反硝化法垃圾生物干化及煙氣脫硝的試驗(yàn)分析

陳　峰，胡勇有，陳　丹

（1.華南理工大學(xué)環(huán)保與能源學(xué)院，廣東廣州510640；2.泓天（大連）環(huán)境科技發(fā)展有限公司，遼寧大連116023）

反硝化法垃圾生物干化及煙氣脫硝的試驗(yàn)分析

陳峰1，胡勇有1，陳丹2

（1.華南理工大學(xué)環(huán)保與能源學(xué)院，廣東廣州510640；2.泓天（大連）環(huán)境科技發(fā)展有限公司，遼寧大連116023）

對(duì)生活垃圾添加反硝化菌并通入降溫后的垃圾焚燒煙氣，利用垃圾中的有機(jī)質(zhì)作為電子供體進(jìn)行反硝化試驗(yàn)。工程試驗(yàn)結(jié)果表明，垃圾干化后含水率由原來(lái)的60%降低至25%；NOx最高排放濃度是222 mg/m3，優(yōu)于GB 13271—2014。利用生活垃圾的生物反硝化過(guò)程進(jìn)行垃圾干化及煙氣脫硝是一種“以廢治廢”的環(huán)保處理方式。

反硝化法；垃圾生物干化；煙氣脫硝

與熱干化不同，垃圾生物干化技術(shù)無(wú)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(guò)強(qiáng)制通風(fēng)對(duì)流，將汽化后的水蒸氣帶出［1］。這種方式既不消耗外界熱能，又提高垃圾低位熱值［2］；還能使可生物降解有機(jī)物部分穩(wěn)定化［3-4］，減少后續(xù)處理過(guò)程污染物產(chǎn)生潛力，是一種節(jié)能環(huán)保的垃圾干化預(yù)處理方式。筆者采用的反硝化法垃圾生物干化處理技術(shù)，同樣屬于垃圾生物干化處理方式，與好氧生物干化的差別是反硝化過(guò)程是在缺氧環(huán)境中實(shí)現(xiàn)的。在生活垃圾中添加反硝化菌，利用通風(fēng)系統(tǒng)引入垃圾焚燒廠（或電廠）所排放的煙氣（需降溫處理），煙氣中含有大量的氮氧化物（NOx），反硝化菌利用垃圾中的有機(jī)質(zhì)提供電子供體，將煙氣中的氮氧化物（NOx）還原為氮?dú)猓∟2），同時(shí)釋放出大量的熱；這部分熱量以及煙氣本身的熱量將垃圾中的水分汽化為水蒸氣后由通風(fēng)系統(tǒng)排出倉(cāng)外，垃圾中的水分在此過(guò)程中逐漸降低達(dá)到干化目的。在反硝化過(guò)程中，既去除了垃圾的水分，又實(shí)現(xiàn)了焚燒煙氣的生化脫硝處理，是一種“以廢制廢”的新型垃圾處理技術(shù)。經(jīng)預(yù)處理后的垃圾體量大幅降低，焚燒量減少，同時(shí)垃圾燃燒熱值大幅上升，燃料添加量減少，提升了垃圾焚燒的處理效率，從而形成良性循環(huán)的垃圾處理模式。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)基本情況

采用山東省德州市平原縣約4.5t高含水率未經(jīng)分揀的混合生活垃圾進(jìn)行高溫反硝化生物干化試驗(yàn)。經(jīng)山東省污泥工程技術(shù)研究中心測(cè)試，該批垃圾含水率約為58.79%，有機(jī)物約為34.6%，熱值約為6 521 kJ/kg，密度約為500 kg/m3，粗破碎后粒徑約5.25 cm。試驗(yàn)過(guò)程中，用于產(chǎn)生煙氣所燃燒的垃圾是采用上述生活垃圾進(jìn)行生物干化后制成的垃圾衍生燃料（RDF），其含水率為20.47%，熱值為13 376 kJ/kg。

1.2試驗(yàn)設(shè)備與裝置

1）試驗(yàn)設(shè)備主要有垃圾反硝化生物干化倉(cāng)、鍋爐、煙氣降溫設(shè)備、鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、生物除臭設(shè)備、風(fēng)管及球閥等；主要的檢測(cè)設(shè)備是氣體組分測(cè)試儀。

