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        廚余垃圾資源化利用的研究

        2021-02-12 05:19:32高東臣趙心怡
        資源節(jié)約與環(huán)保 2021年12期
        關鍵詞:厭氧發(fā)酵廚余菌種

        高東臣 趙心怡

        (常州市鐘樓區(qū)環(huán)境衛(wèi)生管理處 江蘇常州 213000)

        引言

        隨著我國城鄉(xiāng)居民生活水平大幅度提高,生活垃圾的產(chǎn)量也以每年8%-9%的速率急劇增加[1]。廚余垃圾作為生活垃圾的重要組成部分,所占的比例也在逐年攀升,目前,我國生活垃圾中廚余垃圾的占比大約為40%~60%[2]。部分發(fā)達國家廚余垃圾占城市生活垃圾的比例平均占比在20%左右[3]。由此可見,廚余垃圾的資源化利用在全球范圍內都是亟待解決的一個問題。

        1 緒論

        1.1 研究背景

        隨著我國城市人口數(shù)量的增長和經(jīng)濟的快速發(fā)展,城鄉(xiāng)居民生活消費水平大幅度提高,直接導致生活垃圾的產(chǎn)量以每年8%-9%的速率急劇增加[1]。根據(jù)住建部發(fā)布的垃圾統(tǒng)計數(shù)據(jù),我國每年的生活垃圾產(chǎn)生量在四億噸以上。

        廚余垃圾作為城市生活垃圾的重要組成部分,所占的比例也在逐年攀升,目前,我國生活垃圾中廚余垃圾的占比大約為40%~60%,主要由家庭日常剩菜剩飯、瓜皮果殼等組成[2]。

        表1 顯示了部分發(fā)達國家廚余垃圾占城市生活垃圾的比例[2][3],平均占比在20%左右,由此可見,廚余垃圾的無害化、減量化、資源化處理在全球范圍內是亟待解決的一個問題。

        表1 部分國家廚余垃圾占城市生活垃圾的比例(%)[1~3]

        1.2 廚余垃圾的常規(guī)處理模式

        目前,我國廚余垃圾大部分采用焚燒發(fā)電和衛(wèi)生填埋兩種方式進行處理。對于焚燒發(fā)電這種處理模式來說,需要特別注意的是垃圾的熱值高低和焚燒產(chǎn)物的安全性問題。

        眾所周知,垃圾的熱值高低會直接影響焚燒發(fā)電產(chǎn)生的經(jīng)濟效益。大部分發(fā)展中國家產(chǎn)生的垃圾含水量很高,但熱值偏低。在中國,隨著天然氣的普及,食物經(jīng)過深加工之后產(chǎn)生的可燃物比率正逐年上升,垃圾熱值也有了明顯增長。但是,與其他生活垃圾相比,廚余垃圾濕基熱值僅為2100 KJ/kg 左右,依舊遠低于大部分城市3344KJ/kg 的垃圾焚燒最低熱值限[4]。此外,如果廚余垃焚燒不充分或者含有過多雜質,都會在焚燒過程中產(chǎn)生二噁英等有害氣體,對環(huán)境造成巨大影響[5]。

        如果大規(guī)模采用衛(wèi)生填埋這種處理模式,則對填埋工藝和處理水準有很高的要求。近年來,由于廚余垃圾的逐年增加,全國各地垃圾填埋場的臭氣濃度已超標。這是由于我國飲食習慣多元化,廚余垃圾的組成成分復雜,在進行轉運、平鋪、壓實等填埋預處理過程中會產(chǎn)生污染,在填埋過程中也極易產(chǎn)生各種化學反應和微生物反應,從而產(chǎn)生大量易燃易爆炸的強刺激氣體和帶有惡臭和毒性的滲濾液,對大氣、土壤和水體造成二次污染。并且,許多惡臭物質還會危害人們的健康甚至生命。

        比如氨氣,它是一種無色帶有強烈刺激性氣味的氣體,低濃度氨氣會對人體上呼吸道產(chǎn)生刺激和腐蝕作用,高濃度的氨氣還會損傷人體肺泡毛細血管,形成肺水腫。據(jù)統(tǒng)計,我國大部分城市生活垃圾填埋場所NH3的超標率為10.8%,超標倍數(shù)0-11.5 不等[6],已經(jīng)可以對人體產(chǎn)生巨大傷害。

        1.3 國內外處理概況

        由此可見,廚余垃圾不能照搬其他生活垃圾的處理模式,而應該以資源化為導向。如果將廚余垃圾進行前端處理利用,把處理全過程限制在產(chǎn)出場所,一方面可以減少常規(guī)廚余垃圾處理模式中收集、運輸、中轉、壓縮、堆放帶來的環(huán)境污染,并最大程度降低處理成本,另一方面可以提高廚余垃圾資源化利用的經(jīng)濟價值。

