餐廚垃圾高溫堆肥工藝優(yōu)化研究

摘 要：【目的】研究餐廚垃圾高溫堆肥工藝優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾減量化、無(wú)害化、資源化的高效處理。【方法】以餐廚垃圾為主要原料，圍繞物料粒度、堆肥混合物含水率、高溫堆肥時(shí)間、pH值、堆肥溫度、通風(fēng)供氧速率等控制因素，在不同條件下檢測(cè)餐廚垃圾高溫堆肥進(jìn)程變化和最終堆肥制品質(zhì)量。【結(jié)果】研究發(fā)現(xiàn)：在綜合考量堆肥效率和堆肥制品質(zhì)量等因素下，物料粒徑≤20 mm、堆肥混合物含水率55%、高溫堆肥時(shí)長(zhǎng)120 h、高溫堆肥培養(yǎng)溫度55 ℃、供氧通風(fēng)速率15 L·min-1的工藝條件有利于提高餐廚垃圾高溫堆肥效率，獲得優(yōu)質(zhì)堆肥制品。【結(jié)論】研究所得最優(yōu)餐廚垃圾高溫堆肥工藝，為及時(shí)高效處理餐廚垃圾，實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾無(wú)害化、減量化和資源化的高效利用提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：餐廚垃圾；高溫堆肥；工藝優(yōu)化；資源化

中圖分類(lèi)號(hào)：X705" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " "文章編號(hào)：1003-5168（2024）02-0091-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.02.017

Study on Optimization of High Temperature Compost Process of Kitchen Waste

CHI Yongliang1 LIU Xiyao2

（1.Longyan Institute of Quality Inspection for Products， Longyan 364000， China; 2.Ningde Normal University，Ningde 352000， China）

Abstract： [Purposes] The optimization of high temperature composting process of kitchen waste was studied，in order to realize the efficient treatment of reduction， harmlessness and resource utilization of kitchen waste. [Methods] In this study， taking kitchen waste under actual working conditions as the main raw material， the design focuses on the control factors such as the particle size of the material， the moisture content of composting mixture， high-temperature composting time， pH value， compost temperature and ventilation and oxygen supply rate， and observes the change of kitchen waste high-temperature composting process and the quality of final composted products under different conditions. [Findings] The results show that considering the composting efficiency and the quality of composted products， the particle size is ≤20 mm， the moisture content of composting mixture is 55%， the process conditions of composting such as the high-temperature composting time is 120 h， the culture composting temperature is 55 ℃， and the oxygen supply and ventilation rate is 15 L·min-1 are conducive to improving the composting efficiency of kitchen waste at high temperature and producing excellent organic fertilizer. [Conclusions] It is of guiding significance to obtain the optimal high temperature composting technology for the timely and efficient treatment of kitchen waste， and to realize the efficient treatment of harmlessness，reduction and resource utilization of kitchen waste.

Keywords： kitchen waste; high-temperature composting; progress optimization; resource utilization

0 引言

餐廚垃圾是餐飲垃圾和廚余垃圾的總稱(chēng)。餐飲垃圾是餐館、飯店、單位食堂等的飲食剩余物及后廚的果蔬、肉食、油脂、面點(diǎn)等加工過(guò)程中的廢棄物。廚余垃圾是家庭日常生活中丟棄的果蔬及食物下腳料、剩菜剩飯、瓜果皮等易腐有機(jī)垃圾［1］。隨著餐飲行業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)餐廚垃圾產(chǎn)量逐年遞增。據(jù)統(tǒng)計(jì)［2］，中國(guó)餐廚垃圾年產(chǎn)生量約6 000萬(wàn)t，其中，北京、上海、廣州、重慶等超大城市餐廚垃圾日產(chǎn)生量均超過(guò)1 000 t，且每年增速在10%以上，餐廚垃圾的產(chǎn)生量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了預(yù)期。眾所周知，餐廚垃圾有機(jī)質(zhì)含量高，易腐爛變質(zhì)，易造成環(huán)境污染，甚至危害人體健康，是一種嚴(yán)重的環(huán)境污染源，但同時(shí)餐廚垃圾中含有對(duì)農(nóng)業(yè)十分有用的有機(jī)質(zhì)和植物營(yíng)養(yǎng)，因此利用得當(dāng)可以獲得有用的農(nóng)業(yè)肥料。廚余垃圾堆肥處理方法簡(jiǎn)單，堆肥產(chǎn)品能保留較多的氮，可用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或制作動(dòng)物飼料［3］。本研究從餐廚垃圾高效資源化出發(fā)，圍繞物料粒度、堆肥混合物含水率、高溫堆肥時(shí)間、pH值、堆肥溫度、通風(fēng)供氧速率等控制因素，在不同條件下分析餐廚垃圾高溫堆肥進(jìn)程變化和最終堆肥制品質(zhì)量，以獲得最優(yōu)餐廚垃圾高溫堆肥工藝組合，為及時(shí)高效處理餐廚垃圾，實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾無(wú)害化、減量化和資源化的高效利用提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用餐廚垃圾取自寧德市某學(xué)校食堂，取回后按照試驗(yàn)要求進(jìn)行充分混合均勻，并對(duì)這些混合物進(jìn)行分選、破碎、脫水等預(yù)處理。

