工艺条件对厨余垃圾生物干化效果的影响

2023-10-14杨宁陈卫华吴健乐亮亮史吉平刘莉

科学技术与工程 2023年28期

杨宁, 陈卫华, 吴健, 乐亮亮, 史吉平, 刘莉*

(1 中国科学院上海高等研究院, 上海 201210; 2. 中国科学院大学, 北京 100049; 3.上海黎明资源再利用有限公司, 上海 201209)

厨余垃圾是指居民生活中产生的易腐烂有机垃圾,包括剩饭剩菜、菜梗菜叶、果皮、骨头等等。根据国家统计局公布的数据,2021年中国城市生活垃圾清运量为2.49亿t[1]。其中厨余垃圾约占城市生活垃圾的70%～80%[2]。厨余垃圾具有含水率高、有机物含量高、含盐量高、C/N低、pH呈酸性等特点[3],这给厨余垃圾的资源化利用造成了极大的困难。这些厨余垃圾如果处理不当,极易造成空气、水体的二次污染。现有的厨余垃圾处理技术包括干化焚烧、卫生填埋、厌氧消化、好氧堆肥等技术[4]。目前,厌氧消化技术被广泛应用于厨余垃圾处理中[5],虽然该技术成熟度高、产品经济效益好,但是存在处理周期长且产生沼液和沼渣二次污染等问题。因此研发资源化利用率更高的厨余垃圾高效处理技术是当务之急。

生物干化是一项新兴的好氧发酵处理技术[6],具有成本低、效率高等优势。Jewell等[7]最先提出生物干化技术,也称为生物干燥或生物稳定技术,用于研究牛粪处理。厨余垃圾生物干化技术利用微生物降解厨余垃圾过程中代谢产生的大量热量促进物料内水分蒸发,再用合适的通风量将蒸发水分带出堆体。该技术以去除物料内水分为目的。生物干化产品可以制备垃圾衍生燃料(refuse derived fuel, RDF),用于燃烧发电[8],或者制备有机肥料,具有较高的经济价值。

生物干化过程有很多重要的工艺参数,包括调理剂类型[9]、调理剂添加比例[10]、通风速率[11]等。厨余垃圾含水率高、透气性差、C/N低,直接进行生物干化效果较差,添加调理剂能够改变其理化性质,达到更好的干化效果。调理剂需要具有吸水性强、支撑能力好、不造成二次污染、理化性质稳定、廉价等特点,一般选用农林废弃物,如玉米秸秆、木屑、稻壳等。Yuan等[12]研究发现,向厨余垃圾中添加玉米秸秆可以缩短生物干化过程进入高温期的时间,高温期持续时间也较长,为厨余垃圾生物干化的工业应用奠定基础。刘甜甜等[9]研究表明,向贮存污泥中添加啤酒糟、稻壳、木屑等有机调理剂可以有效降低物料的含水率和挥发性固体(volatile solid,VS)含量。另外,调理剂的添加量也会对生物干化过程造成影响,添加不同比例的调理剂可以改变厨余垃圾的初始含水率、孔隙率[13]、C/N[14]和空气流通率等性质,从而改变生物干化效果。调理剂添加量越大,物料初始含水率越低。研究表明,生物干化最佳初始含水率为50%～65%[15]。水分会影响微生物的活性以及有机物的生物降解。物料水分过高可能会制造厌氧环境,不利于好氧微生物的繁殖;水分过低则会降低微生物代谢速率。张克峰等[16]在污泥生物干化体系中研究了调理剂种类及配比的影响,发现利用麦秆作调理剂,且物料配比为5∶1(污泥∶麦秆)时生物干化效果最佳。詹亚斌等[17]基于外源辅助加热的生物干化系统研究了不同比例(0～35%)的回料对于生物干化效果的影响,认为可以考虑添加10%回料代替调理剂对餐厨垃圾进行生物干化。此外,通风可以为物料内的微生物提供氧气、去除水分[18]。研究表明,通风速率较低时基质升温较快,空气利用率较高,但微生物活性不高,且携水能力弱,难以有效去除水分;通风速率较高时除水能力增强,但会导致热量大量损失,且空气利用率低,能耗增大[19]。因此研究适合厨余垃圾生物干化的通风条件是十分有必要的。Zhang等[20]报道了在污泥生物干化过程中使用0.4 L/(kgDM·min)通风速率[其中,DM为干物质(dry matter)],可以使水分去除率达到75.1%,干化效果显著。Yuan等[21]研究发现,当通风速率为0.5 L/(kgDM·min)时城市固体废弃物(MSW)的生物干化效果最好,水分去除率为0.5 kg(水)/kg(MSW)。Li等[22]研究表明,在厨余垃圾生物干化过程中以0.8 L/(kg·min)的速度通入55 ℃热空气可以提高水分去除率和VS消耗量,建立了热空气曝气系统并证明了其可行性。综上所述,调理剂类型、调理剂添加比例、通风速率等都是可以影响生物干化效果的重要工艺参数。

