餐廚垃圾物料初始含水率對高溫生物降解反應的影響

【摘要】：為研究餐廚垃圾物料初始含水率對高溫生物降解反應的影響，本研究利用自制高溫生物降解反應裝置對 3組不同初始含水率的物料進行了小規模降解試驗，通過對樣品水溶性TOC （TOC）、水溶性凱氏氮KN、水溶性C/N 、KN、pH以及含水率等指標的分析，來考察餐廚垃圾物料初始含水率對高溫生物降解反應的影響。 實驗結果表明，在接種量為1%，反應溫度為55 ℃，水溶性C/N為20：1，通風量為0.8 m3/h，反應時間為7d的初始條件下，物料配比m米糠：m餐廚=1：3（即含水率約為58.5%）時，對餐廚垃圾高溫生物降解反應具有較佳的降解效率。在此條件下，TOC由7. 994%降低為3.99，C/N由20.36降低至5.84，達到降解比較完全的程度，促進了餐廚垃圾物料高溫生物降解速率，對促進高溫生物降解反應具有一定的積極影響。

【關鍵詞】：餐廚垃圾；高溫生物降解；初始含水率；TOC；水溶性C/N

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。據國家環境公報顯示，我國 2014年城市生活垃圾的清運量已經達到了17，860.18萬噸，按照餐廚垃圾占城市生活垃圾比例40-50%來計算，餐廚垃圾清運量為7144.072萬——8930.09萬噸[1]，而且隨著餐飲業的高速發展，產生量還在迅速增加。傳統的餐廚垃圾資源化技術是制備各種飼料，但該技術由于存在各種安全隱患而逐漸被各國政府限制或禁止，采取新的餐廚垃圾資源化處理方式逐步受到關注。其中，通過高溫好氧降解技術（thermophilic aerobic digestion，TAD） 實現餐廚垃圾降解減量是目前的研究熱點之一[2]。

該技術在高溫條件（45-55℃）下，通過加快微生物的新陳代謝，提高餐廚垃圾中有機物質的降解速度，可快速、高效地將餐廚垃圾進行降解，實現垃圾的減量化、穩定化和資源化。該技術在降低對環境的危害，同時好氧消化耗時短，維護簡便，運行成本低，如果利用人工加熱的方式，好氧發酵時間會大大縮短，消化反應完全，所以通過高溫好氧降解處理成為未來處理餐廚垃圾的有效方法之一[3]。通常為了保證高溫好氧消化的順利進行，需要在餐廚垃圾中添加一些輔料，如麥鼓、米糠等。這些輔料的作用主要是調節餐廚垃圾的含水率，增加物料的比表面積，提高與氧氣接觸反應的效率[4]。因此，本實驗通過自制高溫生物降解裝置，對餐廚垃圾高溫好氧消化工藝進行小型模擬試驗。通過改變餐廚垃圾與輔料米糠配比改變初始物料含水率，并研究初始物料含水率對降解過程的影響。

1、實驗設計

1.1 實驗裝置

實驗裝置采用自制的餐廚垃圾處理設備，裝置總尺寸為H*D*L=2100mm*1000mm*1500mm，由不銹鋼制成，一次能夠處理約50kg的餐廚垃圾。

餐廚垃圾處理設備啟動方式：向餐廚垃圾處理設備中投入當天收集到的餐廚垃圾，最后降解完成后統一出料。投入的餐廚垃圾先經過擠壓脫水去除垃圾中的游離水，然后由粉碎裝置對大塊的垃圾進行細化處理，最后將經過預處理的餐廚垃圾傳送到發酵容器內進行發酵降解處理。設備中安裝有加溫裝置，主要包括離心風機和加熱器，用來為發酵容器中的物料加溫除濕和補充新鮮空氣。設備的進料、脫水、粉碎、生物降解、出料等一系列工藝流程均實現集成自動化控制。

