能源微生物处理餐厨垃圾

第二十五届“冯如杯”学生创意大赛项目论文能源微生物处理餐厨垃圾北京航空航天大学第二十五届“冯如杯”学生创意大赛参赛作品1摘要餐厨垃圾是食物垃圾中最主要的一种,包括家庭、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)，具有产生量大、来源多、分布广的特点。其成分复杂，主要是油、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。我国餐厨垃圾数量十分巨大，并呈快速上升趋势。营养丰富的餐厨垃圾是宝贵的可再生资源。但由于尚未引起重视，处置方法不当，它已成为影响食品安全和生态安全的潜在危险源。餐厨垃圾具有废物与资源的双重特性，可以说是典型的“放错了地方的资源”。本项目的主旨就是利用能源微生物学将餐厨垃圾变废为宝，保护环境，节约资源。关键词：餐厨垃圾，能源，微生物北京航空航天大学第二十五届“冯如杯”学生创意大赛参赛作品2AbstractKitchengarbageisthevariestformoffoodgarbage,includingkitchenwasteandhogwashfromfamily,school,canteenandrestaurant.Itismassive,multi-sourceandvaried.Ithascomplicatedingredient，includingoil,wanter,peel,vegetable,rice,noodles,fish,meat,bonesandthecombinationofplasticandtissue.Chinahasalargenumberofkitchengarbage,andthenumberisgrowingsharply.Thenutritiouskitchengarbageispreciousrenewableresources.Butitbecamepotentialhazardtotheenvironment,becauseofpeople’signoringandwrongtreatmenttoit.Kitchengarbageisbothwasteandresource,itistypicallymisusedresource.Thisprojectfocusonthewayoftakingadvantageofenergymicrobiologytochangekitchenwastefromwastetoresource,moreovertoprotecttheenvironmentandrecycleenergy.Keywords:kitchengarbage,energymicrobiology北京航空航天大学第二十五届“冯如杯”学生创意大赛参赛作品3目录摘要1Abstract2第一章引言11.1研究背景1第二章研究方案32.1项目概况32.2各环节的细节32.2.1收集32.2.2分类分离3（1）分离所需的硬件设施3（2）分离原理42.2.3预处理4（1）预处理的流程4（2）原理42.2.4能源微生物转化5（1）水解5第三章项目总结与反思73.1技术可行性及难点73.2创意度分析7第四章应用前景8第五章总结与展望9北京航空航天大学第二十五届“冯如杯”学生创意大赛参赛作品4参考文献10北京航空航天大学第二十五届“冯如杯”学生创意大赛参赛作品1第一章引言1.1研究背景一分钟前还是佳肴，一分钟后成了垃圾。由于饮食文化和聚餐习惯，餐厨垃圾成了中国独有的现象。中国餐桌浪费惊人，每天产生巨量的餐厨垃圾。来自北京市发展改革委的数字，北京市每天产生1200吨餐厨垃圾。清华大学环境系固体废物污染控制及资源化研究所的统计数据表明，中国城市每年产生餐厨垃圾不低于6000万吨。餐厨垃圾具有以下危害（1）污染环境、影响市容。（2）危害人体健康。（3）传播疾病。