圾是增加资源利用率，有效解决我国粮食问题方法。目前，我国饲料化处理餐厨垃圾的技术已趋成熟。该方向上许多研究都得到显著的成果。龚仁等 龚仁，宋鹏，陈五岭。餐厨垃圾发酵生产生物活性蛋白饲料的工艺研究J.饲料工业，2009,29（24）:39-42对热带假丝酵母、黑曲霉、枯草芽孢杆菌、解脂假丝酵母在经处理后的餐厨垃圾上混合发酵,将餐厨垃圾转化为生物活性蛋白饲料的工艺条件进行了试验研究。得到其试验最佳工艺条件为:以2:2:1的黑曲霉、热带假丝酵母、枯草芽孢杆菌为混合菌剂,接种量1%,添加1.5%尿素,30发酵48h后晾晒烘干,所得生物蛋白饲料粗蛋白、粗脂肪、灰分、粗纤维、水分含量分别为28.57%、2.16%、1.27%、2.09%、15.73%,且有酒香味,适口性好。能源化餐厨垃圾的能源化处理主要包括焚烧制蒸汽和发电，热分解，生物发酵制氢，生物柴油制备，发酵制燃料等。美国研究人员实验证明，餐厨垃圾采用厌氧菌处理技术，可使每吨（干燥）餐厨垃圾转化为730-1 300kW·h能源。美国约有2.5%的餐厨垃圾实现了能源化处理 Gray M D，Suto P，Peck C. Anaerobic Digestion of Food WasteR.2008.。2009年1月，重庆餐厨垃圾处置工程开工建设，建成后每年可处理餐厨垃圾18万t，年产生沼气1400万m3，发电3300万kW·h，提炼生物柴油1万余t，生产有机肥料12000t，减排二氧化碳11万t 张龙生，刘拓。餐厨垃圾生产生物柴油现状及对策J.环境卫生工程。2009，17（6）：50-52。焚烧法处理餐厨垃圾是在特制的焚烧炉中进行，产生的热量转化为蒸汽或者电能，实现能源回收利用。此方法效率高，最终产生约5%残余物。缺点是因餐厨垃圾含水率高，热值低，燃烧时需要添加辅助燃料，投资大，产生的尾气二噁英污染大气。热分解法是将餐厨垃圾在高温下进行热解，将餐厨垃圾中含的能量转化成燃气，生物柴油的形式加以利用。热解法，由于技术上没有达到实用阶段，应用较少张振华，汪华林，李权柄。厨余垃圾的现状及其处理技术综述J.再生资源研究.2007,(5):31-34。生物发酵制氢现阶段国内外的研究很多。焦刚珍等 Jiao Gangzhen; Li Ming; Zhao Youcai。Effects of seeding sludge on hydrogen production from anaerobic fermentation of food wastes with and without the buffering additivesJ. Environmental Pollution & Control,2009(2):19-22研究了在相同接种配比条件下,研究了4种不同来源污泥(压滤污泥、厌氧污泥、曝气污泥和河底淤泥)添加或不添加缓冲剂时对餐厨垃圾厌氧发酵产氢效果的影响。结果发现,在不添加缓冲剂时,4种污泥接种餐厨垃圾厌氧发酵的平均产氢量依次为厌氧污泥>河底淤泥>压滤污泥>曝气污泥,而添加缓冲剂时,4种污泥接种餐厨垃圾厌氧发酵平均产氢量依次为厌氧污泥>曝气污泥>压滤污泥>河底淤泥,接种厌氧污泥的餐厨垃圾平均产氢量也最高,为mL。张振宏等 张振宏，赵岚，曹先艳。微生物来源对餐厨垃圾厌氧消化产氢的影响J.有色冶金设计与研究。2009,30（2）:43-53等研究了微生物来源对餐厨垃圾厌氧消化产氢的影响。结果表明单独一种接种物条件下，剩余活性污泥的产氢效果最好。曹先艳等 曹先艳，袁玉玉，赵由才。温度对餐厨垃圾厌氧发酵产氢的影响J.同济大学学报，2008,36（8）:942-950通过批式试验探讨了温度对餐厨垃圾厌氧发酵产氢的影响。结果表明:接种厌氧污泥在未经高温驯化(50)时直接进行高温厌氧发酵产氢效果不佳。