厨余垃圾干湿协同厌氧3 种有机副产物的热解炭化研究

时间：2024-08-31

邹锦林

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司上海 200092）

0 引言

厨余垃圾分为餐厨垃圾、家庭厨余垃圾以及其他厨余垃圾。餐厨垃圾产生自饭店、食堂等餐饮业的残羹剩饭，具有来源多、分布广的特点；厨余垃圾主要指居民日常烹调中废弃的下脚料，具有产量大、有机成分含量高的特点［1］。目前，国内厨余垃圾处理基本以厌氧消化技术为主，其中餐厨垃圾以烹饪过的熟物料为主，其具有含水率高、浆化率高的特点，国内基本以湿式厌氧消化工艺为主；家庭分类厨余垃圾以及其他厨余垃圾通常以烹饪的生物料为主，其含水率相对较低、浆化率不高，干式厌氧消化工艺对此原料较为适宜，以厦门、上海、青岛、南京、重庆、合肥等为例，其厨余垃圾多采用干式厌氧消化工艺。然而，无论湿式或干式厌氧，其厌氧消化前均需要一定的预处理的工序，特别针对油脂含量较高的厨余垃圾，其在进入厌氧消化罐前需进行除油预处理。国内目前除油工艺基本均采用加热后离心分离法，通过将物料加热至80 ℃左右并停留一段时间，泵送至三相离心机进行油脂分离。三相离心机在分离油脂的同时，还可分离出液相的浆液和固相的三相固渣，其中三相固渣具有有机质含量高、营养成分高的特点，是厨余垃圾重要的资源化对象。

厌氧消化过程中除了产生的沼气和沼液外，其未降解的有机质、微生物菌体、无机残渣等构成了沼渣的主要成分。湿式厌氧和干式厌氧消化由于进料条件不同，其沼渣的组成也不同。通常湿式厌氧消化采用离心脱水方式，形成含水率70%～80%的离心沼渣；干式厌氧由于进料复杂，其脱水常采用挤压脱水和离心脱水2 道工序，分别形成含水率55%～65%的离心沼渣和含水率70%～80%的离心沼渣。

本文针对厨余垃圾干湿协同厌氧3 种有机副产物，预处理环节产生的三相固渣、离心沼渣和挤压沼渣进行热解炭化中试。通过对3 种有机副产物的特性、营养成分和重金属含量分析，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

消化物取自中国东部某大型厨余垃圾厌氧消化处理厂，如图1 所示，3 种有机副产物的特性如表1 所示。

表1 3 种有机副产物的特性

图1 消化物图像

1.2 热解实验

将3 种有机副产物分批次加入处理规模为2 t/d 的热解反应器进行中试研究，如图2 所示。该反应器由2 级螺旋式热解反应器组合而成，当主反应器的温度在气体燃烧器的作用下升高到550 ℃时，加入物料，然后连续干燥和热解。热解过程产生的包括气体和油蒸气的挥发性产物送至熔炉进行二次燃烧，并将产生的高温烟气用作加热源来加热反应器。

图2 中试热解反应器系统

在热解过程中，第二级螺旋反应器保持在500～550 ℃内，控制消化物的移动速度，使其在反应器内超过500 ℃的持续时间约为30～45 min。每次对入口消化物和出口生物炭进行称重，并记录进料开始进料后消耗的辅助燃料，即LPG。

1.3 测量和表征

用气相色谱GC（Agilent 7820A，USA）分析收集的气体产物的组分，以确定气体中含有CH4、H2、CO、CO2、C2H6、C2H4、C2H2、C3H8、C3H6和C3H4等组分。将生物炭研磨并送往实验室进行分析，元素分析是用元素分析仪（Elementar，德国）进行。为了测定重金属含量，根据美国环境保护局的方法3052，使用安捷伦ICP-MS 7700 电感耦合等离子体（ICP）质谱仪（美国安捷伦科技公司）分析样品。

3 种不同副产物和最后形成的生物炭的密度根据《化工产品密度、相对密度的测定》（GB/T 4472—2011），以煤油为介质，用比重瓶测量。通过使用刻度桶粗略测量消化物和生物炭的体积，体积减少率（VRR）计算见式（1）。

式中：Vc和Vd分别为生物炭和3 种不同副产物的体积。

2 结果和讨论

2.1 热解产物和能量平衡

热解产物和体积还原率见表2。

表2 热解产物（生物炭）的特性研究

从表2 可知，3 种不同副产物热解后产生的生物炭产量从38.87%变化到59.28%，结合表1，可以看出是随着灰分含量的增加而增加。所有生物炭的密度都<500 kg/m3，这表明它们是多孔的。挤压沼渣和三相固渣体积可以减少60%以上，因此热解是1 种很好的减容技术，其对减少运输量非常重要。3 种不同副产物预热后的辅助天然气消耗均为零，因此可判断其均可以在没有辅助燃料消耗的情况下进行热解。但是本次试验的离心沼渣经过预干化，其在干化过程消耗了的能量未被统计在本次试验范围内，为了评估能量平衡，今后应该将干化步骤放在一起考虑。

2.2 热解气

在热解过程中，气体产物与油蒸气一起在炉中燃烧，并为热解反应器提供热量。3 种不同副产物热解气体产量及其组成如表3 所示。

表3 天然气产量及其成分体积（%）

由表3 可以看出，热解气主要成分为N2，这是因为本次热解试验规模过小，通常采用料封隔绝空气。为避免空气的进入，在进料无法形成料封的前提下，采用N2进行空气隔绝。此外，还可以看出，3 种不同副产物中，三相固渣产生了具有最高可燃成分的气体产物。

2.3 生物炭作为肥料的评价

3 种副产物热解产生的生物炭的特性见表4。

表4 3 种副产物热解产生的生物炭的特性

从表4 中的数据可以看出，3 种副产物热解产生的生物炭中的相关重金属都低于《有机肥料》（NY 525—2021）的标准值，因此重金属不会成为使用生物炭作为肥料的障碍。经过高温处理（＞500 ℃）后，由于虫卵和粪大肠菌群均被完全杀死，预计虫卵和粪大肠杆菌群将为零，达到《有机肥料》（NY525—2021）标准要求的每克物质少于100 个；而在厌氧消化原生沼渣中，即使在堆肥后它们仍然可以存活［3］。来自三相固渣的生物炭中总养分N+P2O5+K2O 的含量高于4.0%，符合有机肥标准。因此，根据表4 中的数据，来自三相固渣热解产生的生物炭是一种高质量的有机肥料。而对于另外2 种沼渣制成的生物炭，它们可以通过添加N 和K 作为生产肥料的基质；对于挤压消化物中的生物炭，在用作肥料基质之前，必须去除玻璃片、砾石和小金属片等杂质。