加熱對餐廚垃圾生物干化能效及氮損失的影響

詹亞斌， 魏雨泉， 林永鋒， 陶興玲， 張澤宇， 張增強(qiáng)， 李 季*

(1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院， 北京 100193； 2. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)有機(jī)循環(huán)研究院(蘇州)， 蘇州 215100； 3. 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院， 咸陽 712100)

中國餐廚垃圾產(chǎn)生量巨大，每年約產(chǎn)生9 000萬t[1]，隨著國家對生活垃圾分類工作的推進(jìn)，餐廚垃圾收集量將持續(xù)上升，如不及時處理，將會影響居民的生產(chǎn)、生活。中外餐廚垃圾的主要處理方式包括焚燒、填埋、好氧堆肥等；焚燒對物料熱值有較高要求；填埋需要大量土地，且會污染地下水；餐廚垃圾產(chǎn)生地距離居民生產(chǎn)、生活場所較近，并不適合就地堆肥處理。且餐廚垃圾易腐爛發(fā)臭，并不適合儲存、運(yùn)輸。因此，必須對餐廚垃圾進(jìn)行預(yù)處理，使其減量化、穩(wěn)定化，便于儲存、運(yùn)輸，從而有利于后續(xù)的資源化處理[2]。

中外學(xué)者一般采用生物干化技術(shù)對高濕有機(jī)廢棄物(污泥、餐廚廢棄物等)進(jìn)行生物干化處理[3-4]，處理周期一般為7～15 d，主要目的是減少有機(jī)廢棄物水分，提高熱值便于后續(xù)的燃燒處理[5]；很少關(guān)注氮素?fù)p失。但由于餐廚垃圾產(chǎn)生周期為1 d，導(dǎo)致傳統(tǒng)的生物干化并不能滿足餐廚垃圾的處理；過長的處理周期，意味著投入大量的機(jī)器，無形中加大了處理成本。因此，必須在傳統(tǒng)的生物干化基礎(chǔ)上，附加新的功能，使有機(jī)廢棄物快速脫水。市場上已經(jīng)存在一種帶有外源加熱功能的生物干化機(jī)，可以在短時間內(nèi)(2～3 d)使有機(jī)廢棄物含水率由65%下降至45%[6-7]。影響有機(jī)廢棄物生物干化效率的因素主要包括C/N比、孔隙度、含水率、微生物、通風(fēng)等[8-11]；在外源加熱生物干化系統(tǒng)中，加熱對有機(jī)廢棄物生物干化效率影響更為顯著。但是，外源輔助加熱生物干化系統(tǒng)存在能耗較高、同時伴隨氮素?fù)p失較大的問題。本課題組在前期的研究中發(fā)現(xiàn)，輔助加熱生物干化機(jī)的能耗主要來源于機(jī)器的加熱溫度與加熱時間[6]；合適的加熱(溫度/時間)應(yīng)該促進(jìn)餐廚垃圾生物干化效率，同時盡可能的減少氮素?fù)p失[7]。

現(xiàn)以外源輔助加熱生物干化機(jī)為研究對象，研究不同加熱溫度(加熱板設(shè)置溫度)/加熱時間對餐廚垃圾生物干化能效及氮素?fù)p失的影響。通過對物料溫度、含水率(moisture content, MC)、酸堿度(pH)、電導(dǎo)率(electrical conductivity, EC)、發(fā)芽指數(shù)(germination index, GI)、總氮(total nitrogen, TN)、銨態(tài)氮、耗電量變化的研究，以期在不影響生物干化效率的基礎(chǔ)上降低能耗以及氮素?fù)p失，以期為餐廚垃圾快速生物干化工藝參數(shù)中加熱溫度/時間的選擇提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用餐廚垃圾來源于蘇州市某中學(xué)食堂，鋸末、回料(上一批餐廚垃圾生物干化產(chǎn)品)由蘇州韓博環(huán)境科技有限公司(以下簡稱“韓博環(huán)科”)生產(chǎn)提供。試驗材料基本性質(zhì)如表1所示。

表1 試驗材料基本性質(zhì)

