餐廚垃圾高溫堆肥工藝優(yōu)化研究

摘 要：【目的】研究餐廚垃圾高溫堆肥工藝優(yōu)化，以實現(xiàn)餐廚垃圾減量化、無害化、資源化的高效處理。【方法】以餐廚垃圾為主要原料，圍繞物料粒度、堆肥混合物含水率、高溫堆肥時間、pH值、堆肥溫度、通風(fēng)供氧速率等控制因素，在不同條件下檢測餐廚垃圾高溫堆肥進程變化和最終堆肥制品質(zhì)量。【結(jié)果】研究發(fā)現(xiàn)：在綜合考量堆肥效率和堆肥制品質(zhì)量等因素下，物料粒徑≤20 mm、堆肥混合物含水率55%、高溫堆肥時長120 h、高溫堆肥培養(yǎng)溫度55 ℃、供氧通風(fēng)速率15 L·min-1的工藝條件有利于提高餐廚垃圾高溫堆肥效率，獲得優(yōu)質(zhì)堆肥制品。【結(jié)論】研究所得最優(yōu)餐廚垃圾高溫堆肥工藝，為及時高效處理餐廚垃圾，實現(xiàn)餐廚垃圾無害化、減量化和資源化的高效利用提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：餐廚垃圾；高溫堆肥；工藝優(yōu)化；資源化

中圖分類號：X705" " "文獻標志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2024）02-0091-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.02.017

Study on Optimization of High Temperature Compost Process of Kitchen Waste

CHI Yongliang1 LIU Xiyao2

（1.Longyan Institute of Quality Inspection for Products， Longyan 364000， China; 2.Ningde Normal University，Ningde 352000， China）

Abstract： [Purposes] The optimization of high temperature composting process of kitchen waste was studied，in order to realize the efficient treatment of reduction， harmlessness and resource utilization of kitchen waste. [Methods] In this study， taking kitchen waste under actual working conditions as the main raw material， the design focuses on the control factors such as the particle size of the material， the moisture content of composting mixture， high-temperature composting time， pH value， compost temperature and ventilation and oxygen supply rate， and observes the change of kitchen waste high-temperature composting process and the quality of final composted products under different conditions. [Findings] The results show that considering the composting efficiency and the quality of composted products， the particle size is ≤20 mm， the moisture content of composting mixture is 55%， the process conditions of composting such as the high-temperature composting time is 120 h， the culture composting temperature is 55 ℃， and the oxygen supply and ventilation rate is 15 L·min-1 are conducive to improving the composting efficiency of kitchen waste at high temperature and producing excellent organic fertilizer. [Conclusions] It is of guiding significance to obtain the optimal high temperature composting technology for the timely and efficient treatment of kitchen waste， and to realize the efficient treatment of harmlessness，reduction and resource utilization of kitchen waste.

Keywords： kitchen waste; high-temperature composting; progress optimization; resource utilization

