分散式堆肥設(shè)備結(jié)合二次堆肥對蔬菜廢棄物的處理效能及能耗分析＊

林向宇，孟寒玉，王曉君，周挺進，沈君煌，陳少華

（1.中國科學院城市環(huán)境研究所中國科學院污染物轉(zhuǎn)化重點實驗室中國科學院城市固體廢棄物資源化工程實驗室，福建 廈門 361021；2.福建龍馬環(huán)境產(chǎn)業(yè)有限公司，福建 廈門 361021；3.福龍馬集團股份有限公司，福建 龍巖 364012）

1 引言

我國是全球蔬菜產(chǎn)量大國，產(chǎn)量多年穩(wěn)居世界第一。2021 年蔬菜產(chǎn)量達到7.5×108t［1］。但蔬菜廢棄物產(chǎn)生量約為蔬菜產(chǎn)量的一半，被遺棄后極易腐爛發(fā)臭，引發(fā)環(huán)境污染與衛(wèi)生安全等問題。在生產(chǎn)端產(chǎn)生的蔬菜廢棄物主要通過厭氧發(fā)酵和好氧堆肥進行資源化利用，而在集貿(mào)市場和超市等銷售端產(chǎn)生的蔬菜廢棄物通常進入城市垃圾收運系統(tǒng)［2］。而蔬菜廢棄物的養(yǎng)分含量豐富，當作垃圾填埋或焚燒是資源的極大浪費。在垃圾分類和低碳經(jīng)濟的大背景下，集貿(mào)市場的蔬菜廢棄物就地堆肥處理是其減量化和資源化的適宜途徑。目前關(guān)于蔬菜廢棄物堆肥研究多集中于不同蔬菜廢棄物成分、微生物菌劑、輔料添加及堆肥條件的研究［3-5］。由于集貿(mào)市場普遍用地緊張，傳統(tǒng)堆肥方式顯然難以實施。通過堆肥設(shè)備快速完成蔬菜廢棄物的一次堆肥，得到減量率高、含水率低且性質(zhì)穩(wěn)定的堆肥產(chǎn)物，再在還田目的地進行二次腐熟，可以很好地克服集貿(mào)市場用地緊張問題，同時避免了蔬菜廢棄物在集貿(mào)市場腐敗污染環(huán)境和直接運輸帶來的成本高昂問題。隨著垃圾分類的開展，已有報道應用分散式堆肥設(shè)備處理廚余、畜禽糞便和混合有機垃圾［6-9］。然而，與廚余或混合有機垃圾相比，蔬菜廢棄物雖然鹽和油脂含量低，但含水率高、纖維素含量高、碳氮比低［10］，利用堆肥設(shè)備對其處理的效果、能耗等技術(shù)經(jīng)濟性能指標有待深入研究。本研究應用自行研制的分散式堆肥設(shè)備，對從集貿(mào)市場收集的實際蔬菜廢棄物開展連續(xù)堆肥試驗，研究堆肥設(shè)備的運行參數(shù)及處理效能，并對二次腐熟后的產(chǎn)品品質(zhì)進行評價，特別是針對蔬菜廢棄物含水率高、設(shè)備運行能耗高的問題，深入分析堆肥設(shè)備的能耗組成，通過理論分析，提出降低能耗的路徑。研究結(jié)果有望為蔬菜廢棄物的資源化處理提供可行的技術(shù)方案。

2 材料與方法

2.1 材料與設(shè)備

自行研制的連續(xù)進料、間歇出料的好氧堆肥系統(tǒng)主要由預處理設(shè)備、堆肥設(shè)備和尾氣處理設(shè)備組成。預處理設(shè)備集成了液壓提升單元、人工分揀與水平輸送單元、破碎單元、螺旋擠壓脫水單元、垂直輸送單元。堆肥設(shè)備由2 個串聯(lián)的臥式圓柱型堆肥倉組成，1#倉位置比2#倉略高，物料從1#倉前端進入，通過攪拌設(shè)備逐漸推移至后端，然后借重力進入2#倉前端，同樣通過攪拌設(shè)備逐漸推移至后端出料。堆肥倉采用SUS304 不銹鋼加工，總?cè)莘e約7 m3，有效容積5.6 m3，內(nèi)置犁刀式攪拌槳，外部包裹加熱毯。尾氣處理設(shè)備包括酸洗塔和堿洗塔，外觀尺寸均為φ1.2 m×2.6 m、空床容積為2.3 m3、填料層有效容積為0.25 m3，設(shè)計氣液接觸時間不少于2 s、氣體停留不少于20 s。酸、堿吸收液儲存池位于吸收塔下方，吸收液由水泵提升后從塔頂噴淋而下，尾氣通過管道風機由塔底部向上輸送。酸塔吸收液pH 控制在3.5 左右，堿塔吸收液pH 控制在10.5 左右。該設(shè)備工藝流程和裝置示意如圖1 所示。

