回料對餐廚垃圾生物干化效率及能耗的影響

詹亞斌, 魏雨泉, 張阿克, 陶興玲, 張 磊, 李 季*

(1.中國農業大學資源與環境學院， 北京 100193； 2.中國農業大學有機循環研究院(蘇州)， 蘇州 215100)

餐廚垃圾是指飯店、賓館、企事業單位食堂、食品加工廠、家庭等加工、消費食物過程中形成的殘羹剩飯、過期食品、下腳料、廢物等廢棄物[1]，其主要組分包括淀粉、纖維素、油脂等[2]。中國每年的餐廚垃圾產生量約為9 000 萬t，如此多的餐廚垃圾如不及時處理，將會給居民的生產、生活帶來不利影響[3-4]。生物干化是處理城市有機廢棄物的一種重要手段[5]，由Jewell于1984年在處理牛糞時提出，主要是指在生物干化反應器中，利用微生物降解有機廢棄物釋放熱能與過量的曝氣相互結合實現物料干化的過程[6]，與好氧堆肥等處理技術相比，處理周期較短，一般需要15～20 d。然而，隨著市政管理對城市餐廚垃圾產生快速處理周期和處理量要求的提高[7]，傳統的生物干化方法也亟待改進。帶有加熱功能的生物干化機，可以在短時間內達到快速去除水分的效果[8-9]。

餐廚垃圾含水率高，無法單獨進行生物干化處理；在處理過程中需要添加大量輔料，調節餐廚垃圾的含水率、孔隙度、C/N比，進而提高餐廚垃圾生物干化速率[10-14]。在生產實踐中，一個日處理量5 t的餐廚垃圾生物化處理點(月處理量150 t)，通常需要按照25%的比例添加鋸末，每月需要添加鋸末約50 t，按每噸鋸末400元計算，每月需要20 000元，高昂的成本對于餐廚垃圾生物干化處理點顯然是難以長期承受的。

因此，尋找一種更加廉價，且來源穩定、充足的物料替代輔料(如鋸末)，對餐廚垃圾快速生物干化技術的可持續發展是極其必要的。現通過添加不同比例回料替代輔料，分析回料對餐廚垃圾生物干化過程溫度、含水率等理化指標的影響，同時基于不同回料添加下生物干化效率和能耗特征，探究回料替代輔料最佳比例，研究結果將對降低餐廚垃圾快速減量化處理成本具有重要指導意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

餐廚垃圾取自蘇州市某中學食堂，鋸末購買自某木材廠，餐廚垃圾生物干化回料由蘇州韓博廚房電器科技有限公司(簡稱“韓博科技”)生產提供，即上一批餐廚垃圾生物干化產品室溫貯存(30 d)作為回料。試驗材料基本性質如表1所示。

表1 試驗材料基本性質Table 1 Basic properties of test materials

1.2 實驗裝置與設計

試驗裝置為韓博科技制造的日處理500 kg餐廚垃圾的生物干化一體機(圖1)。通過設備前面的提升機將餐廚垃圾、輔料(鋸末、回料)投入生物干化筒倉內部，然后攪拌使物料均勻混合。在筒倉內部2個加熱板的輔助加熱條件下使物料進行快速生物干化，并通過風機和倉頂的進氣口與出氣口將蒸發的水分排出。

圖1 餐廚垃圾生物干化機Fig.1 Bio-drying machine for kitchen waste

試驗在中國農業大學有機循環研究院(蘇州)實驗基地(東山鎮富民工業園，蘇州韓博廚房電器科技有限公司)進行。生物干化一體機的運行參數：加熱板最高設置溫度115 ℃，生化倉最高設置溫度115 ℃；攪拌可以設置正轉、反轉、停止(為了防止物料在加熱過程中糊化粘壁，加熱與攪拌聯動；攪拌停止，加熱自動停止)；抽風根據溫度控制，這樣能及時抽走水汽，有利于物料的快速生物干化。例如，將抽風設置為50～55 ℃，即物料溫度達到55 ℃就抽風去除水汽，抽風過程中會使物料降溫，待溫度下降至50 ℃立即停止抽風。

設置機器參數如下：加熱板溫度115 ℃；生化倉溫度115 ℃；攪拌：正轉15 min，反轉15 min，停30 min(全天工作24 h)；抽風：50～55 ℃。

