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      新型餐余垃圾資源化處理器設(shè)計(jì)

      2019-05-29 05:37:36康鎖倩張競元劉星辰張玉臣薛培英
      現(xiàn)代農(nóng)村科技 2019年5期
      關(guān)鍵詞:發(fā)酵罐攪拌器餐廚

      郝 迪 康鎖倩 張競元 劉星辰 李 慧 張玉臣 薛培英

      (河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 河北 保定 071000)

      1 前言

      隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展,人們生活水平不斷提升,人們每日餐廚垃圾的生產(chǎn)量越來越大,餐廚垃圾的處置逐漸成為一個(gè)亟待解決的新型環(huán)境問題。有關(guān)研究表明,大城市內(nèi)每天的生活垃圾產(chǎn)量約3 000 t,而餐廚垃圾占到其中的一半甚至以上[1]。2015年,全國餐廚垃圾產(chǎn)生量約為9 110萬t,日均餐余垃圾產(chǎn)生量為25萬t,人均日產(chǎn)量為0.18 kg。

      餐余垃圾主要有三方面的危害:餐廚垃圾通過不法渠道流回食物鏈,帶來嚴(yán)重的食品安全隱患,人畜食用后產(chǎn)生疾病、疫情;餐余垃圾大量堆積極易腐爛變質(zhì)造成環(huán)境污染,滋生蚊蠅,產(chǎn)生惡臭污染空氣,滲濾液污染水土;大量垃圾不及時(shí)處置,隨意丟棄與其他生活垃圾夾雜在一起,影響市容市貌與環(huán)境衛(wèi)生[2]。目前我國餐余垃圾處理主要是焚燒和填埋,而且焚燒處理方式占比由2004年7%增長至2015年38%。預(yù)計(jì)我國2020年末生活垃圾焚燒處理能力需要從2017年末的23.52萬t/d增長至59.41萬t/d。焚燒所占總垃圾處理方式的比例由2015年的38%上升至2020年的54%。焚燒雖然減容性大、能夠產(chǎn)生一定的熱量,但餐余垃圾高含水率的特性決定它并不適合用,不僅無法資源化利用,還降低焚燒爐內(nèi)溫度,導(dǎo)致燃燒不充分,產(chǎn)生二惡英。而利用生化的方法進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)肥,適應(yīng)當(dāng)前發(fā)展趨勢,逐漸走入人們的生活[3~4]。

      垃圾是放錯(cuò)位置的資源。資源化利用餐廚垃圾,既能帶來環(huán)境效益,同時(shí)又得到經(jīng)濟(jì)效益。高油,高鹽分,高含水率,是我國餐余垃圾的特性。餐余垃圾干物質(zhì)中含有機(jī)物80.21%和粗脂肪25.86%,且餐廚垃圾35%左右的干物質(zhì)中含約12%粗脂肪,含超過20%蛋白質(zhì)。中國餐余垃圾年產(chǎn)量相當(dāng)于3 000萬畝玉米和600萬t生物柴油。餐廚垃圾資源化特征顯而易見,資源化加工處理是目前產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然選擇。目前資源化處理方式主要分為厭氧發(fā)酵、好氧堆肥、烘干做飼料和微生物處理等。厭氧發(fā)酵有較高的無害化程度和較高的有機(jī)復(fù)合承擔(dān)能力,但占地大、投資高、工藝復(fù)雜和發(fā)酵時(shí)間長,無法高效處理餐余垃圾。而好氧發(fā)酵可以在較短的周期里使物料堆肥熟化。此外微生物處理,常用固態(tài)發(fā)酵,能耗低、周期較短,產(chǎn)率較高,一定程度上改良了傳統(tǒng)工藝處理餐廚垃圾產(chǎn)生的營養(yǎng)物質(zhì)利用率低的問題,這是餐廚垃圾資源再利用的一種重要方法[5]。因此,好氧發(fā)酵同時(shí)添加微生物菌劑可使發(fā)酵時(shí)間大大縮短,有機(jī)質(zhì)利用率也顯著提高,相較于傳統(tǒng)工藝,優(yōu)勢明顯。

      目前現(xiàn)有的好氧發(fā)酵罐有自然發(fā)酵罐、工業(yè)上用來進(jìn)行微生物好氧發(fā)酵的大型設(shè)備、高溫好氧發(fā)酵罐。其主要處理流程都為預(yù)處理除油脫水、攪拌、堆肥發(fā)酵、干燥、貯存。但現(xiàn)有好氧發(fā)酵罐存在以下幾個(gè)較為顯著的問題:①占地面積大,運(yùn)行成本高。如現(xiàn)有的設(shè)備日處理量為100~2 000 t,尺寸較大,雖處理量大,但體積大難以靈活移動(dòng),并不適于高校餐廳或大型食堂餐廚垃圾的就地處理,運(yùn)行能耗約耗電100度/d,能耗較大。②現(xiàn)有自然發(fā)酵罐,發(fā)酵時(shí)間長、效果差、易產(chǎn)生惡臭。③現(xiàn)有一般單層發(fā)酵罐保溫性能差、升溫緩慢,預(yù)處理與發(fā)酵一體化程度低。相關(guān)研究表明發(fā)酵效率主要取決于溫度、含水率、微生物菌劑。溫度控制與加熱方式有關(guān),現(xiàn)有電熱、太陽能加熱、微波加熱等。其中,微波加熱方式原理為微波使水分子自旋運(yùn)動(dòng)而將微波能轉(zhuǎn)化熱能而使介質(zhì)直接被加熱。這使其相較于其他方式優(yōu)勢明顯,效率高、能量利用率高,微波可選擇性加熱,升溫快且裝載量相等時(shí),微波加熱耗能不到電熱的10%[6]。微波加熱可使含水率快速降到適宜的情況。與不接菌種相比,接種微生物菌劑能使堆肥初期激發(fā)微生物增殖,加速腐熟。有研究表明EM菌劑可縮短發(fā)酵周期,提高高溫期溫度,促使餐廚垃圾無害化[7]。