圖1 蔬菜廢棄物分散式堆肥設(shè)備工藝流程和裝置示意Figure 1 Schematic of process flow and device of vegetable waste distributed composting equipment

本試驗蔬菜廢棄物取自福建省龍巖市某集貿(mào)市場，主要有藕、蒜苗、蘑菇、筍殼、芥菜、青椒、苦瓜等。堆肥輔料為購自木材加工廠的鋸末。添加菌種為市面上較為成熟的商用菌劑，其主要成分有霉菌、芽孢桿菌、乳酸菌、酵母菌、光合細菌、放線菌、固氮菌、解磷細菌、解鉀細菌等多種有益微生物，有效活菌數(shù)≥100 億個/g，1 kg菌劑可發(fā)酵5～10 t 物料。

2.2 試驗方法

蔬菜廢棄物經(jīng)稱質(zhì)量后提升到分揀與輸送單元，由人工挑揀出塑料袋、尼龍繩和金屬制品等雜質(zhì)；經(jīng)破碎機破碎成10～15 mm 的顆粒，破碎后的物料直接進行螺旋擠壓脫水，經(jīng)脫水后物料含水率約70%～80%；脫水后的物料由垂直輸送單元送入堆肥倉內(nèi)進行堆肥，擠壓濾出水經(jīng)收集后送至附近分散式生活污水處理設(shè)施作為液體碳源進行處理。

試驗共進行54 d。農(nóng)貿(mào)市場的蔬菜廢棄物每天來料量為300～1 100 kg，連續(xù)進料（其中有6 d因預處理系統(tǒng)故障維修沒有進料），第15 天起每天出料80～400 kg。試驗過程中設(shè)定1#堆肥倉的溫控啟、停溫度為55°C 和65°C，2#堆肥倉的溫控啟、停溫度為45°C 和55°C。在調(diào)試運行前期，2 個堆肥倉的攪拌（額定轉(zhuǎn)速1～2 r/min）方式均為每間隔8 min 運行2 min、正反轉(zhuǎn)交替進行，穩(wěn)定運行40 d 后調(diào)整為每間隔14 min 運行1 min。風機工作時間為每間隔130 s 工作50 s，理論上50 s 的時間可將頂空部分空氣全部抽出，完成1 次換氣。

本次試驗在調(diào)試初期加入1.8 kg 菌劑進行接種，在第13 天添加250 kg 輔料，穩(wěn)定運行后不再額外添加菌劑和輔料。

2.3 分析方法

試驗過程采用安裝在堆肥倉內(nèi)部的紅外測溫計和PT100 鉑熱電阻溫度傳感器測量溫度；采用烘干減重法測定含水率［11］；采用元素分析儀（VarioMacro CHNS，德國）測定固體碳氮元素含量［11］；采用馬弗爐燃燒法（600 °C、4 h）測量揮發(fā)分含量，以此表征有機質(zhì)含量［11］；物料pH 則采用萃取法測定［12］；采用ICP-MS（7500，安捷倫）測定重金屬元素［11］；根據(jù)GB 7959—2012 糞便無害化衛(wèi)生要求中的標準方法測定糞大腸菌群數(shù)和蛔蟲卵死亡率［12］；根據(jù)CJJ 52—2014 生活垃圾堆肥處理技術(shù)規(guī)范中的方法測定堆肥產(chǎn)物種子發(fā)芽指數(shù)［13］。

