廚余垃圾干濕協同厭氧3 種有機副產物的熱解炭化研究

鄒錦林

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司 上海 200092）

0 引言

廚余垃圾分為餐廚垃圾、家庭廚余垃圾以及其他廚余垃圾。餐廚垃圾產生自飯店、食堂等餐飲業的殘羹剩飯，具有來源多、分布廣的特點；廚余垃圾主要指居民日常烹調中廢棄的下腳料，具有產量大、有機成分含量高的特點［1］。目前，國內廚余垃圾處理基本以厭氧消化技術為主，其中餐廚垃圾以烹飪過的熟物料為主，其具有含水率高、漿化率高的特點，國內基本以濕式厭氧消化工藝為主；家庭分類廚余垃圾以及其他廚余垃圾通常以烹飪的生物料為主，其含水率相對較低、漿化率不高，干式厭氧消化工藝對此原料較為適宜，以廈門、上海、青島、南京、重慶、合肥等為例，其廚余垃圾多采用干式厭氧消化工藝。然而，無論濕式或干式厭氧，其厭氧消化前均需要一定的預處理的工序，特別針對油脂含量較高的廚余垃圾，其在進入厭氧消化罐前需進行除油預處理。國內目前除油工藝基本均采用加熱后離心分離法，通過將物料加熱至80 ℃左右并停留一段時間，泵送至三相離心機進行油脂分離。三相離心機在分離油脂的同時，還可分離出液相的漿液和固相的三相固渣，其中三相固渣具有有機質含量高、營養成分高的特點，是廚余垃圾重要的資源化對象。

厭氧消化過程中除了產生的沼氣和沼液外，其未降解的有機質、微生物菌體、無機殘渣等構成了沼渣的主要成分。濕式厭氧和干式厭氧消化由于進料條件不同，其沼渣的組成也不同。通常濕式厭氧消化采用離心脫水方式，形成含水率70%～80%的離心沼渣；干式厭氧由于進料復雜，其脫水常采用擠壓脫水和離心脫水2 道工序，分別形成含水率55%～65%的離心沼渣和含水率70%～80%的離心沼渣。

本文針對廚余垃圾干濕協同厭氧3 種有機副產物，預處理環節產生的三相固渣、離心沼渣和擠壓沼渣進行熱解炭化中試。通過對3 種有機副產物的特性、營養成分和重金屬含量分析，研究其制取生物炭肥料的可行性［2］。

1 材料和方法

1.1 材料

消化物取自中國東部某大型廚余垃圾厭氧消化處理廠，如圖1 所示，3 種有機副產物的特性如表1 所示。

表1 3 種有機副產物的特性

圖1 消化物圖像

1.2 熱解實驗

將3 種有機副產物分批次加入處理規模為2 t/d 的熱解反應器進行中試研究，如圖2 所示。該反應器由2 級螺旋式熱解反應器組合而成，當主反應器的溫度在氣體燃燒器的作用下升高到550 ℃時，加入物料，然后連續干燥和熱解。熱解過程產生的包括氣體和油蒸氣的揮發性產物送至熔爐進行二次燃燒，并將產生的高溫煙氣用作加熱源來加熱反應器。

圖2 中試熱解反應器系統

在熱解過程中，第二級螺旋反應器保持在500～550 ℃內，控制消化物的移動速度，使其在反應器內超過500 ℃的持續時間約為30～45 min。每次對入口消化物和出口生物炭進行稱重，并記錄進料開始進料后消耗的輔助燃料，即LPG。

1.3 測量和表征

用氣相色譜GC（Agilent 7820A，USA）分析收集的氣體產物的組 分，以確定 氣體中含有CH4、H2、CO、CO2、C2H6、C2H4、C2H2、C3H8、C3H6和C3H4等組分。將生物炭研磨并送往實驗室進行分析，元素分析是用元素分析儀（Elementar，德國）進行。為了測定重金屬含量，根據美國環境保護局的方法3052，使用安捷倫ICP-MS 7700 電感耦合等離子體（ICP）質譜儀（美國安捷倫科技公司）分析樣品。

