黃文雄 ,蘇紅玉 ,黃丹丹 ,尹 然 ,袁 松 ,梁前芳 (1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100083；.城市建設(shè)研究院,北京 10009)

含水率高,廚余類有機(jī)物含量高,發(fā)熱量低,是我國城市生活垃圾的基本特征[1].這種高含水率的混合垃圾如果用于填埋會(huì)釋放大量的滲濾液和溫室氣體,增加二次污染潛力;如果用于焚燒,會(huì)降低生活垃圾低位熱值,致使焚燒熱能利用效率降低,甚至需要添加輔助燃料;同時(shí),高含水率還使得垃圾不同組分相互粘連,機(jī)械分選效果差,限制了通過分選實(shí)現(xiàn)垃圾處理過程優(yōu)化的可能性. 因此,在生活垃圾分類收集難以全面展開的前提下,迫切需要開發(fā)降低垃圾含水率的技術(shù)[2].

生物干化是近幾年來逐步興起的一種預(yù)處理手段,與熱干化不同,它無需消耗外界熱能,而利用垃圾中可生物降解的有機(jī)物好氧分解釋放的熱量,使得垃圾中水分汽化,通過強(qiáng)制通風(fēng)對流,將汽化后的水蒸氣帶出[3].這種方式既不消耗外界熱能,又提高垃圾低位熱值[4];還能使可生物降解有機(jī)物部分穩(wěn)定化[5-6],減少后續(xù)處理過程污染物產(chǎn)生潛力.一些學(xué)者開展了如何提高生物干化的速率的研究[7],如控制通風(fēng)量[8]、分階段干化[9]和產(chǎn)物接種、滲濾液回噴[10]等.雖然國內(nèi)外對通風(fēng)方式對垃圾堆肥的影響報(bào)道較多[11],但鮮見通風(fēng)方式對生物干化效果影響的報(bào)道.

本研究針對我國混合收集的高含水率生活垃圾,在不同通風(fēng)方式下,開展垃圾含水率變化、有機(jī)質(zhì)含量變化、堆體質(zhì)量變化、熱值變化等研究,以期為生物干化技術(shù)工藝參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)開始于3月份,室內(nèi)平均氣溫20℃左右,室內(nèi)空氣平均相對濕度約20%～28%.所用生活垃圾采自北京市朝陽區(qū)某居民小區(qū)垃圾收集桶,經(jīng)簡單人工破袋后,混勻備用.根據(jù)生物降解特性,將垃圾分為廚余、塑料、紙張和其他(表1).

表1 試驗(yàn)垃圾組分和含水率Table 1 Waste components and water content

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖 1所示.其中干化反應(yīng)器為圓柱形PVC容器,高2.0m,內(nèi)徑0.8m,外層包裹30mm厚的聚氨酯用于保持與外界絕熱.容器底部設(shè)一定傾角的實(shí)心板,從一側(cè)接出直徑為40mm 的PVC管用于滲濾液導(dǎo)排.底部的另一側(cè)接直徑40mm 的PVC通風(fēng)管,該通風(fēng)管在容器內(nèi)部長800mm,上面等間距布置多個(gè)通風(fēng)孔,通風(fēng)管在反應(yīng)器內(nèi)部一端封口,入口一端接旋渦風(fēng)機(jī)(臺灣亞力達(dá))和轉(zhuǎn)子氣體流量計(jì),分別用于強(qiáng)制通風(fēng)和流量監(jiān)測.距底部200mm設(shè)一圓板,上面均勻布滿多個(gè)小孔(孔徑約5mm).穿孔隔板上部填充生活垃圾,填充高度為1.3m;將混勻備用的垃圾分多批次等量依次填入4組反應(yīng)器中,以保證每組反應(yīng)器中物料性質(zhì)均勻.完成垃圾填充后,上覆一定厚度的稻草墊,用于吸收排氣中的水蒸汽,防止冷凝后重新回到堆體.反應(yīng)器頂端密封,接出排氣管,遠(yuǎn)端接負(fù)壓抽風(fēng)裝置,保持排氣管出口微負(fù)壓.采用定制的電阻絲加熱空氣的加熱裝置使空氣加熱到預(yù)定溫度,并用調(diào)壓器進(jìn)行溫度調(diào)節(jié),使得空氣溫度能在短時(shí)間內(nèi)(＜1min)達(dá)到設(shè)置溫度.

