机械分选制浆的餐厨垃圾制备生物炭的探究＊

满丽萍，郭 虎，吴 元，朱丽可，张 力，郑云锋

（维尔利环保科技集团股份有限公司，江苏 常州 213125）

1 引言

餐厨垃圾是城市固体垃圾中有机垃圾的重要组成部分，其中易腐类有机物含量高，含油量高，含杂率低［1］。在城市生活垃圾分类中，我国每年产生6.0×107t 以上餐厨垃圾［2］。目前我国餐厨垃圾处理技术主要为肥料化［3］、蛋白饲料［4］和厌氧产沼［5］等。餐厨垃圾肥料化处理过程中容易产生臭气、废水、盐分、油脂等污染，且具有占地面积大、区域分散和运输成本高的特点。蛋白饲料技术具有能量、资源损失小的特点，但是餐厨垃圾现阶段只针对高有机质餐厨残渣的蛋白饲料转化［6］，整个工艺生产技术创新水平不够，仍需进一步探索。餐厨垃圾厌氧产沼技术虽具有产气量大、反应周期短等优势，但存在单独厌氧消化运行稳定欠佳的问题。为了开辟新的餐厨垃圾资源化方向，国内外学者将目光聚集在低碳处置和储碳技术方面，其中热解制备生物炭被认为是一种环境友好型技术［7］。

生物炭是生物质在厌氧情况下高温合成的一类稳定的、富含碳素的固态物质。大量研究表明，生物炭是一种有效的生物修复剂，不仅可以固定土壤中的一些金属，降低金属对植物的毒害性，而且自身富含的C、K、P 等营养元素为植物增加了养分，其次生物炭可以作为燃料、高品质能源等［8-11］。制备生物炭的原料主要包括农业废物、林业废物和市政废物，该类原料具有来源丰富且价格低廉的特点。餐厨垃圾作为有机质成分高的固体废物，经研究显示其中含有的大量蛋白质、碳水化合物及脂肪等是制备生物炭的优质原料［7］。更多的研究以高温热解、共沉淀和水热法制备生物炭，通过物理吸附［12］和元素分析［13-14］方法进行分析，而未从工程应用角度出发，在低耗能的情况下制备出优质的生物炭，且从未从化学角度分析低温和中温热解温度下制备的生物炭是否有形貌和化学键能方面的变化。

虽然餐厨垃圾是制备生物炭的优质原料，但是原始餐厨垃圾具有杂质占比高、含水率高的特点。郑云锋等［15］对常州餐厨垃圾进行物理组分分析，其中有机质占比为44.38%，水分占比为46.89%，杂质占比为8.73%。考虑到较高的杂质会影响生物炭的品质，本试验通过精细分选制浆一体机将餐厨垃圾分选制浆，去除杂质后得到机械分选制浆的餐厨垃圾，再通过粒径分析及生物特性分析得到该状态下的最佳生物炭制备原料。最佳原料进行不同温度下的生物炭制备，利用热重分析仪、扫描电子显微镜、傅里叶红外光谱仪、量热仪等设备对餐厨垃圾制备的生物炭进行检测，分析不同温度热解生物炭的形貌和化学键能的变化。

2 材料与方法

2.1 试验设备

精细分选制浆一体机为自主研发的餐厨垃圾处理设备，运行频率为30～70 Hz，结构示意如图1所示。

图1 精细分选制浆一体机结构示意Figure 1 Structure schematic of the fine sorting and pulping integrated machine

精细制浆是通过高速运行并利用主轴连接的刀头实现餐厨粗浆料中有机物（含骨头、蔬菜根茎、肉块、米面制品等）的精细破碎与制浆，并剥离出玻璃、陶瓷、塑料等惰性无机物和难降解有机物。餐厨垃圾经过沥水后进入大物质分选机去除大块杂物，经过分选的物料进入精细分选制浆一体机，得到出渣和出料，出渣为惰性无机物和难降解有机物，出料为粒径较小的有机质和少量杂物，本研究简称其为机械分选制浆的餐厨垃圾。

2.2 试验方法

当精细分选制浆一体机运行频率为50 Hz、筛孔孔径为6 mm 时，餐厨垃圾被机械分选制浆，得到机械分选制浆的餐厨垃圾。每天取精细分选制浆一体机进料、出料3 次，每次至少取样5 kg（鲜质量）进行分拣，分拣完成利用直尺测量物料长度，作为粒径分析依据。测量完成后进行同类别的物料称量，计算质量平均值，降低误差。

机械分选制浆的餐厨垃圾生物炭的制备：将105 ℃下烘干的精细分选制浆一体机出料装入密闭罐中，分别以10 ℃/min 的升温速率快速升温至200 ℃和400 ℃，在此温度下保持2 h 后冷却至室温，做进一步的测试。

