厨余垃圾的资源化技术

厨余垃圾的资源化技术姓名：学号：专业：导师：一 我国城市垃圾的特点 城市垃圾是指人们日常生产和生活所产生的固体废弃物，其产生源主要分为居民生活垃圾、街道保洁垃圾和集团（机关、团体、工厂和服务业）垃圾三大类。1.1 垃圾数量越来越多垃圾数量越来越多 随着城市化的加剧，城市人口的增加，我国城市垃圾的排放量在逐年增加。据国家统计局公布的最新数据显示，我国目前的城市化率已由1993年的28%上升到2003年的40.5%。另据中国城市建设统计年报显示，2003年我国城市垃圾清运量已由1993年8791万吨增加到1.49亿吨，比2002年增长8.8%。1.2 组成越来越复杂组成越来越复杂 随着城市居民生活与消费水平的不断提高和燃料结构的变化，我国城市垃圾的组成也在发生着变化。变化趋势是无机成分逐年减少，有机成分逐年上升，可回收利用成分不断增加（如废纸张、废塑料、废金属、废玻璃等可回收利用成分逐年增加，约3040%），且热值亦明显上升，见表1-1。1 城市垃圾的特点城市食物纸类塑料织物草本渣石玻璃金属其他北京56.01 11.76 12.60 2.75 8.56 2.79 3.84 1.69 0.00 上海55.47 8.20 12.10 2.38 14.49 1.47 4.03 0.60 0.00 杭州55.28 1.80 5.02 1.50 0.39 33.17 1.42 1.12 0.30 深圳57.00 4.65 14.05 6.55 11.07 3.50 1.25 0.35 1.60 广州56.63 3.65 13.05 4.55 1.20 5.00 3.25 0.55 12.00 表1-1 我国部分城市生活垃圾的组成 如表格所示，城市垃圾中大部分是食物垃圾。随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，厨余垃圾的产生量逐渐上升。然而由于厨余垃圾数量庞大，且具有有机质含量高和易腐败等特性，如不及时处理，则会引起恶臭污染大气环境，腐败产生的致病菌会引起各种传染疾病，产生的渗滤液含有高浓度的有机质，严重污染地表水和地下水。目前厨余垃圾问题已经对人们的生产生活构成严重威胁。因此寻求厨余垃圾有效的处置方法迫在眉睫，这也是解决各个城市日益严重的“垃圾围城”重要出路之一。2厨余垃圾的特征，危害及其管理现状 （1）高含水率 （2）易腐烂 （3）营养丰富 2.1 厨余垃圾的特点厨余垃圾的特点 厨余垃圾是居民在生活消费过程中形成的生活废物,居民区、饭店、各种企事业单位的食堂是其集中排放的场所。尽管厨余垃圾的组成、性质和产生量受社会经济条件、地区差异、居民生活习惯、饮食结构、季节变化的不同而有所差别,但具备如下总体特征:厨余垃圾的含水率高(水的质量分数大于80%),这给其收集、运输和处理都带来很大的难度。垃圾渗滤水可通过地表径流和渗透作用,污染地表水和地下水,而且由于厨余垃圾单位质量的热值在2 100 kJ/kg左右,不能满足垃圾焚烧发电的热值要求。厨余垃圾中有机物含量高(约占干物质质量的95%以上),易腐败发臭,易滋生病菌,会造成疾病的传播。除了有机物含量高之外,厨余垃圾还富含氮、磷、钾、钙以及各种微量元素,具有营养元素齐全、再利用价值高的特点。2.2 2.2 厨余垃圾的危害厨余垃圾的危害 据报道，厨余垃圾已经占到城市固体废物的50-70%。