中温(35)驯化1 d后进行产氢实验,与在室温(25)条件下所获氢气产率无明显差别。因此，餐厨垃圾厌氧发酵产氢过程应控制在中温(35)下进行比较合理。马鸿志等 马鸿志; 宫利娟; 汪群慧等。Plackett-Burman实验设计优化餐厨垃圾发酵产燃料酒精的研究J.环境科学。2008，29（5）：1452-1456针对餐厨垃圾中营养元素含量丰富的特点,利用运动发酵单胞菌对餐厨垃圾发酵生产燃料酒精,采用Plackett-Burman实验设计分析多种酶制剂和营养物质对发酵过程的影响.结果表明,糖化酶和蛋白酶对于酒精发酵影响显著,其他酶和营养物的添加对发酵均无显著影响,说明餐厨垃圾自身所含的丰富营养即可以满足细菌生长的需要。进一步的单因素试验分析表明糖化酶的最佳添加量为100 U/g.当同时添加100 U/g蛋白酶和100 U/g糖化酶时,酒精产量达到最大值53 g/L,比单纯添加糖化酶时产量高10%,其酒精转化率为44%.经酒精发酵后,餐厨垃圾粗蛋白增加了1.5倍且纤维素含量较低,可作为饲料使用.利用餐厨垃圾产酒精不仅处理了污染严重的废物,同时也为酒精生产提供了廉价的原料,具有较高的环境效益和经济效益。据统计，每吨餐厨垃圾可以提炼出20-80kg废油脂，经过集中加工处理，可以制成脂肪酸甲酯类物质，即生物柴油谢炜平,邹原,梁彦杰等.餐厨垃圾资源化技术现状及研究进展J.环境卫生工程.2008(2):43-45,48。生物制柴油是将餐厨垃圾粗加工提炼出垃圾油，其成分和植物油非常接近，可作为生物柴油的半成品原料直接用于生产。国内实验表明，用垃圾油为原料与甲醇进行酯交换反应，用浓硫酸作催化剂，可以制备生物柴油，基本符合美国的生物柴油质量标准研究J.拖拉机与农用运输车，2006（1）：53-54，58.。 肥料化餐厨垃圾的有机物含量高，营养素全面，C/N较低，是微生物生产的良好物质，非常适合堆肥原料。并且餐厨垃圾中含有大量的微生物菌种，适合堆肥过程的进行。其中含有的惰性废物如塑料较少，利于堆肥产品的农业利用。针对餐厨垃圾含水率高，脱水难，含盐份高，PH值低的特点，堆肥过程应做相应的调整，从而保证堆肥过程的快速，稳定进行2。近年来，堆肥原理和工艺有了很大的发展。任连海等任连海; 何亮; 宁娜等。餐厨垃圾高效好氧堆肥过程参数的影响因素研究J.北京工商大学学报。2010，28（5）：40-44，分别选用3组卧式反应器进行了4因素3水平完全试验和正交试验,对堆料温度、水溶性COD和pH值等餐厨垃圾好氧堆肥过程参数在不同条件下的变化规律进行了研究，以此来考察环境温度、初始含水率、通风量和填料量等因素对餐厨垃圾堆肥进程的影响。结果表明:环境温度、通风量、初始含水率和填料量等不同影响因素对餐厨垃圾好氧堆肥过程均具有显著影响.环境温度、通风量、含水率和填料量等4因素对堆肥减量化率的影响显著性顺序为含水率>环境温度>填料量>通风量。目前，全球每年产生的城市生活垃圾约为500亿吨，餐厨垃圾占其中的10-20% 解强，边炳鑫，赵由才.城市固体废弃物能源化利用技术M.北京：化学工业出版社，2004。餐厨垃圾对人体健康和环境的影响主要有如下四个方面 李小卉.餐厨垃圾的危害及综合治理对策J.太原科技,2006,11(11):24-25。（1）污染大气。由于餐厨垃圾有机物含量高，在短时间内就极易腐化产生恶臭，释放温室气体和人难以接受的恶臭气体。（2）危害人体健康。我国各大城市的餐厨垃圾很大部分用于了农场畜禽养殖，而这些畜禽特别是猪被人食用存在很大的安全隐患。餐厨垃圾中含有大量致病微生物如猪瘟病菌，肝炎病菌，弯曲杆菌，金黄色葡萄球菌，沙门氏菌等，这些病菌微生物能够通过禽畜引起交叉感染，引发人类多种疾病的传播。如用泔水喂的猪，容易引起人畜共患的疾病口蹄疫，人类食用了很容易感染。