CN100560239C - 餐厨垃圾的生物综合处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明利用餐厨垃圾为原料，采用蒸汽加热除油消毒、微生物固-液发酵等综合处理的工艺技术，分离提取油脂，将垃圾中固态成分经有益微生物多菌种固体发酵转化成生物活性蛋白饲料，液体成分经二次发酵工艺转化成液体生物菌肥。本发明解决了餐厨垃圾对环境的污染问题，同时可以将餐厨垃圾所有组分资源化处理，为工农业提供各类油脂原料和新型、环保的生物饲料和生物菌肥。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用餐厨垃圾为原料，采用蒸汽加热除油消毒、微生物固-液发酵等综合处理的工艺新技术，分离提取油脂，将垃圾中固态成分经有益微生物多菌种固体发酵转化成生物活性蛋白饲料，液体成分经二次发酵工艺转化成液体生物菌肥的生产工艺。
背景技术
本发明中“餐厨垃圾”是指家庭、学校、食堂及餐饮行业等产生的食物加工下脚料(厨余)和食用残余(泔脚)。其成分复杂，是油、水、果皮、蔬菜、米面，鱼、肉、骨头以及废餐具、塑料、纸巾等多种物质的混合物。厨余中糖类含量高，而泔脚则以蛋白质、淀粉和动物脂肪等为主，且盐分、油脂含量高。餐厨垃圾极易变质、腐烂、发酵，滋生蚊蝇，产生大量毒素及散发恶臭气体，污染水体和大气，直接排入下水道还会引起下水道堵塞；其来源复杂，含有各种细菌和病原菌，可能因食物链危害人体健康；派生的“潲水油”极易产生致癌物质-黄曲霉素，对人体健康造成严重危害。但与其它垃圾相比，其具有水、有机物、盐分及油脂含量高，营养元素丰富等特点，具有很大的回收利用价值，开发对其进行资源化回收利用的生物技术有着广阔的应用前景。
目前，国内外对餐厨垃圾的处理主要有如下方法：
1、填埋法
2、粉碎直排
3、高温好氧堆肥
我国目前主要采用第一种填埋的方法处理餐厨垃圾，存在的主要问题是占用土地、浪费资源、产生渗滤液过多造成严重的二次污染。第二种方法是利用餐厨垃圾处理机将垃圾粉碎后直接排入下水道，其存在的问题是容易堵塞水管，增加污水处理厂的负荷。第三种方法存在的主要问题是由于垃圾中杂质太多，无法经堆肥进行分解影响堆肥品质，同时餐厨垃圾的高含量油脂和高含盐量不利于微生物的生长，从而制约了好氧堆肥工艺的处理效果，而且产生的气味问题较难解决。
目前，潲水油主要用于化工油脂类产品的工业原料，如生产香(肥)皂、涂料等，以及作为生产生物柴油的原料。随着社会和经济的迅速发展，能源供应紧张，环保问题日益严重，大力开发和利用可再生能源和绿色能源成为经济可持续发展的重要课题。经过研究和试验，精制潲水油经过化学酯交换反应和蒸馏分离等工艺处理，可以生产出合格的生物柴油。生物柴油互溶性、均匀性好，燃烧效率高，排气更清洁环保，是国家政策鼓励发展的新型绿色燃料。生物柴油以适当的比例与来自石油的轻质柴油混合及配制处理，可成为一种新型的混合燃料，称之为生物柴油混合物。由此原因，目前市场上潲水油的需求量剧增，市场价格大约为2500-3600元/吨，但仍出现供不应求的局面。可是如何从城市餐饮垃圾中高效分离提取潲水油和环保化、资源化处理剩余固/液体餐饮垃圾，目前仍然是一个让城市管理者和垃圾处理厂头疼的问题。
目前，国内外分离提取潲水油主要有如下方法：
1、酸化法
2、烘干压榨法
其中酸化法存在的主要问题是工艺后期有毒物质无法去除，且需要的动力大，能源消耗大。烘干榨油法存在的主要问题是成本高，操作过程中由于温度高，造成40％的油汽化损耗，最终提取率不到20％。
