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初始物料含水率对餐厨垃圾高温好氧消化过程的影响
谢炜平 邹原 唐建军 梁彦杰
摘要：利用自制好氧消化反应装置对3组不同初始含水率的物料进行了小规模模拟试验，通过测定物料中水溶性凯氏氮、水溶性总有机碳和水溶性碳氮比、pH来推断反应进行的程度。结果表明：在堆料初始环境温度为50℃，水溶性C/N约18:1，通风量为16.69m3/d的初始条件下，综合水溶性TOC的降解率和实际生产过程的要求，物料配比m餐厨垃圾/m锯木粉=3:1（即含水率约为55%）时为最佳值，水溶性TOC可由4.97%降至1.84%。同时最佳值下，物料水溶性C/N最终可降至7.19，接近腐熟程度；在本实验通风和加热条件下，不同含水率的物料最终含水率均可降至25%左右。
关键词：餐厨垃圾；高温好氧消化；含水率
中图分类号：X705文献标识码：A文章编号：1005-8206（2010）03-0001-04
餐厨垃圾是家庭、餐饮单位抛弃的剩饭菜的通称，是城市生活垃圾的重要组成部分。据国家环境公报显示，我国2005年城市生活垃圾的清运量已经达到了15576.8万t，按照餐厨垃圾占城市生活垃圾比例30%～40%来计算，餐厨垃圾清运量为4673.0万～6230.7万t，而且随着餐饮业的高速发展，产生量还在迅速增加。
高温好氧消化反应可以将餐厨垃圾转化为有机肥料，不仅保留了餐厨垃圾中的有用成分，而且可以降低对环境的危害，同时好氧消化耗时短，维护简便，运行成本低，如果利用人工加热的方式，好氧发酵时间会大大缩短，消化反应完全，所以通过高温好氧消化技术制取肥料成为未来处理餐厨垃圾的有效方法之一。通常为了保证高温好氧消化的顺利进行，需要在餐厨垃圾中添加一些辅料，如麦麸、锯木粉等。这些辅料的作用主要是调节餐厨垃圾的含水率，增加物料的比表面积，提高与氧气接触反应的效率。
笔者通过自制好氧消化装置，对餐厨垃圾高温好氧消化工艺进行小型模拟试验。通过改变餐厨垃圾与辅料（锯木粉）配比改变初始物料含水率，并研究初始物料含水率对反应过程的影响。
1实验
1.1实验材料
餐厨垃圾：采集于深圳职业技术学院食堂，经手工筛选除去其中的骨头等大块杂质，餐厨垃圾经食物破碎机破碎，混匀。
辅料：锯木粉，取自深圳南山区某家具厂，用于调节初始物料含水率和空隙率。餐厨垃圾及填料的相关理化性质见表1。
表1物料相关理化性质

1.2实验方法
将餐厨垃圾和锯木粉按照一定比例混合后，投入反应器中，物料配比和含水率的关系见表2。物料总质量10kg，温度控制在50℃，以自制生物制剂为启动微生物源。经过计算，反应中控制通风量约16.69m3/d。物料混合后，实验启动。
表2初始物料配比与含水率的关系

1.3实验装置
反应器采用密闭式发酵装置，装置为半圆柱体，反应罐内设有加热、搅拌、通风系统，并且可以通过控制器对温度和搅拌进行控制，同时，反应器设有尾气回收装置，防止过程中产生的废气对环境的影响，反应罐剖面及其它装置连接见图1。反应时间设为96h，反应过程中每天取样2～3次。

图1餐厨垃圾高温好氧消化实验装置
1.4实验参数检测方法
高温好氧消化是一个复杂的生化过程，不能采用单一的指标对其进行评价。因此，实验选取以下参数来评价反应过程，参数测定方法及意义见表3。
表3试验参数检测方法及意义

2结果与讨论
2.1水溶性TOC和水溶性凯氏氮变化
不同含水率下物料中水溶性TOC和凯氏氮随时间的变化如图2和图3所示。变化表明，物料中初始含水率会对反应产生不同影响。1＃、2＃、3＃反应器内物料的初始TOC含量分别为4.97%、4.13%和2.97%，经过96h的消化过程后，TOC分别降为1.84%、1.25%和1.47%，降解率分别为62.92%、70.05%、49.69％。本次实验反应初期的TOC下降较决，而反应后期，各物料水溶性TOC下降速度均有变缓的趋势。与前人的研究相似。