1.3 處理設置

試驗共設置8個處理，詳細信息如表2所示，T0-25～T25-0主要用于探究不同回料替代鋸末比例對餐廚垃圾生物干化的影響；T30-0和T35-0是在完全替代輔料(T25-0)的基礎上，進一步評價回料添加量對餐廚垃圾生物干化的影響。

表2 試驗處理設計表Table 2 Design oftest processing

1.4 采樣及分析方法

每天9:00和15:00測定堆體溫度；在生物干化的第0、2、4、6、8、10 d多點取樣用于含水率、pH、電導率(electrical conductivity，EC)、種子發芽指數(germination index，GI)的測定。

1.4.1 溫度

溫度測定采用便攜式溫度計測定，每天9:00和15:00測定堆體溫度。

1.4.2 含水率

含水率的測定采用烘干法，參考《有機肥料》(NY525—2012)。具體方法:稱取10 g生物干化樣品于鋁盒中，放入105 ℃烘箱中12 h，測其重量，后隔半小時測定一次樣品重量，待其恒重，記錄烘干樣重量，計算物料含水率。

1.4.3 pH/EC

pH/EC的測定參考《有機肥料》(NY525—2012)。具體方法:去離子水和鮮樣以液固比10∶1(體積質量比)混合，25 ℃、150 r/min往復振蕩30 min，靜置過濾取上清液經過pH計(PHS-3C)和電導率儀(DDS-307A)測定。

1.4.4 GI

GI測定采用黃瓜種子發芽率計算方法[15]。稱取生物干化樣品5.0 g，置于250 mL錐形瓶中，按固液比(質量/體積)1∶10 加入 50 mL 的去離子水或蒸餾水，于搖床中150 r/min振蕩30 min，靜置過濾，收集過濾后的浸提液，搖勻后供分析用。在9 cm 培養皿中墊上兩張濾紙，均勻放入10粒大小基本一致、飽滿的黃瓜種子，加入生物干化樣品浸提液5 mL，蓋上皿蓋，在25 ℃的培養箱中避光培養48 h，統計發芽率和測量根長。每個樣品做3個重復，以去離子水或蒸餾水作對照。計算種子發芽指數。

2 結果與討論

2.1 溫度

不同處理物料的溫度變化如圖2所示。由圖2可以看出，8個處理的溫度都在生物干化的第1天就迅速上升到40～60 ℃；T15-10和T35-0達到60 ℃以上；T0-25、T5-20、T10-15、T25-0和T30-0達到50 ℃以上，T20-5接近50 ℃，達到48.9 ℃。在為期10 d的生物干化過程中，除T30-0的溫度有較大的波動外，其他處理組的溫度基本維持穩定。溫度較高的處理組為T35-0和T15-10，而T0-25、T20-5和T25-0溫度較低，尤其是T20-5始終低于50 ℃。8個處理組10 d的累計溫度從高到低排序依次為：T35-0>T15-10>T5-20>T30-0>T10-15>T25-0>T0-25>T20-5。說明添加回料可以促進堆體升溫，這可能是由于回料中含有大量微生物，接入餐廚垃圾后，導致堆體溫度較高。從溫度的變化考察回料替代鋸末作為輔料完全是可行的，即使是溫度較低的T20-5也與T0-25沒有顯著差異(P>0.05)，其他處理組的溫度均高于T0-25。從溫度上分析T5-20、T10-15、T15-10和T35-0為最佳處理。由于機器一直在加熱，物料溫度在生物干化后期未下降。

圖2 溫度隨時間的變化Fig.2 Variation of temperature with time

2.2 含水率

各處理含水率的變化如圖3所示可知，8個處理的起始含水率分別為68.94%、67.10%、63.90%、62.52%、57.65%、54.08%、55.05%、49.24%，說明輔料添加量越大，起始含水率越低。在整個生物干化過程中，T5-20的含水率比其他處理下降的更快；除了T25-0以外，其余處理的含水率均低于T0-25。說明回料的添加可以促進堆體含水率快速下降，這可能是由于回料的加入使堆體更加蓬松，同時回料含有大量微生物導致的。在生物干化第4 d，T0-25、T5-20、T10-15、T15-10、T20-5、T25-0減量達到20%～30%，而T30-0和T35-0的減量達到45%～50%。說明回料添加量越大，堆體溫度越高，越有利于餐廚垃圾水分的去除。而張小娟等[16]用了8 d使污泥含水率由62%降至52%；吳靜儀等[17]用了8 d使污泥含水率由60.45%降至42.57%；李玉龍等[18]用了12 d使污泥含水率由62%降至42%；袁京等[13]用了21 d使餐廚垃圾含水率由65%降至50%；相比較而言，本研究用時較短，減量化效果較好。