目前生物干化技术研究集中于污水污泥的处理[10, 23],证明了该技术的可行性,并对参数进行了优化,但是各工艺条件对厨余垃圾生物干化的过程和效果的影响还未被系统的报道。厨余垃圾与污水污泥在生化组分和物理性质上具有较大差别,探究适合厨余垃圾生物干化的工艺条件十分必要。因此,针对厨余垃圾生物干化过程中添加调理剂的类型、调理剂添加比例、通风速率这3个工艺条件,参考相关文献以及实验室已有的研究基础,选择3种调理剂(玉米秸秆、木屑、稻壳)、4个调理剂添加比例(10%、15%、20%、25%)、4个通风速率[0、0.2、0.4、0.6 L/(kg·min)]进行实验,考察生物干化过程中物料的温度、含水率、VS去除率等指标,确定了适合厨余垃圾生物干化的工艺条件,为厨余垃圾生物干化技术的工业应用提供理论基础和数据支持。

1 材料与方法

1.1 厨余垃圾与调理剂

厨余垃圾来自中国科学院上海高等研究院食堂,主要成分包括果皮、菜梗菜叶、肉类等厨房下脚料,其中骨头、塑料制品等已经被剔除。打碎后去除渗出的水分备用;木屑购于上海创净生物科技有限公司,稻壳和玉米秸秆购于惠丰秸秆农产品公司。厨余垃圾和调理剂的理化性质如表1所示。

表1 厨余垃圾和调理剂的理化性质Table 1 Physical and chemical properties of kitchen waste and bulking agents

1.2 试验装置

实验在自制的生物干化反应装置中进行。该装置主要由保温瓶、探针式温度计、通气管及四通接头、转子流量计、气泵组成。

1.3 方法

1.3.1 实验方法

保温瓶的容积为4 L,实验中每个保温瓶内放入1 kg厨余垃圾,根据实验设置加入不同类型及比例的调理剂混合均匀,辅以相应的通风速率进行生物干化实验。实验一选取玉米秸秆、木屑、稻壳3种调理剂,对照组不添加调理剂,调理剂添加比例为厨余垃圾湿重的20%,通风速率为0.5 L/(kg·min);实验二添加实验一中效果较好的调理剂,选取厨余垃圾湿重的10%、15%、20%、25% 4个添加比例,通风速率为0.5 L/(kg·min);实验三采用实验一及实验二确定的调理剂及添加比例,选取0、0.2、0.4、0.6 L/(kg·min)通风速率进行实验。实验周期为7 d。每个实验组设置3个平行。

1.3.2 分析方法

本次实验采用TP330高精度探针式温度计测量堆体温度,每天分别在9:00和17:00记录两次堆体温度;含水率的测定方法为烘箱干燥法,105 ℃烘干至恒重[9];挥发性固体VS含量采用马弗炉燃烧法,在550 ℃下加热5 h至恒重[13]。厨余垃圾VS降解率Vde按式(1)计算。

(1)

