餐饮废渣资源化开发与利用
摘 要:概述了国内外餐饮废渣资源化利用的立法情况及处置管理的现状,介绍了化学分解法、好氧生物法、微生物发酵法、高温炭化法等现有的处理技术,列举了餐饮废渣再利用制取可燃气、肥料、饲料蛋白及塑料等开发利用的形式,为实现餐饮废渣的资源化、经济化提供了研究的依据。
关键词:餐饮废渣;处置;资源化
餐饮废渣是指剩菜、剩饭以及菜叶、果皮等容易被微生物分解的有机物,主要以淀粉类、食物纤维类、动物脂肪类等物质为主,产生的渠道主要为食品加工、处理、运输等过程,来源主要集中在酒店、食品厂、学校、政府、科研行政机构等,是城市生活垃圾中有机相的主要成分,具有含水率高,油脂、盐分含量高,易腐烂、发酵、发臭等特点。随着我国经济的增长,餐饮业得到了迅猛的发展,年新增餐饮废渣等食品垃圾产生量达500万t,加之国内大部分城市餐饮废渣的管理无序、任意处置等,餐饮废渣已成为垃圾收集、运输、填埋的主要污染源,而以资源化为导向的餐饮废渣处置及处理问题也越来越引起人们的关注。
1 餐饮废渣资源化利用的立法
餐饮废渣作为饲养禽畜是过去一种很普及的现象,但是餐饮废渣往往含有大量致病菌,不少国家对餐饮废渣饲料做了严格的规定。如英国早在1973年就颁布法令,明令禁止在未经许可的情况下使用未经处理的餐饮废渣及任何与餐饮废渣接触过的饲料喂养禽畜;餐饮废渣使用者须向政府申请,经审核后签发执照,方具备餐饮废渣处理资格。日本自2002年颁布食品回收处理法令后,其食品废弃物处理发展非常迅速;并实施了食品再生废物利用法,规定从事食品产业的各企业必须在2007年将食物残留物消减。美国的佐治亚州(Georgia)早在1971年就禁止用餐饮废弃物喂养牲畜;加拿大从2002年1月l日起,禁止用餐饮废弃物喂养各类牲畜。此外,卢森堡、葡萄牙、澳大利亚等国均颁布禁止用餐饮废弃物喂养牲畜的法令。
在国内,已有部分城市实行专项立法,并根据自身的具体情况制定了食品垃圾管理的地方性法规政策,对于餐饮废渣的管理处置也加强了力度。如北京2004年出台的《北京市动物防疫条例(草案) 》规定,严禁动物养殖场使用饭店、宾馆、餐厅、食堂产生的未经无害化处理的餐饮废渣饲喂动物。2005年上海正式实行的《上海市餐厨垃圾处理管理办法》,明确规定餐厨垃圾处理管理由市、区两级市容环卫管理部门负责。2003年杭州市人民政府办公厅出台的《关于印发杭州市餐厨垃圾处置管理暂行办法的通知》,为杭州市餐厨垃圾的规范化管理奠定了基础。此外,沈阳启用的餐饮废物处置系统[ 1 ] ,明确规定所有宾馆、饭店、酒店以及机关单位的食堂必须定期向所在地区的环境保护管理部门申报登记餐饮废物的产生量,并将餐饮废物交给指定单位进行无害化处置。而重庆市于2002年2月1日重庆市环境保护局、重庆市市政管理委员会、重庆市卫生局、重庆市爱国卫生运动委员会办公室联合发布了“关于加强餐饮行业含油废水废渣管理的通告”,决定对餐饮行业含动植物油的废水、废渣及废动植物油的收集、加工利用进行整治。
2 国内外餐饮废渣处置方法概述
美国中西部地区多以堆肥方式处理家庭产生的垃圾,其处理收费标准以家庭垃圾的产生量为基准,而应用方向较多采用蚯蚓堆肥、密封式容器堆肥方式。而日本的餐饮废渣52%来自于家庭,故多采用堆肥处理技术,将食品废弃物转变为有机肥料、土壤改良剂。如日本精工公司2000年5月研发的使用磁控管的食物垃圾处理装置,采用高温消毒方式将餐饮废渣制成肥料。近年来也有利用食品废弃物生产动物饲料和利用食品废弃物生产生物气发电供热的报道。韩国餐饮废渣因含水率、盐分高,故并不盛行堆肥处理方式,餐饮废渣处理研究方向主要为厌氧消化- 生物气回收等。我国每日有近4 000 t的有机易腐物送入垃圾场填埋,除将其与普通垃圾直接混合填埋或者直接运到农场喂猪等最普遍方式的处理方式外,也有采用生物处理技术将餐饮废渣制成有机肥的研究[ 2 ] 。但填埋方式处理城市生活垃圾,占用土地量大、污染环境,还局限垃圾资源的综合回收利用,因此,我国的餐饮废渣一直未得到有效的资源化利用[ 3 ] 。
