廚餘堆肥控制策略之探討
林子傑
1，周楚洋
2 1. 國立台灣大學生物產業機電工程學系博士候選人 2. 國立台灣大學生物產業機電工程學系副教授，本文通訊作者摘
要
本研究 旨在探討不 同控制策略 對廚餘堆肥 化過程的影 響，藉由實 驗取樣及 分 析的結果， 作為此影響 的判斷依據 。本研究總 共進行五個 批次的實驗 ，每批次 的 醱酵原物料都是依菌種與自製廚餘1:15 (w/w)的比例添加。第一批次為自然醱酵狀 態，只外加 風量控制並 每日攪拌一 次。第二批 次則先擠壓 去除廚餘物 料的水分 ， 其餘各項操作條件皆同第一批次。第三批次以加熱及攪拌使溫度維持在50±1°C 的 狀態，並持續三天，其餘條件則同前二批。第四批次使溫度維持在50±1 °C 一天， 之後則恢復 為送風及攪 拌每日各一 次。第五批 次除了持續 維持溫度在60±1 °C 的 狀況下，並 保持含水率 在50%下進行醱酵。以上五個批次都採間續送風的方式， 每半小時送風20 min，風量為 43 L/min。實驗結果顯示加熱的操作對脂肪的去除有 正面的助益，去除的效率以第四批次最好，7 天內由 4.96%減少到 3.02%。C/N 比的 下降速度則 以第五批次 最佳，7 天內從 50.4 下降至 38.5。各批次 pH 值都為先降後 昇，灰 分則 為 持 續增 加，粗 纖 維 去除 效 果則 不 明 顯。CO2 濃 度 變化， 在有 加 熱 的 狀況 下，往 往第 一 小時 皆會 超過 50,000 ppm，脂肪的去除則是在第二個峰值出現 時進行分解 。 關鍵詞：廚 餘、堆肥、 控制INVESTIGATION OF CONTROL STRATEGIES FOR THE
COMPOSTING OF HOUSEHOLD FOOD WASTES
Tzu-Chieh Lin
1, Chu-Yang Chou
21. Ph. D. Candidate, Department of Bio-Industrial Mechatronics Engineering, National Taiwan University.
2. Associate Professor, Department of Bio-Industrial Mechatronics Engineering, National Taiwan University,Corresponding Author.
This research aims to study the effect of different control strategies on the process of household food wastes composting. In order to meet the special control requirement, a fermentor with agitating mechanism and control capability of temperature, aeration and moisture content, was designed and fabricated for experiments. Five batches of experiments were conducted in this research. The
feed was prepared by adding the seed to the self-cooked food with a ratio of 1:15 (w/ w) in each batch. The first batch was aerated composting with agitation only once a day. In the second batch, the water of feed was removed with pressure at the beginning, and other conditions were controlled same as the first batch. The third batch was heated constantly to maintain a temperature of 50±1 °C for three days, and stirred when the temperature is lower than the designated temperature, while other conditions were kept the same as the first batch. In the fourth batch, the fermentor was heated to maintain a temperature of 50±1 °C during the first day, and other conditions were controlled same as the first batch. In