餐厨垃圾的无害化处理与回收利用完整版

餐厨垃圾的无害化处理

与回收利用

HUA system office room 【HUA16H-TTMS2A-HUAS8Q8-HUAH1688】

餐厨垃圾的无害化处理与回收利用研究Research on Harmless Treatment

and Recycling use of Food Residue

目录

1 研究背景 (4)

1.1 国外餐厨垃圾处理现状 (4)

1.2 国内餐厨垃圾处理现状 (7)

1.3 研究内容和目的 (7)

1.3.1 研究目的 (7)

1.3.2 预研究内容 (8)

2 餐厨垃圾处理方法综述 (8)

2.1 生物法处理餐厨垃圾 (8)

2.1.1 厌氧发酵工艺 (9)

2.1.1.1 厌氧发酵的原理和影响因素 (9)

2.1.1.2 厌氧发酵的工艺流程 (12)

2.1.1.3 国内外餐厨垃圾厌氧发酵主要设备 (15)

2.1.1.4 餐厨垃圾厌氧发酵技术瓶颈 (18)

2.1.2 好氧增肥工艺 (18)

2.1.2.1 好氧堆肥工艺的原理及工艺系统 (18)

2.1.2.2 好氧堆肥的研究因素及研究进展 (19)

2.1.2.3 好氧堆肥的设备实施及技术难度 (19)

2.2 物理法处理餐厨垃圾 (21)

2.3 餐厨垃圾处理方法小结 (21)

3 餐厨垃圾处理设备存在的问题及发展趋势 (22)

3.1 大型餐厨垃圾处理生产线存在的问题 (22)

3.2 中小型垃圾处理设备存在的问题 (22)

3.3 餐厨垃圾设备发展趋势 (23)

4 行业政策与前景 (24)

4.1 行业政策 (24)

4.1.1 国家政策 (24)

4.1.2 兰州市政策 (26)

4.2 行业前景 (26)

5 总结 (27)

1 研究背景

餐厨垃圾，俗称泔脚。主要产生于城市居民在生活消费过程中，由于其主要成分为油脂和蛋白等高热量有机成分，所以其极易变质，容易散发恶臭，传播细菌和病毒，容易造成二次污染。剧研究，城市生活垃圾中有机物的含量为40%~50%，主要包括餐余垃圾、餐饮业垃圾、食品行业尾料等，主要以淀粉类、食物纤维类、动物脂肪类物质为主，而且其具有含水率高，油脂盐分含量高，易腐烂、发酵、发臭等特点。产生的渠道主要集中在酒店、食品厂、学校、政府、科研行政机构等。【王星，王德汉，张玉帅，陆日明.国内外餐厨垃圾的生物处理及资源化技术[J].环境卫生工程，2005,13(2):25-28】

而餐厨垃圾作为生活垃圾，其危害主要有以下四点：1.环境污染，影响市容；2.危害人体健康；3.传播疾病；4.餐厨垃圾堆放过程中产生的液体渗透到地下水系统，污染地下水。对于餐厨垃圾的处理方式，国内外也总结了很多宝贵的经验。如城市垃圾的处理方式通常有焚烧和填埋，如果将餐厨垃圾和城市其他垃圾进行焚烧，由于餐厨垃圾水分含量常常高达90%左右，发热量为2100~3100kJ/kg，和其他生活垃圾一起进行焚烧，不但不能满足焚烧发电的发热要求（要求5000kJ/kg以上），反而会致使焚烧炉燃烧不充分而产生二恶英；而如果将生活垃圾进行填埋处理，蛋白质油脂等有机物在地表下面不易降解，进而污染土壤和地下水系统。鉴于此，餐厨垃圾不宜与其他生活垃圾（如塑料、纸屑、玻璃等）一起处理，而有必要进行单独处理。[王向会，李广魏，孟虹，马琳，赵国珏.国内外餐厨垃圾处理状况概述[J].环境卫生工程，2005,13(2):41~43]

