CN112421087A - 室内食物废物发酵和再循环过程方法 - Google Patents

Abstract

发酵和回收完全封闭的食物垃圾的过程，消除有害气味，因此可在各种城市环境中大规模安装。一般来说，该工艺的步骤包括进料、粉碎和研磨、接种和加速、异种乳酸发酵、固体和液体分离、干燥和蒸馏以及液体和固体副产品的后处理。这一过程的结果包括有用的产品，如营养丰富的土壤肥料、家用清洁剂、电流或氢气形式的能源以及处理过的水。该工艺节能、自给自足，可在7天内对食品废弃物进行处理，从而大大缩短了传统发酵工艺生产所需副产品的时间。

Description

室内食物废物发酵和再循环过程方法

技术领域

本发明涉及废物处理与回收、食品废物处理、有机废物酸性发酵等领域。

背景技术

碳水化合物厌氧发酵是将植物性物质转化为有机酸和酒精的著名工艺。厌氧发酵被广泛应用于啤酒和葡萄酒生产，以及食品的腌制和保存。厌氧发酵依靠酵母、细菌和其他微生物，将有机物加工成有机酸和醇。例如，在适当的条件下，接种酵母菌会产生乙醇，而乳酸杆菌会产生乳酸。乳酸发酵是一种古老的食品保存方法，在发酵过程中，酵母菌、霉菌、肠杆菌、杆菌和梭状芽孢杆菌等腐败和病原菌受到发酵过程中形成的条件的抑制，即降低pH值，降低氧化还原电位。以及对必需营养素的竞争。相关的发酵过程也被描述为家庭使用，以处理植物和动物为基础的废物成为土壤肥料。由于许多原因，尤其是因为它们需要较长的发酵时间，而对于大量的废物来说，这将是低效的，这些工艺通常没有大规模应用。

食物垃圾通常是城市固体废物流中最大的组成部分，通常最终会被填埋。作为垃圾填埋场，食物垃圾中富含碳水化合物的营养物质会进入地下水，导致酸化、藻类繁殖，并对人类健康造成许多其他风险。因此，我们希望有一种方法来回收食物垃圾，减少我们的垃圾填埋负担，减少对地下水的有害影响。

虽然其他人提出了大规模回收食品废物的建议，但由于甲烷作为一种能源的价值，许多人将重点放在甲烷的生产上，而没有解决所需的延长发酵或消化期问题。此外，甲烷的生产还会散发出有害的气味和温室气体，因此必须在远离城市中心的地方建造。最好采取更可持续的方法，在靠近废物来源的地方建造固体废物处理场。然而，要想让市政当局满意，这种方法需要大幅减少气体和气味的排放。这些城市治疗场所最好是自给自足、易于复制和可扩展，以供大规模采用。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种可扩展的食品废物回收工艺，能够在任何给定的一天接受大量的废物。本发明的另一个目的是提供一种在7天内处理和回收食品废物的方法。本发明的另一个目的是以将有害副产品减至最低并反而使有用的最终产品最大化的方式处理和回收食品废物，即通过产生能量、益生菌土壤肥料、化学和酶溶液以及处理水。本发明的另一个目的是将执行该过程的能量需求降至最低。

本发明的另一个目的是提供一种可以在相对紧凑、封闭的设施中进行的工艺，该设施可以很容易地安装在城市一级，例如不释放有害气味或吸引害虫，并且易于复制和缩放。本发明的另一个目的是提供一种在封闭环境中执行该过程的系统。它是进一步减少温室气体排放的目标。举例来说，应注意，生产甲烷并非本发明的目标，这将需要安全的储存和运输手段，并且通常不可能安装在城市环境中。

