廚余垃圾厭氧沼渣快速陳腐通風(fēng)和加熱策略探析

來源：《CE碳科技》微信公眾號

作者：中城環(huán)境 康建邨、李波、方祥、陳子璇、范世鎖、鄭葦

作者簡介：康建邨 現(xiàn)任中城院（北京）環(huán)境科技股份有限公司總經(jīng)理，高級工程師，從事固體廢物資源化利用與處理等相關(guān)工作多年。

我國家庭廚余垃圾目前多采用干法厭氧工藝進(jìn)行處理，消化殘余物通過三級脫水產(chǎn)生一級和二級沼渣，一級沼渣含雜率高達(dá)32%，不利于后續(xù)利用；二級沼渣品質(zhì)好，適用于陳腐化后土壤施用資源化利用。但二級沼渣因未完全腐熟，直接施用存在燒苗、雨水淋濾產(chǎn)生污染濾液和惡臭氣體等問題，需要陳腐化腐熱后才能施用土壤。同時僅依靠通氣的傳統(tǒng)陳腐化過程周期長、占地大，現(xiàn)有工程大多用地緊張，亟需研發(fā)快速陳腐化參數(shù)。

目前厭氧沼渣陳腐化通風(fēng)策略研究主要關(guān)于酒糟、豬糞、牛糞、雞糞、餐飲垃圾以及果蔬垃圾等廢棄物種類，通風(fēng)量一般為0.2~0.5L/（min·kg）；加熱策略研究僅有關(guān)于餐飲垃圾厭氧沼渣陳腐化的研究報道，加熱溫度為50~70℃。而廚余垃圾干法厭氧沼渣陳腐化通風(fēng)策略和加熱策略研究尚無相關(guān)報道，且關(guān)于快速陳腐化熱源平衡分析欠缺。

本研究針對我國某一廚余垃圾處理工程產(chǎn)生的二級沼渣，研究快速陳腐化通風(fēng)策略和加熱策略，分析堆溫、含水率、揮發(fā)性有機(jī)質(zhì)、四日呼吸指數(shù)、種子發(fā)芽指數(shù)的變化規(guī)律，核算快速陳腐化工程應(yīng)用熱量平衡，以期為廚余垃圾消化殘余物處理工藝參數(shù)選擇提供參考。

一、材料與方法

1. 物料來源和特征

廚余垃圾干法厭氧沼渣來源于某處理工程消化殘余物離心脫水產(chǎn)生的固渣，外觀類似淤泥，密實、黏連、透氣性差，陳腐化需要添加秸稈等輔料，增加其通氣性。輔料稻秸為田間自取，并用帶刻度鍘刀將其切制3~4cm備用。沼渣和稻秸物料特征見表1。

表1 沼渣和秸稈特征

注：VS表示Volatile Solid，揮發(fā)性固體；含雜率包括橡塑、玻璃、石頭、貝骨、紡織物質(zhì)量占比；a表示W(wǎng)et Weight，濕質(zhì)量；b表示Dry Weight，干質(zhì)量。

2. 試驗裝置和過程

陳腐化實驗采用圖1所示裝置進(jìn)行試驗。

圖1 陳腐試驗裝置

依據(jù)河北省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布的DB13/T2327—2016農(nóng)業(yè)清潔生產(chǎn)蔬菜殘體堆肥技術(shù)規(guī)程，要求物料含水率為55%～70%，C/N為20~35；以及北京市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布的DB11/T840—2011園林綠化廢棄物堆肥技術(shù)規(guī)程，要求初始含水率為50%~65%，C/N為20~40，稻秸摻混量按沼渣質(zhì)量25%添加，將含水率調(diào)節(jié)至65%，此時C/N為20。

對于試驗采用風(fēng)量和翻堆頻次，參考CJJ52—2014生活垃圾堆肥處理技術(shù)規(guī)范，強(qiáng)制通風(fēng)的工藝風(fēng)量宜為0.05~0.20m3/（min·m3），同時參考邱珊等和張海濱等的研究風(fēng)量控制參數(shù)，每小時通氣7~15min，設(shè)置不同通風(fēng)策略，并配有強(qiáng)制通風(fēng)設(shè)施的機(jī)械翻堆次數(shù)不宜低于0.5次/d。

