（环境科学专业论文）以锯木屑、玉米秸秆作为反应基质处理餐厨垃圾的减量化研究.pdf

a b s t r a c t w i mm ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y c o m p o n e n tc h a r a c t 耐s t i co fc i t yg 拍a g et a k ep l a c e v a r i e 够，m ek i t c h e ng 曲a g e 佻ep a n 5 0 i i lc 时g 抽a g e 1 1 1 e r ea r e d so f m 础o d st od e a l 谢t l li t ，e x p l o m e 恤g 曲a g ep r o c e s s o r i sm e 砸m a r ym e a n so fm e t h o dr i g h tn o w t h ee q u i pw eu s e di nt b j sr e s e a r c hi ss 一1 5b i o - t o i l e t t h em 咖s 咖c t u r e i sar e c 妞刚a r b o x ，f i l l i n gi nr e a c t i o nm a t r i x t h ee x p e r i m e n “p r i n c i p l ei sm a i l l l yb y 彻1 n j n g 、 ，i t h4 0 w l l p o w e r ，、釉硼劬i ca 1 1 d a i l a u e r o b i cm i c r o o r g 痂s m se x o t h e r m i cf e m e 熊岖o n ，c o n v e n 也e e x c r e m e n ti 1 1 t ow a t e r ，c a r b o nd i o x i d ea 1 1 dw i t h1 i m er e s i d u e t h eg 加a g ew eu s e dm 枷y 舳mb e i y u a l lr e s t a u r a n ti nn o r d l e a s tn o 衄a 1u 1 1 i v e r s 吼 u s es a w d u s t ，c o ms t a l k s 嬲r e s e a r c ho b j e c t s ，k t c h e ng a r b a g ea n dm 撕x 砌a r a t i oo f8 ：1 e x p e 曲l e n t sw e r ec o n d u c t e d2 4 d ，18 dr e s p e c t i v e l y t h er e s e a r c ho p e n e d a i le x h i b “i o nt o c a n yo nn l em e a s u r e m e n to fp a r a m e t e r ，t e i n p e r m 鹏，p h ，h u m i i l 毋，b i o l o g i c a ld e 铲a d a t i o m t o t a lp 们1 ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wm a tu s es a w d u s t ，t h eg 砷a g er e d u c t i o nr a t e i s5 5 ， t e 踯e r a t u r ec h 2 m g ef r o m5 0 5 6 ，h 哪i d i t y 五的m6 0 - 7 0 ，p h 丘o m5 o - 7 7 ，b i o l o g i c a l d e g r a d a t i o n i s2 5 4 ，t o t a lpi s4 8 4 u s ec o ms t a l k sa sr e a c t i o nm a t r i x ，g a r b a g er e d u c t i o nr a t ei s 4 8 3 ，t e m p e r a l 眦ec h a l l g e 行o m5 0 5 5 h 啪i d i t ) r 疳o m 6 2 6 3 ，p h 盘o m 5 5 6 6 ，b i o l o g i c a ld e 伊a d a t i o ni s2 7 3 ， t o t a lpi s4 0 4 a t l a s t w ef o u n dt h a tf o rt h es a w m l s ta sm a t l 奴t 0d e 铲a d a t em eg 矗b a g em e r e d u c t i o n s f 5 5 ) b e t t e rm a nf o rt h ec o ms t a l l ( sa sm a t r i x ( 4 8 3 ) b e c a u s eo fm a 虹n g l e s su s eo fl a l l d ， s p a r ep o w e r ，e a s yt om a n a g ea n ds a v ew a t e r ，p r o v i d ca n o 戗1 e rm e 也o d t od e a l 丽t hk i t c h e n g a r l ) a g e k e yw o r d k i 蜘g a r b a g ep r o c e s s o r ；s 明，d u s t ；c o m 触；d e g r 舭p a r 锄1 酏e r 独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究工作所取得 的成果。