（4）餐厨垃圾中堆放时产生的下渗液进入到污水处理系统，会造成有机物含量的增加，从而加重污水处理厂的负担，增加运行成本。与此同时，餐厨垃圾又有很高的利用价值。按干物质含量计算，5000万吨餐厨垃圾相当于500万吨的优质饲料，内含的能量相当于每年1000万亩耕地的能量产出量，内含的蛋白质相当于每年2000万亩大豆的蛋白质产出量。也就是说，如果我国一年产出的餐厨垃圾全部得以利用，相当于节约了1000万亩耕地。综上所述，餐厨垃圾对环境和人群的危害已十分严重，是城市环境一个重要污染源，对人们的正常生活与身体健康构成了威胁这一问题已经引起了政府的高度重视和人们的广泛关注。面对中国耕地紧张、粮食短缺，每年需要大量进口粮食饲料的现状，合理利用餐厨垃圾是增加资源利用率、在一定程度上解决我国粮食问题的有效途径。利用能源微生物处理餐厨垃圾具有以下优点（1）产率高，无副产品（2）变废为宝，清洁生产（3）操作简单，成本低廉北京航空航天大学第二十五届“冯如杯”学生创意大赛参赛作品2也正因为能源微生物清洁、高效、可再生的优点，应用能源微生物处理餐厨垃圾是不二之选。1.2创意来源中国的餐厨垃圾问题日益严重，但却没有找到有效的方法去解决。今年波音公司与杭州市委进行合作，将建厂加工地沟油为航空煤油以及润滑油等航空业产品。此举变废为宝，保护环境，又利于食品安全，广受好评。在生活中，餐厨垃圾何止地沟油？本项目将餐厨垃圾的回收再利用进行推广，希望更深入的解决餐厨垃圾造成的污染与浪费问题，更好的保护环境和食品安全。图1餐厨垃圾北京航空航天大学第二十五届“冯如杯”学生创意大赛参赛作品3第二章研究方案2.1项目概况本方案拟设计一套完整的将餐厨垃圾回收，分离，预处理，再用各种微生物进行处理，生产能源或产品的流水线。首先，分离需要用到工业离心机和过滤机，将餐厨垃圾中的油、水、果皮、蔬菜、米面、鱼、肉、骨头以及废餐具、塑料、纸巾等多种物质依次分离。再将各类餐厨垃圾分别经粉碎机粉碎、脱水、加氮中和、灭菌。再根据各类垃圾的化学成分，判断底物，再加入对应的能源微生物，调节微生物生长环境至合适条件，就能高效率的利用餐厨垃圾生产对应产物以及能源。2.2各环节的细节2.2.1收集餐厨垃圾回收流水线理想的厂址是北京的良乡与沙河，此处是市郊，且有多座大学组成的大学城。教工加上学生，估算约10万人，那么将日产50吨的餐厨垃圾。这些垃圾构成的泔脚校方以廉价卖给相关企业，多用作牲畜的饲料。但是牲畜食用泔脚极易“同源相食”，患同物种的相关传染病。本项目拟收购高校食堂产生的餐厨垃圾作为原料。2.2.2分类分离（1）分离所需的硬件设施垂直气流分选机，离心过滤机和沉降离心机北京航空航天大学第二十五届“冯如杯”学生创意大赛参赛作品4（2）分离原理离心过滤：油、水、果皮、蔬菜、米面、鱼、肉、骨头以及废餐具、塑料、纸巾等多种物质组成的悬浮液在离心力的作用下，通过过滤介质（滤网），使固体颗粒截留在其上，并不断堆积成滤饼，液体通过滤饼层和过滤介质过滤成为滤液。此过滤方法对固液两相没有密度差的要求，故适用于水油与其他固体餐厨垃圾的分离。离心沉降：沉降离心机利用水与油的密度差，在离心力作用下使两相分层，继而分离水和油。风力分选：利用垂直气流分选机分离各类固体餐厨垃圾。其基本原理是气流将较轻的物料向上带走，而重物料则由于上升气流不能支持它们而沉降。风力分选过程是以各种固体颗粒在空气中的沉降规律为基础的。图2垂直气流分选机2.2.3预处理（1）预处理的流程经粉碎机粉碎、脱水、加氮中和、灭菌。（2）原理粉碎的目的是使原料与能源微生物及相关酶充分接触。北京航空航天大学第二十五届“冯如杯”学生创意大赛参赛作品5加氮中和是为了防止微生物及相关的酶因原料酸碱度极端而失去活性灭菌是为了防止杂菌污染。2.2.4能源微生物转化（1）水解米饭，面条的主要成分是淀粉。细菌中产淀粉酶的微生物主要是芽孢杆菌。以处理好的米饭面条的粉末作为底物，利用淀粉酶切开淀粉分子内部的a-1,4,糖苷键，产物为葡萄糖。果皮，蔬菜，纸巾，纸杯等得主要成分是纤维素，分解纤维素能力最强的微生物是好氧的放线菌和厌氧的梭菌。