餐廚垃圾處理設備研究

劉玉德， 繩以健， 石文天， 藍俞靜， 劉 洋

(1.北京工商大學 材料與機械工程學院，北京 100048;2.總后軍需裝備研究所，北京 100010)

餐廚垃圾處理設備研究

劉玉德1， 繩以健2， 石文天1， 藍俞靜1， 劉 洋1

(1.北京工商大學 材料與機械工程學院，北京 100048;2.總后軍需裝備研究所，北京 100010)

通過分析食堂餐廳等餐廚垃圾的組成成分和特點，研究了利用生物堆肥方法處理餐廚垃圾的工藝流程，并據(jù)此設計了實現(xiàn)餐廚垃圾處理的單元化處理設備的結構組成.實驗結果表明:據(jù)此設計的單元化處理設備，餐廚垃圾的減量率可以達到91%，并可實現(xiàn)資源化利用.

餐廚垃圾處理設備;堆肥;減量率;資源化利用

餐廚垃圾指食堂餐廳等單位產(chǎn)出的食物殘余、食品加工廢料等廚余垃圾和廢棄食用油脂.餐廚垃圾成分復雜，是油、水、果皮、蔬菜、米面、魚、肉、骨頭以及廢棄的木質餐具、紙巾等多種物質的混合物，以蛋白質、淀粉、纖維素和動物脂肪等為主，且鹽分、油脂含量高.根據(jù)飯菜的不同，其組成成分也變化極大.由于餐廚垃圾中含有豐富的營養(yǎng)物質，如果不經(jīng)處理直接排放到自然界，在適宜溫度和細菌的作用下，短期內(nèi)即腐敗變質，不僅對周圍環(huán)境造成污染、滋生蚊蠅，侵占大量的土地，而且也造成資源的大量浪費［1－2］.因此，對餐廚垃圾進行有效利用和綜合處理，將具有十分重大的意義.本文針對食堂餐廳產(chǎn)生的餐廚垃圾進行針對性的分析，設計了堆肥處理的工藝流程和相應的小型單元化處理設備，該設備可以放置在食堂餐廳附近，解決了餐廚垃圾在垃圾場中處理時間間隔長、運輸及分類困難的問題.

1 處理工藝及設備設計

1.1 餐廚垃圾的組成分析

根據(jù)對一些高校食堂的抽樣調(diào)查和測定，餐廚垃圾的成分組成如表 1 和表 2［3－4］.

餐廚垃圾的這些特征表明一方面具有較高的利用價值;另一方面必須對其進行適當處理才能得到社會效益、經(jīng)濟效益和環(huán)境效益的統(tǒng)一.

表1 餐廚垃圾營養(yǎng)物質含量Tab.1 Nutrient contents of food residue

表2 餐廚垃圾含水量測定結果Tab.2 Test results of food residue water contents

1.2 處理工藝流程

根據(jù)餐廚垃圾的組成，其處理工藝流程如下:

餐廚垃圾→固液分離→粉碎→微生物發(fā)酵降解→肥料.

1.3 處理流程說明

1)固液分離.根據(jù)分析，餐廚垃圾中的自由水分含量占垃圾總量的64%以上，在如此大的濕含量條件下，菌種很難對物料加工處理，為了減少能源消耗，保證菌種的生物分解條件，首先需要對餐廚垃圾進行固液分離.本研究通過人工方法去除餐廚垃圾中的一部分水分.

2)粉碎.餐廚垃圾中的大塊物質將影響其處理效率和效果，延長餐廚垃圾的處理時間.為了提高餐廚垃圾的處理效果和效率，在對微生物進行處理之前，需要先將餐廚垃圾進行微細化粉碎，使其顆粒細化，以便增加餐廚垃圾生物化處理的反應面積，提高處理效果和效率.

3)微生物發(fā)酵降解.餐廚垃圾的微生物處理在生物反應容器中進行.在處理過程中，為了使微生物的反應處于最佳處理狀態(tài)，要保證反應容器中的溫度、濕度在規(guī)定的范圍內(nèi).根據(jù)對本研究的堆肥化處理餐廚垃圾菌種的工作條件分析，當發(fā)酵桶中的溫度在35～45℃，濕度在50%左右時，處理效果較好.為了保證溫度和濕度要求，在發(fā)酵桶中安裝有加熱器及霧化器，以便對溫度和濕度進行調(diào)節(jié).

2 處理設備系統(tǒng)組成及設計［5］

根據(jù)餐廚垃圾的處理工藝流程，為了保證餐廚垃圾的加工處理在一定的時間內(nèi)完成，本研究設計了一種餐廚垃圾單元化處理設備，其具體結構如圖1.設備主要由送料部件、粉碎裝置、清洗裝置、發(fā)酵容器、空氣過濾裝置和智能控制系統(tǒng)等組成.