3 結(jié)果與討論

3.1 堆肥過程參數(shù)分析

3.1.1 堆肥減量率

在持續(xù)54 d 的試驗過程中，堆肥設(shè)備每天進料300～1 100 kg，日均進料量511 kg，物料在堆肥倉內(nèi)實際停留時間＞7 d，第15 天起每天出料80～400 kg（圖2）。試驗期間累計進料量為27 614 kg，累計出料量為6 200 kg，倉內(nèi)剩余物料為1 500 kg，總體減量率為72.1%。

圖2 好氧堆肥試驗期間進出料情況Figure 2 The feeding and discharging performance during aerobic compost test

3.1.2 物料含水率變化

試驗發(fā)現(xiàn)，單組分蔬菜經(jīng)破碎和擠壓脫水后，含水率由初始的74.3%～93.3% 降低到52.7%～76.4%（表1），而混合蔬菜廢棄物經(jīng)破碎擠壓后進入堆肥倉時的含水率為68%～78%。好氧堆肥的適宜含水率范圍為50%～60%［14］，因此需調(diào)節(jié)進料含水率至合適范圍。投加輔料可調(diào)節(jié)堆體孔隙率和含水率，對改善堆體內(nèi)部環(huán)境和促進生物降解具有顯著作用［15］。為節(jié)約堆肥運行成本，本研究僅在運行第13 天添加250 kg 輔料，之后不再額外添加輔料。本試驗通過加強倉體通風換氣、強化攪拌復氧、提高加熱保溫效果［16］等方法優(yōu)化堆肥方式，達到高效低耗調(diào)節(jié)堆體含水率的目的。試驗結(jié)果顯示，堆肥倉內(nèi)物料沿程的平均含水率從倉前部的69.5% 依次降低至66.8%、64.4%、59.1%和56.6%（圖3），達到了試驗目的。

表1 蔬菜破碎擠壓脫水前后含水率變化Table 1 Moisture variations of vegetables before and after squeezing

圖3 堆肥倉內(nèi)不同部位堆體的含水率Figure 3 Moisture content of different part of the composting pile

3.1.3 堆肥過程物料溫度的變化

堆體溫度是堆肥過程的重要運行參數(shù)，溫度過低表示堆肥微生物活性較低，堆肥效果不佳，溫度過高也會抑制微生物活性。在試驗穩(wěn)定運行的第47～54 天，每天對1#倉的前、中、后部和2#倉的前、后部堆體進行測溫。采用探針型溫度計插入每個測溫點表層下10～15 cm，測量3 次取平均值，結(jié)果如圖4 所示。盡管1#和2#倉的溫控啟、停溫度分別設(shè)置為55、65 °C 和45、55 °C，但因為溫控點測定的是堆肥倉內(nèi)上部空氣溫度，所以與堆體內(nèi)部溫度并不直接關(guān)聯(lián)。堆體內(nèi)部溫度與物料自身發(fā)酵程度有關(guān)，主要來自有機質(zhì)降解和生物能量的積累［17］。1#倉前、中和后部堆體的平均溫度分別為40.3、44.7、45.7°C，2#倉前部和后部堆體的平均溫度分別為52.3 °C 和52.0 °C，呈現(xiàn)先升高后緩慢降低的趨勢。1#倉前部物料含水率高，堆肥反應速度較慢，而且臨近進料口，與預處理系統(tǒng)之間的進料通道沒有做物理隔離，熱量容易耗散。而隨著物料推進，含水率逐步降低，堆肥反應速率加快，自身產(chǎn)生熱量增多，堆體溫度逐漸升高［7,14］。但隨著易降解有機物消耗，堆肥反應速率減緩，產(chǎn)生熱量變少，溫度緩慢降低。2#倉堆體溫度保持在50°C 以上，滿足了堆體維持2 d 不小于50°C 的衛(wèi)生要求［12］。

圖4 堆肥倉內(nèi)不同部位的堆體溫度Figure 4 Temperature of the different part of the composting pile