3 餐饮废渣处理技术与资源化利用
3. 1 化学分解回收生物气
该方法利用化学反应,通过添加化学物质使饮废渣中的有机物质的化合键断裂,分解掉餐饮废渣中的有机物质, 由大分子量的有机物转化成小分子量的可燃气体、液体燃料及焦炭等。
3. 1. 1 厌氧消化- 物气回收
目前,厌氧消化- 生物气回收法比较先进的方法是两段法生产氢气、甲烷。两段法综合了相分离、反应器及批序式模式[ 4 ] 。处理流程由两部分组成:流化床反应器产氢气,UASB反应器产甲烷。化学分解方法简单、高效、易行。但餐饮废渣中大量有用物质被浪费掉,还会导致渗滤液和沼气的产量升高,容易造成二次污染。
3. 1. 2 化学热解回收可燃气
热解法将有机化合物在缺氧的条件下利用热能使饮废渣中的有机物质由大分子量的有机物转化成小分子量的可燃气体、液体燃料及焦炭等。常用的热解炉主要是熔融气化炉。城市生活垃圾用热解法处理难度很大。因为城市生活垃圾是一种极为复杂,水分、组分极不稳定的混合废物,稳定热解很不容易,其投资费、运行费、维护费均很高。因此,只有在不考虑其经济效益的前提下,垃圾分解技术才能实现其工业化。
3. 2 好氧生物处理制肥料
堆肥是依靠自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物,在人工控制的条件下,将食物垃圾的水分蒸发掉,经干燥后磨碎,把餐饮废渣通过一系列处理工序转变为可供农业生产使用的有机复合肥,以防止产生有害气体。堆肥工艺分为好氧堆肥和厌氧堆肥,又可分为静态和动态两种操作方式[ 5, 6 ] 。好氧法处理餐饮废渣与厌氧法相比其操作过程简单、运行成本低、物料停留时间短[ 7 ] 。目前,加工制肥料主要采用微波处理、蚯蚓堆肥、密封式容器堆肥等方式。蚯蚓堆肥是近年来根据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质的分解转化[ 8 ] ,但必须分离出无机物及其他不能被蛆叫消化的垃圾。由于我国垃圾成分较为复杂,因此国内尚很少采用蛆好床法。而密封式容器堆肥是一种环境可控的堆肥方式,其最大特点在于对周边环境的影响小,可避免餐饮废渣在收集后的几个小时内发酸、发臭,减小对环境的影响。密封式堆肥多采用好氧的方式,以利用堆体产生的高温来杀灭病菌。
目前,关于好氧生物处理制肥料的设备国内外研究较多的是小型生化处理机[ 9, 10 ] 。生化处理机一般是利用微生物菌群对有机物分解,再进行高速发酵、干燥、脱水、脱臭处理,使之90%以上成为水蒸气和无害气体,少量的残渣成为有机肥料。日本现有有机垃圾处理机的制造企业超过200余家,国内也在自行研制开发样机,并在一定范围内得到应用和实施。
3. 3 加工制取蛋白饲料
微生物发酵制取蛋白饲料,即通过微生物的代谢活动对原料中的有机物进行分解和转化的过程。采用的发酵方式主要有固态发酵和液态发酵两种工艺体系。固态发酵是以气相为连续相的生物反应过程,是指在没有或几乎没有自由水存在的条件下,在有一定湿度的水不溶性固体基质中,用一种或几种微生物进行发酵的一个生物反应过程;液态发酵是以液相为连续相的生物反应过程。由于固态发酵具有产率高、周期短、能耗低等特点,因而日益受到重视。具有蛋白消化吸收率高,适口性好等优点,避免了传统工艺缺乏的对废渣中的有机物和营养物质更深入的研究和利用等问题,是开辟蛋白质饲料资源的一条重要途径。
