高水分廚余垃圾脫水預(yù)處理技術(shù)

周亞文，陳灝，鐘為章，楊珂，馮衛(wèi)博，許彬

(1.河北科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 河北省污染防治生物技術(shù)實驗室，河北 石家莊 050018；2.中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100085)

隨著人民生活水平日益提高，生活垃圾產(chǎn)生量逐年增長。據(jù)統(tǒng)計2019年全國城市生活垃圾清運(yùn)量超2.4億t[1]。近25年我國22個省(市)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，生活垃圾中廚余垃圾含量最高，約占城市生活垃圾的57%[2]。廚余垃圾的平均含水率高達(dá)68.2%[3]，是生活垃圾中水分的主要來源，也是生活垃圾處理的重點和難點所在。2019年7月1日上海率先執(zhí)行強(qiáng)制垃圾分類政策，廚余垃圾分出量在短時間內(nèi)大幅度增加[4]。因廚余垃圾具有產(chǎn)量大、水分和有機(jī)質(zhì)含量高、易產(chǎn)生惡臭等特點[5]，且國內(nèi)大部分城市在實行垃圾分類前廚余垃圾處理設(shè)施基本是空白的[6]，其處置能力不足問題凸顯，形勢非常緊迫。

目前，生活垃圾處理方式主要是焚燒和衛(wèi)生填埋。垃圾焚燒技術(shù)可快捷處理垃圾，使其轉(zhuǎn)化為熱能，實現(xiàn)局部資源化，但垃圾實現(xiàn)自主焚燒要求其濕基低位熱值>5 000 kJ/kg，我國村鎮(zhèn)生活垃圾年平均低位熱值均未達(dá)到焚燒要求[7]。衛(wèi)生填埋技術(shù)已經(jīng)很成熟，具有操作簡單，可處理各種類垃圾的優(yōu)點，但衛(wèi)生填埋占地面積大，且存在滲濾液會污染地下水和土壤等二次污染風(fēng)險。填埋處理中垃圾初始含水率與垃圾自身滲濾液產(chǎn)量成正比，與滲濾液總產(chǎn)量也成正比。垃圾初始含水率>50%時，滲濾液的主要組成部分變?yōu)槔陨頋B濾液產(chǎn)量[8]。且填埋場老齡滲濾液因氨氮濃度較高、可生化性差的特點，達(dá)標(biāo)排放處理費用高。這就要求垃圾進(jìn)入填埋場時初始含水率越低越好。由于廚余垃圾產(chǎn)量大、含水率高，為減少其對環(huán)境造成二次污染，降低處理成本，無論是垃圾焚燒還是衛(wèi)生填埋，垃圾脫水處理都是至關(guān)重要的。

目前國內(nèi)外垃圾脫水處理技術(shù)主要有物理技術(shù)、熱干化技術(shù)和生物技術(shù)。物理技術(shù)分為機(jī)械擠壓、高壓擠壓和高壓蒸煮；熱干化技術(shù)分為直接熱干化、間接熱干化和直接-間接聯(lián)合熱干化技術(shù)；生物技術(shù)有好氧發(fā)酵和生物干化技術(shù)。

1 物理技術(shù)

1.1 機(jī)械擠壓

機(jī)械擠壓是原生垃圾進(jìn)入擠壓室后，擠壓油缸推動擠壓活塞前移，初步壓濾后復(fù)位，進(jìn)行再進(jìn)料、再壓濾的循環(huán)往復(fù)，并將垃圾中擠出的水分排入污水沉淀槽的工藝。該工藝在垃圾中轉(zhuǎn)站和焚燒廠已經(jīng)得到普遍應(yīng)用，在污泥脫水處理中也有應(yīng)用。但機(jī)械擠壓水分去除率低，且通過擠壓脫除的水分較粘稠，需經(jīng)進(jìn)一步處理才能實現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放[9]。