以处理好的果皮，蔬菜，纸巾，纸杯的粉末为底物，利用纤维素酶水解，生成葡萄糖。（2）乙醇发酵工艺图3乙醇发酵的微观过程北京航空航天大学第二十五届“冯如杯”学生创意大赛参赛作品6将水解生成的糖，加水稀释到50g/100ml，加入0.3%的浓硫酸和0.3%的硫酸铵，加入酵母进行发酵。酵母发酵最适ph为4.酸化，可防止杂菌污染。酵母生长繁殖需要补充氮源，磷源，维生素，镁源，可用处理好的鱼、肉、骨头制成的营养液。理论发酵时间为44h，乙醇收率为87%。发酵是指通过特定微生物的生长代谢对底物中的有机物进行分解和转化的过程。发酵方式主要包括固态发酵和液态发酵两种。固态发酵，即以气相为连续相的一种生物反应过程，主要是在在具有一定湿度的水不溶性固体基质中，利用微生物进行发酵的工艺体系；液态发酵则是以液相为连续相的生物反应过程。固态发酵日益受到重视，因为其具有能耗低、产率高、周期短等优点。固态发酵的培养基来源比较广泛常见，如工农业生产中所产生的下脚料等；这种生产过程能耗低、投资少、技术较易掌握；在发酵的过程中，亦无三废产生，对环境造成的污染很小；另外发酵过程一般不需要严格的无菌环境。因此固态发酵是缓解能源危机、防治环境等的一种有效途径，是绿色生产的主要方式。餐厨垃圾含有较丰富的营养物质，可提供微生物生长需要的淀粉、纤维素、糖类等物质，用微生物对其进行发酵，一方面可以通过接种前的高温灭菌杀灭那些有害病原菌，另一方面通过接种有益的微生物改善去组成成分，另外产生大量的单细胞菌体蛋白得到积累，另外也避免了餐厨垃圾对环境和人体所可能造成的威胁，从而实现餐厨废物的无害化、资源化利用。将水解生成的糖，加水稀释到50g/100ml，加入0.3%的浓硫酸和0.3%的硫酸铵，加入酵母进行发酵。酵母发酵最适ph为4.酸化，可防止杂菌污染。酵母生长繁殖需要补充氮源，磷源，维生素，镁源，可用处理好的鱼、肉、骨头制成的营养液。理论发酵时间为44h，乙醇收率为87%。(3）废油的转化北京航空航天大学第二十五届“冯如杯”学生创意大赛参赛作品7催化转化动植物废油的菌种主要是毛霉，可从食堂、油厂附近的土壤中分选获得。以分离得到的油作为底物，利用脂肪酶水解由甘油和碳基团以上的脂肪酸形成的甘油三酯键，产物为工业可用的甘油和可用于合成生物柴油的脂肪酸。第三章项目总结与反思3.1技术可行性及难点这条餐厨垃圾处理流水线运用的是高中生物学知识，但是实际操作如培养基的配制，菌种的选育都是生物学专业知识，需要有相关技能的专业人员以及专业设备来实现。这一条流水线虽然比起传统的沼气发酵原料利用率稍高，产物更实用，但运作成本也需要降低。如果是在北京的良乡或者沙河的大学城附近建厂，地价便宜，原料可从大学食堂收购，是有较强的可行性的，而且环保事业，如果得到政府部门的支持将会进展更加顺利。3.2创意度分析这条餐厨垃圾处理流水线的创意独到之处就在于其独特的原料以及利用能源微生物来提高利用率与转化率。消耗的土地资源，电力资源，以及时间都较少。并且在转化过程中没有新的废物产生，实现了绿色生产。北京航空航天大学第二十五届“冯如杯”学生创意大赛参赛作品8第四章应用前景中国餐桌浪费惊人，每天产生巨量的餐厨垃圾。来自北京市发展改革委的数字，北京市每天产生1200吨餐厨垃圾。清华大学环境系固体废物污染控制及资源化研究所的统计数据表明，中国城市每年产生餐厨垃圾不低于6000万吨。与此同时，餐厨垃圾又有很高的利用价值。按干物质含量计算，5000万吨餐厨垃圾相当于500万吨的优质饲料，内含的能量相当于每年1000万亩耕地的能量产出量，内含的蛋白质相当于每年2000万亩大豆的蛋白质产出量。也就是说，如果我国一年产出的餐厨垃圾全部得以利用，相当于节约了1000万亩耕地。而利用能源微生物，可以高效清洁的将餐厨垃圾转化为沼气，乙醇，氢气等资源，变废为宝，有效避免餐厨垃圾污染水源土地，预防了疾病的传播，且操作简单，成本低廉，原料丰富。所以有极其美好的应用前景。北京航空航天大学第二十五届“冯如