另外，现在我国各大城市出现的“地沟油”问题非常严重。“地沟油”中含有黄曲霉素、苯等有毒物质，经过不法途径回到人们的餐桌，供人食用会造成慢性疾病的发生甚至致癌，对人们的身体健康造成极大的危害。（3）影响环境卫生。餐厨垃圾存放极短的时间就会腐烂变质，颜色异常，气味难闻，产生不良的感官性质，并且会滋生大量的蚊虫，严重影响市容市貌。另外，餐厨垃圾不经过处理直接排入城市下水道，其中的高油脂在下水道中日积月累，容易造成下水道管道中油脂凝结，影响城市排水系统，甚至会堵塞下水道，在大雨洪涝天造成污水上溢。影响城市卫生。（4）污染水体。餐厨垃圾在运输过程，储存，加工过程中，产生的渗透液如不加处理直接排放在周围的环境中，会通过地表渗透作用随地表径流，流入地表水和地下水中，污染水体环境。据报道2，餐厨垃圾的渗透液的COD的浓度高于100000mg/L，2000年太湖的蓝藻事件，很大污染源是餐厨垃圾的渗透液。厌氧发酵过程是将有机物在特定的厌氧环境下，利用微生物将有机物分解，其中一部分碳水化合物转化成甲烷和二氧化碳。在这个发酵过程中，分解的有机碳化合物种大部分能量储存在甲烷中，少部分有机碳化合物氧化成二氧化碳，释放的能量满足微生物自身生命活动的需求Error! Bookmark not defined.。一般厌氧发酵可分为三个阶段：水解酸化阶段，产氢产乙酸阶段，产甲烷阶段。第一阶段，不溶性大分子有机物，如多糖、淀粉、纤维素、烃类（烷、烯、炔等）水解，主要产物为甲、乙、丙、丁酸、乳酸；紧接着氨基酸、蛋白质、脂肪水解生成氨和胺，多肽等。第二阶段，有第一阶段产生的中间产物，丙酸，丁酸等继续分解，产生乙酸，氢气和水。第三阶段，第二阶段产物甲酸、乙酸、甲胺、甲醇和二氧化碳和水等小分子有机物在产甲烷菌的作用下，通过甲烷菌的发酵过程将这些小分子有机物转化为甲烷。厌氧处理工艺的优缺点见表1-3Error! Bookmark not defined. 秦文娟。餐厨垃圾厌氧消化的实验研究D.西南交通大学。2009，12。在实际应用过程中，厌氧消化技术又有很多种方法。根据废物中有机固体的浓度大小可分为干法厌氧消化和湿法厌氧消化。根据反应级数可分为，单相厌氧消化和两相厌氧消化。根据运行的连续性，厌氧消化技术可分为连续厌氧消化和间歇厌氧消化。根据厌氧消化过程甲烷菌的适应温度范围可分为常温，中温（30-40），高温(50-60)消化工艺。各种厌氧消化工艺的对比分别列表如下 王星，王德汉。餐厨垃圾的厌氧消解技术现状分析J.中国沼气，2006，24（2）：35-39。表1-3厌氧消化处理有机垃圾的优缺点优点 缺点工艺稳定，对水分要求不严格 反应器内生物量启动时间长。减少补充N,P的费用 对碱度要求高，必要时需补充一定量碱。回收甲烷，节省外能源量输入 低温下动力学速率低。生态环境友好，沼渣，沼液可做有机肥 低浓度有机质处理能量不平衡。可降解好氧过程中不可降解物质 尾气污染 水处理过程中减少剩余污泥处理费用 甲烷菌对环境条件敏感表1-4干法厌氧消化和湿法厌氧消化优缺点对比干法厌氧消化 湿法厌氧消化物料浓度为20-40%，高于60%加水稀释 物料浓度需用水稀释低于15%有机负荷率高，产气效率高 产气率易受到氨氮，盐分抑制处理能力大 处理能力低设备昂贵，设备效率高 设备成本相对低物料浓度高易受中毒物质和传质影响 预处理复杂 表1-4单相厌氧消化和两相厌氧消化优缺点对比单相厌氧消化技术 两相厌氧消化技术投资少，运行维护简单 投资多，运行维护复杂产酸菌和甲烷菌会相互影响 产酸菌和甲烷菌提供各种生存环境挥发有机酸积累抑制甲烷产气 反应器有机负荷高，产气效率高表1-5连续厌氧消化和间歇厌氧消化优缺点对比连续厌氧消化技术 间歇厌氧消化技术连续进料 间歇加料无法实现各阶段最佳反应条件 渗透液回流循环或后处理难实现较高的产甲烷效率 用水淋垃圾，进料浓度为30-40%表1-6常温中温高温厌氧消化优缺点对比常温厌氧消化 中温厌氧消化 高温厌氧消化常温 30-40 50-60应用较少 实际应用较多，工艺成熟 消化速度快，反应时间短能耗低 较低能耗，较高处理能力 处理负荷高，反应容积小不能杀灭病菌 对温度变化适应性强 有机废物降解和病原菌杀灭率高过程稳定 稳定性好 NH3浓度高毒性抑制强，稳定性差3餐厨垃圾的联合消化联合消化是通过厌氧消化同时处理两种或多种有机废物。