餐厨垃圾就地脱水处理技术

随着我国现代化水平的不断提高，城市生活垃圾产量也在与日俱增。据统计，我国城市生活垃圾正以年平均10%的速度递增，而流动人口增长较快的上海、北京、武汉等城市，生活垃圾的年增长率甚至高达15%~20%[1]。许多城市已出现了垃圾围城的严重局面。因此进行垃圾无害化、资源化、减量化处理已成为现代化城镇建设的一项重要内容。餐厨垃圾占城市生活垃圾的37%~62%[2]，是生活垃圾的重要组成部分。以有机物为主的餐厨垃圾是城市生活垃圾腐败、二次污染的根源，它不仅包括餐饮行业和居民生活的厨房余物、食用残留，还包括食品加工行业尾料、市场超市过期变质果蔬食品。因此适宜的餐厨垃圾资源化处理对城市生活垃圾处理具有重要意义。
1我国餐厨垃圾的特点
1.1可利用价值高
虽然餐厨垃圾是由米、面、果蔬、动植物油、肉、骨及废餐具、纸巾、塑料等组成的混合物，但其主要成分为淀粉、蛋白质、脂类、纤维素和无机盐。相关资料显示，餐厨垃圾干物质中有机质含量达95%以上，其中粗脂肪21%~33%，粗蛋白11%~28%，粗纤维2%~4%[2~4]，除此之外，餐厨垃圾中还富含氮、磷、钾、钙、钠、镁、铁等微量元素。因此经适宜的处理，餐厨垃圾将有很高的再利用价值。
1.2水分含量高且存在形式多样
水是餐厨垃圾的基本成分，占餐厨垃圾的70%~90%[5，6]，是餐厨垃圾腐败变质的基础，因此脱水处理成了餐厨垃圾处理的必要环节。因餐厨垃圾有机物含量高，且颗粒细小，这使得餐厨垃圾中水的存在形式呈现出多样性：自由水、间隙水、结合水。自由水是餐厨垃圾中含量较多，较容易去除的水分，这部分水分与垃圾中固体颗粒没有相互作用关系，通过重力、离心力等机械方式或者简单加热就能去除；间隙水是夹在胶体颗粒细小间隙和毛细管中的水分，受到液体凝聚力和液固表面附着力的双重作用，要分离这部分水，需要较高的机械作用力和能量；结合水是由淀粉、蛋白质等胶体颗粒表面张力作用而吸附的水分，这部分水分很少，也较难去除，因此在餐厨垃圾脱水处理中以去除自由水和间隙水为主。
1.3危害性
高水分、高有机质含量使餐厨垃圾极易腐败变质，给暂存、收集、运输及处理造成极大的困难。同时腐败的餐厨垃圾会产生大量霉菌毒素等有害物质，如不经处理直接饲喂牲畜，会使这些有害物质在牲畜体内寄生、蓄积、转化，从而诱发各种疾病，最终通过食物链传染给人类。腐败的餐厨垃圾还将产生大量渗滤液，并散发恶臭气体，污染水源和大气，对环境极不友好。
1.4餐厨垃圾处理形式多样，各地发展不平衡
受传统泔脚养猪观念的影响，餐厨垃圾通过简单加热直接饲喂畜禽的现象普遍存在。尽管现阶段部分城市和地区已经意识到“垃圾猪”、“地沟油”的危害，并颁布了相关法规，加强餐厨垃圾的收集、处理；但因各地发展不平衡，加之缺乏切实可行的处理方式及处理设备，形成了大城市多以填埋方式处理，中小城市以周边养殖户收集饲喂畜禽和部分通过下水道进入污水处理厂统一处理生活垃圾的格局。
2餐厨垃圾的处理技术
2.1与生活垃圾一起填埋
填埋是我国城市生活垃圾最主要的处理方式，生活垃圾处置量的70%以上[1]，尤其是对不可回收垃圾，填埋是理想的，也是最终的处理方式。填埋是基于微生物厌氧发酵的原理，将垃圾慢慢转化而达到无害化目的。填埋分2类：①简易填埋，又称传统填埋；②卫生填埋。
简易填埋是利用坑、塘、洼地等非耕地，将垃圾自然集中堆放在一起，不加任何掩盖，未做灭菌、除臭、防污染等处理的填埋方式。
卫生填埋是在简易填埋基础上发展起来的一种更为有效的填埋方式。首先要科学选址，然后采用一定的工程技术措施，做好填埋场的底部防渗、沼气收集、渗滤液处理等工作后再进行填埋，且在填埋过程中要不断进行压实，最后当垃圾填埋达到一定高度后，进行顶部覆盖处理，以防止雨水侵入。卫生填埋能最大程度减缓和消除垃圾对环境的二次污染。
因我国尚不具备垃圾分类处理的技术装备，因此城市餐厨垃圾大多采取与生活垃圾一起填埋的处理方式。尽管填埋处理垃圾具有处理量大，操作管理简单，投资运行费用较低，适应性强等优点，但因填埋场在选址、设计、管理等方面的欠缺，使垃圾填埋普遍存在二次污染问题。
（1）大量填埋造成城市周边土地资源的严重浪费。资料显示，填埋1t垃圾需要占地3m2，我国现有垃圾填埋场用地已超过5×108m2[7]。