1.1 国外餐厨垃圾处理现状

对于一般小家庭而言，每种垃圾单独回收需要很大的回收空间，所以近几年国外发展的主要思想就是减量化处理，立足于此，国外小型餐厨垃圾处理机应运而生。国外的餐厨垃圾处理装置大致分为机械研磨型和生化处理型。

机械研磨型处理机的主要原理是通过高速运转的刀片将装在内胆里的各种食物垃圾切碎后再将搅拌物冲入下水道，这样的方式既解决了水稻堵塞带来的麻烦，又解决了因垃圾腐烂变质而带来的环境污染。这种装置美国使用较早，早在20世纪40年代就已经成功研制了家庭食物垃圾处理机，解决了倾倒家庭食物垃圾和存放的烦恼。在美国，餐厨垃圾产生量较大的单位设置了餐厨垃圾粉碎机和油脂分离装置，实现了餐厨垃圾的粉碎和油脂分离技术，而其中分离出来的油脂则送往油脂加工厂（如肥皂厂）加以利用。在日本，松下电子工业公司1993年研制生产的MS-N40和MS-N31垃圾处理机，3~4小时就可处理0.7kg 垃圾，机器内置臭氧除臭器，用以除去垃圾的多种气味。而日本精工公司与2000年5月成功地开发出使用磁控管的食物垃圾处理装置。这种装置的最大特点是能将食物垃圾的水分蒸发掉，经干燥后磨碎。这种装置由于采用微波处理装置，可同时杀灭垃圾中的细菌并防止产生有害气体，体积如同复印机大小，可放置在室内，底面有轮子可随意移动，因此

对市区饮食店和小型超市尤为适用，具有广阔的市场。

图1.1 餐厨垃圾处理机

Fig.1.1PPPPPPPPP PPP PPPP PPPPPPP 此外，国外近几年新兴的一中有机垃圾的处理方式——生化处理型餐厨垃圾处理机。又根据出料的时间分为“消灭型”和“堆肥型”。消灭型重在垃圾的减量，适合于居住小区有垃圾就地消除的情况，清除恶臭，避免蚊蝇滋生，也减少了收集运载过程中的环境污染。其主要原理是通过研究微生物，以此为催化剂与餐厨垃圾进行搅拌，往往经过数小时即可将有机垃圾分解为水和二氧化碳。而另外一种堆肥型则是综合了垃圾的减重和重新利用，也就是兼顾了餐厨垃圾的减量化和资源化。堆肥型垃圾处理机是一种添加了高效菌中并控制堆肥条件的动态快速有机垃圾堆肥器。[张宪生，沈吉敏，厉伟等.城市生活垃圾处理处置现状分析.[J].安全与环境学报，2003,3(4):60~64]用餐厨垃圾制作有机肥料，其基本技术可以分为好氧发酵和厌氧发酵法。经过堆肥后的垃圾肥效高、肥效快、肥效稳定、体积小和致病菌少等优点。该方法的不足之处是必须将垃圾堆进行翻堆，这样才能增加厌氧菌种和垃圾接触的机会，提高垃圾厌氧发酵的速度和确保垃圾处理的效果，尤其是对致病菌的去除效率。

图1.2 中试厌氧发酵罐

Fig.1.2PPPPP?PPPPP PPPPPPPPPP PPPPPPPP 与厌氧发酵相比，好氧发酵具有成本低、工艺操作简单等优势。图1.2显示了好氧发

酵的工艺流程。

图1.3 厌氧发酵工艺流程

Fig.1.3PPPPPPP PPPP PP PPPPPPPPPP PPPPPPPPPPPP 此外，在堆肥方法中国外正在积极发展蚯蚓堆肥法。蚯蚓在自然生态系统中具有促进

