廚余垃圾干法厭氧沼渣陳腐化工藝方式探析

來源丨《CE碳科技》微信公眾號

作者丨康建邨、方祥、陳子璇、鄭葦、范世鎖

導語

廚余垃圾經(jīng)干法厭氧工程產(chǎn)生一級和二級沼渣，其植物毒性高，生物穩(wěn)定性差，不能直接施用于土壤，需陳腐化提高腐熟度，但目前缺乏廚余垃圾干法厭氧沼渣特性相適宜的陳腐化工藝方式研究。

本研究對比了一級沼渣直接陳腐化、二級沼渣漿液陳腐化、二級沼渣添加稻秸陳腐化、以及二級沼渣添加稻秸加熱陳腐化 4 種工藝方案，研究了 4 種工藝下堆溫、含固率、揮發(fā)性有機質(zhì)、生物穩(wěn)定性、以及植物毒性的變化規(guī)律。

結(jié)果表明，二級沼渣漿液陳腐化效果最差；一級沼渣直接陳腐化和二級沼渣添加稻秸陳腐化可滿足標準關(guān)于生物毒性和植物穩(wěn)定性最低要求，但堆溫較低，產(chǎn)物含水率較高；二級沼渣添加稻秸加熱陳腐化效果最好，與不加熱工藝相比，可縮短45%陳腐化時間。本研究可為我國廚余垃圾干法厭氧沼渣資源化利用提供數(shù)據(jù)支撐。

2017 年 3 月《生活垃圾分類制度實施方案》頒布，拉開了我國廚余垃圾分類收集、運輸、處理的新篇章。2019 年 6 月發(fā)布的《關(guān)于在全國地級及以上城市全面開展生活垃圾分類工作的通知》要求到 2025 年，全國地級及以上城市基本建成生活垃圾分類處理系統(tǒng)，我國廚余垃圾分類進入快速發(fā)展階段。

我國廚余垃圾產(chǎn)生量超 8000 萬t/a（按每人每天 160 g 和全國 14 億人口估算），主要采用干法厭氧進行處理，回收生物質(zhì)能源沼氣，但此類項目因產(chǎn)生大量不可利用沼渣。導致項目資源化整體效果不佳，干物質(zhì)資源化率僅為 30%～40%。對此，2021 年 11 月發(fā)布《“十四五”城鎮(zhèn)生活垃圾分類和處理設(shè)施發(fā)展規(guī)劃》，明確提出廚余垃圾分類類處理后的肥料消納途徑存在障礙，要求著力解決好堆肥工藝中沼渣應(yīng)用的“梗阻”問題。

由于厭氧沼渣植物毒性大，生物穩(wěn)定性差，沼渣要資源化施用于土壤，需要進一步陳腐化處理。雖然目前有針對畜禽糞污、餐飲垃圾、農(nóng)作物秸稈、市政污泥等有機廢棄物厭氧沼渣陳腐化研究，但廚余垃圾干法厭氧沼渣特性與畜禽糞污、餐飲垃圾、農(nóng)作物秸稈、市政污泥厭氧沼渣特性迥異。同時，我國廚余垃圾干法厭氧消化殘余物因其含固率高、含雜率大，工程中通常采用多級脫水工藝，前端脫除含大雜較多的沼渣，后端脫除含細雜較多的沼渣。因此亟需針對不同工段產(chǎn)生的廚余垃圾干法厭氧沼渣特征，研究各自適宜的陳腐化工藝。

本文針對我國某一廚余垃圾處理工程產(chǎn)生沼渣，研究了一級沼渣直接陳腐化工藝、二級沼渣漿液陳腐化工藝、二級沼渣添加稻秸陳腐化工藝、以及二級沼渣添加稻秸加熱陳腐化工藝 4 種方案，分析了 4 種工藝過程堆溫、含固率、揮發(fā)性有機質(zhì)、生物穩(wěn)定性、以及植物毒性的變化規(guī)律，為廚余垃圾沼渣處理工藝選擇提供了參數(shù)參考。