3. 4 餐饮废渣发电供热
将餐饮废渣收集后,从中提取高纯度的氢用于燃料电池进行发电,或将垃圾液态化使之产生甲烷应用于燃料电池发电系统的处理装置[ 11 ] ,发电供热。这也是众多研究餐饮废渣的学者关注的技术。此外,还有采取焚烧方式处理餐饮废渣的发电的。焚烧废渣不仅可以发电,还可有效杀灭垃圾中的致病菌和病毒,无害化程度高;减少垃圾体积,节约大量土地资源,且焚烧所放出的CO2 比堆肥发酵要少得多[ 12 ] ,防污染较彻底且有一定的经济回报,是最有效、最环保的方法之一。但因废渣含水率较高(一般在70% ～90% ) ,会大大降低焚烧的热能利用[ 13 ] ,焚烧时因盐份较重,促进二口恶英的生成,提高飞灰中重金属的浸出率,从而产生二次污染,增加处理成本,同时因其投资大,占用资金周期长,运行费用高,操作管理要求高,餐厨垃圾焚烧的方法在我国现阶段实际运用的环境还不成熟。
3. 5 餐饮废渣高温炭化处理
主要是将餐饮废渣放在400～500 ℃的高温且几乎无氧的状态下进行烧蒸,再把释放出来的气体在800 ℃的高温条件下(足以使二口恶英分解)进行二次加温20 h后,促使餐饮废渣变成炭化物。所生产的炭化物除由住宅建筑商定购用于制作地板除湿剂外,还被用于土壤改良剂、白蚁驱除剂以及建材石板等。
日本东京一中学从2001年6月开始,使用民间企业开发的70 mm炭化处理机,对学校的残羹剩饭进行炭化实验,炭化处理器每次电耗500日元,可把约50 kg的食品垃圾转变成1. 5～2 kg的炭。处理技术无臭易于保管,也不需要对餐饮废渣彻底分解。
3. 6 餐饮废渣生产可降解塑料
目前普遍使用的以聚乙烯、聚丙烯等聚合物为主要成分的塑料制品极难降解,即便是埋在地下一二百年也不会腐烂变质。有研究表明,采用PHAs制作的香波瓶,在自然环境下, 9个月后基本上被完全降解。PHAs (poly hydroxyl alkanoates)聚- 3 - VT基烷酸,是一种可生物降解的塑料。1926年,法国的Lem2 oigne首次从巨大芽袍杆菌(Bacillusmegatherium)细胞中提取得到聚- 1 - T =基丁酸( PHB) 。此后,在上百种细菌中发现PHAs,其中包括革兰氏阳性菌和阴性菌。夏威夷大学的Tian Yu等[ 14 ]发现,可以采用有机废水和食物废物发酵生产PHAs,香港的P. H. F. Yu等研究了用大豆和小麦废弃物作为生产PHAs碳源的可行性[ 15 ] 。有研究表明,用其制作的香波瓶,在自然环境下, 9个月后基本上被完全降解,优于合成塑料制作的物品(完全降解时间约需100 a[ 16 ] ) 。影响PHAs生产成本的主要因素有菌种、原料、操作方式以及提取方法等,现在的研究成果集中在富含淀粉类的食物废物的利用上,对于脂肪、蛋白质类食品废物的利用很少涉及。但由于生产成本较昂贵,所以实现PHAs大规模工业化目前尚有困难。
4 结 语
解决餐饮废渣的资源化,首先应努力进行废渣处置的多元技术的研发,及其相应处理设备的设计,并通过统筹规划,合理布局处理设施,通过加强法规建设,促进市场管理机制,将餐饮废渣进行科学处置。在这过程中倡导文明餐饮,促进源头减量,在减少餐饮废渣对环境影响的同时,防止回收处理造成的二次污染,真正实现废渣的“变废为宝”,达到资源化、无害化、增加经济效益的目的。
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