有机物质分解转化的功能的基础上发展起来的一项生物处理技术。蚯蚓在其新陈代谢过程

中吞食大量有机物质并将其与土壤混合，通过砂囊的机械研磨作用和肠道内的生物化学作

用促进有机物质发证降解转化。

制作饲料是餐厨垃圾的第二大用途，技术主要有高温消毒法和好氧发酵法。餐厨垃圾

经过收运后，分拣出大骨头、汤勺等硬质杂物，然后进入粉碎机粉碎，高温消毒后，将微

生物、碎玉米、糖等添加剂充分混合后装桶后直接送往禽畜牧场。一套这样的系统可处理

餐厨垃圾50t/d，靠出售饲料就能维持运转。据了解，这种微生物不仅能分解食物，还能

防止饲料变质，他们正在积极开发“食物残渣加工回收利用”的设备，目的是更好地对餐

厨垃圾进行回收利用。

1.2 国内餐厨垃圾处理现状

国内餐厨垃圾主要用于饲料的生产和堆肥。如图1.4所示。

图1.4 国内餐厨垃圾的主要去向

Fig.1.4PPP PPPP PPPPPPPPPPP PPPP PPPPP PP PPPPP 在国内最早推行餐厨垃圾处理机的厂商有美国的艾默生电气和通用公司，由于进入市

场较早，十年来的市场运作给这两个品牌的餐厨垃圾处理机带来了极为可观的市场占有

率；之后又有美国擎通集团垃圾处理机介入，其市场份额现已位居第一。同时国内一些厂

家也开始研发各自的产品，如江苏省某制造有限公司自行研制开发生产的厨房垃圾粉碎

机，主要利用锤头在高速旋转时产生的惯性力将垃圾击碎，再通过齿板、齿田的相对运动

进行再次切割、研磨，粉碎后的垃圾随下水道冲走，处理技术的成熟度还有待于提高。又

如中国万家电器集团有限公司研制的万家SLC370型食物垃圾处理机，采用湿法厌氧发酵

处理垃圾，将餐厨的食物垃圾粉碎成极小颗粒，进入排水系统，经短期发酵后形成淤泥状肥料。该方法仅局限于家庭内就地处理食物性垃圾，所以处理规模小。[王向会，李广魏，孟虹，马琳，赵国珏.国内外餐厨垃圾处理状况概述[J].环境卫生工程，

2005,13(2):41~43.]

1.3 研究内容和目的

1.3.1 研究目的

通过对国内外研究现状的分析，立足于国内外餐厨垃圾研究现状，研究的目的旨在国内外研究方法及设备的基础上不断改进和发展，制定一套行之有效的设备和方针，最大化的收集和利用餐厨垃圾，不仅要做到城市垃圾的减量，还要变废为宝；不仅要行之有效，还要行之有利。

1.3.2 预研究内容

1. 对餐厨垃圾的无害化处理的整个产业链工艺、流程调查、研究；

处理餐厨垃圾的方法主要可分为物理法和生物法。其中物理法适用于小型垃圾量的处理。而发酵堆肥法等生物法适用于大中型垃圾量的综合处理。本文只是对其处理方法基本原理及工艺流程等做了一个简单的概述。

2. 对处理餐厨垃圾的装备配置情况调查、研究；

要想实现餐厨垃圾处理的产业化发展，其技术配置情况是必要的，但也是比较难处理的问题。餐厨垃圾种类繁多，单一化的处理方式不足以满足对其的处理问题。所以餐厨垃圾的多元化分析和多元化的处理方式是其难处理的一个问题。

3. 调查餐厨垃圾处理技术装备的国、内外行业发展现状及技术瓶颈、关键技术等；

一是实现基于物联网、GPS及GIS等技术的智能化收运系统，实现餐厨垃圾实时、定量跟踪收运，通过技术手段解决餐厨垃圾收运问题；二是采用干法厌氧发酵方法，解决沼液排放的二次污染问题；三是研发多原料混合厌氧发酵技术；四是开发专门适用于餐厨垃圾物料特性的收运、预处理、发酵、搅拌等专用装备；五是突破传统沼气仅用于家庭炊用的局面，将沼气进行提纯后，制备高品质生物天然气等高值产品，实现高值利用；六是综合利用餐厨垃圾厌氧消化过程中产生的废液、废渣和废气，实现餐厨垃圾完全和生态循环利用。

