能源微生物處理餐廚垃圾

1、北京航空航天大學第二十四屆“馮如杯”學生創(chuàng)意大賽參賽作品第二十五屆“馮如杯”學生創(chuàng)意大賽項目論文能源微生物處理餐廚垃圾北京航空航天大學第二十五屆“馮如杯”學生創(chuàng)意大賽參賽作品摘 要餐廚垃圾是食物垃圾中最主要的一種,包括家庭、學校、食堂及餐飲行業(yè)等產(chǎn)生的食物加工下腳料(廚余)和食用殘余(泔腳)，具有產(chǎn)生量大、來源多、分布廣的特點。其成分復雜，主要是油、水、果皮、蔬菜、米面、魚、肉、骨頭以及廢餐具、塑料、紙巾等多種物質(zhì)的混合物。我國餐廚垃圾數(shù)量十分巨大，并呈快速上升趨勢。營養(yǎng)豐富的餐廚垃圾是寶貴的可再生資源。但由于尚未引起重視，處置方法不當，它已成為影響食品安全和生態(tài)安全的潛在危險源。餐廚垃圾具有

2、廢物與資源的雙重特性，可以說是典型的“放錯了地方的資源”。本項目的主旨就是利用能源微生物學將餐廚垃圾變廢為寶，保護環(huán)境，節(jié)約資源。關(guān)鍵詞：餐廚垃圾，能源，微生物AbstractKitchen garbage is the variest form of food garbage,including kitchen waste and hogwash from family,school,canteen and restaurant.It is massive,multi-source and varied.It has complicated ingredient，including oil,

3、wanter,peel,vegetable,rice,noodles,fish,meat,bones and the combination of plastic and tissue.China has a large number of kitchen garbage,and the number is growing sharply.The nutritious kitchen garbage is precious renewable resources.But it became potential hazard to the environment,because of peopl

4、es ignoring and wrong treatment to it. Kitchen garbage is both waste and resource,it is typically misused resource.This project focus on the way of taking advantage of energy microbiology to change kitchen waste from waste to resource,moreover to protect the environment and recycle energy. Key words

5、: kitchen garbage, energy microbiology目錄摘 要iAbstractii第一章 引言11.1研究背景1第二章 研究方案32.1項目概況32.2各環(huán)節(jié)的細節(jié)32.2.1收集32.2.2分類分離3（1）分離所需的硬件設施3（2）分離原理42.2.3預處理5（1）預處理的流程5（2）原理52.2.4能源微生物轉(zhuǎn)化5（1）水解5第三章 項目總結(jié)與反思73.1技術(shù)可行性及難點73.2創(chuàng)意度分析8第四章 應用前景9第五章 總結(jié)與展望10參考文獻114北京航空航天大學第二十五屆“馮如杯”學生創(chuàng)意大賽參賽作品第一章 引言1.1研究背景一分鐘前還是佳肴，一分鐘后成了垃圾。由于

6、飲食文化和聚餐習慣，餐廚垃圾成了中國獨有的現(xiàn)象。中國餐桌浪費驚人，每天產(chǎn)生巨量的餐廚垃圾。來自北京市發(fā)展改革委的數(shù)字，北京市每天產(chǎn)生1200噸餐廚垃圾。清華大學環(huán)境系固體廢物污染控制及資源化研究所的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，中國城市每年產(chǎn)生餐廚垃圾不低于6000萬噸。餐廚垃圾具有以下危害（1）污染環(huán)境、影響市容。（2）危害人體健康。（3）傳播疾病。（4）餐廚垃圾中堆放時產(chǎn)生的下滲液進入到污水處理系統(tǒng)，會造成有機物含量的增加，從而加重污水處理廠的負擔，增加運行成本。與此同時，餐廚垃圾又有很高的利用價值。按干物質(zhì)含量計算，5000萬噸餐廚垃圾相當于500萬噸的優(yōu)質(zhì)飼料，內(nèi)含的能量相當于每年1000萬畝耕地的能

7、量產(chǎn)出量，內(nèi)含的蛋白質(zhì)相當于每年2000萬畝大豆的蛋白質(zhì)產(chǎn)出量。也就是說，如果我國一年產(chǎn)出的餐廚垃圾全部得以利用，相當于節(jié)約了1000萬畝耕地。綜上所述，餐廚垃圾對環(huán)境和人群的危害已十分嚴重，是城市環(huán)境一個重要污染源，對人們的正常生活與身體健康構(gòu)成了威脅這一問題已經(jīng)引起了政府的高度重視和人們的廣泛關(guān)注。面對中國耕地緊張、糧食短缺，每年需要大量進口糧食飼料的現(xiàn)狀，合理利用餐廚垃圾是增加資源利用率、在一定程度上解決我國糧食問題的有效途徑。利用能源微生物處理餐廚垃圾具有以下優(yōu)點（1）產(chǎn)率高，無副產(chǎn)品（2）變廢為寶，清潔生產(chǎn)（3）操作簡單，成本低廉也正因為能源微生物清潔、高效、可再生的優(yōu)點，應用能源微