（2）填埋场产生大量有害气体。CH4是填埋场所产气体的主要成分，占总量的40%~60%[8]。在我国的垃圾填埋场中，沼气无收集或处理，直接外排的量高达80.5%[9]，因此垃圾填埋场成了我国CH4最大的活动释放源。
（3）填埋场渗滤液污染严重。我国填埋场中，渗滤液未经处理直接外排的约占65.4%[9]，少部分经过处理的渗滤液也普遍超标，因此渗滤液成了填埋场周边地表水系的主要污染源。
（4）未经灭虫覆盖的填埋场，还易引发白色污染和滋生蝇蚊等问题。
2.2堆肥处理
堆肥是一种较常见的有机垃圾资源化处理方式。其原理是在可控条件下，利用微生物的降解作用，实现对有机垃圾的分解、转化，生成水、土壤腐殖质，以及CO2等气体。堆肥处理可以使废弃物减量40%以上，同时可为土壤提供大量生物有机质及氮、磷、钾等微量元素，部分实现了资源循环利用。堆肥分好氧堆肥和厌氧堆肥2种基本形式，通常采用好氧和微好氧堆肥方式，这是因为好氧和微好氧环境能显著缩短堆肥周期。堆肥处理需要对物料性状进行控制，就好氧堆肥而言，控制参数如下[10~13]：有机物含量20%~80%，C与N的质量比为(25~30)∶1，粒度较小且有一定的孔隙，供氧充分，含水率50%~60%，pH值为6.0~7.5，温度45~65℃。借鉴国外经验，结合餐厨垃圾自身的特点，2007年北京建成了首座餐厨垃圾堆肥处理厂（南宫餐厨垃圾处理厂），其处理方法是：用固液分离机将收集来的餐厨垃圾挤压脱水，将大体积物料提出，再进行堆肥处理。
餐厨垃圾堆肥处理具有处理方法简单、实用性强，利于补充土壤中有机质和微量元素，实现资源重复利用等优点；缺点是占地面积大、处理周期长，堆肥过程中产生的污水和臭气会对周边环境造成二次污染，同时较高的盐分、油脂含量降低了堆肥的品质，尤其是高盐分抑制了植物的生长，长期使用还将导致土壤的盐碱化[14]。
2.3饲料化处理
出于安全性考虑，许多国家禁止直接将泔脚作为动物饲料，于是人们开始研究餐厨垃圾的饲料化处理方式。尽管饲料化处理的方式有所不同，但基本可分为生物发酵和物理发酵两大类。鉴于餐厨垃圾中存在的大量霉菌、病毒等有害微生物是造成安全问题的最终根源，因此不论是生物处理还是物理处理，其根本目的是消毒灭菌。
2.3.1物理发酵处理
物理处理主要是通过脱水、压榨、灭菌等工序进行干化消毒，其基本工艺流程为[5，15]。