为了追求这些目标，本发明是一种食品和其他有机废物的回收利用方法，包括：（1）食品废物的筛选和吸收；（2）将食品废物还原成大小均匀的颗粒；（3）在旋转槽中的食品垃圾中加入孕育剂，将旋转槽的内部温度提高到二十摄氏度至五十摄氏度，旋转槽48小时，加速食品垃圾发酵；（4）在发酵罐中发酵加速后的食品废物，直至其达到5或以下的ph值；（5）将固体发酵食品废物与发酵处理液分离；（6）对固体发酵食品废弃物进行干燥，并在干燥过程中同时收集发酵蒸馏物，直至固体发酵食品废弃物的重量减量达到50%以上，所述重量减量包括干燥的发酵食品废弃物；（7）将发酵后的食品垃圾进行后处理，制成一种或者多种副产品。

附图说明

本发明可以在各种组件和组件的排列中形成，也可以在各种步骤和步骤的排列中形成。附图仅用于说明优选实施例，不应解释为限制本发明。

图1是说明示例性食品废物回收系统和方法的示意图。

图2是说明本发明的示例性干燥装置的示意图。

图3是显示本发明实施例的步骤的流程图。

发明详细说明

本发明的各种实施例现在将参照图1-3。本发明是一种回收食品和其他有机废物的方法，尤其是在城市环境中和城市环境中。可使用本发明处理的废物类型在下文中称为“食品废物”或“废物”，但可包括任何类型的有机废物，无论是否来源于食品，包括但不限于花园废物和碎片、动物饲料等。…不背离发明精神。然而，优选实施例一般考虑将由餐馆、企业、学校、家庭和食品加工设施等产生的城市食品废物的处理。

摄入和筛选

较佳实施例系可在完全封闭于相对紧凑空间中之设施中实施之方法，因此，可安装在各种各样的城市环境中，同时遵守管理现场与家庭或建筑物的距离的市政法律和法规，或关于气味和有害排放物的输出。废物处理设施接收来自运输者的食物废物1，可邀请其将收集的食物废物存放在设施的取水口10处。最好是用专门设计用于运输食物垃圾的容器运输食物垃圾。在运送到工厂后，可以对食品垃圾容器进行称重和检查。可以记录与食物垃圾相关的一个或多个参数，例如重量、含水量或ph。

为了便于在城市一级安装所述系统，该过程可包括一个进水口步骤，用于促进和分析城市居民、餐馆、学校、企业和工业食品废物源的食品废物收集。向工厂发送废物的每个客户将使用标有与客户相关跟踪号的食品废物收集容器。垃圾箱由垃圾运输车存放在设施后，在一些实施例中，其内容物在取水装置10处进行扫描和分析。进水口单元使用计算机辅助跟踪将垃圾箱的组成与跟踪编号联系起来，从而与客户联系起来。例如，在一些实施例中，进气装置可配备监控摄像机，提供接收到的所有材料的视觉记录。这使得客户能够根据收集的实际重量和潜在的替代参数进行计费，同时也提供了有关食物垃圾成分的有用数据。

可接受的食物垃圾被存放在一个屏蔽外壳20中，该外壳被封闭以容纳气味。不受欢迎的成分，如餐具、杯子、餐巾纸或其他非食品和非有机废物被去除101。在优选实施例中，筛选盒组件包括包含在集装箱化手套箱外壳内的食品级传送带，通过手套可以手动进行筛选，手套可以伸入外壳内部并进入传送带上的内容物。在其他实施例中，筛选是自动化的，并且可以通过计算机方法执行，包括但不限于：传感器、气流、基于重量的气刀设备或高级光学筛选机。在预期实施例中，仅移除无机物项，但移除不需要仅限于非有机废物，并且在某些情况下可用于移除有机元素。例如，某些有机元素可能被认为对工艺而言太大或不适合酸性发酵。封闭式清除的目的是减少异味，促进清洁和无菌的设施环境。

去除步骤101产生可被输送25至尺寸减小步骤102的经筛选的废物。

尺寸减小

为了优化发酵条件，筛选后的废料应减少102粒，使其粒径均匀。在优选实施方案中，筛选后的废物首先通过工业粉碎刀片30粉碎，因为它通过传送带31传送，传送带31将筛选后的废物尺寸优选地减小到不大于1立方英寸。粉碎过的筛余垃圾从传送带滴入研磨机40。研磨机40可操作，以进一步将废物减少到较小、均匀的粒度，最好最大为1/2立方英寸。例如，研磨机可以是工业废物处理研磨机。优选地，研磨机由一个带盖的漏斗供给，该漏斗接收输送的材料，控制流速和任何潜在的颗粒排放。粉碎和研磨步骤的结合使现有机械的适应性能够有效地产生所需的粒径。