the fifth batch , temperature of the fermentor was maintained at 60±1 °C, and an automatic water spray system was added to maintain the composting material at a moisture content of 50%. Intermittent aeration was adopted for all five -batches experiments. The fermentor was aerated 20 min for every half an hour with an air flow of 43 L/min. It was found that heating is beneficial to the removal of lipid. In operation of the fourth batch, the lipid content decreased from 12.6% to 4.6% in seven days. The fastest C/ N decrease, down from 50.4 to 38.5 in seven days, was occurred in the fifth batch. The pH of all five batches behaved the same trend, dropped at beginning and then gradually rose. Ash content of all five batches was gradually increasing. None of the five batches showed remarkable removal efficiency of crude fiber. When heated, the CO2 concentration was climbed over 50,000 ppm in the first hour. The lipid
degradation was occurred at the time when the second peak of CO2curve appeared. Keywords: Household food wastes, Composting, Control
一、前
言
台灣的廚餘廢棄物約佔一般家戶垃圾量的二 至三成，以往的處理方式是連同家戶垃圾一起丟 棄至焚化廠或掩埋場，但一則因為廚餘廢棄物中 的水易在垃圾車運送過程中漏出而污染市容，再 則廚餘廢棄物熱含量低，需額外添加輔助燃料， 所以焚化的成本很高，故不宜採用焚化法；若以 掩埋方法處理，廚餘醱酵過程中所發出的惡臭及 滲出水，會造成二次公害，所以也不適合衛生掩 埋 法。此 外 由 於 各 地 掩 埋 場 紛 紛 達 到 其 使 用 年 限，新場址又尋覓不易，因此利用堆肥法處理廚 餘廢棄物轉換為肥料，再回歸於大地的永續循環 利用更顯重要。 亞 洲 國 家 中，以 韓 國 政 府 對 有 機 廢 棄 物 回 收、堆肥化處理，表現出最積極的態度。韓國和 台灣在有機廢棄物的政策演進較接近，韓國的食 物、庭園廢棄物約佔家戶垃圾的33%（行政院環 保署，2000），過去這些廢棄物主要是採用掩埋 處理，過多的垃圾量造成掩埋場不小的壓力。隨 著1994 年『垃圾費隨袋徵收』的政策強制推動， 增加了大眾對資源回收及垃圾減量的意願，並配 合廚餘廢棄物的回收，家戶普遍主動不再棄置廚 餘(Shin et al., 1997)。進而一步一步限制廚餘丟棄， 並自2005 年起，掩埋場不再接受食物等有機廢棄 物（張，2001）。近來，台灣政府也師法韓國政 策開始宣導廚餘回收，將生廚餘材料拿來堆肥， 以期能減少台灣家庭廢棄物量，延長所屬垃圾掩 埋場之使用期限，並已有了初步的成效。九十二 年時，廚餘回收量約167,000 公噸，其中 83.45% 用於養豬，13.32%則拿來做堆肥處理，處理量約 22,000 公噸，較九十一年的 3,700 公噸及九十年的 216 公噸明顯地逐年成長（行政院環保署，2004）， 未來隨著政府強制推動下，廚餘堆肥化處理預期 將更大幅增加。廚餘堆肥對國內而言顯然是未來環保方面的 重 要 政 策，其 研 究 也 顯 得 特 別 重 要。Yun et al. (2000)研究韓國的廚餘堆肥場之廚餘原物料性質， 結果顯示韓國廚餘含穀類16%、水果類 14%、蔬 菜類51%、魚肉類 19%，就同為米食國家且飲食 習慣相近的我國而言，此結果可供我們參考。 由於廚餘廢棄物處理相關研究(Romain et al., 2005; Park et al., 2002; Yun et al., 2000)，過去大多 為實際的現場廢棄物探討，但因為家庭廚餘廢棄 物的變動性太大， 不容易有一致性，對其模式的 探討相當困難。故本研究之目的，即是要進行系 統化的研究，採固定廚餘廢棄物原料配方，再施 以不同的控制策略，並利用感測器線上監測及分 析廚餘堆肥過程中成份、性質改變的情形，冀能 推導出廚餘堆肥可供利用的控制策略。
