餐廚垃圾物料初始含水率對(duì)高溫生物降解反應(yīng)的影響

【摘要】：為研究餐廚垃圾物料初始含水率對(duì)高溫生物降解反應(yīng)的影響，本研究利用自制高溫生物降解反應(yīng)裝置對(duì) 3組不同初始含水率的物料進(jìn)行了小規(guī)模降解試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)樣品水溶性TOC （TOC）、水溶性凱氏氮KN、水溶性C/N 、KN、pH以及含水率等指標(biāo)的分析，來(lái)考察餐廚垃圾物料初始含水率對(duì)高溫生物降解反應(yīng)的影響。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在接種量為1%，反應(yīng)溫度為55 ℃，水溶性C/N為20：1，通風(fēng)量為0.8 m3/h，反應(yīng)時(shí)間為7d的初始條件下，物料配比m米糠：m餐廚=1：3（即含水率約為58.5%）時(shí)，對(duì)餐廚垃圾高溫生物降解反應(yīng)具有較佳的降解效率。在此條件下，TOC由7. 994%降低為3.99，C/N由20.36降低至5.84，達(dá)到降解比較完全的程度，促進(jìn)了餐廚垃圾物料高溫生物降解速率，對(duì)促進(jìn)高溫生物降解反應(yīng)具有一定的積極影響。

【關(guān)鍵詞】：餐廚垃圾；高溫生物降解；初始含水率；TOC；水溶性C/N

餐廚垃圾是家庭（餐飲單位拋棄的剩飯菜的通稱，是城市生活垃圾的重要組成部分。據(jù)國(guó)家環(huán)境公報(bào)顯示，我國(guó) 2014年城市生活垃圾的清運(yùn)量已經(jīng)達(dá)到了17，860.18萬(wàn)噸，按照餐廚垃圾占城市生活垃圾比例40-50%來(lái)計(jì)算，餐廚垃圾清運(yùn)量為7144.072萬(wàn)——8930.09萬(wàn)噸[1]，而且隨著餐飲業(yè)的高速發(fā)展，產(chǎn)生量還在迅速增加。傳統(tǒng)的餐廚垃圾資源化技術(shù)是制備各種飼料，但該技術(shù)由于存在各種安全隱患而逐漸被各國(guó)政府限制或禁止，采取新的餐廚垃圾資源化處理方式逐步受到關(guān)注。其中，通過(guò)高溫好氧降解技術(shù)（thermophilic aerobic digestion，TAD） 實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾降解減量是目前的研究熱點(diǎn)之一[2]。

該技術(shù)在高溫條件（45-55℃）下，通過(guò)加快微生物的新陳代謝，提高餐廚垃圾中有機(jī)物質(zhì)的降解速度，可快速、高效地將餐廚垃圾進(jìn)行降解，實(shí)現(xiàn)垃圾的減量化、穩(wěn)定化和資源化。該技術(shù)在降低對(duì)環(huán)境的危害，同時(shí)好氧消化耗時(shí)短，維護(hù)簡(jiǎn)便，運(yùn)行成本低，如果利用人工加熱的方式，好氧發(fā)酵時(shí)間會(huì)大大縮短，消化反應(yīng)完全，所以通過(guò)高溫好氧降解處理成為未來(lái)處理餐廚垃圾的有效方法之一[3]。通常為了保證高溫好氧消化的順利進(jìn)行，需要在餐廚垃圾中添加一些輔料，如麥鼓、米糠等。這些輔料的作用主要是調(diào)節(jié)餐廚垃圾的含水率，增加物料的比表面積，提高與氧氣接觸反應(yīng)的效率[4]。因此，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)自制高溫生物降解裝置，對(duì)餐廚垃圾高溫好氧消化工藝進(jìn)行小型模擬試驗(yàn)。通過(guò)改變餐廚垃圾與輔料米糠配比改變初始物料含水率，并研究初始物料含水率對(duì)降解過(guò)程的影響。

1、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置采用自制的餐廚垃圾處理設(shè)備，裝置總尺寸為H*D*L=2100mm*1000mm*1500mm，由不銹鋼制成，一次能夠處理約50kg的餐廚垃圾。