1.2 設(shè)備和工藝

餐廚垃圾處理設(shè)備為智能有機(jī)垃圾處理設(shè)備，如圖1所示，由電氣控制系統(tǒng)、主機(jī)顯示屏、提升系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、粉碎系統(tǒng)、脫水系統(tǒng)、油水分離系統(tǒng)、生化系統(tǒng)、烘干系統(tǒng)等組成。餐廚垃圾可在主體箱里進(jìn)行高溫堆肥，在主機(jī)顯示屏上可調(diào)節(jié)溫度和通風(fēng)量。降解過(guò)程排放出的蒸汽，經(jīng)除臭系統(tǒng)吸收處理后，最終排出水蒸氣和二氧化碳。餐廚垃圾高溫處理工藝路線如圖2所示。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

取一定量經(jīng)分選、破碎、脫水等預(yù)處理后充分混合均勻的混合物，放入智能有機(jī)垃圾處理設(shè)備中進(jìn)行高溫堆肥。從以下五方面進(jìn)行試驗(yàn)分析。第一，選取一定量不同的5批次餐廚垃圾，進(jìn)行不同破碎等級(jí)處理后高溫堆肥，堆肥后檢測(cè)有機(jī)質(zhì)、總養(yǎng)分、水分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，分析物料粒度對(duì)堆肥效果的影響。第二，對(duì)餐廚垃圾初始物料進(jìn)行預(yù)處理，以30%為試驗(yàn)起點(diǎn)含水率，而后含水率每增加5%按最佳堆肥時(shí)間進(jìn)行一次堆肥試驗(yàn)，堆肥完畢后檢測(cè)堆肥制品的有機(jī)質(zhì)、總養(yǎng)分、水分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，獲得最佳堆肥含水率。第三，對(duì)混合物進(jìn)行高溫堆肥（溫度、通風(fēng)速率由堆肥裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)）168 h，每24 h檢測(cè)pH值變化和堆肥制品的有機(jī)質(zhì)、總養(yǎng)分、水分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，獲得最佳堆肥時(shí)間，從而了解堆肥進(jìn)程中pH值隨時(shí)間的變化情況和對(duì)堆肥制品的影響。第四，根據(jù)堆肥裝置溫度調(diào)節(jié)情況，以30 ℃為試驗(yàn)起點(diǎn)溫度，而后溫度每增加5 ℃按最佳堆肥時(shí)間進(jìn)行一次堆肥試驗(yàn)，堆肥完畢后檢測(cè)堆肥制品的有機(jī)質(zhì)、總養(yǎng)分、水分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，獲得最佳高溫堆肥溫度。第五，根據(jù)堆肥裝置通風(fēng)速率調(diào)節(jié)情況，以5 L/min通風(fēng)速率為起點(diǎn)進(jìn)行堆肥試驗(yàn)，而后通風(fēng)速率每增加5 L/min進(jìn)行一次堆肥試驗(yàn)，堆肥完畢后檢測(cè)堆肥制品的有機(jī)質(zhì)、總養(yǎng)分、水分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，獲得適宜高溫堆肥的最佳通風(fēng)速率。

1.4 檢測(cè)項(xiàng)目指標(biāo)要求及檢測(cè)方法

根據(jù)《有機(jī)肥料》（NY/T 525—2021）標(biāo)準(zhǔn)要求，堆肥制品檢測(cè)參數(shù)技術(shù)指標(biāo)要求及檢測(cè)方法見(jiàn)表1。

