工藝條件對廚余垃圾生物干化效果的影響

楊寧, 陳衛華, 吳健, 樂亮亮, 史吉平, 劉莉*

(1 中國科學院上海高等研究院, 上海 201210; 2. 中國科學院大學, 北京 100049; 3.上海黎明資源再利用有限公司, 上海 201209)

廚余垃圾是指居民生活中產生的易腐爛有機垃圾,包括剩飯剩菜、菜梗菜葉、果皮、骨頭等等。根據國家統計局公布的數據,2021年中國城市生活垃圾清運量為2.49億t[1]。其中廚余垃圾約占城市生活垃圾的70%～80%[2]。廚余垃圾具有含水率高、有機物含量高、含鹽量高、C/N低、pH呈酸性等特點[3],這給廚余垃圾的資源化利用造成了極大的困難。這些廚余垃圾如果處理不當,極易造成空氣、水體的二次污染。現有的廚余垃圾處理技術包括干化焚燒、衛生填埋、厭氧消化、好氧堆肥等技術[4]。目前,厭氧消化技術被廣泛應用于廚余垃圾處理中[5],雖然該技術成熟度高、產品經濟效益好,但是存在處理周期長且產生沼液和沼渣二次污染等問題。因此研發資源化利用率更高的廚余垃圾高效處理技術是當務之急。

生物干化是一項新興的好氧發酵處理技術[6],具有成本低、效率高等優勢。Jewell等[7]最先提出生物干化技術,也稱為生物干燥或生物穩定技術,用于研究牛糞處理。廚余垃圾生物干化技術利用微生物降解廚余垃圾過程中代謝產生的大量熱量促進物料內水分蒸發,再用合適的通風量將蒸發水分帶出堆體。該技術以去除物料內水分為目的。生物干化產品可以制備垃圾衍生燃料(refuse derived fuel, RDF),用于燃燒發電[8],或者制備有機肥料,具有較高的經濟價值。

生物干化過程有很多重要的工藝參數,包括調理劑類型[9]、調理劑添加比例[10]、通風速率[11]等。廚余垃圾含水率高、透氣性差、C/N低,直接進行生物干化效果較差,添加調理劑能夠改變其理化性質,達到更好的干化效果。調理劑需要具有吸水性強、支撐能力好、不造成二次污染、理化性質穩定、廉價等特點,一般選用農林廢棄物,如玉米秸稈、木屑、稻殼等。Yuan等[12]研究發現,向廚余垃圾中添加玉米秸稈可以縮短生物干化過程進入高溫期的時間,高溫期持續時間也較長,為廚余垃圾生物干化的工業應用奠定基礎。劉甜甜等[9]研究表明,向貯存污泥中添加啤酒糟、稻殼、木屑等有機調理劑可以有效降低物料的含水率和揮發性固體(volatile solid,VS)含量。另外,調理劑的添加量也會對生物干化過程造成影響,添加不同比例的調理劑可以改變廚余垃圾的初始含水率、孔隙率[13]、C/N[14]和空氣流通率等性質,從而改變生物干化效果。調理劑添加量越大,物料初始含水率越低。研究表明,生物干化最佳初始含水率為50%～65%[15]。水分會影響微生物的活性以及有機物的生物降解。物料水分過高可能會制造厭氧環境,不利于好氧微生物的繁殖;水分過低則會降低微生物代謝速率。張克峰等[16]在污泥生物干化體系中研究了調理劑種類及配比的影響,發現利用麥稈作調理劑,且物料配比為5∶1(污泥∶麥稈)時生物干化效果最佳。詹亞斌等[17]基于外源輔助加熱的生物干化系統研究了不同比例(0～35%)的回料對于生物干化效果的影響,認為可以考慮添加10%回料代替調理劑對餐廚垃圾進行生物干化。此外,通風可以為物料內的微生物提供氧氣、去除水分[18]。研究表明,通風速率較低時基質升溫較快,空氣利用率較高,但微生物活性不高,且攜水能力弱,難以有效去除水分;通風速率較高時除水能力增強,但會導致熱量大量損失,且空氣利用率低,能耗增大[19]。因此研究適合廚余垃圾生物干化的通風條件是十分有必要的。Zhang等[20]報道了在污泥生物干化過程中使用0.4 L/(kgDM·min)通風速率[其中,DM為干物質(dry matter)],可以使水分去除率達到75.1%,干化效果顯著。Yuan等[21]研究發現,當通風速率為0.5 L/(kgDM·min)時城市固體廢棄物(MSW)的生物干化效果最好,水分去除率為0.5 kg(水)/kg(MSW)。Li等[22]研究表明,在廚余垃圾生物干化過程中以0.8 L/(kg·min)的速度通入55 ℃熱空氣可以提高水分去除率和VS消耗量,建立了熱空氣曝氣系統并證明了其可行性。綜上所述,調理劑類型、調理劑添加比例、通風速率等都是可以影響生物干化效果的重要工藝參數。