二、材料與方法
試驗設備 本研究的系統主要包含廚餘醱酵槽主體、資 料蒐集器、空氣泵浦、CO2濃度計、水分計及 T-type 熱偶線等硬體設備，各項設備的系統配置如 圖 1 所 示。廚餘 醱酵槽 主體（泰億攪 拌機械 公 司，台北）如圖2 所示，醱酵槽大小長 400 mm、 寬260 mm，槽體為一上方下圓的不銹鋼槽，內容 量為36 L。其上包含一攪拌軸及四根攪拌杓，攪 拌方式主要是上下翻堆，轉速為30 rpm，槽體的 下側方有八個送風孔，風孔與槽體的下圓切面垂 直。槽 體 的 兩 側 下 方 有 加 熱 管(1.5 kW)，加熱時 由控制器輸出一電壓，使加熱器通電加熱。為增 強醱酵槽的保溫效果，槽體外側並包覆一層隔熱 棉，以防醱酵熱的散逸。 圖1 廚餘醱酵分析系統配置圖資 料 蒐 集 器(CR-10, Campbell Sci., Inc., Utah, USA)專門用於資料的蒐集及簡單的控制之用，其 上有一9 pin 的序列輸入／輸出埠、6 個訊號輸入 通 道(input channel)、3 個 激 磁 通 道(excitation channel)、8 個控制端子(control port)、兩個脈衝輸 入(pulse input)及 5V、12 V輸出各兩個。使用者可 以透過鍵盤輸入指令或使用其專用軟體 PC208w 撰寫編輯程式後再傳送至 CR-10。現場量測時只 需攜帶CR-10 即可達成量測資料、記錄及傳送資 料（程式）之目的，除量測電壓、脈衝訊號外， 另有針對各種不同感測器的指令可供使用。 實驗所用的空氣泵浦為電磁式空氣泵浦(LP-40A, Yasunaga, Japan)，額定壓力為 0.12 kgf/cm2時風量 為43 L/min，所需電壓 220V，周波數 50 Hz，輸入 功率39 Watt，出風口徑 13 mm (ID)及 18 mm (OD)。 CO2 濃 度 測 定 計(Guardian plus model 3000,
Edinburgh Sensors Ltd., UK)，係利用雙波長的非 分 散 式 紅 外 光(NDIR，non-dispersive infra-red)技 術，可 用 來 連 續 監 測 CO2 濃 度，監 測 範 圍 為
0~50,000 ppm。
水分計(Trime-EC, IMKO, Germany)用來量測 醱酵過程中堆肥的水分，量測範圍為0~95%的容 積含水率。 其他設備還包括3 條 T-type 熱偶線，用來量 測槽中堆肥上、中、下三層的溫度變化。SSR 固 態繼電器（KD20C40AX，勝特力科技，新竹）， 搭配 CR-10，用來控制攪拌馬達、空氣泵浦、加 熱器等。乾燥設備則用來控制槽中的水分，空氣 泵浦送出的空氣先經一含無水硫酸銅的錐形瓶， 以去除空氣中的水氣。 試驗材料 1. 菌種 本 實 驗 所 採 用 之 菌 種，第 一 批 次 採 用 造 橋平 順 豬場 的豬 糞 堆肥 混 合廚 餘預 作 醱酵 後 所 得 之 產 物 為 菌 種 來 源，第 二～ 四 批 次 取 前 次 廚 餘堆 肥 成 品 為 下批 的 菌 種 來 源，第 五 批 次 為 比較 不 同 菌 種 的影 響，採 用畜 產 試 驗 所 提 供 的廚 餘 堆 肥 為 菌種 來 源。五個 批 次 的 菌 種添加量，都是依菌種與原物料1:15 (w/w)的 比例添加。 2. 廚餘原物料 為 避 免 因 廚 餘 原 料 性 質 的 差 異 造 成 實 驗 結 果 判斷 上 的 困 難，本 實 驗 採 取人 工 配 方 且 烹 煮 後之 混 和 食 物 作為 廚 餘 的 來 源。廚 餘 配 方選 用 依據 行政 院 衛生 署 食品 衛生 處 所發 表 國 人 膳 食 營 養 狀 況 之 資 料（行 政 院 衛 生 署， 2001），乘上各年齡層人口比例（行政院內政 部，2001），得 每 人 每 天 平 均 攝 取 的 營 養 素 （總蛋白69.25g，總脂肪 65.6g、總醣類 260g、 總熱量1907.4 kcal）。並依此比例選用白米、 肥 豬 肉、高 麗 菜、黃 豆 等，製 備 實 驗 所 需 的 廚餘原料。 所使用廚餘成分及各物料所需比例如表1 所示。第一批次取比例份量的10 倍做為進料， 即白米2,820g、肥豬肉 460g、高麗菜 1,000g、 黃豆1,300g。第二～五批次則取比例份量的 15 倍為進料，即白米4,230g、肥豬肉 690g、高麗 菜1,500g 以及黃豆 1,950g。 依 廚 餘 配 方 配 製 的 原 料，經 烹 煮 後 所 得 的各批次總重分別為，第一批次 11.5 kg、第 二批次15.35 kg、第三批次 14.70 kg、第四批次 14.80 kg、第五批次 15.45 kg。 圖2 廚餘醱酵槽圖