本发明通过不同的工艺将餐厨垃圾中的油脂、污水及其它固形物质进行分离，进而通过微生物发酵转化，使其全部无害化及资源化并转化成各类产品，能够完全消除餐厨垃圾对环境的污染，为工农业提供各类油脂原料、生物饲料和生物菌肥，促进相关产业发展，并给企业带来巨大的经济效益。
发明内容
本发明利用餐厨垃圾为原料，采用蒸汽加热除油消毒、微生物固-液发酵等综合处理的工艺新技术，分离提取油脂，并将垃圾中固态成分经有益微生物多菌种固体发酵转化成生物活性蛋白饲料，液体成分经二次发酵工艺转化成液体生物菌肥，能够完全消除餐厨垃圾对环境的污染，为工农业提供各类油脂原料、生物饲料和生物菌肥，促进相关产业发展，并给企业带来巨大的经济效益。
本发明是采用以下技术方案实现的：
1、固液分离：采用过滤的方法对餐厨垃圾进行固液分离，将餐厨垃圾中的液体与固体成分分离，固体成分进入蒸汽加热装置，进行蒸汽除油，液体成分进入油水分离装置进行油水分离处理。
2、蒸汽加热除油：餐厨垃圾中的动物油脂主要附着在固体物料表面，将固液分离后的固体物料置于蒸汽加热装置中，用高温蒸汽进行蒸汽除油。蒸汽加热条件为采用110-120℃蒸汽，加热10-30分钟，待油脂完全液化后再用80-100℃热水喷淋5-10分钟，冲洗掉物料中已液化的油脂，油脂和喷淋水与固体成分分离进入液相，得到液体成分，所获液体成分进入油水分离装置进行油水分离处理。动物油脂在高温下可由固相转变为液相渗出与固体物料分离，同时固体物料经高温处理后可杀灭其中有害的病原菌，并降低物料中的含盐量。
3、固体处理：固体物料经高温处理后，再将其进行初步分选，去除动物硬骨、废餐具、纸巾及其它杂质，移入固体发酵装置，再经有益微生物多菌种固体发酵转化成生物活性蛋白饲料生产生物蛋白饲料。
4、液体的油水分离：将上述步骤1和2得到的液体成分通过分离、破乳等工艺实现油水分离，油液通过过滤、调合、蒸馏、吸附、精滤等工艺，制取精制潲水油。污水排入发酵池，经二次发酵工艺转化成液体生物菌肥。
5、固/液体的发酵：将枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)、假单胞菌(Pseudomonas sp.)、产朊假丝酵母(Candida utilis)、啤酒酵母(Saccharomycescarlsbergensis)、白地霉(Geotrichum candidum)、米曲霉(Aspergillusoryzae)、固氮菌，有机磷细菌，无机磷细菌，钾细菌分别经过试管培养、摇瓶培养、种子罐培养，发酵罐液体培养，培养成生产用高浓度菌体菌悬液，活菌数≥108个/ml，德氏乳杆菌为液体静止厌氧培养，逐步分级扩大培养得到活菌数≥108个/ml的菌悬液。
不同的生产菌种采用各自相应的培养基，试管培养的温度为25～35℃，培养时间36～60小时；试管培养完成后菌种转入摇瓶培养，培养温度为25～35℃，转速为180～220转/分，培养时间24～72小时；摇瓶培养完成后，菌种按体积百分比5～10％接种量分别接入种子罐搅拌培养，培养温度为25～35℃，培养时间24～48小时；种子罐培养完成后，按体积百分比5～10％接种量分别接入发酵罐液体培养，培养温度25～35℃，培养时间24～72小时，培养成生产用高浓度菌体菌悬液，活菌数≥108个/ml，德氏乳杆菌为液体静止厌氧培养，逐步分级扩大培养，培养温度40～60℃，培养时间24～48小时，活菌数≥108个/ml。不同的菌种在各自培养中采用各自相应的培养基。
