CN116854509A - 基于碳氮回收的餐厨垃圾资源化处理方法 - Google Patents

Abstract

申请提供一种基于碳氮回收的餐厨垃圾资源化处理方法。本申请充分利用餐厨垃圾高氮的特性，首先对餐厨垃圾进行脱油处理，获得化工用油脂原料，然后将剩余物破碎匀浆，将其上层浮渣用于好氧堆肥，再利用蛋白专性降解菌分解匀浆底层物料，分离出固渣和高氮液体，并由此利用固渣饲喂黑水虻幼虫获得昆虫蛋白与虫粪，利用得高氮液体转化回收氮素获得蛋白质，利用刮取获得的上层浮渣与虫粪混合进行好氧堆肥获得有机肥，实现餐厨垃圾的资源化。本申请充分考虑了餐厨垃圾自身特性及其各个处理阶段的碳氮比，能够充分适应餐厨垃圾各处理阶段产物的碳氮元素转化需求，更为高效地将其资源化，并提升转化所得产品价值，减少处理过程中的污染排放。

Description

基于碳氮回收的餐厨垃圾资源化处理方法

技术领域

本申请涉及餐厨垃圾处理技术领域，具体而言涉及一种基于碳氮回收的餐厨垃圾资源化处理方法。

背景技术

餐厨垃圾是指由餐饮业、单位供餐、食品加工等生产经营过程中产生的食物残渣、加工废料等废弃物的混合物，是一种典型的生活源有机固体废弃物。餐厨垃圾的来源广泛，其中含有大量的有机质和营养元素。餐厨垃圾的碳氮比通常在9-15左右。相较于秸秆、畜禽粪便而言，餐厨垃圾含有更多的氮元素，重金属、抗生素等物质含量低，因此餐厨垃圾具有较高的资源属性。

当前，餐厨垃圾所采用的主流的处理手段是通过厌氧发酵工艺将餐厨垃圾中的碳元素经过微生物发酵转化成沼气。但是，这种转化过程中，大量的氮元素以及其他营养元素未被充分利用，并且产生的沼液和沼渣也难以处理，反而会进一步造成环境污染和资源浪费。

其他转化手段，例如，好氧发酵工艺主要利用富氧条件处理餐厨垃圾。然而餐厨垃圾高含水率、高油脂、高蛋白质、低碳氮比的特性，通常会导致好氧发酵处理不彻底、臭气散发严重、用地成本高、分解周期长等问题。

除此之外，餐厨垃圾的饲料化处理方式虽然具有操作过程简单，经济性较好的优势，但是，其所产出的饲料品质不稳定，且容易造成同源风险。

针对上述技术的缺陷，研究人员逐渐将目光转向协同多种技术来资源化餐厨垃圾的处理方式。然而，现有的处理手段仍然存在碳氮失衡，影响资源化进程的情况出现。比如在黑水虻处理厌氧发酵所产生的沼渣时，碳元素在厌氧发酵阶段大量流失，导致黑水虻幼虫处理沼渣的效果不佳，且虫粪碳氮失衡。因而，现有的处理技术通常需要额外购买秸秆等高碳物质共堆肥才能实现资源化利用。更重要的是，现有处理工艺导致沼液中大量的氮元素未能充分回收，沼液量大，难以在系统中消纳，直接消毒后作液态肥用易出现烧根、烧苗现象。

总之，当前餐厨垃圾处理的技术路径相对单一，难以高效资源化，而综合性的路径方法往往处理效果一般，对碳氮元素回收不彻底。

发明内容

本申请针对现有技术的不足，提供一种基于碳氮回收的餐厨垃圾资源化处理方法，本申请充分考虑餐厨垃圾的特点以及各个处理阶段的碳氮比来重新构建餐厨垃圾的处理方法和技术路径，充分将餐厨垃圾碳氮元素资源化，有效提升了转化所得产品价值，并有效减少了餐厨垃圾处理造成的污染排放。本申请具体采用如下技术方案。

首先，为实现上述目的，提出一种基于碳氮回收的餐厨垃圾资源化处理方法，其步骤包括：第一步，将分拣去除无机物质后的餐厨垃圾进行脱油处理，获得化工用油脂原料作为生物柴油等高值产品原料售卖，以及剩余的固液混合物；第二步，将第一步所得固液混合物破碎匀浆处理，并将制浆后的混合物在沉淀过程中刮去其上层浮渣用于好氧堆肥，在剩余物料中加入蛋白专性降解菌进行微生物分解发酵，通过微生物分解发酵将蛋白类大分子分解，将其中的氮素被释放至液体中；第三步，将第二步所得发酵产物固液分离，获得固渣和高氮液体；第四步，将第三步所得固渣饲喂黑水虻幼虫获得昆虫蛋白与虫粪，利用氢氧化细菌降解第三步所得高氮液体，转化回收高氮液体中氮素获得蛋白质；第五步，将第二步中刮取获得的上层浮渣、第四步所得的虫粪混合，进行好氧堆肥，获得有机肥。