Fig.2 The schematic diagram of the in-vessel com-posting system
試驗方法 1. 前處理 廚 餘 物 料 在 烹 煮 前 先 細 切 至 1~2 cm 大 小。白 米 由 電 鍋 煮 熟 為 米 飯，其 餘 原 料 用 火 鍋 直 接 水煮，烹 煮 後的 物 料 再 經 篩 網濾 去 大 部分的水分，以利之後醱酵作用的進行。 2. 堆肥化實驗之操作 本 研 究 可 分 為 第 一、二 批 次 的 長 批 次 實 驗，實 驗 時 間 超 過 一 個 月，以 瞭 解 長 時 間 的 堆 肥 物 料 變 化 情 形；三、四、五 批 次 為 短 批 次 實 驗，在 短 批 次 實驗 中 對 廚 餘 原 物料 施 以 不同的控制策略，以探討不同的控制條件下， 廚 餘 堆 肥醱 酵 的 變 化，每 批 次 實 驗 時間 維 持 約 一 週。另 為 瞭 解 堆肥 中 加 熱 與 水 分改 變 狀 況，進行含水率變化實驗，24 小時連續監測 堆 肥 醱 酵變 化 狀 況，以 做 為 後 續 各 短批 次 控 制 策 略 擬定 的 依 據。各 批 次 進 行 堆 肥化 實 驗 的控制條件如表2 所示。 各批次的操作分別說明如下： 第一批次：進行30 天，期間每天取上、中、 下三層各約80g 物料進行分析，此 批次每天翻堆一次共攪拌10 分鐘， 送風機每半小時開啟20 分鐘，送 風量維持在43 L/min，其餘控制條 件則維持自然醱酵的狀況。 第二批次：共進行42 天，期間每天取上、中、 下三層物料，但每次只取約50g 物 料（因第一批次實驗每次取樣量過 多，造成實驗末期樣本量不足，而 不易再區分上、中、下三層），並 為了比較起始含水率對堆肥化的影 響，因此廚餘原物料在烹煮完後進 行 擠 壓 的 操 作，以 降 低 起 始 含 水 率，其餘控制條件則維持同第一批 次。 第三批次：共進行3 天，期間每天取上、中、 下三層物料，每次取50g 物料進行 分析。並在實驗期間加熱，維持槽 內上、中、下三點溫度皆高於50°C 表1 廚餘配方
。每天翻堆1 次共攪拌 10 分鐘， 且當加熱器加熱時也進行攪拌，以 維持加熱均勻，其餘控制條件維持 同第一批次。 第四批次：共進行8 天，期間第 12 小時取第 一個樣本，往後則每天取樣一次， 取 樣 方 式 如 同 第 二 批 次。加 熱 溫 度、攪 拌 方 式 同 第 三 批 次，維 持 50±1 °C，但加熱時間則縮短為 1 天，之後則不加熱，攪拌時間維持 每天1 次。 第五批次：實驗進行七天，每12 小時取樣 1 次。實驗中控制廚餘上、中、下三 點在60±1 °C，並維持水分含量約 表2 堆肥化實驗操作特性
在50%（第一天後每小時用水分計 偵測1 次，不足則補充水分），其 餘控制策略同第三批次。 含 水 率 變 化 實 驗：在 完 成 前 兩 個 長 批 次 的 實 驗 後，為 擬 定 後 續 的 控 制 策 略，因 此 設 計 了 此 項實 驗。此 試驗 所 使 用 之 原 料種 類 及 重 量 同 前 述 第 二～ 五 批 次，即 採 取 比 例 份 量 的15 倍做進料，試驗只進行 1 天，並維持堆 肥槽內溫度高於 50 °C，但取樣頻率則增為 1 小時1 次，以明瞭控溫對反應進行的影響及含 水 率 的 變化 情 形，以為 後 續 短 批 次 進行 溫 控 及維持水分含量在50% 的依據。並加測因蒸 發所帶走的出水量以了解所需添加的水量。 監測項目及分析方法 為瞭解堆肥醱酵的狀況，實驗時監測醱酵槽 的 溫 度、CO2 變 化 及 分 析 堆 肥 的 水 分(Moisture
content)、灰分(Ash)、pH 值、粗纖維(Crude fiber)、 粗脂肪(Crude lipid)、總有機碳(Total organic carbon, TOC)、總凱氏氮(Total Kjeldahl nitrogen, TKN)及碳 氮比(Carbon to nitrogen ratio, C/N ratio)。其中第一 批次的 pH 值項目，原本是測定包含 1:1 (w/w)的 樣本與蒸餾水的混合液體，但後來因考慮到其所 需樣本量較多及固體不易溶解混合，因此第二～ 五批次皆改為1:10 (w/w)的比例。 各項目的分析方法及參考來源如表3 所示， 並簡述如下： 表3 廚餘堆肥分析項目及方法 Table 3 Analytical methods