厨余垃圾目前己是城市环境污染的主要来源之一，严重威胁人们的日常生活及身体健康。厨余物的危害主要是：1.厨余垃圾有机物含量高，容易腐败变质，产生恶臭，污染大气环境;2.厨余垃圾中有病源菌，随意堆放容易滋生蚊蝇，传播病菌;3.厨余垃圾含水率较高，运输过程中会发生滴漏现象，污染市镇环境，产生的渗滤液会严重污染地表和地下水;4.厨余垃圾数量巨大，给城市垃圾处理带来难度，大大提高处理成本。厨余垃圾的处理是全世界各个国家都普遍关注和亟待解决的问题。不同的国家和地区因不同的生活方式和国情特点,对厨余垃圾的处理一般都具有一定的差异性。中国 填埋法是目前我国垃圾处理的主要方式。一般采用露天堆放、自然填沟和填坑等方式，利用厌氧微生物、兼性微生物和好氧微生物等将垃圾降解消化。由于厨余物垃圾数量庞大，且具有含水率高，如和城市其它垃圾一起填埋，则会产生大量的渗滤液，造成土壤和地下水的污染。而且厨余物有机成分高和易腐烂，会导致蚊蝇、老鼠等大量繁殖。厨余垃圾的填埋不仅增加了填埋场的占地，而且提高运行成本，甚至会引起沼气爆炸的可能。因此在我国，厨余垃圾填埋处理越来越受到限制，整体呈下降趋势。随着人们观念的普遍改变以及新技术的出现,在我国各种关于厨余垃圾处理的管理法规也正在制定中,同时,厨余垃圾处理的一些新技术也在慢慢地取代传统的处置方法,例如厨余垃圾制取饲料、焚烧发电甚至制取燃料油等。2.3国内外厨余垃圾的管理现状美国 美国2000年厨余垃圾的回收率仅为2.6%，远低于城市垃圾回收利用率的平均值30.1%。就目前来看,美国处理厨余垃圾的方式也是以填埋为主,对厨余垃圾产生量较大的单位设置厨余垃圾粉碎机和油脂分离装置,分离出来的垃圾排入下水道,油脂则送往相关加工厂(如制皂厂)加以利用;对于厨余垃圾生产量较小的单位如居民厨房,则被混入有机垃圾中统一处理或通过安装厨余垃圾处理机,将垃圾粉碎后排入下水道。美国各州对处理厨余垃圾的政策和方式都有所不同,很多州针对当地的具体情况,建立了自己的厨余垃圾处理回收体系,例如在加利福尼亚,该州正在推广利用厨余垃圾发电的技术,并取得了一定成绩,同时在美国的中西部地区,蚯蚓堆肥、密封式容器堆肥处理厨余垃圾的应用也越来越多。欧洲 欧洲每年的厨余垃圾量在5000万t左右,相对来说,欧洲各国特别是像德国、法国、英国还有北欧地区的较发达国家等对厨余垃圾的管理和处理都有相对较为完善的系统和体制。例如德国，德国是一个非常重视生态平衡的国家,目前绝大多数垃圾填埋厂已被关闭，很多大企业正在实现厨余垃圾变废为宝的目标。丹麦政府从1987年开始进行填埋税的征收，费率逐年提升，其目的就是鼓励垃圾回收，特别是对厨余垃圾这些可利用的有机垃圾;荷兰在1996年开始就禁止了有机生物垃圾的填埋处理，其厨余垃圾主要是通过好氧处理为主，在1999年时全国就有23个堆肥厂。日本 日本每年的厨余垃圾总量为2000万t左右,其中52%来自于家庭。为了减少厨余垃圾对环境的污染,充分利用其中的资源,日本在2000年颁布了厨余废物再生法。在过去,日本厨余垃圾的处理方式主要为堆肥处理,这几年出现了很多新的研究方向,主要包括厨余垃圾生产动物饲料及利用厨余垃圾生产生物气发电供热等。据统计,目前日本制造家庭厨余废物处理机的企业已达250家。韩国一家公司近日推出一款家庭厨余垃圾处理机。