0 引言

餐廚垃圾是餐飲垃圾和廚余垃圾的總稱。餐飲垃圾是餐館、飯店、單位食堂等的飲食剩余物及后廚的果蔬、肉食、油脂、面點等加工過程中的廢棄物。廚余垃圾是家庭日常生活中丟棄的果蔬及食物下腳料、剩菜剩飯、瓜果皮等易腐有機垃圾［1］。隨著餐飲行業(yè)的快速發(fā)展，我國餐廚垃圾產(chǎn)量逐年遞增。據(jù)統(tǒng)計［2］，中國餐廚垃圾年產(chǎn)生量約6 000萬t，其中，北京、上海、廣州、重慶等超大城市餐廚垃圾日產(chǎn)生量均超過1 000 t，且每年增速在10%以上，餐廚垃圾的產(chǎn)生量遠遠超過了預(yù)期。眾所周知，餐廚垃圾有機質(zhì)含量高，易腐爛變質(zhì)，易造成環(huán)境污染，甚至危害人體健康，是一種嚴重的環(huán)境污染源，但同時餐廚垃圾中含有對農(nóng)業(yè)十分有用的有機質(zhì)和植物營養(yǎng)，因此利用得當可以獲得有用的農(nóng)業(yè)肥料。廚余垃圾堆肥處理方法簡單，堆肥產(chǎn)品能保留較多的氮，可用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或制作動物飼料［3］。本研究從餐廚垃圾高效資源化出發(fā)，圍繞物料粒度、堆肥混合物含水率、高溫堆肥時間、pH值、堆肥溫度、通風(fēng)供氧速率等控制因素，在不同條件下分析餐廚垃圾高溫堆肥進程變化和最終堆肥制品質(zhì)量，以獲得最優(yōu)餐廚垃圾高溫堆肥工藝組合，為及時高效處理餐廚垃圾，實現(xiàn)餐廚垃圾無害化、減量化和資源化的高效利用提供指導(dǎo)。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗所用餐廚垃圾取自寧德市某學(xué)校食堂，取回后按照試驗要求進行充分混合均勻，并對這些混合物進行分選、破碎、脫水等預(yù)處理。

1.2 設(shè)備和工藝

餐廚垃圾處理設(shè)備為智能有機垃圾處理設(shè)備，如圖1所示，由電氣控制系統(tǒng)、主機顯示屏、提升系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、粉碎系統(tǒng)、脫水系統(tǒng)、油水分離系統(tǒng)、生化系統(tǒng)、烘干系統(tǒng)等組成。餐廚垃圾可在主體箱里進行高溫堆肥，在主機顯示屏上可調(diào)節(jié)溫度和通風(fēng)量。降解過程排放出的蒸汽，經(jīng)除臭系統(tǒng)吸收處理后，最終排出水蒸氣和二氧化碳。餐廚垃圾高溫處理工藝路線如圖2所示。

1.3 試驗設(shè)計

取一定量經(jīng)分選、破碎、脫水等預(yù)處理后充分混合均勻的混合物，放入智能有機垃圾處理設(shè)備中進行高溫堆肥。從以下五方面進行試驗分析。第一，選取一定量不同的5批次餐廚垃圾，進行不同破碎等級處理后高溫堆肥，堆肥后檢測有機質(zhì)、總養(yǎng)分、水分的質(zhì)量分數(shù)，分析物料粒度對堆肥效果的影響。第二，對餐廚垃圾初始物料進行預(yù)處理，以30%為試驗起點含水率，而后含水率每增加5%按最佳堆肥時間進行一次堆肥試驗，堆肥完畢后檢測堆肥制品的有機質(zhì)、總養(yǎng)分、水分的質(zhì)量分數(shù)，獲得最佳堆肥含水率。第三，對混合物進行高溫堆肥（溫度、通風(fēng)速率由堆肥裝置進行調(diào)節(jié)）168 h，每24 h檢測pH值變化和堆肥制品的有機質(zhì)、總養(yǎng)分、水分的質(zhì)量分數(shù)，獲得最佳堆肥時間，從而了解堆肥進程中pH值隨時間的變化情況和對堆肥制品的影響。第四，根據(jù)堆肥裝置溫度調(diào)節(jié)情況，以30 ℃為試驗起點溫度，而后溫度每增加5 ℃按最佳堆肥時間進行一次堆肥試驗，堆肥完畢后檢測堆肥制品的有機質(zhì)、總養(yǎng)分、水分的質(zhì)量分數(shù)，獲得最佳高溫堆肥溫度。第五，根據(jù)堆肥裝置通風(fēng)速率調(diào)節(jié)情況，以5 L/min通風(fēng)速率為起點進行堆肥試驗，而后通風(fēng)速率每增加5 L/min進行一次堆肥試驗，堆肥完畢后檢測堆肥制品的有機質(zhì)、總養(yǎng)分、水分的質(zhì)量分數(shù)，獲得適宜高溫堆肥的最佳通風(fēng)速率。