在堆體內(nèi)距多孔板1.0,0.7,0.3m處設(shè)置溫度傳感器,以監(jiān)測堆體上、中、下3點(diǎn)的溫度變化.本研究自行設(shè)計(jì)了一套多功能數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng),能實(shí)現(xiàn)堆體溫度、氧濃度、通風(fēng)時(shí)間等參數(shù)在線測量和反饋,從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)控制,具有數(shù)據(jù)連續(xù)測量、存儲(chǔ)以及查詢等功能,并可實(shí)現(xiàn)多種不同通風(fēng)方式的調(diào)節(jié).自控系統(tǒng)采用上下位機(jī)兩級控制策略,上位機(jī)為PC機(jī),安裝組態(tài)軟件,下位機(jī)為西門子 S7-200系列 PLC,上位機(jī)可以顯示并保存下位機(jī)傳輸上來的數(shù)據(jù),也可以實(shí)現(xiàn)對下位機(jī)下達(dá)指令.

圖1 試驗(yàn)裝置示意Fig.1 Schematic diagram of the experimental equipment

1.3 試驗(yàn)方法

設(shè)4組平行試驗(yàn),各組的物料重量、通風(fēng)條件、通風(fēng)溫度及通風(fēng)時(shí)間如表2所示. 1#、2#采用傳統(tǒng)的間隙(30min為一個(gè)周期)-室溫通風(fēng)方法,但通風(fēng)時(shí)間不一致;3#采用間歇(10min/20min)-40℃空氣(利用加熱裝置)通風(fēng);4#采用先間隙通風(fēng)(10min/20min)后連續(xù)通風(fēng),為了堆體能快速達(dá)到高溫階段,試驗(yàn)前 3d采用間隙通風(fēng)(10min/20min),達(dá)到60℃后,采用連續(xù)通風(fēng).4組試驗(yàn)通風(fēng)速率均為0.077m3/(min×m3)垃圾,每3d進(jìn)行1次人工翻堆,4組試驗(yàn)生物干化時(shí)間均為18d.

1.4 測試方法

垃圾堆體溫度采用溫度傳感器(Pt100)連續(xù)監(jiān)測,每10min讀取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中.從試驗(yàn)開始,每3d在翻堆的同時(shí)從試驗(yàn)裝置中取樣,每次取樣量不小于 2kg,測定物料含水率[(100±5)℃烘干至恒重]、固相揮發(fā)性固體VS含量(干化樣品550℃灼燒2h恒重法)、堆體重量(磅秤稱重)、熱值(氧彈燃燒法,美國PARR 1356)[12].采用常溫下重鉻酸鉀氧化有機(jī)質(zhì)的方法測定垃圾中可生物降解的有機(jī)質(zhì) BDM含量[13].含水率、熱值、VS、BDM、熱值等指標(biāo)測定采用平行試驗(yàn),使得兩次試驗(yàn)結(jié)果偏差不大于10%,取2次算術(shù)平均值為測量值.

表2 通風(fēng)試驗(yàn)條件Table2 Aerobic condition of 4 experiments

2 結(jié)果

2.1 堆體溫度

圖2為PLC連續(xù)記錄堆體內(nèi)中心點(diǎn)溫度的變化,其中出現(xiàn)溫度突降是由于翻堆的緣故.由圖2可見,室溫基本維持在約20℃,4組試驗(yàn)起始溫度均接近室溫,隨后逐漸上升,3#、4#升溫較快,至第2d時(shí)便進(jìn)入高溫階段(＞60℃),而1#、2#稍慢,但在第3d也進(jìn)入了高溫階段.4組試驗(yàn)物料在高溫階段分別停留了 18,17,12,10d,且最高溫度都達(dá)到70℃,表明垃圾堆體生物反應(yīng)比較旺盛.

