厨余垃圾干法厌氧沼渣陈腐化工艺方式探析

2024-09-29 20:19

CE碳科技

关注

来源丨《CE碳科技》微信公众号

作者丨康建邨、方祥、陈子璇、郑苇、范世锁

导语：

厨余垃圾经干法厌氧工程产生一级和二级沼渣，其植物毒性高，生物稳定性差，不能直接施用于土壤，需陈腐化提高腐熟度，但目前缺乏厨余垃圾干法厌氧沼渣特性相适宜的陈腐化工艺方式研究。

本研究对比了一级沼渣直接陈腐化、二级沼渣浆液陈腐化、二级沼渣添加稻秸陈腐化、以及二级沼渣添加稻秸加热陈腐化 4 种工艺方案，研究了 4 种工艺下堆温、含固率、挥发性有机质、生物稳定性、以及植物毒性的变化规律。

结果表明，二级沼渣浆液陈腐化效果最差；一级沼渣直接陈腐化和二级沼渣添加稻秸陈腐化可满足标准关于生物毒性和植物稳定性最低要求，但堆温较低，产物含水率较高；二级沼渣添加稻秸加热陈腐化效果最好，与不加热工艺相比，可缩短45%陈腐化时间。本研究可为我国厨余垃圾干法厌氧沼渣资源化利用提供数据支撑。

2017 年 3 月《生活垃圾分类制度实施方案》颁布，拉开了我国厨余垃圾分类收集、运输、处理的新篇章。2019 年 6 月发布的《关于在全国地级及以上城市全面开展生活垃圾分类工作的通知》要求到 2025 年，全国地级及以上城市基本建成生活垃圾分类处理系统，我国厨余垃圾分类进入快速发展阶段。

我国厨余垃圾产生量超 8000 万t/a（按每人每天 160 g 和全国 14 亿人口估算），主要采用干法厌氧进行处理，回收生物质能源沼气，但此类项目因产生大量不可利用沼渣。导致项目资源化整体效果不佳，干物质资源化率仅为 30%～40%。对此，2021 年 11 月发布《“十四五”城镇生活垃圾分类和处理设施发展规划》，明确提出厨余垃圾分类类处理后的肥料消纳途径存在障碍，要求着力解决好堆肥工艺中沼渣应用的“梗阻”问题。

由于厌氧沼渣植物毒性大，生物稳定性差，沼渣要资源化施用于土壤，需要进一步陈腐化处理。虽然目前有针对畜禽粪污、餐饮垃圾、农作物秸秆、市政污泥等有机废弃物厌氧沼渣陈腐化研究，但厨余垃圾干法厌氧沼渣特性与畜禽粪污、餐饮垃圾、农作物秸秆、市政污泥厌氧沼渣特性迥异。同时，我国厨余垃圾干法厌氧消化残余物因其含固率高、含杂率大，工程中通常采用多级脱水工艺，前端脱除含大杂较多的沼渣，后端脱除含细杂较多的沼渣。因此亟需针对不同工段产生的厨余垃圾干法厌氧沼渣特征，研究各自适宜的陈腐化工艺。

本文针对我国某一厨余垃圾处理工程产生沼渣，研究了一级沼渣直接陈腐化工艺、二级沼渣浆液陈腐化工艺、二级沼渣添加稻秸陈腐化工艺、以及二级沼渣添加稻秸加热陈腐化工艺 4 种方案，分析了 4 种工艺过程堆温、含固率、挥发性有机质、生物稳定性、以及植物毒性的变化规律，为厨余垃圾沼渣处理工艺选择提供了参数参考。

一、材料与方法

1、物料来源和特征

我国厨余垃圾干法厌氧消化残余物目前大多采用挤压脱水→振动筛分→离心分离的方法脱水处理，产生含固率较高的沼渣，外运焚烧或填埋处置。由于挤压脱水和振动筛分产生的沼渣杂质含量高，一般合并输送即为一级沼渣；离心分离产生的沼渣杂含量低、含水率高，单独输送，形成二级沼渣。

