厨余垃圾生物干燥优化：接种，初期水分含量和填充剂外文翻译资料

 2022-07-31 20:20:06

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厨余垃圾生物干燥优化：接种，初期水分含量和填充剂

Xiao Song，Jiao Ma ，Jiandong Gao ，Yanbo Liu ， Yongce Hao，Wei Li， Ruhai Hu， Aimin Li，Lei Zhang

摘要

生物干燥法由于其高能效和低运营成本的特点，已被证明是有应用前景的城市固体废弃物和污水污泥处理方法。本研究将采用生物干燥处理较城市固体废弃物和污泥有不同特点的厨房垃圾。本次将系统研究生物干燥的主要操作要素，包括污泥接种，初始水分含量，不同的填充剂。试验表明接种率高，滞后期较短，温度分布更好，可以得到更好的干燥性能和蒸发效率。此外，研究发现71.7％初始水分含量，是有利于微生物活性的，这可以节省运行成本，减少厨房垃圾生物干燥中的膨胀剂。在所测试的填充剂（玉米芯，锯屑和秸秆）中，秸秆因为具有高吸水能力和适当的自由空气空间，在温度曲线和除水效率方面是最好的。这些结果将为高效的厨房垃圾生物干燥提供一些有价值的信息。

关键词：生物干燥； 填充剂 ；初始水分； 内容接种 ；厨房垃圾

介绍

根据中国政府的统计，2013年城市固体废物（MSW）产生量达到了173百万吨[1]，在大城市，城市固体废物的处置已经成为焦点。厨房垃圾（KW）是从餐馆，自助餐厅，酒店，家庭等产生的有机残余物，是城市固体废弃物的主要有机部分，占总城市固体废物的37-55％[2]。由于厨房垃圾的高水分和有机含量，厨房垃圾容易腐烂并产生浸出液和臭味[3]。通常，堆肥被视为一种适合处理生物固体垃圾的方式；但是，长停留时间（30-50天），高过程成本（例如，$ 200 /千吨），低肥能力和低产品价值阻碍了这种方式的广泛应用[4,5]。生物干燥是源于堆肥的一种技术，目的是在强制通风的帮助下，利用生物降解产生的热量[5,6]，快速清除垃圾水分，并且干燥的产物可以用作衍生燃料。最近，由于相对较短的停留时间（7-15天）和高过程效率[5,7]，生物干燥被认为是一种处理高水分有机废物的替代方法。

因为不需要消耗化石燃料和电能，生物干燥在垃圾处理上具有相当可观的经济潜力。Adani等人利用堆肥[8]，生物干燥[9]或机械生物学等技术手段重点研究了城市固体废弃物的生物稳定性[10]。在这些研究中，由于材料中的主成分是有机废物，容易降解，导致材料易于脱水和稳定化[11]。Shao等人[12]采用生物干燥法蒸发城市固体废物中的固有水分，城市固体废物的含水量从73.0％降至48.3％，有机物降解率较高。这些研究表明生物干燥过程具有高的过程效率和生产效率。生物干燥对处理城市固体废物优异的表现归功于其特殊性能。我们知道，城市固体废物是从不同来源收集的，所以具有营养素丰富、富含微生物的特点。生物干燥性能主要取决于微生物活性，这可以通过平衡营养和微生物接种增强。虽然厨房垃圾是MSW主要的组成部分，但是其组成比较简单，而且营养和微生物可能不如MSW。虽然生物过程，如厌氧消化[2,13]和堆肥[14,15]，已经被应用于处理厨房垃圾，但是与生物干燥过程有关的研究很稀缺。在生物干燥过程中，水被就地蒸发掉产生代谢热。由于没有传热限制，这个过程与传统的接触式加热相比更有效率。这个过程需微生物和可生物降解的有机物存在，同时，氧气含量应该达到好氧微生物需求。因此，材料基质的孔隙率对实现更好的生物干燥性能极为重要。在城市固体废物的生物干燥过程中，城市固体废物里不可生物降解的有机部分，如纸，塑料和橡胶，可以作为固有膨胀材料。对于有机废物的膏体和泥浆类型的生物干燥，需要填充剂以提供更好的孔隙率。一些研究员调查了不同类型的膨胀剂对污泥生物干化的影响，发现膨胀剂不仅改善了基质的结构，还提供额外的生物可降解有机物[16,17]。至于厨房废物，粉碎后，所得物料出现无孔隙浆料，大部分水作为游离水存在。在这种情况下，填充材料可以大大影响其生物干燥性能。

