回料对餐厨垃圾生物干化效率及能耗的影响

詹亚斌, 魏雨泉, 张阿克, 陶兴玲, 张 磊, 李 季*

(1.中国农业大学资源与环境学院， 北京 100193； 2.中国农业大学有机循环研究院(苏州)， 苏州 215100)

餐厨垃圾是指饭店、宾馆、企事业单位食堂、食品加工厂、家庭等加工、消费食物过程中形成的残羹剩饭、过期食品、下脚料、废物等废弃物[1]，其主要组分包括淀粉、纤维素、油脂等[2]。中国每年的餐厨垃圾产生量约为9 000 万t，如此多的餐厨垃圾如不及时处理，将会给居民的生产、生活带来不利影响[3-4]。生物干化是处理城市有机废弃物的一种重要手段[5]，由Jewell于1984年在处理牛粪时提出，主要是指在生物干化反应器中，利用微生物降解有机废弃物释放热能与过量的曝气相互结合实现物料干化的过程[6]，与好氧堆肥等处理技术相比，处理周期较短，一般需要15～20 d。然而，随着市政管理对城市餐厨垃圾产生快速处理周期和处理量要求的提高[7]，传统的生物干化方法也亟待改进。带有加热功能的生物干化机，可以在短时间内达到快速去除水分的效果[8-9]。

餐厨垃圾含水率高，无法单独进行生物干化处理；在处理过程中需要添加大量辅料，调节餐厨垃圾的含水率、孔隙度、C/N比，进而提高餐厨垃圾生物干化速率[10-14]。在生产实践中，一个日处理量5 t的餐厨垃圾生物化处理点(月处理量150 t)，通常需要按照25%的比例添加锯末，每月需要添加锯末约50 t，按每吨锯末400元计算，每月需要20 000元，高昂的成本对于餐厨垃圾生物干化处理点显然是难以长期承受的。

因此，寻找一种更加廉价，且来源稳定、充足的物料替代辅料(如锯末)，对餐厨垃圾快速生物干化技术的可持续发展是极其必要的。现通过添加不同比例回料替代辅料，分析回料对餐厨垃圾生物干化过程温度、含水率等理化指标的影响，同时基于不同回料添加下生物干化效率和能耗特征，探究回料替代辅料最佳比例，研究结果将对降低餐厨垃圾快速减量化处理成本具有重要指导意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

餐厨垃圾取自苏州市某中学食堂，锯末购买自某木材厂，餐厨垃圾生物干化回料由苏州韩博厨房电器科技有限公司(简称“韩博科技”)生产提供，即上一批餐厨垃圾生物干化产品室温贮存(30 d)作为回料。试验材料基本性质如表1所示。

表1 试验材料基本性质Table 1 Basic properties of test materials

1.2 实验装置与设计

试验装置为韩博科技制造的日处理500 kg餐厨垃圾的生物干化一体机(图1)。通过设备前面的提升机将餐厨垃圾、辅料(锯末、回料)投入生物干化筒仓内部，然后搅拌使物料均匀混合。在筒仓内部2个加热板的辅助加热条件下使物料进行快速生物干化，并通过风机和仓顶的进气口与出气口将蒸发的水分排出。

图1 餐厨垃圾生物干化机Fig.1 Bio-drying machine for kitchen waste

试验在中国农业大学有机循环研究院(苏州)实验基地(东山镇富民工业园，苏州韩博厨房电器科技有限公司)进行。生物干化一体机的运行参数：加热板最高设置温度115 ℃，生化仓最高设置温度115 ℃；搅拌可以设置正转、反转、停止(为了防止物料在加热过程中糊化粘壁，加热与搅拌联动；搅拌停止，加热自动停止)；抽风根据温度控制，这样能及时抽走水汽，有利于物料的快速生物干化。例如，将抽风设置为50～55 ℃，即物料温度达到55 ℃就抽风去除水汽，抽风过程中会使物料降温，待温度下降至50 ℃立即停止抽风。

设置机器参数如下：加热板温度115 ℃；生化仓温度115 ℃；搅拌：正转15 min，反转15 min，停30 min(全天工作24 h)；抽风：50～55 ℃。

