垃圾堆酵過程水分去除及焚燒污染衍生潛力

何品晶,郁 醇,張春燕,王 珂

(1.同濟大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 上海200092;2.杭州新世紀(jì)能源環(huán)保工程股份有限公司, 浙江 杭州310007)

焚燒是生活垃圾最有效的減量化方式之一, 能實現(xiàn)生活垃圾的無害化并回收能源[1].我國生活垃圾以易腐有機物為主要組分,含水率高, 熱值偏低.所以,在貯坑內(nèi)進行堆酵預(yù)處理是目前我國生活垃圾焚燒廠的普遍實踐,可以使其中的水分瀝出,從而降低入爐垃圾的含水率,并提高熱值[2].張衍國等[3]發(fā)現(xiàn)生活垃圾堆酵中90 %的瀝濾液在前48 h 內(nèi)瀝出, 瀝濾液瀝出是生活垃圾熱值發(fā)生變化的主要原因.然而,現(xiàn)有研究大多沒有涉及焚燒廠普遍采用的堆高負載手段對堆酵水分去除的作用, 難以直接指導(dǎo)工程實踐;同時, 堆酵伴隨著復(fù)雜的物質(zhì)交換過程, 堆酵前后垃圾中與焚燒二次污染相關(guān)的污染因子含量也會產(chǎn)生顯著變化, 進而會對后續(xù)焚燒過程衍生的二次污染產(chǎn)生影響, 此方面的研究亦鮮見報道.

為此, 本文采用模擬負載堆酵實驗方法, 研究負載壓力對生活垃圾堆酵過程水分去除及污染因子含量的影響, 以期對生活垃圾焚燒廠的堆酵預(yù)處理實踐提供方法指導(dǎo).

1 實驗材料和方法

1 .1 實驗材料

實驗所用生活垃圾采自上海市某居民生活區(qū)垃圾收集站, 人工破袋后混合均勻待用.生活垃圾的物理組成(濕基質(zhì)量分數(shù))為食品類81 .1 %、紙類12 .5 %、塑料4 .8 %、其他1 .5 %.其初始含水質(zhì)量分數(shù)(濕基)為74 .1 %.其元素質(zhì)量分數(shù)(干燥無灰基):N 為2 .42 %, C 為41 .40 %, H 為6 .28 %, O 為49 .89 %.

1.2 實驗設(shè)計

實驗裝置如圖1 所示,為圓柱狀不銹鋼制容器,高120 cm 、內(nèi)徑40 cm ,外包10 cm 厚的中空棉墊保溫,容器底部設(shè)10°傾角實心板, 距底部20 cm 設(shè)穿孔板(孔徑8 mm)隔斷, 形成瀝濾液收集與導(dǎo)出空間.

圖1 實驗裝置圖Fig.1 Experimental equipments

實驗共設(shè)置4 個工況.將各15 kg(濕基)前述生活垃圾分別裝入4 個實驗裝置中, 垃圾層初始厚度0 .35～0 .40 m ;垃圾填充層上加載混凝土方塊以模擬堆高負載壓力,工況2 、工況3 和工況4 的加載壓力分別為3 .20 ,8 .00,12 .70 kPa ,工況1 不加載作為對照.各工況實驗周期均為3 d .

1.3 采樣與分析方法

實驗過程每12 h 收集1 次瀝濾液, 實驗前后還通過四分法分別采集600 g 左右固體樣品.

固體樣品置于70 ℃的恒溫箱內(nèi)干燥48 h 至恒重, 重量法測定其含水率.采用Elementar 元素分析儀(Vario EL Ⅲ, 德國)測定N,C,H,O 的元素含量.低位熱值由元素組成計算[4]得出.HNO3/HCl 法消解固體樣品后用等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-optmi a 2001DV,Perkin elmer, 美國)測定重金屬含量.可燃C l 和可燃S 的含量測定方法為:于事先預(yù)熱至850 ℃的管式馬弗爐(內(nèi)徑40 mm 、長710 mm)內(nèi), 以流量為100 ml ·min-1高純O2為載氣, 將固體樣品燃燒30 min,煙氣由體積分數(shù)為1 %的H2O2水溶液吸收, 利用離子色譜(ICS-1 500,Dionex, 美國)測定其中的Cl 和S含量[5].