本文研究采用的一级和二级沼渣来源于某厨余垃圾干法厌氧发酵处理工程一级和二级沼渣的输送设备出口。一级和二级沼渣其外观如图 1 所示，可见一级沼渣蓬松易好氧堆肥，但杂质含量高，堆肥后仍会含有大量杂质；二级沼渣杂质含量低，但密实、黏连，好氧堆肥需要添加秸秆等辅料，增加其通气性。一级和二级沼渣含水率分别为 65.2%±2.6% 和 78.8%±0.2% ww（湿基百分比），含杂率（包括橡塑、玻璃、石头、贝骨、纺织物等）分别为 32.0%±6.0% 和 0.9%±0.2% dw（干基百分比），C/N 分别为 12.7±0.5 和 8.7±0.6。

图1 一级和二级沼渣外观图

稻秸为田间自取，并用带刻度侧刀将其切制 3～4 cm，其含水率为 11.8%±0.8% ww，C/N 为 65.6±1.6。

2、实验装置和过程

陈腐化实验采用图 2 所示装置进行实验。

图2 陈腐实验装置图

一级沼渣透气性好，含水率适宜，可以直接固相曝气陈腐化。二级沼渣密实不透气，因此考虑两种陈腐化工艺，一种按质量比 1∶1 加水后浆液曝气，另一种考虑添加稻秸增加其透气性后固相曝气。

依据《园林绿化废弃物堆肥技术规程》DB11/T 840－2011要求初始含水率 50%～65%，以及《农业清洁生产蔬菜残体堆肥技术规程》DB13/T 2327－2016 要求物料含水率为 55%～70%，因此二级沼渣固相曝气时按沼渣重量 25% 比例添加稻秸，将含水率调节至 65%，此时 C/N 为 20。同时考虑加快陈腐进程，减少工程占地，设置全程加热补水工艺方案。

根据《生活垃圾堆肥处理技术规范》CJJ 52－2014，要求通风量以 0.05～0.20 m³/（min·m³ 垃圾），因此采用 0.20 m³/（min·m³ 垃圾）曝气风量，对于全程加热补水方案，考虑减少补水频率，曝气风量采用 0.05 m³/（min·m³ 垃圾）。设置 4 组实验参数详见表 1。每天记录室温和堆体温度，每四天取样 100 g 测试 TV、VS、AT₄（四日呼吸指数）、GI（种子发芽率）。FＲD－1、SＲD－2、SＲD－3 为固相陈腐化，每两天翻垛一次， SＲD－3 持续补水保持其含水率不低于 40%。

表1 陈腐试验参数表

3、测定方法和数据处理

TS、VS 以及物理组分依据《生活垃圾采样和分析方法》CJ/T 313－2009 采用重量法测定。生物稳定性采用四日好氧呼吸速率指数（AT₄）表征，并参照德国《Ordinance on Environmentally Compatible Storage of Waste from Human Settlements and Biological Waste－Treatment Facilities》KrW/AbfG 2001 法令规定测定。植物毒性采用种子发芽率（GI）表征，并依据《生活垃圾堆肥处理技术规范》CJJ 52－2014 规定测定，浸提液按照固液比 1∶10（样品干基重/蒸馏水体积）制取，选用萝卜种子测定。碳氮比测试，将样品烘干破碎至 400 目以下后，采用元素分析仪测定 C、N 含量，C 含量数值与 N 含量数值相比即为 C/N。数据分析及绘图分别利用 Excel 和 OriginPro 软件完成。

二、结果与讨论

1、室温与罐内温度

4 种陈腐化试验温度变化情况如图 3 所示，可知一级沼渣直接曝气陈腐化（FＲD－1）最高温度仅能达到 35℃，主要是由于其含水率高，约 65%，C/N 低，＜15%，没有足够生物质能供给其升温。

二级沼渣加水后浆料陈腐化（SＲD－1），堆体温度基本与室温相等，或者高 1～2℃，主要是由于其含水率高达 92.4%，C/N＜10%。二级沼渣添加 25% 稻秸陈腐化（SＲD－2），可有效改善其 C/N 至近 20，但由于其含水率仍较高，约 65%，因此最高温度也仅能达到 53℃，不能满足杀灭有害微生物 55 ℃ 持续 5 d 的标准要求。二级沼渣添加 25% 稻秸加热陈腐化（SＲD－3），前期除外加热源，同时自身有机物降解产热，最高温度可达 58 ℃，后期因系统通风散热，以及保温外壁热损，导致堆体温度低于夹套水浴温度 55 ℃，堆体温度稳定在 52 ℃ 左右。

