我国餐厨垃圾的特性,主流处理技术分析及展望

发布时间:2017-10-12 10:39:35

根据住建部于2013年实施的《餐厨垃圾处理技术规范》标准,餐厨垃圾是指餐饮垃圾和厨余垃圾的总称。而餐饮垃圾是指“饭店、宾馆、单位食堂等的饮食剩余物以及后厨的肉食、油脂、果蔬、面点等加工过程废弃物”;厨余垃圾是指“家庭日常生活中丢弃的果蔬及食物下脚料、剩菜剩饭、果皮等易腐有机垃圾”。

一般餐厨垃圾包括饭店、宾馆、企事业单位食堂、食品加工厂、家庭等加工、消费食物过程中形成的下脚料、残羹剩饭、过期食品、废料等废弃物。它属于有机垃圾的一种,是城市垃圾的主要组成部分,居民区、饭店、各种企事业单位的食堂是餐厨垃圾集中排放的场所。

  1餐厨垃圾的基本特性

  1.1餐厨垃圾的基本理化特性

  餐厨垃圾是城市固体垃圾中有机垃圾的重要组成部分。从其化学成分上看,餐厨垃圾主要由蛋白质、脂类、淀粉、纤维素和无机盐等组成,其理化特点可用“四高”来描述,即油脂含量高、有机质含量高、盐分含量高、含水率高。潘爱丽等分析了某大学餐厅餐厨垃圾的基本理化性质,该餐厨垃圾的pH为6.8、水分含量高达73.03%,蛋白质、脂肪、糖类、盐分、总糖含量分别为12.16%、6.23%、4.16%、1.24%、13.95%,不适合直接焚烧处理。符瞰等分析了海南某一城市餐厨垃圾的成分特性,该城市餐厨垃圾有机质含量高达62.26%,其中粗蛋白、粗脂肪和粗纤维含量分别达到13.46%、17.30%和6.56%,且具有含水率和盐分含量高等特点。

  1.2餐厨垃圾的时空差异性

  由于餐厨垃圾的组成成分、性质和产量受到居民生活习惯、饮食结构、地方经济、地区差异、季节变化等各种因素的影响,因此餐厨垃圾的组成成分以及各成分的含量和比例具有明显的地域或时空差异性。在我国每日三餐中所产生的餐厨垃圾在理化性质上有明显的差异性,如李荣平分析了某学校的早餐、中餐、晚餐餐厨垃圾的总固体(totalsolid,TS)、挥发性固体(volatilesolid,VS)、脂肪、蛋白质、碳水化合物含量以及无机盐离子浓度,结果表明早餐餐厨垃圾总固体量、挥发性固体、VS/TS比值和脂肪含量明显低于午餐和晚餐的餐厨垃圾,Na+、Ca2+和Cl-含量,特别是Cl-含量,显著高于后两者。此外,由于我国南北方的居民生活习惯和饮食结构不同,因此不同地区的餐厨垃圾组成成分及含量有所差异。

  1.3餐厨垃圾的危害性

  由于餐厨垃圾中养分成分和含量丰富,含水率较高,因此极易腐败发酸发臭,且容易滋生有害生物,如果不及时处理或者处理不当不仅会造成空气污染和水污源,还会严重干扰人们的正常生活,具有危害性的一面。

  2餐厨垃圾的处理技术

  目前国内外餐厨垃圾处理技术,按照处理的媒介可以分为非生物处理技术和生物处理技术两大类。其中非生物处理技术是指传统的垃圾处理方法,如焚烧和卫生填埋,此外还有新兴的机械粉碎直排、脱水饲料化、真空油炸饲料化等;而生物处理技术主要包括厌氧消化和好氧堆肥、蚯蚓堆肥。各处理技术均有优缺点,在实际应用过程中应根据当地的基本情况、经济条件、餐厨垃圾的特性等因素综合考虑,多种处理技术综合使用,以达到更好的处理效果和产生更大的经济和环境效益。

  2.1非生物处理技术

  2.1.1卫生填埋

  卫生填埋是将餐厨垃圾埋入地下,利用各种微生物将生物大分子充分降解为小分子的过程。由于餐厨垃圾中含有大量可降解组分,稳定时间短,有利于垃圾填埋场地的反复使用,且卫生填埋处理成本低,操作简便,适合各种垃圾,因此应用比较普遍。但是填埋法存在重大的安全隐患,容易污染地下水、产生甲烷等气体可能发生爆炸,同时资源回收利用率基本为零、占地面积大,不适合用地紧张的地区。因此,无论在欧美、日本还是中国,餐厨垃圾的填埋率都呈下降的趋势,有些国家已经禁止餐厨垃圾进入填埋场处理。