1.3 处理设置

试验共设置8个处理，详细信息如表2所示，T0-25～T25-0主要用于探究不同回料替代锯末比例对餐厨垃圾生物干化的影响；T30-0和T35-0是在完全替代辅料(T25-0)的基础上，进一步评价回料添加量对餐厨垃圾生物干化的影响。

表2 试验处理设计表Table 2 Design oftest processing

1.4 采样及分析方法

每天9:00和15:00测定堆体温度；在生物干化的第0、2、4、6、8、10 d多点取样用于含水率、pH、电导率(electrical conductivity，EC)、种子发芽指数(germination index，GI)的测定。

1.4.1 温度

温度测定采用便携式温度计测定，每天9:00和15:00测定堆体温度。

1.4.2 含水率

含水率的测定采用烘干法，参考《有机肥料》(NY525—2012)。具体方法:称取10 g生物干化样品于铝盒中，放入105 ℃烘箱中12 h，测其重量，后隔半小时测定一次样品重量，待其恒重，记录烘干样重量，计算物料含水率。

1.4.3 pH/EC

pH/EC的测定参考《有机肥料》(NY525—2012)。具体方法:去离子水和鲜样以液固比10∶1(体积质量比)混合，25 ℃、150 r/min往复振荡30 min，静置过滤取上清液经过pH计(PHS-3C)和电导率仪(DDS-307A)测定。

1.4.4 GI

GI测定采用黄瓜种子发芽率计算方法[15]。称取生物干化样品5.0 g，置于250 mL锥形瓶中，按固液比(质量/体积)1∶10 加入 50 mL 的去离子水或蒸馏水，于摇床中150 r/min振荡30 min，静置过滤，收集过滤后的浸提液，摇匀后供分析用。在9 cm 培养皿中垫上两张滤纸，均匀放入10粒大小基本一致、饱满的黄瓜种子，加入生物干化样品浸提液5 mL，盖上皿盖，在25 ℃的培养箱中避光培养48 h，统计发芽率和测量根长。每个样品做3个重复，以去离子水或蒸馏水作对照。计算种子发芽指数。

2 结果与讨论

2.1 温度

不同处理物料的温度变化如图2所示。由图2可以看出，8个处理的温度都在生物干化的第1天就迅速上升到40～60 ℃；T15-10和T35-0达到60 ℃以上；T0-25、T5-20、T10-15、T25-0和T30-0达到50 ℃以上，T20-5接近50 ℃，达到48.9 ℃。在为期10 d的生物干化过程中，除T30-0的温度有较大的波动外，其他处理组的温度基本维持稳定。温度较高的处理组为T35-0和T15-10，而T0-25、T20-5和T25-0温度较低，尤其是T20-5始终低于50 ℃。8个处理组10 d的累计温度从高到低排序依次为：T35-0>T15-10>T5-20>T30-0>T10-15>T25-0>T0-25>T20-5。说明添加回料可以促进堆体升温，这可能是由于回料中含有大量微生物，接入餐厨垃圾后，导致堆体温度较高。从温度的变化考察回料替代锯末作为辅料完全是可行的，即使是温度较低的T20-5也与T0-25没有显著差异(P>0.05)，其他处理组的温度均高于T0-25。从温度上分析T5-20、T10-15、T15-10和T35-0为最佳处理。由于机器一直在加热，物料温度在生物干化后期未下降。

图2 温度随时间的变化Fig.2 Variation of temperature with time

2.2 含水率

各处理含水率的变化如图3所示可知，8个处理的起始含水率分别为68.94%、67.10%、63.90%、62.52%、57.65%、54.08%、55.05%、49.24%，说明辅料添加量越大，起始含水率越低。在整个生物干化过程中，T5-20的含水率比其他处理下降的更快；除了T25-0以外，其余处理的含水率均低于T0-25。说明回料的添加可以促进堆体含水率快速下降，这可能是由于回料的加入使堆体更加蓬松，同时回料含有大量微生物导致的。在生物干化第4 d，T0-25、T5-20、T10-15、T15-10、T20-5、T25-0减量达到20%～30%，而T30-0和T35-0的减量达到45%～50%。说明回料添加量越大，堆体温度越高，越有利于餐厨垃圾水分的去除。而张小娟等[16]用了8 d使污泥含水率由62%降至52%；吴静仪等[17]用了8 d使污泥含水率由60.45%降至42.57%；李玉龙等[18]用了12 d使污泥含水率由62%降至42%；袁京等[13]用了21 d使餐厨垃圾含水率由65%降至50%；相比较而言，本研究用时较短，减量化效果较好。