1.2 實驗機(jī)器及處理設(shè)置

試驗在韓博環(huán)科生產(chǎn)的處理量為500 kg的生物干化機(jī)上進(jìn)行，設(shè)置參數(shù)為①攪拌：正轉(zhuǎn)15 min、反轉(zhuǎn)15 min，停30 min(一天工作24 h)；②溫度控制通風(fēng)：50～55 ℃(當(dāng)機(jī)器內(nèi)部空氣溫度達(dá)到55 ℃，自動通風(fēng)；通風(fēng)降溫到50 ℃，停止通風(fēng))。機(jī)器詳情參考文獻(xiàn)[6-7]。

試驗共設(shè)置8個處理；不加熱的處理記為CK；在加熱(攪拌)時間為30 min的基礎(chǔ)上，設(shè)置5個處理，分別記為JR 55-30、JR 75-30、JR 95-30、JR 105-30、JR 115-30，加熱處理組的加熱溫度(加熱板設(shè)置溫度)分別為55、75、95、105、115 ℃。在加熱溫度為105 ℃的基礎(chǔ)上，另外設(shè)置2個加熱時間處理，20、40 min，分別記為JR 105-20、JR 105-40。每個處理添加375 kg餐廚垃圾、75 kg鋸末、50 kg回料，詳細(xì)信息如表2所示。生物干化周期為8 d，在第0、2、4、6、8天進(jìn)行取樣，每次隨機(jī)選取6個點混合成一份樣品300～500 g，均分為2份，一份4 ℃條件下儲存，用于含水率、pH、EC、GI的測定；另一份自然風(fēng)干，磨碎過100目篩，用于全氮、銨態(tài)氮的測定。

表2 試驗處理設(shè)計表

1.3 采樣及分析方法

每天9:00和15:00測定堆體溫度。在生物干化的第0、2、4、6、8天多點取樣，用于含水率、pH、EC、TN、銨態(tài)氮、GI的測定。含水率測定采用烘干法，參考《有機(jī)肥料》(NY525—2012)。pH/EC測定參考《有機(jī)肥料》(NY525—2012)。TN采用元素分析儀測定[12]。銨態(tài)氮采用流動分析儀測定[13]。GI測定采用黃瓜種子發(fā)芽計算方法[14]。單位水分去除能耗表示單位質(zhì)量(1 kg)含水量去除所需的能耗，計算公式：單位水分去除能耗(kW·h/kg)=累計耗電量/累計去除水分質(zhì)量；水分去除效率=(干化起始含水質(zhì)量-干化結(jié)束含水質(zhì)量)/干化起始含水質(zhì)量。所有數(shù)據(jù)均采用Microsoft Excel 2000、Origin 8.5軟件完成。

2 結(jié)果

2.1 溫度

物料溫度的變化如圖1所示。8個處理的溫度在第1天迅速上升，之后較為平穩(wěn)。CK的物料溫度最低，保持在32～39 ℃(均在40 ℃以下)；說明不加熱(只攪拌)無法使餐廚垃圾物料升溫；可能是由于攪拌不利于微生物的生長，且攪拌加大了物料與空氣接觸比表面積，導(dǎo)致物料溫度散失。在整個生物干化過程中，JR 105-30的溫度始終高于JR 105-40，說明加熱(攪拌)時間過長，不利于堆體溫度的升高；JR 105-20的溫度比CK、JR 55-30高，比其他處理低，說明即使加熱溫度較高(105 ℃)，加熱時間較短(20 min)仍舊無法使物料溫度上升。8個處理的累計溫度從大到小依次為： JR 115-30>JR 105-30>JR 105-40>JR 95-30>JR 75-30>JR 105-20>JR 55-30>CK；高溫有利于物料水分的去除，因此建議餐廚垃圾生物干化加熱溫度設(shè)置在95 ℃以上，加熱時間設(shè)置在30 min以上。本研究的8個處理的溫度在后期一直保持平穩(wěn)，并沒有下降的趨勢，與Zhang等[15]研究結(jié)果(存在升溫期、高溫期、降溫期)不一致；可能是由于機(jī)器一直在加熱導(dǎo)致的，亦或是本機(jī)器獨(dú)有的通風(fēng)方式(根據(jù)溫度通風(fēng))導(dǎo)致物料溫度不易下降。