圖3 含水率隨時間的變化Fig.3 Variation of moisture content with time

2.3 pH

各處理措施pH的變化如圖4所示，總體表現為前4 d變化較大，之后趨于穩定。8個處理的起始pH均小于4.00，可能是由于餐廚垃圾原料在運送至生物干化機之前，在收集、貯存和運輸過程中經歷了厭氧發酵過程，導致物料酸化；在整個生物干化過程中，8個處理的pH基本在3.2～4.0。T10-15和T15-10的初始pH比其他處理更低，分別為3.22和3.66；在生物干化第2 d，2個處理的pH分別上升到3.58和3.66，可能是由于酸性物質被微生物分解了，導致pH略有上升；2 d以后，T10-15的pH持續下降；T15-10的pH在第6 d達到最大值3.73。其余處理的pH均呈現下降的趨勢。T20-5起始pH較高，但2 d后迅速下降，6 d后基本穩定在3.55。8個處理的pH變化幅度并不大，可能是生物干化速率過高，含水率下降過快，堆體環境已經不適合微生物生長；pH并沒有上升到7.0及以上。

圖4 pH隨時間的變化Fig.4 Variation of pH with time

2.4 EC

物料EC隨時間的變化如圖5所示，與水分變化相反，總體呈上升趨勢。8個處理的初始EC分別為2.10、2.50、3.01、3.25、3.29、3.42、3.08、3.17 ms/cm。初始EC隨回料率的增加而提高，T0-25、T5-20、T10-15、T15-10、T20-5、T25-0的初始EC值從2.10 ms/cm增加到3.42 ms/cm，說明回料會提高堆體中的EC；但T25-0、T30-0、T35-0的初始EC又逐漸降低，可見在回料完全代替鋸末的情況下，混料的EC隨回料率的變化并非持續增加的，回料中的某些離子可能會與餐廚垃圾物料分解的某些物質結合或微生物強化促進一些小分子物質的揮發等因素會導致EC下降。

在生物干化過程中，T0-25、T5-20、T10-15、T15-10的EC基本呈現上升的趨勢，可能是微生物未對餐廚垃圾進行分解，隨著含水率的降低，單位質量餐廚垃圾的EC值逐漸增高；T20-5、T25-0、T30-0、T35-0的EC基本呈現先上升后下降的趨勢，先上升可能是回料中含有可以降解餐廚垃圾的微生物，把大分子物質分解成可溶于水的小分子物質，導致了EC的升高，這與He等[19]的研究結果一致；在生物干化后期，可能由于CO2、NH3的排放，導致EC上升。在生物干化第10d，8個處理的EC值分別為5.98、5.91、6.31、6.26、3.53、3.70、3.27、4.92 ms/cm；其中T20-5、T25-0、T30-0處理的EC小于4 ms/cm。在前6 d，8個處理的EC基本呈現上升的趨勢，可能是由于物料含水率下降，導致單位質量的EC上升。

2.5 GI

GI隨時間的變化如圖6所示，總體呈下降趨勢。T0-25、T5-20、T10-15的初始GI較大，均大于80%；T15-10、T20-5、T25-0的初始GI次之，在60%～70%；T30-0和T35-0的初始GI較小，分別為51.39%和44.73%；說明回料添加量越大，GI越小。在整個生物干化過程中，8個處理的GI均呈下降趨勢。生物干化第8 d，T0-25、T5-20和T15-10的GI較大，分別為35.52%、35.93%和29.57%，但均小于50%；其余處理的GI均小于30%。這可能與EC增加、pH降低有關，也可能與有機物分解產物的毒性有關，這與徐剛等[20]的研究結果一致。