3.1.4 堆肥倉溫控范圍對倉內(nèi)水汽排出量的影響

在攪拌與風機共同作用下將堆肥倉內(nèi)的水汽及時排出有利于降低堆體含水率和提高堆體發(fā)酵效果。除臭單元酸堿塔的冷凝水收集量在一定程度上可以反映出水汽的排出量。在設(shè)備穩(wěn)定運行期間，分別考察了3 組不同溫控范圍對水汽排出的效果，即a（第34～37 天，1#倉45～55 ℃、2#倉40～50 ℃）、b（第38～46 天，1#倉50～60 ℃、2#倉40～50 ℃）和c（第47～54 天，1#倉55～65 ℃、2#倉45～55 ℃）。a 工況運行期間平均進料量為547.5 kg，收集到的冷凝水體積為54.0～75.0 L，平均為60.5 L；b 工況運行期間平均進料量為573.8 kg，收集到的冷凝水體積為47.2～84.7 L，平均為63.3 L；c 工況運行期間平均進料量為659.1 kg，收集到的冷凝水體積為61.7～113.7 L，平均為91.6 L。b 工況與a 工況相比，僅1#倉加熱毯啟停溫度高5 ℃，b 工況收集到冷凝水體積略高。然而，c 工況與b 工況相比，兩個堆肥倉的啟停溫度均提升5 ℃，所收集到的冷凝水體積平均值由63.3 L 升至91.6 L，提高了44.7%。統(tǒng)計分析結(jié)果表明，冷凝水產(chǎn)量與進料量無顯著相關(guān)關(guān)系，而與發(fā)酵溫度之間的皮爾遜相關(guān)性系數(shù)為0.842，二者顯著相關(guān)（p＜0.01），表明堆肥倉溫度是影響水汽排出的重要因素之一。因此，后續(xù)運行中設(shè)置1#倉和2#倉加熱毯的啟、停溫度分別為55、65 ℃和45、55 ℃。

3.1.5 尾氣處理

與其他有機垃圾一樣，蔬菜廢棄物在堆肥過程中會產(chǎn)生氨、小分子有機酸等臭氣。因此，本研究所研制的分散式好氧發(fā)酵設(shè)備配套了酸堿洗滌尾氣凈化單元，通過管道風機將堆肥倉頂空部分的空氣抽出，依次經(jīng)過酸洗滌塔和堿洗滌塔。由圖5 可知，在試驗過程中，酸塔吸收液pH 不斷緩慢降低至2.9 左右，無需每日調(diào)節(jié)pH；而堿塔吸收液pH 在運行24 h 后降至9.8 左右，需要每日重新用堿調(diào)節(jié)至10.5 以上。這表明蔬菜廢棄物在堆肥過程中產(chǎn)生了較多的揮發(fā)性有機酸。由表2可知各類蔬菜廢棄物的有機質(zhì)含量較高，平均可達79.7%，碳元素含量則占22.6%～45.0%、平均達34.2%，而氮元素含量僅占1.3%～4.4%、平均為2.6%。因此，蔬菜廢棄物在堆肥過程中產(chǎn)生的揮發(fā)性有機酸的量可能比氨氣的量更多，為確保尾氣除臭效果，應該更加關(guān)注揮發(fā)性有機酸的處理［18］。

圖5 尾氣除臭系統(tǒng)酸堿吸收液的pH 變化Figure 5 pH variations in acid and absorption solution of tail gas deodorization system

表2 各類蔬菜廢棄物的有機質(zhì)和碳、氮含量Table 2 Organic matter,carbon and nitrogen contents of different vegetable wastes

3.2 堆肥過程能耗分析

3.2.1 各子系統(tǒng)運行能耗

試驗期間堆肥系統(tǒng)平均日處理蔬菜廢棄物511 kg。雖然在第14、16、20 和32 天因預處理設(shè)備故障沒有進料，但設(shè)備總能耗仍維持在220 kWh左右（圖6）。進料量與設(shè)備能耗無顯著相關(guān)關(guān)系（p＞0.05），有必要深入分析各子系統(tǒng)的能耗占比，以便有針對性地優(yōu)化運行方式，降低能耗。