水分：將樣品等量混合均勻，取約 8g 置於 坩堝秤重後，置於105 °C烘箱 (DCM45, CHANNEL, 台北) 乾燥至恆重，所減少之重量百分比即為水 分含量。 灰分：將經乾燥的恆重樣品，置於550 °C 高 溫烤箱（MF40, CHANNEL, 台北）灰化 24 小時， 所殘留之重量百分比即為灰分含量。 pH：取 3g 的樣品及 30 mL的蒸餾水以玻棒充 分混勻，並斷續攪拌40~50 分鐘，再靜置 10~20 分鐘，浸入電極並輕搖電極，直至 pH 計(Model 720, Orion, U.S.A.) 穩定並讀取其值。 粗脂肪：精秤約10g 的樣品加入圓筒濾紙 a 中，其上輕塞脫脂棉，置入105°C 烤箱中乾燥 2~3 小時後取出置於乾燥箱冷卻至室溫。將適量乙醚 加入裝有沸石的脂肪瓶b 中，並將 a、b 置入粟式 脂肪抽出器中，持續萃取8 小時以上，所得脂肪 瓶中增加的油脂，即為樣品的粗脂肪含量百分比。 粗纖維：取600 mL 的燒杯，加入 2 g 的樣品 （先經乙醚處理過）、1.5~2.0g 的陶瓷纖維及 200 mL 沸騰的 1.25% H2SO4，並置於加熱板上（溫度 調整在使25°C 的蒸餾水在 15 分鐘左右可至沸騰 的溫度），加熱30 分鐘。然後用抽氣設備移除所 有的水分，並加入50~75 mL沸水反覆沖洗三次； 然後加入200 mL 沸騰的 1.25% NaOH 加熱 30 分 鐘，並 同 前 用 沸 水 反 覆 沖 洗 三 次。再 用 25 mL 1.25% H2SO4沖洗一次及50 mL沸水沖洗三次，最 後以25 mL 的酒精洗淨，排除所有水分。將殘渣 吹入ashing dish 中，並置於 103°C 的烤箱中乾燥 2 小時（得重 A），然後置於 600°C 的高溫烤箱中 加熱30 分鐘（得重 B）。(A-B)-blank 陶瓷纖維減 重）／樣品重 100%，所得即為樣品的粗纖維含 量百分比。 TKN：精秤 0.3g 的樣品，加入 1.1 g 的混合催 化劑（硫酸鉀：硫酸銅為10：1）及 10 mL 的濃 硫 酸，置 於 分 解 裝 置(1007 Digester, Tecator, Sweden)上，加熱 8 小時以上（加熱至溶液澄清）， 然後稀釋溶液成60 mL 並取其中 30 mL 及硼酸吸 收劑進行蒸餾(1002 Distilling Unit, Tecator, Sweden) ，所得硼酸吸收劑用0.01N 的 HCl 進行反滴定， 經計算得樣品中TKN 含量百分比。 TOC：精秤 0.1g 的樣品，置於 500 mL 的錐形 瓶中，加入10 mL 的 1N K2Cr2O7溶液並搖勻，然 後加入20 mL的 H2SO4，立即劇烈搖動約1 分鐘， 隨後靜置30 分鐘。加入 150 mL 蒸餾水、10 mL 85%H3PO4、0.2 g NaF 及 30 滴的二苯胺指示劑， 置入攪拌子，並以0.5N 的亞鐵溶液滴定至終點， 經計算得樣品中TOC 含量百分比。 C/N ratio：以總有機碳對總凱氏氮的比值(TOC/ TKN)為 C/N ratio。
三、結果與討論
人工廚餘原物料性質 由表1 中的廚餘配方，經水煮後所得的堆肥 原料性質分析，如表4 所示。本研究人工廚餘原 料分析結果和韓國 1999 年的一項廚餘性質研究 (Shin and Han, 1999)情形大致相近。但仍有少部分 相異之處，如本研究的廚餘配方中，可能是米飯 部分的取量較多，故有機碳的含量偏高，而TKN 值又較低，導致本研究堆肥原物料的C/N 比，較 韓國的研究來的高，此結果可能是韓國的廚餘研 究中包含動物內臟等氮含量較豐富的部分所致； 且本實驗的配方中灰分值較韓國的研究為低，可 能是一般的廚餘廢棄物往往有碎骨頭等含礦物質 較多的灰分部分，而本實驗的廚餘配方則無此部 分，整體灰分值因此而較低。 含水率變化實驗 由實驗結果發現，含水率在 24 小時內從原 來的58%降至 49%，含水率變化呈一 3 次方曲線 （圖3），前 8 小時遞減較速，中間 8 小時正接近 反曲點位置，然後含水率又快速的減少。對照出 水量的變化，在第2 小時最高，達 111 mL，然後 慢慢遞減到中間第12 小時的 20 mL，此後出水量 再慢慢增加。但加熱的溫度都是維持一定，理應 出水量應大致相同或維持遞減（因含水率越來越 少），造成此結果，應該和送風在堆肥內造成的 傳遞現象比較有關。一開始因堆肥孔隙度較大， 風量帶出容易，因此出水量多，含水率下降快； 試驗進行到中段時堆肥孔隙度變小，風量遞送不 易，因此無法把蒸發的水氣帶出，等到18 小時，表4 堆肥原料性質1
Table 4 Characteristics of composting material1
圖3 含水率變化實驗
Fig.3 Changes of moisture content and outlet water in the heating-moisture content test
