回料對(duì)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(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院， 北京 100193； 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)有機(jī)循環(huán)研究院(蘇州)， 蘇州 215100)

餐廚垃圾是指飯店、賓館、企事業(yè)單位食堂、食品加工廠、家庭等加工、消費(fèi)食物過(guò)程中形成的殘羹剩飯、過(guò)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(guó)每年的餐廚垃圾產(chǎn)生量約為9 000 萬(wàn)t，如此多的餐廚垃圾如不及時(shí)處理，將會(huì)給居民的生產(chǎn)、生活帶來(lái)不利影響[3-4]。生物干化是處理城市有機(jī)廢棄物的一種重要手段[5]，由Jewell于1984年在處理牛糞時(shí)提出，主要是指在生物干化反應(yīng)器中，利用微生物降解有機(jī)廢棄物釋放熱能與過(guò)量的曝氣相互結(jié)合實(shí)現(xiàn)物料干化的過(guò)程[6]，與好氧堆肥等處理技術(shù)相比，處理周期較短，一般需要15～20 d。然而，隨著市政管理對(duì)城市餐廚垃圾產(chǎn)生快速處理周期和處理量要求的提高[7]，傳統(tǒng)的生物干化方法也亟待改進(jìn)。帶有加熱功能的生物干化機(jī)，可以在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到快速去除水分的效果[8-9]。

餐廚垃圾含水率高，無(wú)法單獨(dú)進(jìn)行生物干化處理；在處理過(guò)程中需要添加大量輔料，調(diào)節(jié)餐廚垃圾的含水率、孔隙度、C/N比，進(jìn)而提高餐廚垃圾生物干化速率[10-14]。在生產(chǎn)實(shí)踐中，一個(gè)日處理量5 t的餐廚垃圾生物化處理點(diǎn)(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(jì)算，每月需要20 000元，高昂的成本對(duì)于餐廚垃圾生物干化處理點(diǎn)顯然是難以長(zhǎng)期承受的。

因此，尋找一種更加廉價(jià)，且來(lái)源穩(wěn)定、充足的物料替代輔料(如鋸末)，對(duì)餐廚垃圾快速生物干化技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展是極其必要的?，F(xiàn)通過(guò)添加不同比例回料替代輔料，分析回料對(duì)餐廚垃圾生物干化過(guò)程溫度、含水率等理化指標(biāo)的影響，同時(shí)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(jié)果將對(duì)降低餐廚垃圾快速減量化處理成本具有重要指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

餐廚垃圾取自蘇州市某中學(xué)食堂，鋸末購(gòu)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(jiǎn)稱“韓博科技”)生產(chǎn)提供，即上一批餐廚垃圾生物干化產(chǎn)品室溫貯存(30 d)作為回料。試驗(yàn)材料基本性質(zhì)如表1所示。

表1 試驗(yàn)材料基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of test materials

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)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(jī)(圖1)。通過(guò)設(shè)備前面的提升機(jī)將餐廚垃圾、輔料(鋸末、回料)投入生物干化筒倉(cāng)內(nèi)部，然后攪拌使物料均勻混合。在筒倉(cāng)內(nèi)部2個(gè)加熱板的輔助加熱條件下使物料進(jìn)行快速生物干化，并通過(guò)風(fēng)機(jī)和倉(cāng)頂?shù)倪M(jìn)氣口與出氣口將蒸發(fā)的水分排出。

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

試驗(yàn)在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)有機(jī)循環(huán)研究院(蘇州)實(shí)驗(yàn)基地(東山鎮(zhèn)富民工業(yè)園，蘇州韓博廚房電器科技有限公司)進(jìn)行。生物干化一體機(jī)的運(yùn)行參數(shù)：加熱板最高設(shè)置溫度115 ℃，生化倉(cāng)最高設(shè)置溫度115 ℃；攪拌可以設(shè)置正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止(為了防止物料在加熱過(guò)程中糊化粘壁，加熱與攪拌聯(lián)動(dòng)；攪拌停止，加熱自動(dòng)停止)；抽風(fēng)根據(jù)溫度控制，這樣能及時(shí)抽走水汽，有利于物料的快速生物干化。例如，將抽風(fēng)設(shè)置為50～55 ℃，即物料溫度達(dá)到55 ℃就抽風(fēng)去除水汽，抽風(fēng)過(guò)程中會(huì)使物料降溫，待溫度下降至50 ℃立即停止抽風(fēng)。