一、材料與方法

1、物料來源和特征

我國廚余垃圾干法厭氧消化殘余物目前大多采用擠壓脫水→振動篩分→離心分離的方法脫水處理，產(chǎn)生含固率較高的沼渣，外運焚燒或填埋處置。由于擠壓脫水和振動篩分產(chǎn)生的沼渣雜質(zhì)含量高，一般合并輸送即為一級沼渣；離心分離產(chǎn)生的沼渣雜含量低、含水率高，單獨輸送，形成二級沼渣。

本文研究采用的一級和二級沼渣來源于某廚余垃圾干法厭氧發(fā)酵處理工程一級和二級沼渣的輸送設(shè)備出口。一級和二級沼渣其外觀如圖 1 所示，可見一級沼渣蓬松易好氧堆肥，但雜質(zhì)含量高，堆肥后仍會含有大量雜質(zhì)；二級沼渣雜質(zhì)含量低，但密實、黏連，好氧堆肥需要添加秸稈等輔料，增加其通氣性。一級和二級沼渣含水率分別為 65.2%±2.6% 和 78.8%±0.2% ww（濕基百分比），含雜率（包括橡塑、玻璃、石頭、貝骨、紡織物等）分別為 32.0%±6.0% 和 0.9%±0.2% dw（干基百分比），C/N 分別為 12.7±0.5 和 8.7±0.6。

圖1 一級和二級沼渣外觀圖

稻秸為田間自取，并用帶刻度側(cè)刀將其切制 3～4 cm，其含水率為 11.8%±0.8% ww，C/N 為 65.6±1.6。

2、實驗裝置和過程

陳腐化實驗采用圖 2 所示裝置進行實驗。

圖2 陳腐實驗裝置圖

一級沼渣透氣性好，含水率適宜，可以直接固相曝氣陳腐化。二級沼渣密實不透氣，因此考慮兩種陳腐化工藝，一種按質(zhì)量比 1∶1 加水后漿液曝氣，另一種考慮添加稻秸增加其透氣性后固相曝氣。

依據(jù)《園林綠化廢棄物堆肥技術(shù)規(guī)程》DB11/T 840－2011要求初始含水率 50%～65%，以及《農(nóng)業(yè)清潔生產(chǎn)蔬菜殘體堆肥技術(shù)規(guī)程》DB13/T 2327－2016 要求物料含水率為 55%～70%，因此二級沼渣固相曝氣時按沼渣重量 25% 比例添加稻秸，將含水率調(diào)節(jié)至 65%，此時 C/N 為 20。同時考慮加快陳腐進程，減少工程占地，設(shè)置全程加熱補水工藝方案。

根據(jù)《生活垃圾堆肥處理技術(shù)規(guī)范》CJJ 52－2014，要求通風量以 0.05～0.20 m3/（min·m3垃圾），因此采用 0.20 m3/（min·m3垃圾）曝氣風量，對于全程加熱補水方案，考慮減少補水頻率，曝氣風量采用 0.05 m3/（min·m3 垃圾）。設(shè)置 4 組實驗參數(shù)詳見表 1。每天記錄室溫和堆體溫度，每四天取樣 100 g 測試 TV、VS、AT4（四日呼吸指數(shù)）、GI（種子發(fā)芽率）。FＲD－1、SＲD－2、SＲD－3 為固相陳腐化，每兩天翻垛一次， SＲD－3 持續(xù)補水保持其含水率不低于 40%。

表1 陳腐試驗參數(shù)表

3、測定方法和數(shù)據(jù)處理

TS、VS 以及物理組分依據(jù)《生活垃圾采樣和分析方法》CJ/T 313－2009 采用重量法測定。生物穩(wěn)定性采用四日好氧呼吸速率指數(shù)（AT4）表征，并參照德國《Ordinance on Environmentally Compatible Storage of Waste from Human Settlements and Biological Waste－Treatment Facilities》KrW/AbfG 2001 法令規(guī)定測定。植物毒性采用種子發(fā)芽率（GI）表征，并依據(jù)《生活垃圾堆肥處理技術(shù)規(guī)范》CJJ 52－2014 規(guī)定測定，浸提液按照固液比 1∶10（樣品干基重/蒸餾水體積）制取，選用蘿卜種子測定。碳氮比測試，將樣品烘干破碎至 400 目以下后，采用元素分析儀測定 C、N 含量，C 含量數(shù)值與 N 含量數(shù)值相比即為 C/N。數(shù)據(jù)分析及繪圖分別利用 Excel 和 OriginPro 軟件完成。