据我所知，除了特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果。对本人的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了 明确的说明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 差盘堕 日期：巡兰12 学位论文使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：东 北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、 汇编本学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士学位论文全文数据库 ( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全文数据库( 中国科学技 术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发行和提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：为盘盏一 日期：塑堡17 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 指导教师笨名_ 蚕卅靠 指导教师签名：! ：! ! = ： 日 期：塑堕孕 电话： 邮编： 东北师范大学硕士学位论文 引言 随着社会的进步和发展，人们的生活水平不断提高，同时城市生活垃圾的成分和特 性也发生了变化，其中餐厨垃圾占生活垃圾比例的5 0 以上。在日常生活中，居民通常 将餐厨垃圾混入生活垃圾中，通过塑料袋送到垃圾收集点，餐厨垃圾在存放、收集、转 运及垃圾填埋过程中，由于其含水率和有机物含量较高，极易在较短时间内腐烂发臭和 滋生蚊蝇等，极大地污染了周围环境。目前，餐厨垃圾的处理有多种方法。如何将餐厨 垃圾进行原地处理并且在处理过程中减少环境污染，是当前很多研究人员亟待解决的关 键问题。 在各级政府的高度重视下，我国城市生活垃圾综合处理取得了显著进展。其中对餐 厨垃圾的处理也有了大幅度的提高和重视，长期以来，国内外对餐厨垃圾的处理进行了 广泛的研究，总结了餐厨垃圾处理方法，大部分采用的都是填埋、堆肥等方法。本研究 在此基础上提出开发小型餐厨垃圾处理器对餐厨垃圾进行源头化处理，解决由于运输过 程和处理过程中带来的环境污染问题。许多国家开发并且研制了餐厨垃圾处理器，种类 繁多，但是其原理是根据机械搅拌的方式处理餐厨垃圾，也有一些采用添加微生物的方 法对餐厨垃圾进行“消化”。为了进一步的开辟餐厨垃圾的处理器，我们提出了利用生 态厕所降解餐厨垃圾的实验研究，开辟餐厨垃圾处理器的新途径。 东北师范大学硕士学位论文 第1 章城市餐厨垃圾现状 1 1 城市餐厨垃圾的现状 随着社会的进步和城市的发展，人们生活水平在不断提高。然而，城市生活垃圾却 成了人类面临的重大环境问题，城市生活垃圾的产生量在以惊人的速度增加，据统计， 目前我国城市人均年生活垃圾产生量己达到4 0 0 k g ，年垃圾产生总量为1 4 亿t ，并且以 平均每年8 一1 0 的速度增长，超过世界平均增长速度。我国4 0 0 多座城市中，至少有2 3 的城市陷入垃圾包围中。堆放和处置城市垃圾的场地日益减少，而处置不当不仅影响城 市景观，同时污染了与我们生命至关重要的大气、水和土壤，对城镇居民的健康构成威胁， 人们的生活质量受到严重影响。因此，垃圾已成为城市发展中的棘手问题。城市生活垃 圾的处理一直是令世界各国政府、各地政府头痛的一个大问题。目前城市生活垃圾成分 中的有机含量逐渐提高，餐厨垃圾的产生量有越来越大的趋势。由于我国国情特殊，存 在着一支庞大拾捡垃圾大军，我国城市生活垃圾中可回收部分基本已被挑拣殆尽，餐厨 垃圾已成为城市生活垃圾主要成分，在餐馆、饭店、食堂等处这一比例更高。与其他垃 圾相比，具有水分、有机物、油脂及盐分含量高，易腐烂、营养元素丰富等特点。由于 高含水率，餐厨垃圾不能满足垃圾焚烧的发热量要求n 1 ( 不低于5 0 0 k j k g ) 直接填埋又 会造成有机物的大量浪费。同时由于餐厨垃圾所派生的“垃圾猪”、“潲水油”等危害人 体健康，餐厨垃圾直接排入下水道又可能造成甲烷气爆炸等问题，因此，餐厨垃圾的处 理处置越来越引起全社会的关注。 1 2 餐厨垃圾的产生及其特征 餐厨垃圾是家庭、宾馆、饭店及机关企事业等所产生的食物残余物的通称。