可在不背离本发明精神的情况下实施减少经筛选废物尺寸的替代方法。例如，一些实施例可以使用包含剪切刀片的工业粉碎机，以大体上减小废物的大小，并且可以在不使用传送装置的情况下将废物分批并传送到研磨机。在实施配料时，可能需要使用储存罐，以积累足够的体积并最大限度地提高吞吐量。也不需要分两步将过滤后的废物减少为均匀大小的颗粒，而可以使用定制的切割机械在一步内完成。

根据使用的方法，还原步骤可能需要额外润滑。特别是，可以引入少量的水来帮助研磨，也可以使地面废物泵送而不是输送。在该方法的一些实施例中，可以通过添加在该方法的其他步骤中积累的液体来促进润滑。例如，可使用来自固液分离器70的发酵处理液3润滑还原步骤。在上述实施例中，发酵处理液3的再利用还可能具有稳定食品废物的pH值、进一步优化酸性发酵的有益效果。

在一些实施例中，所产生的减少的废物可以被消毒以破坏生物和化学污染物。灭菌方法包括但不限于紫外线、蒸汽巴氏灭菌和冷冻。

在尺寸减小步骤102之后，地面废物可以泵送45或以其他方式转移到加速器50以加速步骤103。在一些实施例中，研磨机40可以连接到一个贮槽，在该贮槽中，在泵送至加速器50之前，对积聚的地面废物进行配料。

加速度

加速器50接收地面废物和进行厌氧、酸性发酵的生物接种物，并通过将地面废物和接种物在20至50摄氏度的温度下混合来加速103次所述发酵。旋转可以通过连续搅拌槽式反应器（CSTR）或类似的工业搅拌器进行。接种物是以实例方式选自植物乳杆菌、干酪乳杆菌、发酵乳杆菌、德氏乳杆菌、枯草芽孢杆菌、酿酒酵母或沼泽红假单胞菌的有机体的混合物。接种物中有机物的混合物可以变化并包含此处未列出的其他有机物，只要有机物在酸性发酵中起作用，就不会偏离本发明的精神。

加速器50可操作以将地面废物的温度升高并保持在20至50摄氏度范围内。例如，在一个实施例中，将地面废物加热到37摄氏度。加热地面废物的首选方法是通过加热液体、液体或气体的循环来加热加速器的内容物，这些加热液体、液体或气体通过加热元件对流到罐的表面。例如，加速器可以包括一个工业孵化器，例如一个大型外壳内的旋转混合罐，该外壳包括旋转混合罐下方的电热源和一个空气输入源，用于在旋转过程中使热空气在罐表面对流。作为另一个示例，加速器可包括带内部机械混合装置的夹套式混合器和用于加热气体进入混合器的入口。在使用加热气体与食物垃圾混合的实施例中，所述加热气体可以在发酵罐60中通过厌氧发酵产生的二氧化碳再循环，所述发酵罐60已经保持在最佳发酵温度。此外，在上述实施例中，添加二氧化碳是置换氧气和加快厌氧发酵的有效手段。

加热和旋转可在加速步骤103中应用长达48小时。特别地，在37℃下旋转36-48小时可加速随后的发酵步骤。但是，该工艺不需要最短的旋转周期即可生效，地面废料可被带到所需的温度并旋转一小时。通过接种剂和在所需温度下旋转混合48小时，可以加速厌氧发酵，同时减少后续步骤中对旋转和其他机械混合过程的进一步依赖。

在优选实施例中，加速器包括一个温度传感器，用于自动确定何时达到所需温度。在其他实施例中，加速器另外包含一个或多个传感器来测量、ph、压力和其他因素。例如，一个pH传感器可以用来跟踪食物垃圾在旋转期间的变化。