圖1 溫度隨時間的變化

2.2 含水率

物料含水率的變化如圖2所示。8個處理的含水率均呈現(xiàn)下降的趨勢，由第0天的62.74%～63.99%下降至第8天的56.51%、53.94%、30.61%、28.07%、39.94%、21.28%、11.78%、20.75%，分別下降了7.48%、9.08%、32.40%%、34.66%、23.11%、41.86%、51.56%、42.47%。在生物干化第8天，物料含水率從小到大排序依次為JR 105-40 < JR 115-30 < JR 105-30 < JR 95-30 < JR 75-30 < JR 105-20 < JR 55-30 < CK。加熱溫度在95 ℃以上、加熱時間在30 min以上的4個處理(JR 95-30、JR 105-30、JR 105-40、JR 115-30)的含水率下降速率最快，分別下降至第8天的28.07%、21.28%、11.78%、20.75%。不加熱處理(CK)和加熱溫度較低處理(JR 55-30)的含水率由第0天的63.99%、63.02%下降至第8天的56.51%和53.73%，分別下降了11.68%和14.41%，可能是由于2個處理的料溫度較低(均在50 ℃以下)，無法使通風(fēng)系統(tǒng)啟動，導(dǎo)致物料含水率下降速率較低。袁京等[16]采用傳統(tǒng)生物干化對污泥進(jìn)行為期21天的生物干化，含水率由65%下降至47%；因此采用外源加熱將極大促進(jìn)餐廚垃圾生物干化效率。

圖2 含水率隨時間的變化

2.3 pH

物料pH的變化如圖3所示。8個處理的初始pH在3.48～3.70，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、儲存和運(yùn)輸過程中經(jīng)歷了厭氧發(fā)酵過程，導(dǎo)致物料酸化。在整個生物干化過程中，8個處理的pH變化波動較小，始終保持在3.0～4.0，并沒有上升到7.0及以上，可能是由于外源輔助加熱生物干化過程中，電加熱起主要作用，微生物發(fā)揮的作用很??；亦或是氨化作用減弱、硝化作用增強(qiáng)，同時微生物分解有機(jī)物產(chǎn)酸，導(dǎo)致物料pH始終較低。干化結(jié)束，8個處理的pH分別為3.53、3.55、3.78、3.27、3.26、3.23、3.06、3.33，從大到小排序依次為：JR 75-30>JR 55-30>CK>JR 115-30>JR 95-30>105-20 >JR 105-30>JR 105-40；加熱溫度較低(加熱溫度分別為0、55、75 ℃)的處理有利于餐廚垃圾生物干化pH的上升。

圖3 pH隨時間的變化

2.4 EC

物料EC的變化如圖4所示。8個處理的EC呈現(xiàn)上升的趨勢。8個處理的初始EC較大，在1.45～1.74 mS/cm，這可能是餐廚垃圾鹽分(主要是NaCl)含量較高導(dǎo)致的。生物干化結(jié)束，8個處理的EC分別為2.29、2.69、3.23、2.54、1.70、2.03、1.69、2.04 mS/cm，從大到小排序依次為：JR 75-30>JR 55-30>JR 95-30>CK>JR 115-30>JR 105-30>JR105-20>JR 105-40。結(jié)果表明，加熱溫度較低的處理，會造成EC的上升；可能是相對于加熱溫度較高的處理(JR 105-20、JR 105-30、JR 105-40、JR 115-30)，加熱溫度較低處理(CK、JR 55-30、JR 75-30、JR 95-30)的微生物活性高一些，促進(jìn)了大分子物質(zhì)的降解，增加了物料的可溶性鹽含量，導(dǎo)致物料的EC較高。大多數(shù)研究者并不關(guān)注生物干化物料的EC，因為干化后的物料提高熱值后會運(yùn)往垃圾焚燒廠進(jìn)行焚燒發(fā)電；而本研究期望干化后的物料作為肥料回歸土壤，因此關(guān)注了EC；干化結(jié)束，8個處理的EC均低于4 mS/cm，達(dá)到堆肥腐熟標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 EC隨時間的變化

2.5 TN

物料TN含量的變化如圖5所示。8個處理的TN呈現(xiàn)下降的趨勢。8個處理的TN由第0天的27.50～27.82 g/kg下降至第8天的25.90、25.30、24.41、23.91、24.16、23.23、22.31、21.69 g/kg，分別下降了6.16%、8.00%、11.59%、13.74%、12.62%、15.89%、19.49%、22.03%；TN下降率從高到低排序依次為：JR 115-30 >JR 105-40>JR 105-30>JR 95-30>JR 105-20>JR 75-30>JR 55-30>CK。加熱溫度較高的處理和加熱時間較長的處理TN損失較大，可能是高溫會導(dǎo)致氮素以氨氣的形式損失。張小娟等[17]在城市污泥生物干化研究中，建議通過適當(dāng)降低堆體溫度減少物料氮素?fù)p失。