1.4 檢測項目指標要求及檢測方法

根據(jù)《有機肥料》（NY/T 525—2021）標準要求，堆肥制品檢測參數(shù)技術(shù)指標要求及檢測方法見表1。

2 結(jié)果與分析

2.1 物料粒度的影響

本研究所用預(yù)處理設(shè)備1級破碎后物料粒徑≤30 mm、2級破碎后物料粒徑≤20 mm、3級破碎后物料粒徑≤10 mm，根據(jù)試驗要求，各級破碎的檢測數(shù)據(jù)如圖3至圖5所示。

由圖3至圖5可知，經(jīng)過不同等級破碎預(yù)處理后，同一批次各破碎等級之間堆肥制品的水分、有機質(zhì)、總養(yǎng)分的質(zhì)量分數(shù)變化不大，說明破碎等級的不同對堆肥最終質(zhì)量效果的影響并不顯著，與韓濤等［4］關(guān)于餐廚垃圾好氧堆肥工藝條件優(yōu)化的研究較為一致。只是餐廚垃圾顆粒粒度減小，可使比表面積增大，使得物料降解速率提高，從而縮短了微生物的降解時間。因此，為了縮短物料降解時間，需要減少對處理設(shè)備的損耗，降低處理過程中所產(chǎn)生的噪聲。在餐廚垃圾實際處理過程中，選擇合適大小的物料粒度，以利于產(chǎn)品后序加工處理，對物料進行2級破碎，即物料粒徑≤20 mm即可滿足實際生產(chǎn)要求。

2.2 堆肥混合物含水率的影響

對于高溫堆肥，水分是極其重要的因素。一方面，水分能夠充分溶解堆體中的有機質(zhì)，使這些有機質(zhì)參與堆體中微生物的繁殖和新陳代謝；另一方面，可以利用水分蒸發(fā)熱和散熱的特點來有效調(diào)節(jié)堆體的溫度。因而，含水率的高低，直接影響堆體內(nèi)微生物的活性，進而影響堆肥制品的質(zhì)量。餐廚垃圾自身的含水率相對較高，可達80%～90%。因此，調(diào)節(jié)適宜的含水率是高溫堆肥工藝的重要程序之一。根據(jù)試驗要求，不同含水率下堆肥制品的各質(zhì)量分數(shù)變化情況如圖6所示。

由圖6可知，在不同堆肥混合物含水率的情況下，堆肥制品的水分質(zhì)量分數(shù)隨著堆肥混合物含水率的增加呈緩慢上升趨勢；總養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)呈平緩波動；有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)上升，達到峰值后呈下降趨勢。堆肥混合物含水率增加到55%時，有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)達到最高值69%，說明在此含水率下堆肥制品內(nèi)有機質(zhì)被微生物大量降解。堆肥混合物含水率在30%時，有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)相對較低。因為在較低含水率下，會抑制堆肥體內(nèi)微生物的生長代謝，使餐廚垃圾內(nèi)微生物生長繁殖缺氧，活性受到抑制，進而導(dǎo)致分解有機質(zhì)的速率降低。當含水率達到70 %時，有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)也相對較低，因水分會填滿餐廚垃圾物料顆粒間的空隙，將物料孔隙中的空氣擠出，降低游離孔隙率，影響空氣擴散，抑制微生物活性，使代謝進程不完全并產(chǎn)生難聞的惡臭氣味，減緩堆肥進度，影響堆肥效果，導(dǎo)致有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)降低。該試驗中得出的堆肥混合物含水率55%是最優(yōu)高溫堆肥含水率，這與有些學(xué)者［5-10］研究結(jié)論比較一致，堆肥過程中含水率控制在50%～60%比較適宜。