生活垃圾機(jī)械擠壓系統(tǒng)主要由進(jìn)料系統(tǒng)、擠壓系統(tǒng)、閘門及出料系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)組成，其工作流程為：垃圾經(jīng)皮帶輸送機(jī)或抓斗運(yùn)至機(jī)械擠壓系統(tǒng)的進(jìn)料系統(tǒng)，在壓濾倉內(nèi)進(jìn)行擠壓脫水，多次壓濾、一次保壓后，垃圾經(jīng)閘門裝置進(jìn)入出料系統(tǒng)，再進(jìn)行后端填埋或焚燒處理[10]。擠壓系統(tǒng)由擠壓油缸、擠壓機(jī)架和擠壓活塞等構(gòu)成。若將生活垃圾含水率從40%～80%降至35%以下，垃圾所受壓強(qiáng)在1.5～2.5 MPa[11]，擠壓推頭壓力應(yīng)大于 2 000 kN，且要保證擠壓系統(tǒng)在2 000 kN壓力下不會變形。盛金良等[12]在采用自制機(jī)械擠壓裝置進(jìn)行的菜場有機(jī)垃圾脫水特性實驗研究中指出，對大白菜(含水率92%)進(jìn)行擠壓脫水，合理的壓強(qiáng)為2.4 MPa，保壓時間為30 s左右。

1.2 高壓擠壓

高壓擠壓技術(shù)可分離混合垃圾的干濕組分，其原理是通過幾十兆帕的高壓將混合城市生活垃圾中的水分及可溶性物質(zhì)擠出，含水率較低的干物質(zhì)組分留在高壓擠壓設(shè)備腔中，從而實現(xiàn)干濕分離[13]。其中干組分主要是木屑、塑料、廢紙和玻璃等無機(jī)物，濕組分則主要為食物、瓜果蔬菜殘渣等有機(jī)物。高壓擠壓可降低干組分含水率，實現(xiàn)生活垃圾脫水，提升低位熱值。在高壓作用下，濕組分的降解性能得到進(jìn)一步提升，便于后續(xù)資源化處理。與直接焚燒相比，生活垃圾經(jīng)高壓擠壓后，濕組分進(jìn)行厭氧消化，干組分焚燒，最大回收能量可提高24%[14]。高壓擠壓處理餐廚垃圾，可提高漿液的厭氧發(fā)酵速度和效率[15]。

高壓擠壓技術(shù)起源于歐洲，近幾年在國內(nèi)興起。國內(nèi)某公司已實施2條穩(wěn)定運(yùn)行的高壓擠壓生活垃圾(廚余垃圾)預(yù)處理線[16]。其工藝流程圖見圖1。廚余垃圾的高壓擠壓系統(tǒng)由進(jìn)料斗、擠壓倉、預(yù)壓系統(tǒng)、高壓擠壓系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、閘門、干、濕料出口和電控系統(tǒng)組成，其工作流程為進(jìn)料、預(yù)擠壓、高壓擠壓和排料[17]。

圖1 廚余垃圾處理工藝路線Fig.1 Processing route of kitchen waste

高壓擠壓以液壓為動力，采用100 MPa超高壓擠壓原生垃圾，將干、濕組分分離。原生垃圾經(jīng)高壓擠壓處理后，干、濕組分比約為3∶7。其中，干組分的含水率在30%以下，熱值為15 900 kJ/kg，可用于焚燒發(fā)電或制作垃圾衍生燃料；濕組分中宜生化成分80%～90%，含水率為65%～75%[18]，可進(jìn)行厭氧發(fā)酵、堆肥或填埋等后端處理。經(jīng)高壓擠壓處理的原生垃圾，若干組分進(jìn)行焚燒發(fā)電，濕組分做厭氧消化處理，假設(shè)中國垃圾干濕組分比為4∶6，則每噸垃圾可產(chǎn)生800 kWh的電能和180 000 kcal的熱能，這些熱能和電能是傳統(tǒng)焚燒處理的2倍[19]。

1.3 高壓蒸煮

高壓蒸煮脫水預(yù)處理技術(shù)，又叫垃圾濕解技術(shù)，是將混合垃圾放入密閉容器中，高溫高壓保持一段時間后，快速打開密閉裝置，使垃圾中水分瞬間蒸發(fā)干燥的技術(shù)。高壓蒸煮需要在高溫高壓的密閉容器中進(jìn)行，其溫度和壓力要求分別是180～210 ℃、0.6～1.0 MPa。在高溫高壓保持過程中，高溫使垃圾升溫，但高壓提高了水的沸點，垃圾中的水分仍以液態(tài)形式存在。密閉裝置打開的瞬間，裝置內(nèi)壓力快速下降，形成沖擊波粉碎垃圾組分，垃圾中的液態(tài)水也會瞬間汽化為水蒸氣而蒸發(fā)，實現(xiàn)垃圾脫水。同時，因高溫可殺死垃圾中的微生物，達(dá)到垃圾消毒效果[20]。高壓蒸煮處理后的生活垃圾經(jīng)分揀后可進(jìn)行更合理的資源化利用。