2.1 送料部分

由于餐廚垃圾易腐爛，易產(chǎn)生致病菌，操作人員不宜經(jīng)常接觸，故本研究設計了送料部分.

送料部件的主要作用是將待處理的餐廚垃圾輸送到處理容器中，其主要結構包括垃圾桶、提升架、提升機構、翻轉機構和料斗.垃圾桶用于盛放垃圾，為標準塑料桶.垃圾桶在提升架、提升裝置的作用下向上或向下運動，翻轉機構用于翻轉垃圾桶，將桶中的餐廚垃圾傾倒到料斗中.垃圾桶固定于托架上，并在提升機構的作用下沿輸送軌道帶動上升，到達頂部后翻轉，完成垃圾自動添裝到發(fā)酵桶.傾倒完成后，將垃圾桶從設備頂端降下來.料斗帶有可開啟和關閉的蓋，當蓋打開時，垃圾桶翻轉將餐廚垃圾倒入到料斗中;當蓋關閉時，蓋將處理容器的內(nèi)部空間與外部空間隔開，以便防止處理容器內(nèi)的異味外泄.

圖1 餐廚垃圾單元化處理設備示意Fig.1 Diagram of food residue unit processing equipment

2.2 粉碎裝置

粉碎部件位于料斗的下部，用于將大塊的餐廚垃圾粉碎成微小的顆粒，以提高餐廚垃圾的處理效率和效果.為了使大塊的餐廚垃圾順利進入到粉碎部件，宜采用對輥結構，輥子表面可以具有斜紋或齒形形狀.可由4個相互對滾的輥子組成的粉碎裝置，通過兩級對擠方式實現(xiàn)粉碎(圖1中示出一對).一級粉碎間距較大，為粗粉碎，且雙輥之間的距離為5～10 mm可調(diào)，雙輥可繞各自的軸旋轉，軸之一為固定，另一軸為可微調(diào)，調(diào)整距離為5 mm左右.二級粉碎為細粉碎，雙輥之間的距離為3 mm左右.當餐廚垃圾通過其中時，在輥子的作用下，大塊的餐廚垃圾(如大塊的骨頭等)被壓碎，并在輸送帶的帶動下進入發(fā)酵桶，進行生物發(fā)酵處理.

2.3 清洗裝置

清洗裝置位于入口及粉碎裝置之間(圖1中未示出).主要包括水管和噴嘴，用于對進料口和粉碎部分進行清洗.由于餐廚垃圾易腐敗變質，為了保證設備的衛(wèi)生，采用噴淋方式對進料口和粉碎部分進行清洗.該清洗裝置還可以在發(fā)酵桶內(nèi)溫度較高時實現(xiàn)增濕降溫.

2.4 發(fā)酵容器

發(fā)酵容器部件由發(fā)酵桶和攪拌器組成.發(fā)酵桶用于接收來自粉碎部件的物料，攪拌器用于對容器內(nèi)的物料進行攪拌，為好氧發(fā)酵提供需要的氧分，攪拌器的攪拌方向可以根據(jù)需要改變.當正轉時，攪拌器帶動餐廚垃圾翻滾，實現(xiàn)攪拌，用于為微生物提供氧氣;當反轉時，通過攪拌器將處理完成后的產(chǎn)品排出到生物處理室外.攪拌器的旋轉速度控制在3～20 r/min.物料在攪拌器的作用下上下運動并與空氣充分接觸，有利于好氧發(fā)酵的進行，其加工效率和加工效果更好.

發(fā)酵容器的容積根據(jù)型號的不同而不同，其內(nèi)部安裝有溫度傳感器、濕度傳感器、二氧化碳檢測器、加熱裝置(溫度30～50℃)和鼓風機.根據(jù)溫度傳感器和濕度傳感器檢測到的數(shù)據(jù)，可以對發(fā)酵容器內(nèi)部的溫度和濕度自動調(diào)節(jié).二氧化碳檢測器用于檢測容器內(nèi)的二氧化碳濃度，從而判斷反應處理過程和效果.發(fā)酵容器內(nèi)部還具有添加菌種的加料器，用于添加菌種.

2.5 氣體過濾裝置

為了使排到外部的氣體不污染大氣環(huán)境，在出氣口設置氣體過濾裝置，用于去除排出氣體中的異味.除味方式可以采用活性炭吸附或其它任何可以去除異味的方式.氣體過濾裝置由活性炭和加熱裝置組成.活性炭吸附排出氣體中的異味，加熱裝置對氣體進行加熱，以將異味進行加熱分解，保證排出氣體不污染周圍環(huán)境.