1.2 菌種

實驗過程中人工添加外購的高效復合微生物菌劑（由蘇柯漢研發的高效復合微生物菌劑）。使用過程中需要添加米糠作為輔料。

1.3 實驗對象

本實驗所用的餐廚垃圾來源于深圳市鹽田區區政府機關食堂的中餐和晚餐的食物殘余物。餐廚垃圾中主要包括有油、湯水、果皮、蔬菜、米面、魚骨、肉、骨頭等。經手工篩選除去其中的骨頭等大塊雜質，餐廚垃圾經食物破碎機破碎，壓榨、脫水后混勻。

米糠，取自深圳某糧食加工廠，用于調節初始物料含水率和空隙率以及C/N比。餐廚垃圾及填料的相關理化性質見表1。

將米糠和脫水處理后的餐廚垃圾按照（0：1，1/3：1， 1：1）的比例混合后，投入反應器中，物料配比和含水率的關系見表2；物料總質量10 kg，反應溫度控制在55℃左右，以高效微生物為接種菌種（接種量為1%），通風量為0.8m3/h，反應時間為1周。

1.5 實驗參數檢測方法

餐廚垃圾高溫生物降解是一個復雜的好氧生化過程，作為一個固、液、氣三相共存的復雜體系，在這一體系內，微生物為維持自身的活性不斷地進行新陳代謝活動，因此餐廚垃圾又是一個存在大量生化反應的體系[5]。餐廚垃圾的復雜性決定了影響好氧降解過程的因素是多種多樣的，而這些因素既相互獨立又相互影響，這些因素主要包括有機質、含水量、C/N、pH 值，因而不能采用單一的指標對其進行評價。因此，本實驗選取下述指標來研究含水率對餐廚垃圾高溫生物降解反應的影響，指標的測量方法主要見表3。

2、結果與討論

2.1 TOC的變化

不同含水率的餐廚垃圾對高溫生物降解過程中TOC的影響如圖1。結果表明，由于將脫水后的餐廚垃圾與米糠按照一定的比例混合后，導致物料的初始TOC與未添加米糠的物料相比有所下降，但是隨著反應的進行，各實驗樣品中的TOC均出現快速降低的趨勢。反應進行到24 h后，脫水后的餐廚垃圾與米糠混合的樣品TOC降解速度開始加快，其中加入1/3比例的米糠樣品降解幅度最大。當反應結束時，未添加米糠的物料（樣品1），其 TOC含量由7. 994%降低為3. 99%，降解率50. 80%；添加1/3比例的米糠物料（樣品2）的TOC含量為由6. 13%降低為1.29%，降解率為78. 95 %；添加比例為1：1的米糠物料（樣品3）的TOC含量為由4. 27%降低為1. 67%，降解率為60. 89 %。

上述結果說明米糠等輔料的加入使得餐廚垃圾的含水率有所下降，從而提高了餐廚垃圾中有機物的降解效率，其中添加1/3比例的米糠（初始含水率為58%）物料（樣品2）的有機物的降解效率最為明顯。這可能是由于脫水后的餐廚垃圾物料含水率為74.53%，超過65%，過多的水分會填滿顆粒間的孔隙并擠壓餐廚垃圾物料，將原料孔隙中的空氣排出，降低游離孔隙率，影響空氣擴散，導致餐廚垃圾物料由于缺氧而向厭氧發酵轉化，從而使得餐廚垃圾物料高溫生物降解效率下降[6]；而當添加比例為1：1的米糠物料（樣品3）其含水率為42.25%，水分含量接近40%，含水率過少會增大物料與空氣的接觸面積，空氣接觸面的增大雖然會提高微生物對氧氣的利用率，但同時也會增加水分和熱量的流失，水分無法滿足微生物的新陳代謝需要，從而降餐廚垃圾原料內微生物活性受到抑制，降低降解反應速率，影響高溫生物降解的順利進行；而當添加比例為1/3：1的米糠物料（樣品3）其含水率為58.50%，其含水率處于55-60%之間，符合好氧發酵的條件，因此，其降解效率最高。