高溫蒸煮干化系統(tǒng)主要包括密閉高壓艙、磁選系統(tǒng)、垃圾運(yùn)輸儲備系統(tǒng)及垃圾分揀系統(tǒng)等，其工作流程為：垃圾經(jīng)磁選進(jìn)入高壓艙，空氣壓縮機(jī)給艙內(nèi)加壓，同時由加熱裝置保持艙內(nèi)高溫，完成高壓蒸煮過程后，進(jìn)行垃圾分揀；塑料、紙類等可回收再利用，可燃纖維類可用于焚燒發(fā)電，焚燒煙氣的污染物濃度需符合GB 18485—2001要求[21]，其他穩(wěn)定化的殘渣可作為營養(yǎng)土、道路基土或直接填埋[22]。李甲亮等采用濱州垃圾處理廠產(chǎn)生的營養(yǎng)土所做的肥效試驗顯示：營養(yǎng)土氮磷鉀、有機(jī)質(zhì)及重金屬含量均高于當(dāng)?shù)赝寥?，雖重金屬含量未超標(biāo)，考慮到生物富集作用，營養(yǎng)土?xí)簳r不適合應(yīng)用于可食用作物的種植[23]。

高壓蒸煮干化技術(shù)最先由美國公司研發(fā)，先后應(yīng)用于美國和歐洲。我國也開展了此項技術(shù)的引進(jìn)和應(yīng)用，如中節(jié)能(煙臺)潤達(dá)環(huán)境保護(hù)股份有限公司擁有一系列垃圾濕解的專利技術(shù)及設(shè)備，并將其應(yīng)用于煙臺、濱州和北京的垃圾處理廠工程中[24]，取得了較好的環(huán)境和社會效益。

2 熱干化技術(shù)

熱干化技術(shù)，又稱熱干燥技術(shù)，是利用熱能將垃圾中水分快速蒸發(fā)的一種工藝，可分為直接熱干化技術(shù)、間接熱干化技術(shù)和直接-間接聯(lián)合熱干化技術(shù)[25]。

2.1 直接熱干化技術(shù)

直接熱干化又稱對流熱干化，是通過經(jīng)加熱的熱介質(zhì)直接與垃圾接觸來傳遞熱量，使垃圾溫度升高，水分蒸發(fā)的過程。該技術(shù)因物料與熱介質(zhì)直接接觸，干化速率高且效果好，但熱介質(zhì)也因此受到污染，增加了廢氣處理量，運(yùn)行成本較高。常用的直接熱干化技術(shù)主要有轉(zhuǎn)鼓干化、閃蒸干化等[26]。

2.2 間接熱干化技術(shù)

間接熱干化技術(shù)又稱熱傳導(dǎo)干化技術(shù)，是熱介質(zhì)加熱干化機(jī)外壁，使干化機(jī)內(nèi)垃圾受熱，水分蒸發(fā)的過程。相較于直接熱干化工藝，間接熱干化的干化速率與效果均較差，但其尾氣處理量小。常用的間接熱干化技術(shù)有多盤干化、槳葉式干化等。

2.3 直接-間接聯(lián)合熱干化技術(shù)

直接-間接聯(lián)合熱干化技術(shù)將兩種干化技術(shù)結(jié)合起來，間接熱干化過程熱介質(zhì)可采用直接干化過程的廢氣，因此能耗較低。常用的工藝有流化床熱干化工藝。

三種熱干化技術(shù)流程見圖2～圖4。

圖2 直接熱干化工藝流程Fig.2 Direct thermal drying process

圖3 間接熱干化技術(shù)工藝流程Fig.3 Indirect thermal drying process

圖4 直接-間接熱干化技術(shù)工藝流程Fig.4 Direct-indirect thermal drying process

熱干化技術(shù)的主要工藝包含進(jìn)料系統(tǒng)、熱干化系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、冷凝系統(tǒng)、尾氣處理系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)和出料系統(tǒng)。其流程為物料在進(jìn)料系統(tǒng)經(jīng)破碎、過篩，篩下物進(jìn)入熱干化系統(tǒng)，停留一段時間后，實現(xiàn)物料干化。干化過程中產(chǎn)生的含粉塵廢氣經(jīng)分離系統(tǒng)實現(xiàn)固氣分離，高溫廢氣和廢水經(jīng)冷凝系統(tǒng)冷凝后，分別通過尾氣處理系統(tǒng)和廢水處理系統(tǒng)處理后達(dá)標(biāo)排放[27-28]。