目前生物干化技術研究集中于污水污泥的處理[10, 23],證明了該技術的可行性,并對參數進行了優化,但是各工藝條件對廚余垃圾生物干化的過程和效果的影響還未被系統的報道。廚余垃圾與污水污泥在生化組分和物理性質上具有較大差別,探究適合廚余垃圾生物干化的工藝條件十分必要。因此,針對廚余垃圾生物干化過程中添加調理劑的類型、調理劑添加比例、通風速率這3個工藝條件,參考相關文獻以及實驗室已有的研究基礎,選擇3種調理劑(玉米秸稈、木屑、稻殼)、4個調理劑添加比例(10%、15%、20%、25%)、4個通風速率[0、0.2、0.4、0.6 L/(kg·min)]進行實驗,考察生物干化過程中物料的溫度、含水率、VS去除率等指標,確定了適合廚余垃圾生物干化的工藝條件,為廚余垃圾生物干化技術的工業應用提供理論基礎和數據支持。

1 材料與方法

1.1 廚余垃圾與調理劑

廚余垃圾來自中國科學院上海高等研究院食堂,主要成分包括果皮、菜梗菜葉、肉類等廚房下腳料,其中骨頭、塑料制品等已經被剔除。打碎后去除滲出的水分備用;木屑購于上海創凈生物科技有限公司,稻殼和玉米秸稈購于惠豐秸稈農產品公司。廚余垃圾和調理劑的理化性質如表1所示。

表1 廚余垃圾和調理劑的理化性質Table 1 Physical and chemical properties of kitchen waste and bulking agents

1.2 試驗裝置

實驗在自制的生物干化反應裝置中進行。該裝置主要由保溫瓶、探針式溫度計、通氣管及四通接頭、轉子流量計、氣泵組成。

1.3 方法

1.3.1 實驗方法

保溫瓶的容積為4 L,實驗中每個保溫瓶內放入1 kg廚余垃圾,根據實驗設置加入不同類型及比例的調理劑混合均勻,輔以相應的通風速率進行生物干化實驗。實驗一選取玉米秸稈、木屑、稻殼3種調理劑,對照組不添加調理劑,調理劑添加比例為廚余垃圾濕重的20%,通風速率為0.5 L/(kg·min);實驗二添加實驗一中效果較好的調理劑,選取廚余垃圾濕重的10%、15%、20%、25% 4個添加比例,通風速率為0.5 L/(kg·min);實驗三采用實驗一及實驗二確定的調理劑及添加比例,選取0、0.2、0.4、0.6 L/(kg·min)通風速率進行實驗。實驗周期為7 d。每個實驗組設置3個平行。

1.3.2 分析方法

本次實驗采用TP330高精度探針式溫度計測量堆體溫度,每天分別在9:00和17:00記錄兩次堆體溫度;含水率的測定方法為烘箱干燥法,105 ℃烘干至恒重[9];揮發性固體VS含量采用馬弗爐燃燒法,在550 ℃下加熱5 h至恒重[13]。廚余垃圾VS降解率Vde按式(1)計算。

(1)

式(1)中:Vin為物料第0天VS含量,kg;Vha為生物干化處理后物料VS含量,kg。

2 結果與分析

2.1 調理劑類型對廚余垃圾生物干化效果的影響

2.1.1 調理劑類型對溫度變化的影響

溫度是生物干化的重要指標,圖1為不同調理劑作用下溫度變化情況。4個處理組經過升溫期、高溫期、降溫期、平穩期4個階段。在廚余垃圾生物干化初期,物料中的微生物進行活躍的生物代謝,分解有機物從而產生大量熱量,促進堆體升溫。隨著生物干化的進行,有機物被消耗,微生物活性降低,導致堆體溫度下降,逐漸接近室溫,并保持動態穩定。