饲料化物理处理的典型过程[5]是：预处理、脱水脱脂、干燥灭菌、粉碎、称质量、包装。
（1）通过分拣，将餐厨垃圾中的塑料袋、包装盒、饮料瓶、破碎餐具、纸巾等杂质去除。
（2）用单螺旋或双螺旋脱水压榨机对物料进行压榨，脱水、脱脂。
（3）对脱出的半干物料进行高温干燥、灭菌，清除物料中多余的水分及各种病源微生物。
（4）将干燥物料粉碎、称质量，掺入其他成分，混合包装。除高温干燥灭菌外，也有采用高温蒸煮、低温油炸（约110℃）等工艺进行饲料脱水灭菌处理的[11]。
此方式处理餐厨垃圾具有操作安全、成本低、占地面积小、饲料生产周期短等优点；缺点是须将垃圾及时收运到指定地点，设备复杂，一次投入巨大，垃圾存放时间要短，以避免其腐烂变质。
2.3.2生物发酵处理
生物发酵处理是通过微生物的代谢活动对餐厨垃圾进行分解和转化，生产微生物蛋白饲料。邬苏焕等人[16]利用酵母菌和霉菌混合固态发酵处理餐厨垃圾，结果显示，将发酵培养基高温灭菌20min，加入1%的(NH4)2SO4，4%的KH2PO4，3%的NaCl，设定初始pH值为5.5，含水率约60%，种子液15%，接种比例1∶1，发酵5d，最终产物粗蛋白含量为33.87%，比原料的粗蛋白含量增加6.85%。
陈金钟等人[16]在150℃下，多菌种混合发酵处理泔脚和秸秆混合物（泔脚与秸秆以质量比3∶1混合）结果表明，产物中粗蛋白含量大于25%，粗纤维含量小于18%。施呈等人[17]在对餐厨垃圾破碎脱水的发酵与未发酵对比试验中得出，发酵产物粗蛋白含量为13.54%，比未发酵产物的粗蛋白含量11.18%多2.36%。由此看出，发酵有利于提高餐厨垃圾处理产物中的粗蛋白含量。
生物发酵处理的优点是设备投资较少，占地面积小，能耗低；缺点是菌种生长代谢需一定时间，生产周期较长，部分菌种需要培养驯化，处理须及时。
2.4粉碎排污
厨房垃圾（粉碎）处理机是一种家用型餐厨垃圾粉碎处理设备，安装于厨房水槽下，并与排水管相连。其工作原理：通过小型电机驱动刀盘，利用刀头与垃圾之间的撞击、挤压、锯切等作用将垃圾粉碎，然后与水一并冲入下水道。为防止粉碎不彻底，粉碎腔内装有直径小于4mm的滤网，将较大的垃圾颗粒截留在网内，避免其直接冲下而堵塞排水管和下水道。

这种设备在欧美等发达国家使用较普遍，并于20世纪80年代被引入我国。但由于我国人民的生活习惯、经济水平、住房条件等原因局限，一直没有得到大规模发展。厨房垃圾处理机对厨房余物进行了及时处理，可清洁厨房环境，杜绝蝇虫滋生，消除厨房异味。但粉碎后直接排放，增加了城市污水处理量；结块的油污会造成排水管堵塞，降低下水道的排污能力；有机质在管道内蓄积、发酵，会产生大量毒素及易燃易爆气体，容易诱发事故；大量有机质和油脂的流入，也增加了城市污水处理厂的负荷。
2.5其他处理方式
焚烧处理大多是将餐厨垃圾与其他生活垃圾一起在高温及供氧充足的特定焚烧炉中焚烧氧化，生成惰性气体及少量稳定固态残渣（约5%）的过程[18]。燃烧过程所产生的热能可转换成蒸气或电能，被重复利用。但餐厨垃圾含水率高、热值低，燃烧时需要添加辅助燃料；同时燃烧易产生二英等有害气体，达标排放较难控制[18，19]。
蚯蚓堆肥是一种特殊的堆肥处理技术。其机理是利用蚯蚓在自我繁殖过程中吞食大量有机质，并将其与土壤混合，通过体内的砂囊机械研磨及肠道内生物化学等作用，将其转化为自身或其他生物可利用的营养物质。据报道称，1hm2土地每年可处理1500t有机垃圾，生产30~60t蚯蚓和555t高级蚯蚓粪[16]。
厌氧发酵产甲烷处理，是指餐厨垃圾在厌氧条件下通过微生物的代谢活动产生CH4和CO2混合气体(沼气)及少量稳定代谢物的过程。
吕凡等人研究表明，餐厨垃圾厌氧发酵产沼气，具有明显的优势，但工艺的可行性尚不成熟。
钱小青等人[11]进行的餐厨垃圾厌氧发酵研究表明，餐厨垃圾厌氧发酵产气较稳定，产气率达到650mL/g，但存在启动条件严格、发酵周期长、有机物转化率较低的问题。
基于餐厨垃圾有机质含量高这一特性，寻求生物处理的研究报道很多，市场上也曾出现过相应的垃圾处理样机，但因一些技术问题得不到解决，始终未能推广应用。
3餐厨垃圾的就地脱水处理
尽管针对餐厨垃圾资源化利用的研究比较多，但目前国内还没有较为成熟的处理工艺及设备。其原因主要在于：①餐厨垃圾较高的含水率使其极易腐败变质，给收集、运输及后处理带来极大困难。资料显示，餐厨垃圾在自然状态下放置24h，其细菌总数即达到108/g样品，而后至72h间的细菌总数却无明显增加[20]；②各地经济发展不平衡，部分地区对餐厨垃圾的危害性认识不够，缺少收集、运输、处理等管理上的法律法规；③没有切实可行的处理工艺及设备。
3.1就地脱水并后处理工艺
结合我国城市生活垃圾处理的具体情况及餐厨垃圾的特性，中国农业机械化科学研究院课题组提出以下餐厨垃圾处理方案，并开发出相关设备。