由圖2可看出,1#與2#試驗(yàn)溫度變化較為相似,高溫階段保持的時(shí)間較長,至試驗(yàn)結(jié)束時(shí)仍然維持在在 60℃左右,未出現(xiàn)明顯下降.3#堆體溫度在第4次翻堆后便快速下降,主要原因是較高的進(jìn)風(fēng)溫度使得堆體水分散失較快,低含水率限制了有機(jī)物降解放熱,有機(jī)物降解放熱小于氣體帶走的熱量,導(dǎo)致溫度降低.4#為先間歇通風(fēng)后連續(xù)通風(fēng),與1#、2#對比,4#堆體溫度下降明顯,這與其通風(fēng)較長時(shí)間有關(guān),長時(shí)間的通風(fēng)不利于保持溫度,且水分散失較快.

圖2 物料溫度變化Fig.2 Temporal evolution of temperature during biodrying

2.2 含水率變化

生物干化過程中由于好氧發(fā)酵,使垃圾中生物質(zhì)組分的細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞,田間持水量下降,少量水可滲出垃圾基質(zhì)[14],在生物干化反應(yīng)器底部作為滲濾液收集,但以這種形式去除的水分較少[15].水分去除大部分是依靠對流蒸發(fā)帶出,本次試驗(yàn)中未見滲濾液排出.

由圖3可知,在開始的前3d,垃圾含水率變化較小,主要是由于此階段處于升溫期,微生物尚處于適應(yīng)馴化階段,生物反應(yīng)不夠旺盛,放出熱量較少,干化以空氣對流蒸發(fā)帶走的水分為主.因此,表現(xiàn)為前期含水率未出現(xiàn)大幅度下降.

由表3可見,隨著生物干化的進(jìn)行,垃圾含水率出現(xiàn)了明顯的下降過程,其中3#、4#水分散失較快,到試驗(yàn)結(jié)束時(shí)平均含水率分別達(dá)到23.72%和24.50%,比 1#和2#產(chǎn)物的平均含水率降低了近13%.3#試驗(yàn)脫水效果好,其水分去除率和單位去除率均最高,4#次之,但其水分去除率和單位去除率仍遠(yuǎn)高于1#和2#,說明3#、4#的通風(fēng)方式可明顯提高水分去除率和干化效果.

圖3 物料含水率的變化Fig.3 Temporal evolution of water content during biodrying

表3 試驗(yàn)結(jié)束時(shí)物料含水率與水分變化Table 3 Variation of water content in materials after biodrying

對比 1#和2#,盡管二者通風(fēng)量相差較大,但是 1#含水率變化卻與 2#基本一致(圖3),這是因?yàn)?#和2#試驗(yàn)的通風(fēng)量與揮發(fā)垃圾中水分所需要的通風(fēng)量相比較小,總通風(fēng)量仍相對不足,通風(fēng)量已不是影響二者生物干化效果的最主要因素.

2.3 質(zhì)量損失

生物干化過程中質(zhì)量平衡如圖 4所示.由于本試驗(yàn)中未見滲濾液產(chǎn)生,因此物料的質(zhì)量總損失為水分去除和可生物降解有機(jī)物降解量之和.