2.1.2焚烧

  餐厨垃圾焚烧法是将垃圾放在特制的焚烧炉中,用1000℃以上高温将餐厨垃圾的有机成分彻底氧化分解,使固体垃圾减量化50%~80%,焚烧产生的能量可以用来取暖、发电,剩余的灰分可能含有大量的重金属及有毒物质,一般在高温下加入二氧化硅等辅料作烧结或玻璃花处理,或生产水泥、瓷砖等建筑材料。焚烧法具有处理时间短、减量化显著、占地面积小、场地选择易、无害化较彻底以及余热可回收等优点。但是由于餐厨垃圾的特殊性质,即含水率高、热值较低,燃烧时会增加燃料消耗;且会导致焚烧炉内燃烧不完全,促进二噁英的生成;同时焚烧还会产生大量的有害气体及粉尘,破坏生态环境,危害人类健康。

  2.1.3机械粉碎直排

  机械粉碎直排法就是指利用垃圾处理机将餐厨垃圾粉碎后排入下水道,其实质就是利用污水处理系统来降解有机质。这样可以防止直接排放而使下水道堵塞和在室内发臭等问题。但是由于餐厨垃圾中的油脂含量高且容易凝结成块,因此直排容易造成排水管堵塞,大大降低城市下水道的排水能力和排水量,而且高油脂含量等特性也增加了城市污水处理厂的负荷,同时更不可避免产生二次污染。

  2.1.4脱水饲料化

  脱水饲料化法就是将餐厨垃圾置于密闭容器中并加入适量的水,然后进行加热处理,反应后固液分三层,从上到下分别是油脂、水和固体物质,将下层物质脱水干燥粉碎后得到饲料的方法。通过该方法处理餐厨垃圾而获得的产品,明显提高了饲用价值,既是良好的饲料原料,又方便回收油脂;且生产工艺简单,处理周期短,可针对具体的情况对处理设备进行重组调整,适用范围较广,是一种极具潜力的处理技术。但该技术本身也有缺陷,如加热很难去除霉杆霉菌等菌种,若提高温度,又会破坏下层固体物质的营养成分,导致饲料产品的安全隐患。

  2.1.5真空油炸饲料化

  真空油炸饲料化法也称为减压油温脱水法,指的是以油为热媒体,在减压(或真空等特定的条件下进行油炸餐厨垃圾,所用油可以是饭店或食品工厂等用过的废食用油。通过采用减压(或真空)处理后,餐厨垃圾的氧化大大减少,这样不仅保证减少所获饲料的营养成分的流失,而且也同时进行了真空消毒处理。此外,在真空油炸过程中还可以迅速降低了餐厨垃圾中的水分含量。经过油炸后获得的产品完全可以作为一种比较理想的绿色饲料,也易于储存和运输。该技术的缺点就是成本投资大,技术要求高,不适合资金有限的地区。

  目前,这两种饲料化处理方式也存在一些主要问题:

  第一是由餐厨垃圾处理得出的饲料中的动物蛋白被同种动物食用后可能引起潜在的、不确定性的疾病的风险,即同源污染。

  第二是饲料含盐量大于1.8%时,就会对于成年畜禽的生长、发育有一定的影响,而由这两种方式获得的饲料盐分含量一般是该值的2倍以上。

  由此可见,这两种种方式得到的饲料产品质量保障性低,安全性不易控制,存在难以控制的安全隐患。

  2.2生物处理技术

  2.2.1厌氧消化

  餐厨垃圾的厌氧消化是指利用兼性厌氧微生物的代谢作用在无氧条件下将复杂的有机物分解为简单或小分子有机物及无机物,在这过程中实现对餐厨垃圾的减容减量处理以及资源化利用的方法。厌氧消化技术可以根据需要通过控制消化条件和消化程度来产生多种产物,但目前的研究主要集中在甲烷和氢气等能源物质的生产。氢气是一种非常理想的载能载体,具有很高的能量密度,热转化效率高,清洁无污染的特点,被认为是最有可能成为化石燃料的替代能源;甲烷也是一种理想的优质燃料,可以作为汽车燃料,也可用来供热和发电,有较高的经济利用价值,而且通过厌氧消化产生具有利用价值的氢气和甲烷,耗能低,对环境无污染或污染较小,因而越来越受到人们的重视。