2.2 KN的變化

水溶性的凱氏氮主要包括蛋白質等有機氮和氨氮，該參數的變化可反映微生物的生化過程及其對氮的利用情況[7]。如圖2所示即為不同初始含水率下的餐廚垃圾高溫生物降解過程下KN的變化。

實驗結果表明，三種樣品中的物料 KN大體呈先降后升的趨勢；這主要是由于在反應初期，當細菌等微生物逐漸進入對數增長期，大量可溶態氮被用于合成自身菌體，該參數呈下降趨勢；當微生物的異化作用大于同化作用，水溶態凱氏氮呈上升趨勢，因此，KN會呈上升趨勢[8]。 反應結束時，樣品1中KN含量由0.397%升為0. 4%；樣品2中凱氏氮回升較慢，KN含量由0.301%最終降低為0.221%；樣品3由于反應過程中水分損失較大，導致物料總體質量偏小，KN含量由0.205%升為0. 225% ，因此凱氏氮所占比例偏大。同時，樣品2中凱氏氮在前期下降較快且回升較慢，而且考慮到實際生產過程中，較高的米糠含量意味著降低了單位容積中處理餐廚垃圾的量，因此55%-60%范圍的初始含水率的物料更符合實際生產需求。

2.3 C/N的變化

微生物的生長代謝需要一定的營養元素，其中C， N， P， K最為重要，所以C/N也是影響餐廚垃圾高溫降解的重要因素之一[9]。如圖3所示即為不同初始含水率的餐廚垃圾高溫生物降解過程下C/N的變化。

實驗結果表明，經過反應，不同含水率下物料中的水溶性C/N均迅速下降，反應結束時C/N均降至10以內，其中樣品1的C/N由20. 13降低至9.99，樣品2的C/N由20. 36降低至5.84，接近降解完全時水溶性C/N=5-6，說明樣品2（含水率為58%）的物料降解較為完全，樣品3的C/N由20. 82降低至7.42；不難看出，加入1/3和100%的米糠輔料能提高C/N的降低速度，有利于餐廚垃圾的好氧降解與快速穩定化轉變，說明初始含水率對餐廚垃圾高溫好氧降解速度的提高具有一定作用，其中加入1/3米糠輔料的樣品2其含水率為58%，符合好氧發酵含水率55-60%的條件，因此能夠得到較好的降解；而當添加比例為1：1的米糠物料（樣品3）其含水率為42.25%，水分無法滿足微生物的新陳代謝需要，從而降餐廚垃圾原料內微生物活性受到抑制，降低降解反應速率，使得樣品3在高溫生物降解下不完全；而樣品1的物料含水率為74.53%，過多的水分會填滿顆粒間的孔隙并擠壓餐廚垃圾物料，將原料孔隙中的空氣排出，降低游離孔隙率，影響空氣擴散，導致餐廚垃圾物料由于缺氧而向厭氧發酵轉化，從而使得餐廚垃圾物料高溫生物降解效率下降[10]。

另外研究還發現，在反應開始的48 h內，C/N變化較為平緩，這是由于開始階段微生物將有機物中的不溶性物質分解為水溶性有機物，導致TOC在反應開始的階段逐步升高；48h后，微生物經過多次生命循環，氧化掉過量的C，C/N開始急劇下降，這與前人的研究結果相似。

2.4 pH的變化在高溫生物降解的過程中，一般認為餐廚垃圾降解速率在pH值為6.5-7.5時最大，pH值過高或過低都會影響降解效率，作為評估降解環境的一項參數，pH值也是餐廚垃圾高溫生物降解的重要影響因素之一[11]。在餐廚垃圾降解過程中，隨著時間和溫度的變化，pH值也發生變化，在高溫生物降解的初期，細菌和真菌等微生物將大分子有機物質分解時，會釋放出乙酸、丙酮酸等小分子有機酸，這些酸性物質積累會導致pH下降，因此各個樣品物料的pH在反應初期下降很快；當反應進一步進行時，物料中蛋白質類有機物被微生物利用分解成氨氮，這將促使pH緩慢回升。因此，樣品1、2、3在此過程中pH均呈現先下降后上升的趨勢，其中樣品2的變化趨勢比較明顯，樣品3的變化趨勢次之，樣品1的變化趨勢比較平緩，這可能是樣品2處于55%-60%的含水率區間內，比較符合高溫生物降解的條件，物料得到較好的降解，而樣品3則由于含水率為42.45%，水分難以滿足微生物的代謝需要，使得物料中微生物的活動相對不活躍，對蛋白質等有機物降解能力較樣品1要低，降解不充分，產生的有機酸和氨氣相對較少；樣品1由于含水率較高，導致物料較難進行好氧降解，使得降解效率較低，對蛋白質等有機物降解能力弱。