2 結(jié)果

2 .1 負載壓力和時間對堆酵過程生活垃圾水分去除的影響

負載壓力與單位生活垃圾堆酵水分去除量的關(guān)系如圖2a 所示.水分去除量多少排序為工況3(338 ml ·kg-1)、工況2 (251 ml · kg-1)、工況1(204 ml ·kg-1),而工況4(325 ml ·kg-1)低于工況3 、工況1 、工況2 、工況3 、工況4 相應(yīng)的處理產(chǎn)物最終含水率分別為72 .31 %,67 .70 %,62 .60 %,62 .70 %.各工況下水分去除量的時間分布如圖2b 所示.由圖可知,水分瀝濾去除主要發(fā)生于前36 h, 工況1 至4 前36 h 的水分去除量分別占3 d 總?cè)コ康?6 .76 %,83 .59 %,91 .38 %和93 .06 %.

圖2 各工況單位水分去除情況Fig.2 Water removal during the experiments

2 .2 堆酵對生活垃圾熱值及焚燒污染衍生潛力的影響

生活垃圾經(jīng)堆酵預(yù)處理后, 低位熱值從原狀的1 870 kJ · kg-1上升到2 520 kJ ·kg-1(工況1)、3 300 kJ ·kg-1(工況2)、4 330 kJ ·kg-1(工況3)和3 690 kJ ·kg-1(工況4).可見,熱值的提高和水分瀝濾總?cè)コ食收? 即熱值的提高大小次序為工況3 、工況4 、工況2 、工況1 .

生活垃圾焚燒衍生污染主要包括以二噁英為代表的微量有毒有機物、重金屬, 以及HCl,SOx,NOx,HF 等酸性氣體[1,6].而生活垃圾中可燃Cl 、可燃S和重金屬的含量是決定其焚燒衍生污染物生成潛力的對應(yīng)污染因子.

表1 為堆酵前后生活垃圾中可燃C l、可燃S 和重金屬的含量以及堆酵過程污染因子的損失(隨瀝濾液排出)率.可見, 堆酵提高了生活垃圾中這些物質(zhì)的含量:堆酵后, 工況1 、工況2 、工況3 和工況4的產(chǎn)物中可燃C l 質(zhì)量分數(shù)分別較堆酵前提高了0 .51 %,1 .74 %,12 .27 %和12 .42 %;可燃S 質(zhì)量分數(shù)分別上升了1 .31 %,3 .09 %, 0 .85 %和3 .47 %;重金屬質(zhì)量濃度分別增加了26 .36 %, 32 .88 %,47 .05 %和42 .13 %.這主要是由于水分的去除及有機物的降解使得生活垃圾中可燃Cl 、可燃S 和重金屬發(fā)生了“相對濃縮” .而以原狀生活垃圾為基準(zhǔn)時,堆酵則降低了其中可燃Cl 、可燃S 及重金屬的總含量:與堆酵前相比, 堆酵后工況1 、工況2 、工況3 和工況4 的可燃Cl 質(zhì)量分數(shù)分別損失了25 .29 %,26 .33 %, 27 .67 %和25 .38 %;可燃S 質(zhì)量分數(shù)損失了24 .70 %, 25 .35 %, 35 .03 %和31 .32 %;而重金屬質(zhì)量分數(shù)損失了6 .07 %,3 .78 %,5 .26 %和5 .67 %.