熱干化技術(shù)干化效果與熱介質(zhì)溫度有直接關(guān)系。在低溫(60～100 ℃)條件下，垃圾熱干化效果隨溫度的升高而升高[29]；風(fēng)溫在100～140 ℃時，溫度升高能大大提高干化速度及效果，風(fēng)溫超過 140 ℃ 后，干化效率提高不大[30]。溫度也會影響臭氣排放量，研究表明[31]，綜合考慮臭氣濃度與排放量，垃圾熱干化溫度以100，300，400，500 ℃為宜。但熱干化過程熱介質(zhì)溫度越高能耗也越高，因此熱干化工藝宜與產(chǎn)生廢熱或余熱的工藝連用。

熱干化技術(shù)在污泥干化中應(yīng)用較多，污泥水熱干化技術(shù)與熱泵干化技術(shù)也是利用高溫實現(xiàn)污泥脫水，目前未見在生活垃圾處理中應(yīng)用。污泥水熱干化技術(shù)是指污泥在高溫(170～180 ℃)高壓作用下，微生物細(xì)胞破碎，束縛水析出為自由水，再經(jīng)機(jī)械擠壓完成脫水[32]。熱泵干燥技術(shù)是利用高溫空氣(60～80 ℃)與污泥接觸帶走水分，與熱干化技術(shù)不同的是高溫空氣可通過熱泵循環(huán)利用[33]。與熱干化技術(shù)相比，水熱干化技術(shù)與熱泵干化均可提高脫水效率，但三者均需高溫介質(zhì)，能耗較高，單獨用于垃圾干化會增加垃圾處理成本，可利用垃圾焚燒產(chǎn)生余熱進(jìn)行干化的方法以降低處理成本。

3 生物技術(shù)

3.1 好氧發(fā)酵

好氧發(fā)酵技術(shù)是利用好氧微生物的生命活動，將大分子有機(jī)物分解為小分子的CO2、H2O等無機(jī)物和腐殖酸的技術(shù)[34-35]，其過程一般分中溫、高溫和腐熟三個階段。中溫階段堆溫維持在15～45 ℃，嗜溫微生物分解糖類物質(zhì)；堆體溫度上升到45 ℃后進(jìn)入高溫階段，該階段嗜熱微生物取代嗜溫微生物，纖維素和蛋白質(zhì)等大分子有機(jī)物被分解，高溫還可將堆體中病原菌殺死；降溫階段隨溫度的下降嗜溫微生物變?yōu)閮?yōu)勢菌群，腐殖質(zhì)不斷積累并穩(wěn)定化，表明堆肥已進(jìn)入腐熟階段[36]。

好氧發(fā)酵工藝主要有進(jìn)料系統(tǒng)、反應(yīng)系統(tǒng)、滲濾液收集和回噴裝置以及通風(fēng)裝置和除臭裝置[37-38]，其工藝流程為：垃圾經(jīng)進(jìn)料系統(tǒng)進(jìn)入反應(yīng)系統(tǒng)，反應(yīng)系統(tǒng)一般設(shè)有保溫和加熱裝置、通風(fēng)裝置及滲濾液收集和回噴裝置，為反應(yīng)系統(tǒng)提供水分和氧氣，反應(yīng)產(chǎn)物以腐殖質(zhì)為主，可作為有機(jī)肥料用于土壤改良或園林綠化[39]。好氧發(fā)酵工藝流程圖見圖5。

圖5 好氧發(fā)酵工藝流程圖Fig.5 Aerobic fermentation process route

3.2 生物干化

生物干化是利用微生物高溫好氧發(fā)酵過程中有機(jī)物降解所產(chǎn)生的生物熱能，通過過程調(diào)控手段促進(jìn)水分蒸發(fā)，從而實現(xiàn)快速去除水分的一種干化處理工藝[40]。生物干化中微生物活動能使垃圾中的束縛水活化，從而達(dá)到更好的干化效果。