图3 含水率随时间的变化Fig.3 Variation of moisture content with time

2.3 pH

各处理措施pH的变化如图4所示，总体表现为前4 d变化较大，之后趋于稳定。8个处理的起始pH均小于4.00，可能是由于餐厨垃圾原料在运送至生物干化机之前，在收集、贮存和运输过程中经历了厌氧发酵过程，导致物料酸化；在整个生物干化过程中，8个处理的pH基本在3.2～4.0。T10-15和T15-10的初始pH比其他处理更低，分别为3.22和3.66；在生物干化第2 d，2个处理的pH分别上升到3.58和3.66，可能是由于酸性物质被微生物分解了，导致pH略有上升；2 d以后，T10-15的pH持续下降；T15-10的pH在第6 d达到最大值3.73。其余处理的pH均呈现下降的趋势。T20-5起始pH较高，但2 d后迅速下降，6 d后基本稳定在3.55。8个处理的pH变化幅度并不大，可能是生物干化速率过高，含水率下降过快，堆体环境已经不适合微生物生长；pH并没有上升到7.0及以上。

图4 pH随时间的变化Fig.4 Variation of pH with time

2.4 EC

物料EC随时间的变化如图5所示，与水分变化相反，总体呈上升趋势。8个处理的初始EC分别为2.10、2.50、3.01、3.25、3.29、3.42、3.08、3.17 ms/cm。初始EC随回料率的增加而提高，T0-25、T5-20、T10-15、T15-10、T20-5、T25-0的初始EC值从2.10 ms/cm增加到3.42 ms/cm，说明回料会提高堆体中的EC；但T25-0、T30-0、T35-0的初始EC又逐渐降低，可见在回料完全代替锯末的情况下，混料的EC随回料率的变化并非持续增加的，回料中的某些离子可能会与餐厨垃圾物料分解的某些物质结合或微生物强化促进一些小分子物质的挥发等因素会导致EC下降。

在生物干化过程中，T0-25、T5-20、T10-15、T15-10的EC基本呈现上升的趋势，可能是微生物未对餐厨垃圾进行分解，随着含水率的降低，单位质量餐厨垃圾的EC值逐渐增高；T20-5、T25-0、T30-0、T35-0的EC基本呈现先上升后下降的趋势，先上升可能是回料中含有可以降解餐厨垃圾的微生物，把大分子物质分解成可溶于水的小分子物质，导致了EC的升高，这与He等[19]的研究结果一致；在生物干化后期，可能由于CO2、NH3的排放，导致EC上升。在生物干化第10d，8个处理的EC值分别为5.98、5.91、6.31、6.26、3.53、3.70、3.27、4.92 ms/cm；其中T20-5、T25-0、T30-0处理的EC小于4 ms/cm。在前6 d，8个处理的EC基本呈现上升的趋势，可能是由于物料含水率下降，导致单位质量的EC上升。

2.5 GI

GI随时间的变化如图6所示，总体呈下降趋势。T0-25、T5-20、T10-15的初始GI较大，均大于80%；T15-10、T20-5、T25-0的初始GI次之，在60%～70%；T30-0和T35-0的初始GI较小，分别为51.39%和44.73%；说明回料添加量越大，GI越小。在整个生物干化过程中，8个处理的GI均呈下降趋势。生物干化第8 d，T0-25、T5-20和T15-10的GI较大，分别为35.52%、35.93%和29.57%，但均小于50%；其余处理的GI均小于30%。这可能与EC增加、pH降低有关，也可能与有机物分解产物的毒性有关，这与徐刚等[20]的研究结果一致。