餐廚垃圾處理設(shè)備啟動(dòng)方式：向餐廚垃圾處理設(shè)備中投入當(dāng)天收集到的餐廚垃圾，最后降解完成后統(tǒng)一出料。投入的餐廚垃圾先經(jīng)過(guò)擠壓脫水去除垃圾中的游離水，然后由粉碎裝置對(duì)大塊的垃圾進(jìn)行細(xì)化處理，最后將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的餐廚垃圾傳送到發(fā)酵容器內(nèi)進(jìn)行發(fā)酵降解處理。設(shè)備中安裝有加溫裝置，主要包括離心風(fēng)機(jī)和加熱器，用來(lái)為發(fā)酵容器中的物料加溫除濕和補(bǔ)充新鮮空氣。設(shè)備的進(jìn)料、脫水、粉碎、生物降解、出料等一系列工藝流程均實(shí)現(xiàn)集成自動(dòng)化控制。

1.2 菌種

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中人工添加外購(gòu)的高效復(fù)合微生物菌劑（由蘇柯漢研發(fā)的高效復(fù)合微生物菌劑）。使用過(guò)程中需要添加米糠作為輔料。

1.3 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

本實(shí)驗(yàn)所用的餐廚垃圾來(lái)源于深圳市鹽田區(qū)區(qū)政府機(jī)關(guān)食堂的中餐和晚餐的食物殘余物。餐廚垃圾中主要包括有油、湯水、果皮、蔬菜、米面、魚(yú)骨、肉、骨頭等。經(jīng)手工篩選除去其中的骨頭等大塊雜質(zhì)，餐廚垃圾經(jīng)食物破碎機(jī)破碎，壓榨、脫水后混勻。

米糠，取自深圳某糧食加工廠，用于調(diào)節(jié)初始物料含水率和空隙率以及C/N比。餐廚垃圾及填料的相關(guān)理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

將米糠和脫水處理后的餐廚垃圾按照（0：1，1/3：1， 1：1）的比例混合后，投入反應(yīng)器中，物料配比和含水率的關(guān)系見(jiàn)表2；物料總質(zhì)量10 kg，反應(yīng)溫度控制在55℃左右，以高效微生物為接種菌種（接種量為1%），通風(fēng)量為0.8m3/h，反應(yīng)時(shí)間為1周。

1.5 實(shí)驗(yàn)參數(shù)檢測(cè)方法

餐廚垃圾高溫生物降解是一個(gè)復(fù)雜的好氧生化過(guò)程，作為一個(gè)固、液、氣三相共存的復(fù)雜體系，在這一體系內(nèi)，微生物為維持自身的活性不斷地進(jìn)行新陳代謝活動(dòng)，因此餐廚垃圾又是一個(gè)存在大量生化反應(yīng)的體系[5]。餐廚垃圾的復(fù)雜性決定了影響好氧降解過(guò)程的因素是多種多樣的，而這些因素既相互獨(dú)立又相互影響，這些因素主要包括有機(jī)質(zhì)、含水量、C/N、pH 值，因而不能采用單一的指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。因此，本實(shí)驗(yàn)選取下述指標(biāo)來(lái)研究含水率對(duì)餐廚垃圾高溫生物降解反應(yīng)的影響，指標(biāo)的測(cè)量方法主要見(jiàn)表3。

2、結(jié)果與討論

2.1 TOC的變化

不同含水率的餐廚垃圾對(duì)高溫生物降解過(guò)程中TOC的影響如圖1。結(jié)果表明，由于將脫水后的餐廚垃圾與米糠按照一定的比例混合后，導(dǎo)致物料的初始TOC與未添加米糠的物料相比有所下降，但是隨著反應(yīng)的進(jìn)行，各實(shí)驗(yàn)樣品中的TOC均出現(xiàn)快速降低的趨勢(shì)。反應(yīng)進(jìn)行到24 h后，脫水后的餐廚垃圾與米糠混合的樣品TOC降解速度開(kāi)始加快，其中加入1/3比例的米糠樣品降解幅度最大。當(dāng)反應(yīng)結(jié)束時(shí)，未添加米糠的物料（樣品1），其 TOC含量由7. 994%降低為3. 99%，降解率50. 80%；添加1/3比例的米糠物料（樣品2）的TOC含量為由6. 13%降低為1.29%，降解率為78. 95 %；添加比例為1：1的米糠物料（樣品3）的TOC含量為由4. 27%降低為1. 67%，降解率為60. 89 %。