各處理組最高溫出現在2～4 d,其中,對照組和添加木屑處理組溫度最高且升溫最快,在第2天都達到了最高溫63.4 ℃。而添加玉米秸稈及添加稻殼的處理組升溫較緩慢。這可能是由于對照組和木屑處理組堆體密度大,孔隙率較小,利于熱量的積累,而玉米秸稈和稻殼堆積密度較小,結構松散,不利于保溫。對照組在溫度達到最高后迅速下降,難以維持高溫期,這是因為廚余垃圾含水率高、密度大、透氣性差,物料內部氧氣不足,導致微生物活性迅速下降,產熱減少。以上結果說明未添加調理劑的廚余垃圾不適合進行生物干化,加入調理劑有利于堆體積累更多熱量,加入木屑可以獲得較好的升溫效果。

2.1.2 調理劑類型對物料含水率變化的影響

廚余垃圾的含水率對其后續處理方式和處理效果有重要影響,分析生物干化過程中物料水分的變化可以直接評價生物干化效果。圖2為不同調理劑作用下物料含水率的變化情況。隨著生物干化的進行,微生物降解淀粉、脂肪、蛋白質、木質纖維素等有機物產生熱量,促進物料內水分蒸發,再通過通風帶走水分,堆體含水率逐漸下降。經過7 d的生物干化,對照組、玉米秸稈、木屑、稻殼處理組含水率與處理前相比分別降低了13.40%、36.43%、31.97%、27.99%,說明添加調理劑可以顯著提高水分去除效果,這與劉甜甜[24]的研究結果一致。這是由于添加調理劑可以改變物料的物理結構,增加孔隙度,有利于水分的散發。其中,玉米秸稈處理組的最終含水率最低,下降到了27.42%;在生物干化初期木屑處理組的含水率下降趨勢最明顯,這與其升溫速度較快有關。添加稻殼的處理組會產生大量滲濾液,稻殼吸水性較差,廚余垃圾滲出的水分未隨著通風散發卻直接以滲濾液形式滲出,給后續處理帶來問題。

圖2 不同調理劑作用下含水率變化情況Fig.2 Moisture content change using different bulking agents

2.1.3 調理劑類型對VS降解率變化的影響

廚余垃圾的生物干化處理產物一般用于制備RDF或者有機肥料,以較低的有機物降解率獲得較高的水分去除率是理想效果。因此,VS降解率也是需要關注的指標之一,各處理組VS降解率如圖3所示。對照組的VS降解率最高,達到了59.27%,而添加調理劑的各組VS降解率均低于對照組。這是由于對照組只含有廚余垃圾,易降解有機物較多,各實驗組加入調理劑后,體系內難降解的纖維素、半纖維素、木質素含量增大,導致VS降解率降低。其中添加木屑的處理組VS降解率最低,達到了33.61%,可能是由于木屑相較玉米秸稈、稻殼含有更多的木質素,難以被降解。Doublet等[25]在研究污泥堆肥過程中也發現添加木質素豐富的調理劑會降低VS降解率。添加稻殼的處理組VS降解率較高,為38.37%。這是由于添加稻殼的處理組物料的結構松散,空氣流通率高,好氧微生物的活性高,消耗大量有機物。

圖3 不同調理劑作用下VS降解率變化情況Fig.3 VS removal rate change using different bulking agents

總體來講,添加木屑作為調理劑可以使物料快速升溫,在生物干化前期水分去除效果較好,有機物消耗少,后續實驗采取木屑作為調理劑。

2.2 調理劑添加比例對廚余垃圾生物干化效果的影響

2.2.1 調理劑添加比例對溫度變化的影響

圖4為不同調理劑添加比例條件下溫度的變化情況。添加10%、15%、20%、25%木屑4組的最高溫度分別為61.7、63.8、67.8、63.9 ℃,其中添加20%木屑的處理組的最高溫度高于其他組。添加10%木屑處理組的溫度變化情況明顯有別于其他3組,高溫期持續時間為3 d,比其他實驗組長,可能是由于其物料密度大,透氣性差,有利于熱量的積累。添加15%、20%、25%木屑的處理組堆體溫度在第2天下降,在第3天經過翻堆后重新升溫,因為翻堆為物料提供了充足的氧氣,促進好氧微生物生長代謝,堆體溫度迅速升高。