圖6 進料量與處理能耗Figure 6 Waste feeding amounts and disposal energy consumption

試驗所用的蔬菜廢棄物堆肥系統(tǒng)各單元的額定功率分別為：預處理系統(tǒng)（包含提升、破碎、螺旋擠壓和輸送設(shè)備）15 kW、通風除臭系統(tǒng)（包含風機和酸堿洗滌塔回流泵）1.5 kW、1#倉加熱毯12 kW、2#倉加熱毯12 kW、1#倉攪拌電機13 kW（含2 臺輔助電機）、2#倉攪拌電機9 kW（含2 臺輔助電機）。在試驗期間預處理系統(tǒng)的每日工作時間約1 h，耗電15 kWh；設(shè)備穩(wěn)定運行后堆肥倉物料的攪拌頻率為正轉(zhuǎn)1 min、停止14 min、反轉(zhuǎn)1 min、停止14 min，2 個堆肥倉每天工作1.6 h，能耗35 kWh；換氣與除臭系統(tǒng)的風機工作頻率為工作50 s、停止130 s，每天工作6.7 h，能耗10 kWh；由此可估算出試驗期間2 個堆肥倉加熱毯每天的平均能耗約為160 kWh，與實際統(tǒng)計加熱毯工作時間計算所得的170 kWh 的能耗大體吻合。預處理、攪拌和除臭子系統(tǒng)的能耗分別為6.8%、15.9%和4.6%（圖7）。保溫加熱是最為耗能的環(huán)節(jié)，占總能耗的72.7%，可見盡可能縮短加熱毯工作時長，對于節(jié)約系統(tǒng)的運行能耗具有重要的意義。

圖7 各子系統(tǒng)能耗占總能耗的比例Figure 7 Proportion of energy consumption of each subsystem in total energy consumption

3.2.2 有機物好氧堆肥過程的熱量平衡分析

過高的處理能耗將會嚴重阻礙堆肥設(shè)備的推廣應用。為進一步研究堆肥過程產(chǎn)熱與熱損失的情況，對堆肥過程所產(chǎn)生的能量Qprod與損失的能量Qloss進行分析，具體計算公式如下：

式中：m為物質(zhì)質(zhì)量，kg；H為葡萄糖燃燒熱，15 633.2 kJ/kg；C為比熱容，C水=4.2 kJ/（kg·℃），C固=1.254 9 kJ/（kg·℃），C空=1.017 kJ/kg·℃；Δt為溫度差，℃；λ為汽化潛熱，2 358.1 kJ/kg；Q1、Q2、Q3分別為堆體水分、固相和腔內(nèi)空氣升溫所需能耗，kWh；Q4為水汽化所需能耗，kWh。

本次試驗條件下，每天平均進料量為511 kg，擠壓脫水后進倉物料平均為206 kg （含水率75%），出料量142.6 kg（含水率55%）。以90%（干基）作為果蔬垃圾的初始有機質(zhì)含量，并測得有機物的平均削減率為22%，以此計算出每日降解有機物量為12.6 kg。該有機物部分分解為H2O和CO2，部分轉(zhuǎn)化為小分子有機酸隨通風換氣排出堆肥倉。假設(shè)有50% 有機物完全礦化釋放熱量，根據(jù)公式（1） 計算堆體自身產(chǎn)能Qprod為27.4 kWh。

根據(jù)公式（2）計算每次加料中水相（Q1）和固相（Q2）從環(huán)境溫度（10 °C）上升到倉內(nèi)溫度（60°C）所需的能耗分別約為9.0 kWh 和0.9 kWh，因此外加物料整體升溫所需能耗為9.9 kWh。此外由設(shè)備運行可知，每日風機工作時間為6.7 h，風量2.88 m3/min，由此可知每日交換的空氣體積為1 157.76 m3。同樣根據(jù)公式（2），這部分空氣從10 °C 升溫至60 °C 所需能耗（Q3）為19.7 kWh?，F(xiàn)行工況和運行結(jié)果條件下，設(shè)備理論上每日排出堆肥倉水汽為106.1 kg。根據(jù)公式（3），這部分水在倉內(nèi)由60 °C 液態(tài)水汽化為水蒸氣所需能耗（Q4）為69.5 kWh。由公式（4）可知，堆體升溫和水分汽化所需能耗（Qloss）為99.1 kWh。