由圖5可見,隨著生物干化的進(jìn)行,由水分揮發(fā)導(dǎo)致原生垃圾質(zhì)量損失的貢獻(xiàn)率(去除率)、由有機(jī)物降解而導(dǎo)致的質(zhì)量損失貢獻(xiàn)率(降解率)以及總?cè)コ?二者之和)均不斷上升.到實(shí)驗(yàn)后期,3#、4#的水分去除率和總損失率均大于1#和2#,而有機(jī)質(zhì)的降解率卻小于 1#和2#.到試驗(yàn)結(jié)束時(shí),3#、4#水分去除率(按原生垃圾質(zhì)量計(jì))為52.30%、52.18%,相當(dāng)于全部含水量的85.04%和84.84%被去除,而1#、2#的水分去除率為43.66%和47.60%,僅相當(dāng)于全部含水量的70.99%和77.39%被去除.從有機(jī)物降解上看,3#、4#降解率(按原生垃圾總干重計(jì))為23.12%、25.40%,而1#、2#降解率為29.25%、31.25%.證明3#和4#的通風(fēng)模式更有利于水分蒸發(fā),消耗更少的有機(jī)物.

圖4 生物干化示意Fig.4 Schematic representation of biodrying

圖5 物料減重率變化Fig.5 Temporal evolution of the mass reduction ratio during biodrying

此外,生物干化過程中,由于水分揮發(fā)導(dǎo)致質(zhì)量損失遠(yuǎn)大于由于有機(jī)物的降解導(dǎo)致的質(zhì)量損失.4組實(shí)驗(yàn)的有機(jī)物平均降解率(按原生垃圾質(zhì)量計(jì))為10.5%,而水分的平均去除率(按原生垃圾質(zhì)量計(jì))高達(dá)48.9%.

為了更好地說明生物干化過程中水分去除與有機(jī)物降解的關(guān)系,研究了4組試驗(yàn)單位質(zhì)量的有機(jī)物消耗所對應(yīng)的脫水能力變化如圖 6所示.該曲線呈現(xiàn)先升高然后降低最后趨于平緩的趨勢,這是由于試驗(yàn)前期,分子間游離水較多,容易被對流蒸發(fā)去除,之后水分主要以細(xì)胞內(nèi)水的形式存在,隨著通風(fēng)供氧,溫度顯著上升,進(jìn)入高溫階段,較易降解的有機(jī)物(如糖類)快速消耗,游離水逐漸減少,細(xì)胞內(nèi)水開始被去除,但總?cè)コ坑兴档?從圖6可知,如果采用1#、2#的通風(fēng)方式,每消耗單位質(zhì)量的有機(jī)物可以去除3.88和3.96倍質(zhì)量的水分,而如果采用3#或4#的通風(fēng)方式時(shí),每消耗單位質(zhì)量的有機(jī)物可以去除5.87和5.34倍質(zhì)量的水分.

圖6 生物干化過程中單位有機(jī)物消耗脫水能力Fig.6 Temporal evolution of water removal capacity per organic matter consumption during biodrying

2.4 VS和BDM的變化

生物干化利用生活垃圾中可生物降解有機(jī)物發(fā)酵釋放熱量,使得垃圾中水分汽化蒸發(fā),這一過程是水分與可降解的有機(jī)質(zhì)同時(shí)作用的結(jié)果,而惰性物質(zhì)(其他)和不可生物降解的有機(jī)物(塑料等)在此過程中基本沒有變化,因此需同時(shí)考察可降解的有機(jī)物降解過程,以說明物料含水率的變化機(jī)制.本研究單獨(dú)將生活垃圾中的可生物降解組分(廚余+紙張)分離出來,單獨(dú)分析其揮發(fā)性固體(VS)的變化規(guī)律,如圖7所示.

VS包含可生物降解和不可生物降解部分,而在生物干化過程中,只有可生物降解部分才能分解,故有必要單獨(dú)考察可生物降解部分的降解程度.評價(jià)可生物降解有機(jī)物降解程度(生物活性)的指標(biāo)有很多[16],如AT4[17]、SOUR[18]等,這些指標(biāo)通過監(jiān)測有機(jī)物的耗氧量來間接反映,本文采用可生物降解物質(zhì)(BDM)含量[13]的變化直接表征可降解有機(jī)物降解程度.物料中廚余組分是最易生物降解的部分,因此采用試驗(yàn)前后廚余垃圾的BDM 變化情況來表征生物降解程度(圖8).

