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整理我的餐厨垃圾处理与资源化研究进展
餐厨垃圾处理与资源化研究进展
摘要:
餐厨垃圾是指餐饮食物加工产生的下脚料和食用的残余物,主要含有谷物类、蔬菜类、肉类、动植物油等。
从食品安全和餐厨垃圾资源化的角度出发,分析了堆肥技术、沼气化技术、生物柴油技术等资源化处理技术,介绍了餐厨垃圾资源化技术的研究进展,提出了餐厨垃圾资源化处理的发展方向。
关键词:
餐饮垃圾;堆肥化处理技术;厌氧能源化技术;生物柴油技术
引言
餐厨垃圾是产生于餐饮经营、居民生活及企业食堂等食物加工的下脚料和食用残余,其成分复杂,以蛋白质、淀粉和动物脂肪等成分为主,具有盐分和油脂含量高、含水量大、营养丰富等特点。
据统计[1],我国一些城市餐厨垃圾已逐渐经成为城市生活垃圾的重要组成部分,如果处理不当,不仅会危害人体健康,还会对环境造成污染[2],因此如何推广餐厨垃圾单独收集并进行高效资源化处理成为国内外餐厨垃圾研究的热点。
在不同的城市或国家,餐厨垃圾在城市生活垃圾中所占的比例差异很大(见表1和表2),我国城市生活垃圾中餐厨垃圾的比例较高,大多在37%~62%。
[3]
目前,国内外餐厨垃圾资源化技术主要有[4]:
堆肥化处理技术、饲料化处理技术、厌氧能源化处理技术(包括生物发酵制氢和厌氧消化产甲烷)、提取生物降解塑料技术、生物柴油技术等。
无论是家庭产生的厨余垃圾,还是宾馆、饭店和单位食堂产生的餐厨垃圾,其成分多以可降解的有机物为主,包括主食所含的淀粉,蔬菜及植物茎叶所含的纤维素、聚戊糖,肉类食物所含的蛋白质和脂肪,水果所含的单糖、果酸及果胶(多糖)等;无机盐中以NaCl的含量最高,同时还含有少量的钙、镁、钾、铁等元素。
其化学组成以C、H、O、N、S、Cl为主(见表3),其化学分子式可粗略表示为C18.15H31.10O10.8N1.00S0.05Na0.03Cl0.03[5]。
本文综述了餐厨垃圾目前处理现状以及能源化的研究进展。
主要介绍了利用餐厨垃圾生产生物柴油、甲烷、氢气以及燃料酒精的进展情况。
指出制定完善的相关政策法规,加快实施餐厨垃圾分类收集,多种资源化方式结合,开发先进工艺及成套设备是未来餐厨垃圾能源化发展的关键。
1.餐厨垃圾资源化处理
1.1饲料化处理
餐厨垃圾饲料化的基本要求是实现杀毒灭菌,达到饲料卫生标准,并最大限度的保留营养成分。
PilarSancho等将蔬菜和鱼类的贩卖剩余物(与菜市场的厨余垃圾相似)作为饲料的原料,观察了各样本在高温处理20分钟后的微生物特性,认为此类厨余原料能够满足动物饲料的要求。
目前,饲料化处理包括:
蒸干制饲料和生化制蛋白饲料[6]。
1.1.1蒸干制饲料
目前主要手段是将餐厨垃圾经过筛分、高温消毒、烘干处理消除病毒、去除盐分等,可以最终生成蛋白饲料添加剂供禽畜食用。
饲料化处理典型工艺流程主要分为五个部分:
处理包括:
蒸干制饲料和生化制蛋白饲料。
目前这种饲料化处理技术存在的主要问题是这些饲料中的动物蛋白被同种动物食用后可能引起动物疫情的传播,即所谓的“同源污染效应”,并且某些营养成分如蛋白质的含量可能不符合饲料标准的要求。
此外,由于餐厨垃圾含盐量过高,而含盐量大于1.8%时对于成年畜禽会有一定影响。
餐厨垃圾的盐分一般是该值的2倍以上,远超过饲料标准。
所以这种饲料产品质量没有保障,饲料安全不易控制,饲料存在一定的隐患。
1.1.2生化制蛋白饲料
生化制蛋白饲料技术是把餐厨垃圾经过微生物发酵处理再生成蛋白粉、有机肥和油脂。
整个工艺可分为发酵前处理系统、发酵及生化处理系统和干燥系统等,最终把餐厨垃圾资源化生成为高蛋白饲料或蛋白粉、有机肥。
其原理是将在一定的环境条件下培养出的益生菌菌种加入餐厨垃圾密封贮藏,菌种通过代谢活动对饲料原料中的某些物质进行分解和转化使原料中不易被牲畜和家禽利用的大分子物质转变成为易于消化吸收的小分子物质,同时,微生物菌种得到增殖,由于微生物菌体的单细胞蛋白含量很高,因而提高了成品饲料的蛋白质含量,这就是广义的微生物蛋白饲料。