经其处理的菜叶、剩饭等厨余垃圾只要24小时就可以变成清水。据生产这款处理机的韩国sinkpia公司的专家介绍，这款机器的核心部件是一种名为“生物环”的螺旋状过滤器。它们对微生物的吸附能力强，并适宜微生物自然繁殖。由于螺旋状结构和外界的接触面较大，垃圾容易被粉碎成小颗粒，并被过滤器中的微生物分解。他说，这款机器可处理所有的有机垃圾，包括米饭和面包等碳水化合物制品、鱼和肉等富含蛋白质的食品、蔬菜等纤维素含量高的食物。处理过程中生成的物质只有清水，连垃圾的腐臭味也可以同时消除。而现有的其他家庭用厨余垃圾处理机多采取粉碎垃圾的原理，处理后或多或少都有残余物。据悉，这款垃圾处理机将于明年推向中国市场。韩国 韩国2000年城市生活垃圾生产量约为1700万t,其中餐厨垃圾占25%。自2007年回收利用以来,垃圾率的增加,特别是实施分类收集之后,厨余垃圾的生产量和所占城市垃圾的比重都有所下降。韩国从1995年起实施垃圾专用袋制度,一般家庭都将其它垃圾与厨余垃圾分开包装放在门外,由垃圾车和厨余垃圾车分别收取。由于韩国特殊的饮食文化,导致其厨余垃圾盐分很高,这些盐主要来自泡菜、豆瓣酱等高盐分食物,因此在韩国堆肥方式处理厨余垃圾并不盛行,在过去很长一段时间内韩国的主要处理方法就是填埋。但是在2005年韩国政府全面禁止了将厨余垃圾进行填埋处理,因此近年来,韩国厨余垃圾的处理方式主要为厌氧消化-生物气回收。二 厨余垃圾资源化技术 目前,国内外厨余垃圾资源化技术主要有饲料化技术、肥料化处理技术、生物厌氧发酵处理技术和生物柴油技术等。1 1餐厨垃圾饲料化技术餐厨垃圾饲料化技术1.1 1.1 技术种类技术种类 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,并最大限度地保留营养成分,改善餐厨垃圾的饲用价值,消除或降低不利因素的影响。目前国内生产厨余再生饲料工艺主要是生物法和物理法。生物法：利用微生物菌体将厨余垃圾发酵,利用微生物的生长繁殖和新陈代谢,积累有用的菌体、酶和中间体,经过烘干后制成蛋白饲料。物理法：是直接将厨余垃圾脱水后进行干燥消毒，粉碎后制成饲料。湿热法：可以解决物理法导热不均、加热温 度过高的问题。该工艺是将厨余垃圾加水后置于密闭容器中加热，反应后，上层是油脂，中间是水，下层是固态物质,将下层物质脱水干燥粉碎后得到饲料,上层油脂回收。湿热法处理后的厨余垃圾饲用价值明显提高,既是良好的饲料原料,又方便回收油脂。减压油温脱水法：是以油为热媒体，在减压(或真空)特定条件下进行油炸厨余垃圾。所用油可以利用饭店、食品工厂用过的废食用油。由 于采用真空处理,被炸物的氧化大大减少，保证了饲料的营养成分，同时也进行了真空消毒处理。1.2 1.2 现存问题及对策现存问题及对策 厨余垃圾常掺有砂砾、铁丝、牙签、塑料等 杂物,会对畜禽消化道造成物理伤害;有些厨余垃圾受到重金属、苯类等有害物质的污染，被动物食用后有害物质会蓄积在牲畜体内,人食用了这样的肉类达到一定程度后,会导致肝脏、肾脏等系统免疫功能下降。另外,现有的厨余垃圾饲料化技术存有缺陷,如加热烘干的方式很难去除霉杆霉菌等菌种,若提高消毒温度,又会破坏饲料中的营养物质(如维生素等热敏性物质),导致产品存在安全隐患。疯牛病爆发就是由于饲料消毒技术达不到要求造成的。流行病学调查表明,饲喂了被羊痒病朊毒体(Prion)污染的肉粉再生饲料导致了疯牛病的发生，这是疯牛病流行的主要原因。