2）本試驗(yàn)裝置如圖1所示，其中高溫反硝化生物干化倉(cāng)主要由外倉(cāng)、內(nèi)倉(cāng)、倉(cāng)蓋和倉(cāng)底構(gòu)成的高為3 m的圓柱形容器，外倉(cāng)直徑2 m，由玻璃鋼構(gòu)成的圓柱形，內(nèi)倉(cāng)直徑1.9 m，由多孔板構(gòu)成的圓柱形。內(nèi)外倉(cāng)的間隙構(gòu)成送風(fēng)通道，外倉(cāng)下部設(shè)通風(fēng)口，通過(guò)送風(fēng)管道與鼓風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口連接。倉(cāng)蓋中心設(shè)有排風(fēng)口，通過(guò)排風(fēng)管道與引風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)口連接。在送風(fēng)管道、排風(fēng)管道和煙道上分別裝有閥門(mén)以調(diào)節(jié)風(fēng)量。

圖1　試驗(yàn)裝置示意

1.3試驗(yàn)過(guò)程

①將反硝化專性微生物菌種與粗破碎后的垃圾混合后裝入高溫反硝化生物干化倉(cāng)內(nèi)，并做好倉(cāng)蓋密封；②開(kāi)啟送風(fēng)管道、煙道的閥門(mén)及鼓風(fēng)機(jī)，同時(shí)引燃鍋爐內(nèi)的燃料——垃圾衍生燃料（RDF）。鍋爐煙氣經(jīng)過(guò)降溫設(shè)備換熱后，溫度降至（100±5）℃，由鼓風(fēng)機(jī)送入高溫反硝化生物干化倉(cāng)的送風(fēng)通道內(nèi)，再經(jīng)內(nèi)倉(cāng)的多孔板均勻地進(jìn)入垃圾堆體內(nèi)參與高溫反硝化生物干化過(guò)程；③同時(shí)開(kāi)啟排風(fēng)管道的閥門(mén)及排風(fēng)機(jī)，倉(cāng)內(nèi)的煙氣（經(jīng)脫硝后，含有大量水蒸氣）由排風(fēng)機(jī)送入生物除臭設(shè)備進(jìn)行除臭后排出。

1.4測(cè)試過(guò)程

①試驗(yàn)是在倉(cāng)體密封條件下進(jìn)行的，試驗(yàn)前后通過(guò)專業(yè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)試驗(yàn)用垃圾的物理性質(zhì)；②試驗(yàn)采用的氣體組分測(cè)試儀可自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)至存儲(chǔ)卡，通過(guò)專用軟件讀取數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為電子表格，試驗(yàn)共測(cè)試3組數(shù)據(jù)，分別是在反硝化法垃圾生物干化的初期、中期和末期，且均是在氣體組分達(dá)到穩(wěn)定后測(cè)試25～30 min，設(shè)定為30 s記錄1次。

2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1高溫反硝化生物干化結(jié)果及分析

經(jīng)過(guò)高溫反硝化生物干化后，垃圾的含水率從58.79%降至近20.47%，垃圾質(zhì)量減少了約50%，減量化明顯。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，將高溫反硝化生物干化技術(shù)作為一種垃圾預(yù)處理過(guò)程是可行的。

2.2低位熱值結(jié)果及分析

垃圾原低位熱值6 521 kJ/kg；經(jīng)反硝化生物干化后，垃圾低位熱值為13 376 kJ/kg，燃燒過(guò)程較垃圾直接焚燒更易于引燃，燃燒也更完全，更穩(wěn)定，灰渣細(xì)膩，見(jiàn)圖2～3。

圖2　垃圾燃燒

圖3　燃燒后灰渣

2.3煙氣脫硝試驗(yàn)結(jié)果及分析

煙氣脫硝前后氮氧化物（NOx）濃度的變化見(jiàn)圖4～6。

圖4　反硝化法垃圾生物干化初期煙氣脫硝變化曲線

圖5　反硝化法垃圾生物干化中期煙氣脫硝變化曲線

圖6　反硝化法垃圾生物干化末期煙氣脫硝變化曲線

反硝化法垃圾生物干化初期及中期階段煙氣脫硝效果穩(wěn)定且明顯，但干化末期脫硝效果明顯下降，說(shuō)明此階段垃圾中的有機(jī)質(zhì)含量降低，反硝化過(guò)程逐漸減弱，因此脫硝后的煙氣中氮氧化物（NOx）濃度較前2個(gè)階段增加，但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于GB 13271—2014鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的要求（400mg/m3）。