考慮目前廚余垃圾干法厭氧發(fā)酵過程均采用35℃，此過程起不到殺滅有害微生物作用，根據(jù)CJJ52—2014要求，堆層55℃以上持續(xù)時間不應(yīng)少于5d才可實現(xiàn)殺滅有害微生物目標(biāo)，而沼渣含水率高，易腐有機(jī)物被大量降解，生物質(zhì)能少，需要外加熱源對物料進(jìn)行55℃加熱；考慮快速陳腐化效果，盡可能縮短陳腐化時間，對物料進(jìn)行全程55℃加熱。

另外，根據(jù)NY/T525—2021有機(jī)肥料的規(guī)定，產(chǎn)品含水率應(yīng)≤30%，因此設(shè)置全程55℃加熱不補(bǔ)水批次，考察脫水效果。由于沼渣含水率高、易腐有機(jī)物含量低等特性，生物質(zhì)能少，設(shè)置65℃試驗批次也不會導(dǎo)致堆體溫度高于70℃，但可能加快陳腐化進(jìn)度，因此設(shè)置65℃試驗批次與55℃試驗批次進(jìn)行對比。

陳腐化試驗各試驗批次條件見表2。

表2 沼渣快速陳腐化模擬試驗參數(shù)

注：KSC-n表示第n批次快速陳腐化試驗，KSC取快速陳腐化試驗前3字拼音首字母大寫；c表示該批次每次翻垛調(diào)節(jié)含水率不低于50%。

KSC-1、KSC-2、KSC-3、KSC-4試驗?zāi)康臑樘骄績?yōu)化快速陳腐化通風(fēng)策略；KSC-5、KSC-6、KSC-7、KSC-8試驗?zāi)康臑樘骄績?yōu)化快速陳腐化加熱策略。補(bǔ)水的兩個批次（KSC-6和KSC-8）試驗周期為20d，其他批次試驗周期為12d，試驗前8d每兩天取樣測試物料TS（總固體，Total Solid）、VS、AT4（四日好氧呼吸指數(shù)，Respiration Activity after 4 Days）、GI（種子發(fā)芽指數(shù)，Germination Index），8d后每4天取樣測試物料TV、VS、AT4、GI。

3. 測定方法和數(shù)據(jù)處理

TS、VS以及物理組分依據(jù)CJ/T313—2009生活垃圾采樣和分析方法，重量法測定。生物穩(wěn)定性采用AT4表征，并參照德國2001年《Ordinance on Environmentally Compatible Storage of Waste from Human Settlements and on Biological Waste Treatment Facilities》法令規(guī)定測定，用單位干基質(zhì)量消耗氧氣量表示。植物毒性采用GI表征，并依據(jù)CJJ52—2014規(guī)定測定，浸提液按照固液比1∶10（樣品干基質(zhì)量/蒸餾水體積）制取，選用蘿卜種子測定。C/N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軟件平臺完成。

二、結(jié)果與討論

1. 堆體溫度變化

沼渣快速陳腐化試驗過程溫度變化情況如圖2所示，由于物料本身降解也產(chǎn)生熱量，初始堆體溫度會高于設(shè)定加熱溫度，并維持1~2d，然后逐漸降至設(shè)定溫度以下，55℃批次基本穩(wěn)定在52℃，65℃批次基本穩(wěn)定在61℃，這主要是由于試驗系統(tǒng)熱損導(dǎo)致。對于僅加熱5d的試驗批次（KSC-1~4），由于堆體每2天翻拌1次，且第6天翻拌，同時不補(bǔ)充水分，物料含水率皆小于40%，生物降解作用急劇降低，故此后堆體溫度基本與室溫相近。

圖2 沼渣快速陳腐化試驗溫度變化

2. TS和含水率變化

沼渣快速陳腐化試驗過程TS變化情況如圖3所示，對于不額外補(bǔ)充水分的試驗批次，物料含水率迅速降低，風(fēng)量越高，含水率降低越快，KSC-1、KSC-2、KSC-3和KSC-4分別在第3天、第4天、第4天和第5天含水率降至40%以下。由于KSC-1~4僅前5d加熱，后續(xù)停止加熱，因此含水量主要在前5d損失，后續(xù)堆體溫度與室溫相近，繼續(xù)通風(fēng)，含水率減小不明顯。KSC-1最終含固率約為80%，KSC-4最終含固率約為72%。