加速后，可将发酵准备好的废物泵送55或以其他方式输送至发酵罐60进行厌氧发酵104。

厌氧发酵

由于加速步骤103，厌氧发酵104可以相对快速地发生，无需在发酵罐60内进一步混合。发酵罐60内的加速食品废物经过厌氧、酸性发酵103，直到达到5或以下的pH值。发酵罐60经过密封和温度控制，以保持厌氧发酵的恒定温度，最好包括内部传感器，以监控数据点，如pH和温度。发酵达到所需的pH值可能需要120小时，这取决于沉积的食物垃圾的成分、所用的接种剂的种类以及筛选的食物垃圾经过加速103的时间长度等因素。由于加速剂进行了混合和温度优化，因此在发酵过程中不一定需要额外的旋转，以便在有效的时间内获得结果。然而，在一些实施例中，可应用旋转，而不背离本发明的整个过程。

在加速步骤103中添加的接种微生物在发酵104过程中消耗有机物质中存在的糖和营养素时排出有机酸。这些有机酸大大降低了发酵废物的酸碱度，使病原体无法存活。此外，这个过程创造了一个不适合产甲烷菌的环境，抑制了厌氧环境中的甲烷生成。避免甲烷生成的另一个因素是快速发酵时间。

有机废物发酵过程中发生的主要反应可通过以下方程式描述，其中一摩尔葡萄糖转化为一摩尔乳酸、一摩尔乙醇和一摩尔二氧化碳。这种发酵称为异种乳酸发酵（通常称为乳酸发酵）。

C₆H₁₂O₆ A CH3CHOHCOOH + C₂H₅OH + co₂

(葡萄糖) (乳酸) (乙醇) (二氧化碳）

如上反应，乳酸发酵过程中不产生甲烷。异源乳酸发酵的最终产物包括乳酸、乙酸、丙酸等有机酸，使其生长环境不利于许多病原菌和腐败菌的生长。有机酸被认为通过干扰细胞膜电位的维持、抑制活性转运、降低细胞内pH值和抑制多种代谢功能发挥抗菌作用。因此，该工艺产生的副产品不一定需要进一步巴氏灭菌或处理。然而，在一些实施例中，热灭菌或其他灭菌处理可在此处或在工艺中的其他点应用，而不背离本发明的整个工艺。

厌氧发酵的另一个结果是有机物的细胞壁破裂，释放出食物中高浓度的水。发酵释放食物垃圾中的水分，一旦发酵物质从发酵罐中释放出来，便可轻松分离固体和液体。液体的增加也使得混合物有利于泵送，因此发酵后的废物随后可以泵送65到固液分离器70进行分离步骤105。

固液分离

厌氧发酵步骤104的结果是发酵废物，包括固体发酵食品废物2和发酵处理液3，随后由分离器70分离105。分离105可通过主动或非主动方式进行，包括被动排水、离心筛、振动排水过滤器、液压机、带式压滤机等。…或上述各项的组合。例如，分离器70可包括振动排水过滤器，其使用机械过滤运动将发酵处理的液体3与固体发酵的食物废物2分离。在一些实施例中，可以将过滤器或澄清器应用于发酵处理的液体3，以去除自由漂浮固体。发酵处理过的液体3可以作为润滑剂应用于工艺的其他步骤，如前所公开的，但也可以应用于生物电反应器90，如下所述。此外，由于发酵过程104，分离的发酵处理液具有足够的质量，能够在市政指导和法规范围内排放。然后将固体发酵食品废料2转移到干燥蒸馏装置80中进行干燥蒸馏步骤106。

干燥和蒸馏

干燥步骤106包括干燥固体发酵食物废物2，并结合所述干燥，从所述分离的固体食物废物2蒸馏蒸发液体，以收集有用或有价值的发酵蒸馏物4。参考图2，用于执行干燥步骤106的干燥和蒸馏装置80的优选实施例包括用于加热和干燥分离的固体发酵废物2的干燥装置81，所述干燥装置耦合到用于蒸馏和收集发酵蒸馏物4的蒸馏装置82。其结果是有价值的发酵蒸馏液4和干燥的发酵废物3，可以进一步加工成肥料和其他产品。

