餐廚垃圾就地脫水處理技術

隨著我國現代化水平的不斷提高，城市生活垃圾產量也在與日俱增。據統計，我國城市生活垃圾正以年平均10%的速度遞增，而流動人口增長較快的上海、北京、武漢等城市，生活垃圾的年增長率甚至高達15%~20%[1]。許多城市已出現了垃圾圍城的嚴重局面。因此進行垃圾無害化、資源化、減量化處理已成為現代化城鎮建設的一項重要內容。餐廚垃圾占城市生活垃圾的37%~62%[2]，是生活垃圾的重要組成部分。以有機物為主的餐廚垃圾是城市生活垃圾腐敗、二次污染的根源，它不僅包括餐飲行業和居民生活的廚房余物、食用殘留，還包括食品加工行業尾料、市場超市過期變質果蔬食品。因此適宜的餐廚垃圾資源化處理對城市生活垃圾處理具有重要意義。
1我國餐廚垃圾的特點
1.1可利用價值高
雖然餐廚垃圾是由米、面、果蔬、動植物油、肉、骨及廢餐具、紙巾、塑料等組成的混合物，但其主要成分為淀粉、蛋白質、脂類、纖維素和無機鹽。相關資料顯示，餐廚垃圾干物質中有機質含量達95%以上，其中粗脂肪21%~33%，粗蛋白11%~28%，粗纖維2%~4%[2~4]，除此之外，餐廚垃圾中還富含氮、磷、鉀、鈣、鈉、鎂、鐵等微量元素。因此經適宜的處理，餐廚垃圾將有很高的再利用價值。
1.2水分含量高且存在形式多樣
水是餐廚垃圾的基本成分，占餐廚垃圾的70%~90%[5，6]，是餐廚垃圾腐敗變質的基礎，因此脫水處理成了餐廚垃圾處理的必要環節。因餐廚垃圾有機物含量高，且顆粒細小，這使得餐廚垃圾中水的存在形式呈現出多樣性：自由水、間隙水、結合水。自由水是餐廚垃圾中含量較多，較容易去除的水分，這部分水分與垃圾中固體顆粒沒有相互作用關系，通過重力、離心力等機械方式或者簡單加熱就能去除；間隙水是夾在膠體顆粒細小間隙和毛細管中的水分，受到液體凝聚力和液固表面附著力的雙重作用，要分離這部分水，需要較高的機械作用力和能量；結合水是由淀粉、蛋白質等膠體顆粒表面張力作用而吸附的水分，這部分水分很少，也較難去除，因此在餐廚垃圾脫水處理中以去除自由水和間隙水為主。
1.3危害性
高水分、高有機質含量使餐廚垃圾極易腐敗變質，給暫存、收集、運輸及處理造成極大的困難。同時腐敗的餐廚垃圾會產生大量霉菌毒素等有害物質，如不經處理直接飼喂牲畜，會使這些有害物質在牲畜體內寄生、蓄積、轉化，從而誘發各種疾病，最終通過食物鏈傳染給人類。腐敗的餐廚垃圾還將產生大量滲濾液，并散發惡臭氣體，污染水源和大氣，對環境極不友好。
1.4餐廚垃圾處理形式多樣，各地發展不平衡
受傳統泔腳養豬觀念的影響，餐廚垃圾通過簡單加熱直接飼喂畜禽的現象普遍存在。盡管現階段部分城市和地區已經意識到“垃圾豬”、“地溝油”的危害，并頒布了相關法規，加強餐廚垃圾的收集、處理；但因各地發展不平衡，加之缺乏切實可行的處理方式及處理設備，形成了大城市多以填埋方式處理，中小城市以周邊養殖戶收集飼喂畜禽和部分通過下水道進入污水處理廠統一處理生活垃圾的格局。
2餐廚垃圾的處理技術
2.1與生活垃圾一起填埋
填埋是我國城市生活垃圾最主要的處理方式，生活垃圾處置量的70%以上[1]，尤其是對不可回收垃圾，填埋是理想的，也是最終的處理方式。填埋是基于微生物厭氧發酵的原理，將垃圾慢慢轉化而達到無害化目的。填埋分2類：①簡易填埋，又稱傳統填埋；②衛生填埋。
簡易填埋是利用坑、塘、洼地等非耕地，將垃圾自然集中堆放在一起，不加任何掩蓋，未做滅菌、除臭、防污染等處理的填埋方式。
衛生填埋是在簡易填埋基礎上發展起來的一種更為有效的填埋方式。首先要科學選址，然后采用一定的工程技術措施，做好填埋場的底部防滲、沼氣收集、滲濾液處理等工作后再進行填埋，且在填埋過程中要不斷進行壓實，最后當垃圾填埋達到一定高度后，進行頂部覆蓋處理，以防止雨水侵入。衛生填埋能最大程度減緩和消除垃圾對環境的二次污染。
因我國尚不具備垃圾分類處理的技術裝備，因此城市餐廚垃圾大多采取與生活垃圾一起填埋的處理方式。盡管填埋處理垃圾具有處理量大，操作管理簡單，投資運行費用較低，適應性強等優點，但因填埋場在選址、設計、管理等方面的欠缺，使垃圾填埋普遍存在二次污染問題。
（1）大量填埋造成城市周邊土地資源的嚴重浪費。資料顯示，填埋1t垃圾需要占地3m2，我國現有垃圾填埋場用地已超過5×108m2[7]。