2 結(jié)果與分析

2.1 物料粒度的影響

本研究所用預(yù)處理設(shè)備1級(jí)破碎后物料粒徑≤30 mm、2級(jí)破碎后物料粒徑≤20 mm、3級(jí)破碎后物料粒徑≤10 mm，根據(jù)試驗(yàn)要求，各級(jí)破碎的檢測(cè)數(shù)據(jù)如圖3至圖5所示。

由圖3至圖5可知，經(jīng)過(guò)不同等級(jí)破碎預(yù)處理后，同一批次各破碎等級(jí)之間堆肥制品的水分、有機(jī)質(zhì)、總養(yǎng)分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化不大，說(shuō)明破碎等級(jí)的不同對(duì)堆肥最終質(zhì)量效果的影響并不顯著，與韓濤等［4］關(guān)于餐廚垃圾好氧堆肥工藝條件優(yōu)化的研究較為一致。只是餐廚垃圾顆粒粒度減小，可使比表面積增大，使得物料降解速率提高，從而縮短了微生物的降解時(shí)間。因此，為了縮短物料降解時(shí)間，需要減少對(duì)處理設(shè)備的損耗，降低處理過(guò)程中所產(chǎn)生的噪聲。在餐廚垃圾實(shí)際處理過(guò)程中，選擇合適大小的物料粒度，以利于產(chǎn)品后序加工處理，對(duì)物料進(jìn)行2級(jí)破碎，即物料粒徑≤20 mm即可滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)要求。

2.2 堆肥混合物含水率的影響

對(duì)于高溫堆肥，水分是極其重要的因素。一方面，水分能夠充分溶解堆體中的有機(jī)質(zhì)，使這些有機(jī)質(zhì)參與堆體中微生物的繁殖和新陳代謝；另一方面，可以利用水分蒸發(fā)熱和散熱的特點(diǎn)來(lái)有效調(diào)節(jié)堆體的溫度。因而，含水率的高低，直接影響堆體內(nèi)微生物的活性，進(jìn)而影響堆肥制品的質(zhì)量。餐廚垃圾自身的含水率相對(duì)較高，可達(dá)80%～90%。因此，調(diào)節(jié)適宜的含水率是高溫堆肥工藝的重要程序之一。根據(jù)試驗(yàn)要求，不同含水率下堆肥制品的各質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化情況如圖6所示。

由圖6可知，在不同堆肥混合物含水率的情況下，堆肥制品的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著堆肥混合物含水率的增加呈緩慢上升趨勢(shì)；總養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈平緩波動(dòng)；有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升，達(dá)到峰值后呈下降趨勢(shì)。堆肥混合物含水率增加到55%時(shí)，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到最高值69%，說(shuō)明在此含水率下堆肥制品內(nèi)有機(jī)質(zhì)被微生物大量降解。堆肥混合物含水率在30%時(shí)，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較低。因?yàn)樵谳^低含水率下，會(huì)抑制堆肥體內(nèi)微生物的生長(zhǎng)代謝，使餐廚垃圾內(nèi)微生物生長(zhǎng)繁殖缺氧，活性受到抑制，進(jìn)而導(dǎo)致分解有機(jī)質(zhì)的速率降低。當(dāng)含水率達(dá)到70 %時(shí)，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)也相對(duì)較低，因水分會(huì)填滿(mǎn)餐廚垃圾物料顆粒間的空隙，將物料孔隙中的空氣擠出，降低游離孔隙率，影響空氣擴(kuò)散，抑制微生物活性，使代謝進(jìn)程不完全并產(chǎn)生難聞的惡臭氣味，減緩堆肥進(jìn)度，影響堆肥效果，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低。該試驗(yàn)中得出的堆肥混合物含水率55%是最優(yōu)高溫堆肥含水率，這與有些學(xué)者［5-10］研究結(jié)論比較一致，堆肥過(guò)程中含水率控制在50%～60%比較適宜。

2.3 堆肥時(shí)間的影響

根據(jù)試驗(yàn)要求，各質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨堆肥時(shí)間的變化情況如圖7所示。