設(shè)置機(jī)器參數(shù)如下：加熱板溫度115 ℃；生化倉(cāng)溫度115 ℃；攪拌：正轉(zhuǎn)15 min，反轉(zhuǎn)15 min，停30 min(全天工作24 h)；抽風(fēng)：50～55 ℃。

1.3 處理設(shè)置

試驗(yàn)共設(shè)置8個(gè)處理，詳細(xì)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(duì)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(chǔ)上，進(jìn)一步評(píng)價(jià)回料添加量對(duì)餐廚垃圾生物干化的影響。

表2 試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)表Table 2 Design oftest processing

1.4 采樣及分析方法

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

1.4.1 溫度

溫度測(cè)定采用便攜式溫度計(jì)測(cè)定，每天9:00和15:00測(cè)定堆體溫度。

1.4.2 含水率

含水率的測(cè)定采用烘干法，參考《有機(jī)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(cè)其重量，后隔半小時(shí)測(cè)定一次樣品重量，待其恒重，記錄烘干樣重量，計(jì)算物料含水率。

1.4.3 pH/EC

pH/EC的測(cè)定參考《有機(jī)肥料》(NY525—2012)。具體方法:去離子水和鮮樣以液固比10∶1(體積質(zhì)量比)混合，25 ℃、150 r/min往復(fù)振蕩30 min，靜置過(guò)濾取上清液經(jīng)過(guò)pH計(jì)(PHS-3C)和電導(dǎo)率儀(DDS-307A)測(cè)定。

1.4.4 GI

GI測(cè)定采用黃瓜種子發(fā)芽率計(jì)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(zhì)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(guò)濾，收集過(guò)濾后的浸提液，搖勻后供分析用。在9 cm 培養(yǎng)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(yǎng)箱中避光培養(yǎng)48 h，統(tǒng)計(jì)發(fā)芽率和測(cè)量根長(zhǎng)。每個(gè)樣品做3個(gè)重復(fù)，以去離子水或蒸餾水作對(duì)照。計(jì)算種子發(fā)芽指數(shù)。

2 結(jié)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(gè)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(dá)到60 ℃以上；T0-25、T5-20、T10-15、T25-0和T30-0達(dá)到50 ℃以上，T20-5接近50 ℃，達(dá)到48.9 ℃。在為期10 d的生物干化過(guò)程中，除T30-0的溫度有較大的波動(dòng)外，其他處理組的溫度基本維持穩(wěn)定。溫度較高的處理組為T(mén)35-0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(gè)處理組10 d的累計(jì)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(shuō)明添加回料可以促進(jìn)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(dǎo)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(méi)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(jī)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(shí)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(gè)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(shuō)明輔料添加量越大，起始含水率越低。在整個(gè)生物干化過(guò)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(shuō)明回料的添加可以促進(jìn)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(shí)回料含有大量微生物導(dǎo)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(dá)到20%～30%，而T30-0和T35-0的減量達(dá)到45%～50%。說(shuō)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(shí)較短，減量化效果較好。

圖3 含水率隨時(shí)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(xiàn)為前4 d變化較大，之后趨于穩(wěn)定。8個(gè)處理的起始pH均小于4.00，可能是由于餐廚垃圾原料在運(yùn)送至生物干化機(jī)之前，在收集、貯存和運(yùn)輸過(guò)程中經(jīng)歷了厭氧發(fā)酵過(guò)程，導(dǎo)致物料酸化；在整個(gè)生物干化過(guò)程中，8個(gè)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(gè)處理的pH分別上升到3.58和3.66，可能是由于酸性物質(zhì)被微生物分解了，導(dǎo)致pH略有上升；2 d以后，T10-15的pH持續(xù)下降；T15-10的pH在第6 d達(dá)到最大值3.73。其余處理的pH均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。T20-5起始pH較高，但2 d后迅速下降，6 d后基本穩(wěn)定在3.55。8個(gè)處理的pH變化幅度并不大，可能是生物干化速率過(guò)高，含水率下降過(guò)快，堆體環(huán)境已經(jīng)不適合微生物生長(zhǎng)；pH并沒(méi)有上升到7.0及以上。

圖4 pH隨時(shí)間的變化Fig.4 Variation of pH with time

2.4 EC

物料EC隨時(shí)間的變化如圖5所示，與水分變化相反，總體呈上升趨勢(shì)。8個(gè)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(shuō)明回料會(huì)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(jiàn)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(xù)增加的，回料中的某些離子可能會(huì)與餐廚垃圾物料分解的某些物質(zhì)結(jié)合或微生物強(qiáng)化促進(jìn)一些小分子物質(zhì)的揮發(fā)等因素會(huì)導(dǎo)致EC下降。

