厨余垃圾厌氧沼渣快速陈腐通风和加热策略探析

来源：《CE碳科技》微信公众号

作者：中城环境 康建邨、李波、方祥、陈子璇、范世锁、郑苇

作者简介：康建邨 现任中城院（北京）环境科技股份有限公司总经理，高级工程师，从事固体废物资源化利用与处理等相关工作多年。

我国家庭厨余垃圾目前多采用干法厌氧工艺进行处理，消化残余物通过三级脱水产生一级和二级沼渣，一级沼渣含杂率高达32%，不利于后续利用；二级沼渣品质好，适用于陈腐化后土壤施用资源化利用。但二级沼渣因未完全腐熟，直接施用存在烧苗、雨水淋滤产生污染滤液和恶臭气体等问题，需要陈腐化腐热后才能施用土壤。同时仅依靠通气的传统陈腐化过程周期长、占地大，现有工程大多用地紧张，亟需研发快速陈腐化参数。

目前厌氧沼渣陈腐化通风策略研究主要关于酒糟、猪粪、牛粪、鸡粪、餐饮垃圾以及果蔬垃圾等废弃物种类，通风量一般为0.2~0.5L/（min·kg）；加热策略研究仅有关于餐饮垃圾厌氧沼渣陈腐化的研究报道，加热温度为50~70℃。而厨余垃圾干法厌氧沼渣陈腐化通风策略和加热策略研究尚无相关报道，且关于快速陈腐化热源平衡分析欠缺。

本研究针对我国某一厨余垃圾处理工程产生的二级沼渣，研究快速陈腐化通风策略和加热策略，分析堆温、含水率、挥发性有机质、四日呼吸指数、种子发芽指数的变化规律，核算快速陈腐化工程应用热量平衡，以期为厨余垃圾消化残余物处理工艺参数选择提供参考。

一、材料与方法

1. 物料来源和特征

厨余垃圾干法厌氧沼渣来源于某处理工程消化残余物离心脱水产生的固渣，外观类似淤泥，密实、黏连、透气性差，陈腐化需要添加秸秆等辅料，增加其通气性。辅料稻秸为田间自取，并用带刻度铡刀将其切制3~4cm备用。沼渣和稻秸物料特征见表1。

表1 沼渣和秸秆特征

注：VS表示Volatile Solid，挥发性固体；含杂率包括橡塑、玻璃、石头、贝骨、纺织物质量占比；a表示Wet Weight，湿质量；b表示Dry Weight，干质量。

2. 试验装置和过程

陈腐化实验采用图1所示装置进行试验。

图1 陈腐试验装置

依据河北省质量技术监督局发布的DB13/T2327—2016农业清洁生产蔬菜残体堆肥技术规程，要求物料含水率为55%～70%，C/N为20~35；以及北京市质量技术监督局发布的DB11/T840—2011园林绿化废弃物堆肥技术规程，要求初始含水率为50%~65%，C/N为20~40，稻秸掺混量按沼渣质量25%添加，将含水率调节至65%，此时C/N为20。

对于试验采用风量和翻堆频次，参考CJJ52—2014生活垃圾堆肥处理技术规范，强制通风的工艺风量宜为0.05~0.20m3/（min·m3），同时参考邱珊等和张海滨等的研究风量控制参数，每小时通气7~15min，设置不同通风策略，并配有强制通风设施的机械翻堆次数不宜低于0.5次/d。

考虑目前厨余垃圾干法厌氧发酵过程均采用35℃，此过程起不到杀灭有害微生物作用，根据CJJ52—2014要求，堆层55℃以上持续时间不应少于5d才可实现杀灭有害微生物目标，而沼渣含水率高，易腐有机物被大量降解，生物质能少，需要外加热源对物料进行55℃加热；考虑快速陈腐化效果，尽可能缩短陈腐化时间，对物料进行全程55℃加热。

另外，根据NY/T525—2021有机肥料的规定，产品含水率应≤30%，因此设置全程55℃加热不补水批次，考察脱水效果。由于沼渣含水率高、易腐有机物含量低等特性，生物质能少，设置65℃试验批次也不会导致堆体温度高于70℃，但可能加快陈腐化进度，因此设置65℃试验批次与55℃试验批次进行对比。