3　討論

3.1垃圾高溫反硝化生物干化及煙氣脫硝原理

反硝化過(guò)程的還原步驟是從硝酸鹽（NO3-）到亞硝酸鹽（NO2-）、一氧化氮（NO）和氮?dú)猓∟2）。每個(gè)半反應(yīng)以及催化酶見(jiàn)式（1）～（4）：

將垃圾焚燒后所排放的煙氣降至適合的溫度后，送入摻混了反硝化菌的生活垃圾反硝化生物干化倉(cāng)內(nèi)，反硝化菌利用垃圾中的有機(jī)物提供的電子供體將煙氣中的硝酸鹽（NO3-）、亞硝酸鹽（NO2-）等還原為氮?dú)猓∟2），并釋放出熱量。由于1 mol葡萄糖（C6H12O6）徹底還原后能釋放出1 756.6 kJ的熱量［5］，干化倉(cāng)內(nèi)垃圾中的水分利用煙氣攜帶的熱量和反硝化反應(yīng)中釋放出的熱量汽化為水蒸氣后被排出，達(dá)到垃圾干化的目的。在1個(gè)反硝化過(guò)程中，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了垃圾生物干化及煙氣脫硝。

3.2反硝化法垃圾生物干化及煙氣脫硝技術(shù)的適用性

1）在高溫反硝化生物干化過(guò)程中，垃圾中的有機(jī)質(zhì)在硝酸根的作用下最終產(chǎn)物為CO2、H2O和N2，而過(guò)低的電子供體濃度或者過(guò)高的濃度會(huì)導(dǎo)致反硝化過(guò)程中間產(chǎn)物的積累NO2-、NO和N2O［6］，但干化倉(cāng)內(nèi)沒(méi)有厭氧環(huán)境，厭氧菌群的生長(zhǎng)繁殖受到有效抑制，不會(huì)產(chǎn)生硫化氧、甲硫醇等惡臭氣體，因此工作環(huán)境會(huì)得到根本改善。

2）從脫硝煙氣的試驗(yàn)結(jié)果上看，利用垃圾高溫反硝化生物干化過(guò)程進(jìn)行煙氣的脫硝效果非常明顯，而且治理成本較常用的SCR及SNCR煙氣脫硝成本低。

3）高溫反硝化生物干化過(guò)程中還利用了煙氣的熱量促使垃圾中水分的快速蒸發(fā)，垃圾的干化效果好、效率高，而且進(jìn)一步降低了垃圾干化成本，屬于節(jié)能環(huán)保技術(shù)，也更加有利于將來(lái)的市場(chǎng)推廣。

［1］Velis C A，Longhurst P J，Drew G H，et al.Biodrying for mechanical biological treatment of wastes：A review of process science and engineering［J］.Bioresource Technol，2009，100（11）：2747-2761.

［2］Sugni M，Calcaterra E，Adani F.Biostabilization-biodrying of municipal solid waste by inverting air-flow［J］.Bioresource Technol，2005，96（2）：1331-1337.

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［4］何品晶，邵正浩，張冬青，等.垃圾生物穩(wěn)定化預(yù)處理中填埋污染潛力的變化［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，37（6）：791-795.

［5］高廷耀，顧國(guó)偉，周琪.水污染控制工程（下）［M］.3版.北京：高等教育出版社，2007.

［6］Rittmann E，McCarty P L.Environmental biotechnology principles and applications［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2012.

Analysis of Test for Waste Biological Drying and Flue Gas Denitrification by Denitrification Method

Chen Feng1，Hu Yongyou1，Chen Dan2
（1.Environmental Protection and Energy College，South China University of Technology，GuangzhouGuangdong 510640；2.Skyline（Dalian）Environmental Technology Co.Ltd.，DalianLiaoning116023）

By adding the denitrifying bacteria and cooled waste incineration flue gas to domestic waste，we made use of organic matter in waste as electron donor to accomplish denitrification process.Engineering test results showed that the moisture content of waste was reduced from 60%to 25%，and the highest emission concentration of Nitrogen Oxides（NOx）was 222 mg/m3，far better than that of GB 13271—2014.The use of biological denitrification process of domestic waste for waste drying and flue gasdenitrification isa kind of“to treat waste with waste”environmental treatment method.

denitrification method；refuse biological drying；flue gasdenitrification

X799.3；X705

A

1005-8206（2016）05-0026-03

2016-03-23

陳峰（1968—），工程技術(shù)應(yīng)用研究員，主要從事垃圾處理、污水處理等領(lǐng)域的相關(guān)研究和工程設(shè)計(jì)。