在生物干化過(guò)程中，T0-25、T5-20、T10-15、T15-10的EC基本呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，可能是微生物未對(duì)餐廚垃圾進(jìn)行分解，隨著含水率的降低，單位質(zhì)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(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，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(zhì)分解成可溶于水的小分子物質(zhì)，導(dǎo)致了EC的升高，這與He等[19]的研究結(jié)果一致；在生物干化后期，可能由于CO2、NH3的排放，導(dǎo)致EC上升。在生物干化第10d，8個(gè)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(gè)處理的EC基本呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，可能是由于物料含水率下降，導(dǎo)致單位質(zhì)量的EC上升。

2.5 GI

GI隨時(shí)間的變化如圖6所示，總體呈下降趨勢(shì)。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(shuō)明回料添加量越大，GI越小。在整個(gè)生物干化過(guò)程中，8個(gè)處理的GI均呈下降趨勢(shì)。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(guān)，也可能與有機(jī)物分解產(chǎn)物的毒性有關(guān)，這與徐剛等[20]的研究結(jié)果一致。

圖6 GI隨時(shí)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(shì)基本保持一致，呈現(xiàn)前期升高后期下降的趨勢(shì)。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(dǎo)致耗電量較小。由此可見(jiàn)，含水率越高，需要的能耗就越高，在生產(chǎn)實(shí)際中，可以用輔料調(diào)節(jié)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(shí)間的變化Fig.7 Variation of day power consumption with time

2.7 單位質(zhì)量水分去除能耗

隨著回料添加量增多，去除單位質(zhì)量水分能耗逐漸增多(表3)。說(shuō)明回料雖然可以替代部分輔料(鋸末)，促進(jìn)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(chǎn)實(shí)踐中，若輔料(鋸末)供應(yīng)量不足，可以考慮采用T10-15處理對(duì)餐廚垃圾進(jìn)行生物干化。

表3 單位水分去除能耗表

2.8 物料品質(zhì)外觀圖

8種處理10 d物料的外觀圖如圖8所示?？梢钥闯?，T0-25～T25-0，隨著回料添加量的增多，物料顆粒逐漸增大，品質(zhì)逐漸降低；T30-0～T35-0，隨著回料添加量進(jìn)一步加大，物料顆粒逐漸變小物料品質(zhì)逐漸改良。T25-0(回料完全代替鋸末)油化情況最為嚴(yán)重，出現(xiàn)較多黑色、質(zhì)地堅(jiān)硬的大顆粒。從物料外觀質(zhì)地上看，T5-20、T10-15為較優(yōu)處理，與對(duì)照接近，相對(duì)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(jié)論

(1)用回料替代鋸末對(duì)餐廚垃圾進(jìn)行生物干化處理是可行的?；亓夏艽龠M(jìn)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(jìn)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(dá)到含水率出料標(biāo)準(zhǔn)，便于運(yùn)輸或者長(zhǎng)時(shí)間貯存。

(3)從單位去除能耗上看，回料會(huì)導(dǎo)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(chǎn)實(shí)踐中，若輔料(鋸末)供應(yīng)量不足，可以考慮采用T10-15(餐廚垃圾75%+回料10%+鋸末15%)對(duì)餐廚垃圾進(jìn)行生物干化。

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

4 展望

生物干化后的產(chǎn)物一般進(jìn)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(xué)者建議有機(jī)廢棄物干化后進(jìn)行土地利用[21]。但是本研究中，8個(gè)處理的pH較低(基本持續(xù)在3.2～4.0)，EC值較高(基本在3.27～6.31 ms/cm)，同時(shí)GI值較低(基本在13.49%～35.93%)，這樣的產(chǎn)品若直接回歸土壤，可能會(huì)毒害植物，可以考慮對(duì)生物干化后的產(chǎn)品進(jìn)行好氧堆肥處理，使其完全腐熟后再作為土壤調(diào)理劑或者有機(jī)肥回歸土壤。

如果將中國(guó)9 000 萬(wàn)t餐廚垃圾進(jìn)行生物干化預(yù)處理，然后進(jìn)行好氧堆肥處理，將生產(chǎn)出約3 200 萬(wàn)t堆肥，可以給土壤提供有機(jī)質(zhì)1 500 萬(wàn)t，提供純氮70 萬(wàn)t、純磷13 萬(wàn)t、純鉀 13萬(wàn)t，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益將十分可觀，對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)具有積極的作用[22]。因此，“生物干化+好氧堆肥”是未來(lái)餐廚垃圾從減量化走向資源化的一個(gè)十分有前景的處理方式。