初始物料含水率對(duì)餐廚垃圾高溫好氧消化過程的影響

1、初始物料含水率對(duì)餐廚垃圾高溫好氧消化過程的影響謝煒平 鄒原 唐建軍 梁彥杰摘要：利用自制好氧消化反應(yīng)裝置對(duì)3組不同初始含水率的物料進(jìn)行了小規(guī)模模擬試驗(yàn)，通過測(cè)定物料中水溶性凱氏氮、水溶性總有機(jī)碳和水溶性碳氮比、pH來推斷反應(yīng)進(jìn)行的程度。結(jié)果表明：在堆料初始環(huán)境溫度為50，水溶性C/N約18:1，通風(fēng)量為16.69m3/d的初始條件下，綜合水溶性TOC的降解率和實(shí)際生產(chǎn)過程的要求，物料配比m餐廚垃圾/m鋸木粉=3:1（即含水率約為55%）時(shí)為最佳值，水溶性TOC可由4.97%降至1.84%。同時(shí)最佳值下，物料水溶性C/N最終可降至7.19，接近腐熟程度；在本實(shí)驗(yàn)通風(fēng)和加熱條件下，不同含水率的物料

2、最終含水率均可降至25%左右。關(guān)鍵詞：餐廚垃圾；高溫好氧消化；含水率中圖分類號(hào)：X705文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1005-8206（2010）03-0001-04餐廚垃圾是家庭、餐飲單位拋棄的剩飯菜的通稱，是城市生活垃圾的重要組成部分。據(jù)國(guó)家環(huán)境公報(bào)顯示，我國(guó)2005年城市生活垃圾的清運(yùn)量已經(jīng)達(dá)到了15576.8萬t，按照餐廚垃圾占城市生活垃圾比例30%40%來計(jì)算，餐廚垃圾清運(yùn)量為4673.0萬6230.7萬t，而且隨著餐飲業(yè)的高速發(fā)展，產(chǎn)生量還在迅速增加。高溫好氧消化反應(yīng)可以將餐廚垃圾轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥料，不僅保留了餐廚垃圾中的有用成分，而且可以降低對(duì)環(huán)境的危害，同時(shí)好氧消化耗時(shí)短，維護(hù)簡(jiǎn)便，運(yùn)

3、行成本低，如果利用人工加熱的方式，好氧發(fā)酵時(shí)間會(huì)大大縮短，消化反應(yīng)完全，所以通過高溫好氧消化技術(shù)制取肥料成為未來處理餐廚垃圾的有效方法之一。通常為了保證高溫好氧消化的順利進(jìn)行，需要在餐廚垃圾中添加一些輔料，如麥麩、鋸木粉等。這些輔料的作用主要是調(diào)節(jié)餐廚垃圾的含水率，增加物料的比表面積，提高與氧氣接觸反應(yīng)的效率。筆者通過自制好氧消化裝置，對(duì)餐廚垃圾高溫好氧消化工藝進(jìn)行小型模擬試驗(yàn)。通過改變餐廚垃圾與輔料（鋸木粉）配比改變初始物料含水率，并研究初始物料含水率對(duì)反應(yīng)過程的影響。1實(shí)驗(yàn)1.1實(shí)驗(yàn)材料餐廚垃圾：采集于深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院食堂，經(jīng)手工篩選除去其中的骨頭等大塊雜質(zhì)，餐廚垃圾經(jīng)食物破碎機(jī)破碎，混勻

4、。輔料：鋸木粉，取自深圳南山區(qū)某家具廠，用于調(diào)節(jié)初始物料含水率和空隙率。餐廚垃圾及填料的相關(guān)理化性質(zhì)見表1。表1物料相關(guān)理化性質(zhì)1.2實(shí)驗(yàn)方法將餐廚垃圾和鋸木粉按照一定比例混合后，投入反應(yīng)器中，物料配比和含水率的關(guān)系見表2。物料總質(zhì)量10kg，溫度控制在50，以自制生物制劑為啟動(dòng)微生物源。經(jīng)過計(jì)算，反應(yīng)中控制通風(fēng)量約16.69m3/d。物料混合后，實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)。表2初始物料配比與含水率的關(guān)系1.3實(shí)驗(yàn)裝置反應(yīng)器采用密閉式發(fā)酵裝置，裝置為半圓柱體，反應(yīng)罐內(nèi)設(shè)有加熱、攪拌、通風(fēng)系統(tǒng)，并且可以通過控制器對(duì)溫度和攪拌進(jìn)行控制，同時(shí)，反應(yīng)器設(shè)有尾氣回收裝置，防止過程中產(chǎn)生的廢氣對(duì)環(huán)境的影響，反應(yīng)罐剖面及其它

5、裝置連接見圖1。反應(yīng)時(shí)間設(shè)為96h，反應(yīng)過程中每天取樣23次。圖1餐廚垃圾高溫好氧消化實(shí)驗(yàn)裝置1.4實(shí)驗(yàn)參數(shù)檢測(cè)方法高溫好氧消化是一個(gè)復(fù)雜的生化過程，不能采用單一的指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。因此，實(shí)驗(yàn)選取以下參數(shù)來評(píng)價(jià)反應(yīng)過程，參數(shù)測(cè)定方法及意義見表3。表3試驗(yàn)參數(shù)檢測(cè)方法及意義2結(jié)果與討論2.1水溶性TOC和水溶性凱氏氮變化不同含水率下物料中水溶性TOC和凱氏氮隨時(shí)間的變化如圖2和圖3所示。變化表明，物料中初始含水率會(huì)對(duì)反應(yīng)產(chǎn)生不同影響。1、2、3反應(yīng)器內(nèi)物料的初始TOC含量分別為4.97%、4.13%和2.97%，經(jīng)過96h的消化過程后，TOC分別降為1.84%、1.25%和1.47%，降解率分別