尽管餐 厨垃圾的组成、形成和产生量受社会经济条件、地区差异、居民生活习惯、饮食结构、 季节变化的不同而有所差异，但总体上餐厨垃圾有如下特征口鄙 ( 1 ) 高含水率。餐厨垃圾的含水率高( 水的质量分数大于8 0 ) ，这给其收集、运输和 处理都带来很大的难度。垃圾渗滤水可通过地表径流和渗透作用，污染地表水和 地下水，由于餐厨垃圾单位质量的热值在2 1 0 0 k j k g 左右，不能满足垃圾焚烧发 电的热值要求( 一般垃圾发电热值要求 5 0 0 0 k j k g ) 。 ( 2 ) 易腐烂。餐厨垃圾中有机物含量高( 约占干物质质量的9 5 以上) ，易腐败发臭， 易滋生病菌，会造成疾病的传播h ，。 ( 3 ) 营养丰富。除了有机物含量高之外，餐厨垃圾还富含氮、磷、钾、钙以及各种微 量元素，具有营养元素齐全，回收利用价值高的特点。 ( 4 ) 成份复杂。餐厨垃圾是油、水、固相物混合蔬菜、果皮、果核，米面、鱼、肉、 2 东北师范大学硕士学位论文 骨以及废餐具、纸巾等的大杂烩。 餐厨垃圾的以上特征表明，餐厨垃圾一方面具有较高的可再利用价值，另一方面又 必须对其进行适当的处理，才能达到社会效益、经济效益和环境效益的统一。 1 3 餐厨垃圾处理技术 居民住宅区的生活垃圾分为餐厨垃圾、非餐厨垃圾、大件垃圾、有毒有害垃圾，其 中餐厨垃圾包括食物残渣、剩菜剩饭、菜叶果皮等。现阶段垃圾分类收集率仍然较低， 绝大部分住宅区还是采用混合收集的方式。在小区通常由物业管理公司安排专人定时上 门收运，餐厨垃圾最终混在其他生活垃圾中被填埋或焚烧，资源化程度低畸1 。目前，对 餐厨垃圾的处理技术有很多种，其中包括直接排放、填埋、焚烧和热分解、堆肥处理技 术、甲烷发酵技术、生产饲料技术等多种处理技术。下面对以上各种技术方法进行简单 的分析与讨论。 1 3 1 直接排放技术 即直接将垃圾露天堆放。直接堆放容易产生较多的污水和臭气，污染环境，增加了 病菌、蚊蝇的滋生和疾病的传播，并增加了垃圾填埋场和城市污水处理厂的压力，增加 了相应系统的投资及各项处理费用，二次污染的产生也不可避免。 1 3 2 填埋技术 填埋由于操作简便，是目前应用比较普遍的处理方法。由于餐厨垃圾过高的含水率 导致渗滤液的增多、符合填埋条件的土地面积的减少，从而造成处理成本升高。而且厌 氧分解的餐厨垃圾是填埋场中沼气和渗滤液的主要来源，会造成二次污染。此外防渗条 件不好，对地下水污染存在危害。这种处理方式将损失餐厨垃圾中几乎所有的营养成分， 最终餐厨垃圾中的绝大部分碳水化合物将转化为沼气。在一个精心设计的填埋场里，约 有6 6 的沼气可以作为燃料重新利用( 但目前并未做到) ，但剩余的3 4 将进入大气层。 而沼气对全球变暖的影响约为二氧化碳的2 5 倍阳1 1 3 3 焚烧和热分解 热分解法是将垃圾在高温下进行热解，使垃圾中所含的能量转换成燃气、油和炭的 形式，然后再进行利用。同时垃圾中所含氦、硫、氨等在热解过程中保持还原状态，因 而对装置的腐蚀较小。热分解法具有广阔的应用前景，但技术尚未达到实用要求，目前 应用较少。 由于餐厨垃圾含水率较高，热值较低，燃烧时需要添加辅助燃料。餐厨垃圾的脱水 也需要消耗大量的能量，焚烧尾气需经过有效处理才能达到排放标准。采用焚烧法处理 餐厨垃圾存在投资大，尾气排放受限制等，难于广泛应用。 东北! j 币范大学硕士学位论文 1 3 4 高温好养堆肥法 高温好氧堆肥是处理餐厨垃圾的有效方法之一。堆肥是在人工控制的条件下，使有 机固体废物进行生物稳定作用的过程。餐厨垃圾有机物含量高，营养元素全面，c n 比 较低，是微生物的良好营养物质，非常适用予作堆肥原料。同时，餐厨垃圾中惰性废物( 如 废塑料等) 含量较少，利于堆肥产品的农用。除农业外，堆肥产品可以用于林业、景观等 方面。该方法优点是处理方法简单、成品中能较多的保留氮。缺点是需用场地大、处理 周期长，有些病菌不易杀死。并且堆肥场地产生的污水和废气将会导致新的污染，增加环 境负荷。如对所产生的污水和废气进行再治理，将增加额外的处理费用。而且餐厨垃圾 中的高油脂含量和高含盐量非常不利于微生物的生长，也制约了高温好氧堆肥处理工艺 的效果刀。 1 3 5 甲烷发酵技术 甲烷发酵是餐厨垃圾在厌氧条件下通过微生物的代谢活动而被稳定化，同时伴有甲 烷和二氧化碳混合气体( 沼气) 的产生陋，钊。沼气可作为居民用燃料、汽车燃料，也可以 用来供热和发电，有较高的经济利用价值。但沼气池维修困骓，使大多数人不愿意用 1 3 6 生产饲料技术 利用餐厨垃圾作为原料进行酵母固态发酵，可以提高其蛋白质、氨基酸和维生素的 含量，以此来代替大豆、鱼粉等蛋白饲料。这种用餐厨垃圾生产菌体蛋白饲料的方法，投 资少，能耗低，见效快，操作简便，但成本较高n 引。 1 4 国内外餐厨垃圾处理器发展现状 目前对于餐厨垃圾处理器的开发被越来越多的重视，餐厨垃圾处理机主要分三种类 型：第一种就是将餐厨垃圾破碎后，直接排入下水道，并没有深层次的处理：第二种以减 量化为主，也称消化型，采用加热器使水分蒸发，减小垃圾体积：第三种以资源化为主，也 可称作生化式，是先利用生物将有机物分解之后，再将剩下的残渣作为肥料使用。餐厨垃 圾处理机的优势在于没有二次污染，占地小，运行成本低，操作方便，既可用于居民厨房， 也可用于餐厨垃圾产生量比较大的单位部门n 。 