城市生活垃圾焚燒前堆酵脫水研究進(jìn)展*

商 平，李芳然，郝永俊，劉彥博，唐 軍

（1.天津科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，天津 300457；2.大連泰達(dá)環(huán)保有限公司，遼寧 大連 116023）

城市生活垃圾焚燒前堆酵脫水研究進(jìn)展*

商 平1，李芳然1，郝永俊2，劉彥博2，唐 軍2

（1.天津科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，天津 300457；2.大連泰達(dá)環(huán)保有限公司，遼寧 大連 116023）

分析了垃圾含水率及其與低位熱值的關(guān)系，依據(jù)低位熱值對垃圾焚燒工藝的影響，概述了垃圾焚燒前堆酵脫水的機(jī)理、研究現(xiàn)狀，探討了控制溫度和接種微生物在加速堆酵脫水中應(yīng)用的可行性，并對今后該領(lǐng)域的研究重點提出建議。

城市生活垃圾；垃圾焚燒；熱值；含水率；堆酵

1 城市生活垃圾組分及含水率

1.1 城市生活垃圾組分

我國垃圾一般采用混合收集的方法，垃圾的來源和組分都很復(fù)雜。各組分含量見表1［1］。

表1 我國城市生活垃圾組分 %

隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大、城市居民生活質(zhì)量的提高及燃煤量的減少，垃圾組分含量隨之發(fā)生變化。垃圾中的無機(jī)物含量呈下降趨勢；可回收物含量則大幅增長，尤以大中型發(fā)達(dá)城市增長較快；高含水率的果蔬皮及餐飲有機(jī)物含量也呈逐年增長趨勢。

1.2 城市生活垃圾含水率

我國城市生活垃圾含水率平均值在50%左右，李曉東等［2］在收集分析我國部分城市生活垃圾調(diào)查數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，得出我國大部分城市生活垃圾含水率為40%～60%。垃圾內(nèi)不同組分含水率不同，表2為城市生活垃圾中各組分含水率的典型值［3］。

表2 城市生活垃圾不同組分含水率 %

果蔬垃圾在夏秋上市季節(jié)，垃圾中有機(jī)組分含量較高，含水率也相應(yīng)增加，蕪湖市夏季有機(jī)組分含量高達(dá)67%以上［4］。天津市4—10月有機(jī)物含量基本在60%以上，含水率達(dá)60%以上，11月至次年3月基本低于40%［5］。且相關(guān)研究［6］表明，有機(jī)物果蔬廚余垃圾含量與垃圾含水率呈正相關(guān)，并且降水量與含水率相關(guān)性不大。

2 垃圾熱值及其與垃圾含水率的關(guān)系

2.1 垃圾熱值的決定因素

影響垃圾熱值的主要因素為垃圾可燃物組分、垃圾含水率及垃圾粒徑大小。垃圾中各成分干基高位熱值平均值從大到小依次為塑料、織物、木材、紙、植物、動物、灰土，金屬和玻璃的熱值為零［7］，近幾年隨著我國城市生活垃圾組分發(fā)生了變化，特別是廢紙、廢塑料等組分的增加，垃圾熱值也有一定程度升高。

（2）如果下行指令未收到終端響應(yīng)或下行失敗，則需要進(jìn)行重發(fā)，重發(fā)三次失敗后不再重發(fā)，應(yīng)用側(cè)不修改路燈狀態(tài)，但提示異常；

目前，我國城市生活垃圾平均低位熱值為4 180 kJ/kg。垃圾中有機(jī)物果蔬皮、廚余垃圾含

2.2 垃圾熱值與含水率的關(guān)系

含水率直接影響垃圾熱值，垃圾含水率越高，燃燒時水汽化帶走的熱量越多。按照理論計算，1 kg水汽化需要吸收2 500 kJ左右的熱量。垃圾含水率每降低10%焚燒熱值就會提高250 kJ/kg，而實際研究表明熱值隨含水率變化的幅度較理論水平更高。李愛民等［10］對大連經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)采集的垃圾進(jìn)行預(yù)處理，使其含水率從68.3%降低至46.9%，垃圾的濕基低位熱值由3 344 kJ/kg上升至7 123 kJ/kg，并且由低位熱值與含水率的關(guān)系曲線得出兩者存在線性相關(guān)關(guān)系。