其中假单胞菌可以是球形红假单孢菌(Rhodopseudomonas Globiformis)，固氮菌可以是圆褐固氮菌(Azotobacter chroococcum)，有机磷细菌可以为巨大芽孢杆菌(Bacillus megaterium)，无机磷细菌可以为荧光假单胞菌(Pseudomonas fluorescens)，钾细菌可以为胶冻样芽孢杆菌(Bacillusmucilaginosus)。
(1)生物活性蛋白饲料的生产将发酵罐所得产朊假丝酵母菌、白地霉、米曲霉、枯草芽孢杆菌高浓度菌体菌悬液，分别以0.5-5∶0.5-5∶0.5-5∶0.5-5的体积比例接入灭菌固体培养基，搅拌均匀后25-35℃培养24至72小时，当活菌数≥108个/g即制成生产用固体混合菌剂。所述固体培养基可以是麸皮培养基。
产朊假丝酵母菌、白地霉、米曲霉、枯草芽孢杆菌高浓度菌体菌悬液优选以2∶2∶1∶1体积比接入灭菌固体培养基。
物料预处理：由于餐厨垃圾固体成分中含水率高，有机物含量高，C/N较低，在接种前通过添加辅料调节其C/N和含水率，并使物料具有较好的通透性，有利于微生物菌体的生长繁殖。调节上述步骤(3)得到固体物料的C/N至30～35∶1，含水率至40～50％。所述辅料可以为尿素、秸秆、绒糠、果渣中的一种或多种。
将固体物料重量的1-5％的所述生产用固体混合菌剂接入预处理的固体物料，搅拌均匀进行固体发酵，发酵温度25～35℃，发酵时间为72小时，物料中有益菌活菌数达到108个/g时，即可终止发酵。
发酵好的物料用干燥机脱水干燥，使其水分含量降到小于13％。将干燥好的发酵物用成型机挤压成型为所需的颗粒形状，即可成为生物活性蛋白颗粒饲料。(2)液体生物菌肥的生产德氏乳杆菌、啤酒酵母、假单孢菌、产朊假丝酵母菌四种菌悬液按以0.5-5∶0.5～5∶0.5～5∶0.5～5的体积比例混合成为混合菌悬液，以备第一次发酵用。
以液体物料体积的1-5％混合菌悬液接入步骤(4)得到污水液体物料，搅拌均匀进行液体发酵，发酵温度25～35℃，发酵时间为5～10天，活菌数≥108个/ml。第一次发酵完成后，待温度降低至20～30℃，按总量的0.1～2％向物料中接入有益菌群混合菌悬液，调节物料的PH值至6～7.5，发酵温度控制在45℃以下，进行第二次发酵，发酵时间3-10天，有益菌群活菌数达到108个/ml时，发酵即可完成。所述有益菌群混合菌悬液含固氮菌，有机磷细菌，无机磷细菌，钾细菌悬液，其体积配比为以0.5～5∶0.5～5∶0.5～5∶0.5～5。
本发明所用的菌种均可通过筛选、商业手段或其它途径得到。
本发明试管培养、摇瓶培养、种子罐培养、扩大培养等培养方法中所用的各培养基都是已知的适合培养所述微生物的通用培养基。
本发明的优点在于：
1、高温加热能够使动物油脂液化渗出，并杀死物料中的病原菌，且不破坏物料的完整性，能够很好的进行固液分离，餐厨垃圾中的油脂提取率大于80％。同时，可以减少物料中的油脂和含盐量，为生物发酵和微生物菌群的生长提供条件。
2、采用现代先进的菌种选育技术，选育了能够高效转化垃圾中固体成分成为蛋白饲料的各类生产菌种，并研究了其各自的生理生化特征，使各类微生物能够相互作用，互利生长，保证了生产菌种的高质量。
3、采用了先进的生物工程发酵工艺技术，使复合菌群生长过程中有效的降解餐厨垃圾中不利于动物消化吸收的物质，使其转化为易于动物消化吸收的营养成分。
4、本发明生产的生物活性蛋白饲料，无任何化学添加剂成份，具有天然的发酵香味，蛋白含量可以达到10-30％，有益菌群活菌数≥108/g，并含有多种氨基酸、维生素等营养物质和大量的生物活性酶类，大大改善了牲畜适口性，是一种新型的、质优价廉的绿色营养生物活性蛋白饲料。