1 4 1 国内餐厨垃圾处理器的发展现状 我国目前还没有建立健全餐厨垃圾处理管理体系，缺乏相应的管理政策和适宜的处 理技术，普遍采用的处理方式仍然是混在普通垃圾中，直接混合填埋处置或直接运到农 场喂猪。由于没有专门的统一法律法规可供遵循，一些城市制定了自己的处置政策。如 上海物价局曾出台餐厨垃圾的收费政策，规定餐厨垃圾产生者可自行处置，也可委托处 置，在目前餐厨垃圾处置市场化起步阶段，对委托收运、处置费暂且实行最高限价，收 运和处置企业地价格可自行上、下浮动u 2 。 餐厨垃圾( 粉碎) 处理机在国内的推广是从九十年代开始的，有十余个品牌的产品， 4 。 东北师范大学硕士学位论文 外观和结构大同小异。由于一直没有政府的行政力量介入，加上市民接受新事物有一个 过程，推广进程缓慢。对餐厨垃圾的处理，在国内最早推行餐厨垃圾处理机的厂商有美 国的艾默生电气和通用公司。九十年代末上海和北京市政府开始重视，加上各商品楼盘 注重打造“绿色小区”、“环保小区 的卖点，目前已有数十个小区统一安装了厨房垃 圾( 粉碎) 处理机，数量近万台。因居民使用后反映效果好，近年有日益增加的趋势。 同时国内也有一些厂家也开始研发各自的产品，如江苏省某制造有限公司自行研制开发 生产的厨房垃圾粉碎机，主要利用锤头在高速旋转时产生的惯性力将垃圾击碎，再通过 齿板、齿轮的相对运动进行再次切割、研磨，粉碎后的垃圾随下水道冲走，但增加污水 中的c o d ，同时处理技术的成熟度还有待于提高n 3 1 4 1 。 1 4 2 国外餐厨垃圾处理器的发展现状 由于一般家庭厨房的面积有限，每种垃圾单独回收，会影响厨内的日常操作，所以 就地减量化处理是餐厨垃圾处理的基本立足点，于是一些小型餐厨垃圾处理机应运而 生。国外的餐厨垃圾处理装置大致分机械研磨型和生化处理型。所谓机械研磨型其原理 是通过高速运转的刀片将装在内胆里的各种食物垃圾切碎后再将搅拌物冲入下水道，这 既解决了水道堵塞带来的麻烦，又解决了因垃圾腐烂变质而带来的环境污染n 引。 早在2 0 世纪4 0 年代，美国就成功地研制开发出家庭食物垃圾处理机，解决了倾倒 家庭食物垃圾和存放的烦恼。如今美国9 0 以上家庭使用这种机器，一些城市甚至强制 使用。在美国，餐厨垃圾产生量较大的单位设置垃圾粉碎机和油脂分离装置，餐厨垃圾 经粉碎机粉碎后进入油脂分离装置，碎料排入下水道，油脂则送往相关加工厂( 如制皂 厂) 加以利用。餐厨垃圾产生量较小的单位，则将其混入有机垃圾中进行处理，前提是美 国生活垃圾分类收集的比例很高。 2 0 世纪9 0 年代，在日本，餐厨垃圾处理也达到了3 5 以上，松下电子工业公司于1 9 9 3 年研制出m s n 4 0 和m s n 3 1 两种厨房垃圾处理机，3 4 h 可以处理0 7 k g 垃圾，机器内置臭 氧除臭器，用以除去垃圾的多种气味。日本精工公司2 0 0 0 年5 月成功地开发出使用磁控 管的食物垃圾处理装置。这种装置最大的特点是能将食物垃圾的水分蒸发掉，经干燥后 磨碎。这种装置由于采用微波处理，可同时杀灭垃圾中的细菌并防止产生有害气体，体 积如同复印机大小，可放置在室内，底面有轮子可随意移动，因此对市区饮食店和小型 超市尤为适用，具有广阔的市场n 引。 国外还有一种生化处理型餐厨垃圾处理机。根据出料时间和出料量分为“消灭型 和“堆肥型”。消灭型重在垃圾的减量，适合于居住小区的有机垃圾就地消纳，消除臭 味，避免蚊蝇的滋生，减少收集运输过程中的环境污染问题。其原理是将催化剂掺进垃 圾中，搅拌使分解垃圾的细菌活性化，经过数小时的搅拌后垃圾被分解成水和二氧化碳。 其分解使用的催化剂大多为各公司开发的产品。日本三洋公司推出的餐厨垃圾处理机， 采用微生物来分解垃圾，使垃圾转化为水和二氧化碳，其产品更适合于城市家庭。堆肥 型处理机则是兼顾了餐厨垃圾的减量化和资源化，是一种添加了高效菌种并控制堆肥条 件的动态快速有机垃圾堆肥器n 7 1 5 东北师范大学硕士学位论文 一些发展中国家，如尼西利亚、赞晓亚、埃塞俄比亚、印度和盂加拉等国也结合本 国具体情况在有关餐厨垃圾处理器不同层次的问题方面进行了广泛的研究和实践。 1 5 吉林省长春帝的垃圾状况 1 5 1 长春市生活垃圾概况 城市生活垃圾产生量主要与地理条件、城市人墨、活民消费水平和城市屠民燃气率 等因素有关【l 引。长春市的生活垃圾主要来源于居民的生活与消费、市政建设和维护、商 业市场活动，医疗都 】和娱乐场所等。随着城隶镬二进程的加快，长春市生活垃圾也在逐 年增加。根据预测，2 0 1 0 年长春市人口将增加到2 4 0 万人，垃圾产生量约1 1 8 6 9 万t ； 到2 0 2 0 年人口增加到2 8 0 万人，垃圾产生量为1 3 7 。8 9 万t 。耳前长春市已建成有两个垃 圾填埋场，另外还有一个正在建设的大型垃圾填埋场，建设耗费资金数量大，预计可以 使用2 0 年u9 l 。 1 s 2 长春市生活垃圾成分及处理现状 2 0 世纪7 0 年代以前，长春市生活垃圾大部分在建成区边缘融近及远，找坑自然堆放， 或为近郊农村垫道，做分散处置，由于当时的垃圾绝大部分是炉灰、脏土等，而有机物 质及有害物质较少，所以没有造成严重环境污染，但在一定程度上也污染了城区的水系， 影响了城市生态环境。