圖3 沼渣快速陳腐化試驗TS變化

KSC-6和KSC-8由于不斷補(bǔ)充水分，物料含水率始終保持在微生物適宜生長范圍內(nèi)（40%~60%）。KSC-5和KSC-7分別為55℃和65℃條件下全程加熱但不補(bǔ)水，通風(fēng)量保持在0.05m3/（min·m3），每30min通風(fēng)5min，溫度高的KSC-7初始含水率降低速度更快，但含水率＜10%后降低速度下降，到第12天時KSC-5和KSC-7物料含水率相近，均降至5%左右。KSC-5和KSC-7試驗物料TS在達(dá)到90%以前呈直線變化，擬合曲線見圖4。

圖4 沼渣快速陳腐化試驗TS變化擬合曲線

KSC-5（55℃）：含固率=35.460+5.9585×陳腐化時間，R2=0.99948（1）

KSC-7（65℃）：含固率=37.148+6.9835×陳腐化時間，R2=0.99602（2）

根據(jù)公式（1）和公式（2），可以推測55℃條件下含水率每天可降低約6%，65℃條件下含水率每天可降低約7%。一方面可據(jù)此補(bǔ)水，調(diào)節(jié)堆體含水率，另一方面可據(jù)此預(yù)測陳腐化完成后，繼續(xù)加熱干化至預(yù)期含水率所需時間，若從含水率40%干化至NY/T525—2021要求的≤30%，需2d時間。由于實際工程干燥方式和參數(shù)與本試驗迥異，具體干燥所需時間須以具體工程實測為準(zhǔn)，本試驗結(jié)果僅作為工程實踐參考。

3. VS變化

沼渣快速陳腐化試驗VS變化情況如表3所示，不補(bǔ)水試驗批次因含水率快速降低，其生物降解主要發(fā)生在前3~4d，然后生物降解率處于較低水平，整個試驗過程VS僅降低3%左右。但全程補(bǔ)水的兩批次（KSC-6和KSC-8），經(jīng)20d陳腐化，VS均降低10%左右。

表3 沼渣快速陳腐化試驗VS變化

注：VS為干質(zhì)量計算結(jié)果。

4. AT4變化

沼渣快速陳腐化試驗過程AT4變化情況如圖5所示，AT4均逐漸減小。不補(bǔ)水試驗批次經(jīng)12d陳腐化，AT4最終降為30~40mg/g。風(fēng)量越大，由于含水率更快降至生物降解適宜的含水率范圍外，其最終AT4反而更大，即產(chǎn)物更不穩(wěn)定。對于前3dAT4變化情況而言，物料含水率皆大于40%，大風(fēng)量AT4降低速率略快，但沒有顯著變化，可推測0.05m3/（min·m3）風(fēng)量下，每30min通風(fēng)5min可滿足微生物降解對氧的需求?？梢?，低風(fēng)量可以減緩水分蒸發(fā)，在氧氣供應(yīng)充足，即堆體氧含量不低于5%的條件下，應(yīng)盡可能降低通風(fēng)量，減少水分蒸發(fā)速率，滿足微生物降解對含水率和氧含量需求。

KSC-6和KSC-8由于全程補(bǔ)水，經(jīng)20d的陳腐化后，其AT4均達(dá)到5mg/g，基本滿足德國≤5mg/g的標(biāo)準(zhǔn)要求，但陳腐16d時AT4可滿足歐盟≤10mg/g標(biāo)準(zhǔn)要求。高溫65℃工況KSC-8試驗比55℃工況KSC-6試驗在早期略低，但隨著時間推移其陳腐化優(yōu)勢逐漸減小，即陳腐化時間比溫度更重要。因此，建議快速陳腐化外加熱源控制堆體溫度55℃即可。

圖5 沼渣快速陳腐化試驗AT4變化

5. GI變化

沼渣快速陳腐化通風(fēng)策略優(yōu)化試驗過程GI變化情況如圖6所示，GI皆逐漸增大。由于不補(bǔ)水試驗批次，含水率僅3~5d就降低至40%以下，GI最終穩(wěn)定在50%~60%?？梢?，含水率過低，堆體生物活性減小，物料的植物毒性難以持續(xù)性降低，產(chǎn)物的GI不能滿足NY/T525—2021關(guān)于GI≥70%的標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，沼渣快速陳腐化過程應(yīng)補(bǔ)充水分，確保堆體含水率不低于40%。補(bǔ)充水分批次（KSC-6和KSC-8），保持堆體含水率始終大于40%，物料GI持續(xù)提升，直至100%以上，在第8天時GI就已經(jīng)滿足NY/T525—2021的標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖6 沼渣快速陳腐化試驗GI變化