可选的，如上任一所述的基于碳氮回收的餐厨垃圾资源化处理方法，其中，所述第二步，在剩余物料中加入蛋白专性降解菌进行微生物分解发酵的过程中，蛋白专性降解菌选用纺缍形赖氨酸芽孢杆菌，进行大分子的分解以及氮素的释放，该降解过程中需保持微生物分解发酵过程中剩余物料pH值不高于7，以减少氮素通过转化为氨气或氧化亚氮等含氮气体，以便后续从高氮废水回收氮素。此过程中，控制pH不高于7可在保证细菌的活性同时，防止氮元素以含氮气体形式逸散。

可选的，如上任一所述的基于碳氮回收的餐厨垃圾资源化处理方法，其中，第四步中饲喂黑水虻幼虫的固渣，其碳氮比通过添加或滤除第二步所得发酵产物中的高氮液体而调节至18~25之间范围。。

可选的，如上任一所述的基于碳氮回收的餐厨垃圾资源化处理方法，其中，第四步氢氧化细菌降解第三步所得高氮液体的过程中利用电解水的H2作为氢氧化细菌的电子供体，并调节降解环境中氢气、氧气、二氧化碳之间浓度比为7:1:1。

可选的，如上任一所述的基于碳氮回收的餐厨垃圾资源化处理方法，其中，第四步中饲喂黑水虻幼虫的固渣，其粒径大于2mm，含水率在60%~80%之间；以湿重计算，其油分含量控制在12%以下。

可选的，如上任一所述的基于碳氮回收的餐厨垃圾资源化处理方法，其中，第四步黑水虻幼虫过腹转化过程中，需通过温湿度调节装置，气体控制装置，虫粪分离装置，等黑水虻资源化餐厨垃圾所需设施保障饲喂黑水虻幼虫的环境温度保持在28±2°C，湿度保持在50~80%，饲喂时间控制在7~10天。

可选的，如上任一所述的基于碳氮回收的餐厨垃圾资源化处理方法，其中，第四步中具体选用富养罗尔斯通氏菌降解第三步所得高氮液体。富养罗尔斯通氏菌无需过多碳源即可将氮素用于微生物增殖，集中回收系统中的氮素。

可选的，如上任一所述的基于碳氮回收的餐厨垃圾资源化处理方法，其中，第二步分离、制浆的过程中，可通过制浆将混合物均质化，刮除浮渣后，刮出部分主要是浮在混合物上方的高碳含量的瓜果蔬菜类残体，其可通过压榨系统控制浮渣含水率，以在第五步好氧堆肥的过程中，通过调节第二步中刮取获得的上层浮渣的添加量，将虫粪混合物的含水率控制在50~60%之间。所述好氧堆肥过程，其主要底物为分离阶段产生的浮渣和过腹转化阶段产生的黑水虻虫粪。浮渣碳含量较高，作为辅料添加能有效调节虫粪碳氮比，保证好氧堆肥过程能有效进行。好氧堆肥系统一般可设置包括曝气装置、温度控制装置等必要装置。

可选的，如上任一所述的基于碳氮回收的餐厨垃圾资源化处理方法，其中，第四步中具体以固渣饲喂生长3-5天的黑水虻幼虫10天。

可选的，如上任一所述的基于碳氮回收的餐厨垃圾资源化处理方法，其中，饲喂过程中，固渣投放比例为：每10000只黑水虻幼虫每天投放湿重1kg的固渣。

有益效果

本申请所提供的基于碳氮回收的餐厨垃圾资源化处理方法，其充分利用餐厨垃圾高氮的特性，首先对餐厨垃圾进行脱油处理，获得化工用油脂原料，然后将剩余的固液混合物破碎匀浆，将其上层浮渣用于好氧堆肥，再在剩余物料中加入蛋白专性降解菌进行微生物分解发酵，分离出固渣和高氮液体，并由此利用固渣饲喂黑水虻幼虫获得昆虫蛋白与虫粪，利用得高氮液体转化回收氮素获得蛋白质。本申请将餐厨垃圾的碳氮元素彻底的转化成高值化产品的过程中，可进一步将刮取获得的上层浮渣与虫粪混合从而有效提高好氧堆肥效率以获得高品质有机肥，实现餐厨垃圾的资源化。本申请所提供的转化工艺充分考虑了餐厨垃圾自身特性及其各个处理阶段的碳氮比，能够充分适应餐厨垃圾各处理阶段产物的碳氮元素转化需求，进而更为高效地将其资源化。本申请有效提升了转化所得产品价值，可有效减少餐厨垃圾处理造成的污染排放。