2 餐厨垃圾处理方法综述

综合国内外餐厨垃圾处理方法，据目前的研究来看，餐厨垃圾大体可分为生物法和物理法两种方法。

2.1 生物法处理餐厨垃圾

生物法主要采取微生物或者其他生物技术，将餐厨垃圾制成发酵饲料或者肥料，这种处理工艺一般周期比较长，需要对菌种和其他生物选择管理，工艺相对物理方法比较复杂。而生物法又可大致分为厌氧发酵和好氧增肥方法，厌氧发酵工艺相对较为复杂，不过厌氧发酵工艺废物利用率较高，发酵过程中产生的沼气可发电或者用作家用燃气，而好氧增肥工艺则相对较为简单，其代表为蚯蚓增肥法，在美国中西部用运较多。

2.1.1 厌氧发酵工艺

厌氧发酵作为一种绿色环保的技术工艺，近20年来在国内有了较大的发展。它主要

利用厌氧微生物，将有机废物高效地降解利用并产生清洁能源气体的技术，不仅满足了当

今社会人们对环保的需要，而且还有效的解决了餐厨垃圾的处理问题，变成了可利用的资

源。国内早期厌氧发酵技术主要用于废弃污泥和高浓度有机废液的处理，但在餐厨垃圾处

理方面用运较少，随着国内餐厨垃圾排放量的日渐增多，餐厨垃圾在城市垃圾中所占的比

例也相应的增多，厌氧发酵技术也逐渐被用运于餐厨垃圾的处理上，并且也取得了相应的

成果。下面就从餐厨垃圾厌氧发酵的原理和影响因素、工艺流程、设备设施以及技术瓶颈

四个方面对厌氧发酵工艺进行一个大致的概述。

2.1.1.1 厌氧发酵的原理和影响因素

(1)厌氧发酵原理：

厌氧发酵（又称为厌氧消化）是指在厌氧微生物的作用下，有控制地使废物中可生物

降解的有机物转化为PP 4、PP 2和稳定物质的生物化学过程。沼气为混合气体，其主要

称为为甲烷(PP 4)和二氧化碳(PP 2)，其中前者约占50~70%左右，后者为30~40%左右，

此外其中还有少量的P 2P、P 2、PP、P 2 等气体。

厌氧发酵主要分为两个过程：厌氧分解过程和生物化学反应过程。有机物分子中含有

P 元素，以P P P P P P P P P P 表示，则其分解过程可表示为:

P P P P P P P P P P +(4P ?P ?2P +3P ?2P 4

)P 2P →(4P +P ?2P ?3P ?2P )PP 4+(4P ?P +2P +3P +2P )PP 2+PPP 3+PP 2P

图2.1为厌氧发酵的有机降解步骤：

图2.1 厌氧发酵的有机降解步骤

Fig.2.1PPPPPPPPPP PPPPP PP PPP PPPPPPPPP PPPPPPPPP P 图2.1中显示了厌氧微生物降解大分子有机物质的四个阶段，即水解、酸化、乙酸化