2 0 世纪7 0 年代末，随着生活垃圾产生量的增加，相继建成了咒 座垃圾堆放场，由于当时对垃圾认识的局限性，对所建的垃圾堆放场未做无害化技术处 理，因此有些垃圾堆放场先后出现污染事故，导致某些垃圾堆放场关闭。宣2 0 世纪9 0 年 代开始，生活垃圾处理从单一的填坑处理走向多元化处理，如焚烧等，但目前长春市还 是主要以填埋方式为主。 表l l 是2 0 0 2 年长春市垃圾成分构成表阑。在各种生活垃圾组分中，餐厨垃圾组分 含量约占整个生活垃圾的一半左右，在长春市主要是随着时代的进展，其餐厨垃圾含量 达6 s 。8 溉( 觅表l 2 ，餐蹰垃圾含水率褐。8 溉( 觅表l 3 ) ，所以，要想对长春生活垃 圾量减少下来，主要就是解决餐厨垃圾减量化问题。 表1 12 0 0 2 年长春市垃圾成分( ) 成分餐厨植物塑料废纸动物灰土金属玻璃织物木材电池 含量 碡3 。0 2 2 1 5 。o4 。91 0垂60 。52 。s2 。72 72 7 表卜2 生活垃圾成分的酉分数( ) 6 东北9 币范大学硕士学位论文 表卜3 垃圾各组分的含水率( ) 1 6 本论文的研究目的、内容与意义 1 6 1 本文研究的目的 依据东北师范大学学生餐厅餐厨垃圾产生的实际情况，研制适合我国的餐厨垃圾处 理器。使居民、食堂、饭店、宾馆等地方或单位可以直接对餐厨垃圾进行处理，处理后 的餐厨垃圾可以作为有机肥料使用，使资源得以重复利用。这样就在源头上避免了餐厨 垃圾的污染问题，同时也实现了城市餐厨垃圾的减量化资源化与无害化的目的。 1 6 2 本文研究的内容 本研究主要解决利用已开发的餐厨垃圾处理器( 生态厕所) 进行对餐厨垃圾降解的 效果实验，通过实验测定餐厨垃圾降解的各个参数，如减量率、温度，湿度，p h 值及生 物降解度和总磷的含量，比较分别用玉米秸秆和锯木屑作为餐厨垃圾处理器中基质，进 行降解餐厨垃圾的可能性及减量化情况，从而确定玉米秸秆和锯木屑哪种最适合作为餐 厨垃圾降解的反应基质，根据餐厨垃圾与反应基质之间的配比情况及其参数研究，为实 际解决餐厨垃圾的降解提供理论依据。 1 6 3 本文研究的意义 利用餐厨垃圾处理器作为反应装置，以锯木屑和玉米秸秆作为反应基质处理餐厨垃 圾，一方面解决了生活垃圾排放量大带来的环境污染问题，另一方面又解决了农村过多 的玉米秸秆浪费，达到环境、经济与社会三种效益的满足。 7 东北师范大学硕士学位论文 2 1 实验材料 第2 章实验材料与方法 2 1 1 锯木屑 实验中所用的锯木屑采自于长春铁北某木材厂加工后所剩余的废料，主要是常见的 杉木，兴安落叶松，云杉，白桦，毛白杨等木材构成。 2 1 2 玉米秸秆 玉米秸秆采自于吉林省农安县，经粉碎后选取粒径为卜2 c m 的玉米秸杆。 2 1 3 餐厨垃圾 采自于东北师范大学北苑食堂学生餐厅，通过统计每天学生食堂的就餐人数占学校 总学生数的7 0 ，其中副食主要以蔬菜为主，肉类占少数，主食以馒头和米饭所占比例 较大。 2 2 实验设备 本实验所用的餐厨垃圾处理器为s 一1 5 型生态厕所，由日本科学技术振兴事业机构 赠送，装置体积为1 1 0m 0 1 6 2m 0 1 6 2m ：底部装有加热片，加热功率为2 0 0 w ：齿 轮转动功率为4 0w ，转速为1 6 2 0 次d - 1 ；反应过程中产生的气体经排气管排到室外。 其实物图如图2 1 所示，其基本原理图如图2 2 所示。 参照图2 2 ，在外壳的顶面一角处有一排气孔和进料口，在反应箱内有一水平搅拌 轴，在轴上装有搅拌齿轮，齿轮的动力来自于箱壳体一侧的电动马达，在箱体的底部安 装有加热装置，温度是通过箱体内部传感器与控制仪所控制，转动的时间也由控制仪所 控制。 使用时，从加料口首先加入粉碎玉米秸秆、稻壳或锯木屑等反应基质，然后加入定 量餐厨垃圾，接通电源，启动电机，带动搅拌齿轮转动，同时加热系统进行加热，箱体 内基质与餐厨垃圾被加热的温度与每小时转动次数由控制仪控制，反应产生的c o z 、h 2 0 及其他气体经排气孔排入大气，反应的残余物由排料口排出。 8 东北师范大学硕士学位论文 图2 一l 餐厨垃圾处理器实物图 图2 2 餐厨垃圾处理器构造与原理图 2 3 实验原理 本实验主要以内部填充玉米秸秆或锯木屑作为微生物的反应基质，通过有氧微生物 的放热发酵，将餐厨垃圾转化成无臭味的水、二氧化碳和有机肥。在反应过程中，微生 物以餐厨垃圾、锯木屑、玉米秸秆中的有机物为养料，通过微生物化学作用，使之分解 为简单的无机物，如二氧化碳和水等，并释放出微生物所需的能量。餐厨垃圾处理器的 处理过程与传统好氧堆肥处理餐厨垃圾的相同之处都是利用有氧微生物的发酵分解物 料中的有机物，不同之处在于：( 1 ) 本实验餐厨垃圾处理器将餐厨垃圾与反应基质在有 自动的动力搅拌装置下，使反应物充分混合，在好氧与厌氧循环过程中将餐厨垃圾分解 的过程。( 2 ) 餐厨垃圾处理器可以连续添加餐厨垃圾，从而可达到连续处理的过程。( 3 ) 本实验的主要目的是对餐厨垃圾达到最大减量化研究。 q 东北师范大学硕士学位论文 2 4 实验设计 为了全面的开展以不同反应物作为基质进行餐厨垃圾减量化的研究，本实验从所用 材料特点和时间方面考虑，主要分为三个处理阶段，分别为处理一、处理二、处理三。 处理一为2 0 0 7 年6 月7 日一7 月5 日共计2 9 天，分别进行设计性实验和以2 0 目的 锯木屑作为反应基质处理餐厨垃圾的实验。 