式(1)中:Vin为物料第0天VS含量,kg;Vha为生物干化处理后物料VS含量,kg。

2 结果与分析

2.1 调理剂类型对厨余垃圾生物干化效果的影响

2.1.1 调理剂类型对温度变化的影响

温度是生物干化的重要指标,图1为不同调理剂作用下温度变化情况。4个处理组经过升温期、高温期、降温期、平稳期4个阶段。在厨余垃圾生物干化初期,物料中的微生物进行活跃的生物代谢,分解有机物从而产生大量热量,促进堆体升温。随着生物干化的进行,有机物被消耗,微生物活性降低,导致堆体温度下降,逐渐接近室温,并保持动态稳定。

各处理组最高温出现在2～4 d,其中,对照组和添加木屑处理组温度最高且升温最快,在第2天都达到了最高温63.4 ℃。而添加玉米秸秆及添加稻壳的处理组升温较缓慢。这可能是由于对照组和木屑处理组堆体密度大,孔隙率较小,利于热量的积累,而玉米秸秆和稻壳堆积密度较小,结构松散,不利于保温。对照组在温度达到最高后迅速下降,难以维持高温期,这是因为厨余垃圾含水率高、密度大、透气性差,物料内部氧气不足,导致微生物活性迅速下降,产热减少。以上结果说明未添加调理剂的厨余垃圾不适合进行生物干化,加入调理剂有利于堆体积累更多热量,加入木屑可以获得较好的升温效果。

2.1.2 调理剂类型对物料含水率变化的影响

厨余垃圾的含水率对其后续处理方式和处理效果有重要影响,分析生物干化过程中物料水分的变化可以直接评价生物干化效果。图2为不同调理剂作用下物料含水率的变化情况。随着生物干化的进行,微生物降解淀粉、脂肪、蛋白质、木质纤维素等有机物产生热量,促进物料内水分蒸发,再通过通风带走水分,堆体含水率逐渐下降。经过7 d的生物干化,对照组、玉米秸秆、木屑、稻壳处理组含水率与处理前相比分别降低了13.40%、36.43%、31.97%、27.99%,说明添加调理剂可以显著提高水分去除效果,这与刘甜甜[24]的研究结果一致。这是由于添加调理剂可以改变物料的物理结构,增加孔隙度,有利于水分的散发。其中,玉米秸秆处理组的最终含水率最低,下降到了27.42%;在生物干化初期木屑处理组的含水率下降趋势最明显,这与其升温速度较快有关。添加稻壳的处理组会产生大量渗滤液,稻壳吸水性较差,厨余垃圾渗出的水分未随着通风散发却直接以渗滤液形式渗出,给后续处理带来问题。

图2 不同调理剂作用下含水率变化情况Fig.2 Moisture content change using different bulking agents

2.1.3 调理剂类型对VS降解率变化的影响

厨余垃圾的生物干化处理产物一般用于制备RDF或者有机肥料,以较低的有机物降解率获得较高的水分去除率是理想效果。因此,VS降解率也是需要关注的指标之一,各处理组VS降解率如图3所示。对照组的VS降解率最高,达到了59.27%,而添加调理剂的各组VS降解率均低于对照组。这是由于对照组只含有厨余垃圾,易降解有机物较多,各实验组加入调理剂后,体系内难降解的纤维素、半纤维素、木质素含量增大,导致VS降解率降低。其中添加木屑的处理组VS降解率最低,达到了33.61%,可能是由于木屑相较玉米秸秆、稻壳含有更多的木质素,难以被降解。Doublet等[25]在研究污泥堆肥过程中也发现添加木质素丰富的调理剂会降低VS降解率。添加稻壳的处理组VS降解率较高,为38.37%。这是由于添加稻壳的处理组物料的结构松散,空气流通率高,好氧微生物的活性高,消耗大量有机物。

