时间:2025-02-06 09:48
来源:CE碳科技
作者:中铁环境 康建邨等
厨余垃圾经干法厌氧工程产生一级和二级沼渣,其植物毒性高、生物稳定性差,不能直接施用于土壤,需陈腐化提高腐熟度,但目前缺乏厨余垃圾干法厌氧沼渣特性相适宜的陈腐化工艺方式研究。
本研究对比了一级沼渣直接陈腐化、二级沼渣浆液陈腐化、二级沼渣添加稻秸陈腐化、以及二级沼渣添加稻秸加热陈腐化 4 种工艺方案,研究了 4 种工艺下堆温、含固率、挥发性有机质、生物稳定性、以及植物毒性的变化规律。
厨余垃圾经干法厌氧工程产生一级和二级沼渣,其植物毒性高、生物稳定性差,不能直接施用于土壤,需陈腐化提高腐熟度,但目前缺乏厨余垃圾干法厌氧沼渣特性相适宜的陈腐化工艺方式研究。
本研究对比了一级沼渣直接陈腐化、二级沼渣浆液陈腐化、二级沼渣添加稻秸陈腐化、以及二级沼渣添加稻秸加热陈腐化4种工艺方案,研究了4种工艺下堆温、含固率、挥发性有机质、生物稳定性、以及植物毒性的变化规律。
结果表明,二级沼渣浆液陈腐化效果最差;一级沼渣直接陈腐化和二级沼渣添加稻秸陈腐化可满足标准关于生物毒性和植物稳定性最低要求,但堆温较低,产物含水率较高;二级沼渣添加稻秸加热陈腐化效果最好,与不加热工艺相比,可缩短45%陈腐化时间。本研究可为我国厨余垃圾干法厌氧沼渣资源化利用提供数据支撑。
2017年3月《生活垃圾分类制度实施方案》颁布,拉开了我国厨余垃圾分类收集、运输、处理的新篇章。2019年6月发布的《关于在全国地级及以上城市全面开展生活垃圾分类工作的通知》要求到2025年,全国地级及以上城市基本建成生活垃圾分类处理系统,我国厨余垃圾分类进入快速发展阶段。
我国厨余垃圾产生量超8000万t/a(按每人每天160g和全国14亿人口估算),主要采用干法厌氧进行处理,回收生物质能源沼气,但此类项目因产生大量不可利用沼渣。导致项目资源化整体效果不佳,干物质资源化率仅为30%~40%。对此,2021 年11月发布《“十四五”城镇生活垃圾分类和处理设施发展规划》,明确提出厨余垃圾分类类处理后的肥料消纳途径存在障碍,要求着力解决好堆肥工艺中沼渣应用的“梗阻”问题。
由于厌氧沼渣植物毒性大、生物稳定性差,沼渣要资源化施用于土壤,需要进一步陈腐化处理。虽然目前有针对畜禽粪污、餐饮垃圾、农作物秸秆、市政污泥等有机废弃物厌氧沼渣陈腐化研究,但厨余垃圾干法厌氧沼渣特性与畜禽粪污、餐饮垃圾、农作物秸秆、市政污泥厌氧沼渣特性迥异。同时,我国厨余垃圾干法厌氧消化残余物因其含固率高、含杂率大,工程中通常采用多级脱水工艺,前端脱除含大杂较多的沼渣,后端脱除含细杂较多的沼渣。因此亟需针对不同工段产生的厨余垃圾干法厌氧沼渣特征,研究各自适宜的陈腐化工艺。
本文针对我国某一厨余垃圾处理工程产生沼渣,研究了一级沼渣直接陈腐化工艺、二级沼渣浆液陈腐化工艺、二级沼渣添加稻秸陈腐化工艺、以及二级沼渣添加稻秸加热陈腐化工艺4种方案,分析了4种工艺过程堆温、含固率、挥发性有机质、生物稳定性、以及植物毒性的变化规律,为厨余垃圾沼渣处理工艺选择提供了参数参考。
01材料与方法
1物料来源和特征
我国厨余垃圾干法厌氧消化残余物目前大多采用挤压脱水→振动筛分→离心分离的方法脱水处理,产生含固率较高的沼渣,外运焚烧或填埋处置。由于挤压脱水和振动筛分产生的沼渣杂质含量高,一般合并输送即为一级沼渣;离心分离产生的沼渣杂含量低、含水率高,单独输送,形成二级沼渣。
本文研究采用的一级和二级沼渣来源于某厨余垃圾干法厌氧发酵处理工程一级和二级沼渣的输送设备出口。一级和二级沼渣其外观如图1所示,可见一级沼渣蓬松易好氧堆肥,但杂质含量高,堆肥后仍会含有大量杂质;二级沼渣杂质含量低,但密实、黏连,好氧堆肥需要添加秸秆等辅料,增加其通气性。一级和二级沼渣含水率分别为 65.2%±2.6%和78.8%±0.2%ww(湿基百分比),含杂率(包括橡塑、玻璃、石头、贝骨、纺织物等)分别为32.0%±6.0%和0.9%±0.2%dw(干基百分比),C/N 分别为12.7±0.5和8.7±0.6。
图1 一级和二级沼渣外观图
