隨着城市化的發展和人民生活水平的提高,城市垃圾的產生量在不斷上升,這些持續增加的生活垃圾已成爲困擾城市發展、污染市容環境的主要問題。我國餐飲業發達,人們的飲食習慣和就餐方式使得餐廚垃圾的排放量要比西方發達國家大很多,占城市生活垃圾的比例約爲37 %~62 %,且發生量有越來越大的趨勢。餐廚垃圾,屬於較特殊、難處置的一類城市垃圾,具有水分和油脂含量高的特點,如果直接混入生活垃圾,會使城市生活垃圾的含水率升高和熱量值下降而得不到妥善的處理和合理利用;具有有機質含量高,易貪腐發臭,滋生病菌和富含氮、磷、鉀、鈣以及各種微量元素,再利用價值高等特點。因而如果不妥善處理會造成病原菌的傳播,對環境有嚴重影響,同時造成有機物的浪費[1-3]。本文在對國內外餐廚垃圾的各種處理方法和技術措施進行綜合分析的'基礎上,提出了一種實現餐廚垃圾“三化”目標的工藝措施。
1、發酵原料
1.1廚餘垃圾物料組分特性
華中農業大學創新基金資助項目(項目編號:62204-06078)
作者簡介:宗望遠(1969-),男,副教授,主要從事農業廢棄物利用方面的研究工作。
廚餘垃圾取自華中農業大學學生食堂。分別取學生1~4食堂的早、中、晚廚餘垃圾各1千克。食物組分大致爲:米飯、麪食約佔60%,蔬菜約佔30%,肉類約佔10%。取樣後,先手工分揀出骨頭、魚刺及廢棄餐具等雜物,再用食品攪拌機攪拌、混合,以增大樣品表面積,提高其流動性。對樣品進行如下指標的分析與測試。
⑴總固體含量(TS)的測定。TS的測定採用烘乾法。將蒸發皿洗淨,放入烘烤箱,經過105℃~110℃烘乾致恆重。取適量樣品,稱重,計爲W1(g)放入蒸發皿中,在乾燥箱內,經過105℃~110℃烘乾致恆重,稱重計爲W2(g)。則 TS=w2/w1*100%。
⑵揮發性固體含量(VS)的測定。VS的測定採用灼燒法。將TS測定後的樣品和蒸發皿一起置於馬弗爐中(重W2),經過600℃的高溫灼燒1h,冷卻後取出,稱重計爲W3(g)。
VS(TS%)=(W2-W3)/W2*100%。
⑶含水率(P)。P=1-TS
⑷灰分。灰分=1- VS
⑸總碳C。透過測定其揮發性固體量乘以47%得碳的總量。即C=VS*47%
⑹總氮N 。試樣濃硫酸加熱消解,消解後的試樣使呈鹼性,蒸餾出氨,硼酸溶液吸收,硫酸標準溶液滴定。
⑺總磷P。測定方法爲鉬銻抗比色法,儀器爲分光光度計,測試標準爲中華人民共和國城鎮建設行業標準GJ/T3018.9-93。
⑻金屬離子。取樣品經30min,400rpm高速離心後用原子吸附法測定。
在2009年3月15號開始的一個月時間內,每週三、週日各取樣測定兩次,連續四周測量的平均結果如表1。
表1 廚餘垃圾理化性質
項目 含水率 TS VS 灰分 C P N K Na Ca PH
平均值 76.3&n
1.2發酵原料的製備
廚餘垃圾中含有較高的鹽分,而且廚餘垃圾的厭氧消化過程中,甲烷菌對鹽類較爲敏感,尤其是當鈉鹽的濃度突然增加時,厭氧消化的正常執行會受到較大沖擊。資料表明,當厭氧消化中鈉鹽的濃度小於5g.L-1時,厭氧消化進程不會受到抑制,但是當鈉鹽的濃度大於5g.L-1時,甲烷菌的活性受到明顯抑制。因而, 須採取措施降低Na+離子濃度。無機礦物質膨潤土對Na+離子有較強的吸附性能,吸附量可達13.75%。同時,膨潤土還可以釋放大量的Ca2+、 Mg2+離子,這兩種離子可以改變厭氧微生物細胞的通透性,使微生物可以選擇性地吸收自身所需要的營養成分,被稱爲是厭氧微生物的能量促進劑。實驗表明,按質量比總固體含量(TS):膨潤土爲10:1的比例在廚餘垃圾中投放膨潤土,可以有效消除Na+離子對甲烷菌活性的影響,提高產氣率。
2、工藝方案研究
2.1 工藝路線選擇