在这项研究中，生物干燥技术被应用于处理厨房垃圾。为了缩短滞后期和提高干燥性能，采用脱水污泥作为孕育剂。还研究了在生物干燥期间的决定因素初始水分含量，也对如何最大化去除水和最小化加入填充剂进行了调查。为了进一步改进基质的孔隙率，比较了不同试剂的干燥性能。

材料和方法

材料的制备

在实验中，从大连理工大学食堂收集厨房垃圾（KW），通过有机研磨机破碎。脱水污泥（DS）取自中国大连当地城市污水处理厂。分别以锯屑，玉米棒和稻草作为实验中的填充剂，破碎粒径为2-5mm。原料特性见表1。

实验设备和工艺操作

图1给出了生物干燥实验装置的示意图。反应器是由PVC制成的圆柱形容器（高70cm，内径30cm），用5cm厚的棉绝缘。在底部放置一个孔径为2mm的多孔板。在不同的高度安装三个热电偶。另外，在反应器的一侧放置三个取样口，收集和分析样品。反应器还包括冷凝物收集装置以避免冷凝物流回材料的基质。为了研究DS的接种的效果，进行了一系列三配比（2000：0,1900：100,1500：500，kg，湿基）的厨房垃圾和脱水污泥实验。为了研究初始的水分含量对生物干燥性能的影响，通过添加不同掺量的调理剂对三种不同浓度的水分含量（60,70和80％）进行调整。在第三组的试验，采用不同材料（锯末，玉米棒，稻草）作为填充剂，比较它们对工艺性能的影响。所有的实验都持续了7天。详细的操作参数在表2中。

数据采集和样品分析

在生物干燥过程中，温度由PT100温度传感器在线监测，数据每小时读取，并通过采集模块（FLEX4015）存储在计算机中。样品经完全混匀后每天通过三个采样口采集。在干燥烘箱105℃干燥24小时后测定水分含量（MC）。通过在马弗炉600℃下加热样品2小时，对挥发性固体（VS）进行分析。 水分含量和挥发性固体一式三份进行分析。使用元素分析仪分析材料的C和N含量（Vario EL III，Elementar，德国）。

蒸发效率计算

热平衡通常用于评价生物干燥过程中的能量利用的效率[19,20]。生物生成热（Qbio，kJ）过程中计算如下：

Qbio = BVStimes; Hc;

其中BVS（可生物降解的挥发性固体）（kg）为过程中挥发性固体的总量，Hc（MJ / kg）由材料的燃烧热计算。假定厨房垃圾释放的能量是烃（17.4MJ / kg），蛋白质（23.4MJ / kg）和脂质（39.3MJ / kg）的热量总和[19,20]。基于厨余垃圾的成分[13]，价值为约20MJ / kg。平均值为21.0 MJ / kg，在计算中采用脱水污泥BVS平均值 [17，19]。在实践中，据报道，约40-50％的生物生成的热量被微生物用于保证生长，代谢和复制，这不可忽视[21]。在本研究中，假定用于新细胞合成的Qcell占有机物降解产生的热量的50％。蒸发的水消耗的热量（Qevapo，kJ）可以通过以下等式估计[22]：

Qevapo = Mevatimes; Llatwat;

其中Meva（kg）是除水的质量，Llatwat是水特定温度下蒸发潜热，可以从以下公式计算：

Llatwat =[1093.7-0.5683times;(T 32)/5times;9]times;（1055/455）

蒸发效率（EE）由上述特定值表示：

EE =Qvapo/（Qbio-Qcell）

污泥接种的厨房垃圾生物干化研究结果与讨论

温度是影响生物干燥过程的重要因素，它影响着水的去除率，生物活性和能量效率。为了提高微生物活性和工艺效率，将不同数量的脱水污泥 （0,100和500g，湿基）与厨余垃圾和锯末混合，总重量为3kg，初始水分为约60％，控制气流0.05 m3/H。

污泥接种生物干燥过程中的温度曲线如图2示。 温度曲线可分为三个阶段：加热阶段，冷却阶段和稳定阶段。污泥接种大大缩短了加热时间，并引起了较高的温度峰值，例如，在试验1-C中接种500 g污泥，加热阶段耗时24 h温度达到最高值34.8℃。试验1-B加上100g的污泥，经过39小时的加热阶段，达到33.3℃的峰值。试验1-A不加入污泥，需要48小时达到29.6℃。当环境改变时，往往由于微生物的适应环境过程而发生微生物的滞后相[23]。在这些试验中，试验1-A，1-B和1-C的滞后期分别为21,12和10小时。 Rada [24] 等人也报告了使用污泥接种产生的约1天的滞后阶段。通过接种含有丰富微生物的污泥，明显缩短了滞后期，达到了较高的温度值。滞后期后，温度迅速升高，表明厨房废物富含易于生物降解的组分。较高的峰值温度和加热速率也表明污泥接种对生物干燥性能的有效性。在稳定阶段，随污泥接种量的增加，也达到了较高的温度。本实验中，污泥的接种不仅缩短滞后期，而且提高了温度，因此提高了工艺效率。