因為含水率已降到52%左右，因此孔隙度又再變 大，出水量也大，含水率下降又變快速。24 小時 後含水率已降至48%，而此時依趨勢來看，含水 率下降又特別的快，因此若繼續加熱，往往會使 含水率過低而造成醱酵作用的阻礙；否則則需加 水 回 填，以 避 免 因 含 水 率 過 低 而 抑 制 醱 酵 的 進 行。因此第四批次就是在加熱1 天後恢復自然醱 酵，而第五批次的水分控制是從第 24 小時後開 始回填，且將含水率控制設定在約50%，以比較 二者的差異。 廚餘堆肥實驗 堆肥實驗結果如圖4~8 所示，分別為長批次 的第一、二批次及短批次的第三、四、五批次。 圖 中 包 括 含 水 率(Moisture content)、pH、灰 分 (Ash)、粗纖維(Crude lipid)、總凱氏氮 (TKN)、總 有機碳(TOC)及碳氮比(C/N ratio)隨時間的變化情 形。圖8 則為二氧化碳濃度變化的情形。 1. 含水率 如圖4 所示，在自然狀態下（只外加空氣 及 攪 拌）長 批 次 醱 酵 的 第 一 批 次，其 含 水 率 呈先升後降 的趨勢，由起始 時的 63%先緩慢 上升至第6 天的 68%達最高點，然後再逐漸下 降，其中，在第23 天時水分含量降至約 60% 左 右 為 一 轉 折，之 後 水 分 的 減 少 就 加 劇，急 降至第30 天的 43%。 在 第 二 批 次 中，一 開 始 對 原 物 料 進 行 擠 壓 去 除 水分，以 致 起始 的 含 水 率 較 第一 批 次 為低的57%，其後的變化則和第一批次類似。 大致的變化 為，含水率從起 始的 58%先上昇 到第1 天的 59%，然後再下降到第 3 天的 56%， 自此之後即緩步上昇維持在60%左右 20 多天， 等到第30 日後，才有明顯的急降，從 59%下 降到第42 日的 48%。我們發現其曲線也呈先 升 後 降 的趨 勢，而 含水 率 曲 線 大 致 比第 一 批 次往下挪移了5%的含水率，造成此結果的原 因，推測 可 能 是 與 一開 始 即 擠 壓 原 料而 使 其 起始的含水率比第一批次低了6%有關。 第三、四、五批次則在堆肥過程中加熱。 如圖6 所示，第三批次共加熱 3 天，含水率從 起始的57%，驟降至第 3 天的 17%，分別為第 1 天的 49%，第 2 天的 34%及第 3 天的 17%， 由於水分含量過低，所以第三批次至第3 天已 呈堅硬的固體狀態，因此本批次僅操作3 天即 結 束。第 四 批 次 則為 加 熱 一 天 後恢 復 不 加 熱 的狀態，結 果含水率先由起始的 60%急降至 第1 天的 45%左右，然後維持在 40~45%間達 5 天的時間，之後才又再較大幅的下降至 35%。 第五 批 次則 在堆 肥 過程 中 持續 加熱 並 控制 含 水率在50%。結果在第 1 天時，由於含水率都 大於50%，所以加水系統並不會啟動，第 2~7 天時，當含水率低於50%，則加水系統加水， 使含水率大致保持在50%上下，如圖 6 所示。 由 第 一、二 批 次 中 可 知，當 堆 肥 系 統 沒 有外加水的情況 下，含水率仍然 在 65%左右 維持了20 多天的時間，顯然在堆肥過程中醱 酵熱 所 帶走 的水 分 相較 於 組織 醱酵 產 生的 水 量 來 說，並 不 特 別 多，以 致 於 含 水 率 不 易 下 降。而 事 先 對 物 料 進 行 擠 壓 的 第 二 批 次，雖 能使起始含水率下降5%左右，造成廚餘中有 較 多 的 孔 隙 度，讓 空 氣 得 以 更 順 利 流 動，使 得堆肥在第2~4 天時有一小波的含水率下降， 但隨 後 則因 組織 醱 酵水 產 生的 速度 大 於蒸 散 的速度，而又慢慢回升到含水率60%，並維持 了20 多天。 而 在 第 三 批 次 中，由 曲 線 變 化 的 趨 勢， 得 知含 水 率下 降 的 速度 有 越來 越 大 的趨 勢， 可能因在第1 天時，組織醱酵產水量較多，使 得雖然有加熱，但含水率下降還沒那麼快速； 其 後 則因 含 水 率 過 低阻 礙 了 醱 酵 的 進行，使 得 醱 酵產 水 量 沒 那 麼多，而 且 水分 含 量 也 已 沒第1 日那麼高，孔隙度較大，空氣易在堆肥 中流動，而加速了含水率的下降。 2. pH 如圖4 所示，pH 值大致呈現先降後升的 趨 勢，尤 其 第 一、第 二 批 次，此 種 趨 勢 更 可 明 顯 看出，而 且 其變 化 恰 與 含 水率 成 相 反 的 態勢。如第一批次的前6 天，pH值持續下降， 然後維持在pH 4.9 左右 20 天，在 24 日後才又 較 明 顯的 上 昇，變化 情 形 恰 與 含水 率 變 化 相 反。此 種 現 象，推 測 是 酸 在 水 中 解 離 的 影 響 所造成。
在第二批次中，pH 值在先降後升之後， 第33 天起又有一下降的趨勢，推測應該是難 分解的物質開始分解所產生的酸性物質。 圖6 中第三批次則因實驗時間較短，無法 看出pH 完整的變化。第四批次為加熱一天的 情形，pH 很快的從 5.2 下降到 4.4 後又上昇回 到4.9 左右，先降後升的反應時間比第一、二 批 次 縮短 很 多，應該 是 受 到 首 日水 分 的 快 速 圖4 批次一、批次二之濕基含水率、pH、灰分（乾基）、粗纖維（乾基） 變化情形
Fig.4 The variation of chemical properties (wet-basis moisture content, pH, dry-basis ash and dry-basis crude fiber) for batch 1 and 2