干燥装置81可以是流化床干燥机，通过固体发酵废物2的床向上引入热空气或气体来干燥废物。另一实施例可利用热源811与通过气流85进行的对流干燥相结合。在一些实施例中，热源811是红外的，以尽量减少能源使用。其他已知的干燥装置可在不违背本发明精神的情况下使用。干燥可在任何时间段内进行，但最好在固体发酵食品废物至少损失其重量的50%之前进行。在其他实施例中，相对湿度传感器可用作度量，以指示加热装置中的湿度开始下降时的干燥度。

干燥装置81与蒸馏装置82耦合以捕获蒸发，蒸发被蒸馏成液体，同时与干燥步骤一起。蒸馏装置应具有用于提取蒸汽的装置83。例如，可以通过在蒸馏装置中降低温度来进行蒸汽提取。然而，由于干燥元件中有必要的热源，一个更好的选择可能是保持恒温，而使用基于压力的方法，如真空蒸馏。在一些实施例中，通过蒸馏去除蒸汽后，气流86可以再循环，从而减少排气。换句话说，优选实施方案使用节能的干燥和蒸馏装置来干燥固体发酵食品废物并同时提取发酵蒸馏物4。

发酵蒸馏液

发酵蒸馏物4可用于生物电反应器90中，也可用作由回收食品废物制成的清洁溶液。发酵蒸馏液4是一种主要由水和约1.16%的纯化有机酸和乙醇组成的水溶液。根据接收和处理的废物的成分，发现每部分水的蒸馏物的成分在以下范围内：乙酸：0.37-0.61%；乙醇：0.12-0.5%；乳酸：0.0086-0.031%；丁酸：0.01%；甲酸：0.005%；丙酸：0.005%。尤其是乳酸、乙酸和乙醇具有消毒剂和抗菌性能，可以在传统和绿色清洁产品中找到，如地板清洁剂、窗户清洁剂、表面清洁剂和洗手液。虽然蒸馏物是透明的且基本上无臭的，一经收集即可使用，无需进一步处理或加工，但可能需要进一步的后处理，例如添加染料或香料，以用作消费品。

干发酵废弃物的后处理

剩余的干燥发酵废物5包含经处理的固体，该固体具有货架稳定性、无病原体、可用作肥料或昆虫或动物饲料。它还含有大量的宏观和微观营养物质，以及有机酸，它们提供了一种天然的杀虫剂效果。由于微生物发酵过程的pH值降低到4或以下，因此不需要进一步巴氏灭菌或处理，以使发酵后的废物成形并用于消费和商业用途。因此，这种干燥的发酵废物5可以被塑造成各种形式的消费和商业用途的因素107。例如，它可以被浓缩成产品，如蛋糕、颗粒或薄片。该步骤在一个或多个后处理单元110中执行，该后处理单元包括液压压路机、造粒机、挤出机，甚至进一步的干燥单元。根据干燥发酵废物5的干燥度，一些后处理甚至可能需要添加液体以形成所需的形状系数。

生物电反应器

在一些实施例中，发酵处理的液体3或发酵蒸馏物4在生物电反应器90中进一步处理，生物电反应器90执行产生电的二次发酵并进一步处理液体，使其安全排放。发酵处理后的液体3和发酵蒸馏液4富含可溶性有机酸，因此可作为额外制氢和发电的底物。

生物电反应器90包括微生物燃料电池（MFC）91和微生物电解电池（MEC）92的组合。微生物燃料电池通过外生细菌消耗有机酸来发电。微生物燃料电池的阴极或带正电端存在溶解氧，从而激发电荷流。一旦反应完成，水和二氧化碳也会产生，电流可以储存在一个小电池或电容器中以备进一步使用。与mfc类似，mec也使用极化细胞内的外生电细菌降解食物废物，但是，与产生能量的mfc不同，mec消耗电能并产生氢气。因此，由MFC产生的电流可用作MEC的输入，为MEC供电。在适当的电压和电流输入下，MEC将释放游离氢离子到适当的储氢容器中。在另一个实施例中，可省略MEC，并且来自MFC的电用于一般地向工艺或工艺的特定步骤提供动力。