5、本发明生产的液体生物菌肥肥效高，发酵产品中有益菌可达108-10/ml，施入土壤后各类有益菌的协同作用可以改变土壤的生态环境，补充作物所需的N、P、K等各类营养元素，促进植物吸收、生长，肥效显著。
6、本发明与目前国内外普遍采用的餐厨垃圾处理方法相比，能使餐厨垃圾中的所有成分无害化、资源化，并具有前期投入少、成本低、效率高、收率高、经济效益高等明显优势。
具体实施方式：
处理餐厨垃圾50吨，其主要成分为：水分约占79％；绝干物料中粗脂肪约为29.9％，粗蛋白约占20％，粗纤维3.53％，粗灰分8.51％，钙0.81％，磷0.77％，PH值6.5。
制备方法：
1、固液分离：采用过滤的方法对餐厨垃圾进行固液分离，将餐厨垃圾中的液体成分与固体成分分离，得到液体物料和固体物料。
2、蒸汽加热除油：将固液分离后的固体物料进入蒸汽加热装置，用高温蒸汽进行加热除油。蒸汽加热条件为采用110-120℃蒸汽，加热10-30分钟，待油脂完全液化后再用80-100℃热水喷淋5-10分钟，冲洗掉物料中已液化的油脂，油脂和喷淋水与固体物料分离而进入液相，成为液体成分。动物油脂在高温下可由固相转变为液相渗出，同时固体物料经高温处理后可杀灭其中有害的病原菌，并降低物料中的含盐量。液体成分进行油水分离处理。
3、固体处理：固体物料经蒸气加热处理后，再将其进行初步分选，去除动物硬骨、废餐具、纸巾及其它杂质，移入固体发酵装置，再经有益微生物多菌种固体发酵转化成生物活性蛋白饲料生产生物蛋白饲料。
4、液体的油水分离：固液分离后和蒸汽加热除油后得到的液体物料通过分离、破乳等工艺实现油水分离，油液通过过滤、调合、蒸馏、吸附、精滤等工艺，制取精制潲水油。污水排入发酵池，经二次发酵工艺转化成液体生物菌肥。
本次生产可得精制潲水油约6-8吨。
本发明所采用的蒸汽加热能够杀死病原菌，且不破坏物料的完整性，能够很好的进行固液分离，餐厨垃圾中的油脂提取率大于80％。
5、固/液体的发酵：将枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)、球形红假单胞菌(Rhodopseudomonas Globiformis)、产朊假丝酵母(Candida utilis)、啤酒酵母(Saccharomyces carlsbergensis)、白地霉(Geotrichum candidum)、米曲霉(Aspergillus oryzae)、圆褐固氮菌(Azotobacter chroococcum)、巨大芽孢杆菌(Bacillus megaterium)、荧光假单胞菌(Pseudomonas fluorescens)、胶冻样芽孢杆菌(Bacillus mucilaginosus)分别经过试管培养，不同的生产菌种采用各自相应得培养基，培养温度为25～35℃，培养时间24～72小时；试管培养完成后菌种转入摇瓶培养培养温度为25～35℃，转速为180～220转/分，培养时间24～72小时；摇瓶培养完成后，菌种按体积百分比5～10％接种量分别接入种子罐搅拌培养，培养温度为25～35℃，培养时间24～48小时；种子罐培养完成后，按体积百分比5～10％接种量分别接入发酵罐液体培养，培养温度25～35℃，培养时间24～72小时，培养成生产用高浓度菌体菌悬液，活菌数≥108个/ml，德氏乳杆菌为液体静止厌氧培养，逐步分级扩大培养，培养温度40～60℃，培养时间24～48小时，活菌数≥108个/ml。