处理二为2 0 0 7 年7 月1 1 日一2 0 0 7 年8 月1 0 日，共计3 0 天，进行粒径为卜2 c m 的 锯木屑作为反应基质处理餐厨垃圾的实验， 处理三为2 0 0 7 年9 月4 日一2 0 0 7 年1 0 月4 日。共计3 0 天，进行粒径为卜2 c m 的玉 米秸秆作为反应基质处理餐厨垃圾的实验。 三个处理过程中，初始分别加入的锯木屑和秸秆的质量均为4 k g ，餐厨垃圾质量为 0 5 k g 。每隔一天的上午投入0 5 k g 的预处理后的餐厨垃圾，每天加入定体积的去离子 水保证其含水率在5 0 一7 0 之间。在每天上午和下午固定时间进行温度和湿度的测定， 每隔一天进行剩余餐厨垃圾和反应基质的混合物的质量测定，以求其降解率。当混合物 的干物质量不再减少时，反应结束。 2 5 餐厨垃圾样品采集过程 2 5 1 采样地点 通过对学生和教师的就餐情况和就餐人数进行统计，确定东北师范大学北苑食堂一 楼学生餐厅作为采样地点进行餐厨垃圾的采样工作。 2 5 2 采样方式 目前多数的研究以堆肥的方式进行餐厨垃圾的降解，本次研究采取连续式采集餐厨 垃圾，进行餐厨垃圾样品降解实验。 平行性的采样方式：每隔一天在固定时间即中午就餐高峰的时间1 1 ：3 0 时进行鲜 样的采取，每天在固定地点即学校剩余饭菜倾倒桶处收取垃圾。 为了避免收集时采集过多的泔水，直接收取未倒入垃圾桶的餐厨垃圾。每次采取过 程中通过初步筛选样品，使餐厨垃圾构成基本保持不变。样品收集后根据实验的需要进 行预分类收集，蔬菜主要以菠菜，白菜，土豆，辣椒，黄瓜，豆芽，茄子，为主；主食 以米饭，馒头为主。采样过程中通过对样品的过滤去掉多余泔水，每次采取样品的质量 大于1k g 。 2 5 3 餐厨垃圾组分 餐厨垃圾的主要组成：从组成成分分析，餐厨垃圾的主要构成是蔬菜，肉类，主食。 从化学成分分析，有淀粉、纤维素、蛋白质、脂类等。 垃圾采集处理后，烘干垃圾之前，通过预分取的方法，进行垃圾组分分析，即：直 接用镊子将样品中的蔬菜、肉类、主食( 米饭、面食) 从样品中分拣出来，再用电子天 l o 东北师范大学硕士学位论文 平对各组分的质量进行称量，通过计算即可得到各组分占样本总质量的百分比，以及各 组分之间的比例。由于垃圾组成相对复杂，涉及成分相对广泛，从食物组成方面进行分 析餐厨垃圾的主要组成见表2 1 。 表2 1 餐厨垃圾的基本组成( ) 食物组成白菜菠菜土豆 茄子黄瓜辣椒肉米饭、馒头 2 6 实验样品前处理过程 2 6 1 餐厨垃圾的处理 采集的餐厨垃圾样品，往往数量很大、颗粒大小悬殊、组成也不均匀，无法进行实 验分析，因此在实验分析之前，需对鲜样进行预处理。 从学生食堂采集的餐厨垃圾鲜样包括多种成分，其中以蔬菜，米饭为主，同时还含 有大量的泔水。泔水在餐厨垃圾的降解时由于引入过多油水，在制取时通过烘干处理， 去除多余的水分。将样本中的蔬菜、肉类、主食( 米饭、面食) 从样品中分拣出来，通 过手工选取，分类烘干。采集的餐厨垃圾样本颗粒较大，进行简单的剪取达到粒度较小。 由于餐厨垃圾的组成含油量和含盐量比重较大，差别较大，因此需要通过烘干处理。取 新鲜的实验室样品放入干燥的搪瓷盘中称取鲜重，同时由于餐厨垃圾油脂含量较高，烘 箱温度控制在1 0 5 2 ，将其放在的恒温干燥箱中烘2 6 小时。 2 6 2 锯木屑、玉米秸秆的处理 锯木屑、玉米秸秆的粒度大小对餐厨垃圾的降解程度影响较大，同样以锯木屑作为 反应基质进行餐厨垃圾的降解时，锯木屑的粒度差别对餐厨垃圾的降解结果不同。反应 前对锯木屑和加工的玉米秸秆进行筛选。 1 玉米秸秆的处理 由于采集的玉米秸秆在加工过程中，粒径大于5 c m 以上的秸秆与粒径在卜2 c m 之间 的玉米秸秆混合，自然烘干去除在堆放过程中由于积压产生的多余的水分。筛选选择粒 径为卜2 c m 玉米秸秆，去除粒径过大的秸秆。 2 锯木屑的处理 采自于木材加工厂的锯木屑，挑拣大块的不适合本次实验研究的锯木屑，粒度基本 在卜2 c m 左右。由于锯木屑本身也含有水份，实验前摊开自然晾干，使在称取时其重量 误差减小。 东北师范大学磙士学位论文 2 7 分析方法 2 7 1 温度的溅定 仪器：标准温度计 方法原理：实验中将温度计置于反应装置内，测定的温度指示餐厨垃圾和反应基质混合 的温度。 操作步骤：每天上午9 点一1 0 点，下午2 点一3 点利用温度计在物料中多点取值后取平均 值。 2 z 2p h 的测定 仪器：振荡机、p h 酸度计 方法原理：试样经水浸泡平衡，_ 赢接用p 珏酸度计测定。标准埔缓冲溶液，分男| j 稀释定 容至2 5 0 m l 。 操作步骤；称取试样5 o g 于l o o 黻l 烧挥中，加5 阮l 水( 经煮潞驱除二氧化碳) ，搅动 1 5 m i n ，静置3 0 m i n ，用p h 酸度计测定。 2 。z 3 水分含量的铡定 仪器：托盘天平、搪瓷盘、干燥器，烘箱 方法原理：水分含量的测定以质量百分数表示： 水分含量= 蕊。) 瘸；3 1 0 蛰麓 ( 1 ) 式中 。：鲜重，m 。：烘干后的重量。 操作步骤：取新鲜的实验室样品放入干燥的搪瓷盘中称取鲜重，将其放在1 0 5 2 的 恒温于澡箱中烘2 6 小时，瑟移入干燥器申平衡2 0 3 分钟，取毒称量。