圖7 物料可生物降解組分VS的變化Fig.7 Temporal evolution of Volatile solid of biodegradable components during biodrying

圖8 試驗(yàn)前后廚余組分BDM的變化Fig.8 Food waste BDM variation before and after biodrying

由圖7可見,物料中可生物降解組分初始VS為86.5%,隨著生物干化的進(jìn)行,各組試驗(yàn)物料VS均呈下降趨勢.在4組試驗(yàn)中,1#、2#物料有機(jī)份VS下降幅度比3#、4#大,到反應(yīng)終點(diǎn)時(shí)4組試驗(yàn)出料的可生物降解部分VS分別為78.9%、79.2%、80.9%和81.5%,說明1#、2#試驗(yàn)的通風(fēng)條件有利于有機(jī)物降解.對于 3#、4#試驗(yàn)而言,雖然較高的進(jìn)風(fēng)溫度使得微生物繁衍迅速或者長時(shí)間通風(fēng)保證了堆體較高的氧濃度,但是不利于維持堆體溫度,水分下降較快,導(dǎo)致有機(jī)物降解較慢,這與堆肥的原理是一致的.

由圖8可知,試驗(yàn)結(jié)束時(shí),1#廚余垃圾的BDM 最低,2#、3#次之,4#最高,達(dá)到56.8%.證明1#物料降解較完全,其穩(wěn)定度最高,2#、3#、4#依次遞減,這與VS消耗結(jié)果相吻合.

2.5 垃圾低位熱值變化

由圖9可知,隨著生物干化的進(jìn)行,各組試驗(yàn)物料的低位熱值均呈上升的趨勢,進(jìn)料時(shí)垃圾的低位熱值為5413kJ/kg,當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到第6d時(shí),產(chǎn)物熱值超過7000kJ/kg,達(dá)到經(jīng)濟(jì)焚燒的熱值要求;當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行 18d時(shí),各組試驗(yàn)的干化產(chǎn)物低位熱值分別為11954kJ/kg、12994kJ/kg、15760kJ/kg、14801kJ/kg,與原生垃圾相比,熱值分別提高了121%、140%、191%及173%,達(dá)到制作固體衍生燃料(SRF)的熱值要求[19].4組試驗(yàn)相比,3#、4#熱值較 1#與 2#提高更多,其熱值比 1#分別提高了32%和24%,主要原因是3#、4#的通風(fēng)模式以較少的有機(jī)物降解獲得了較多的水分去除(圖6).

圖9 低位熱值變化Fig.9 Temporal evolution of material lower heat value during biodrying

3 討論

3.1 生物干化產(chǎn)物利用方式

生物干化的產(chǎn)物可用于衛(wèi)生填埋[21],以減少填埋過程二次污染物產(chǎn)生;也可以作為焚燒預(yù)處理手段,改善焚燒性能[2],還可以作為SRF原料替代化石燃料[22].不同的產(chǎn)物利用方式應(yīng)對應(yīng)不同的干化策略.我國城市生活垃圾平均含水率超過了50%,平均低位熱值僅有4000kJ/kg左右,如果作為焚燒預(yù)處理方式,需要將垃圾熱值提高到6000～7000kJ/kg,以達(dá)到經(jīng)濟(jì)焚燒要求.從本試驗(yàn)結(jié)果來看,干化第6d,4組試驗(yàn)物料熱值均超過7000kJ/kg,進(jìn)場垃圾可不經(jīng)料坑儲(chǔ)存直接焚燒.如果作為填埋的預(yù)處理方式,應(yīng)以有機(jī)物更穩(wěn)定和含水率較低為目標(biāo),減少填埋后的溫室氣體和滲濾液排放.而如果作為原料制作SRF立即使用,應(yīng)以較低的含水率和較高的低位熱值為目標(biāo),有機(jī)物穩(wěn)定化程度可不作為其目標(biāo)[5].從本試驗(yàn)結(jié)果看,1#和2#試驗(yàn)含水率大幅下降(圖3)、VS消耗較大(圖7)、相對更為穩(wěn)定(圖8),可作為填埋預(yù)處理方式;而3#和4#試驗(yàn)單位總重量的水分去除率更高(表3),熱值提高更多(圖9),其產(chǎn)物可作為SRF原料.