去除的影響。而第五批次，pH 值的上下震盪 變化相當大，應是受到外加水分的影響。 所有批次之實驗結果指出，pH 值都介於 3.7 和 6.2 之間，相較於其他不同成份的堆肥 來 說，算 是 比 較 低 的，可 能 是 廚 餘 中 含 有 的 脂肪質或其他易分解為酸性分子的物質較多， 造成此低pH 值的結果。 3. 灰分 如圖4 及圖 6 所示，灰分在乾基下的含量 百分比大致介於2%~7%之間，其中，第五批 次的灰分值顯得特別高，起始灰分值高達7% 左右，比一～四批次的3%左右高出一倍多， 之 所 以 有如 此 的 差 異，應 該 是 所 添 加的 菌 種 來 源 不 同 所 致。一～ 四 批 次 添 加 的 菌 種 為 本 實 驗 所 產生 的 堆 肥 成 品 為菌 種 來 源，而 第 五 批 次則 採 用畜 產試 驗 所的 廚餘 堆 肥成 品來 植 種，其堆肥原物料含有一些小骨頭、樹葉等， 可 能 因 此礦 物 質 等 灰 分 物質，比 前 幾批 次 自 製 的 堆 肥菌 種 來 的 高，因 此 造 成 整 體灰 分 增 加，使得植種後堆肥灰分也較高。 在 第 一～ 四 批 次 時，灰 分 值 呈 現 一 遞 增 的 趨 勢。表 面 上 看 來，堆 肥 中 灰 分 的 含 量 百 分 比 似 乎是 增 加，但實 際 上 灰 分 的 總量 應 該 是 不 變 的，乾 基 所 得 的 數 值 增 加，乃 因 堆 肥 中 的 有 機質 分 解，而使 剩 下 的 灰 分 所佔 比 例 增 加，在 同 樣 取 一 克 乾 物 重 時，灰 分 自 然 顯 得 比 較 多。而 第 五 批 次 的 灰 分 曲 線，則 異 常 的 呈 一 下降 的 趨 勢，可 能 是 因 加 水 回填 後 取 樣不夠均勻（取到水樣）所致。 4. 碳氮比 如圖5、圖 7 所示，碳氮比大致是呈現遞 減的狀態，數值介於 10~50 之間。其中第五 批次的整體C/N 值較高，乃是因總氮值較低， 以致相除後數值增加了。而由碳氮比可看出， 廚 餘 堆 肥化 過 程 似 乎 可 分成 難、易 分解 兩 種 主要成分，分別是前10 天和 20 天後分解。一 般來說C/N 值需降至 20 以下才代表比較安定， 則 實 驗 時的 醱 酵 過 程，約 需 一 個 月 的時 間 才 能達到此狀況。在控制含水率的第五批次中， 碳氮比下降的速率是最快的，從起始的50 降 至第7 天的 39，尤其是前一、二天，下降的 速率最為顯著。 5. 粗脂肪 廚 餘 醱 酵 過 程 中，粗 脂 肪 的 變 化 情 形 如 圖5、圖 7 所示，其中第一、第二批次，大致 從堆肥起始的脂肪含量10%（乾基）左右，開 始累積增加至30 天後的 30%左右。而在有加 熱 的 第 三～ 五 批次，脂 肪 含 量 才 有 比 較 明 顯 的 減 少。可 能 是 因 加 熱 後，使 油 脂 被 逼 出 物 料 外，因 而 增 加 與空 氣 接 觸 的 面積 而 加 速 氧 化的時間。其中以第四批次加熱一天後停止， 脂肪去除的狀況 最明顯。從起始 的 12%迅速 的減少到至第2、第 3 天的 2~3%，並在第 3 天 就 發 出濃 濃 的 酸 味（應 是 油 脂 分解 為 脂 肪 酸 的結果），之後到了第6 天時，酸惡臭消失而 代 之 以淡 淡 的 芳 香 味，推 測 是 脂肪 酸 被 氧 化 成酯類所發出的氣味。 6. 粗纖維 粗纖維（乾基）的分析結果，如圖4、圖 6 所示，第一批次為遞增，第二、第五批次則 沒 有 明顯 變 動，只有 第 四 批 次 才比 較 明 顯 下 降。其中第二批次在 15~29 天之間其含量百 分 比 曲線 有 較 大 的 震盪（相 同 的情 形 出 現 在 第二批次的TKN 變化），可能是這段期間粗 纖 維 尚未 大 量 分 解，且 攪 拌 不 夠均 勻 而 影 響 到數值上相差很多。 圖4 中，第二批次粗纖維在約 30 天後才 比 較 明顯 下 降，說明 了 廚 餘 中 的難 分 解 物 質 如 纖 維質 等，往 往需 歷 經 一 個 月甚 至 數 月 才 能 分 解。而 此 分 解所 產 生 的 一 些有 機 酸 性 物 質，造成批次二的pH值在 33 天後又開始下降。 7. CO2濃度變化 因進行第一批次試驗時CO2濃度計尚未裝 設，所以圖8 所示為第二至第五批次的 CO2濃 度變化情形。 各批次的 CO2濃度變化，由於在第 1 日 時，碳 水 化 合 物 等 易 分 解 的 物 質 大 量 分 解， 使得 CO2 濃度突然急昇，最大時甚至超過本 實驗所使用CO2濃度計的最大適用範圍50,000 ppm，尤以有加熱的三、四、五批次最明顯。 而 分 解 的 過 程，以 第 二 批 次 為 例（如 圖 8），大致有兩個部分，分別是前 10 天（第 1