整个过程有四部分组成,即餐厨垃圾的预处理、菌种制备及扩大再培养、固态发酵、低温烘干[7]。
目前,生化制蛋白工艺在韩国、我国台湾等地应用较多,其工艺具有路线简单、能耗低、自动化程度高、占地面积小、处理时间短、产品市场销路好、资源再生利用率高等特点,特别适合小规模餐厨垃圾的集中资源化处理。
1.2堆肥化处理
堆肥化处理主要包括:
高温好氧堆肥(人工和机械),蚯蚓堆肥。
1.2.1好氧堆肥处理
好氧堆肥含量是在有氧条件下,好氧菌对废物进行吸收、氧化、分解,并将其最终转化为腐殖质的过程。
餐厨垃圾有机干物质含量通常能够超过90%,易进行好氧堆肥处理,经好氧发酵腐熟后的餐厨垃圾通过添加N、P、K等制成复合肥,可作为优质肥料施用农田[8]。
在微生物分解有机物的过程中,不但生成大量可被植物吸收利用的有效N、P、K态化合物,而且又合成新的高分子有机物——腐殖质,它是构成土壤肥力的重要活性物质。
该方法优点是处理方法简单,成品中较多的保留了氮。
1.2.2蚯蚓堆肥
蚯蚓是一个杂食性的低等腐生动物,其消化道分泌蛋白酶、脂肪分解酶、纤维分解酶、甲壳酶、淀粉酶等,对绝大多数有机废弃物具有很强的吞噬能力,同时还能避免好氧堆肥过程中产生的臭味。
2000年悉尼奥运会期间,利用160万条蚯蚓处理奥运村包括餐厨垃圾在内的生活垃圾,做到了垃圾不出村就地消纳[5]子有机物——腐殖质,它是构成土壤肥力的重要活性物质。
该方法优点是处理方法简单,成品中较多的保留了氮。
1.3厌氧消化技术
厌氧消化是指有机废物在厌氧条件下通过微生物的代谢活动而被降解,并伴有可燃气体、CO2
和稳定物质生成的生物化学过程。
餐厨垃圾进行厌氧消化能源化主要有两大类:
生物制氢和厌氧甲烷化[9]。
1.3.1生物制氢技术
实际上,制氢气只是产沼气的一个环节。
随着对厌氧发酵的深入研究,厌氧发酵的中间产物——氢气日益引起了人们的关注。
氢气具有清洁无污染、能量密度高等特点,被认为是最具应用价值的可再生能源之一。
传统利用化学方法生产氢气,不但能耗大而且成本很高。
而利用餐厨垃圾厌氧发酵产氢成本低,还可实现餐厨垃圾处理的减量化和资源化,因此被认为具有广阔的发展和应用前景。
发酵产氢的微生物主要有4大类,分别为肠杆菌属、梭菌属、埃希氏肠杆菌属和杆菌属。
在发酵过程中通过有机物的脱氢来实现代谢过程的顺利进行。
有文献报道表明,接种物、反应温度、金属离子、基质种类、pH值等因素对厌氧制氢均有显著的影响[10]。
1.3.2厌氧甲烷化技术
厌氧甲烷化技术是餐厨垃圾在厌氧条件下通过微生物的代谢活动而被稳定化,同时伴有甲烷和CO2混合气体的产生。
与传统的卫生填埋相比,该方法将厌氧消化过程有几年缩短到60天内;与好氧堆肥相比,解决了占地大、处理时间长,管理复杂和有臭味等问题。
此外,厌氧消化处理具有过程可控制、易操作、降解快、生产过程全封闭、产物可计量和再利用等特点,利用厌氧分解产生的沼气发电,实现餐厨垃圾的资源化利用。
对于厌氧消化技术,国内外已经有较成熟的研究,对发酵过程的认识也已由两阶段论向三阶段论转变;对发酵菌种的研究也有三类群理论转变为四类群理论。
此外,对于发酵的影响因素也有不少学者进行了研究。
然而,该处理工艺对设备要求极高,尤其对前端分选过程要求严格,且须保证餐厨垃圾具备一定规模,才能实现规模效益,降低处理成本;复杂而繁多的备使其前期投资巨大,处理过程中产生的废渣、沼液处理难度大、成本高;此外,餐厨垃圾流动性差,连续进料困难,影响厌氧微生物的接种;厌氧菌的启动时间慢,发酵周期长,对培养基酸碱度要求高。
1.4餐厨垃圾生产生物柴油
生物柴油是指利用动植物油脂为原料,通过酯交换反应生成的脂肪酸甲酯等低碳酯类物质,也称为可再生燃油。
生物柴油是含氧量极高的复杂有机成分的混合物,这些混合物主要是一些分子量大的有机物,几乎包括所有种类的含氧有机物,如:
醚、酯、醛、酮、酚、有机酸、醇等。
现在生物柴油已经在一些发达国家成为了传统柴油的有效补充,通过与传统柴油混合,发挥着节约资源、降低污染物等积极作用。
利用餐厨垃圾生产生物柴油价格便宜,而且具有良好的环保性,使用过程中可使SO2的排放减少约30%,而温室气体CO2可减少60%左右[11]。
据统计,每吨餐厨垃圾可以提炼出20~80kg废油脂,经过加工后可制成生物柴油。
餐厨垃圾提炼垃圾油后,采用硫酸作为催化剂,与甲醇发生酯交换反应,经过静置沉淀后,蒸发去除甲醇并干燥,即制得生物柴油成品[12]。
工艺流程见图1。
6餐厨垃圾生产燃料酒精
当前我国的酒精生产主要以玉米、稻谷、小麦等粮食作物为原料。
从资源有效利用和降低生产成本方面考虑,利用含丰富淀粉及纤维素类的废弃物作为原料无疑更具有优势。
当前已有利用农业废弃物如农作物的秸秆、玉米渣以及废弃的甜菜叶茎等进行酒精生产的研究,而利用餐厨垃圾生产燃料酒精报道很少。
餐厨垃圾含有丰富的淀粉,另外还含有脂肪、纤维素、蛋白质等物质,这些都是酒精极好的发酵原料。
马鸿志等[13]利用运动发酵单胞菌对餐厨垃圾发酵生产燃料酒精进行了研究,试验结果表明,糖化
酶和蛋白酶对于酒精发酵影响显著,当同时添加100U/g蛋白酶和100U/g糖化酶时,酒精产量达到最大值53g/L,酒精转化率为44%。
另外发酵过程中不用添加其它酶和营养物,说明餐厨垃圾自身所含的丰富营养完全可以满足细菌生长的需要。
晏辉等[14]以餐厨垃圾为原料,应用同步糖化发酵的方法制取燃料酒精,在适宜的酒精发酵条件范围内,酒精产量最高为15.3mL/100g有机垃圾,有效地回收了餐厨垃圾中有用的物质和能源,实现了餐厨垃圾资源化的目的。
尹玮等[15]以餐厨垃圾酒糟离心液和麸皮为基础培养基,经黑曲霉发酵制取糖化酶。
当氯化钙添加量为0.2%时,所产糖化酶的酶活最为3404.44U/mL,并且表明自制糖化酶可替代工业糖化酶应用于餐厨垃圾酒精发酵中,这不仅可以降低糖化酶和餐厨垃圾酒精生产成本,同时也可减少酒糟离心液对环境的污染。
另外安徽科聚环保新能源有限公司将餐厨垃圾酶解后还原糖浓度可达18%g/g,发酵酒精的浓度达8%~10%g/g。
该酒精经过浓缩和纯化,可作为燃料酒精的原料。
利用餐厨垃圾发酵生产酒精,不仅可以解决城市垃圾中排放量越来越大且难以处理的环境污染问题,还可以有效地实现其减量化、无害化与资源化,另外对扩大酒精生产原料来源,降低酒精生产成本将具有积极意义。
1.7提取生物降解塑料
1999年,日本学者通过餐厨垃圾发酵生产乳酸,进而合成聚乳酸可生物降解塑料的技术,为餐厨垃圾的资源化开辟了一条新途径[16]。
固态物质在储存过程中,其中存在的乳酸菌会自然发酵(初次发酵),腐败菌被抑制,有利于防止垃圾的腐败。
当固体物质积累到一定数量后,运送到乳酸生产厂进行乳酸发酵(二次发酵),发酵后通过乳酸分离、纯化、聚合,可以得到生物降解性塑料(聚乳酸),发酵残渣可作为饲料和肥料,从而达到厨余垃圾“零排放”的目的。
。
目前,我国科研人员对厨房垃圾乳酸发酵菌种的筛选、提取和精制,乳酸聚合成聚乳酸的工艺优化以及发酵残渣利用等研究方面都有进展。
汪群慧课题组[17]在厨房垃圾乳酸发酵优良复合菌种的筛选、发酵液中乳酸的提取与精制、乳酸聚合成聚乳酸的工艺优化以及发酵后残渣的饲料化与肥料化等方面进行着深入研究。
王旭明[18]等利用选择性培养基从厌氧发酵的厨房垃圾中分离出260株乳酸细菌(LAB)发酵厨房垃圾,结果表明接种乳酸菌能促进厨房垃圾乳酸发酵,提高乳酸产生量,其中FD173的乳酸产生量最高,35℃厌氧发酵4d,可得到30.09g/L的乳酸,分别比保加利亚乳杆菌和对照组高735.8和11.4
2.2餐厨垃圾资源化技术发展趋势
从资源化效益最大化出发,对餐厨垃圾的资源化处理,国内
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