图6 GI随时间的变化Fig.6 Variation of GI value with time

2.6 耗电量

各处理措施的日耗电量变化如图7所示，趋势基本保持一致，呈现前期升高后期下降的趋势。在生物干化前4 d，日耗电量均较大；生物干化第6～10天，日耗电量较小。与其他处理相比，T0-25和T5-20的日耗电量较大。后期可能是由于物料含水率降低，水分传输效率增加，加热升温加快以及微生物分解放热维持温度能力增加等因素导致耗电量较小。由此可见，含水率越高，需要的能耗就越高，在生产实际中，可以用辅料调节餐厨垃圾的含水率，从而减少其生物干化所需的能耗。

图7 日耗电量随时间的变化Fig.7 Variation of day power consumption with time

2.7 单位质量水分去除能耗

随着回料添加量增多，去除单位质量水分能耗逐渐增多(表3)。说明回料虽然可以替代部分辅料(锯末)，促进餐厨垃圾生物干化，但是从能耗考虑，添加回料处理高于只用辅料(锯末)。在不同比例回料替代辅料处理中，T10-15的单位水分去除能耗最低(1.34 kW·h)，与T0-25(1.26 kW·h)较为接近，在生产实践中，若辅料(锯末)供应量不足，可以考虑采用T10-15处理对餐厨垃圾进行生物干化。

表3 单位水分去除能耗表

2.8 物料品质外观图

8种处理10 d物料的外观图如图8所示。可以看出，T0-25～T25-0，随着回料添加量的增多，物料颗粒逐渐增大，品质逐渐降低；T30-0～T35-0，随着回料添加量进一步加大，物料颗粒逐渐变小物料品质逐渐改良。T25-0(回料完全代替锯末)油化情况最为严重，出现较多黑色、质地坚硬的大颗粒。从物料外观质地上看，T5-20、T10-15为较优处理，与对照接近，相对松散且颗粒较小。

图8 8种处理的餐厨垃圾生物干化物料外观图Fig.8 Appearance of kitchen waste bio-drying of 8 bio-drying treatments

3 结论

(1)用回料替代锯末对餐厨垃圾进行生物干化处理是可行的。回料能促进堆体升温，加快含水率下降。

(2)回料添加量越多，物料初始含水率越低；回料能促进堆体含水率的降低，T30-0和T35-0在生物干化第4天含水率下降至26.05%和26.93%，均小于30%，分别比T25-0含水率(45.14%)低19.09%和18.21%，达到含水率出料标准，便于运输或者长时间贮存。

(3)从单位去除能耗上看，回料会导致能耗升高。T10-15的单位水分去除能耗(1.41 kW·h/kg)与T0-25(1.32 kW·h/kg)较为接近，在生产实践中，若辅料(锯末)供应量不足，可以考虑采用T10-15(餐厨垃圾75%+回料10%+锯末15%)对餐厨垃圾进行生物干化。

(4)从物料品质外观图上看，发现T25-0处理的品质最差，颗粒较大，不利于后续资源化处理；如果要考虑生物干化产物品质，不可以用回料完全替代辅料(锯末)。

4 展望

生物干化后的产物一般进行焚烧处理，但是焚烧的碳排放和碳足迹比土地利用高，因此有学者建议有机废弃物干化后进行土地利用[21]。但是本研究中，8个处理的pH较低(基本持续在3.2～4.0)，EC值较高(基本在3.27～6.31 ms/cm)，同时GI值较低(基本在13.49%～35.93%)，这样的产品若直接回归土壤，可能会毒害植物，可以考虑对生物干化后的产品进行好氧堆肥处理，使其完全腐熟后再作为土壤调理剂或者有机肥回归土壤。

如果将中国9 000 万t餐厨垃圾进行生物干化预处理，然后进行好氧堆肥处理，将生产出约3 200 万t堆肥，可以给土壤提供有机质1 500 万t，提供纯氮70 万t、纯磷13 万t、纯钾 13万t，产生的经济效益将十分可观，对生态环境的保护具有积极的作用[22]。因此，“生物干化+好氧堆肥”是未来餐厨垃圾从减量化走向资源化的一个十分有前景的处理方式。