（2）填埋場產生大量有害氣體。CH4是填埋場所產氣體的主要成分，占總量的40%~60%[8]。在我國的垃圾填埋場中，沼氣無收集或處理，直接外排的量高達80.5%[9]，因此垃圾填埋場成了我國CH4最大的活動釋放源。
（3）填埋場滲濾液污染嚴重。我國填埋場中，滲濾液未經處理直接外排的約占65.4%[9]，少部分經過處理的滲濾液也普遍超標，因此滲濾液成了填埋場周邊地表水系的主要污染源。
（4）未經滅蟲覆蓋的填埋場，還易引發白色污染和滋生蠅蚊等問題。
2.2堆肥處理
堆肥是一種較常見的有機垃圾資源化處理方式。其原理是在可控條件下，利用微生物的降解作用，實現對有機垃圾的分解、轉化，生成水、土壤腐殖質，以及CO2等氣體。堆肥處理可以使廢棄物減量40%以上，同時可為土壤提供大量生物有機質及氮、磷、鉀等微量元素，部分實現了資源循環利用。堆肥分好氧堆肥和厭氧堆肥2種基本形式，通常采用好氧和微好氧堆肥方式，這是因為好氧和微好氧環境能顯著縮短堆肥周期。堆肥處理需要對物料性狀進行控制，就好氧堆肥而言，控制參數如下[10~13]：有機物含量20%~80%，C與N的質量比為(25~30)∶1，粒度較小且有一定的孔隙，供氧充分，含水率50%~60%，pH值為6.0~7.5，溫度45~65℃。借鑒國外經驗，結合餐廚垃圾自身的特點，2007年北京建成了首座餐廚垃圾堆肥處理廠（南宮餐廚垃圾處理廠），其處理方法是：用固液分離機將收集來的餐廚垃圾擠壓脫水，將大體積物料提出，再進行堆肥處理。
餐廚垃圾堆肥處理具有處理方法簡單、實用性強，利于補充土壤中有機質和微量元素，實現資源重復利用等優點；缺點是占地面積大、處理周期長，堆肥過程中產生的污水和臭氣會對周邊環境造成二次污染，同時較高的鹽分、油脂含量降低了堆肥的品質，尤其是高鹽分抑制了植物的生長，長期使用還將導致土壤的鹽堿化[14]。
2.3飼料化處理
出于安全性考慮，許多國家禁止直接將泔腳作為動物飼料，于是人們開始研究餐廚垃圾的飼料化處理方式。盡管飼料化處理的方式有所不同，但基本可分為生物發酵和物理發酵兩大類。鑒于餐廚垃圾中存在的大量霉菌、病毒等有害微生物是造成安全問題的最終根源，因此不論是生物處理還是物理處理，其根本目的是消毒滅菌。
2.3.1物理發酵處理
物理處理主要是通過脫水、壓榨、滅菌等工序進行干化消毒，其基本工藝流程為[5，15]。

