01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(yùn)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(dú)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(shí)、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3～4cm，其含水率為11.8%±0.8% ww，C/N為65.6±1.6。

2實(shí)驗(yàn)裝置和過程

陳腐化實(shí)驗(yàn)采用圖2所示裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖2 陳腐實(shí)驗(yàn)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(shí)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?bào)w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(shí)按沼渣重量25%比例添加稻秸，將含水率調(diào)節(jié)至65%，此時(shí)C/N為20。同時(shí)考慮加快陳腐進(jìn)程，減少工程占地，設(shè)置全程加熱補(bǔ)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(fēng)量以0.05～0.20m3/（min·m3垃圾），因此采用0.20m3/（min·m3垃圾）曝氣風(fēng)量，對于全程加熱補(bǔ)水方案，考慮減少補(bǔ)水頻率，曝氣風(fēng)量采用0.05 m3/（min·m3垃圾）。設(shè)置4組實(shí)驗(yàn)參數(shù)詳見表1。每天記錄室溫和堆體溫度，每四天取樣100g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(bǔ)水保持其含水率不低于40%。

表1 陳腐試驗(yàn)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。

02結(jié)果與討論

1室溫與罐內(nèi)溫度

4種陳腐化試驗(yàn)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(dá)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(dá)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(dá)到53℃，不能滿足殺滅有害微生物55 ℃持續(xù)5d的標(biāo)準(zhǔn)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(shí)自身有機(jī)物降解產(chǎn)熱，最高溫度可達(dá)58 ℃，后期因系統(tǒng)通風(fēng)散熱，以及保溫外壁熱損，導(dǎo)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(yàn)溫度變化趨勢圖2TS 和 VS

4種陳腐化工藝試驗(yàn)TS變化情況如圖4所示。一級沼渣直接曝氣陳腐化20d，TS僅能提高到50%ww，產(chǎn)物不能滿足《綠化用有機(jī)基質(zhì)》GB/T 33891－2017中 TS≤40% 和《有機(jī)肥料》NY 525－2021 中TS≤30% 等標(biāo)準(zhǔn)要求，需要進(jìn)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(dá)到小于40%綠化用有機(jī)質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，實(shí)際應(yīng)用過程單靠自然陳腐化，其產(chǎn)物含水率符合標(biāo)準(zhǔn)要求保障性低。二級沼渣添加稻秸加熱陳腐化若不補(bǔ)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(yàn)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(jī)物降解量遠(yuǎn)大于另外3種工藝。

圖4 陳腐化試驗(yàn)TS變化趨勢圖

表2 陳腐化試驗(yàn)VS變化表

3生物穩(wěn)定性

4種陳腐化工藝試驗(yàn)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(dá)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)要求。SRD－3 工藝陳腐化效果最好，20天后 AT4分別可達(dá)9.4 mg O2/g OM，即可滿足美國關(guān)于AT4≤35 mg O2/g OM的標(biāo)準(zhǔn)要求，也可滿足歐盟 AT4≤10 mg O2/g dw 的標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖5 陳腐化試驗(yàn)AT4變化趨勢圖4植物毒性

4種陳腐化工藝試驗(yàn)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(dá)到13%，SRD－2工藝二級沼渣GI可達(dá)91%，SRD－3 工藝二級沼渣GI逐漸達(dá)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(jī)肥料》NY/T 525－2021關(guān)于GI≥70% 的標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖6 陳腐化試驗(yàn)GI變化趨勢圖

5加熱陳腐化時(shí)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，稻草基本不可見，但物料結(jié)成塊狀。

對比標(biāo)準(zhǔn)要求，總結(jié)出陳腐化所需時(shí)間對照表（詳見表3），標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值按插值法計(jì)算獲得，OM按60%計(jì)?？梢?，F(xiàn)RD－1和SRD－2兩種工藝需20天才能達(dá)到的腐熟程度，在55 ℃加熱陳腐條件下約11天就可完成，時(shí)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(dá)標(biāo)所需時(shí)間表

注：a：OM，Organic Matierials，有機(jī)物料，指剔除石頭、玻璃、陶瓷、金屬等可辨識無機(jī)物料后干重；b：dw，dry weight，干重，指物料烘干至恒重后總量量。

03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(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)要求，GI可升至80%以上，滿足我國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)間，從而減小占地面積，若陳腐時(shí)間達(dá)到20天，可滿足AT4最嚴(yán)德國標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)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(dǎo)意義，可極大提升廚余垃圾處理項(xiàng)目資源化利用率，助力我國垃圾分類政策推行。

作者丨康建邨、方祥、陳子璇、鄭葦、范世鎖

康建邨

現(xiàn)任中城環(huán)境副總經(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。

編輯：李丹