2.3 分析方法

形貌（SEM）测试：NanoSEM-200 型扫描电镜用于微纳材料形貌和尺寸的表征，取适量样品分散在乙醇中，然后将悬浮液滴在硅基片上，放于烘箱中干燥。测试之前对样品进行镀金，增强导电性，测试电压为10 kV。

热性能（TG/DTA）测试：Diamond TG/DTA 热重分析仪用于物质质量随温度变化关系的表征。取适量样品称质量后放入特制的坩埚中，启动电脑程序自行测试，测试区间温度为200～800 ℃。

物相（FTIR）测试：iS50 FTIR 红外光谱仪用于分析物质的分子结构和化学组成，取适量样品至样品槽内，设置测试区间为400～4 000 cm-1。

热量测试：量热仪用于分析物质的热值，首先测定物质的全水分和挥发分，然后利用硫份测定仪测定硫含量，最后通过热量仪测定物质的热值。

3 结果与分析

3.1 精细分选制浆进料粒径分析

精细分选制浆一体机进料主要为高有机质食物残渣，包括米饭、果皮、肉、骨头、蔬菜等。图2为精细分选制浆进料粒径分析结果。粒径分析以物理分拣的方式完成，其中图2（e）粒径＜0.5 cm 物料以米饭等小颗粒有机质为主；图2（b）粒径0.5～1.0 cm 物料为颗粒状有机质；图2（c）粒径1.0～2.0 cm 物料以尺寸较小的果皮、骨头、贝壳、蔬菜为主；图2（d）粒径2.0～4.0 cm 物料以尺寸较大的果皮、骨头、贝壳、蔬菜为主；图2（f）粒径4.0～6.0 cm 物料为骨头、大尺寸果皮和贝壳类物质；图2（g）粒径＞6.0 cm 物料为动物内脏类肉质。从图3 精细分选制浆进料粒径分布情况可知，精细分选制浆进料主要以粒径＜0.5 cm 的物料为主，占比为72.68%，其次粒径2.0～4.0 cm 物料占比为11.93%。粒径1.0～6.0 cm 物料占比为24.69%。

图2 精细分选制浆进料粒径分析Figure 2 Analysis of feed particle size of fine sorting and pulping

图3 精细分选制浆进料粒径分布Figure 3 Feed particle size distribution of fine sorting and pulping

3.2 精细分选制浆出料粒径分析

当精细分选制浆一体机运行频率为50 Hz、筛孔孔径为6 mm 时，进料分选制浆后得到出料和出渣。图4 为精细分选制浆出料粒径分析结果，精细分选制浆一体机出料主要为高有机质食物残渣，包括米饭、果皮、肉、骨头、蔬菜等。其中图4（e）粒径＜0.5 cm 物料以米饭等小颗粒有机质为主；图4（b）粒径0.5～1.0 cm 物料为被打碎的惰性无机物；图4（c）粒径1.0～2.0 cm 物料为尺寸较小的有机物、果皮、塑料、骨头、肉质；图4（d）粒径2.0～4.0 cm 物料为尺寸较大的果皮、骨头、木质、肉质；图4（f）粒径4.0～6.0 cm 物料为塑料、大尺寸木质；图4（g）粒径＞6.0 cm 物料为动物内脏类肉质、轻质羽毛、木质等。从图5精细分选制浆一体机出料粒径分布情况可知，精细分选制浆一体机出料主要以粒径＜0.5 cm 的物料为主，占比为92.42%，其次1.0～2.0 cm 物料占比为3.70%。1.0～6.0 cm 粒径物料占比仅为7.23%。经过精细分选制浆后＜0.5 cm 粒径下的物料提高了19.74 个百分点，1.0～6.0 cm 粒径物料降低了17.46个百分点，因此，部分1.0～6.0 cm 有机质通过制浆后变成小粒径物质，有机质得到了较大程度的利用。垃圾热值的影响因素包括原料种类、含水率、破碎粒度等［16］，精细分选出料＜0.5 cm 粒径的占比达到92.42%，因此将除去杂质的机械分选制浆的餐厨垃圾（精细分选制浆出料）作为生物炭制备的原料。

图4 精细分选制浆出料粒径分析Figure 4 Analysis of discharge particle size of fine sorting and pulping

图5 精细分选制浆出料粒径分布Figure 5 Discharge particle size distribution of fine sorting and pulping

3.3 精细分选制浆进出料生物特性分析

餐厨垃圾的生物特性包括粗脂肪、粗蛋白、粗纤维、碳水化合物、盐分等。粗纤维主要来自于蔬菜，粗脂肪和粗蛋白主要来自于肉类，碳水化合物主要来自于谷物、蔬菜等。表1 为精细分选制浆进料及出料生物特性测试结果，精细分选制浆进料及出料的有机质质量分数分别为18.27%和20.48%，经过精细分选制浆后进料中的部分杂质排出系统外，有机质含量增加。其次，脂肪含量较精细分选制浆进料增加了0.77 个百分点，说明部分大颗粒肉类物质被制浆，有机质利用率增加。由于精细分选制浆一体机的破碎功能，粗纤维由进料的0 增加至0.003%，蔬菜类物质被破碎制浆，碳水化合物也随之增加，提高了有机质利用率。随着惰性无机物及难破碎有机质被分选出系统外，有机质含量增加，盐分增加，精细分选制浆出料盐分由进料时的0.44%增加至0.46%。