二、結(jié)果與討論

1、室溫與罐內(nèi)溫度

4 種陳腐化試驗溫度變化情況如圖 3 所示，可知一級沼渣直接曝氣陳腐化（FＲD－1）最高溫度僅能達到 35℃，主要是由于其含水率高，約 65%，C/N 低，＜15%，沒有足夠生物質(zhì)能供給其升溫。

二級沼渣加水后漿料陳腐化（SＲD－1），堆體溫度基本與室溫相等，或者高 1～2℃，主要是由于其含水率高達 92.4%，C/N＜10%。二級沼渣添加 25%稻秸陳腐化（SＲD－2），可有效改善其 C/N 至近 20，但由于其含水率仍較高，約 65%，因此最高溫度也僅能達到 53℃，不能滿足殺滅有害微生物 55 ℃ 持續(xù) 5 d 的標準要求。二級沼渣添加 25% 稻秸加熱陳腐化（SＲD－3），前期除外加熱源，同時自身有機物降解產(chǎn)熱，最高溫度可達 58 ℃，后期因系統(tǒng)通風散熱，以及保溫外壁熱損，導致堆體溫度低于夾套水浴溫度 55 ℃，堆體溫度穩(wěn)定在 52 ℃ 左右。

圖3 陳腐化試驗溫度變化趨勢圖

2、TS 和 VS

4 種陳腐化工藝試驗 TS 變化情況如圖 4 所示。一級沼渣直接曝氣陳腐化 20 d，TS 僅能提高到 50% ww，產(chǎn)物不能滿足《綠化用有機基質(zhì)》GB/T 33891－2017 中 TS≤40% 和《有機肥料》NY 525－2021 中 TS≤30% 等標準要求，需要進一步脫水。

二級沼渣加水漿料曝氣陳腐化其含水率基本不變，起不到脫水作用。二級沼渣添加稻秸陳腐化 20 天后，產(chǎn)物含水率約 39%，剛可達到小于 40% 綠化用有機質(zhì)標準要求，實際應(yīng)用過程單靠自然陳腐化，其產(chǎn)物含水率符合標準要求保障性低。二級沼渣添加稻秸加熱陳腐化若不補水，在第 6 天左右就可使含水率低于 40%。

4 種陳腐化工藝試驗 VS 變化情況如表 2 所示。前三種情形下 VS 皆僅降低 3% 左右，變化不顯著。SＲD－3 的 VS 降低約 8.6%，可知在加熱條件下，有機物降解量遠大于另外 3 種工藝。

圖4 陳腐化試驗TS變化趨勢圖

表2 陳腐化試驗VS變化表

3、生物穩(wěn)定性

4 種陳腐化工藝試驗 AT4 變化情況如圖 5 所示。4 種工藝 AT4 皆逐漸減小，F(xiàn)ＲD－1 工藝一級沼渣逐漸降至 17.4 mg O2/g dw，SＲD－1 工藝二級沼渣漿液逐漸降至 42.2 mg O2/g dw，SＲD－2 工藝二級沼渣逐漸降至 19.8 mg O2/g dw，SＲD－3 工藝二級沼渣逐漸降至 5.8 mg O2/g dw。

可見，二級沼渣漿液陳腐化效果最差，20 天陳腐后生物穩(wěn)定性最差。FＲD－1 和 SＲD－2 工藝陳腐化效果較好，20 天后 AT4 分別可達 32.7 和 29.5 mg O2/g OM，可滿足美國關(guān)于 AT4≤35 mg O2/g OM 的標準要求，但滿足不了歐盟 AT4≤10 mg O2/g dw 和德國 AT4≤5 mg O2/g dw 的標準要求。SＲD－3 工藝陳腐化效果最好，20 天后 AT4 分別可達 9.4 mg O2/g OM，即可滿足美國關(guān)于 AT4≤35 mg O2/g OM的標準要求，也可滿足歐盟 AT4≤10 mg O2/g dw 的標準要求。