3.2操作步骤

（1）对餐厨垃圾及时简单分拣，剔出塑料、纸巾、废餐具、玻璃和瓷器等杂物，主要由餐厅厨房服务人员在餐厅、厨房清理的过程中完成。
（2）在早、中、晚饭后，分3次将经分拣后的餐厨垃圾倒入干燥脱水机，就地脱水。
（3）因餐厨垃圾有机质含量高，营养丰富，考虑到资源循环利用及当地的实际情况，垃圾烘干产物有2种去向：①混入其他生活垃圾一并处理；②统一收集进行资源化再处理。
（4）根据各地特点，可以将收集来的烘干产物进行如下处理：①堆肥；②高温压榨脱油，将脱出的油脂进行精加工，生产工业用油，压榨后的固形物再行堆肥处理；③发酵产沼气；④高温灭菌，添加其他原料制成再生饲料。
3.3干燥脱水机
3.3.1干燥脱水机的工作原理
机械脱水是所有脱水方法中最快速、最节能的方法。但通过试验发现，采用螺旋挤压或离心的办法很难在短时间内将餐厨垃圾脱水至75%以下，不能满足垃圾堆肥含水率小于60%和垃圾焚烧单位热值5000kJ/kg以上的要求；同时挤压和离心所脱出水分的固形物含量较高，尤其是挤压所脱出的水分较黏稠，如不处理，很难达标排放。
微波是近年来发展较快的一种加热方式，具有物料内外同时加热、及时加热、热效率高和杀菌等优点，但其缺点是投资大，设备占地面积大，技术难度大，存在微波泄漏的危险，难以实现自动控制。因此考虑到安全、简单、可操作性、占地面积等因素，本研究采用传统电加热直接烘干的方式进行脱水。

干燥脱水机原理见图1，干燥脱水机外形见图2。该机主体采用双筒结构，与单筒结构相比，在相同的内部容积下，体积可缩小50%，最大程度地减小了设备的占地面积；同时加热面积增加20%，提高了热效率。加热体主要通过传导与辐射的方式实现对筒体底部及筒内物料的加热。每个单筒设计1根搅拌轴，同时搅拌轴上装有齿形搅拌浆。通过电机驱动搅拌轴转动，实现对物料的搅拌。搅拌浆具有4方面的作用：①通过搅拌使筒体内部物料受热均匀；②通过刮擦作用，避免不断失水的餐厨垃圾在筒体内表面形成粘结；③避免加热过程中物料结团、堆积；④处理完成后自动出料。该机采用程序控制，通过预先设定的程序，控制对不同容积物料加热体的输出功率及加热时间，并结合筒底和筒内温度传感器，控制加热温度。