上述結(jié)果說(shuō)明米糠等輔料的加入使得餐廚垃圾的含水率有所下降，從而提高了餐廚垃圾中有機(jī)物的降解效率，其中添加1/3比例的米糠（初始含水率為58%）物料（樣品2）的有機(jī)物的降解效率最為明顯。這可能是由于脫水后的餐廚垃圾物料含水率為74.53%，超過(guò)65%，過(guò)多的水分會(huì)填滿顆粒間的孔隙并擠壓餐廚垃圾物料，將原料孔隙中的空氣排出，降低游離孔隙率，影響空氣擴(kuò)散，導(dǎo)致餐廚垃圾物料由于缺氧而向厭氧發(fā)酵轉(zhuǎn)化，從而使得餐廚垃圾物料高溫生物降解效率下降[6]；而當(dāng)添加比例為1：1的米糠物料（樣品3）其含水率為42.25%，水分含量接近40%，含水率過(guò)少會(huì)增大物料與空氣的接觸面積，空氣接觸面的增大雖然會(huì)提高微生物對(duì)氧氣的利用率，但同時(shí)也會(huì)增加水分和熱量的流失，水分無(wú)法滿足微生物的新陳代謝需要，從而降餐廚垃圾原料內(nèi)微生物活性受到抑制，降低降解反應(yīng)速率，影響高溫生物降解的順利進(jìn)行；而當(dāng)添加比例為1/3：1的米糠物料（樣品3）其含水率為58.50%，其含水率處于55-60%之間，符合好氧發(fā)酵的條件，因此，其降解效率最高。

2.2 KN的變化

水溶性的凱氏氮主要包括蛋白質(zhì)等有機(jī)氮和氨氮，該參數(shù)的變化可反映微生物的生化過(guò)程及其對(duì)氮的利用情況[7]。如圖2所示即為不同初始含水率下的餐廚垃圾高溫生物降解過(guò)程下KN的變化。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，三種樣品中的物料 KN大體呈先降后升的趨勢(shì)；這主要是由于在反應(yīng)初期，當(dāng)細(xì)菌等微生物逐漸進(jìn)入對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期，大量可溶態(tài)氮被用于合成自身菌體，該參數(shù)呈下降趨勢(shì)；當(dāng)微生物的異化作用大于同化作用，水溶態(tài)凱氏氮呈上升趨勢(shì)，因此，KN會(huì)呈上升趨勢(shì)[8]。 反應(yīng)結(jié)束時(shí)，樣品1中KN含量由0.397%升為0. 4%；樣品2中凱氏氮回升較慢，KN含量由0.301%最終降低為0.221%；樣品3由于反應(yīng)過(guò)程中水分損失較大，導(dǎo)致物料總體質(zhì)量偏小，KN含量由0.205%升為0. 225% ，因此凱氏氮所占比例偏大。同時(shí)，樣品2中凱氏氮在前期下降較快且回升較慢，而且考慮到實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，較高的米糠含量意味著降低了單位容積中處理餐廚垃圾的量，因此55%-60%范圍的初始含水率的物料更符合實(shí)際生產(chǎn)需求。