由圖7可知，餐廚垃圾有機(jī)質(zhì)含量較高，但是沒(méi)有經(jīng)過(guò)生物穩(wěn)定化的有機(jī)物不適宜直接作為肥料［11］。隨著堆肥時(shí)間的增加，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在堆肥過(guò)程中不斷下降，說(shuō)明在高溫堆肥過(guò)程中，前期以好氣性微生物活動(dòng)為主，有機(jī)質(zhì)不斷被微生物降解，迅速礦化生成較多的二氧化碳、水及其他養(yǎng)分物質(zhì)，分解速度快而徹底，于120 h后趨于穩(wěn)定。總養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈緩慢上升趨勢(shì)，于120 h后趨于穩(wěn)定，總養(yǎng)分主要包含氮、磷、鉀，其中磷和鉀以滲濾液淋失為主，隨著堆肥體質(zhì)量和體積的減小而上升，此時(shí)氮含量相對(duì)較高，堆肥體中微生物的生長(zhǎng)繁殖使氮的分解速率加快，并不斷累積，因此總養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)在前期緩慢上升。水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷下降，因?yàn)殡S著堆肥時(shí)間的增加，堆體水分不斷蒸發(fā)而造成水分有所損失，120 h后水分散失趨于平緩。

綜合各質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨堆肥時(shí)間變化情況，本研究在高溫堆肥120 h可以得到穩(wěn)定有效的堆肥制品。

2.4 pH值的影響

對(duì)一般的微生物來(lái)說(shuō)，中性或弱堿性是比較適宜的。堆肥過(guò)程中，pH值會(huì)隨著堆肥時(shí)間的推進(jìn)而不斷發(fā)生變化，pH值的變化過(guò)程在一定程度上反映堆肥生化反應(yīng)進(jìn)程。試驗(yàn)中pH值隨堆肥時(shí)間的變化如圖8所示。

由圖8可知，餐廚垃圾堆體的pH值先降后升，因?yàn)樵诙逊是捌冢洋w內(nèi)含有大量有機(jī)質(zhì)，相對(duì)于微生物需求量是過(guò)剩的，微生物需要將其轉(zhuǎn)變?yōu)樾》肿拥挠袡C(jī)酸后再吸利用，致使有機(jī)酸在堆體內(nèi)累積，出現(xiàn)了短暫的堆體pH值下降［11］，而后隨著細(xì)菌的快速生長(zhǎng)，有機(jī)酸開(kāi)始轉(zhuǎn)化，特別是氨態(tài)氮和胺類(lèi)等堿性物質(zhì)的生成和積累［12-14］，使物料的堿度逐漸增加，從而導(dǎo)致物料的pH值不斷上升，至120 h后相對(duì)穩(wěn)定在中性左右，后期因?yàn)橐捉到獾奈镔|(zhì)基本降解完全，微生物的生命活性變緩，所以pH值相對(duì)穩(wěn)定，這與相關(guān)研究［15］較為一致。然而，堆肥物料自身具有較好的pH緩沖作用，而且微生物也可以在較大的pH值范圍內(nèi)生長(zhǎng)繁殖，所以在堆肥過(guò)程中如果沒(méi)有特殊情況，在實(shí)際生產(chǎn)中堆體初始pH值可不用處理［16］。

2.5 堆肥培養(yǎng)溫度的影響

微生物的活性和堆肥反應(yīng)速率受溫度影響很大，特定的某一種微生物，只能在一定溫度范圍內(nèi)生長(zhǎng)，所以堆肥培養(yǎng)溫度是餐廚垃圾高溫堆肥得以順利進(jìn)行的關(guān)鍵因素之一。不同培養(yǎng)溫度下，各質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨堆肥溫度的變化情況如圖9所示。