天的突起波峰及第2、8 日處的兩個小波動） 和23 天（第 28 日處的小波峰）後，分別代表 易、難 分 解 物 質 的 分 解 階 段，所 得 結 果 與 王 (1996)的蔬菜廢棄物堆肥處理的狀況類似。此 CO2濃度在第2、8 及 28 日具有最明顯的峰值， 分別與圖 5 中碳氮比的 1~3 日，8~17 日， 29~42 日的急降相當吻合，顯示 CO2濃度變化 和C/N值改變的情形是大致相符的，且 CO2濃 圖5 批次一、批次二之粗脂肪、TKN、TOC、C-N 比變化情形（乾基） Fig.5 The variation of chemical properties in dry basis (crude lipid, TKN, TOC
度 還 有 許 多 更 佳 的 優 點，即 反 應 較 即 時，可 線上(online)監測。再對照第一批次的 1~9 日 及23 日後的急降，兩批次都說明了易分解的 物 質 在 前十 日 就 大 致 分 解完 畢，難 分解 的 物 質則要至25 日左右才會開始分解。 在 一、二 批 次 中，兩 段 醱 酵 高 峰 期 都 間 隔 了 一、二 十 日，中 間 有 一 很 長 的 醱 酵 延 滯 期，因 此，如 能 有 效 縮 短 兩 醱 酵 旺 盛 期 出 現 圖6 批次三、批次四、批次五之濕基含水率、pH、灰分（乾基）、粗纖維 （乾基）變化情形
Fig.6 The variation of chemical properties (wet-basis moisture content, pH, dry-basis ash and dry-basis crude fiber) for batch 3, 4 and 5
的 時 間，則 可 大 大 的減 少 堆 肥 完 熟 所需 的 時 間。而 造 成 此 醱 酵 延 滯 的 原 因，推 測 可 能 是 廚 餘 堆 肥化 過 程 的 組 織 醱酵 出 水，使得 堆 肥 孔隙度被水體阻塞而妨礙了氣體的輸送。 而 在 同 樣 有 加 熱 的 第 四、五 批 次 中，比 較 有 ／無 控 制 含 水 率對 堆 肥 化 的 影 響，結 果 發現第五批次CO2濃度的三個峰值（第1、3、 5.5 天時，如圖 8）是幾批次中最早出現的（第 圖7 批次三、批次四、批次五之粗脂肪、TKN、TOC、C-N 比變化情形（乾基） Fig.7 The variation of chemical properties in dry basis (crude lipid, TKN, TOC
四批次三個峰值出現在第1、5、8 天，第二批 次則為第 1、8、28 天）。如果各個峰值代表 廚 餘 內 不同 物 質 分 解 的 時間，則 第 五批 次 的 操 作 條 件，似 乎 最 不 會 造 成 時 間 上 的 延 遲， 可 能 是 因其 控 制 的 環 境 最單 純，廚 餘中 的 菌 種 不 會 因溫、濕 度 等的 環 境 變 化 而 需再 重 新 適 應、甚 至 重 新 長 成 足 量 的 優 勢 菌 種，因 而 造成醱酵時間滯延。至於上述中的第二批次， 由於觀察的日期較長，所以第28 天處的波峰， 是否可等同第四批次的第8 天和第五批次的第 5.5 天，則還有待進一步研究。 第四批次在第3 天可聞到濃濃的酸味（應 是 油 脂 分 解 為 脂 肪 酸 氧 化 的 酸 味），之 後 到 了第6 天時，則是脂肪酸已被氧化成酯類所發 出的香氣。再對照第四批次的 CO2 濃度值， 在三天半時 CO2 濃度開始上昇，到第五天達 最高峰的1,135 ppm，隨後驟降至第六天的 368 ppm，此波段的 CO2變化，應該就是脂肪酸氧 化所造成的。
四、結
論
本研究探討了幾種廚餘醱酵不同的的控制策 略，並藉由分析CO2濃度、溫度、pH、灰分、粗 脂肪、粗纖維、TOC、TKN、碳氮比的變化，以 了解各項不同控制策略對廚餘醱酵的影響。研究 結果得到如下結論： 當加熱溫度保持在60±1°C，水分含量控制在 50%時，C/N 比下降最為迅速，可在七天內由 50 下降至 39。當加熱溫度控制在 50±1°C，加熱一 天之後不再加熱，粗脂肪量在5 天內就由 5%（乾 基）降到 2%（乾基），去油脂效果最佳，並在 第7 天時有類似酯類的香味。 針對堆肥反應變化的參數，CO2濃度變化較 能靈敏的反映出堆肥醱酵的情形，碳氮比雖亦能 看出變化的情形，但反應不如CO2濃度快速。廚 餘堆肥脂肪分解的時間，應是反映在CO2濃度變 化 的 第 二 個 波 峰 的 時 候。由 CO2 濃 度 的 峰 值 來 看，控制廚餘堆肥化過程中的含水率，似乎能較 圖8 二氧化碳濃度變化圖快速的分解物質而不會因環境的變化造成菌種分 解物質的延滯。對於難分解的物質，可能因取樣 時物質的疊加性，反而使含量的百分率上昇。廚 餘在進行堆肥化時，CO2濃度可分為易分解及難 分解物質兩主要波峰區域，前者主要為醣類、粗 脂肪，後者則為粗纖維物質。
五、誌
謝
本研究進行期間承沈韶儀博士及李允中博士 提供寶貴意見，陳尊賢教授在堆肥特性分析上的 指導，特此誌謝。六、參考文獻
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收稿日期：2006 年 1 月17 日 修改日期：2006 年 2 月 7 日 接受日期：2006 年 2 月22 日