3.2 生物干化過程中通風(fēng)對水分去除機(jī)理

生物干化過程中,堆體的水分降低主要通過兩步完成[3]:(1)垃圾進(jìn)行好氧發(fā)酵,通過生物質(zhì)組分降解,產(chǎn)生熱量驅(qū)動(dòng)水分蒸發(fā),使得水分子從垃圾顆粒表面蒸發(fā)至空氣中;(2)通過主動(dòng)通風(fēng),使得蒸發(fā)的水分以蒸汽的形式從垃圾堆體穿過,隨廢氣排出.上述兩個(gè)步驟的脫水效果均與水分的飽和蒸汽壓相關(guān),由于飽和蒸汽壓隨著溫度升高而升高,第一步中,有機(jī)物好氧分解釋放熱量,使得堆體升溫,堆體中水分在較高的溫度下更易于汽化;第二步中,由于空氣攜帶水蒸氣的容量是有限的,對于相對濕度確定的空氣,其可持有的水蒸氣量隨著溫度的升高而增加[22].

從試驗(yàn)結(jié)果來看,3#的水分去除能力和產(chǎn)物熱值都最高,而有機(jī)物的降解卻較少,這是由于3#試驗(yàn)的通風(fēng)溫度要高于1#和2#的緣故,較高的通風(fēng)溫度其單位體積攜帶水蒸氣的容量大.然而,對于生物干化而言,過高的通風(fēng)溫度會(huì)導(dǎo)致堆體溫度超過高溫微生物的耐受范圍,微生物繁殖環(huán)境難以建立,不利于有機(jī)物降解放熱,從而變?yōu)闊岣苫^程.因此,對于高含水率的生活垃圾,干化效果最佳的通風(fēng)溫度仍然需要進(jìn)一步研究.4#試驗(yàn)通風(fēng)時(shí)間長,通風(fēng)量大,結(jié)果呈現(xiàn)出水分去除能力也較強(qiáng)(表3).雖然 1#與 2#堆體高溫段保持更長,但由于總通風(fēng)量相對不足,通過通風(fēng)所攜帶的水蒸氣量也小,因而水分去除能力較 3#和4#低.從堆體溫度上看,1#與2#保持高溫時(shí)間長也證明了其適宜的含水率條件.

3#和4#通風(fēng)方式雖然能明顯改進(jìn)垃圾的水分去除能力,但這是以比1#與2#更大的能耗為代價(jià)的.因此,對于通風(fēng)方式的選擇需要進(jìn)行進(jìn)一步能量和經(jīng)濟(jì)的評價(jià).

4 結(jié)論

4.1 對于高含水率生活垃圾的生物干化,其水分揮發(fā)導(dǎo)致的質(zhì)量損失遠(yuǎn)大于有機(jī)物降解導(dǎo)致的質(zhì)量損失.干化 18d后,水分的平均去除率(按原生垃圾質(zhì)量計(jì))為48.9%,是有機(jī)物平均降解率的4.66倍.

4.2 采用高溫通風(fēng)的生物干化,增加了單位體積空氣攜帶水蒸氣的容量,提高了單位重量的水分去除率及產(chǎn)物低位熱值,降低了 VS消耗和有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定度.

4.3 高含水率生活垃圾經(jīng)過18d的生物干化,4種不同通風(fēng)方式產(chǎn)物的平均熱值為13877kJ/kg,其中采用 40℃間隙通風(fēng)和間隙-連續(xù)通風(fēng)的產(chǎn)物熱值達(dá)到15760kJ/kg、14801kJ/kg,比原生垃圾熱值提高191%、173%,可作為生產(chǎn)SRF原料.

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