餐厨垃圾混合城市生活垃圾厌氧消化是处理餐厨垃圾的一种突破传统处理的方式。大量研究表明，混合消化与餐厨垃圾的单独消化相比，具有不可比拟的优势：可以在消化物料间建立一种良性互补。主要体现在以下几个方面 Sosnow ski p, Wiecczorek A, Ledakowicz S. Anaerobic co-digestion of sewage sludge and organic fraction of municipal solid waster. Advances in Environmental Research,2003,7:609-616：（1）稀释污泥中的有毒成分。（2）补充各自成分中缺少的营养成分，促进反应物质间的营养平衡。(3) 改善消化进料的固体含量，调节水分含量，调节机质的C/N比。另外，工业实践中，设备共享还能带来显著的经济效益。因此，污泥与餐厨垃圾共同消化有利于厌氧消化过程的稳定性，获得更大的单位产气量，增加了能量回收，提高了能源利用率，降低了处理成本。国内外发展现状联合消化技术在丹麦、瑞典有广泛的应用 徐清艳，徐剑波。城市生活垃圾的厌氧消化处理J.闽江学院学报。2007,28(2):93-97。城市生活垃圾与污泥联合消化最初由Cecchi和Traverso在1986年提出，在应用中取得较好的效果，实现了垃圾的减量化。伍珂进行了市政污泥与食品废弃物混合发酵产酸的研究，结果表明：市政污泥与食品废弃物都是高资源化价值的固体废弃物，两者混合发酵产酸可以提高目标产物VFA浓度，提高底物有机质的降解率与转化率，增强污泥产酸工业化可行性。Pat Falletta等 Alexander Proracki,Pat Falletta,Peter Seto.et al. Biohydrogen production by anaerobic co-digestion of municipal food waste and sewage sludgesJ. International Journal of Hydrocen Enercy.2008,33,36513659进行了餐厨垃圾和污泥共混厌氧消化产氢的研究，研究表明餐厨垃圾、初沉污泥和活性污泥在生物制氢方面存在碳水化合物和总氮，总磷和一些金属元素等互补的性质。餐厨垃圾具有低的PH缓冲能力，而初沉污泥和活性污泥具有相对较高的PH指缓冲能力。厌氧消化毒性研究，这些原料的对产氢没有毒性抑制。餐厨垃圾和污泥的混合消化相对于单独消化显著的提高了产氢性能。在不同的混合比例中，发现餐厨垃圾与污泥1:1的比例是最佳产氢的比例。混合消化使得氢的产量增加了112ml/gVS。等P.Sosnowski, A.Wieczorek, S.Ledakowicz。Anaerobic co-digestion of sewage sludge and organic fraction of municipal solid wastesJ. Advances in Environmental Research 2003(7):609616介绍了活性污泥和城市有机废物混合发酵产甲烷试验。