對于焚燒發(fā)電而言,發(fā)電量直接與垃圾的熱值呈比例關(guān)系,則單位發(fā)電量的污染釋放決定于單位低位熱值的生活垃圾中的污染因子含量.因此,可以用單位低位熱值的生活垃圾中的可燃Cl、可燃S 和重金屬含量(以L值表示,μg ·kJ-1)來評價生活垃圾焚燒發(fā)電的環(huán)境污染釋放潛力.表2 為可燃Cl、可燃S 和重金屬的L值.由表2 可見,堆酵顯著降低了生活垃圾的L值:相對于堆酵前,堆酵后工況1、工況2 、工況3 和工況4 的生活垃圾中可燃Cl 的L值分別降低了25.58 %,42 .48 %,51 .61 %和43.12%;可燃S 的L值分別減少了25 .00 %,41 .72 %,56.53%和47.65%;而重金屬的L值分別降低了6.44%,24.88 %,36 .61 %和28.09 %.因此,堆酵可以顯著降低生活垃圾焚燒單位發(fā)電量的衍生污染,而且,污染降低水平與水分去除水平呈正相關(guān).

表1 堆酵前后生活垃圾和單位原生生活垃圾中焚燒污染因子的含量與損失率Tab.1 Concentrations of the pollutants in MSW and their removal rates before and after the experiments

表2 堆酵前后單位低位熱值生活垃圾中可燃Cl、可燃S 及重金屬的L 值Tab.2 L value for combustible Cl, S,and heavy metals in MSW before and after the experiments

3 討論

3 .1 堆酵除水的負載壓力最優(yōu)值

由圖2a 可見,負載壓力較低時, 堆酵的水分去除量隨著壓力的增大而增加, 但超過一定值后,再增大壓力反而不利于水分去除.這是因為壓力增加,機械擠壓作用增強, 使得生活垃圾顆粒結(jié)構(gòu)破壞率上升,顆粒體內(nèi)水分轉(zhuǎn)化為自由水分, 瀝濾去除量趨于增加;但是,壓力增加同樣也會使堆體壓實度增加,孔隙率減小, 增加水分的流出阻力.因此, 堆酵除水的負載壓力存在最優(yōu)值.此值在本研究的實驗條件下為8～12 kPa .

3.2 堆酵除水的操作模式

由圖2b 可見, 生活垃圾堆酵處理過程的水分去除主要集中在前36 h,而且, 前36 h 的水分去除量占72 h 總?cè)コ康谋壤S負載壓力的提高而增加.而生活垃圾焚燒廠操作實踐中, 為充分利用貯坑空間來延長堆酵預(yù)處理時間,堆酵的堆體高度普遍大于10 m ,按垃圾的容重測算, 負載壓力大于本研究的水平.因此,一次堆高后的發(fā)酵處理時間不應(yīng)大于36 h,如需進一步提高水分去除水平,可在36 h 后倒垛一次進行二次堆酵處理,既可以利用倒垛使堆體內(nèi)的自由水分充分流出, 還可以重新形成擠壓力場,產(chǎn)生并排出更多的自由水分.

4 結(jié)論

(1)負載壓力可以增強生活垃圾焚燒前堆酵預(yù)處理的水分去除, 壓力對水分去除的影響呈現(xiàn)非線性特征,超過最優(yōu)值(本實驗中為8 .00 kPa)后, 水分去除率反而降低.

(2)一次堆酵的水分去除主要集中在最初的36 h .因此,一次堆高后的發(fā)酵處理時間不應(yīng)大于36 h ,如需進一步提高水分去除水平,可在36 h 后倒垛一次進行二次堆酵處理.

(3)與原狀生活垃圾比較,堆酵產(chǎn)物的可燃Cl ,S和重金屬等焚燒污染因子的含量增加, 其增加率與水分去除率正相關(guān);但是,入爐污染物總量和單位低位熱值的污染因子含量降低,整體而言,大幅降低了生活垃圾焚燒衍生污染的潛力。

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