8、生物處理餐廚垃圾是不二之選。1.2創(chuàng)意來源中國的餐廚垃圾問題日益嚴重，但卻沒有找到有效的方法去解決。今年波音公司與杭州市委進行合作，將建廠加工地溝油為航空煤油以及潤滑油等航空業(yè)產(chǎn)品。此舉變廢為寶，保護環(huán)境，又利于食品安全，廣受好評。在生活中，餐廚垃圾何止地溝油？本項目將餐廚垃圾的回收再利用進行推廣，希望更深入的解決餐廚垃圾造成的污染與浪費問題，更好的保護環(huán)境和食品安全。圖1 餐廚垃圾第二章 研究方案2.1項目概況本方案擬設計一套完整的將餐廚垃圾回收，分離，預處理，再用各種微生物進行處理，生產(chǎn)能源或產(chǎn)品的流水線。首先，分離需要用到工業(yè)離心機和過濾機，將餐廚垃圾中的油、水、果皮、蔬菜、米面、魚、肉

9、、骨頭以及廢餐具、塑料、紙巾等多種物質(zhì)依次分離。再將各類餐廚垃圾分別經(jīng)粉碎機粉碎、脫水、加氮中和、滅菌。再根據(jù)各類垃圾的化學成分，判斷底物，再加入對應的能源微生物，調(diào)節(jié)微生物生長環(huán)境至合適條件，就能高效率的利用餐廚垃圾生產(chǎn)對應產(chǎn)物以及能源。2.2各環(huán)節(jié)的細節(jié)2.2.1收集 餐廚垃圾回收流水線理想的廠址是北京的良鄉(xiāng)與沙河，此處是市郊，且有多座大學組成的大學城。教工加上學生，估算約10萬人，那么將日產(chǎn)50噸的餐廚垃圾。這些垃圾構(gòu)成的泔腳校方以廉價賣給相關(guān)企業(yè)，多用作牲畜的飼料。但是牲畜食用泔腳極易“同源相食”，患同物種的相關(guān)傳染病。本項目擬收購高校食堂產(chǎn)生的餐廚垃圾作為原料。2.2.2分類分離（1

10、）分離所需的硬件設施垂直氣流分選機，離心過濾機和沉降離心機（2）分離原理 離心過濾：油、水、果皮、蔬菜、米面、魚、肉、骨頭以及廢餐具、塑料、紙巾等多種物質(zhì)組成的懸浮液在離心力的作用下，通過過濾介質(zhì)（濾網(wǎng)），使固體顆粒截留在其上，并不斷堆積成濾餅，液體通過濾餅層和過濾介質(zhì)過濾成為濾液。此過濾方法對固液兩相沒有密度差的要求，故適用于水油與其他固體餐廚垃圾的分離。 離心沉降：沉降離心機利用水與油的密度差，在離心力作用下使兩相分層，繼而分離水和油。 風力分選：利用垂直氣流分選機分離各類固體餐廚垃圾。其基本原理是氣流將較輕的物料向上帶走，而重物料則由于上升氣流不能支持它們而沉降。風力分選過程是以各種固體

11、顆粒在空氣中的沉降規(guī)律為基礎的。 圖2 垂直氣流分選機2.2.3預處理（1）預處理的流程經(jīng)粉碎機粉碎、脫水、加氮中和、滅菌。（2）原理粉碎的目的是使原料與能源微生物及相關(guān)酶充分接觸。加氮中和是為了防止微生物及相關(guān)的酶因原料酸堿度極端而失去活性滅菌是為了防止雜菌污染。2.2.4能源微生物轉(zhuǎn)化（1）水解米飯，面條的主要成分是淀粉。細菌中產(chǎn)淀粉酶的微生物主要是芽孢桿菌。以處理好的米飯面條的粉末作為底物，利用淀粉酶切開淀粉分子內(nèi)部的a-1,4,糖苷鍵，產(chǎn)物為葡萄糖。果皮，蔬菜，紙巾，紙杯等得主要成分是纖維素，分解纖維素能力最強的微生物是好氧的放線菌和厭氧的梭菌。以處理好的果皮，蔬菜，紙巾，紙杯的粉末為

12、底物，利用纖維素酶水解，生成葡萄糖。（2）乙醇發(fā)酵工藝 圖3 乙醇發(fā)酵的微觀過程 將水解生成的糖，加水稀釋到50g/100ml，加入0.3%的濃硫酸和0.3%的硫酸銨，加入酵母進行發(fā)酵。酵母發(fā)酵最適ph為4.酸化，可防止雜菌污染。酵母生長繁殖需要補充氮源，磷源，維生素，鎂源，可用處理好的魚、肉、骨頭制成的營養(yǎng)液。理論發(fā)酵時間為44h，乙醇收率為87%。 發(fā)酵是指通過特定微生物的生長代謝對底物中的有機物進行分解和轉(zhuǎn)化的過程。發(fā)酵方式主要包括固態(tài)發(fā)酵和液態(tài)發(fā)酵兩種。固態(tài)發(fā)酵，即以氣相為連續(xù)相的一種生物反應過程，主要是在在具有一定濕度的水不溶性固體基質(zhì)中，利用微生物進行發(fā)酵的工藝體系；液態(tài)發(fā)酵則是以