圖6 GI隨時間的變化Fig.6 Variation of GI value with time

2.6 耗電量

各處理措施的日耗電量變化如圖7所示，趨勢基本保持一致，呈現前期升高后期下降的趨勢。在生物干化前4 d，日耗電量均較大；生物干化第6～10天，日耗電量較小。與其他處理相比，T0-25和T5-20的日耗電量較大。后期可能是由于物料含水率降低，水分傳輸效率增加，加熱升溫加快以及微生物分解放熱維持溫度能力增加等因素導致耗電量較小。由此可見，含水率越高，需要的能耗就越高，在生產實際中，可以用輔料調節餐廚垃圾的含水率，從而減少其生物干化所需的能耗。

圖7 日耗電量隨時間的變化Fig.7 Variation of day power consumption with time

2.7 單位質量水分去除能耗

隨著回料添加量增多，去除單位質量水分能耗逐漸增多(表3)。說明回料雖然可以替代部分輔料(鋸末)，促進餐廚垃圾生物干化，但是從能耗考慮，添加回料處理高于只用輔料(鋸末)。在不同比例回料替代輔料處理中，T10-15的單位水分去除能耗最低(1.34 kW·h)，與T0-25(1.26 kW·h)較為接近，在生產實踐中，若輔料(鋸末)供應量不足，可以考慮采用T10-15處理對餐廚垃圾進行生物干化。

表3 單位水分去除能耗表

2.8 物料品質外觀圖

8種處理10 d物料的外觀圖如圖8所示。可以看出，T0-25～T25-0，隨著回料添加量的增多，物料顆粒逐漸增大，品質逐漸降低；T30-0～T35-0，隨著回料添加量進一步加大，物料顆粒逐漸變小物料品質逐漸改良。T25-0(回料完全代替鋸末)油化情況最為嚴重，出現較多黑色、質地堅硬的大顆粒。從物料外觀質地上看，T5-20、T10-15為較優處理，與對照接近，相對松散且顆粒較小。

圖8 8種處理的餐廚垃圾生物干化物料外觀圖Fig.8 Appearance of kitchen waste bio-drying of 8 bio-drying treatments

3 結論

(1)用回料替代鋸末對餐廚垃圾進行生物干化處理是可行的。回料能促進堆體升溫，加快含水率下降。

(2)回料添加量越多，物料初始含水率越低；回料能促進堆體含水率的降低，T30-0和T35-0在生物干化第4天含水率下降至26.05%和26.93%，均小于30%，分別比T25-0含水率(45.14%)低19.09%和18.21%，達到含水率出料標準，便于運輸或者長時間貯存。

(3)從單位去除能耗上看，回料會導致能耗升高。T10-15的單位水分去除能耗(1.41 kW·h/kg)與T0-25(1.32 kW·h/kg)較為接近，在生產實踐中，若輔料(鋸末)供應量不足，可以考慮采用T10-15(餐廚垃圾75%+回料10%+鋸末15%)對餐廚垃圾進行生物干化。

(4)從物料品質外觀圖上看，發現T25-0處理的品質最差，顆粒較大，不利于后續資源化處理；如果要考慮生物干化產物品質，不可以用回料完全替代輔料(鋸末)。

4 展望

生物干化后的產物一般進行焚燒處理，但是焚燒的碳排放和碳足跡比土地利用高，因此有學者建議有機廢棄物干化后進行土地利用[21]。但是本研究中，8個處理的pH較低(基本持續在3.2～4.0)，EC值較高(基本在3.27～6.31 ms/cm)，同時GI值較低(基本在13.49%～35.93%)，這樣的產品若直接回歸土壤，可能會毒害植物，可以考慮對生物干化后的產品進行好氧堆肥處理，使其完全腐熟后再作為土壤調理劑或者有機肥回歸土壤。

如果將中國9 000 萬t餐廚垃圾進行生物干化預處理，然后進行好氧堆肥處理，將生產出約3 200 萬t堆肥，可以給土壤提供有機質1 500 萬t，提供純氮70 萬t、純磷13 萬t、純鉀 13萬t，產生的經濟效益將十分可觀，對生態環境的保護具有積極的作用[22]。因此，“生物干化+好氧堆肥”是未來餐廚垃圾從減量化走向資源化的一個十分有前景的處理方式。