新型餐余垃圾资源化处理器设计

郝 迪 康锁倩 张竞元 刘星辰 李 慧 张玉臣 薛培英

（河北农业大学资源与环境科学学院 河北 保定 071000）

1 前言

随着经济高速发展，人们生活水平不断提升，人们每日餐厨垃圾的生产量越来越大，餐厨垃圾的处置逐渐成为一个亟待解决的新型环境问题。有关研究表明，大城市内每天的生活垃圾产量约3 000 t，而餐厨垃圾占到其中的一半甚至以上[1］。2015年，全国餐厨垃圾产生量约为9 110万t，日均餐余垃圾产生量为25万t，人均日产量为0.18 kg。

餐余垃圾主要有三方面的危害：餐厨垃圾通过不法渠道流回食物链，带来严重的食品安全隐患，人畜食用后产生疾病、疫情；餐余垃圾大量堆积极易腐烂变质造成环境污染，滋生蚊蝇，产生恶臭污染空气，渗滤液污染水土；大量垃圾不及时处置，随意丢弃与其他生活垃圾夹杂在一起，影响市容市貌与环境卫生[2］。目前我国餐余垃圾处理主要是焚烧和填埋，而且焚烧处理方式占比由2004年7%增长至2015年38%。预计我国2020年末生活垃圾焚烧处理能力需要从2017年末的23.52万t/d增长至59.41万t/d。焚烧所占总垃圾处理方式的比例由2015年的38%上升至2020年的54%。焚烧虽然减容性大、能够产生一定的热量，但餐余垃圾高含水率的特性决定它并不适合用，不仅无法资源化利用，还降低焚烧炉内温度，导致燃烧不充分，产生二恶英。而利用生化的方法进行发酵生产有机肥，适应当前发展趋势，逐渐走入人们的生活[3～4］。

垃圾是放错位置的资源。资源化利用餐厨垃圾，既能带来环境效益，同时又得到经济效益。高油，高盐分，高含水率，是我国餐余垃圾的特性。餐余垃圾干物质中含有机物80.21%和粗脂肪25.86%，且餐厨垃圾35%左右的干物质中含约12%粗脂肪，含超过20%蛋白质。中国餐余垃圾年产量相当于3 000万亩玉米和600万t生物柴油。餐厨垃圾资源化特征显而易见，资源化加工处理是目前产业发展的必然选择。目前资源化处理方式主要分为厌氧发酵、好氧堆肥、烘干做饲料和微生物处理等。厌氧发酵有较高的无害化程度和较高的有机复合承担能力，但占地大、投资高、工艺复杂和发酵时间长，无法高效处理餐余垃圾。而好氧发酵可以在较短的周期里使物料堆肥熟化。此外微生物处理，常用固态发酵，能耗低、周期较短，产率较高，一定程度上改良了传统工艺处理餐厨垃圾产生的营养物质利用率低的问题，这是餐厨垃圾资源再利用的一种重要方法[5］。因此，好氧发酵同时添加微生物菌剂可使发酵时间大大缩短，有机质利用率也显著提高，相较于传统工艺，优势明显。

目前现有的好氧发酵罐有自然发酵罐、工业上用来进行微生物好氧发酵的大型设备、高温好氧发酵罐。其主要处理流程都为预处理除油脱水、搅拌、堆肥发酵、干燥、贮存。但现有好氧发酵罐存在以下几个较为显著的问题：①占地面积大，运行成本高。如现有的设备日处理量为100～2 000 t，尺寸较大，虽处理量大，但体积大难以灵活移动，并不适于高校餐厅或大型食堂餐厨垃圾的就地处理，运行能耗约耗电100度/d，能耗较大。②现有自然发酵罐，发酵时间长、效果差、易产生恶臭。③现有一般单层发酵罐保温性能差、升温缓慢，预处理与发酵一体化程度低。相关研究表明发酵效率主要取决于温度、含水率、微生物菌剂。温度控制与加热方式有关，现有电热、太阳能加热、微波加热等。其中，微波加热方式原理为微波使水分子自旋运动而将微波能转化热能而使介质直接被加热。这使其相较于其他方式优势明显，效率高、能量利用率高，微波可选择性加热，升温快且装载量相等时，微波加热耗能不到电热的10%[6］。微波加热可使含水率快速降到适宜的情况。与不接菌种相比，接种微生物菌剂能使堆肥初期激发微生物增殖，加速腐熟。有研究表明EM菌剂可缩短发酵周期，提高高温期温度，促使餐厨垃圾无害化[7］。