2.3 C/N的變化

微生物的生長(zhǎng)代謝需要一定的營(yíng)養(yǎng)元素，其中C， N， P， K最為重要，所以C/N也是影響餐廚垃圾高溫降解的重要因素之一[9]。如圖3所示即為不同初始含水率的餐廚垃圾高溫生物降解過(guò)程下C/N的變化。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)反應(yīng)，不同含水率下物料中的水溶性C/N均迅速下降，反應(yīng)結(jié)束時(shí)C/N均降至10以內(nèi)，其中樣品1的C/N由20. 13降低至9.99，樣品2的C/N由20. 36降低至5.84，接近降解完全時(shí)水溶性C/N=5-6，說(shuō)明樣品2（含水率為58%）的物料降解較為完全，樣品3的C/N由20. 82降低至7.42；不難看出，加入1/3和100%的米糠輔料能提高C/N的降低速度，有利于餐廚垃圾的好氧降解與快速穩(wěn)定化轉(zhuǎn)變，說(shuō)明初始含水率對(duì)餐廚垃圾高溫好氧降解速度的提高具有一定作用，其中加入1/3米糠輔料的樣品2其含水率為58%，符合好氧發(fā)酵含水率55-60%的條件，因此能夠得到較好的降解；而當(dāng)添加比例為1：1的米糠物料（樣品3）其含水率為42.25%，水分無(wú)法滿足微生物的新陳代謝需要，從而降餐廚垃圾原料內(nèi)微生物活性受到抑制，降低降解反應(yīng)速率，使得樣品3在高溫生物降解下不完全；而樣品1的物料含水率為74.53%，過(guò)多的水分會(huì)填滿顆粒間的孔隙并擠壓餐廚垃圾物料，將原料孔隙中的空氣排出，降低游離孔隙率，影響空氣擴(kuò)散，導(dǎo)致餐廚垃圾物料由于缺氧而向厭氧發(fā)酵轉(zhuǎn)化，從而使得餐廚垃圾物料高溫生物降解效率下降[10]。

另外研究還發(fā)現(xiàn)，在反應(yīng)開(kāi)始的48 h內(nèi)，C/N變化較為平緩，這是由于開(kāi)始階段微生物將有機(jī)物中的不溶性物質(zhì)分解為水溶性有機(jī)物，導(dǎo)致TOC在反應(yīng)開(kāi)始的階段逐步升高；48h后，微生物經(jīng)過(guò)多次生命循環(huán)，氧化掉過(guò)量的C，C/N開(kāi)始急劇下降，這與前人的研究結(jié)果相似。

2.4 pH的變化在高溫生物降解的過(guò)程中，一般認(rèn)為餐廚垃圾降解速率在pH值為6.5-7.5時(shí)最大，pH值過(guò)高或過(guò)低都會(huì)影響降解效率，作為評(píng)估降解環(huán)境的一項(xiàng)參數(shù)，pH值也是餐廚垃圾高溫生物降解的重要影響因素之一[11]。在餐廚垃圾降解過(guò)程中，隨著時(shí)間和溫度的變化，pH值也發(fā)生變化，在高溫生物降解的初期，細(xì)菌和真菌等微生物將大分子有機(jī)物質(zhì)分解時(shí)，會(huì)釋放出乙酸、丙酮酸等小分子有機(jī)酸，這些酸性物質(zhì)積累會(huì)導(dǎo)致pH下降，因此各個(gè)樣品物料的pH在反應(yīng)初期下降很快；當(dāng)反應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行時(shí)，物料中蛋白質(zhì)類(lèi)有機(jī)物被微生物利用分解成氨氮，這將促使pH緩慢回升。因此，樣品1、2、3在此過(guò)程中pH均呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，其中樣品2的變化趨勢(shì)比較明顯，樣品3的變化趨勢(shì)次之，樣品1的變化趨勢(shì)比較平緩，這可能是樣品2處于55%-60%的含水率區(qū)間內(nèi)，比較符合高溫生物降解的條件，物料得到較好的降解，而樣品3則由于含水率為42.45%，水分難以滿足微生物的代謝需要，使得物料中微生物的活動(dòng)相對(duì)不活躍，對(duì)蛋白質(zhì)等有機(jī)物降解能力較樣品1要低，降解不充分，產(chǎn)生的有機(jī)酸和氨氣相對(duì)較少；樣品1由于含水率較高，導(dǎo)致物料較難進(jìn)行好氧降解，使得降解效率較低，對(duì)蛋白質(zhì)等有機(jī)物降解能力弱。