13、液相為連續(xù)相的生物反應過程。固態(tài)發(fā)酵日益受到重視，因為其具有能耗低、產(chǎn)率高、周期短等優(yōu)點。固態(tài)發(fā)酵的培養(yǎng)基來源比較廣泛常見，如工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中所產(chǎn)生的下腳料等；這種生產(chǎn)過程能耗低、投資少、技術(shù)較易掌握；在發(fā)酵的過程中，亦無三廢產(chǎn)生，對環(huán)境造成的污染很??；另外發(fā)酵過程一般不需要嚴格的無菌環(huán)境。 因此固態(tài)發(fā)酵是緩解能源危機、防治環(huán)境等的一種有效途徑，是綠色生產(chǎn)的主要方式 。 餐廚垃圾含有較豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，可提供微生物生長需要的淀粉、纖維素、糖類等物質(zhì)，用微生物對其進行發(fā)酵，一方面可以通過接種前的高溫滅菌殺滅那些有害病原菌，另一方面通過接種有益的微生物改善去組成成分，另外產(chǎn)生大量的單細胞菌體蛋白得到積累

14、，另外也避免了餐廚垃圾對環(huán)境和人體所可能造成的威脅，從而實現(xiàn)餐廚廢物的無害化、資源化利用。 將水解生成的糖，加水稀釋到50g/100ml，加入0.3%的濃硫酸和0.3%的硫酸銨，加入酵母進行發(fā)酵。酵母發(fā)酵最適ph為4.酸化，可防止雜菌污染。酵母生長繁殖需要補充氮源，磷源，維生素，鎂源，可用處理好的魚、肉、骨頭制成的營養(yǎng)液。理論發(fā)酵時間為44h，乙醇收率為87%。(3） 廢油的轉(zhuǎn)化催化轉(zhuǎn)化動植物廢油的菌種主要是毛霉，可從食堂、油廠附近的土壤中分選獲得。以分離得到的油作為底物，利用脂肪酶水解由甘油和碳基團以上的脂肪酸形成的甘油三酯鍵，產(chǎn)物為工業(yè)可用的甘油和可用于合成生物柴油的脂肪酸。第三章 項目總

15、結(jié)與反思3.1技術(shù)可行性及難點 這條餐廚垃圾處理流水線運用的是高中生物學知識，但是實際操作如培養(yǎng)基的配制，菌種的選育都是生物學專業(yè)知識，需要有相關(guān)技能的專業(yè)人員以及專業(yè)設備來實現(xiàn)。這一條流水線雖然比起傳統(tǒng)的沼氣發(fā)酵原料利用率稍高，產(chǎn)物更實用，但運作成本也需要降低。如果是在北京的良鄉(xiāng)或者沙河的大學城附近建廠，地價便宜，原料可從大學食堂收購，是有較強的可行性的，而且環(huán)保事業(yè)，如果得到政府部門的支持將會進展更加順利。3.2創(chuàng)意度分析這條餐廚垃圾處理流水線的創(chuàng)意獨到之處就在于其獨特的原料以及利用能源微生物來提高利用率與轉(zhuǎn)化率。消耗的土地資源，電力資源，以及時間都較少。并且在轉(zhuǎn)化過程中沒有新的廢物產(chǎn)生，

16、實現(xiàn)了綠色生產(chǎn)。第四章 應用前景中國餐桌浪費驚人，每天產(chǎn)生巨量的餐廚垃圾。來自北京市發(fā)展改革委的數(shù)字，北京市每天產(chǎn)生1200噸餐廚垃圾。清華大學環(huán)境系固體廢物污染控制及資源化研究所的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，中國城市每年產(chǎn)生餐廚垃圾不低于6000萬噸。與此同時，餐廚垃圾又有很高的利用價值。按干物質(zhì)含量計算，5000萬噸餐廚垃圾相當于500萬噸的優(yōu)質(zhì)飼料，內(nèi)含的能量相當于每年1000萬畝耕地的能量產(chǎn)出量，內(nèi)含的蛋白質(zhì)相當于每年2000萬畝大豆的蛋白質(zhì)產(chǎn)出量。也就是說，如果我國一年產(chǎn)出的餐廚垃圾全部得以利用，相當于節(jié)約了1000萬畝耕地。而利用能源微生物，可以高效清潔的將餐廚垃圾轉(zhuǎn)化為沼氣，乙醇，氫氣等資源，變廢為寶，有效避免餐廚垃圾污染水源土地，預防了疾病的傳播，且操作簡單，成本低廉，原料豐富。所以有極其美好的應用前景。第五章 總結(jié)與展望 保護環(huán)境的兩大方針就是節(jié)約能源與減少污染。餐廚垃圾作為一種城市問題，污染了水質(zhì)，臟化了街道。而生物質(zhì)能源是可再生能源中唯一