本文所述的生物电反应器还可导致悬浮固体的沉降和消耗以及生物需氧量（BOD）、化学需氧量（COD）和挥发性固体的减少。生物需氧量（BOD）是对给定废水的水生生态系统中消耗氧气水平的能力的测量。MFC实现了BOD的降低，这与许多污水处理设施（曝气）中单一的能耗最高的工艺相当。因此，渗滤液和蒸馏液的排放可能需要更少的额外处理步骤或更少的COD处罚，通常由法规规定。

在该过程的其他步骤中积累的液体也可以在生物电反应器90中进行处理。例如，分离步骤104中的发酵处理液3可以转移到生物电反应器中进行进一步处理。在一些实施例中，输入到生物电反应器90的液体经过中和处理，所述中和处理包括添加化学中和剂，例如氢氧化钠、碳酸氢钠或碳酸钙。一种或多种中和剂可进一步引入输入液流，以将pH值调节到允许增加外生电细菌存活的值。值一般在6和7之间。根据设施所需的规模和处理时间，这些水流可组合在适当尺寸的保留容器中。

通过改变参数优化输出

如本文所述，本发明产生一系列有用的最终产品，从电到肥料。这些有用的最终产品的产量可以根据需要进行优化，包括响应在摄入过程中或过程中的某个其他点收集的食品废物成分的实时数据，例如通过测试储存罐批次。可以通过改变以下参数来改变产量：孕育剂的成分；加速器或发酵罐中的时间长度；加速器或发酵罐的温度。例如，当食品废料在37°C的温度下加速103时，乳酸产量最大。

在另一个例子中，如果希望氢的产量最大化，加速器50中应用的预处理应具有最大化单糖浓度的目的，以便利用产氢微生物。在本例中，已发现加速器温度在30°C.和50°C之间是最佳的，所用的接种剂应至少包括肠杆菌和梭菌酶。工艺参数，如含水量的调整，可进行修改，以最大限度地利用复合碳水化合物生产葡萄糖。在其他实施例中，将应用导致乙酸最大化的参数，因为当输入生物电反应器90时，已证明乙酸具有最高的理论电产量。

Claims (4)

1.一种在封闭环境中混合厌氧-好氧-酸性发酵食品废物的工艺，其步骤包括：a.从食品废物中去除无机物，产生经筛选的废物；b.将经筛选的废物还原成均匀的颗粒，形成地面废物；

c.通过在地面废物上使用孕育剂加速地面废物的发酵，将地面废物的温度提高到20到50摄氏度之间，并将地面废物与孕育剂混合达48小时，从而形成发酵准备好的废物；d.在发酵罐中，将发酵准备好的废物发酵至pH值达到5或以下，形成由固体发酵废物和发酵处理液组成的发酵废物；e.将固体发酵废物与发酵处理液分离；f.将固体发酵废物干燥，直到固体发酵废物的重量减少50%或更大，形成干燥的发酵废物，并且在所述干燥步骤过程中，从所述固体发酵废物的干燥中收集发酵蒸馏物；以及g.通过将所述干燥的发酵废物成形成一个或多个处理过的副产品对所述干燥的发酵废物进行后处理。

2.根据权利要求1所述的工艺，其中所述还原步骤由还原装置执行，所述还原装置包括用于通过工业切碎刀片装置移动筛选后的废物的输送机，进入可操作的工业废物处理研磨机，将筛碎的废物减少至粒径不大于1/2立方英寸的地面废物。

3.根据权利要求1所述的工艺进一步包括将所述发酵处理液或发酵蒸馏液输入到生物电反应器的额外步骤，所述生物电反应器包括具有用于发电的外生电细菌的微生物燃料电池。

4.根据权利要求2所述的工艺，其进一步包括在标有与客户相关的跟踪号的食品废物收集箱中接收所述食品废物的步骤，记录所述食品废物收集箱中所述食品废物的组成的一个或多个参数，并将所述参数与客户关联。

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