陈腐化试验各试验批次条件见表2。

表2 沼渣快速陈腐化模拟试验参数

注：KSC-n表示第n批次快速陈腐化试验，KSC取快速陈腐化试验前3字拼音首字母大写；c表示该批次每次翻垛调节含水率不低于50%。

KSC-1、KSC-2、KSC-3、KSC-4试验目的为探究优化快速陈腐化通风策略；KSC-5、KSC-6、KSC-7、KSC-8试验目的为探究优化快速陈腐化加热策略。补水的两个批次（KSC-6和KSC-8）试验周期为20d，其他批次试验周期为12d，试验前8d每两天取样测试物料TS（总固体，Total Solid）、VS、AT4（四日好氧呼吸指数，Respiration Activity after 4 Days）、GI（种子发芽指数，Germination Index），8d后每4天取样测试物料TV、VS、AT4、GI。

3. 测定方法和数据处理

TS、VS以及物理组分依据CJ/T313—2009生活垃圾采样和分析方法，重量法测定。生物稳定性采用AT4表征，并参照德国2001年《Ordinance on Environmentally Compatible Storage of Waste from Human Settlements and on Biological Waste Treatment Facilities》法令规定测定，用单位干基质量消耗氧气量表示。植物毒性采用GI表征，并依据CJJ52—2014规定测定，浸提液按照固液比1∶10（样品干基质量/蒸馏水体积）制取，选用萝卜种子测定。C/N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软件平台完成。

二、结果与讨论

1. 堆体温度变化

沼渣快速陈腐化试验过程温度变化情况如图2所示，由于物料本身降解也产生热量，初始堆体温度会高于设定加热温度，并维持1~2d，然后逐渐降至设定温度以下，55℃批次基本稳定在52℃，65℃批次基本稳定在61℃，这主要是由于试验系统热损导致。对于仅加热5d的试验批次（KSC-1~4），由于堆体每2天翻拌1次，且第6天翻拌，同时不补充水分，物料含水率皆小于40%，生物降解作用急剧降低，故此后堆体温度基本与室温相近。

图2 沼渣快速陈腐化试验温度变化

2. TS和含水率变化

沼渣快速陈腐化试验过程TS变化情况如图3所示，对于不额外补充水分的试验批次，物料含水率迅速降低，风量越高，含水率降低越快，KSC-1、KSC-2、KSC-3和KSC-4分别在第3天、第4天、第4天和第5天含水率降至40%以下。由于KSC-1~4仅前5d加热，后续停止加热，因此含水量主要在前5d损失，后续堆体温度与室温相近，继续通风，含水率减小不明显。KSC-1最终含固率约为80%，KSC-4最终含固率约为72%。

图3 沼渣快速陈腐化试验TS变化

KSC-6和KSC-8由于不断补充水分，物料含水率始终保持在微生物适宜生长范围内（40%~60%）。KSC-5和KSC-7分别为55℃和65℃条件下全程加热但不补水，通风量保持在0.05m3/（min·m3），每30min通风5min，温度高的KSC-7初始含水率降低速度更快，但含水率＜10%后降低速度下降，到第12天时KSC-5和KSC-7物料含水率相近，均降至5%左右。KSC-5和KSC-7试验物料TS在达到90%以前呈直线变化，拟合曲线见图4。

图4 沼渣快速陈腐化试验TS变化拟合曲线

KSC-5（55℃）：含固率=35.460+5.9585×陈腐化时间，R2=0.99948（1）

KSC-7（65℃）：含固率=37.148+6.9835×陈腐化时间，R2=0.99602（2）

根据公式（1）和公式（2），可以推测55℃条件下含水率每天可降低约6%，65℃条件下含水率每天可降低约7%。一方面可据此补水，调节堆体含水率，另一方面可据此预测陈腐化完成后，继续加热干化至预期含水率所需时间，若从含水率40%干化至NY/T525—2021要求的≤30%，需2d时间。由于实际工程干燥方式和参数与本试验迥异，具体干燥所需时间须以具体工程实测为准，本试验结果仅作为工程实践参考。

3. VS变化

沼渣快速陈腐化试验VS变化情况如表3所示，不补水试验批次因含水率快速降低，其生物降解主要发生在前3~4d，然后生物降解率处于较低水平，整个试验过程VS仅降低3%左右。但全程补水的两批次（KSC-6和KSC-8），经20d陈腐化，VS均降低10%左右。

表3 沼渣快速陈腐化试验VS变化

注：VS为干质量计算结果。

4. AT4变化

沼渣快速陈腐化试验过程AT4变化情况如图5所示，AT4均逐渐减小。不补水试验批次经12d陈腐化，AT4最终降为30~40mg/g。风量越大，由于含水率更快降至生物降解适宜的含水率范围外，其最终AT4反而更大，即产物更不稳定。对于前3dAT4变化情况而言，物料含水率皆大于40%，大风量AT4降低速率略快，但没有显著变化，可推测0.05m3/（min·m3）风量下，每30min通风5min可满足微生物降解对氧的需求。可见，低风量可以减缓水分蒸发，在氧气供应充足，即堆体氧含量不低于5%的条件下，应尽可能降低通风量，减少水分蒸发速率，满足微生物降解对含水率和氧含量需求。