3 低位熱值對垃圾焚燒工藝的影響

垃圾焚燒直接受其低位熱值的影響，在850～1 100℃的高溫下，垃圾中的可燃成分與空氣中的氧進(jìn)行劇烈的化學(xué)反應(yīng)，釋放出熱量并轉(zhuǎn)化為高溫的燃燒氣和少量性質(zhì)穩(wěn)定的固定殘渣［11］。進(jìn)料垃圾熱值不能過低，必須確保其燃燒釋放的熱量足夠?qū)⒑罄m(xù)垃圾加熱至燃點，否則必須附加燃料進(jìn)行助燃。我國發(fā)電價格及補(bǔ)貼相關(guān)法規(guī)規(guī)定，資源再利用焚燒項目中常規(guī)能源發(fā)熱量比例超過20%的混燃發(fā)電項目，視同常規(guī)能源發(fā)電項目，執(zhí)行當(dāng)?shù)貥?biāo)桿電價，不享受電價補(bǔ)貼。照此規(guī)定，進(jìn)入焚燒爐的最低低位熱值為6 002 kJ/kg，且含水率必須下降到48.5%，對于我國目前平均50%以上的含水率及4 180 kJ/kg的低位熱值，垃圾焚燒面臨原料熱值較低的形勢相當(dāng)嚴(yán)峻。有報道垃圾與煤炭混合熱值大于7 000 kJ/kg時，才能實現(xiàn)垃圾的均勻燃燒和熱量的有效經(jīng)濟(jì)利用［10］，即此時，含水率至少下降至43.3%。

焚燒爐運行過程中，熱值降低會引起焚燒爐爐膛煙氣量增加，從而使尾部煙道的煙氣流速提高，當(dāng)垃圾熱值減少10.71%時煙氣量提高12%左右［12］。煙氣流速的增加有利于減少尾部受熱面管束的積灰現(xiàn)象，強(qiáng)化受熱面管束與熱煙氣間換熱強(qiáng)度，但同時增加了灰塵中顆粒對管束的磨損而且增加風(fēng)機(jī)負(fù)荷，增大用電率。研究表明［13］，隨著熱值由7 524 kJ/kg降低到3 344 kJ/kg，鍋爐效率由73.19%降至58.62%，機(jī)組效率由26.56%降至21.27%，機(jī)組輸出電量由3 468.98 kW降至1 234.79 kW。

4 堆酵技術(shù)降低焚燒垃圾含水率研究

堆酵是我國已運行爐排式垃圾焚燒電廠普遍使用的一項脫水技術(shù)，收集后的垃圾運送到焚燒廠后直接傾倒于地坑中，連續(xù)堆積數(shù)天瀝出部分水分，以提高熱值。

4.1 堆酵技術(shù)機(jī)理及應(yīng)用

堆酵過程同時存在著微生物無氧呼吸及厭氧發(fā)酵過程。垃圾瀝出的水分包括：①通過重力擠壓作用脫除的外部水分；②通過生物對有機(jī)物的降解作用瀝出的水分和其他液態(tài)物質(zhì)。垃圾堆酵過程同好氧過程相比產(chǎn)能雖然較低，不存在溫度高達(dá)70℃的升溫期，但在厭氧微生物大量增殖的階段堆酵溫度仍會有一定程度升高，從而加速發(fā)酵反應(yīng)，也加速了水分子運動，利于水分脫除。堆酵過程C、H部分汽化后被抽吸至焚燒爐進(jìn)行助燃，而水分的脫除和高分子有機(jī)物向小分子降解使得垃圾熱值整體升高；含水率降低是垃圾堆酵提高熱值的最主要原因。

4.2 加速堆酵的實驗研究

對于加速厭氧堆酵實現(xiàn)短時間內(nèi)脫除較多水分的研究很少，在加速垃圾降解方面研究較多集中于接種微生物快速好氧堆肥或高溫厭氧發(fā)酵罐獲得生物質(zhì)氣體。好氧堆肥和厭氧罐發(fā)酵獲得生物氣持續(xù)時間較長，但與堆酵過程生物反應(yīng)原理相同或相似，對改進(jìn)這些技術(shù)方面的研究方法和條件結(jié)果的分析具有一定借鑒意義。