2.3 堆肥時間的影響

根據(jù)試驗要求，各質(zhì)量分數(shù)隨堆肥時間的變化情況如圖7所示。

由圖7可知，餐廚垃圾有機質(zhì)含量較高，但是沒有經(jīng)過生物穩(wěn)定化的有機物不適宜直接作為肥料［11］。隨著堆肥時間的增加，有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)在堆肥過程中不斷下降，說明在高溫堆肥過程中，前期以好氣性微生物活動為主，有機質(zhì)不斷被微生物降解，迅速礦化生成較多的二氧化碳、水及其他養(yǎng)分物質(zhì)，分解速度快而徹底，于120 h后趨于穩(wěn)定。總養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)呈緩慢上升趨勢，于120 h后趨于穩(wěn)定，總養(yǎng)分主要包含氮、磷、鉀，其中磷和鉀以滲濾液淋失為主，隨著堆肥體質(zhì)量和體積的減小而上升，此時氮含量相對較高，堆肥體中微生物的生長繁殖使氮的分解速率加快，并不斷累積，因此總養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)在前期緩慢上升。水分質(zhì)量分數(shù)不斷下降，因為隨著堆肥時間的增加，堆體水分不斷蒸發(fā)而造成水分有所損失，120 h后水分散失趨于平緩。

綜合各質(zhì)量分數(shù)隨堆肥時間變化情況，本研究在高溫堆肥120 h可以得到穩(wěn)定有效的堆肥制品。

2.4 pH值的影響

對一般的微生物來說，中性或弱堿性是比較適宜的。堆肥過程中，pH值會隨著堆肥時間的推進而不斷發(fā)生變化，pH值的變化過程在一定程度上反映堆肥生化反應(yīng)進程。試驗中pH值隨堆肥時間的變化如圖8所示。

由圖8可知，餐廚垃圾堆體的pH值先降后升，因為在堆肥前期，堆體內(nèi)含有大量有機質(zhì)，相對于微生物需求量是過剩的，微生物需要將其轉(zhuǎn)變?yōu)樾》肿拥挠袡C酸后再吸利用，致使有機酸在堆體內(nèi)累積，出現(xiàn)了短暫的堆體pH值下降［11］，而后隨著細菌的快速生長，有機酸開始轉(zhuǎn)化，特別是氨態(tài)氮和胺類等堿性物質(zhì)的生成和積累［12-14］，使物料的堿度逐漸增加，從而導(dǎo)致物料的pH值不斷上升，至120 h后相對穩(wěn)定在中性左右，后期因為易降解的物質(zhì)基本降解完全，微生物的生命活性變緩，所以pH值相對穩(wěn)定，這與相關(guān)研究［15］較為一致。然而，堆肥物料自身具有較好的pH緩沖作用，而且微生物也可以在較大的pH值范圍內(nèi)生長繁殖，所以在堆肥過程中如果沒有特殊情況，在實際生產(chǎn)中堆體初始pH值可不用處理［16］。

2.5 堆肥培養(yǎng)溫度的影響

微生物的活性和堆肥反應(yīng)速率受溫度影響很大，特定的某一種微生物，只能在一定溫度范圍內(nèi)生長，所以堆肥培養(yǎng)溫度是餐廚垃圾高溫堆肥得以順利進行的關(guān)鍵因素之一。不同培養(yǎng)溫度下，各質(zhì)量分數(shù)隨堆肥溫度的變化情況如圖9所示。