圖4 不同調理劑添加比例作用下溫度變化情況Fig.4 Temperature change under different proportions of bulking agent

2.2.2 調理劑添加比例對含水率變化的影響

圖5為不同調理劑添加比例作用下物料含水率的變化情況。添加不同比例的調理劑改變了物料的初始含水率,添加10%、15%、20%、25%木屑的初始含水率分別為65.30%、64.06%、61.02%、59.50%,都處于利于生物干化的最佳初始含水率范圍內(50%～65%)。在0～5 d,物料內部含有豐富的有機物,微生物生長代謝活躍,產生大量熱量促進物料水分蒸發,物料含水率顯著下降。在5～7 d,物料內可降解有機物逐漸減少,微生物活性降低導致物料溫度低、水分蒸發減弱。經過7 d的生物干化,添加10%木屑、15%木屑、20%木屑、25%木屑的處理組含水率分別降低了26.73%、32.36%、25.84%、22.69%,這表明添加15%木屑的處理組水分去除效果最好。

圖5 不同調理劑添加比例作用下含水率變化情況Fig.5 Moisture content change under different proportions of bulking agent

2.2.3 調理劑添加比例對VS降解率變化的影響

VS降解率可以反映生物干化進程中有機物消耗情況,各處理組VS降解率如圖6所示。添加10%、15%、20%、25%木屑的處理組的VS降解率分別為51.00%、55.90%、45.29%、47.23%,其中添加15%木屑處理組VS降解率最高,說明該處理組在生物干化過程中消耗有機物最多;添加20%木屑時的VS降解率最低,說明添加20%的木屑可以降低廚余垃圾生物干化過程中有機物的消耗。

圖6 不同調理劑添加比例作用下VS降解率變化情況Fig.6 VS removal rate change under different proportions of bulking agent

廚余垃圾生物干化的最直接目的是去除水分,15%木屑處理組的水分去除效果最好,雖然該處理會導致有機物損耗增大,但綜合考慮調理劑成本等經濟因素,向廚余垃圾中添加15%的木屑能獲得較為理想的廚余垃圾生物干化效果。

2.3 通風速率對廚余垃圾生物干化效果的影響

2.3.1 通風速率對溫度變化的影響

通風是生物干化過程中的重要條件之一,選取合適的通風條件,既有助于熱量的產生和積累,又可以最大限度地帶走水分,達到更好的干化效果。生物干化過程不同通風速率作用下堆體的溫度變化情況如圖7所示。各處理組的溫度變化趨勢表現出明顯的差異。由于通風會導致熱量和水分的散失,通風速率為0的處理組微生物代謝產生的熱量得以積累,高溫期維持時間較長。通風速率為0.2、0.4、0.6 L/(kg·min)的處理組比不通風的處理組升溫更快,可見通風速率的增加為物料帶來更多的氧氣,微生物生長代謝旺盛,釋放更多熱量,促進堆體升溫。但是通風速率越高,物料內部熱量的散失越快,堆體高溫期持續時間越短。通風速率為0.6 L/(kg·min)的處理組高溫期維持時間最短,可能是由于通風速率過高,散熱速率遠超過產熱速率,不利于溫度的積累。