由圖9可知，總養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)和水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)在堆肥培養(yǎng)溫度上升的同時(shí)波動(dòng)幅度較小，保持相對(duì)的均衡的態(tài)勢(shì)；有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)則隨著堆肥培養(yǎng)溫度上升至一定閾值維持一段平衡后有下降趨勢(shì)。堆肥培養(yǎng)溫度上升至55 ℃時(shí)，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到53%，說(shuō)明當(dāng)堆肥培養(yǎng)溫度在55 ℃時(shí)，微生物活性最強(qiáng)，固有微生物更容易利用堆肥體內(nèi)的有機(jī)質(zhì)進(jìn)行新陳代謝，分解有機(jī)質(zhì)的速率最高。因?yàn)樵?0～40 ℃溫度范圍，嗜溫菌對(duì)有機(jī)物的分解起主導(dǎo)作用，而在45～65 ℃溫度范圍，嗜熱菌取代了嗜溫菌，對(duì)有機(jī)物的分解更加高效，在此階段的溫度不僅對(duì)快速腐熟有重要作用，同時(shí)逐漸形成腐殖質(zhì)，并開(kāi)始出現(xiàn)能溶于弱堿的黑色物質(zhì)，并有利于殺滅有機(jī)廢棄物中的病原微生物。當(dāng)溫度高于70 ℃時(shí)，大多數(shù)嗜熱菌已不適應(yīng)，微生物會(huì)大量死亡或進(jìn)入休眠狀態(tài)而停止發(fā)酵，除一些孢子外，所有病原微生物都會(huì)在幾小時(shí)內(nèi)死亡，所以溫度過(guò)高會(huì)過(guò)度消耗有機(jī)質(zhì)甚至失去肥效［17］。綜合以上溫度情況分析，快速堆肥的適宜溫度為45～65 ℃，與相關(guān)文獻(xiàn)［18-20］研究結(jié)論較為一致，本研究得出的最佳堆肥培養(yǎng)溫度為55 ℃。

2.6 通風(fēng)供氧速率的影響

通風(fēng)供氧速率的控制也是高溫堆肥的重要條件之一。通風(fēng)速率過(guò)高，會(huì)降低堆肥過(guò)程的溫度，造成堆肥體溫度達(dá)不到高溫堆肥的高溫要求；通風(fēng)速率過(guò)低則容易造成空氣不足，使得堆肥體中呈缺氧狀態(tài)，抑制微生物的生長(zhǎng)活動(dòng)，使得分解率降低，影響高溫堆肥進(jìn)程。因此，通風(fēng)速率的確定至關(guān)重要，堆肥制品各質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不同通風(fēng)速率下的變化如圖10所示。

由圖10可知，通風(fēng)速率增加的過(guò)程中，總養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本處于一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)；水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)前期略有下降，在15 L·min-1后保持穩(wěn)定；有機(jī)質(zhì)量質(zhì)量分?jǐn)?shù)則隨通風(fēng)速率5 L·min-1增加到15 L·min-1過(guò)程中上升較大，在15 L·min-1狀態(tài)下達(dá)到最高值47%。綜合有機(jī)質(zhì)、水分、總養(yǎng)分等質(zhì)量分?jǐn)?shù)情況，15 L·min-1為適宜的通風(fēng)速率。這與杜龍龍等［21］的研究結(jié)論較為一致。

3 結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾減量化、無(wú)害化、資源化的高效處理，本研究圍繞物料粒度、堆肥混合物含水率、高溫堆肥時(shí)間、pH值、堆肥溫度、通風(fēng)供氧速率等控制因素進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)試有機(jī)質(zhì)、總養(yǎng)分、水分等的質(zhì)量分?jǐn)?shù)情況，對(duì)實(shí)際工況下餐廚垃圾高溫堆肥工藝進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，主要得出以下結(jié)論。

①物料粒徑≤20 mm可以滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)要求。

②堆肥混合物含水率在55 %時(shí)，堆肥制品內(nèi)有機(jī)質(zhì)被微生物大量降解，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)到最高值69 %。

③高溫堆肥時(shí)長(zhǎng)120 h可以得到穩(wěn)定有效的堆肥制品。

④堆肥物料自身具有較好的pH緩沖作用，而且微生物也可以在較大的pH值范圍內(nèi)生長(zhǎng)繁殖，所以在堆肥過(guò)程中如果沒(méi)有特殊情況，在實(shí)際生產(chǎn)中堆體初始pH值可不用處理。

⑤堆肥培養(yǎng)溫度在55 ℃時(shí)，微生物活性最強(qiáng)，固有微生物更容易利用堆肥體內(nèi)有機(jī)質(zhì)進(jìn)行新陳代謝，分解有機(jī)質(zhì)的速率最高。

⑥在15 L·min-1通風(fēng)速率狀態(tài)下，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到最高值47 %，總養(yǎng)分、水分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

綜合試驗(yàn)研究，最優(yōu)餐廚垃圾高溫堆肥工藝組合為：物料粒徑≤20 mm、堆肥混合物含水率55%、高溫堆肥時(shí)長(zhǎng)120 h、高溫堆肥培養(yǎng)溫度55 ℃、供氧通風(fēng)速率15 L·min-1。

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