厨余垃圾厌氧沼渣快速陈腐通风和加热策略探析_康建邨.pdf

厨余垃圾厌氧沼渣快速陈腐通风和加热策略探析*康建邨1，李波1，方祥2，陈子璇1，范世锁2，郑苇1（1.中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津300074；2.安徽农业大学，安徽合肥230036）【摘要】我国厨余垃圾干法厌氧发酵工程，末端产生大量脱水沼渣，须陈腐化腐熟后才能施用于土壤进行资源化利用，但目前缺乏具有针对性的快速陈腐化通风和加热策略研究，且缺乏工程全厂用热核算。为此，利用厨余垃圾干法厌氧工程产生的离心脱水沼渣，对快速陈腐化的通风策略和加热策略进行研究，分析快速陈腐化工程应用热量平衡的可行性。结果表明：添加 25%稻秸辅料，按 0.05 m3/（min m3）通风量，采用每 30 min 通风 5 min 的通风策略，并全程 55 加热，保持含水率不低于 40%的补水策略，16 d 即可完全腐熟，且工段用热可全部源于沼气发电产生的余热。【关键词】厨余垃圾；脱水沼渣；快速陈腐化；工艺参数；热量平衡中图分类号：X799.3文献标识码：A文章编号：1005-8206（2023）01-0037-06DOI：10.19841/ki.hjwsgc.2023.01.006Analyse of Ventilation and Heating Strategies for Rapid Decay of Anaerobic Biogas Residue from Food WasteKANG Jiancun1，LI Bo1，FANG Xiang2，CHEN Zixuan1，FAN Shisuo2，ZHENG Wei1（1.North China Municipal Engineering Design Research&Institute Co.Ltd.，Tianjin300074；2.Anhui AgriculturalUniversity，HefeiAnhui230036）【Abstract】A large amount of dehydrated biogas residue was produced from dry anaerobic fermentation project offood waste in China，and could not be directly used for soil resource utilization before being rotten further.So far there waslack of targeted ventilation and heating strategy research on rapid decay，and a lack of whole-plant thermal accounting.Forthis purpose，centrifugal dehydrated biogas residue produced from dry anaerobic engineering of food waste was used to studythe ventilation and heating strategy for rapid decay.And the feasibility of applying thermal equilibrium for rapid decayengineering was analyzed.The results showed that after adding 25%rice straw auxiliary materials，adopting ventilation volumeof 0.05 m3/（min m3），using ventilation strategy of aeration for five minutes every thirty minutes，utilizing heating strategy of55 throughout and replenishing water strategy of maintaining water content higher than 40%，it could be completelydecayed in sixteen days.And the demand heat could be completely originated from waste heat of biogas power generation.【Key words】food waste；dehydrated biogas residue；rapid decay；process parameters；thermal equilibrium1引言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1，一级沼渣含杂率高达 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2、猪粪3-4、牛粪5、鸡粪6-8、餐饮垃圾9以及果蔬垃圾10等废弃物种类，通风量一般为 0.20.5 L/（minkg）；加热策略研究仅有关于餐饮垃圾9厌氧沼渣陈腐化的研究报道，加热温度为 5070。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*基金项目：住房和城乡建设部研究开发项目（2021-K-119）；住房和城乡建设部科技示范项目（2021-S-051）；安徽省高等学校省级质量工程项目（2020 xfxm18）收稿日期：2022-04-29；录用日期：2022-07-06第 31 卷第 1 期2023年2月环境卫生工程Environmental Sanitation EngineeringVol.31 No.1Feb.2023环境卫生工程2023 年 2 月第 31 卷第 1 期略，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。2材料与方法2.1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1，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 34 cm 备用。沼渣和稻秸物料特征见表 1。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。2.2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Figure 1Decay experimental apparatus依据河北省质量技术监督局发布的 DB 13/T23272016 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 2035；以及北京市质量技术监督局发布的 DB 11/T8402011 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 2040，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 CJJ 522014 生活垃圾堆肥处理技术规范，强制通风的工艺风量宜为 0.050.20 m3/（minm3），同时参考邱珊等5和张海滨等6的研究风量控制参数，每小时通气 715 min，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CJJ 522014 要求，堆层 55 以上持续时间不应少于 5 d 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/T 5252021 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。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 20 d，其他批次试验周期为 12 d，试验前 8 d 每两天取样测试物料 TS（总固体，TotalSolid）、VS、AT4（四日好氧呼吸指数，RespirationActivity after 4 Days）、GI（种子发芽指数，Germination Index），8 d 后每 4 天取样测试物料 TV、VS、AT4、GI。表 1沼渣和秸秆特征Table 1Characteristics of biogas residue and straw项目含水率/%VS/%含杂率/%碳含量/%氮含量/%C/N沼渣78.80.2a64.61.5b0.90.2b29.43.6b3.40.4b8.70.6稻秸11.80.8a75.31.6b41.21.2b0.60.3b65.61.6批次号KSC-1KSC-2KSC-3KSC-4KSC-5KSC-6cKSC-7KSC-8c试验对象二级沼渣 稻秸二级沼渣 稻秸二级沼渣 稻秸二级沼渣 稻秸二级沼渣 稻秸二级沼渣 稻秸二级沼渣 稻秸二级沼渣 稻秸曝气风量/（m3min-1m-3）0.200.050.050.050.050.050.050.05曝气频率（开/关）/min始终为开始终为开10/205/255/255/255/255/25翻垛频次/（次/d）0.50.50.50.50.50.50.50.5加热温度/5555555555556565加热持续时间/d555512201220水泵排水口流量计风机水温加热器EPS 保温层水浴加热层稻秸保温层陈腐化堆体温度传感器3 mm 筛板表 2沼渣快速陈腐化模拟试验参数Table 2Parameters of biogas residue rapid decay experiment 382.3测定方法和数据处理TS、VS 以及物理组分依据 CJ/T 3132009 生活垃圾采样和分析方法，采用重量法测定。生物稳定性采用 AT4表征，并参照德国 2001 年 Ordinance on Environmentally Compatible Storage of Wastefrom 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 CJJ 522014 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。3结果与讨论3.1堆