两 次称重的差值为含水慧。 2 。z 霉湿度静测定 仪器：室内湿度计 原理：由于装置箱体内的湿度可以反映基质与餐厨垃圾的湿度变化，利用室内温湿度测 定仪进行测定。 操作步骤：每天在上午8 9 点，下午2 3 点利用湿度计在反应装置中进行测定。 2 。7 s 减量率的灏定 操作步骤：按比例8 ：1 分别投放反应基质和餐厨垃圾，每隔一天投放垃圾同时在投放 之前驭出混合物进行称重，根据投入垃圾和反应基质的混合物和取出后的总 质量之间的关系计算垃圾的减璧率。 s l + f 1 一s 2 s 3 + f l 1 0 隅 1 2 ( 2 ) 东北师范大学硕士学位论文 s l 一投入餐厨垃圾质量 f l 一反应基质的质量 s 2 一剩余垃圾混合物的质量 s 3 一总垃圾的质量 2 7 6 生物降解度的测定 原理：本法是一种以化学方法估算生物可降解度的间接测试方法。根据生物可降解有机 质应比生物不可降解有机质更易于被氧化这一特点，在原有“湿烧法”测定固体 总有机质方法基础上，采用了常温反应，降低溶液的氧化程度，使之有选择性地 氧化生物可降解物质。其测定方法为：在强酸性条件下，以强氧化剂重铬酸钾在 常温下氧化样品中有机质，过量的重铬酸钾以硫酸亚铁铵回滴。根据所消耗的氧 化剂的量，计算样品中有机质的量，再换算为生物可降解度。 仪器：振荡器 试剂：重铬酸钾溶液、硫酸亚铁铵标准溶液、浓硫酸、试亚铁灵指示液。 步骤：1 ) 称取试样0 5 9 ( 称至o 0 0 0 l g ) 置于2 5 0 i i l l 容量瓶中，加入k ：c r ：0 ，溶液 1 5 o m l ，h ：s 0 。2 0 m l ，置于振荡器中振荡1 h ( 振荡频率1 0 0 次m i n 左右) 同时做 空白实验。取下容量瓶，加水至标线，摇匀。分取2 5 l i l l 于锥形瓶中，加试亚铁 灵指示液3 滴，用( n h 。) ：f e ( s 0 ；) ：标准溶液回滴。 生物可降解度( ) = ( v o v 。) c 6 3 8 3 1 0 。3 1 0 1 0 0( 3 ) w 式中：v o - 空白试剂所消耗的( n h 。) ：f e ( s 0 。) 。标准溶液体积，i i l l 。 v 。一样品测定所消耗的( n h 。) 。f e ( s 0 。) ：标准溶液体积，i i l l 。 卜( n h 4 ) ：f e ( s 0 。) 。标准溶液的浓度，m 0 1 1 6 3 8 3 一换算系数( 碳的换算系数3 0 除以降解物质的平均含碳量4 7 ) ； w 样品质量，g 2 7 7 总磷的测定 方法：柠檬酸浸提一钒钼黄比色法( g b t6 6 8 2 ) 。 原理：柠檬酸是一种弱酸，被提取的磷被认为对作物有效。在一定酸度下，溶液中的磷 与偏钒酸盐和钼酸盐作用，形成黄色三元杂多酸。在一定范围内其黄色深浅与 磷的浓度正相关。 试剂：硫酸、2 柠檬酸溶液、5 硫酸、1 0 氢氧化钠、钒钼酸铵试剂a 液、b 液，0 2 二硝基酚指示剂溶液、磷标准贮备溶液、磷标准溶液。 仪器与设备：天平、振荡机、分光光度计，凯式烧瓶，容量瓶，移液管，三角瓶 样品的制备：取风干的实验室样品充分混匀后，按四分法缩减至约1 0 0 9 ，粉碎，全部 通过1 姗孔径筛，装入样品瓶中，备用。 1 3 东北师范大学硕士学位论文 实验步骤： 试样溶液制备 称取试样5 0 0 9 置于2 5 0 m l 三角瓶内，加入1 0 0 o m l 2 5 l 的柠檬酸溶液，加 塞，在2 5 1 下振荡3 0 m i n ，用无磷滤纸过滤于干燥的三角瓶中，弃去最初少量滤液。 同一试样做两个平行测定。 空白溶液制备 除不加试样外，应用的试剂和操作步骤同。 校准曲线绘制 吸取磷标准溶液0 ，1 o o ，2 0 0 ，3 0 0 ，4 0 0 ，5 0 0 ，6 0 0 m l 于7 个5 0 i n l 容量 瓶中，加入与吸取试验溶液等体积的空白溶液，加水至3 0 i i l l 左右，加入2 滴2 ，4 或 2 ，6 一二硝基酚指示剂溶液，用氢氧化钠溶液和硫酸溶液调节溶液至刚呈微黄色，加入 1 0 o m l 钒钼酸铵试剂，摇匀，加水定容。此溶液为1 m l 含磷( p ) o 、1 0 0 、2 0 0 、3 o o 、 4 o o 、5 0 0 、6 o o ug 的标准溶液系列。在室温1 5 以上条件下，放置2 0 m i n 后( 最 长不超过4 h ) ，在分光光度计上波长4 4 0 姗处用2 c m 比色皿，以空白溶液调节仪器零 点，进行比色，读取吸光度。根据磷浓度和吸光度绘制校准曲线，求出直线回归方程。 测定 吸取5 0 0 m l 试样溶液放入5 0 i i l l 容量瓶中，加水至3 0 m l 左右，与标准溶液系列 同条件显色、比色，读取吸光度。总磷含量以百分数表示，按下式计算： p ( ) = c 水v 水d 术l o - 2 m ( 4 ) 式中：c 一由标准曲线查得或由回归方程求得显色液磷浓度，u g m g v 一显色体积，5 0 m 1 d 一分取倍数，定容体积分取体积，1 0 0 5 或1 0 0 1 0 m _ 称取试样的质量，g 1 0 2 _ 一单位换算系数 1 4 东北师范大学硕士学位论文 第3 章 以锯木屑作为基质降解餐厨垃圾的结果与讨论 本实验从反应物投加开始到反应物质量不再减少作为一个反应周期，本实验中的以 锯木屑作为反应基质和以玉米秸秆作为反应基质两个处理过程的质量分别到第2 4 d 、第 1 8 d 时不再减少，说明有机物已经不再被降解，微生物活动已经基本停止，这时表明一 个反应周期的结束。 