KSC-6和KSC-8由于全程补水，经20d的陈腐化后，其AT4均达到5mg/g，基本满足德国≤5mg/g的标准要求，但陈腐16d时AT4可满足欧盟≤10mg/g标准要求。高温65℃工况KSC-8试验比55℃工况KSC-6试验在早期略低，但随着时间推移其陈腐化优势逐渐减小，即陈腐化时间比温度更重要。因此，建议快速陈腐化外加热源控制堆体温度55℃即可。

图5 沼渣快速陈腐化试验AT4变化

5. GI变化

沼渣快速陈腐化通风策略优化试验过程GI变化情况如图6所示，GI皆逐渐增大。由于不补水试验批次，含水率仅3~5d就降低至40%以下，GI最终稳定在50%~60%。可见，含水率过低，堆体生物活性减小，物料的植物毒性难以持续性降低，产物的GI不能满足NY/T525—2021关于GI≥70%的标准要求。因此，沼渣快速陈腐化过程应补充水分，确保堆体含水率不低于40%。补充水分批次（KSC-6和KSC-8），保持堆体含水率始终大于40%，物料GI持续提升，直至100%以上，在第8天时GI就已经满足NY/T525—2021的标准要求。

图6 沼渣快速陈腐化试验GI变化

6. 沼渣陈腐化工程热源分析

沼渣快速陈腐化需要加热至55℃，因此需要持续稳定的热源供热，以我国某工程全场物流和用热情况为例进行分析，该工程处理厨余垃圾400t/d，干式厌氧进罐量约200t/d，沼气产量约20000m3/d，即833m3/h。按60%CH4含量，CH4低位热值35.88MJ/m3，机组发电效率40.4%，根据公式（3）计算单台发电机发电量：

单台发电机发电量=沼气产量×CH4含量÷机组数量×CH4热值×发电效率÷产沼时间（3）

计算得到单台发电机组发电功率为1.01MW，工程选择了沼气产量440m3/h的发电机组（即1MW发电机组）2台。根据样本参数，单台1MW发电机组缸套水（热端温度90~95℃）富余热量为1224MJ/h，烟气（0.9MPa下温度512℃）富余热量为1944MJ/h，中冷水（热端温度55~60℃）富余热量为936MJ/h。项目产生含水率约80%的离心脱水沼渣46t/d，即1.92t/h。厨余垃圾处理工艺用热主要为厌氧发酵加热和保温用热，约需热量2500MJ/h。因此，项目沼气发电富余热量为5708MJ/h。

同时参考李相儒关于农村易腐垃圾生物干化和腐熟过程的研究，其采用的农村易腐垃圾的含水率由75%降低至44%，50~55℃干化15d，不额外加水的过程，生化反应提供总热量的66.8%，外加热源提供该过程热量的33.2%，因此估算本研究系统前4d的热量需求中65%的热量可通过生化反应自供。物料陈腐化升温和水分去除所需热量计算如表4所示。

表4 沼渣陈腐化用热分析计算

注：d表示根据快速陈腐化试验，在55℃加热且每30min按0.05m3/（min·m3）曝气5min条件下，堆肥16d可实现腐熟要求，前4d不用补水，后12d每天补充使物料含水率从40%增加至46%对应的水分，实现物料含水率不低于40%，同时需考虑物料中约10%VS彻底矿化。

沼渣陈腐化过程需外加热源提供热量5610MJ/h，而沼气发电机组富余热量可提供该过程102%的热量。虽然该计算没有考虑实际工程中部分热损，例如通入空气升温热损等，但在实际工程中也可通过表面覆盖等工程手段，抑制陈腐化过程水分损失，减少补水量，从而降低热耗。因此，认为沼气发电机组富余热量基本可满足沼渣快速陈腐化的热量需求。

三、结论

厨余垃圾干法厌氧产生沼渣必须陈腐化才能进行资源化利用，施用于土壤。可通过55℃加热方式加速陈腐化进程，但在此过程中应持续补水保持堆体含水率不低于40%，同时在堆体氧浓度不低于5%的条件下降低通风风量以减少水分散失，可考虑每30min按0.05m3/（min·m3）曝气5min的通风策略。快速陈腐16d，AT4即可达到≤10mg/g的欧盟标准要求。继续加热曝气2d，产物含水率可满足≤30%标准要求，该快速陈腐化用热可完全来源于干法厌氧产生沼气发电富余热量，实现场内用热自平衡。

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