2.6 銨態(tài)氮

物料銨態(tài)氮含量的變化如圖6所示。8個處理的銨態(tài)氮呈現(xiàn)下降的趨勢。8個處理的銨態(tài)氮由第0天的0.46～0.48 g/kg下降至第8天的0.38、0.36、0.34、0.25、0.21、0.22、0.20、0.18 g/kg，分別下降了19.15%、25.00%、29.17%、45.65%、54.35%、54.17%、57.45%、60.87%；銨態(tài)氮下降率從高到低排序依次為 JR 115-30>JR 105-40>JR 105-20>JR 105-30>JR 95-30>JR 75-30>JR 55-30>CK。加熱溫度較高的處理和加熱時間較長的處理銨態(tài)氮損失較大，基本與TN下降速率的趨勢一致。

圖6 銨態(tài)氮隨時間的變化

2.7 GI

物料GI的變化如圖7所示。8個處理的GI基本呈現(xiàn)下降的趨勢。8個處理第0天的GI保持在60.15%～61.25%；在第8天，8個處理的GI分別為47.41%、39.17%、33.91%、14.36%、27.64%、18.25%、22.91%、14.63%(均<60%)，未達(dá)到無害化標(biāo)準(zhǔn)。在整個生物干化過程中，8個處理的GI從大到小排序依次為CK>JR 55-30>JR 75-30>JR 105-20>JR 115-30>JR 105-40 >JR 105-30>JR 95-30。加熱溫度較低的3個處理的(CK、JR 55-30、JR 75-30)GI較大，說明加熱會抑制堆肥的腐熟，可能是加熱促進(jìn)了有毒物質(zhì)的釋放，或者是加熱抑制了微生物的生長，導(dǎo)致物料沒有被微生物分解利用，最終導(dǎo)致物料的GI較低。本研究與張玉冬等[9]的研究結(jié)果相反。因此，外源加熱生物干化處理餐廚垃圾后的產(chǎn)物，并不適合直接作為肥料回歸土壤。

圖7 溫度隨時間的變化

2.8 累計耗電量

物料累計耗電量的變化如圖8所示。8個處理的累計耗電量呈現(xiàn)上升趨勢。8個處理的累計耗電量分別為49.9、159.0、290.0、380.0、298.0、355.5、444.0、381.0 kW·h，累計耗電量從大到小排序依次為JR 105-40>JR 115-30>JR 95-30>JR 105-30>JR 105-20>JR 75-30>JR 55-30>CK。加熱溫度高(95 ℃以上)、時間長(30 min以上)的處理累計耗電量相對高一些。

圖8 累計耗電量隨時間的變化

2.9 各因素相關(guān)性分析

各因素相關(guān)性分析如表3所示。pH與溫度呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，說明機(jī)器加熱可能會抑制微生物的生長，最終導(dǎo)致物料pH不會上升。EC與MC呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，說明MC的下降會導(dǎo)致單位質(zhì)量物料的EC上升。GI與MC、pH呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(P<0.05)，與EC呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)；說明物料MC下降可能主要是由于物理加熱導(dǎo)致的，并不像傳統(tǒng)的生物干化中隨著MC下降，物料的GI會上升。TN與MC、GI呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(P<0.05)，與EC呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)；說明機(jī)器加熱會導(dǎo)致物料MC、TN、GI的下降，導(dǎo)致EC的上升。銨態(tài)氮與MC呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(P<0.05)，與EC呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，說明隨著物料MC的下降，銨態(tài)氮含量也逐漸下降。累計耗電量與溫度、EC呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(P<0.05)，與MC、GI、TN呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)；說明加熱溫度越高、加熱時間越長，會導(dǎo)致物料溫度、EC升高，會導(dǎo)致MC、GI、TN下降。