堆體自身產(chǎn)能27.4 kWh，堆體升溫和水分汽化所需能耗99.1 kWh，理論上僅需補充71.7 kWh能耗。然而，加熱毯每日工作耗能高達160 kWh。這表明，每日約有88.3 kWh 能耗用于堆肥倉自身熱量耗散與補充，這也意味著設(shè)備每日220 kWh的平均運行能耗中有約88.3 kWh，即40% 的降耗空間。這可以體現(xiàn)在做好堆肥倉的保溫工作，避免加熱毯頻繁啟停帶來的能耗；做好通風排氣工作，將水蒸氣及時排出倉外，避免其在倉內(nèi)不利條件下形成冷凝-汽化-冷凝的惡性循環(huán)，帶來額外的能量損失。此外，若能將高溫飽和蒸汽中的熱能加以回收再利用，對降低處理能耗具有重要意義［19］，這是將來設(shè)備優(yōu)化的重要改進方向。

3.3 二次堆肥與堆肥產(chǎn)物評價

3.3.1 二次堆肥運行情況

蔬菜廢棄物經(jīng)過一次堆肥后，易降解有機物和含水率大幅下降。將一次堆肥出料進行二次堆肥，物料進一步腐熟（圖8）。二次堆肥堆體溫度在第5 天上升至56 °C，但隨之緩慢下降，第10天降至45 °C 以下。含水率從初始的55% 減少到40% 左右，最后的含水率與周圍環(huán)境空氣濕度相關(guān)。由于在一次堆肥過程中大部分易降解有機物已經(jīng)穩(wěn)定化，因此在二次堆肥時50°C 以上的高溫持續(xù)時間較短。在一次堆肥階段，細菌和真菌分解有機物時，釋放出的乙酸、丙酮酸等有機酸的積累會導致pH 下降。堆體pH 偏酸，具有酸化水解作用的微生物仍有較強的活性，并不會抑制進一步發(fā)酵。由于一次堆肥產(chǎn)品中殘存的小分子有機酸在二次堆肥過程進一步降解生成CO2，以及含氮有機物進一步降解生成氨類物質(zhì)［14］，堆體的pH則從初始的4.3 持續(xù)升高，最后穩(wěn)定在8.9 左右。

圖8 二次堆肥的含水率、溫度和pH 變化情況Figure 8 Variations of moisture content,temperature and pH of secondary compost

3.3.2 二次堆肥產(chǎn)品的品質(zhì)

蔬菜廢棄物經(jīng)二次堆肥后產(chǎn)品的品質(zhì)基本滿足NY 525—2021 有機肥料的要求，見表3。蔬菜廢棄物經(jīng)過一次堆肥后，產(chǎn)物pH 偏低，含水率較高。二次堆肥能進一步升高物料pH，降低含水率。如果輔助人工翻堆、鋪攤、晾曬或進一步延長二次堆肥時間，則能使物料含水率降低至30%以下［20］。此外，本研究的一次堆肥產(chǎn)物的種子發(fā)芽指數(shù)為60%，經(jīng)過二次堆肥腐熟后，產(chǎn)物的種子發(fā)芽指數(shù)提高至80%，而且檢測不出糞大腸菌群，蛔蟲卵死亡率也達到100%。盡管二次堆肥的產(chǎn)品因總質(zhì)量的進一步減少而導致干基重金屬含量總體上略有升高（總鉻除外），但仍滿足NY 525—2021 的標準要求。以上結(jié)果說明蔬菜廢棄物的二次堆肥產(chǎn)品完全滿足衛(wèi)生要求，且進一步提升了產(chǎn)品品質(zhì)。

表3 堆肥產(chǎn)品的品質(zhì)Table 3 Quality of compost products

4 結(jié)論

1）對農(nóng)貿(mào)市場的蔬菜廢棄物進行分散式好氧堆肥處理，在堆肥時間大于7 d 時，減量率可達到70%以上。

2）對設(shè)備化堆肥產(chǎn)物進行二次堆肥可進一步降低堆肥產(chǎn)品的含水率，提高pH、總養(yǎng)分含量和種子發(fā)芽指數(shù)，產(chǎn)品滿足NY 525—2021 的要求。

3）堆肥倉的保溫加熱是堆肥設(shè)備最大的耗能環(huán)節(jié)，主要用于堆肥倉自身熱量耗散補充以及倉內(nèi)水分汽化。若能進一步強化堆肥倉保溫效果、提高堆肥倉內(nèi)水蒸氣排出效率，并將其所帶走的熱能加以回收利用，將會大幅降低處理能耗，這是下一步的研究重點。