2.5 含水率的變化

在餐廚垃圾的生物降解過(guò)程中，水分的主要作用是溶解有機(jī)物，參與微生物新陳代謝，同時(shí)水分蒸發(fā)時(shí)帶走熱量，調(diào)節(jié)降解溫度，因此物料的含水率變化通常和通風(fēng)量以及溫度相關(guān)[12]。如圖5所示即為不同初始含水率的餐廚垃圾高溫生物降解過(guò)程下含水率的變化。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得知，在相同的溫度與通風(fēng)條件下，樣品1、2、3的物料含水率均降至25%以下，達(dá)到較高的減量效率，可以滿足我國(guó)有機(jī)肥料含水率的要求。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)中初始含水率為42.45%的樣品2物料含水率下降較快，結(jié)束時(shí)降至21.75%。主要是由于物料空隙較大，顆粒間的空隙水和毛細(xì)水大量蒸發(fā)引起的。而含水率為58.5%，74.53%的物料由于反應(yīng)器內(nèi)的通風(fēng)和加熱的影響，含水率也逐步下降，反應(yīng)后期下降較快。其原因主要是反應(yīng)初期微生物的呼吸作用旺盛，產(chǎn)生大量水分，通風(fēng)和加熱帶走的水分可以得到相應(yīng)的補(bǔ)充，反應(yīng)后期，隨著可降解物質(zhì)的減少，含水率已經(jīng)降低至不適合微生物生長(zhǎng)的40%左右。因此呼吸作用產(chǎn)生的水分較少，物料中的水分大量蒸發(fā)，含水率在反應(yīng)后期迅速下降[13]。由此可以看出，只要保證適當(dāng)?shù)耐L(fēng)和加熱，不同含水率的物料通過(guò)高溫好氧消化，水分都可降至合適的范圍。

3、結(jié)論

（1）物料其初始含水率不同對(duì)微生物的活性造成一定的影響。當(dāng)水分過(guò)高，水分會(huì)填滿顆粒間的孔隙并擠壓餐廚垃圾物料，將原料孔隙中的空氣排出，降低游離孔隙率，影響空氣擴(kuò)散，抑制微生物的好氧反應(yīng)，降低降解反應(yīng)速率；當(dāng)含水率過(guò)少，水分無(wú)法滿足微生物的新陳代謝需要，從而使餐廚垃圾原料內(nèi)微生物活性受到抑制，降低降解反應(yīng)速率；因此不同的初始物料含水率可以明顯地影響微生物對(duì)物料有機(jī)質(zhì)的降解。綜合實(shí)驗(yàn)過(guò)程中水溶性TOC的降解率與實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的要求，含水率處于55%-60%時(shí)降解率最佳。

（2）物料其初始含水率不同對(duì)餐廚物料的凱氏氮影響不大。由于微生物對(duì)底物的分解作用，水溶性凱氏氮的含量變化大致呈先下降后緩慢上升的趨勢(shì)，差距并不明顯。

（3）物料其初始含水率不同對(duì)物料的C/N造成一定的影響。各物料水溶性C/N均下降到10以下，但當(dāng)物料含水率過(guò)高或過(guò)低時(shí)，C/N均未能完全降至5-6，表明該降解反應(yīng)并不充分，仍處于一次發(fā)酵階段；而當(dāng)物料含水率處于55%-60%時(shí)，C/N處于5-6之間，表明該降解反應(yīng)比較充分。這就意味著物料其初始含水率影響物料的C/N與降解效率。

（4）物料其初始含水率不同對(duì)餐廚物料的pH具有一定的影響。樣品1、2、3在此高溫生物降解過(guò)程中pH均呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，其中樣品2的變化趨勢(shì)比較明顯，樣品3的變化趨勢(shì)次之。這可能是樣品2有機(jī)物的降解效率≥樣品3有機(jī)物的降解效率≥樣品1有機(jī)物的降解效率。

（5）物料其初始含水率不同對(duì)餐廚物料的含水率影響不大。只要保證適當(dāng)?shù)耐L(fēng)和加熱，不同含水率的物料通過(guò)高溫好氧消化，水分都可以降至低于25%的范圍。

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基金項(xiàng)目：科技應(yīng)用示范項(xiàng)目（KJYY20140829092048271）

項(xiàng)目名稱：生物降解技術(shù)在餐廚垃圾處理中的應(yīng)用示范

第一作者簡(jiǎn)介：成昕（1972-），男，漢族，湖南省長(zhǎng)沙市人，碩士研究生，從事餐廚垃圾資源化利用與處理工作。