图3 陈腐化试验温度变化趋势图

2、TS 和 VS

4 种陈腐化工艺试验 TS 变化情况如图 4 所示。一级沼渣直接曝气陈腐化 20 d，TS 仅能提高到 50% ww，产物不能满足《绿化用有机基质》GB/T 33891－2017 中 TS≤40% 和《有机肥料》NY 525－2021 中 TS≤30% 等标准要求，需要进一步脱水。

二级沼渣加水浆料曝气陈腐化其含水率基本不变，起不到脱水作用。二级沼渣添加稻秸陈腐化 20 天后，产物含水率约 39%，刚可达到小于 40% 绿化用有机质标准要求，实际应用过程单靠自然陈腐化，其产物含水率符合标准要求保障性低。二级沼渣添加稻秸加热陈腐化若不补水，在第 6 天左右就可使含水率低于 40%。

4 种陈腐化工艺试验 VS 变化情况如表 2 所示。前三种情形下 VS 皆仅降低 3% 左右，变化不显著。SＲD－3 的 VS 降低约 8.6%，可知在加热条件下，有机物降解量远大于另外 3 种工艺。

图4 陈腐化试验TS变化趋势图

表2 陈腐化试验VS变化表

3、生物稳定性

4 种陈腐化工艺试验 AT₄ 变化情况如图 5 所示。4 种工艺 AT₄皆逐渐减小，FＲD－1 工艺一级沼渣逐渐降至 17.4 mg O₂/g dw，SＲD－1 工艺二级沼渣浆液逐渐降至 42.2 mg O₂/g dw，SＲD－2 工艺二级沼渣逐渐降至 19.8 mg O₂/g dw，SＲD－3 工艺二级沼渣逐渐降至 5.8 mg O₂/g dw。

可见，二级沼渣浆液陈腐化效果最差，20 天陈腐后生物稳定性最差。FＲD－1 和 SＲD－2 工艺陈腐化效果较好，20 天后 AT₄ 分别可达 32.7 和 29.5 mg O₂/g OM，可满足美国关于 AT₄≤35 mg O₂/g OM 的标准要求，但满足不了欧盟 AT₄≤10 mg O₂/g dw 和德国 AT₄≤5 mg O₂/g dw 的标准要求。SＲD－3 工艺陈腐化效果最好，20 天后 AT₄ 分别可达 9.4 mg O₂/g OM，即可满足美国关于 AT₄≤35 mg O₂/g OM的标准要求，也可满足欧盟 AT₄≤10 mg O₂/g dw 的标准要求。

图5 陈腐化试验AT₄变化趋势图

4、植物毒性

4 种陈腐化工艺试验 GI 变化情况如图 6 所示。4 种工艺 GI 皆逐渐增大，FＲD－1 工艺一级沼渣 GI 逐渐升至 83%，SＲD－1 工艺二级沼渣浆液 GI 仅能达到 13%，SＲD－2 工艺二级沼渣 GI 可达 91%，SＲD－3 工艺二级沼渣 GI 逐渐达到 104%。其中，二级沼渣浆液陈腐化效果最差，植物毒性难以有效消除。FＲD－1、SＲD－2 和 SＲD－3 工艺陈腐化效果均较好，皆可满足《有机肥料》NY/T 525－2021 关于 GI≥70% 的标准要求。

图6 陈腐化试验GI变化趋势图

5、加热陈腐化时间

将陈腐化过程物料外观情况与 AT₄ 数值对应，详见图 7。

图7 陈腐化过程物料外观与 AT₄ 数值对应图

AT₄＞20 mg O₂/g dw时，物料外观与原始物料未呈现出明显差异；AT₄≈15 mg O₂/g dw 时，稻草出现肉眼可见的降解，出现分叉和碎屑；AT₄≈10 mg O₂/g dw 时，稻草虽仍可见，但已大量降解，结构已基本被破坏；AT₄≈5 mg O₂/g dw 时，稻草基本不可见，但物料结成块状。

对比标准要求，总结出陈腐化所需时间对照表（详见表 3），标准数值按插值法计算获得，OM 按 60% 计。可见，FＲD－1 和 SＲD－2 两种工艺需 20 天才能达到的腐熟程度，在 55 ℃ 加热陈腐条件下约 11 天就可完成，时间缩短 45%，可有效减小陈腐化占地面积。按我国《生物质废物堆肥污染控制技术规范（征求意见稿）》要求，建议加热曝气快速陈腐化 15 天。

表3 沼渣陈腐化过程AT₄达标所需时间表