厌氧消化技术通过微生物降解来实现餐厨垃圾的减容减量和回收利用,其自动化程度较高,所需要人力较少,容易控制恶臭气味的散发,且产品具有多样化、经济价值较高等优点。但是微生物对酸碱度要求高,处理技术也很复杂,反应器内生物启动时间长;同时餐厨垃圾中的盐分和油脂含量过高会导致过度碱化,使消化过程pH偏高,抑制菌体生长,不利于持续并稳定地降解餐厨垃圾;与此同时厌氧发酵产生的沼渣,需要进一步处理,通常需干化处理后填埋,或重新堆肥后制成有机肥。

  2.2.2好氧堆肥

  好氧堆肥是指利用好氧微生物在有氧条件下对堆积于地面或者专门发酵装置中的有机物进行生物降解,最终形成稳定的高肥力腐殖质,其实质就是一个有机质稳定化的过程。好氧堆肥虽然操作技术简单,便于推广,但是需要较大面积的处理场地,堆肥过程会产生难闻气味,经济效益不高。此外,需要注意的是由于餐厨垃圾中含有大量盐分,长期使用餐厨垃圾堆肥品可能会加剧土壤的盐碱化。

  另外,餐厨垃圾的高油脂和高盐分会抑制微生物生长,延长处理周期和降低堆肥产品的品质,如任连海分析了餐厨垃圾含油量对堆体温度、pH值、含水率、可溶性碳氮比等好氧过程参数的影响规律,结果表明含油量较高时好氧堆肥反应速率较慢,反应体系所达最高温随含油量的增高而下降,当含油量达到8%时,堆料最高温度始终达不到55℃不利于灭菌。同时,油脂会在堆料表面形成一层膜,导致堆料出现厌氧现象,不利于堆肥微生物的生长。

  2.2.3蚯蚓堆肥

  蚯蚓堆肥法是指在好氧堆肥的基础上投入蚯蚓,利用蚯蚓自身丰富的酶系统,将餐厨垃圾的有机物质转化为自身或其他生物易于利用的营养物质,加速堆肥化的稳定过程,又称蚯蚓生物稳定化技术。蚯蚓消化道分泌的淀粉酶、蛋白酶、脂肪分解酶、纤维素酶、几丁质酶及肠道内微生物群落可以加速分解基质纤维素及蛋白质成分,能有效地分解餐厨垃圾,同时还能降低甚至抑制堆肥过程中臭味的产生。此外,蚯蚓代谢活动还可以产生大量的活性物质,有利于作物生长和品质改善;蚯蚓堆肥不仅可以降低碳氮比和重金属含量,提高堆肥肥效,而且蚯蚓粪便也是髙肥效生物肥。因此蚯蚓堆肥技术具有较高的生态效益和经济效益,利用蚯蚓处理餐厨垃圾,不仅工艺简单,不需要特殊设备,还可以促进垃圾资源化利用和良性循环,实现可持续发展。

  但是蚯蚓对其生长环境要求很高,需要有适合的温度、湿度、氧气浓度、pH等,而餐厨垃圾的高水分、高盐含量等特性均不利于该项技术的进行,且堆肥过程中产生的甲烷和其他臭气也不利于蚯蚓的生存。此外,蚯蚓是一种低等动物,它在处理垃圾过程中容易逐步退化,且餐厨垃圾中油脂和盐含量高的特性也会影响蚯蚓的生长。

  2.3其他处理技术

  除以上处理技术外,还有部分学者研究各种微生物技术如制生物柴油、提取生物可降解塑料等,甚至有的学者还研究餐厨废弃物的产电技术和生产生物农药。但是这些处理技术技术含量要求较高,经济投入较大,难以推广,甚至有些还只处于初步的实验室研究阶段。但是在经济全球化、社会资源大消耗乃至出现资源短缺的社会背景下,这些技术的开发应用具有广阔的前景,同时也符合我国循环经济发展的要求和可持续发展战略。

3展望

  餐厨垃圾处理技术的多样化,说明了餐厨垃圾的合理及时处理在城市垃圾处理中的重要性,特别是近年餐厨垃圾资源化技术大量研究,也说明将餐厨垃圾变废为宝具有广阔的发展前景。但是本文前面所介绍的几种技术都必须把餐厨垃圾集中收集运输到一个固定场所,然后才进一步处理使之资源化。这样不仅增加了餐厨垃圾的收集难度,运输成本高,也难免会在运输过程中出现泄露现象而污染环境,且占用大量面积土地。所以有学者提出餐厨垃圾原位减量技术,该技术的核心部分就是微生物菌种的选育和设备参数的优化以及菌种的控制,其对人体和社会的安全性不容忽视。因此,这将是今后餐厨垃圾处理技术的研究热点之一。