餐廚垃圾在發(fā)酵容器中發(fā)酵腐熟后變成棕褐色，無臭味，減量達到90%以上.發(fā)酵終產(chǎn)物滿足有機肥發(fā)酵腐熟時間，平均約為24 h.

餐廚垃圾經(jīng)過腐熟后生產(chǎn)的有機肥 GI＞100%.因此，經(jīng)過生物發(fā)酵處理后的餐廚垃圾制成的有機肥沒有毒性，且腐熟后的有機肥對植物的發(fā)芽有促進作用.

2.6 智能控制系統(tǒng)

電控部分用于實現(xiàn)對處理設備的開啟、關閉，并對工作情況進行操作和控制.電控部分具有顯示部分，用于顯示設備的工作狀態(tài).顯示部分采用液晶觸摸屏操作，顯示的內(nèi)容包括加工環(huán)境的溫度、濕度、攪拌器的旋轉方向等與加工相關的內(nèi)容.環(huán)境參數(shù)由檢測裝置進行監(jiān)控，并通過控制部分響應，確保加工環(huán)境條件，提高酵母菌的加工效果.

設備的控制系統(tǒng)框圖如圖2.其以Atmel公司生產(chǎn)的AVR單片機作為控制核心的數(shù)字化控制裝置，可以實現(xiàn)對垃圾處理機生化降解室內(nèi)的溫濕度、CO2濃度的檢測，溫度、濕度的恒溫、恒濕閉環(huán)，通過程序控制實現(xiàn)垃圾的提升、傾倒、粉碎、定時攪拌、出料、清洗及除臭等一系列功能.

圖2 垃圾處理機控制器系統(tǒng)Fig.2 Block diagram of food residue processor controller system

控制器采用3×3獨立輸入鍵盤(如圖3)，實現(xiàn)對垃圾處理機的啟動、停機控制及參數(shù)設定，LCD液晶顯示屏顯示垃圾處理機的溫濕度、CO2濃度等參數(shù)及設備的工作狀態(tài)，獨立輸入鍵盤與LCD顯示結合使用，提高了人機交互的水平，界面友好，使用方便.

圖3 控制器面板Fig.3 Controller panel

控制器采用數(shù)字式溫濕度傳感器、CO2傳感器，接口電路簡單，抗干擾能力強，測量精度高，為實現(xiàn)垃圾處理機溫濕度控制提供精確有效的檢測數(shù)據(jù)，以便為酵母菌提供良好的發(fā)酵環(huán)境打下良好的基礎.

3 實驗結果分析

按照有機肥標準NY884—2004對餐廚垃圾處理剩余物進行檢測，結果見表3.由檢測結果可以得出，餐廚垃圾處理剩余物符合NY884—2004標準的要求.

表3 餐廚垃圾檢測結果Tab.3 Test results of food residue

4 結論

研究設計的餐廚垃圾單元化處理設備具有堆料攪拌均勻、進出料簡單、供氣均衡等特點，可促進餐廚垃圾從有機物向穩(wěn)定的小分子物質和腐殖質轉化的生物降解過程，有機物質降解為可被細胞吸收利用的小分子物質，并釋放CO2、H2O和熱量，從而實現(xiàn)有機質礦質化、減量化、無害化的過程，達到餐廚垃圾的無害化處理.

［1］王向會，李廣魏，孟虹，等.國內(nèi)外餐廚垃圾處理狀況概述［J］.環(huán)境衛(wèi)生工程，2005，13(2):41-43.

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［4］孟瀟，韓濤，任連海，等.通風量對餐廚垃圾好氧堆肥的影響［J］.北京工商大學學報:自然科學版，2008，26(3):4-8.

［5］劉玉德，繩以健.小型餐廚垃圾處理設備研究［J］.糧油加工，2010(1):107-110.

(責任編輯:檀彩蓮)

Study on Processing Equipment of Food Residue

LIU Yu-de1， SHENG Yi-jian2， SHI Wen-tian1， LAN Yu-jing1， LIU Yang1
(1.School of Material and Mechanical Engineering，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China;2.Quartermaster Research Institute of the General Logistics Department of PLA，Beijing 100010，China)

The composition and characteristics of food residue were analyzed，and the processing technologies of food residue using composting method were studied in this paper.The unit processing equipment structures of food residue were designed.The experimental results showed that 91%of the reduction rate of food residue processing and its resource utilization could be realized by using the unit processing equipment.

processing equipment of food residue;compost;reduction rate;resource utilization

TS203;X792

A

1671-1513(2011)06-0069-04

2011-07-04

北京市屬高等學校人才強教計劃資助項目(PHR201107110).

劉玉德，男，教授，博士，主要從事食品加工機械方面的研究.