6、為62.92%、70.05%、49.69。本次實(shí)驗(yàn)反應(yīng)初期的TOC下降較決，而反應(yīng)后期，各物料水溶性TOC下降速度均有變緩的趨勢(shì)。與前人的研究相似。圖2不同含水率下物料水溶性TOC與反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系圖3不同含水率下物料水溶性凱氏氮與反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系由于微生物對(duì)底物的分解作用，水溶性凱氏氮的含量變化大致呈先下降后緩慢上升的趨勢(shì)。這主要是由于在反應(yīng)初期，細(xì)菌等微生物將大量可溶態(tài)氮用于合成自身菌體，水溶性凱氏氮下降明顯，微生物的異化作用大于同化作用，水溶態(tài)凱氏氮呈上升趨勢(shì)，反應(yīng)結(jié)束時(shí)，1樣本水溶性凱氏氮含量由0.25%升為0.26%；2樣本中水溶性凱氏氮回升較慢，最終凱氏氮為0.16%；3樣本由于反應(yīng)過

7、程中水分損失較大，導(dǎo)致物料總體質(zhì)量偏小，因此凱氏氮所占比例偏大。就降解效果而言，含水率為50%55%的物料具有更好的降解效果，而當(dāng)含水率低于40%時(shí)，微生物對(duì)水溶性TOC降解效果就會(huì)下降。這是由于含水率過少會(huì)增大物料與空氣的接觸面積，空氣接觸面的增大雖然會(huì)提高微生物對(duì)氧氣的利用率，但同時(shí)也會(huì)增加水分和熱量的流失，從而降低生物的活性。同時(shí)，1物料凱氏氮比2物料回升快，而且考慮到實(shí)際生產(chǎn)過程中，較高的鋸木粉含量意味著降低了單位容積中處理餐廚垃圾的量，因此55%更符合實(shí)際生產(chǎn)需求。2.2水溶性碳氮比的變化經(jīng)過反應(yīng)，不同含水率下物料中的水溶性C/N均迅速下降，反應(yīng)結(jié)束時(shí)C/N均降至10以內(nèi)，含水率為5

8、5%的物料水溶性C/N降為7.19，基本接近腐熟時(shí)水溶性C/N=56，但是，從嚴(yán)格意義上講，該反應(yīng)只能屬于一次發(fā)酵階段，并未經(jīng)歷腐熟階段，因此最終C/N稍有偏高。除此之外，初始物料的水溶性C/N也是影響最終物料穩(wěn)定性的一個(gè)重要元素；同時(shí)發(fā)現(xiàn)，改變初始物料配比對(duì)水溶性C/N影響不大，這主要是由于鋸木的水溶性物質(zhì)較少的緣故。其變化見圖4。圖4不同含水率下物料水溶性C/N與反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系2.3 pH的變化pH的變化與物料中的氨氮有密切關(guān)系。由于大分子有機(jī)物降解為小分子的有機(jī)酸，因此各個(gè)物料的PH在反應(yīng)初期下降很快，隨后1、2的物料中，微生物開始將含氮物質(zhì)分解為氨氮，pH開始緩慢上升。由于含水率為40

9、%的物料中微生物的活動(dòng)相對(duì)不活躍，因此3物料中pH上升趨勢(shì)不明顯。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在反應(yīng)過程中大部分時(shí)間物料處于較低的pH范圍內(nèi)，因此如果想進(jìn)一步提高反應(yīng)速度可以嘗試對(duì)pH進(jìn)行調(diào)節(jié)。其變化見圖5。圖5不同含水率下物料pH與反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系2.4含水率的變化物料的含水率變化主要與通風(fēng)量有關(guān)，由圖6可以看出，在相同通風(fēng)量的情況下，最終物料含水率均降至25%左右，可以滿足我國(guó)有機(jī)肥料含水率的要求。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)中初始含水率為40%的物料含水率下降較決，結(jié)束時(shí)降至22.90%，主要是由于物料空隙較大，顆粒間的空隙水和毛細(xì)水大量蒸發(fā)引起的。而含水率為50%、55%的物料由于反應(yīng)器內(nèi)的通風(fēng)和加熱的影響，含水率也逐步下降，反應(yīng)后期下降較快。其原因主要是反應(yīng)初期微生物的呼吸作用旺盛，產(chǎn)生大量水分，通風(fēng)和加熱帶走的水分可以得到相應(yīng)的補(bǔ)充，反應(yīng)后期，隨著可降解物質(zhì)的減少，含水率已經(jīng)降低至不適合微生物生長(zhǎng)的40%左右，因此呼吸作用產(chǎn)生的水分較少，物料中的水分大量蒸發(fā)，含水率在反應(yīng)后期迅速下降。因此可以看出，只要保證適當(dāng)?shù)耐L(fēng)和加熱，不同含水率的物料通過高溫好氧消化，水分都可降至合適的范圍。圖6不同含水率下物科含水率與反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系3結(jié)論1）初始物料含水率影響微生物的活性，所以不同的初始物料含水率可以明顯地影響堆料內(nèi)微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的降解。綜合水溶性TOC的