和甲烷化。在厌氧发酵过程中，餐厨垃圾中的大分子量物质首先被微生物分解为分子量较

小的物质，如糖、多肽和长链脂肪酸等物质。研究表明，在如上四个步骤当中，水解是限

速步骤，即水解的快慢直接影响了厌氧发酵过程，其主要原理为在水解过程中，水解酶或

辅水解酶首先要吸附在有机大分子颗粒表面，将长链大分子有机质分解成短链聚合物。而

第二阶段，生成的短链有机物进一步被产酸菌酸化，生成如葡萄糖、氨基酸和其他短链的

有机酸，同时产生少量的PP3和P2P。第三阶段为产乙酸阶段，葡萄糖和氨基酸等物质

在乙酸菌的作用下，生成挥发性的脂肪酸（如乙酸和丁酸），同时也会生成少量的P2和

PP2。第四阶段为甲烷化阶段，将脂肪酸类、P2/PP2转化成甲烷，在整个发酵过程

中，大部分能量将储存在甲烷中，少部分被微生物利用。图2.2为产甲烷菌的代谢类型：

图2.2 产甲烷菌的代谢模型

Fig.2.2PPPPPPPPPPPP PPPPP PP PPPPPPPPPPPP PPPPPPP

(2)厌氧发酵的影响因素：

目前的厌氧发酵技术主要采用厌氧活性污泥堆有机质进行高效降解，然而该技术却易

受多种因素的影响，如有机质的进料负荷、发酵温度、C/N比、氨氮、挥发性脂肪酸、长

链脂肪酸、pH值、物料粒径和微量元素等。[张存胜.厌氧发酵技术处理餐厨垃圾产沼气

的研究[D].北京化工大学,2013]

有机负荷对厌氧发酵有重要的影响，负荷较低的情况下，厌氧发酵中发酵菌的分解处

理能力相对较弱；而负荷过大的情况下，容易使得发酵酸化，进而导致发酵失败。所以维

持比较适宜的有机负荷可以使厌氧发酵高速有效地进行。据研究表明，最大的餐厨垃圾负

荷为12.5P·PP/P，对应的沼气和甲烷的长率分别为430PP/P?PP和245PP/

?，P0为总质量，P1为挥发性物质的质量。

P?PP。其中PP=P1P0×100%

图2.3 其他条件不变的情况下有机负荷与甲烷含量的对应关系

Fig.2.3PPPPPPPPPPPP PPPPPPP PPP PPPPPPP PPPPPPP PP P/P比也是影响厌氧发酵的一个重要参数，它不但影响厌氧发酵沼气产率还影响发

酵液的氨氮浓度。比较适宜的P/P比有利于微生物的生长。研究表明P/P比在13.9~19.6

之间比较适宜，当P/P比为19.6时厌氧发酵能够高效地进行。

金属元素包括K、P P、P a、P P、P P、P P、P P、P P等元素。微生物的生长出

了需要营养元素外，还需要金属元素，这是由于生长过程中很多酶和辅酶需要一定量的金

属元素。例如，在三磷酸腺苷的合成过程中，P P元素起到了相当重要的作用。

氨氮和挥发性脂肪酸对微生物降解过程也有重要的影响。其中氨气的含量主要对PP

值有调节作用。此外，微生物的生长过程，对发酵体系的PP值也有要求，且每种微生物

所适宜的PP环境也有所不同。比如产甲烷菌的适宜PP值为6.5?7.5，就是中性；而产

酸菌的生长适宜PP值为4.0?8.5，偏酸性好一点。

温度对发酵的影响也是不容忽视的。微生物与餐厨垃圾混合时，微生物分泌出的生物

活性酶会对有机溶质进行讲解，而我们知道，每种生物酶必须要在适宜的温度下才具有活

性，才能最大限度地进行发酵。研究表明，适宜厌氧发酵的温度范围有两个[此处标注文

献论文13页]，分别是中温(30?37℃)和高温(45?55℃)。图2.3为不同温度下某有机

溶剂沼气产量。

图2.4 不同温度下某有机溶质的沼气产量

Fig.2.4PPPPPP PPPPPPPPP PP PPPPPPP PPPPPP PP PPPPPP 2.1.1.2 厌氧发酵的工艺流程

现阶段的厌氧发酵工艺流程可主要分为三个阶段：液化阶段、产酸阶段和产甲烷阶

段。可分为单相工艺和双相工艺。

图2.5 厌氧发酵各个阶段流程示意图

Fig.2.5PPPPPPP PP PPPPPPP PPPPP PPP PPPPPPPPP PPPPPP

(1)首先是液化阶段(PPPPPPPPPPPP PPPPP)。液化阶段的主要化学反应式为：

蛋白质+PP2P→氨基酸+脂肪酸+PP3+PP2+P2P

P3P5(PPPP)3+3P2P→P3P5(PP)3+3PPPPP

（脂肪）（甘油）（脂肪酸）

2P6P10P5+PP2P→PP12P22P11→2PP6P12P6

（碳水化合物）（双糖）（单糖）

由反应式可知，在液化阶段，主要由大分子物质通过微生物的降解作用分解为小飞子的脂肪酸、甘油和糖类物质。

(2)其次是产酸阶段(Acid?producting stage)。液化阶段产生简单可溶性有机物（丙酸、丁酸、乳酸，醇、酮、醛，还有糖类物质等），在产氢菌和产乙酸菌的作用下，进一步分解成乙酸和H2等。