2.5 含水率的變化

在餐廚垃圾的生物降解過程中，水分的主要作用是溶解有機物，參與微生物新陳代謝，同時水分蒸發時帶走熱量，調節降解溫度，因此物料的含水率變化通常和通風量以及溫度相關[12]。如圖5所示即為不同初始含水率的餐廚垃圾高溫生物降解過程下含水率的變化。

由實驗結果可以得知，在相同的溫度與通風條件下，樣品1、2、3的物料含水率均降至25%以下，達到較高的減量效率，可以滿足我國有機肥料含水率的要求。同時發現，實驗中初始含水率為42.45%的樣品2物料含水率下降較快，結束時降至21.75%。主要是由于物料空隙較大，顆粒間的空隙水和毛細水大量蒸發引起的。而含水率為58.5%，74.53%的物料由于反應器內的通風和加熱的影響，含水率也逐步下降，反應后期下降較快。其原因主要是反應初期微生物的呼吸作用旺盛，產生大量水分，通風和加熱帶走的水分可以得到相應的補充，反應后期，隨著可降解物質的減少，含水率已經降低至不適合微生物生長的40%左右。因此呼吸作用產生的水分較少，物料中的水分大量蒸發，含水率在反應后期迅速下降[13]。由此可以看出，只要保證適當的通風和加熱，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。

3、結論

（1）物料其初始含水率不同對微生物的活性造成一定的影響。當水分過高，水分會填滿顆粒間的孔隙并擠壓餐廚垃圾物料，將原料孔隙中的空氣排出，降低游離孔隙率，影響空氣擴散，抑制微生物的好氧反應，降低降解反應速率；當含水率過少，水分無法滿足微生物的新陳代謝需要，從而使餐廚垃圾原料內微生物活性受到抑制，降低降解反應速率；因此不同的初始物料含水率可以明顯地影響微生物對物料有機質的降解。綜合實驗過程中水溶性TOC的降解率與實際生產過程的要求，含水率處于55%-60%時降解率最佳。

（2）物料其初始含水率不同對餐廚物料的凱氏氮影響不大。由于微生物對底物的分解作用，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，差距并不明顯。

（3）物料其初始含水率不同對物料的C/N造成一定的影響。各物料水溶性C/N均下降到10以下，但當物料含水率過高或過低時，C/N均未能完全降至5-6，表明該降解反應并不充分，仍處于一次發酵階段；而當物料含水率處于55%-60%時，C/N處于5-6之間，表明該降解反應比較充分。這就意味著物料其初始含水率影響物料的C/N與降解效率。

（4）物料其初始含水率不同對餐廚物料的pH具有一定的影響。樣品1、2、3在此高溫生物降解過程中pH均呈現先下降后上升的趨勢，其中樣品2的變化趨勢比較明顯，樣品3的變化趨勢次之。這可能是樣品2有機物的降解效率≥樣品3有機物的降解效率≥樣品1有機物的降解效率。

（5）物料其初始含水率不同對餐廚物料的含水率影響不大。只要保證適當的通風和加熱，不同含水率的物料通過高溫好氧消化，水分都可以降至低于25%的范圍。

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基金項目：科技應用示范項目（KJYY20140829092048271）

項目名稱：生物降解技術在餐廚垃圾處理中的應用示范

第一作者簡介：成昕（1972-），男，漢族，湖南省長沙市人，碩士研究生，從事餐廚垃圾資源化利用與處理工作。