        早在上世紀40 年代,美國就成功研制出了初代家庭廚余垃圾處理機,產(chǎn)出物可用于家庭花卉、蔬果的綠化種植。如今在美國、日本、北歐等地使用家庭廚余垃圾處理設備已十分常見,一些城市甚至強制使用[7]。而目前,我國廚余垃圾前端處理技術還沒有得到大面積推廣應用,市場開發(fā)前景很大。

        2 廚余垃圾前端處理技術類型

        2.1 粉碎處理

        廚余垃圾的粉碎處理技術含量相對較低,只需在廚房水池出水口與下水管道間安裝一臺小型粉碎機,將廚余垃圾粉碎處理后排入市政下水管網(wǎng)。該處理技術占地小、成本低、操作方便,但也有很大的局限性。一方面,我國廚余垃圾中油脂含量較高,粉碎過程無法消解油脂成分,容易造成下水管網(wǎng)堵塞,降低城市管網(wǎng)排水排污能力。

        另一方面,我國廚余垃圾高有機物的特性會導致粉碎后廢水COD(化學需氧量)、BOD(生物需氧量)增加,直接增加了城市市政污水處理系統(tǒng)的壓力,容易造成水體污染。此外,該處理方式?jīng)]有任何具有經(jīng)濟價值的產(chǎn)出物,不符合資源化利用的初衷,是對資源的浪費。

        2.2 厭氧發(fā)酵

        廚余垃圾厭氧發(fā)酵處理是一項較為成熟的處理技術,它是通過厭氧微生物將廚余垃圾進行分解,產(chǎn)生沼氣、有機肥料和土壤改良劑[8],產(chǎn)物均具有較高的經(jīng)濟價值,并且厭氧發(fā)酵全程在密閉發(fā)酵桶內進行處理,對環(huán)境的影響很小。但這種技術也存在一定缺陷:一是產(chǎn)生的沼氣收集利用水平較低,大量沼氣的囤積存在安全隱患;二是成本相對較高,厭氧菌種培育過程復雜,且需要長期投入;三是產(chǎn)出物滅菌不徹底,影響其經(jīng)濟價值。

        2.3 蚯蚓堆肥

        蚯蚓堆肥是將傳統(tǒng)的堆肥法與蚯蚓處理相結合,通過蚯蚓分泌的蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶等[9],將廚余有機物轉化為蚯蚓糞這種營養(yǎng)物質。這種堆肥法產(chǎn)生的副產(chǎn)物蚯蚓也可以回收利用,用作動物飼料或生物醫(yī)藥原材料。但是蚯蚓在處理過程中容易受到環(huán)境的影響,廚余垃圾的含油量和含鹽率都會影響蚯蚓的正常生長,必須通過人工控制來穩(wěn)定產(chǎn)出物的質量。

        2.4 好氧發(fā)酵

        好氧發(fā)酵技術是一種在高溫條件下(45℃~65℃)運行的生物好氧降解技術,高溫不僅可以促進快速發(fā)酵,還可以殺死病原菌和蟲卵[10],因此,與厭氧發(fā)酵相比,高溫好氧發(fā)酵具有更快的降解速度和更高的滅菌效率。好氧發(fā)酵技術處理規(guī)模可控性強,可適應各種場地,處理過程中可連續(xù)加料,處理全過程無污水排放,無需納污水管及化糞池,24 小時內廚余垃圾減量可達95%以上,處理效率高,能做到日產(chǎn)日清。該處理技術具有不排水、無異味、無噪音,高減量率、設備操作簡便等技術優(yōu)勢,產(chǎn)出物為濃縮有機質,可用于綠色農(nóng)業(yè),實現(xiàn)資源循環(huán)利用。但同樣,該處理技術依舊長期需要依靠菌種,成本較高。

        表2 廚余垃圾處理技術綜合比較

        通過表格對比不難發(fā)現(xiàn),各種廚余垃圾處理技術都有優(yōu)缺點,但從減量化、資源化、無害化角度考慮,好氧發(fā)酵技術更適應當前國內廚余垃圾的處理需求,具有較大的推廣價值。