图2不同含水率下物料水溶性TOC与反应时间的关系

图3不同含水率下物料水溶性凯氏氮与反应时间的关系
由于微生物对底物的分解作用，水溶性凯氏氮的含量变化大致呈先下降后缓慢上升的趋势。这主要是由于在反应初期，细菌等微生物将大量可溶态氮用于合成自身菌体，水溶性凯氏氮下降明显，微生物的异化作用大于同化作用，水溶态凯氏氮呈上升趋势，反应结束时，1＃样本水溶性凯氏氮含量由0.25%升为0.26%；2＃样本中水溶性凯氏氮回升较慢，最终凯氏氮为0.16%；3＃样本由于反应过程中水分损失较大，导致物料总体质量偏小，因此凯氏氮所占比例偏大。
就降解效果而言，含水率为50%～55%的物料具有更好的降解效果，而当含水率低于40%时，微生物对水溶性TOC降解效果就会下降。这是由于含水率过少会增大物料与空气的接触面积，空气接触面的增大虽然会提高微生物对氧气的利用率，但同时也会增加水分和热量的流失，从而降低生物的活性。同时，1＃物料凯氏氮比2＃物料回升快，而且考虑到实际生产过程中，较高的锯木粉含量意味着降低了单位容积中处理餐厨垃圾的量，因此55%更符合实际生产需求。
2.2水溶性碳氮比的变化
经过反应，不同含水率下物料中的水溶性C/N均迅速下降，反应结束时C/N均降至10以内，含水率为55%的物料水溶性C/N降为7.19，基本接近腐熟时水溶性C/N=5～6，但是，从严格意义上讲，该反应只能属于一次发酵阶段，并未经历腐熟阶段，因此最终C/N稍有偏高。除此之外，初始物料的水溶性C/N也是影响最终物料稳定性的一个重要元素；同时发现，改变初始物料配比对水溶性C/N影响不大，这主要是由于锯木的水溶性物质较少的缘故。其变化见图4。

图4不同含水率下物料水溶性C/N与反应时间的关系
2.3 pH的变化
pH的变化与物料中的氨氮有密切关系。由于大分子有机物降解为小分子的有机酸，因此各个物料的PH在反应初期下降很快，随后1＃、2＃的物料中，微生物开始将含氮物质分解为氨氮，pH开始缓慢上升。由于含水率为40%的物料中微生物的活动相对不活跃，因此3＃物料中pH上升趋势不明显。同时发现，在反应过程中大部分时间物料处于较低的pH范围内，因此如果想进一步提高反应速度可以尝试对pH进行调节。其变化见图5。

图5不同含水率下物料pH与反应时间的关系
2.4含水率的变化
物料的含水率变化主要与通风量有关，由图6可以看出，在相同通风量的情况下，最终物料含水率均降至25%左右，可以满足我国有机肥料含水率的要求。同时发现，实验中初始含水率为40%的物料含水率下降较决，结束时降至22.90%，主要是由于物料空隙较大，颗粒间的空隙水和毛细水大量蒸发引起的。而含水率为50%、55%的物料由于反应器内的通风和加热的影响，含水率也逐步下降，反应后期下降较快。其原因主要是反应初期微生物的呼吸作用旺盛，产生大量水分，通风和加热带走的水分可以得到相应的补充，反应后期，随着可降解物质的减少，含水率已经降低至不适合微生物生长的40%左右，因此呼吸作用产生的水分较少，物料中的水分大量蒸发，含水率在反应后期迅速下降。因此可以看出，只要保证适当的通风和加热，不同含水率的物料通过高温好氧消化，水分都可降至合适的范围。

图6不同含水率下物科含水率与反应时间的关系
3结论
1）初始物料含水率影响微生物的活性，所以不同的初始物料含水率可以明显地影响堆料内微生物对有机质的降解。综合水溶性TOC的降解率和实际生产过程的要求，含水率约55%为最佳。
2）各物料水溶性C/N均未能完全降至5～6，表明该反应仍处于一次发酵阶段。另外反应过程中PH较低，不利于微生物的生长和繁殖。
3）只要保证适当的通风和加热，不同含水率的物料通过高温好氧消化，水分都可以降至合适的范围。
参考文献略
文章来源：《环境卫生工程》2010年 第3期