表1 精细分选制浆进料及出料生物特性分析Table 1 Analysis of the biological characteristics of feed and discharge of fine sorting and pulping

3.4 机械分选制浆的餐厨垃圾热解制备生物炭

生物炭热解过程主要包括快速热解、中速热解和慢速热解。以不同升温速率进行热解时：采用慢速热解法制备生物炭更佳［7］。表2 为各物质生物炭热值比较［7］，以10 ℃/min 升温速率分别升温到200 ℃和400 ℃，生物炭的热值分别为20.25 MJ/kg 和24.25 MJ/kg，两种生物炭的热值都高于20 MJ/kg，但是低于标准煤的热值（约29 MJ/kg）。金桃等［17］研究表明温度的改变会影响反应速率常数和反应物的密度，随着温度的升高，生物煤热值呈升高趋势。

表2 各物质生物炭热值比较Table 2 Comparison of the calorific value of biochar

3.5 生物炭性能分析

餐厨垃圾热解炭化包括纤维素、半纤维素、木质素、脂肪、蛋白质等的分解：200 ℃蛋白质发生分解；350 ℃半纤维素发生分解；400 ℃木质素发生分解。图6 为机械分选制浆的餐厨垃圾的热重分析结果，由热重（TG） 曲线和微分（DTG）曲线可以看出，精分选出料的失重主要在200～500 ℃，DTG 失重峰分别为310 ℃和390 ℃，此时主要为半纤维素和纤维素的分解，由于餐厨垃圾物料生物特性复杂，可能还包括蛋白质和脂肪的热解［18］。研究发现成分复杂的餐厨物料500 ℃左右基本降解完成，骨头等含有的碳酸盐类无机物热解发生在718 ℃。因此，500 ℃之后发生的失重现象是由难降解类物质及无机物热解导致的。

图6 机械分选制浆的餐厨垃圾的热重分析Figure 6 TG analysis of food waste processed by mechanical sorting and pulping

不同温度下生物炭SEM 放大图见图7，其中图7（a）为200 ℃下生物炭放大5 000 倍的表面形态，生物炭表面形态均一，底部由结构密实和粗糙的小颗粒组成，上表面有大量不规则颗粒状物质。图7（b）为400 ℃下生物炭放大5 000 倍的表面形态，该生物炭表面疏松，为多孔层状形貌，并伴有少量光滑颗粒，粗糙的生物炭表面利于微生物的生长［19］。

图7 不同温度下生物炭SEM 放大图（×5 000）Figure 7 SEM magnified images of biochar under different temperatures（×5 000）

将机械分选制浆的餐厨垃圾分别在200 ℃和400 ℃下炭化，图8 为不同炭化温度下的生物炭FTIR 图。不同温度下炭化的机械分选制浆的餐厨垃圾在2 847 cm-1和2 917 cm-1处出现吸收峰，分别对应C=O 和-OH 有机官能团，该官能团在酸性条件下更易与H+结合。1 027 cm-1处的峰是醇C-O 的伸缩振动，与原料中含有羟基的纤维素、淀粉等对应［20］。当炭化温度为200 ℃时，在1 143 cm-1和1 730 cm-1处出现吸收峰分别为C-O 和C=O伸缩振动。当炭化温度为400 ℃时，1 143 cm-1和1 730 cm-1处的吸收峰消失，说明在热解温度下脂类已经完全热解或挥发；与此同时伴随着出现1 542 cm-1波数下的C=C 官能团，性质更活泼。

图8 不同炭化温度下机械分选制浆的餐厨垃圾FTIR 图Figure 8 FTIR of food waste processed by mechanical sorting and pulping under different carbonization temperatures

4 结论

本研究不仅探讨了精细分选制浆进出料的粒径分布和生物特性，而且研究了机械分选制浆的餐厨垃圾热解法制备的生物炭。

1）餐厨垃圾经过精细分选制浆一体机处理后，得到机械分选制浆的餐厨垃圾，其中粒径＜0.5 cm 的物料可以达到92.42%，且有机质、脂肪、碳水化合物等含量均得到了提高。

2）400 ℃下制备的生物炭热值可达到24.25 MJ/kg，具有更高的表面粗糙度和更活泼的化学性质。

3）机械分选制浆的餐厨垃圾可以作为优质的生物炭制备原料，为餐厨垃圾制备生物炭提供了科学依据，拓宽了资源化利用道路，具有良好的应用前景。