本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。

附图说明

附图用来提供对本申请的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本申请的实施例一起，用于解释本申请，并不构成对本申请的限制。在附图中：

图1是本申请的基于碳氮回收的餐厨垃圾资源化处理方法的流程步骤示意图。

实施方式

为使本申请实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本申请实施例的附图，对本申请实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本申请的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

在本发明中，若无特殊说明，所需物料均为本领域技术人员熟知的市售商品或本领域熟知的方式获得。

在本发明中，所述餐厨垃圾优选包括餐饮业、单位供餐、食品加工等生产经营过程中产生的食物残渣、加工废料等废弃物的混合物，不包括无机物垃圾如骨头或壳类等。

图1所述，是本申请所提供的一种基于碳氮回收的餐厨垃圾资源化处理方法。其将分选后的餐厨垃圾进行除油，油脂作为生物柴油等高值产品原料售卖；制浆后的混合物在沉淀过程中刮去上层浮渣用于好氧堆肥；刮去浮渣的混合物进行蛋白质分解反应，该过程中蛋白类大分子被分解，其中的氮素被释放至液体中；反应后进行固液分离，固渣用于饲喂黑水虻幼虫，得到昆虫蛋白与虫粪，高氮液体用氢氧化细菌将氮素回收生产蛋白质；虫粪与浮渣共堆肥得到有机肥。下面分别提供若干实施例以验证上述转化工艺。

实施例1：从餐厅收集餐厨垃圾生产高值产品

将收集的餐厨垃圾40kg人工去除骨头、牙签、纸巾等无机物质，并利用破碎机破碎并匀浆餐厨垃圾，控制粒径在4mm-10mm之间。制浆后的餐厨垃圾接种2%的纺缍形赖氨酸芽孢杆菌在缺氧条件下处理7d，再经过沥水箱和挤压一体机，得到含水率约74.8%的有机固渣（34.1kg）以及高氮液体（5.8kg）。使用培养5d的黑水虻幼虫处理有机固渣，黑水虻幼虫和有机固渣的比例为10000只/kg有机固渣（湿重），维持温度在28±2°C，湿度在70%。经过10d的生物转化得到2.2kg的虫干（干重），以及含水率60%虫粪15.7kg。由于浮渣较少，因此将虫粪与秸秆同比例混合后，调整整体含水率在60%，使用常规好氧堆肥的模式堆肥60天后，得到有机肥16.3kg。接种2%的富养罗尔斯通氏菌处理高氮废水，用氢气/氧气/二氧化碳=7:1:1混合气体替换反应器中的空气，每24h换一次气体，反应10d后，用离心机分离得蛋白质含量在60%以上的混合物301.6g。

实施例2：从厌氧发酵厂固液混合箱收集混合物生产高值产品

从专门处理餐厨垃圾和厨余垃圾的厌氧发酵厂中收集固液混合箱中提出油脂的固液混合物120kg，浮渣若干。制浆后的固液混合物使用接种2%的纺缍形赖氨酸芽孢杆菌在缺氧条件下处理7d，再经过沥水箱和挤压一体机，得到含水率72.6%的有机固渣（70.2kg）以及高氮液体（48.9kg）。使用培养5d的黑水虻幼虫处理有机固渣，黑水虻幼虫和有机固渣的比例为10000只/kg有机固渣（湿重），维持温度在28±2°C，湿度在70%。经过10d的生物转化得到4.6kg的虫干（干重），得到含水率60%虫粪30.5kg。将虫粪与浮渣同比例混合后，调整整体含水率在60%，使用常规好氧堆肥的模式堆肥60天后，得到有机肥24.5kg。接种2%的富养罗尔斯通氏菌处理高氮废水，用氢气/氧气/二氧化碳=7:1:1混合气体替换反应器中的空气，每24h换一次气体，反应10d后，用离心机分离得蛋白质含量在60%以上的混合物2.05kg。

对比例

综上，本申请基于各阶段的碳氮比选用适合的工艺，将餐厨垃圾的碳氮元素转化成生物柴油、蛋白质、有机肥等高值产品，在避免环境污染的同时，实现餐厨垃圾的全量资源化。其相比于现有转化技术具有如下优势：