5.1生物活性蛋白饲料的生产将发酵罐所得产朊假丝酵母菌，白地霉，米曲霉、枯草芽孢杆菌高浓度菌体菌悬液，以2∶2∶1∶1的体积比例混合，接入灭菌麸皮培养基，搅拌均匀后25-35℃培养24-72小时至活菌数≥108个/g即制成生产用固体混合菌剂。
在接种前，将固体物料进行预处理，向固体物料中添加1～3％的尿素，10～40％的秸秆、绒糠、果渣辅料将其C/N调节到30～35∶1，含水率降低至40-50％。
将以物料重量1-5％的所述生产用固体混合菌剂接入已预处理的物料，搅拌均匀进行固体发酵，发酵温度25～35℃，发酵时间为72小时，物料中有益菌活菌数达到108个/g时，即可终止发酵。
发酵好的物料用干燥机脱水干燥，使其水分含量降到13％以下。将干燥好的发酵物用成型机挤压成型为所需的颗粒形状，经称重、包装即可成为生物活性蛋白颗粒饲料成品。本次生产可得生物活性蛋白颗粒饲料约20吨。
生物活性蛋白饲料主要成分：
①粗蛋白含量 10-20％
②有益菌活菌数 ≥108/g
③灰分 ＞8％
④水分 ＜13％
利用本发明处理餐厨垃圾中固体成分，工艺简单，所选用的是成熟的工业化成套设备，处理量大，所生产的产品营养价值高，牲畜适口性强，无化学添加剂成分，含有丰富的生物酶类及各种活性因子，适合各类动物喂养解决了餐厨垃圾的利用难题。农户，企业均可增加可观的利润，具有显著的环境效益、社会效益和经济效益。
5.2液体生物菌肥的生产德氏乳杆菌、啤酒酵母、球形红假单孢菌、产朊假丝酵母菌四种菌悬液按1∶1∶1∶1的体积比例混合成为混合菌悬液，以备第一次发酵用。圆褐固氮菌，巨大芽孢杆菌，荧光假单孢菌，胶冻样芽孢杆菌四种菌悬液按1∶1∶1∶1的体积比例混合成为有益菌群混合菌悬液，以备第二次发酵用。
以液体物料体积比1-5％的德氏乳杆菌、啤酒酵母、球形红假单孢菌、产朊假丝酵母菌四种菌混合菌悬液接入除油后的液体物料，搅拌均匀进行液体发酵，发酵温度25～35℃，发酵时间为5～10天，物料中活菌数至≥108个/ml时第一次发酵完成，待物料温度降低至20～30℃，按总量的0.1～2％向物料中接入有益菌群混合菌悬液，并调节物料的PH值至6～7.5，发酵温度控制在45℃以下，进行第二次发酵，发酵时间3-10天，有益菌群活菌数达到108个/ml时，发酵即可完成。本次生产可得液体生物菌肥约15-20吨。
本发明所涉及的利用餐厨垃圾中液体成分二次发酵工艺生产生物菌肥的方法，能够有效的降解和转化餐厨垃圾的有害成分，充分利用其中可利用的有机成分，促进有益微生物的生长，为农业提供新型、环保、高效的生物菌肥，促进绿色农业的发展，具有显著的社会及经济效益。
Claims (9)
1、一种餐厨垃圾生物综合处理的方法，其工艺步骤如下：
(1)固液分离：采用过滤的方法对餐厨垃圾进行固液分离，将餐厨垃圾中的液体成分与固体成分分离，得到液体物料和固体物料；
(2)蒸汽加热除油：将固液分离后的固体物料置于蒸汽加热装置中，用蒸汽进行除油灭菌，油脂在高温下可由固相转变为液相渗出，与固体物料分离；
(3)固体处理：固体物料经蒸汽加热处理后，再将其进行初步分选，去除动物硬骨、废餐具、纸巾及其它杂质；
(4)液体的油水分离：将上述步骤1和2得到的液体物料油水分离，油液制取精制潲水油，污水排入发酵池；
(5)固液体的发酵：
(5.1)生物活性蛋白饲料的生产
a.将活菌数≥108个/mL的产朊假丝酵母菌(Candida utilis)、白地霉(Geotrichum candidum)、米曲霉(Aspergillus oryzae)、枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)菌悬液，以0.5～5∶0.5～5∶0.5～5∶0.5～5的体积比混合接入灭菌麸皮固体培养基，搅拌均匀后25-35℃培养24至72小时，当活菌数≥108个/g即制成生产用固体混合菌剂；