Prion对所有杀灭病毒的物理化学因素均有抵抗力，只有在136高温高压2h下才能灭活。厨余垃圾中含有大量的动物性残余物,若消毒不完全，这种病毒就很可能通过饲料大面积传播。鉴于此，欧美大部分国家已严禁厨余垃圾饲养禽畜。2 2 肥料化处理技术肥料化处理技术2.1 2.1 技术种类技术种类 国内外运用较多的堆肥技术是厨余垃圾的高温机械堆肥法，其核心的生物处理阶段是采用高温好氧无污染生物处理法(EATAD)，该工艺采用高温嗜热微生物进行发酵，温度高，发酵速度快，对厨余垃圾等有机垃圾具有较好的处理效果。该技术的重点是供氧方式和速率。集装箱堆肥法特别适合产生量不多的有机垃圾堆肥。反应器由封闭集装箱反应器和多层生物过滤器组成，一般有20多个集装箱并联,每个箱体 50 m3，堆肥周期1520d，所产生的气体可以回收利用,剩余无机物可回填土壤。蚯蚓堆肥是近年来发展起来的一项新技术，蚯蚓体内可分泌多种酶类,对绝大多数厨余垃圾有较强的分解作用,同时还能有效抑制堆肥过程中产生的臭味。2000年悉尼奥运会期间,利用4000条蚯蚓处理奥运村包括厨余在内的生活垃圾，做到了垃圾不出村就地消纳。除此之外,针对厨余垃圾具有产生相对集中的特点,目前国内外出现了一种小型的厨余垃圾生化处理机,特别适用于食堂、饭店等场所。厨余垃圾与特定的优势菌种以及麦麸等辅料按照一定比例倒入处理机中反应，反应器内设有加热、搅拌以及抽气装置。1224h后,一部分有机物在微生物作用下分解为CO2和水蒸气,经抽气装置排出,剩余的有机物烘干后制成肉松状的有机肥料。2.2 2.2 现存问题及对策现存问题及对策 好氧堆肥占地面积大，处理时间长，易产生大量臭气；以混合收集为主，分选效果差，厨余垃圾中杂质多，不易分解，肥料质量差；病原微 生物未彻底消除,肥料中重金属高,销路不畅。厨余肥料含盐高也是一个突出问题。施用厨余肥料后,土壤盐含量升高，且与施用量成正相关,因此中度盐渍土不适合使用垃圾堆肥。而 且，当用厨余堆肥作为容器育苗基质时，用量也不宜过高。且堆肥前厨余垃圾也必须水洗脱盐。有研究表明可以用水作溶剂降低厨余垃圾中过高的油脂含量和食盐含量，含盐量由4.59%降为3.93%；同时还可以在厨余堆肥中加入无机肥，进一步降低盐分的影响，有研究表明有机肥与无机肥结合，可以促进脱盐，抑制返盐。3 3 厌氧发酵技术厌氧发酵技术 厨余垃圾的厌氧发酵是在特定的厌氧条件下，微生物将有机质分解,其中一部分碳素物质转换为甲烷和二氧化碳。根据厨余垃圾的特点,厌氧 发酵技术具有很多优势：不需要进行水分调节,反应不受供氧限制,机械能损失少；可以产生具有利用价值的甲烷，发酵后沼渣和沼液可以利用；由于反应在密闭容器中进行，不会产生臭气等污染物，对环境影响较小。3.1 3.1 国内外厨余垃圾厌氧发酵技术发展现状国内外厨余垃圾厌氧发酵技术发展现状 1979 年美国建立了世界上第1个年处理5000t的生活垃圾发酵实验工厂，其工艺流程如图-1。此工艺是以后各种高固体厌氧消化工艺的基础。目前较成熟的技术有法国VALORGA（干法厌氧消化工艺）工艺,丹麦 Carl Bro 工艺等。我国上海普陀垃圾综合处 理厂的厌氧发酵采用 VALORGA 工艺，设计处理能力22.75 t/a，该工艺与其它工艺最大的不同是 反应器没有任何运动的机械部件,而是利用产生 的甲烷进行压缩回流,起搅拌作用，因此运转更可靠，维护更简化。