表3 生物干化過程中各指標(biāo)相關(guān)性分析

2.10 水分去除能效及氮素?fù)p失

各處理的水分去除能效及氮素?fù)p失如表4所示。8個處理的水分去除效率在26.86%～94.78%；8個處理的水分去除效率從大到小依次為JR 105-40>JR 115-30 >JR 105-30>JR 95-30>JR 75-30>JR 105-20>JR 55-30>CK；說明加熱溫度在105 ℃以上，加熱時間30 min以上，有利于水分的去除。8個處理的單位質(zhì)量水分去除能耗，在0.58～1.61 kW·h/kg，從小到大依次為：CK < JR 75-30 < JR 105-30 < JR 115-30 < JR 105-40 < JR 105-20 < JR 95-30 < JR 55-30；在生產(chǎn)中，若是為了節(jié)約能耗，可以考慮采用JR 75-30處理餐廚垃圾。

表4 水分去除能效及氮素?fù)p失

8個處理的TN損失在6.16%～22.03%，損失率從大到小排序為：JR 115-30>JR 105-40>JR 105-30>JR 95-30>105-20>JR 75-30>JR 55-30>CK；說明加熱溫度在95 ℃以上、加熱時間在30 min以上，會促進(jìn)TN的損失。8個處理的銨態(tài)氮損失在19.15%～60.87%，損失率從大到小排序為：JR 115-30>JR 105-40>JR 105-20>JR 105-30>JR 95-30>JR 75-30>JR 55-30>CK；說明加熱溫度在105 ℃以上、加熱時間在20 min以上，會促進(jìn)銨態(tài)氮的損失。

從單位質(zhì)量水分去除能耗、水分去除效率、TN損失率、銨態(tài)氮損失率綜合考慮，建議采用JR 105-40處理(加熱板溫度設(shè)置為95 ℃、加熱時間為30 min、攪拌時間30 min)對餐廚垃圾進(jìn)行生物干化。

3 討論

外源輔助加熱生物干化機(jī)能耗較高，每去除餐廚垃圾的1 kg水分，須消耗1.278～1.613 kW·h電能。高能耗會加大處理成本，不利于該設(shè)備的推廣應(yīng)用。如何促進(jìn)微生物分解有機(jī)物產(chǎn)熱從而代替一部分電能產(chǎn)熱，從而降低處理能耗、處理成本，值得去研究探討。

生物干化后的物料熱值提高后，一般用作焚燒發(fā)電，但是焚燒的碳排放和碳足跡比土地利用高；因此有學(xué)者建議將生物干化后的物料進(jìn)行土地利用[18]。前期的研究結(jié)果[6-7]表明外源輔助加熱生物干化機(jī)可以使餐廚垃圾快速脫水；但是由于處理時間短、溫度高，導(dǎo)致物料的腐熟程度較低(pH在4.0以下，GI在50%以下)。干化后的物料，若直接作為肥料回歸于土壤，可能會對作物產(chǎn)生毒害作用，且不利于土壤健康。因此，生物干化后的物料回歸土壤之前，必須對其進(jìn)行好氧堆肥處理，使其腐熟后作為肥料回歸土壤。

利用外源輔助加熱生物干化機(jī)對餐廚垃圾進(jìn)行預(yù)處理，然后進(jìn)行好氧堆肥處理，使其作為肥料回歸土壤，必須在預(yù)處理階段盡可能的保留氮素。外源輔助加熱生物干化機(jī)的氮素?fù)p失較大(TN損失率在8.00%～19.49%，銨態(tài)氮損失率在23.40%～57.45%)?；旧霞訜釡囟仍礁?、加熱時間越長，氮素?fù)p失越大。應(yīng)該在水分去除和氮素?fù)p失之間找到平衡點，針對本實驗的外源加熱生物干化機(jī)，建議采用JR 105-40對餐廚垃圾進(jìn)行生物干化。針對外源輔助加熱生物干化機(jī)氮素?fù)p失大的這一問題，是否可以添加物理添加劑[19-20](沸石、生物炭、膨潤土等)、化學(xué)添加劑[21-22](磷酸鈣、氯化鐵、鼠李糖等)以減少物料氮素?fù)p失，均值得去研究探討。

4 結(jié)論

(1)不加熱(CK)和加熱溫度過低(JR 55-30)不利于水分的去除，2個處理結(jié)束時的含水率分別為56.51%和53.94%，水分去除效率分別為26.86%和31.29%(均低于35%)。

(2)加熱溫度較高的處理(JR 95-30～JR 105-40)氮素?fù)p失較大，TN損失率在12.68%～22.03%，銨態(tài)氮損失率在46.81%～60.87%。

(3)JR 105-40的水分去除效率較高(92.27%)，若為了加快水分的去除，建議采用該處理對餐廚垃圾進(jìn)行生物干化。