      本新型處理器針對(duì)以上缺陷進(jìn)行改進(jìn),設(shè)計(jì)為體積適宜、移動(dòng)靈活、放置在餐廳室內(nèi)直接回收餐廚垃圾。運(yùn)行時(shí)采用微波加熱技術(shù),人工高效輔助升溫,減少運(yùn)行時(shí)間,與大型設(shè)備相比更節(jié)省能耗。結(jié)合高效EM菌劑共同促使發(fā)酵過程快速完成。另外,此設(shè)計(jì)改進(jìn)了處理器外殼,設(shè)計(jì)為雙層結(jié)構(gòu),提高了保溫

      性能,且雙層金屬外殼有效阻止了電磁波的逸出,保證其安全性。各個(gè)處理單元緊湊排列,處理過程連續(xù)、一體化。滿足人們對(duì)餐余垃圾進(jìn)行高效快速處理的需求。

      2 新型餐廚垃圾發(fā)酵罐設(shè)計(jì)

      2.1 設(shè)計(jì)原理?;诤醚醵逊屎臀⑸锾幚碓?,通過加溫和控制含水率,投加高效處理餐余垃圾的EM菌劑,完成餐余垃圾的快速腐熟。相關(guān)探究復(fù)合微生物降解餐余垃圾機(jī)理的實(shí)驗(yàn)表明,在48℃~52℃時(shí)有利于殺滅病原菌,加速腐熟[8]??刂圃撎幚砥魑⒉üβ?0 W左右,先使餐余垃圾快速升溫到50℃左右,再低溫持續(xù)加熱,保溫并降低垃圾含水率到40%~50%。裝置由上到下分別是平旋開閉蓋,下層可設(shè)放置活性炭包的金屬網(wǎng),再下一層為潷水器除油裝置,下部側(cè)面為餐余垃圾進(jìn)口同時(shí)又可通過此處投加發(fā)酵菌粉,整體微波恒溫加熱裝置、左右各設(shè)一個(gè)可變速的集攪拌、粉碎于一體的攪拌器,底部設(shè)有格柵用以除水來控制含水率。

      2.2 材料與方法。餐余垃圾處理器整體采用不銹鋼材料,外殼涂層為鍍鋅噴漆,耐長時(shí)間高溫且抗腐蝕性能較好,并有效屏蔽電磁波,避免對(duì)人體產(chǎn)生傷害。整體為高80 cm,地面直徑1 m的不銹鋼圓柱筒體,一次可處理0.6 m3的餐余垃圾,適用于放置于大型食堂每層餐余垃圾回收處。圓筒潷油器為高度5 cm可伸縮的豎直刮板。攪拌器為直徑約15 cm的螺旋刀片,攪拌粉碎,快速檔位100 r/min,慢速檔位20 r/min。

      圖1 餐廚垃圾處理器設(shè)計(jì)圖

      2.3 餐余垃圾處理流程

      2.3.1 預(yù)處理階段。餐余垃圾廢棄物從側(cè)面入口進(jìn)入處理器后,首先打開頂部潷油裝置,刮除餐余垃圾上層大量油脂。然后,打開兩側(cè)攪拌器,調(diào)到快速檔位,對(duì)餐余垃圾進(jìn)行粉碎同時(shí)固液連續(xù)分離,產(chǎn)生的游離性液體通過擠壓從底部格柵排出到液體收集裝置。

      2.3.2 好氧發(fā)酵階段。經(jīng)過前期的預(yù)處理操作,為好氧發(fā)酵準(zhǔn)備條件,進(jìn)入高效率好氧發(fā)酵處理階段。在頂部金屬網(wǎng)放置適量的活性炭包,防止發(fā)酵過程產(chǎn)生異味污染大氣。打開微波恒溫加熱裝置,通過微波快速均勻的加熱餐廚垃圾,使盡快達(dá)到好氧堆肥腐熟的適宜溫度,同時(shí)又通過加溫降低含水率,控制水分含量40%左右。攪拌器開到慢速檔位,使物料與空氣不斷接觸,防止進(jìn)入?yún)捬鯛顟B(tài)。最后通過微波加熱,把發(fā)酵完成后的基礎(chǔ)肥烘干,基礎(chǔ)肥進(jìn)一步包裝處理,便于儲(chǔ)存、運(yùn)輸和銷售。

      3 結(jié)論

      此新型餐余垃圾處理器結(jié)合好氧發(fā)酵和微生物處理的雙重優(yōu)勢,通過加入EM高效菌劑,并創(chuàng)新性地把微波加熱技術(shù)融入好氧發(fā)酵過程,解決了以往傳統(tǒng)工藝自然發(fā)酵狀態(tài)下難升溫、耗時(shí)長、腐熟度低,部分垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)異味等弊端。通過攪拌器慢速轉(zhuǎn)動(dòng),在保持低能耗的狀態(tài)下使餐余垃圾與空氣連續(xù)接觸避免進(jìn)入?yún)捬鯛顟B(tài)。此處理器還具有占地面積小,可靈活移動(dòng),預(yù)處理、發(fā)酵、烘干一體化等優(yōu)勢,可用于高校餐廳、大型工廠食堂,具有較強(qiáng)實(shí)用性。產(chǎn)生的優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥可施于校園草木或廠區(qū)綠地,或干燥處理后出售給花木基地等。在降低餐余垃圾清運(yùn)費(fèi)用的同時(shí)也避免對(duì)環(huán)境的二次污染,帶來經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

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