3 種不同副產物和最后形成的生物炭的密度根據《化工產品密度、相對密度的測定》（GB/T 4472—2011），以煤油為介質，用比重瓶測量。通過使用刻度桶粗略測量消化物和生物炭的體積，體積減少率（VRR）計算見式（1）。

式中：Vc和Vd分別為生物炭和3 種不同副產物的體積。

2 結果和討論

2.1 熱解產物和能量平衡

熱解產物和體積還原率見表2。

表2 熱解產物（生物炭）的特性研究

從表2 可知，3 種不同副產物熱解后產生的生物炭產量從38.87%變化到59.28%，結合表1，可以看出是隨著灰分含量的增加而增加。所有生物炭的密度都<500 kg/m3，這表明它們是多孔的。擠壓沼渣和三相固渣體積可以減少60%以上，因此熱解是1 種很好的減容技術，其對減少運輸量非常重要。3 種不同副產物預熱后的輔助天然氣消耗均為零，因此可判斷其均可以在沒有輔助燃料消耗的情況下進行熱解。但是本次試驗的離心沼渣經過預干化，其在干化過程消耗了的能量未被統計在本次試驗范圍內，為了評估能量平衡，今后應該將干化步驟放在一起考慮。

2.2 熱解氣

在熱解過程中，氣體產物與油蒸氣一起在爐中燃燒，并為熱解反應器提供熱量。3 種不同副產物熱解氣體產量及其組成如表3 所示。

表3 天然氣產量及其成分體積 （%）

由表3 可以看出，熱解氣主要成分為N2，這是因為本次熱解試驗規模過小，通常采用料封隔絕空氣。為避免空氣的進入，在進料無法形成料封的前提下，采用N2進行空氣隔絕。此外，還可以看出，3 種不同副產物中，三相固渣產生了具有最高可燃成分的氣體產物。

2.3 生物炭作為肥料的評價

3 種副產物熱解產生的生物炭的特性見表4。

表4 3 種副產物熱解產生的生物炭的特性

從表4 中的數據可以看出，3 種副產物熱解產生的生物炭中的相關重金屬都低于 《有機肥料》（NY 525—2021）的標準值，因此重金屬不會成為使用生物炭作為肥料的障礙。經過高溫處理（＞500 ℃）后，由于蟲卵和糞大腸菌群均被完全殺死，預計蟲卵和糞大腸桿菌群將為零，達到 《有機肥料》（NY525—2021）標準要求的每克物質少于100 個；而在厭氧消化原生沼渣中，即使在堆肥后它們仍然可以存活［3］。來自三相固渣的生物炭中總養分N+P2O5+K2O 的含量高于4.0%，符合有機肥標準。因此，根據表4 中的數據，來自三相固渣熱解產生的生物炭是一種高質量的有機肥料。而對于另外2 種沼渣制成的生物炭，它們可以通過添加N 和K 作為生產肥料的基質；對于擠壓消化物中的生物炭，在用作肥料基質之前，必須去除玻璃片、礫石和小金屬片等雜質。

3 結論

本文通過對廚余垃圾干濕協同厭氧3 種有機副產物的熱解炭化的分析，研究熱解炭化生產生物炭肥料的可行性。初步得出以下3 個結論：

（1）三相固渣和擠壓沼渣的熱解可以達到≥60%的體積減量，因此熱解為減容提供了1 個很好的替代方案；其生物炭產率分別為38.87%和50.44%。對于離心沼渣（干化后），熱解只能減少15.34%的體積，因為它含有高比例的灰分（47.07%）。

（2）試驗中所有生物炭的密度都＜500 kg/m3，這表明它們是多孔的。三相固渣的生物炭具有很高的養分含量，是1 種潛在的良好肥料；離心沼渣和擠壓沼渣熱解產生的生物炭的總養分含量不能滿足肥料標準，但如果能夠去除擠壓消化物中的雜質，它們可以作為生產肥料的基質。

（3）在2 t/d 的中試熱解系統中，3 種物料均在沒有輔助燃料的情況下實現了能量平衡，表明熱解炭化工藝在針對3 種不同物料處理中均可通過自身產生的熱解氣二次燃燒維持系統穩定運行。