飼料化物理處理的典型過程[5]是：預處理、脫水脫脂、干燥滅菌、粉碎、稱質量、包裝。
（1）通過分揀，將餐廚垃圾中的塑料袋、包裝盒、飲料瓶、破碎餐具、紙巾等雜質去除。
（2）用單螺旋或雙螺旋脫水壓榨機對物料進行壓榨，脫水、脫脂。
（3）對脫出的半干物料進行高溫干燥、滅菌，清除物料中多余的水分及各種病源微生物。
（4）將干燥物料粉碎、稱質量，摻入其他成分，混合包裝。除高溫干燥滅菌外，也有采用高溫蒸煮、低溫油炸（約110℃）等工藝進行飼料脫水滅菌處理的[11]。
此方式處理餐廚垃圾具有操作安全、成本低、占地面積小、飼料生產周期短等優點；缺點是須將垃圾及時收運到指定地點，設備復雜，一次投入巨大，垃圾存放時間要短，以避免其腐爛變質。
2.3.2生物發酵處理
生物發酵處理是通過微生物的代謝活動對餐廚垃圾進行分解和轉化，生產微生物蛋白飼料。鄔蘇煥等人[16]利用酵母菌和霉菌混合固態發酵處理餐廚垃圾，結果顯示，將發酵培養基高溫滅菌20min，加入1%的(NH4)2SO4，4%的KH2PO4，3%的NaCl，設定初始pH值為5.5，含水率約60%，種子液15%，接種比例1∶1，發酵5d，最終產物粗蛋白含量為33.87%，比原料的粗蛋白含量增加6.85%。
陳金鐘等人[16]在150℃下，多菌種混合發酵處理泔腳和秸稈混合物（泔腳與秸稈以質量比3∶1混合）結果表明，產物中粗蛋白含量大于25%，粗纖維含量小于18%。施呈等人[17]在對餐廚垃圾破碎脫水的發酵與未發酵對比試驗中得出，發酵產物粗蛋白含量為13.54%，比未發酵產物的粗蛋白含量11.18%多2.36%。由此看出，發酵有利于提高餐廚垃圾處理產物中的粗蛋白含量。
生物發酵處理的優點是設備投資較少，占地面積小，能耗低；缺點是菌種生長代謝需一定時間，生產周期較長，部分菌種需要培養馴化，處理須及時。
2.4粉碎排污
廚房垃圾（粉碎）處理機是一種家用型餐廚垃圾粉碎處理設備，安裝于廚房水槽下，并與排水管相連。其工作原理：通過小型電機驅動刀盤，利用刀頭與垃圾之間的撞擊、擠壓、鋸切等作用將垃圾粉碎，然后與水一并沖入下水道。為防止粉碎不徹底，粉碎腔內裝有直徑小于4mm的濾網，將較大的垃圾顆粒截留在網內，避免其直接沖下而堵塞排水管和下水道。

這種設備在歐美等發達國家使用較普遍，并于20世紀80年代被引入我國。但由于我國人民的生活習慣、經濟水平、住房條件等原因局限，一直沒有得到大規模發展。廚房垃圾處理機對廚房余物進行了及時處理，可清潔廚房環境，杜絕蠅蟲滋生，消除廚房異味。但粉碎后直接排放，增加了城市污水處理量；結塊的油污會造成排水管堵塞，降低下水道的排污能力；有機質在管道內蓄積、發酵，會產生大量毒素及易燃易爆氣體，容易誘發事故；大量有機質和油脂的流入，也增加了城市污水處理廠的負荷。
2.5其他處理方式
焚燒處理大多是將餐廚垃圾與其他生活垃圾一起在高溫及供氧充足的特定焚燒爐中焚燒氧化，生成惰性氣體及少量穩定固態殘渣（約5%）的過程[18]。燃燒過程所產生的熱能可轉換成蒸氣或電能，被重復利用。但餐廚垃圾含水率高、熱值低，燃燒時需要添加輔助燃料；同時燃燒易產生二英等有害氣體，達標排放較難控制[18，19]。
蚯蚓堆肥是一種特殊的堆肥處理技術。其機理是利用蚯蚓在自我繁殖過程中吞食大量有機質，并將其與土壤混合，通過體內的砂囊機械研磨及腸道內生物化學等作用，將其轉化為自身或其他生物可利用的營養物質。據報道稱，1hm2土地每年可處理1500t有機垃圾，生產30~60t蚯蚓和555t高級蚯蚓糞[16]。
厭氧發酵產甲烷處理，是指餐廚垃圾在厭氧條件下通過微生物的代謝活動產生CH4和CO2混合氣體(沼氣)及少量穩定代謝物的過程。
呂凡等人研究表明，餐廚垃圾厭氧發酵產沼氣，具有明顯的優勢，但工藝的可行性尚不成熟。
錢小青等人[11]進行的餐廚垃圾厭氧發酵研究表明，餐廚垃圾厭氧發酵產氣較穩定，產氣率達到650mL/g，但存在啟動條件嚴格、發酵周期長、有機物轉化率較低的問題。
基于餐廚垃圾有機質含量高這一特性，尋求生物處理的研究報道很多，市場上也曾出現過相應的垃圾處理樣機，但因一些技術問題得不到解決，始終未能推廣應用。
3餐廚垃圾的就地脫水處理
盡管針對餐廚垃圾資源化利用的研究比較多，但目前國內還沒有較為成熟的處理工藝及設備。其原因主要在于：①餐廚垃圾較高的含水率使其極易腐敗變質，給收集、運輸及后處理帶來極大困難。資料顯示，餐廚垃圾在自然狀態下放置24h，其細菌總數即達到108/g樣品，而后至72h間的細菌總數卻無明顯增加[20]；②各地經濟發展不平衡，部分地區對餐廚垃圾的危害性認識不夠，缺少收集、運輸、處理等管理上的法律法規；③沒有切實可行的處理工藝及設備。
3.1就地脫水并后處理工藝
結合我國城市生活垃圾處理的具體情況及餐廚垃圾的特性，中國農業機械化科學研究院課題組提出以下餐廚垃圾處理方案，并開發出相關設備。