图3显示了生物干燥过程中水分含量和VS / TS的变化。很明显，所有试验的水分含量在第一天由于代谢水生成而增加。如Miller等人报道的，1.0g有机物降解将产生水0.5-0.6g [25]。第一天代谢水的产生伴随着温度的快速升高，如图2所示。试验1-C中MC的增量较高，VS降低率也高于其他两个试验，表明试验1-C微生物的代谢活性较高，接种污泥对微生物生物量的贡献较大。虽然初始试验1-C的水分含量为61.70％，比试验1-A和试验1-B略高，试验7天后，试验1-C的水分含量下降至58.30％，低于其他。同时，试验1-C的挥发性固体（VS）减少率降低2.18％，从95.62％降至93.44％，这也比试验1-A和1-B的更大。在这一试验中，脱水率和VS消耗率比值见图4。进行污泥接种的试验脱水率超过40％，试验1-C和试验1-B的VS消耗量分别为33.23％和34.97％，高于无接种试验1-A（16.87％）。虽然试验1-C由于添加污泥，初始水分含量较高，VS / TS较低，但是试验1-C在除水效率显示出最佳的生物干燥性能。

为了进一步评估生物干燥过程，计算了蒸发效率（EE）。试验1-A，1-B和1-C的EE为65.85,57.23和62.57％，分别与其他研究一致[19,20]。虽然EE在试验1-A中是有利的，由于低比降解，生物干燥性能是低效的，并且除水更少。对于试验1-B和1-C，除水效率相似（图4a），然而，由于试验1-C的挥发性固体消耗量较低，因此1-C的能量更有效地用于除水。总之，试验1-C用500g脱水污泥接种3kg材料，由于微生物活性增强，蒸发效率提高，表现出最佳性能。

不同初始水分含量的影响

初始水分含量是另一个影响生物干燥性能的因素[26]。水分含量应适当，以保证生物反应，并为氧运输提供合适的空间[16]。在这一系列的实验中，将厨房垃圾与不同比例的锯末混合，将初始水分含量调整为61.70，71.70和75.10％，用500g污泥接种。试验2-A，2-B和2-C的温度曲线如图5所示。发现在所有情况下，滞后相缩短，温度升高迅速。试验2-B的温度（初始MC 71.70％）在36小时内增加至最高值38.1℃，高于试验2-A（初始MC61.70％）（34.8℃）和试验2-C（初始MC 75.11％）（35.8℃）的峰值。在垃圾生物干燥过程中，适宜的初始含水率为50-72％，在这项工作中，试验2-B的初始水分含量为71.70％，显示了较好的温度性能，而这初始含水量被认为是适宜初始含水率的上限[27]。更高初始水分含量意味着需要较少的填充剂，并且操作成本将降低。

图6给出了不同初始水分含量的厨房垃圾在生物干燥过程中水分含量和VS / TS的变化趋势。如图6所示。 在该过程中所有试验水分含量逐渐减少。 试验2-B的MC从71.70降至67.45％，下降了4.25％，高于试验2-A的3.4％。在试验2-C中，MC没有显示出明显的下降趋势，这是高水分含量材料中的空隙结构不良所致[27]。在试验2-B中VS / TS也从最初的92.76显着降低至89.70％。在图4，试验2-A和2-B的除水率和VS消耗的比率相似，远高于试验3-C。试验2-B的除去水的质量为914.4g，高于试验2-A（763.6g）。为了定量评价生物干燥性能，在工艺中引入生物干燥指数，定义为除去水与有机物降解的比率[28]。试验2-A，2-B和2-C的生物干燥指数分别为2.06,3.61和3.68g / g。尽管试验3-C显示出最高的生物干燥指数值，但是试验3-C去除水更少和VS消耗更少，从最佳条件中排除。试验2-A和2-B的除水率相似，生物干燥指数显示，2-B中VS的效率以及除水的利用率较高。总的来说，高达75％的MC会限制气流和水蒸汽逃逸。在试验2-B中，由于加入了较少的膨胀试剂，71.17％MC适量，水的去除效率更高，挥发性固体的效率更高，对利用率也有利。

不同填充剂的影响

据报道，有机填充剂在堆肥或生物干燥中是必需的，用以调节水分含量并为空气提供足够的空隙结构[15,17]。本研究采用粉碎或切割成粒径2-5mm的锯末，玉米芯和秸秆作为填充剂。厨房垃圾和膨胀试剂以4:1的比例以

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