圖5 陳腐化試驗AT4變化趨勢圖

4、植物毒性

4 種陳腐化工藝試驗 GI 變化情況如圖 6 所示。4 種工藝 GI 皆逐漸增大，F(xiàn)ＲD－1 工藝一級沼渣 GI 逐漸升至 83%，SＲD－1 工藝二級沼渣漿液 GI 僅能達到 13%，SＲD－2 工藝二級沼渣 GI 可達 91%，SＲD－3 工藝二級沼渣 GI 逐漸達到 104%。其中，二級沼渣漿液陳腐化效果最差，植物毒性難以有效消除。FＲD－1、SＲD－2 和 SＲD－3 工藝陳腐化效果均較好，皆可滿足《有機肥料》NY/T 525－2021 關(guān)于 GI≥70% 的標準要求。

圖6 陳腐化試驗GI變化趨勢圖

5、加熱陳腐化時間

將陳腐化過程物料外觀情況與 AT4數(shù)值對應(yīng)，詳見圖 7。

圖7 陳腐化過程物料外觀與 AT4數(shù)值對應(yīng)圖

AT4＞20 mg O2/g dw時，物料外觀與原始物料未呈現(xiàn)出明顯差異；AT4≈15 mg O2/g dw 時，稻草出現(xiàn)肉眼可見的降解，出現(xiàn)分叉和碎屑；AT4≈10 mg O2/g dw 時，稻草雖仍可見，但已大量降解，結(jié)構(gòu)已基本被破壞；AT4≈5 mg O2/g dw 時，稻草基本不可見，但物料結(jié)成塊狀。

對比標準要求，總結(jié)出陳腐化所需時間對照表（詳見表 3），標準數(shù)值按插值法計算獲得，OM 按 60% 計?？梢?，F(xiàn)ＲD－1 和 SＲD－2 兩種工藝需 20 天才能達到的腐熟程度，在 55 ℃ 加熱陳腐條件下約 11 天就可完成，時間縮短 45%，可有效減小陳腐化占地面積。按我國《生物質(zhì)廢物堆肥污染控制技術(shù)規(guī)范（征求意見稿）》要求，建議加熱曝氣快速陳腐化 15 天。

表3 沼渣陳腐化過程AT4達標所需時間表

注aOM，Organic Matierials，有機物料，指剔除石頭、玻璃、陶瓷、金屬等可辨識無機物料后干重；bdw，dry weight，干重，指物料烘干至恒重后總量量。

三、結(jié) 論

目前我國廚余垃圾干法厭氧消化沼渣植物毒性較高，生物穩(wěn)定性較差，需要陳腐化才能施用于土壤。通過本研究獲得以下 4 點結(jié)論

（1）廚余垃圾干法厭氧一級沼渣直接陳腐化和二級沼渣添加 25% 稻秸陳腐化 20 天，AT4 可降至 35 mg O2/g OM 以下，滿足美國標準要求，GI 可升至 80% 以上，滿足我國相關(guān)標準要求。

（2）二級沼渣加水漿液陳腐化 20 天效果差，AT4和 GI 皆不能滿足相關(guān)標準要求。

（3）二級沼渣添加 25% 稻秸加熱陳腐化效果好，與不加熱相比可縮短 45% 的陳腐化時間，從而減小占地面積，若陳腐時間達到 20 天，可滿足 AT4最嚴德國標準，達到 5 mg O2/g dw。

（4）本研究對我國廚余垃圾干法厭氧沼渣資源化利用具有指導意義，可極大提升廚余垃圾處理項目資源化利用率，助力我國垃圾分類政策推行。

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原文標題:廚余垃圾干法厭氧沼渣陳腐化工藝方式探析