本发明将餐厨垃圾转化为油脂、蛋白质和有机肥等多种高价值产品，运行成本低、资源回收性高。

本发明利用蛋白质专性降解菌分解餐厨垃圾中大分子物质，相较于沼渣，本工艺方法中的有机固渣更利于黑水虻消化，提升了黑水虻幼虫对有机固渣的处理效果，同时释放多余氮素至水体中，尽可能避免了大量氮素在黑水虻处理过程中出现过剩，从而通过气体排放逸散到空气中的情况。

本发明利用高氮液体中氮素含量高的特性，优先选用氢氧化细菌处理高氮液体，理想状态下能回收高氮液体中70%以上的氮素进入到菌体蛋白，避免了投加额外碳源来处理高氮、恶臭的沼液，同时极大可能地回收了液体中的氮素。

本发明优先选用浮渣作为虫粪堆肥的水分、碳氮比调节剂，避免从外部购买秸秆、引入自来水来调控堆体环境，同时避免堆体温度难以上升的情况出现，既节约了资源和能耗，又保证了有机肥的产品质量。

本发明极大地将餐厨垃圾中地碳氮元素转化为蛋白质这类高价值产品，从生命周期的视角而言，转化为蛋白质比转化为能源、肥料等更能节约食物生产和消费过程中所消耗资源、降低相应的环境足迹。

以上仅为本申请的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于碳氮回收的餐厨垃圾资源化处理方法，其特征在于，步骤包括：

第一步，将分拣去除无机物质后的餐厨垃圾进行脱油处理，获得化工用油脂原料，以及剩余的固液混合物；

第二步，将第一步所得固液混合物破碎匀浆处理，并在沉淀过程中刮去其上层浮渣用于好氧堆肥，在剩余物料中加入蛋白专性降解菌进行微生物分解发酵；

第三步，将第二步所得发酵产物固液分离，获得固渣和高氮液体；

第四步，将第三步所得固渣饲喂黑水虻幼虫获得昆虫蛋白与虫粪，利用氢氧化细菌降解第三步所得高氮液体，转化回收高氮液体中氮素获得蛋白质；

第五步，将第二步中刮取获得的上层浮渣、第四步所得的虫粪混合，进行好氧堆肥，获得有机肥。

2.如权利要求1所述的基于碳氮回收的餐厨垃圾资源化处理方法，其特征在于，所述第二步，在剩余物料中加入蛋白专性降解菌进行微生物分解发酵的过程中，蛋白专性降解菌选用纺缍形赖氨酸芽孢杆菌，并保持微生物分解发酵过程中剩余物料pH值不高于7。

3.如权利要求1所述的基于碳氮回收的餐厨垃圾资源化处理方法，其特征在于，第四步中饲喂黑水虻幼虫的固渣，其碳氮比通过添加或滤除第二步所得发酵产物中的高氮液体而调节至18~25之间范围。

4.如权利要求1所述的基于碳氮回收的餐厨垃圾资源化处理方法，其特征在于，第四步氢氧化细菌降解第三步所得高氮液体的过程中利用电解水的H2作为氢氧化细菌的电子供体，并调节降解环境中氢气、氧气、二氧化碳之间浓度比为7:1:1。

5.如权利要求1所述的基于碳氮回收的餐厨垃圾资源化处理方法，其特征在于，第四步中饲喂黑水虻幼虫的固渣，其粒径大于2mm，含水率在60%~80%之间；以湿重计算，其油分含量控制在12%以下。

6.如权利要求5所述的基于碳氮回收的餐厨垃圾资源化处理方法，其特征在于，第四步中饲喂黑水虻幼虫的环境温度保持在28±2°C，湿度保持在50~80%，饲喂时间控制在7~10天。

7.如权利要求1-7所述的基于碳氮回收的餐厨垃圾资源化处理方法，其特征在于，第四步中具体选用富养罗尔斯通氏菌降解第三步所得高氮液体。

8.如权利要求1-7所述的基于碳氮回收的餐厨垃圾资源化处理方法，其特征在于，第五步好氧堆肥的过程中，通过调节第二步中刮取获得的上层浮渣的添加量，将虫粪混合物的含水率控制在50~60%之间。

9.如权利要求6所述的基于碳氮回收的餐厨垃圾资源化处理方法，其特征在于，第四步中具体以固渣饲喂生长3-5天的黑水虻幼虫10天。

10.如权利要求9所述的基于碳氮回收的餐厨垃圾资源化处理方法，其特征在于，饲喂过程中，固渣投放比例为：每10000只黑水虻幼虫每天投放湿重1kg的固渣。