简单可溶性有机物产甲烷菌、产醋酸菌的作用

→ 甲醇＋甲酸＋乙酸+PP2+P2

(3)最后一个阶段是产甲烷阶段，化学反应式如下：

PP3PPPP→PP4+PP2

4P2+PP2→PP4+2P20

4PPPPP→PP2+3PP2+2P2P

4PP3PP→3PP4+PP2+2P2P

)3P+6P2P→9PP4+3PP2+4PP3

4(PP

3

4PP+2P2P→PP4+3PP2

由反应式可知，产甲烷阶段之后产生的气体主要为甲烷和二氧化碳，此外还有少量的氨气和硫化氢。下面介绍一下单相和双相工艺。

(1)单相工艺单相工艺是指厌氧发酵降解有机物质的过程在一个反应器中进行，其反应简单工艺示意图如图2.5所示。[张存胜]

图2.6 单相工艺

Fig.2.6PPPPPP PPPPPPPPP PPPPPPPPP PPPPPPP 餐厨垃圾经过预处理之后进入发酵罐，在厌氧微生物的作用下，有机质被转化为沼气，发酵结束后废水直接被排出。单相工艺主要包括升流式厌氧污泥床（UASB）、连续搅拌反应器（CSTR）和膨胀颗粒污泥床（EGSB）等，其结构图见图2.7所示。

图2.7 单相工艺的厌氧反应器

（A：USAB；B：EGSB；C:CSTR）

Fig.2.7PPPPPPPPP PPPPPPPP PP PPPPPP

?PPPPP PPPPPPPPP PPPPPPPPP

（A:USAB; B:EGSB; C:CSTR）

图2.7A为UASB结构图，厌氧微生物吸附在污泥床的床层中，产生的沼气在反应器顶端收集，废水由顶端侧方位排出。有机质或废水由反应器底部进入反应器后，首先与污泥床接触，在接触过程中，厌氧微生物将有机质降解、产生沼气，有机质降解完毕后，废水继续上升，从而排出容器。EGSB则相比于UASB有拆流板，活性污泥一直处于膨胀状态，沉降性能比UASB好，增大了活性污泥与有机质的接触面积。而CSTR则相对较为简单，在

搅拌的作用下，有机质与活性污泥充分混合，传质效果较好，有利于微生物对有机质的降解。

(2)双相工艺双相工艺相对于单相而言较为复杂。其大体分为两个阶段，分别为酸化阶段和产甲烷阶段。第一阶段主要是有机物质的降解和酸化，这其中会有部分H2和CO2产生。第二阶段中，第一阶段所产生的酸化物质在产甲烷菌的作用下，分解产生甲烷；另外H2也与CO2混合产生甲烷。其工艺示意图如图2.8所示：

图2.8 双相厌氧发酵工艺

Fig.2.8PPP?PPPPP PPPPPPPPP PPPPPPPPP PPPPPPP 反应器的类型对双相工艺发酵效率具有重要的影响。在双相工艺中采用了不同的反应器，第一阶段一般为序批式反应器（SBR），第二阶段采用上流式厌氧污泥床反应器（UASB），可以讲海洋类有机废物（海星）高效地转化为甲烷。与单相工艺相比，双相工艺有其自身的优点。第一阶段首先在酸化器中进行酸化，然后进入产甲烷发酵罐中，避免了水解反应的步骤，有效地提高了产气速率。

2.1.1.3 国内外餐厨垃圾厌氧发酵主要设备

目前市场上出现的厌氧发酵主要设备，如发酵罐、发酵箱等装置较多。较为小型的设备如中国万家电器集团有限公司自行研制的玩家SLC370型餐厨垃圾处理器，由于其处理