3.2操作步驟

（1）對餐廚垃圾及時簡單分揀，剔出塑料、紙巾、廢餐具、玻璃和瓷器等雜物，主要由餐廳廚房服務人員在餐廳、廚房清理的過程中完成。
（2）在早、中、晚飯后，分3次將經分揀后的餐廚垃圾倒入干燥脫水機，就地脫水。
（3）因餐廚垃圾有機質含量高，營養豐富，考慮到資源循環利用及當地的實際情況，垃圾烘干產物有2種去向：①混入其他生活垃圾一并處理；②統一收集進行資源化再處理。
（4）根據各地特點，可以將收集來的烘干產物進行如下處理：①堆肥；②高溫壓榨脫油，將脫出的油脂進行精加工，生產工業用油，壓榨后的固形物再行堆肥處理；③發酵產沼氣；④高溫滅菌，添加其他原料制成再生飼料。
3.3干燥脫水機
3.3.1干燥脫水機的工作原理
機械脫水是所有脫水方法中最快速、最節能的方法。但通過試驗發現，采用螺旋擠壓或離心的辦法很難在短時間內將餐廚垃圾脫水至75%以下，不能滿足垃圾堆肥含水率小于60%和垃圾焚燒單位熱值5000kJ/kg以上的要求；同時擠壓和離心所脫出水分的固形物含量較高，尤其是擠壓所脫出的水分較黏稠，如不處理，很難達標排放。
微波是近年來發展較快的一種加熱方式，具有物料內外同時加熱、及時加熱、熱效率高和殺菌等優點，但其缺點是投資大，設備占地面積大，技術難度大，存在微波泄漏的危險，難以實現自動控制。因此考慮到安全、簡單、可操作性、占地面積等因素，本研究采用傳統電加熱直接烘干的方式進行脫水。

干燥脫水機原理見圖1，干燥脫水機外形見圖2。該機主體采用雙筒結構，與單筒結構相比，在相同的內部容積下，體積可縮小50%，最大程度地減小了設備的占地面積；同時加熱面積增加20%，提高了熱效率。加熱體主要通過傳導與輻射的方式實現對筒體底部及筒內物料的加熱。每個單筒設計1根攪拌軸，同時攪拌軸上裝有齒形攪拌漿。通過電機驅動攪拌軸轉動，實現對物料的攪拌。攪拌漿具有4方面的作用：①通過攪拌使筒體內部物料受熱均勻；②通過刮擦作用，避免不斷失水的餐廚垃圾在筒體內表面形成粘結；③避免加熱過程中物料結團、堆積；④處理完成后自動出料。該機采用程序控制，通過預先設定的程序，控制對不同容積物料加熱體的輸出功率及加熱時間，并結合筒底和筒內溫度傳感器，控制加熱溫度。