稻秸为田间自取,并用带刻度侧刀将其切制3~4cm,其含水率为11.8%±0.8% ww,C/N为65.6±1.6。
2实验装置和过程
陈腐化实验采用图2所示装置进行实验。
图2 陈腐实验装置图
一级沼渣透气性好,含水率适宜,可以直接固相曝气陈腐化。二级沼渣密实不透气,因此考虑两种陈腐化工艺,一种按质量比1∶1加水后浆液曝气,另一种考虑添加稻秸增加其透气性后固相曝气。
依据《园林绿化废弃物堆肥技术规程》DB11/T 840-2011要求初始含水率50%~65%,以及《农业清洁生产蔬菜残体堆肥技术规程》DB13/T 2327-2016要求物料含水率为55%~70%,因此二级沼渣固相曝气时按沼渣重量25%比例添加稻秸,将含水率调节至65%,此时C/N为20。同时考虑加快陈腐进程,减少工程占地,设置全程加热补水工艺方案。
根据《生活垃圾堆肥处理技术规范》CJJ 52-2014,要求通风量以0.05~0.20m³/(min·m³垃圾),因此采用0.20m³/(min·m³垃圾)曝气风量,对于全程加热补水方案,考虑减少补水频率,曝气风量采用0.05 m³/(min·m³垃圾)。设置4组实验参数详见表1。每天记录室温和堆体温度,每四天取样100g测试 TV、VS、AT4(四日呼吸指数)、GI(种子发芽率)。FRD-1、SRD-2、SRD-3为固相陈腐化,每两天翻垛一次,SRD-3持续补水保持其含水率不低于40%。
表1 陈腐试验参数表
3测定方法和数据处理
TS、VS以及物理组分依据《生活垃圾采样和分析方法》CJ/T 313-2009采用重量法测定。生物稳定性采用四日好氧呼吸速率指数(AT4)表征,并参照德国《Ordinance on Environmentally Compatible Storage of Waste from Human Settlements and Biological Waste-Treatment Facilities》KrW/AbfG 2001法令规定测定。植物毒性采用种子发芽率(GI)表征,并依据《生活垃圾堆肥处理技术规范》CJJ 52-2014规定测定,浸提液按照固液比1∶10(样品干基重/蒸馏水体积)制取,选用萝卜种子测定。碳氮比测试,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软件完成。
02结果与讨论
1室温与罐内温度
4种陈腐化试验温度变化情况如图3所示,可知一级沼渣直接曝气陈腐化(FRD-1)最高温度仅能达到35℃,主要是由于其含水率高,约65%,C/N低<15%,没有足够生物质能供给其升温。
二级沼渣加水后浆料陈腐化(SRD-1),堆体温度基本与室温相等,或者高1~2℃,主要是由于其含水率高达92.4%,C/N<10%。二级沼渣添加25%稻秸陈腐化(SRD-2),可有效改善其C/N至近20,但由于其含水率仍较高,约65%,因此最高温度也仅能达到53℃,不能满足杀灭有害微生物55 ℃持续5d的标准要求。二级沼渣添加25%稻秸加热陈腐化(SRD-3),前期除外加热源,同时自身有机物降解产热,最高温度可达58 ℃,后期因系统通风散热,以及保温外壁热损,导致堆体温度低于夹套水浴温度55 ℃,堆体温度稳定在52 ℃ 左右。
图3 陈腐化试验温度变化趋势图2TS 和 VS
4种陈腐化工艺试验TS变化情况如图4所示。一级沼渣直接曝气陈腐化20d,TS仅能提高到50%ww,产物不能满足《绿化用有机基质》GB/T 33891-2017中 TS≤40% 和《有机肥料》NY 525-2021 中TS≤30% 等标准要求,需要进一步脱水。
二级沼渣加水浆料曝气陈腐化其含水率基本不变,起不到脱水作用。二级沼渣添加稻秸陈腐化20天后,产物含水率约39%,刚可达到小于40%绿化用有机质标准要求,实际应用过程单靠自然陈腐化,其产物含水率符合标准要求保障性低。二级沼渣添加稻秸加热陈腐化若不补水,在第6天左右就可使含水率低于40%。
4种陈腐化工艺试验VS变化情况如表2所示。前三种情形下VS皆仅降低3%左右,变化不显著。SRD-3的VS降低约8.6%,可知在加热条件下,有机物降解量远大于另外3种工艺。