b.物料预处理：通过添加辅料调节上述步骤(3)得到固体物料的C/N至30～35∶1，含水率至40～50％；
c.将固体物料重量的1-5％的所述生产用固体混合菌剂接入已预处理的固体物料，搅拌均匀进行固体发酵，发酵温度25～35℃，发酵时间为72小时，物料中有益菌活菌数达到108个/g时，即可终止发酵；
d.将发酵好的物料干燥，得到生物活性蛋白饲料；
(5.2)液体生物菌肥的生产
a.将活菌数≥108个/mL的德氏乳杆菌、啤酒酵母(Saccharomycescarlsbergensis)、球形红假单孢菌(Rhodopseudomonas Globiformis)、产朊假丝酵母菌(Candida utilis)四种菌悬液按0.5-5∶0.5-5∶0.5-5∶0.5-5的体积比例混合成为混合菌悬液，以液体物料体积的1-5％接入步骤(4)得到的污水液体物料中，搅拌均匀进行液体第一次发酵，发酵温度25～35℃，发酵时间为5～10天，活菌数达≥108个/mL时即可完成第一次发酵；
b.第一次发酵完成后，待温度降低至20～30℃，按总体积的0.1～2％向物料中接入有益菌群混合菌悬液，并调节物料的pH值，发酵温度控制在45℃以下，进行第二次发酵，发酵时间3-10天，所述有益菌群混合菌悬液为活菌数为≥108个/mL的圆褐固氮菌(Azotobacter chroococcum)，巨大芽孢杆菌(Bacillusmegaterium)，荧光假单胞菌(Pseudomonas fluorescens)，胶冻样芽孢杆菌(Bacillus mucilaginosus)的菌悬液以0.5-5∶0.5-5∶0.5-5∶0.5-5的体积比混合的混合菌悬液，当发酵物料中有益菌群活菌数达到108个/mL时，发酵即可完成，得到液体生物菌肥。
2、根据权利要求1所述的方法，其中产朊假丝酵母菌、白地霉、米曲霉、枯草芽孢杆菌菌悬液，以2∶2∶1∶1的体积比例混合。
3、根据权利要求1所述的方法，其中德氏乳杆菌、啤酒酵母、球形红假单孢菌、产朊假丝酵母菌四种菌悬液按1∶1∶1∶1体积比例混合。
4、根据权利要求1所述的方法，其中圆褐固氮菌、巨大芽孢杆菌、荧光假单胞菌、胶冻样芽孢杆菌菌悬液以1∶1∶1∶1的体积比混合。
5、根据权利要求1所述的方法，其中枯草芽孢杆菌、球形红假单孢菌、产朊假丝酵母菌、啤酒酵母、白地霉、米曲霉、圆褐固氮菌、巨大芽孢杆菌、荧光假单胞菌、胶冻样芽孢杆菌分别经过试管培养、摇瓶培养、种子罐培养、发酵罐液体培养，培养成生产用菌悬液，活菌数≥108个/mL。
6、根据权利要求1所述的方法，德氏乳杆菌经液体静止厌氧培养，培养温度为40-60℃，培养时间24-48小时，逐步分级扩大培养成悬菌液，活菌数≥108个/mL。
7、根据权利要求5所述的方法，其中试管培养的培养温度为25～35℃，培养时间为24-72小时；摇瓶培养的温度为25～35℃，转速为180～220转/分钟，培养时间为24～72小时。
8、根据权利要求5所述的方法，其中种子罐培养的培养温度为25～35℃，培养时间为24～48小时；发酵罐液体培养的培养温度为25～35℃，培养时间为24～72小时。
9、根据权利要求1所述的方法，辅料为尿素、秸秆、绒糠、果渣中的一种或多种。
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