4.2.1 高溫對垃圾腐化過程的影響

控制微生物降解脫水過程中溫度作用主要基于2個方面：①高溫能夠使水的能量增大并且提高自由水與結(jié)合水的比例，這樣水分更容易與垃圾分離而蒸發(fā)或瀝出；②在微生物反應(yīng)過程中，溫度是影響微生物生長的主要環(huán)境因子，溫度升高時細(xì)胞內(nèi)的酶反應(yīng)和代謝速率加快從而使微生物的生長速率加快，垃圾加速腐化瀝出液體。

高溫可顯著提高微生物活性，生活垃圾高溫厭氧消化過程中溫度由55℃突降到20℃后，隨著低溫持續(xù)時間延長，產(chǎn)甲烷菌等微生物的衰減上升，產(chǎn)甲烷恢復(fù)時間延長［18］。M.W.Peck等［19］研究了中溫厭氧消化反應(yīng)處理牛糞過程中溫度波動的影響，結(jié)果表明溫度降低后的纖維素類物質(zhì)的降解速度減慢使得產(chǎn)甲烷菌活性也受到影響。吳滿昌等［20］研究了含水率90%的生活垃圾55℃高溫厭氧發(fā)酵過程中生物質(zhì)能沼氣產(chǎn)生量的變化，高溫能夠縮短發(fā)酵啟動時間，較快進(jìn)入正常發(fā)酵，并且甲烷產(chǎn)生量高達(dá)75.3%。

4.2.2 微生物接種技術(shù)加速垃圾腐化研究

城市生活垃圾中有數(shù)量巨大的土著微生物種群，一般細(xì)菌數(shù)量為1014～1016個/kg，而人工加入的特殊菌種對某些有機(jī)廢物具有較強(qiáng)的分解能力，活性強(qiáng)、繁殖快、分解有機(jī)物迅速，可加速垃圾腐化進(jìn)程，縮短堆酵時間。

微生物接種主要集中在接種高溫菌提高好氧反應(yīng)溫度及接種對某些有機(jī)物具有較強(qiáng)降解能力的菌種2個方面，實現(xiàn)提高有機(jī)物降解速率、加快腐化進(jìn)程。好氧反應(yīng)二次發(fā)酵中接種常溫霉菌，堆肥溫度能夠提高8～13℃［21］。生活垃圾接種70～80℃高溫高效菌劑進(jìn)行好氧堆肥，堆肥升溫速度較快，前8 h溫度就升高了37℃［22］，升溫期縮短、高溫反應(yīng)期延長，并且隨著接種量的增加堆肥中各個時期微生物數(shù)量逐漸增加［23］。接種具有特定分解能力的優(yōu)勢組合菌進(jìn)行發(fā)酵實驗，垃圾中纖維素、木質(zhì)素、粗蛋白得到高效降解且發(fā)酵溫度迅速提高［24］。60℃控制溫度下接種高溫菌能夠促進(jìn)厭氧產(chǎn)氫階段高溫微生物選擇性生長，大大提高垃圾降解產(chǎn)氫速率［25］。向垃圾厭氧發(fā)酵反應(yīng)器中接種牛瘤胃分泌液，垃圾減容量和產(chǎn)氣量隨接種量增加而增加［26］。研究發(fā)現(xiàn)，溫度由35℃驟增至55℃對厭氧污泥中嗜溫菌并無殺害作用，篩選的高溫厭氧菌的接種能夠消除垃圾分解初期較長的微生物適應(yīng)時間［27］。

5 結(jié)論

垃圾焚燒前進(jìn)行堆酵反應(yīng)能夠降低其含水率進(jìn)而提高垃圾熱值，但要達(dá)到規(guī)定熱值還需進(jìn)一步對該技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。對加速垃圾堆肥和厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣技術(shù)的研究表明提高發(fā)酵溫度和接種微生物是加快垃圾發(fā)酵行之有效的方法，有必要對以下幾點進(jìn)一步研究。

1）高溫能夠顯著提高厭氧發(fā)酵脫水效果，但垃圾焚燒廠日處理垃圾量高，對地坑中垃圾進(jìn)行溫度控制成本高、難度大且對已經(jīng)穩(wěn)定運行的焚燒廠地坑進(jìn)行改造不符合實際，應(yīng)在保持原有地坑結(jié)構(gòu)、能源消耗量最低基礎(chǔ)上進(jìn)行不同方法改進(jìn)實驗研究。