厭氧發酵過程可以分爲三個階段。第一階段爲水解階段,厭氧菌根據所分解的對象可以分爲纖維素分解菌、脂肪分解菌和蛋白質分解菌,它們分別把多糖分解爲單糖,蛋白質分解爲肽和氨基酸,脂肪分解爲甘油和脂肪酸。第二階段爲酸化階段,由產酸細菌和某些梭狀芽孢桿菌等將單糖類、肽、氨基酸、甘油、脂肪酸等物質轉化成簡單的有機酸、醇以及二氧化碳、氫、氨和硫化氫等,其主要的產物是揮發性脂肪酸,其中以乙酸爲主,約佔80%。第三階段爲產甲烷階段,產甲烷菌將有機酸、醇以及二氧化碳和氨等物質分解爲甲烷和二氧化碳,或透過氫還原二氧化碳的作用,形成甲烷。
有機廢棄物厭氧消化技術,根據發酵階段控制方法的不同,可分爲兩段法厭氧消化工藝和整體一段法厭氧消化工藝。根據發酵料液的TS濃度的不同,又可分爲乾式發酵法(TS爲20%-40%)和溼式發酵法(TS<15 ts="">60%)的進料才加水稀釋。因此,採用乾式厭氧消化處理廚餘垃圾,即不需加水也不需脫水,簡化了工藝,節約了能耗。廚餘垃圾的總固體含量一般在20-30%之間,很適合於乾式消化工藝。而兩段法和整體一段法比較,整體一段法的產氣週期短,工藝執行簡單,在工業化生產上比對兩段法具有明顯優勢。綜合以上分析,確定採用整體一段法乾式厭氧發酵工藝進行廚餘垃圾的處理。
2.2工藝參數的確定
⑴溫度。厭氧發酵是一個微生物的作用過程,溫度作爲影響微生物生命活動過程的重要因素,主要透過影響酶活性來影響微生物的生長速率和對基質的代謝速率。厭氧消化有三個溫度範圍,常溫20℃-25℃,中溫30℃-40℃,高溫50℃-60℃,農村沼氣工程中,考慮工藝簡單和執行成本,常採用常溫發酵,執行時間較長,產氣量較少。中溫和高溫使生化速率較高,產氣量較大,但執行成本較高。廚餘垃圾乾式厭氧發酵工藝,一方面需要有較短的發酵週期,另一方面,乾式發酵在常溫下效果極差,而在中高溫條件下執行效果較好。因此,本工藝採用55℃左右的高溫發酵,以提高執行速率和產氣量。溫度的維持採取太陽能和沼氣聯合供能的方式。以太陽能熱水保溫爲主,當太陽能不足以維持溫度時,由發酵產生的沼氣用以補充。
⑵ TS含量。乾式厭氧發酵工藝所要求的TS<60%,而發酵原料的實測TS含量爲23.7%,因此,對發酵原料不作TS含量的調節,直接用於發酵。
⑶PH值。厭氧發酵菌可以在PH爲5-10範圍內發酵,但以PH值爲7-爲最適合,產甲烷菌對PH值很敏感,當PH值低於6.5時不再活躍。在發酵的最初階段會產生大量有機酸,使物料的PH值下降到5以下,從而抑制消化發酵過程,因而需添加石灰石或KOH溶液等加以中和。隨着發酵反應的繼續,由於氮的消化使氨的濃度不斷上升,PH值也隨着上升,當穩定產甲烷時,PH值一般維持在7.2-8.2之間。
⑷攪拌速度。攪拌可以使消化物質均一化,提高物質與細菌的接觸,加速消化底物的分解。廚餘垃圾的總固體含量較高,一部分沼氣產生後滯留在消化底物中,只有透過攪拌來釋放滯留的沼氣,因而攪拌是提高發酵速率和產氣量的重要措施之一。厭氧發酵攪拌方式有機械攪拌、發酵液迴流攪拌和沼氣迴流攪拌。由於機械攪拌的攪拌效果好,可操控性強,適合於批量生產,因而本工藝採用機械攪拌,爲防止過度攪拌破壞菌羣的正常繁殖,攪拌速度控制目標爲物料移動速度不大於 0.5m/s。
3、工藝裝備設計
根據工藝要求,設計了廚餘垃圾厭氧發酵的備料裝置和發酵裝置,分別如圖1、圖2所示。
4 結論與討論
⑴工藝首先利用備料裝置將廚餘垃圾中的塑料袋、一次性餐具等物質乾燥回收,利用隔油裝置實現油水分離,油脂回收皂化或用於製備生物柴油。在進行厭氧發酵之前已經實現廚餘垃圾的“資源化”和“減量化”。
⑵採用55℃左右的高溫發酵,提高了執行速率和產氣量,溫度的維持採取太陽能和沼氣聯合供能的方式。沒有造成二次污染和增加執行成本。