3 1 减量率的变化 减量率是评价以玉米秸秆、锯木屑作为反应基质的生态厕所能否降解餐厨垃圾的主 要依据，本实验反应过程中减量率是通过混合物干物质减量率来反映的。干物质的减量 率可以通过以下公式计算： s l + f l s 2 r o = l0 0 s 3 + f l s l 一投入餐厨垃圾质量 f l 一反应基质的质量 s 2 一剩余垃圾混合物的质量 s 3 一总垃圾的质量 ( 2 ) 图3 1 以锯木屑作为反应基质减量率的变化 图3 1 所示为以卜2 c m 的锯木屑作为处理餐厨垃圾的反应基质的减量率变化情况。 反应过程中干物质的变化情况为先增加后降低，最后干物质的减少率趋近于稳定，即反 1 5 东北师范大学硕士学位论文 应干物质不再减少，微生物降解能力减弱，反应周期结束。 锯木屑作为反应基质进行餐厨垃圾降解时，第6 d 和第1 2 d 出现了下降趋势，而且 下降的趋势明显。在第1 0 d 时又出现了上升趋势，之后在第1 6 d 时上升的趋势明显，最 后呈稳定降解趋势。这是因为在反应过程中随着微生物活性的加强，不断添加新的餐厨 垃圾，被降解的有机质不断增加，到第1 8 d 达到最大值，降解的多则减少率就大，随后 由于易分解的有机质绝大部分已经被降解，反应物中所剩易降解的有机质的量很少，所 以减少量相对较少，减少率下降，最后反应结束时垃圾的质量呈稳定不变。在以锯木屑 作为反应基质时降解率的最大值为5 5 。 图3 2 降解1 0 d 后的残余物图3 3 降解2 0 d 后的残余物 从图3 2 和图3 3 我们可以看到，反应1 0 d 之后，餐厨垃圾体积明显变小。并且木 屑颜色也发生了变化，由浅色变深。反应了2 0 天后，发现残余物中基本不在有餐厨垃 圾，并且木屑的粒度也变小。可以见得，锯木屑能够降解餐厨垃圾，并且具有良好的降 解效果。 3 2 温度的变化 对于反应箱系统而言，温度是堆料中微生物生命活动的重要标志，温度的变化表征 了垃圾中有机物的降解进程1 。另外，为了有效杀灭垃圾中的病原菌，要求堆体在较高温 度维持一段时间。一般认为温度5 0 6 0 ，微生物对于有机物的分解最有效，这时嗜 热微生物大量繁殖。这个阶段除了分解溶解性有机物外，纤维素、半纤维素、木质素等 也迅速得到分解。主要分解餐厨垃圾中的溶解性有机质瞳1 2 引。由于餐厨垃圾内微生物的 活动特点，在反应箱体内，反应经历升温、高温和降温三个阶段。 1 6 东北师范大学硕士学位论文 勺勺飞 q 移 反应时间( d ) i 图3 4 以锯木屑作为反应基质温度的变化 如图3 4 所示以锯木屑作为反应基质，初始没有投加餐厨垃圾时，反应箱体温度控 制为4 0 ，而餐厨垃圾降解的最适温度为5 0 左右砼0 1 ，因此，在没有加入反应物转动 机器时，进行空白实验使装置内温度达到4 0 左右，此时再投加反应物，并且每天测定 反应温度。此外处理过程中温度始终是波动的，多次出现峰值，这与微生物的活动有关， 因为每天都有餐厨垃圾加入，带入新的微生物，这些微生物的活动导致温度的波动。由 于餐厨垃圾本身的燃烧热值比较大，加入3 d 后，温度升高达到5 0 以上，随着物料的 加入，温度每天都会升高，但均在5 0 一5 6 之间变化，最高温度为5 6 ，并且当反应 达到第2 1 d 时温度基本不再发生明显变化。温度的变化反映了堆肥过程中微生物活性的 变化，这种变化又与反应物中可被降解的有机质含量有关，有机质为微生物活动提供碳 源和能量乜p 26 1 。初期有机质含量高，微生物活性大，反应温度相应的高，反应后期由于有 机质不断被降解，微生物活性减小，温度最终稳定在5 0 左右。 3 3 湿度的变化 堆肥原料的含水率是影响好氧堆肥效果的关键因素之一。由于水是溶解垃圾中有机 物和营养物以及合成微生物细胞质必不可少的物质，物料水分的多少直接影响到好氧反 应的快慢，并且水分的蒸发散热对堆体温度也具有自我调节作用。水分含量大就会产生 厌氧降解，导致厌氧微生物活动产生气味和挥发性脂肪酸气体。水分含量低，有利于好 氧微生物生长，好氧分解速度加快。所以箱体物料中必须维持一定的含水率哺。 1 7 8 6 4 2 0 8 6 4 2 5 5 5 5 5 4 4 4 重 一p 一越赠 东北师范大学硕士学位论文 8 0 6 0 s4 0 恻 蜊2 0 o 135791 11 31 5 1 7 1 9 2 12 32 5 反应时间( d ) 图3 5 以锯木屑作为反应基质湿度的变化 以锯木屑作为反应基质时，将温度控制在5 0 时，实验过程中每天在同一时间段( 上 午8 ：0 0 9 ：0 0 下午1 4 ：0 0 一1 5 ：0 0 ) 进行湿度的测定。如图3 5 所示，反应箱体内的 湿度始终保持在6 0 一7 0 之间。当反应到第9 d 的时候湿度基本达到了6 0 ，当反应达到 第2 1 d 时，湿度达到了7 0 。此时通过生物降解度的测定，发现在第1 0 d 的时候，生物 降解