通过分析发酵过程的沼气含量和产气量,pH值、总悬浮和挥发性固体、污泥的元素含量(C、H、N、S),接种有机废物量，总有机碳、总碱度、挥发性脂肪酸含量的指标变化。结果表明，混合发酵dm3 /g VSSadd。在元素分析中发现污泥中的N含量明显比城市有机废物高，而碳含量则相反，这可能是混合发酵有利于提高甲烷产量的原因。Sang-Hyoun Kim等 Sang-Hyoun Kim,Sun-Kee Han,Hang-Sik Shin. Feasibility of biohydrogen production by anaerobic co-digestion of food waste and sewage sludgeJ. International Journal of Hydrogen Energy .2004,29:16071616研究了食物垃圾和污水污泥混合厌氧发酵生物制氢理论的可行性。发现食品垃圾和污水污泥的混合比例为87:13时产氢能力最大，达到122.9 mL/g。表明食品垃圾作为主要基质，污泥作为辅助的基质的共混发酵产氢的效率高。Brinkman Brinkman JAnaerobic digestion of mixed waste slurries from kitchens，slaughterhouses and meat processing industriesc/Mata-Alvarez J，Tilche A，Cecchi FProceedings of the second international symposium on anaerobic digestion of solid wastes. Spain：Barcelona：GrMaiqucs，1999成功进行了餐厨垃圾和屠宰场污泥混合高温消化试验。研究表明，联合消化极大地减少了消化启动阶段的不平衡，提高了消化过程的运行效果，被很多工厂厌氧消化启动阶段采用。Griffin M N等 Griffin M E，McMahon K D，Mackic R IMcthanogcnic populationdynamics during start-up of anaerobic digesters treating mR-nicipal solid-waste and biosolidsBiotechnolJ.Bioeng,1998,57(3):342-355研究了污泥与牲畜粪肥中温共混厌氧消化，实现了中温条件下市政污泥与城市有机废物的共同处理。厌氧消化中由于市政污泥负荷低，反应物料单位体积的可生物降解性低于餐厨垃圾，有机物降解率低，产沼气量低，而餐厨垃圾有机负荷高，可生物降解性能好，有机物质去除率高，厌氧消化过程中产生的能量要大于市政污泥。餐厨垃圾的厌氧消化处理技术能实现减量化，无害化和资源化目的。从文献报道可知，中温厌氧发酵对于产气和系统稳定性优于高温厌氧发酵。两相厌氧发酵产气效率优于一相厌氧发酵方法。但是因为一相法投资少，运行操作简单，目前工业上应用较多的还是一相法。提高餐厨垃圾分类收集，逐步实现餐厨垃圾的分类和规范化管理，将是加大餐厨垃圾资源化处理的必要途径。现在，随着城市固体废弃物处理技术的不断深入发展，同时餐厨垃圾量不断的增加，人们对餐厨垃圾存在的环境危害问题越来越重视，相应的法律法规已逐步在我国制定，来规范餐厨垃圾的收集管理。一种小型的餐厨垃圾收集分类处理机开始普遍进入企事业各大食堂、餐馆。国内开始实行餐厨垃圾的分类和单独处理。餐厨垃圾的厌氧消化技术在国外发展相对较成熟，因厌氧发酵技术产生新能源，随着其他处理技术费用的增加，厌氧消化技术具有较高的竞争优势，拥有广泛的发展前景 王星，王德汉，李俊飞等。餐厨垃圾的厌氧消化技术现状分析J.中国沼气，2006,24（2）：35-39。参考文献