6. 沼渣陳腐化工程熱源分析

沼渣快速陳腐化需要加熱至55℃，因此需要持續(xù)穩(wěn)定的熱源供熱，以我國某工程全場物流和用熱情況為例進(jìn)行分析，該工程處理廚余垃圾400t/d，干式厭氧進(jìn)罐量約200t/d，沼氣產(chǎn)量約20000m3/d，即833m3/h。按60%CH4含量，CH4低位熱值35.88MJ/m3，機(jī)組發(fā)電效率40.4%，根據(jù)公式（3）計算單臺發(fā)電機(jī)發(fā)電量：

單臺發(fā)電機(jī)發(fā)電量=沼氣產(chǎn)量×CH4含量÷機(jī)組數(shù)量×CH4熱值×發(fā)電效率÷產(chǎn)沼時間（3）

計算得到單臺發(fā)電機(jī)組發(fā)電功率為1.01MW，工程選擇了沼氣產(chǎn)量440m3/h的發(fā)電機(jī)組（即1MW發(fā)電機(jī)組）2臺。根據(jù)樣本參數(shù)，單臺1MW發(fā)電機(jī)組缸套水（熱端溫度90~95℃）富余熱量為1224MJ/h，煙氣（0.9MPa下溫度512℃）富余熱量為1944MJ/h，中冷水（熱端溫度55~60℃）富余熱量為936MJ/h。項目產(chǎn)生含水率約80%的離心脫水沼渣46t/d，即1.92t/h。廚余垃圾處理工藝用熱主要為厭氧發(fā)酵加熱和保溫用熱，約需熱量2500MJ/h。因此，項目沼氣發(fā)電富余熱量為5708MJ/h。

同時參考李相儒關(guān)于農(nóng)村易腐垃圾生物干化和腐熟過程的研究，其采用的農(nóng)村易腐垃圾的含水率由75%降低至44%，50~55℃干化15d，不額外加水的過程，生化反應(yīng)提供總熱量的66.8%，外加熱源提供該過程熱量的33.2%，因此估算本研究系統(tǒng)前4d的熱量需求中65%的熱量可通過生化反應(yīng)自供。物料陳腐化升溫和水分去除所需熱量計算如表4所示。

表4 沼渣陳腐化用熱分析計算

注：d表示根據(jù)快速陳腐化試驗，在55℃加熱且每30min按0.05m3/（min·m3）曝氣5min條件下，堆肥16d可實現(xiàn)腐熟要求，前4d不用補(bǔ)水，后12d每天補(bǔ)充使物料含水率從40%增加至46%對應(yīng)的水分，實現(xiàn)物料含水率不低于40%，同時需考慮物料中約10%VS徹底礦化。

沼渣陳腐化過程需外加熱源提供熱量5610MJ/h，而沼氣發(fā)電機(jī)組富余熱量可提供該過程102%的熱量。雖然該計算沒有考慮實際工程中部分熱損，例如通入空氣升溫?zé)釗p等，但在實際工程中也可通過表面覆蓋等工程手段，抑制陳腐化過程水分損失，減少補(bǔ)水量，從而降低熱耗。因此，認(rèn)為沼氣發(fā)電機(jī)組富余熱量基本可滿足沼渣快速陳腐化的熱量需求。

三、結(jié)論

廚余垃圾干法厭氧產(chǎn)生沼渣必須陳腐化才能進(jìn)行資源化利用，施用于土壤?？赏ㄟ^55℃加熱方式加速陳腐化進(jìn)程，但在此過程中應(yīng)持續(xù)補(bǔ)水保持堆體含水率不低于40%，同時在堆體氧濃度不低于5%的條件下降低通風(fēng)風(fēng)量以減少水分散失，可考慮每30min按0.05m3/（min·m3）曝氣5min的通風(fēng)策略?？焖訇惛?6d，AT4即可達(dá)到≤10mg/g的歐盟標(biāo)準(zhǔn)要求。繼續(xù)加熱曝氣2d，產(chǎn)物含水率可滿足≤30%標(biāo)準(zhǔn)要求，該快速陳腐化用熱可完全來源于干法厭氧產(chǎn)生沼氣發(fā)電富余熱量，實現(xiàn)場內(nèi)用熱自平衡。

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       原文標(biāo)題 : 廚余垃圾厭氧沼渣快速陳腐通風(fēng)和加熱策略探析