由圖9可知，總養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)和水分質(zhì)量分數(shù)在堆肥培養(yǎng)溫度上升的同時波動幅度較小，保持相對的均衡的態(tài)勢；有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)則隨著堆肥培養(yǎng)溫度上升至一定閾值維持一段平衡后有下降趨勢。堆肥培養(yǎng)溫度上升至55 ℃時，有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)達到53%，說明當堆肥培養(yǎng)溫度在55 ℃時，微生物活性最強，固有微生物更容易利用堆肥體內(nèi)的有機質(zhì)進行新陳代謝，分解有機質(zhì)的速率最高。因為在30～40 ℃溫度范圍，嗜溫菌對有機物的分解起主導(dǎo)作用，而在45～65 ℃溫度范圍，嗜熱菌取代了嗜溫菌，對有機物的分解更加高效，在此階段的溫度不僅對快速腐熟有重要作用，同時逐漸形成腐殖質(zhì)，并開始出現(xiàn)能溶于弱堿的黑色物質(zhì)，并有利于殺滅有機廢棄物中的病原微生物。當溫度高于70 ℃時，大多數(shù)嗜熱菌已不適應(yīng)，微生物會大量死亡或進入休眠狀態(tài)而停止發(fā)酵，除一些孢子外，所有病原微生物都會在幾小時內(nèi)死亡，所以溫度過高會過度消耗有機質(zhì)甚至失去肥效［17］。綜合以上溫度情況分析，快速堆肥的適宜溫度為45～65 ℃，與相關(guān)文獻［18-20］研究結(jié)論較為一致，本研究得出的最佳堆肥培養(yǎng)溫度為55 ℃。

2.6 通風(fēng)供氧速率的影響

通風(fēng)供氧速率的控制也是高溫堆肥的重要條件之一。通風(fēng)速率過高，會降低堆肥過程的溫度，造成堆肥體溫度達不到高溫堆肥的高溫要求；通風(fēng)速率過低則容易造成空氣不足，使得堆肥體中呈缺氧狀態(tài)，抑制微生物的生長活動，使得分解率降低，影響高溫堆肥進程。因此，通風(fēng)速率的確定至關(guān)重要，堆肥制品各質(zhì)量分數(shù)在不同通風(fēng)速率下的變化如圖10所示。

由圖10可知，通風(fēng)速率增加的過程中，總養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)基本處于一個穩(wěn)定狀態(tài)；水分質(zhì)量分數(shù)前期略有下降，在15 L·min-1后保持穩(wěn)定；有機質(zhì)量質(zhì)量分數(shù)則隨通風(fēng)速率5 L·min-1增加到15 L·min-1過程中上升較大，在15 L·min-1狀態(tài)下達到最高值47%。綜合有機質(zhì)、水分、總養(yǎng)分等質(zhì)量分數(shù)情況，15 L·min-1為適宜的通風(fēng)速率。這與杜龍龍等［21］的研究結(jié)論較為一致。

3 結(jié)論

為實現(xiàn)餐廚垃圾減量化、無害化、資源化的高效處理，本研究圍繞物料粒度、堆肥混合物含水率、高溫堆肥時間、pH值、堆肥溫度、通風(fēng)供氧速率等控制因素進行試驗，通過測試有機質(zhì)、總養(yǎng)分、水分等的質(zhì)量分數(shù)情況，對實際工況下餐廚垃圾高溫堆肥工藝進行優(yōu)化和調(diào)整，主要得出以下結(jié)論。

①物料粒徑≤20 mm可以滿足實際生產(chǎn)要求。

②堆肥混合物含水率在55 %時，堆肥制品內(nèi)有機質(zhì)被微生物大量降解，有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)可達到最高值69 %。

③高溫堆肥時長120 h可以得到穩(wěn)定有效的堆肥制品。

④堆肥物料自身具有較好的pH緩沖作用，而且微生物也可以在較大的pH值范圍內(nèi)生長繁殖，所以在堆肥過程中如果沒有特殊情況，在實際生產(chǎn)中堆體初始pH值可不用處理。

⑤堆肥培養(yǎng)溫度在55 ℃時，微生物活性最強，固有微生物更容易利用堆肥體內(nèi)有機質(zhì)進行新陳代謝，分解有機質(zhì)的速率最高。

⑥在15 L·min-1通風(fēng)速率狀態(tài)下，有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)達到最高值47 %，總養(yǎng)分、水分的質(zhì)量分數(shù)趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

綜合試驗研究，最優(yōu)餐廚垃圾高溫堆肥工藝組合為：物料粒徑≤20 mm、堆肥混合物含水率55%、高溫堆肥時長120 h、高溫堆肥培養(yǎng)溫度55 ℃、供氧通風(fēng)速率15 L·min-1。

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