圖7 不同通風速率作用下溫度變化情況Fig.7 Temperature change under different air-flow rates

2.3.2 通風速率對含水率變化的影響

圖8為不同通風速率作用下物料含水率的變化情況。在0～1 d,通風速率為0、0.2 L/(kg·min)的處理組含水率出現小幅上升,可能是由于微生物進行活躍的代謝活動產生了水。隨后,在高溫蒸發和通風攜帶水分的雙重作用下,各處理組含水率不斷降低。在5～7 d,隨著有機物的消耗,微生物的作用減弱,此時主要靠通風促進物料內部水分散發。生物干化結束時,通風速率為0、0.2、0.4、0.6 L/(kg·min)的處理組較處理前含水率分別降低了9.75%、16.69%、20.75%、15.75%。通風速率為0時,溫度得以積累但不利于水分的散失,而通風速率為0.6 L/(kg·min)時,熱量不能積累,此時主要起除水作用的是物理通風而非生物產熱,消耗電能。這二者除水效果均較差,不適合應用于生物干化過程。通風速率為0.4 L/(kg·min)時含水率降低最多,除水效果最好,這可能是由于該通風速率既能保證供氧,增強微生物活性,產生大量熱量,又能促進水分蒸發,是較為合適的通風速率。

圖8 不同通風速率作用下物料含水率變化情況Fig.8 Moisture content change under different air-flow rates

2.3.3 通風速率對VS降解率變化的影響

各處理組VS降解率如圖9所示。通風速率為0 、0.2、0.4、0.6 L/(kg·min)的處理組VS降解率分別為72.87%、56.51%、45.39%、55.92%。不通風的處理組VS降解率最高,這與堆肥的相關報道類似,堆體溫度高則有機物消耗大[25]。通風速率為0、0.2、0.4 L/(kg·min)3個處理組的結果表明:在一定的通風速率范圍內,通風速率越低有機物降解量越大。向虹霖等[11]也發現,通風速率越大越不利于微生物代謝和有機物的降解。通風速率為0.4 L/(kg·min)時VS降解率最低,干化產物用于焚燒發電將產生更多能量。通風速率為0.6 L/(kg·min)時VS降解率比通風速率為0.4 L/(kg·min)時高,這可能是由于大通風量保證了堆體供氧充足,微生物生長代謝旺盛,消耗了更多的有機物。

圖9 不同通風速率作用下VS降解率變化情況Fig.9 VS removal rate change under different air-flow rates

3 討論

通過研究不同調理劑類型對生物干化效果的影響發現,生物干化過程中,添加調理劑可以改變廚余垃圾的理化特性,提升生物干化效果,有利于廚余垃圾的處理。木屑作為調理劑添加進廚余垃圾可以有效縮短進入高溫期的時間,促進水分去除,7 d生物干化后物料含水率降低了31.97%。玉米秸稈作為調理劑雖然升溫不如木屑快,但是除水效果更好,7 d后物料含水率降低了36.43%。實際工業應用可以綜合考慮調理劑成本和生物干化效果,因地制宜選取合適的調理劑。

通過研究不同調理劑添加比例對生物干化效果的影響發現,添加木屑較少時有利于物料內溫度的積累但不利于水分的散發。添加的木屑越多,物料的孔隙率越高,這一方面促進了微生物的生長繁殖,大量降解有機物,產生更多熱量,另一方面有利于水分的散失。但是過高的孔隙率會導致熱量損失,又制約了溫度的積累和水分的散失。實驗表明,添加15%木屑水分去除效果最好,但會導致有機物消耗變大;添加20%木屑有機物消耗最少,但是不利于去除水分。綜合考慮生物干化效果和成本問題,建議生物干化工程中使用15%木屑作為調理劑。

通過研究不同通風速率對生物干化效果的影響發現,通風速率越小越有利于溫度的積累,不通風時物料迅速進入高溫期并且能夠長久維持高溫,通風速率為0.6 L/(kg·min)時堆體熱量散失較快,在第2天就進入降溫期。通風速率較大時可以促進水分的散失,但是過高的通風量主要起到物理除水的效果,耗費大量電能,與生物干化的初衷不符。研究發現,通風速率為0.4 L/(kg·min)時,高溫期持續時間較長,除水效果最好,VS降解率最低,因此廚余垃圾生物干化通風速率設定為0.4 L/(kg·min)較好。

4 結論

對廚余垃圾生物干化工藝條件進行優化,發現添加15%木屑做為調理劑,通風速率設為0.4 L/(kg·min)可以獲得較好的干化效果,為廚余垃圾生物干化技術的實際應用提供參考。但是有機調理劑往往不能重復利用,未來可以開發可重復利用的無機調理劑,降低廚余垃圾處理成本,促進廚余垃圾的資源化利用。