2）至今為止的研究僅對垃圾堆酵前后的含水率進(jìn)行了測定報道，而一些直接影響地坑中垃圾堆酵效果的參數(shù)如pH、C/N、溫度至今未有報道，有必要進(jìn)行合理的調(diào)查，在一系列參數(shù)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行合理的方案設(shè)計，如在必要時混合農(nóng)業(yè)廢物作為碳源，在提高C/N的同時實現(xiàn)膨脹劑效果。

3）由于垃圾發(fā)電廠儲存垃圾的地坑較深，厭氧堆酵過程中產(chǎn)生的酸性物質(zhì)如揮發(fā)性脂肪酸、CO2、H2S等不易揮發(fā)出來可能導(dǎo)致下層pH較低，抑制產(chǎn)甲烷菌的生長代謝，降低脫水效果并且不能有效地產(chǎn)生可助燃生物質(zhì)能，可在不影響燃燒的基礎(chǔ)上在產(chǎn)酸階段結(jié)束后添加環(huán)境礦物材料嘗試解決這一問題。

4）目前為止，接種微生物進(jìn)行加速厭氧發(fā)酵研究主要集中于好氧堆肥且高溫接種物的選擇方面，認(rèn)為較為困難［28］，根據(jù)厭氧堆酵反應(yīng)原理確定適當(dāng)?shù)木N分離有機(jī)源及合理的分離時間、分離出不產(chǎn)生生態(tài)拮抗性的能夠協(xié)調(diào)共生的組合微生物菌體具有一定的挑戰(zhàn)性。

5）含水率較高的有機(jī)成分廚余垃圾在國內(nèi)外逐漸傾向于分類收集處理［29］，垃圾含水率將主要取決于夏秋季節(jié)高廢棄量的果蔬垃圾，可從這方面著手，利用生物方法加速其腐爛漿化速率進(jìn)行深入研究。

6）對垃圾焚燒所需最佳熱值進(jìn)行研究，在保證煙氣量增加至可清除積灰的基礎(chǔ)上實現(xiàn)對鍋爐效率、風(fēng)機(jī)負(fù)荷影響最低化，同時為焚燒爐的設(shè)計提供參數(shù)依據(jù)。

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Municipal Domestic Waste Fermentation for Dehydrating before Incineration

Shang Ping1,Li Fangran1,Hao Yongjun2,Liu Yanbo2,Tang Jun2
（1.Department of Environmental Science and Engineering,Tianjin University of Science&Technology,Tianjin 300457;2.Dalian TEDA Environmental Protection Co.,Ltd,Dalian Liaoning 116023）

The characteristic of water content,and the relationship between water content and lower heat value of waste were analyzed.According to influences of lower heat value over waste incineration,the mechanism and research status of waste fermentation before incineration were summarized.Then feasibility of controlling temperature and inoculating microorganism for accelerating dehydration in the process of fermentation was discussed.And suggestions about priorities in this field were put forward.

municipal domestic waste；waste incineration；heat value；water content；fermentation

X703

A

1005－8206（2012） 01－0005－04

科技部國家科技支撐計劃項目（2012BAC05 B04）；大連市科技計劃項目（2011E13SF040）；天津市科技支撐計劃重點項目 （08ZCKFSH01600）

2011-12-14量增加導(dǎo)致的含水率增加會對垃圾熱值產(chǎn)生直接影響——熱值與含水率呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。垃圾經(jīng)適當(dāng)?shù)钠扑楹罅綔p小，可增大垃圾與空氣的接觸面積，從而使垃圾燃燒更充分。3種決定性因素中焚燒原料、垃圾含水率對燃燒熱值的影響極為顯著，且焚燒原料顯著性稍大于垃圾含水率，破碎粒度對燃燒熱值的影響可忽略［8］。張紅玉等［9］分析了北京南城區(qū)不同粒徑生活垃圾的物理組成、含水率和熱值的關(guān)系，認(rèn)為含水率和廚余垃圾含量與熱值呈極顯著負(fù)相關(guān)，塑料和紙類含量與熱值呈顯著正相關(guān)。

商平（1953—），博士，教授，主要從事環(huán)境礦物材料與固廢資源化的科研與教學(xué)。

E-mail：shangp@tust.edu.cn。

（責(zé)任編輯：劉冬梅）