        3 廚余垃圾好氧發(fā)酵處理技術研究

        3.1 好氧發(fā)酵的影響因素

        3.1.1 溫度

        微生物的種群結構和代謝活力會隨溫度的變化而改變,因此,溫度是影響廚余垃圾好氧發(fā)酵效率的一個重要因素。在微生物反應過程中會釋放熱量,多數(shù)好氧發(fā)酵使用的微生物生命周期較長,可自行調節(jié)溫度,但由于需要不斷加入物料和菌種,導致溫度平衡破壞,因此,人工控溫很有必要。市場上現(xiàn)有的好氧發(fā)酵處理設備通常配備有溫度調節(jié)設備,可遠程控溫,正常情況下降溫度控制在45℃~65℃都可以保持設備的高效運轉,不影響產(chǎn)出物質量。

        3.1.2 含水率

        廚余垃圾含水率較高(70%~90%)的情況下,會使發(fā)酵過程中造成厭氧環(huán)境,菌種無法分解完全,從而造成惡臭。因此,使用厭氧發(fā)酵處理設備前必須對廚余垃圾進行適當?shù)拿撍幚?,這只需要居民在投放廚余垃圾前將水分瀝出,基本就可以將含水率降低到60%左右。此外,也可以通過添加木屑等填充物來降低物料含水率。

        3.1.3 供氧情況

        厭氧發(fā)酵過程必須保證長期的通風供氧,通風不足會產(chǎn)生厭氧環(huán)境,造成惡臭,通風過多,則容易影響反應倉內的溫度,減低處理效率。最常見的測量方式為測定排氣中氧氣的含量,從而確定反應倉內氧氣的濃度,正常情況下,排氣中氧氣濃度應控制在14%~17%之間,如果超過范圍,應及時調節(jié)[11]。

        3.1.4 酸堿度

        我國廚余垃圾的酸堿度(pH 值)偏低,總體偏酸性,但一般微生物最適宜在中性或弱堿性環(huán)境下繁殖。為提高廚余垃圾的pH 值,一般可以加入石灰來進行適當調節(jié)。

        3.1.5 菌種數(shù)量

        正常情況下,廚余垃圾在自然環(huán)境下也可進行堆肥發(fā)酵,但反應速率偏低,只有加入適當比例的菌種才可以提高發(fā)酵速率。因此,在設備使用過程中需要實時監(jiān)測菌種數(shù)量,及時添加新的菌種,維持高速發(fā)酵。

        3.2 廚余垃圾好氧發(fā)酵處理的技術問題

        雖然廚余垃圾好氧發(fā)酵技術已經(jīng)較為成熟,但仍然存在一些關鍵的技術問題需要解決,主要包括以下幾點:

        (1)國內廚余垃圾的數(shù)量和組成成分地域差異明顯,對于各類物質占廚余垃圾的比例數(shù)據(jù)嚴重不足,無法進行精準的實驗模擬和結果分析。

        (2)廚余垃圾好氧發(fā)酵處理過程中的各項參數(shù)調控是相互關聯(lián)的,比如溫度、通風、攪拌等的調控參數(shù),如何聯(lián)動調節(jié)仍舊缺乏研究的數(shù)據(jù)支持。

        (3)居民廚余垃圾產(chǎn)量很乏,但廚余垃圾產(chǎn)出物的去向依舊比較單一,無非是用于盆栽和綠化養(yǎng)護,如何豐富產(chǎn)出物的后續(xù)產(chǎn)業(yè),提高再生資源利用率值得研究。

        結語

        在垃圾分類的浪潮下,廚余垃圾作為城市生活垃圾中的一大組成部分已經(jīng)被單獨分類,日常生活中廚余垃圾的分類投放、收集、運輸、處理,每一個環(huán)節(jié)都需要得到重視。

        廚余垃圾具有量大、高含水率、高油、高鹽、高有機質的特點,不適合進行焚燒和填埋等常規(guī)生活垃圾處理模式,而應該以資源化為導向,充分利用廚余垃圾有機質含量高,有毒有害成分少的優(yōu)點,通過適當?shù)奶幚矸绞?,實現(xiàn)資源回收再利用。通過四種廚余垃圾處理技術的對比,可以發(fā)現(xiàn)好氧微生物發(fā)酵技術更適合我國國情。它具有不排水、無異味、無噪音,操作簡單等優(yōu)勢,通過控制溫度、氧氣、含水率、酸堿度和菌種數(shù)量,可以使廚余垃圾減量率達到95%,處理效率很高。

        目前,對于廚余垃圾的處理我國尚處于起步階段,不僅需要政府政策上的支撐,還需要居民行動上的支持。我們需要加強日常的科普宣傳,同時還要建立一套后續(xù)產(chǎn)業(yè)、服務業(yè)體系,增強廚余垃圾產(chǎn)出物的經(jīng)濟價值,并給予居民一定的經(jīng)濟補償,從而最大程度上提高居民參與垃圾分類的積極性。

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