（2010建的，暂时还没有数据显示效果）3.2 3.2 研究进展及现存问题研究进展及现存问题 汪群慧等从厨余垃圾中分离出一株乳杆菌TD175,可以强化厨余垃圾的乳酸发酵。在不控制pH条件下厌氧发酵2d,比不接种的对照实验 乳酸浓度高88%；运用电渗析法从中提取乳酸，可将乳酸浓缩至70%80%。乳酸是合成聚乳酸类可完全生物降解性塑料的主要原料，不但可使厨余垃圾资源化，而且还有望解决困扰人类的白色污染难题。另外，生物制氢以及甲烷发酵与燃料电池发电系统的开发，也必将为厨余垃圾变清洁能源开辟新的途径。但是厌氧消化在国内的应用还不成熟,利用 发酵工艺处理厨余垃圾对进料纯度要求很高,即分类收集要求高。同时,由于厨余垃圾油量和纤维素含量高,可能导致厌氧过程过度酸化。4 4 生物柴油技术生物柴油技术4.1 4.1 厨余垃圾生产生物柴油厨余垃圾生产生物柴油 据统计，每吨厨余垃圾可以提炼出2080 kg 废油脂，经过集中加工处理,则可以制成脂肪酸甲酯等低碳酯类物质，即生物柴油。预处理和酯交换，以及脂肪酸甲酯和甘油回收构成厨余垃圾生产生物柴油工艺流程的主要阶段。而预处理包括沉淀除杂、酸化脱胶、水蒸气 蒸煮脱臭、真空脱水等。酯交换反应酯交换反应(transesterification),即酯与醇在酸或碱的催化下生成一个新酯和一个新醇的反应，即酯的醇解反应。脂肪酸甲酯主要是由甘油三酯与甲醇通过酯交换制备，其反应如下：油脂（甘油三酯）先与一个甲醇反应生成甘油二酯和甲酯，甘油二酯和甲醇继续反应生成甘油单酯和甲酯，甘油单酯和甲醇反应最后生成甘油(丙三醇)和甲酯。4.2 4.2 技术技术进展及现存问题进展及现存问题 超临界甲醇制程是利用甲醇在超临界状态下的特殊物理化学性质，与废油脂发生反应生产生物柴油的一种新工艺。该工艺不需要催化剂,无副产物产生,因此也不需要对产物进行分离，不会产生大量废水；同时，反应效率大大提高，只需要 24 min 就可达到反应平衡,而且,对原料纯度要求不高，水分和脂肪酸对反应的影响不大。由于厨余垃圾中杂质较多,制备生物柴油时,必须采取有针对性的预处理措施和正确的工艺，才能保证转化率和产品纯度不受影响。在生产中，必须保证酯交换反应完全，且彻底去除甘油等副产品，否则会造成发动机工作不正常等问题。另外，生物柴油虽然具有很大的环境效益,单在经济和市场上仍需政策的鼓励和支持，才能使它与石化柴油竞争。在国外靠大量减税或免税使其价格与现有柴油相近。3研究展望研究展望 家庭垃圾堆肥处理机和小容量垃圾系列处理机是一种从源头减量的资源化方法,它将实现易腐败发臭的厨余垃圾的单独收集,减少蚊、蝇对环境和人体健康的影响;可使垃圾体积大大减少,从而减少垃圾收集的频率,大大降低收集和运输的成本;可获得较为优质的土壤改良剂和有机肥料,它还有利于纸张、塑料等其他生活垃圾不受污染,便于清理、分类及其资源化利用。厨余垃圾生物制氢以及甲烷发酵与燃料电池发电系统的开发,必将为废物变清洁能源开辟新的途径。经过消毒的厨房垃圾作为养牲畜的饲料,是传统垃圾利用途径的有效改善。利用厨余垃圾发酵生产乳酸,进而合成聚乳酸类完全可生物降解性塑料,不但可以解决厨余垃圾的资源化问题,还有利于生物降解塑料早日取代通用塑料,有望解决困扰人类的“白色污染难题”,因此具有广阔的开发前景。