生物干化系統(tǒng)主要包括生物干化裝置、冷凝設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備、氣體凈化裝置和污水處理裝置[41]。垃圾生物干化過程好氧微生物生命活動所需氧氣由通風(fēng)系統(tǒng)提供，干化過程中產(chǎn)生的含有水蒸氣的氣體經(jīng)冷凝設(shè)備后，產(chǎn)生含有害氣體的滲濾液，滲濾液可進(jìn)行回噴以調(diào)節(jié)干化艙內(nèi)的濕度，也可直接送入污水處理系統(tǒng)；干化過程中產(chǎn)生的廢氣則通過氣體凈化裝置凈化后，達(dá)標(biāo)排放。生活垃圾生物干化流程圖見圖6。生活垃圾的生物干化過程是：生活垃圾先經(jīng)機(jī)械破碎，隨后進(jìn)入干化艙進(jìn)行生物干化，干化停留時間為7～15 d。干化產(chǎn)物可用作低熱值燃料[42]，也可經(jīng)進(jìn)一步陳化后與頁巖等混合后燒制陶粒[43]或直接填埋。另外，Zhang等證明“水解+好氧”聯(lián)合生物干化過程比單純好氧生物干化效果更好[44]。

圖6 垃圾生物干化處理工藝流程圖Fig.6 Process route of biological drying treatment of waste

參考國內(nèi)外文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)生物干化在污泥和城市生活垃圾中的應(yīng)用居多，也有在其他方面應(yīng)用的介紹，如：園林廢物。生物干化因具有較強(qiáng)的實用性，已在歐洲等國家普遍應(yīng)用。在我國，沈陽、惠州等地有污泥生物干化處理案例[43，45]。國內(nèi)也有以“剪切破碎+生物干化+擠壓脫水”為特征的生活垃圾處理示范工程[46]，其工藝流程圖見圖7。

圖7 垃圾機(jī)械生物法處理流程圖Fig.7 Waste mechanical biological treatment route

4 脫水預(yù)處理技術(shù)對比及展望

目前，生活垃圾的脫水預(yù)處理技術(shù)均有利有弊，其優(yōu)缺點分析見表1。

物理技術(shù)主要通過壓力作用實現(xiàn)垃圾的干濕分離，其可減小物料粒徑，增大物料比表面積，同時細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)因細(xì)胞壁被破壞流出，從而加快物料降解速度[47-48]。熱干化技術(shù)通過外源加熱物料，使物料溫度升高水分蒸發(fā)，從而實現(xiàn)物料脫水干化。熱干化技術(shù)一般需100 ℃以上高溫，能耗較高。生物技術(shù)則通過微生物作用分解細(xì)胞壁和細(xì)胞膜釋放細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)，并將細(xì)胞內(nèi)大分子有機(jī)物分解為小分子物質(zhì)，好氧發(fā)酵的產(chǎn)物是CO2、H2O、NH3和腐殖質(zhì)，生物干化產(chǎn)物與好氧發(fā)酵產(chǎn)物相似[49]。

表1 生活垃圾脫水預(yù)處理技術(shù)優(yōu)缺點對比Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of waste dehydration pretreatment technology

垃圾中水分以自由水、結(jié)合水和胞內(nèi)水的形式存在，廚余垃圾水分則以胞內(nèi)水為主。廚余垃圾經(jīng)生物水解，細(xì)胞結(jié)構(gòu)被破壞，胞內(nèi)水轉(zhuǎn)化為自由水[8]。自由水可經(jīng)簡單的機(jī)械擠壓技術(shù)去除。因此可采用高壓技術(shù)破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)使分子溶出后，再通過生物技術(shù)降解物料中的大分子有機(jī)物，實現(xiàn)廚余垃圾的快速脫水。

機(jī)械生物處理技術(shù)已在德國、巴西等國家廣泛應(yīng)用[50]，該技術(shù)就是通過機(jī)械技術(shù)將垃圾進(jìn)行破碎篩分，經(jīng)處理后的有機(jī)組分進(jìn)入生物反應(yīng)系統(tǒng)，進(jìn)行厭氧或好氧發(fā)酵[51]。厭氧消化技術(shù)產(chǎn)物是沼氣和沼液，沼液還需進(jìn)一步脫水處理才能實現(xiàn)垃圾脫水。而好氧發(fā)酵產(chǎn)物含水率較低，可實現(xiàn)垃圾脫水。與好氧堆肥相比，生物干化技術(shù)具有停留時間短、運(yùn)行成本低的優(yōu)勢，更適用于高水分廚余垃圾的脫水處理。在有熱源的地區(qū)(如垃圾焚燒廠、水泥窯等)，亦可考慮生物干化技術(shù)與熱干化技術(shù)連用，外源加熱可促進(jìn)堆體升溫，微生物能在更短時間內(nèi)到達(dá)最佳活躍狀態(tài)，促進(jìn)生物干化過程，達(dá)到更好的干化效果。