本新型处理器针对以上缺陷进行改进，设计为体积适宜、移动灵活、放置在餐厅室内直接回收餐厨垃圾。运行时采用微波加热技术，人工高效辅助升温，减少运行时间，与大型设备相比更节省能耗。结合高效EM菌剂共同促使发酵过程快速完成。另外，此设计改进了处理器外壳，设计为双层结构，提高了保温

性能，且双层金属外壳有效阻止了电磁波的逸出，保证其安全性。各个处理单元紧凑排列，处理过程连续、一体化。满足人们对餐余垃圾进行高效快速处理的需求。

2 新型餐厨垃圾发酵罐设计

2.1 设计原理。基于好氧堆肥和微生物处理原理，通过加温和控制含水率，投加高效处理餐余垃圾的EM菌剂，完成餐余垃圾的快速腐熟。相关探究复合微生物降解餐余垃圾机理的实验表明，在48℃～52℃时有利于杀灭病原菌，加速腐熟[8］。控制该处理器微波功率80 W左右，先使餐余垃圾快速升温到50℃左右，再低温持续加热，保温并降低垃圾含水率到40%～50%。装置由上到下分别是平旋开闭盖，下层可设放置活性炭包的金属网，再下一层为滗水器除油装置，下部侧面为餐余垃圾进口同时又可通过此处投加发酵菌粉，整体微波恒温加热装置、左右各设一个可变速的集搅拌、粉碎于一体的搅拌器，底部设有格栅用以除水来控制含水率。

2.2 材料与方法。餐余垃圾处理器整体采用不锈钢材料，外壳涂层为镀锌喷漆，耐长时间高温且抗腐蚀性能较好，并有效屏蔽电磁波，避免对人体产生伤害。整体为高80 cm，地面直径1 m的不锈钢圆柱筒体，一次可处理0.6 m3的餐余垃圾，适用于放置于大型食堂每层餐余垃圾回收处。圆筒滗油器为高度5 cm可伸缩的竖直刮板。搅拌器为直径约15 cm的螺旋刀片，搅拌粉碎，快速档位100 r/min，慢速档位20 r/min。

图1 餐厨垃圾处理器设计图

2.3 餐余垃圾处理流程

2.3.1 预处理阶段。餐余垃圾废弃物从侧面入口进入处理器后，首先打开顶部滗油装置，刮除餐余垃圾上层大量油脂。然后，打开两侧搅拌器，调到快速档位，对餐余垃圾进行粉碎同时固液连续分离，产生的游离性液体通过挤压从底部格栅排出到液体收集装置。

2.3.2 好氧发酵阶段。经过前期的预处理操作，为好氧发酵准备条件，进入高效率好氧发酵处理阶段。在顶部金属网放置适量的活性炭包，防止发酵过程产生异味污染大气。打开微波恒温加热装置，通过微波快速均匀的加热餐厨垃圾，使尽快达到好氧堆肥腐熟的适宜温度，同时又通过加温降低含水率，控制水分含量40%左右。搅拌器开到慢速档位，使物料与空气不断接触，防止进入厌氧状态。最后通过微波加热，把发酵完成后的基础肥烘干，基础肥进一步包装处理，便于储存、运输和销售。

3 结论

此新型餐余垃圾处理器结合好氧发酵和微生物处理的双重优势，通过加入EM高效菌剂，并创新性地把微波加热技术融入好氧发酵过程，解决了以往传统工艺自然发酵状态下难升温、耗时长、腐熟度低，部分垃圾厌氧发酵产异味等弊端。通过搅拌器慢速转动，在保持低能耗的状态下使餐余垃圾与空气连续接触避免进入厌氧状态。此处理器还具有占地面积小，可灵活移动，预处理、发酵、烘干一体化等优势，可用于高校餐厅、大型工厂食堂，具有较强实用性。产生的优质有机肥可施于校园草木或厂区绿地，或干燥处理后出售给花木基地等。在降低餐余垃圾清运费用的同时也避免对环境的二次污染，带来经济效益和环境效益。