图3 不同调理剂作用下VS降解率变化情况Fig.3 VS removal rate change using different bulking agents

总体来讲,添加木屑作为调理剂可以使物料快速升温,在生物干化前期水分去除效果较好,有机物消耗少,后续实验采取木屑作为调理剂。

2.2 调理剂添加比例对厨余垃圾生物干化效果的影响

2.2.1 调理剂添加比例对温度变化的影响

图4为不同调理剂添加比例条件下温度的变化情况。添加10%、15%、20%、25%木屑4组的最高温度分别为61.7、63.8、67.8、63.9 ℃,其中添加20%木屑的处理组的最高温度高于其他组。添加10%木屑处理组的温度变化情况明显有别于其他3组,高温期持续时间为3 d,比其他实验组长,可能是由于其物料密度大,透气性差,有利于热量的积累。添加15%、20%、25%木屑的处理组堆体温度在第2天下降,在第3天经过翻堆后重新升温,因为翻堆为物料提供了充足的氧气,促进好氧微生物生长代谢,堆体温度迅速升高。

图4 不同调理剂添加比例作用下温度变化情况Fig.4 Temperature change under different proportions of bulking agent

2.2.2 调理剂添加比例对含水率变化的影响

图5为不同调理剂添加比例作用下物料含水率的变化情况。添加不同比例的调理剂改变了物料的初始含水率,添加10%、15%、20%、25%木屑的初始含水率分别为65.30%、64.06%、61.02%、59.50%,都处于利于生物干化的最佳初始含水率范围内(50%～65%)。在0～5 d,物料内部含有丰富的有机物,微生物生长代谢活跃,产生大量热量促进物料水分蒸发,物料含水率显著下降。在5～7 d,物料内可降解有机物逐渐减少,微生物活性降低导致物料温度低、水分蒸发减弱。经过7 d的生物干化,添加10%木屑、15%木屑、20%木屑、25%木屑的处理组含水率分别降低了26.73%、32.36%、25.84%、22.69%,这表明添加15%木屑的处理组水分去除效果最好。

图5 不同调理剂添加比例作用下含水率变化情况Fig.5 Moisture content change under different proportions of bulking agent

2.2.3 调理剂添加比例对VS降解率变化的影响

VS降解率可以反映生物干化进程中有机物消耗情况,各处理组VS降解率如图6所示。添加10%、15%、20%、25%木屑的处理组的VS降解率分别为51.00%、55.90%、45.29%、47.23%,其中添加15%木屑处理组VS降解率最高,说明该处理组在生物干化过程中消耗有机物最多;添加20%木屑时的VS降解率最低,说明添加20%的木屑可以降低厨余垃圾生物干化过程中有机物的消耗。

图6 不同调理剂添加比例作用下VS降解率变化情况Fig.6 VS removal rate change under different proportions of bulking agent

厨余垃圾生物干化的最直接目的是去除水分,15%木屑处理组的水分去除效果最好,虽然该处理会导致有机物损耗增大,但综合考虑调理剂成本等经济因素,向厨余垃圾中添加15%的木屑能获得较为理想的厨余垃圾生物干化效果。

2.3 通风速率对厨余垃圾生物干化效果的影响

2.3.1 通风速率对温度变化的影响

通风是生物干化过程中的重要条件之一,选取合适的通风条件,既有助于热量的产生和积累,又可以最大限度地带走水分,达到更好的干化效果。生物干化过程不同通风速率作用下堆体的温度变化情况如图7所示。各处理组的温度变化趋势表现出明显的差异。由于通风会导致热量和水分的散失,通风速率为0的处理组微生物代谢产生的热量得以积累,高温期维持时间较长。通风速率为0.2、0.4、0.6 L/(kg·min)的处理组比不通风的处理组升温更快,可见通风速率的增加为物料带来更多的氧气,微生物生长代谢旺盛,释放更多热量,促进堆体升温。但是通风速率越高,物料内部热量的散失越快,堆体高温期持续时间越短。通风速率为0.6 L/(kg·min)的处理组高温期维持时间最短,可能是由于通风速率过高,散热速率远超过产热速率,不利于温度的积累。