图4 陈腐化试验TS变化趋势图
表2 陈腐化试验VS变化表
3生物稳定性
4种陈腐化工艺试验AT4变化情况如图5所示。4种工艺AT4皆逐渐减小,FRD-1工艺一级沼渣逐渐降至17.4 mg O2/g dw,SRD-1工艺二级沼渣浆液逐渐降至42.2 mg O2/g dw,SRD-2工艺二级沼渣逐渐降至19.8 mg O2/g dw,SRD-3工艺二级沼渣逐渐降至5.8 mg O2/g dw。
可见,二级沼渣浆液陈腐化效果最差,20天陈腐后生物稳定性最差。FRD-1和SRD-2工艺陈腐化效果较好,20天后AT4分别可达32.7和29.5 mg O2/g OM,可满足美国关于AT4≤35 mg O2/g OM的标准要求,但满足不了欧盟AT4≤10 mg O2/g dw 和德国AT4≤5 mg O2/g dw的标准要求。SRD-3 工艺陈腐化效果最好,20天后 AT4分别可达9.4 mg O2/g OM,即可满足美国关于AT4≤35 mg O2/g OM的标准要求,也可满足欧盟 AT4≤10 mg O2/g dw 的标准要求。
图5 陈腐化试验AT4变化趋势图4植物毒性
4种陈腐化工艺试验GI变化情况如图6所示。4种工艺GI皆逐渐增大,FRD-1工艺一级沼渣GI逐渐升至 83%,SRD-1工艺二级沼渣浆液GI仅能达到13%,SRD-2工艺二级沼渣GI可达91%,SRD-3 工艺二级沼渣GI逐渐达到104%。其中,二级沼渣浆液陈腐化效果最差,植物毒性难以有效消除。FRD-1、SRD-2 和SRD-3工艺陈腐化效果均较好,皆可满足《有机肥料》NY/T 525-2021关于GI≥70% 的标准要求。
图6 陈腐化试验GI变化趋势图
5加热陈腐化时间
将陈腐化过程物料外观情况与AT4数值对应,详见图7。
图7 陈腐化过程物料外观与 AT4 数值对应图
AT4>20 mg O2/g dw时,物料外观与原始物料未呈现出明显差异;AT4≈15 mg O2/g dw时,稻草出现肉眼可见的降解,出现分叉和碎屑;AT4≈10 mg O2/g dw 时,稻草虽仍可见,但已大量降解,结构已基本被破坏;AT4≈5 mg O2/g dw 时,稻草基本不可见,但物料结成块状。
对比标准要求,总结出陈腐化所需时间对照表(详见表3),标准数值按插值法计算获得,OM按60%计。可见,FRD-1和SRD-2两种工艺需20天才能达到的腐熟程度,在55 ℃加热陈腐条件下约11天就可完成,时间缩短45%,可有效减小陈腐化占地面积。按我国《生物质废物堆肥污染控制技术规范(征求意见稿)》要求,建议加热曝气快速陈腐化15天。
表3 沼渣陈腐化过程AT4达标所需时间表
注:a:OM,Organic Matierials,有机物料,指剔除石头、玻璃、陶瓷、金属等可辨识无机物料后干重;b:dw,dry weight,干重,指物料烘干至恒重后总量量。
03结论
目前我国厨余垃圾干法厌氧消化沼渣植物毒性较高,生物稳定性较差,需要陈腐化才能施用于土壤。通过本研究获得以下4点结论:
(1)厨余垃圾干法厌氧一级沼渣直接陈腐化和二级沼渣添加25%稻秸陈腐化 20 天,AT4可降至35 mg O2/g OM以下,满足美国标准要求,GI可升至80%以上,满足我国相关标准要求。
(2)二级沼渣加水浆液陈腐化20天效果差,AT4和GI皆不能满足相关标准要求。
(3)二级沼渣添加25%稻秸加热陈腐化效果好,与不加热相比可缩短45%的陈腐化时间,从而减小占地面积,若陈腐时间达到20天,可满足AT4最严德国标准,达到 5 mg O2/g dw。
(4)本研究对我国厨余垃圾干法厌氧沼渣资源化利用具有指导意义,可极大提升厨余垃圾处理项目资源化利用率,助力我国垃圾分类政策推行。
作者丨康建邨、方祥、陈子璇、郑苇、范世锁
康建邨
现任中城环境副总经理,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。
编辑:李丹
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