图7 不同通风速率作用下温度变化情况Fig.7 Temperature change under different air-flow rates

2.3.2 通风速率对含水率变化的影响

图8为不同通风速率作用下物料含水率的变化情况。在0～1 d,通风速率为0、0.2 L/(kg·min)的处理组含水率出现小幅上升,可能是由于微生物进行活跃的代谢活动产生了水。随后,在高温蒸发和通风携带水分的双重作用下,各处理组含水率不断降低。在5～7 d,随着有机物的消耗,微生物的作用减弱,此时主要靠通风促进物料内部水分散发。生物干化结束时,通风速率为0、0.2、0.4、0.6 L/(kg·min)的处理组较处理前含水率分别降低了9.75%、16.69%、20.75%、15.75%。通风速率为0时,温度得以积累但不利于水分的散失,而通风速率为0.6 L/(kg·min)时,热量不能积累,此时主要起除水作用的是物理通风而非生物产热,消耗电能。这二者除水效果均较差,不适合应用于生物干化过程。通风速率为0.4 L/(kg·min)时含水率降低最多,除水效果最好,这可能是由于该通风速率既能保证供氧,增强微生物活性,产生大量热量,又能促进水分蒸发,是较为合适的通风速率。

图8 不同通风速率作用下物料含水率变化情况Fig.8 Moisture content change under different air-flow rates

2.3.3 通风速率对VS降解率变化的影响

各处理组VS降解率如图9所示。通风速率为0 、0.2、0.4、0.6 L/(kg·min)的处理组VS降解率分别为72.87%、56.51%、45.39%、55.92%。不通风的处理组VS降解率最高,这与堆肥的相关报道类似,堆体温度高则有机物消耗大[25]。通风速率为0、0.2、0.4 L/(kg·min)3个处理组的结果表明:在一定的通风速率范围内,通风速率越低有机物降解量越大。向虹霖等[11]也发现,通风速率越大越不利于微生物代谢和有机物的降解。通风速率为0.4 L/(kg·min)时VS降解率最低,干化产物用于焚烧发电将产生更多能量。通风速率为0.6 L/(kg·min)时VS降解率比通风速率为0.4 L/(kg·min)时高,这可能是由于大通风量保证了堆体供氧充足,微生物生长代谢旺盛,消耗了更多的有机物。

图9 不同通风速率作用下VS降解率变化情况Fig.9 VS removal rate change under different air-flow rates

3 讨论

通过研究不同调理剂类型对生物干化效果的影响发现,生物干化过程中,添加调理剂可以改变厨余垃圾的理化特性,提升生物干化效果,有利于厨余垃圾的处理。木屑作为调理剂添加进厨余垃圾可以有效缩短进入高温期的时间,促进水分去除,7 d生物干化后物料含水率降低了31.97%。玉米秸秆作为调理剂虽然升温不如木屑快,但是除水效果更好,7 d后物料含水率降低了36.43%。实际工业应用可以综合考虑调理剂成本和生物干化效果,因地制宜选取合适的调理剂。

通过研究不同调理剂添加比例对生物干化效果的影响发现,添加木屑较少时有利于物料内温度的积累但不利于水分的散发。添加的木屑越多,物料的孔隙率越高,这一方面促进了微生物的生长繁殖,大量降解有机物,产生更多热量,另一方面有利于水分的散失。但是过高的孔隙率会导致热量损失,又制约了温度的积累和水分的散失。实验表明,添加15%木屑水分去除效果最好,但会导致有机物消耗变大;添加20%木屑有机物消耗最少,但是不利于去除水分。综合考虑生物干化效果和成本问题,建议生物干化工程中使用15%木屑作为调理剂。

通过研究不同通风速率对生物干化效果的影响发现,通风速率越小越有利于温度的积累,不通风时物料迅速进入高温期并且能够长久维持高温,通风速率为0.6 L/(kg·min)时堆体热量散失较快,在第2天就进入降温期。通风速率较大时可以促进水分的散失,但是过高的通风量主要起到物理除水的效果,耗费大量电能,与生物干化的初衷不符。研究发现,通风速率为0.4 L/(kg·min)时,高温期持续时间较长,除水效果最好,VS降解率最低,因此厨余垃圾生物干化通风速率设定为0.4 L/(kg·min)较好。