城市生活垃圾制作固體燃料可行性研究*

屈 陽，張進鋒，史東曉，錢 超，李晨彬，王風(fēng)慶

（1.江蘇維爾利環(huán)保科技股份有限公司，江蘇 常州 213125；2.常州市生活廢棄物處理中心，江蘇 常州 213171）

將高效機械生物處理技術(shù)作為預(yù)處理技術(shù)，并與焚燒、填埋等各專業(yè)技術(shù)組合使用，是解決我國垃圾處理難題的一種有效工藝。

機械生物處理（Mechanical biological treatment，MBT）技術(shù)結(jié)合了一系列機械和生物過程，用于處理未分類收集和堆肥的城市生活垃圾。MBT處理垃圾的作用主要包括：增加資源回收率，如促進源頭垃圾中的金屬、玻璃等可回收組分循環(huán)利用等；增加填埋處理垃圾的生物穩(wěn)定性，限制CH4排放量和滲瀝液污染負荷獲得生物氣用于供熱或發(fā)電；制成高品質(zhì)的垃圾衍生燃料（Refused derived fuel，RDF） 等。混合垃圾經(jīng)過好氧的MBT處理過程，垃圾含水率明顯降低，而熱值會大幅提高，從而提高焚燒處理垃圾的品質(zhì)。L.M.Shao等［1］對上海當(dāng)?shù)夭蓸拥幕旌侠褂弥畏磻?yīng)器進行了生物干化試驗，經(jīng)過16 d的反應(yīng)過程，垃圾VS從82.5%降至68.8%，含水率從73.0%降至 48.3%，LHV增加了157%。筆者采用生物自干燥裝置對經(jīng)過機械生物預(yù)處理的生活垃圾進行干燥處理，制作高品質(zhì)RDF，并對最終成品的焚燒可行性和成分進行了分析。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

1.1.1 機械生物預(yù)處理后生活垃圾

本試驗的試驗材料為經(jīng)過機械生物預(yù)處理后的生活垃圾，即脫水物料，而原始生活垃圾取自常州市生活垃圾填埋場，其指標(biāo)見表1，其主要成分見表2。

表1 原始生活垃圾基本性質(zhì)

表2 原始生活垃圾主要成分（濕基） %

機械生物預(yù)處理指把原始生活垃圾破碎成30 cm粒徑物料，然后進入中溫立式水洗攪拌槽保持35℃反應(yīng)溫度條件下進行水解酸化反應(yīng)，攪拌速度為0.5 r/min，3 d后固相物料由水洗攪拌槽出料螺旋輸送進入螺旋壓榨機進行脫水處理，脫水后物料即為本次試驗原料，其基本性質(zhì)見表3。

表3 脫水物料基本性質(zhì)

1.1.2 試驗裝置

圖1為本試驗的生物自干燥裝置示意，主要部分為鼓風(fēng)機、進出料口、測溫口、取樣口、翻堆槳片及臭氣收集及監(jiān)測口等。而上料由小型裝載機完成。

圖1 生物自干燥裝置示意

本試驗所用生物自干燥裝置為1臺封閉式生物產(chǎn)熱干燥裝置，長5 m，寬2 m。2臺鼓風(fēng)機通過管道與生物自干燥裝置下方進氣口連接，通過定時定量向反應(yīng)倉內(nèi)通入新鮮空氣使微生物大量繁殖，逐漸放熱，使物料干化，而反應(yīng)倉內(nèi)設(shè)置的翻堆槳片可以使物料與空氣接觸均勻，防止部分短流，確保出料品質(zhì)。

該生物自干燥裝置設(shè)置取樣口、測溫口等隨時對反應(yīng)器內(nèi)物料性質(zhì)進行跟蹤測試。產(chǎn)生的臭氣由臭氣收集口收集并匯入現(xiàn)場設(shè)置的生物噴淋除臭單元處理達標(biāo)后排放。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設(shè)計

新鮮生活垃圾經(jīng)過機械生物預(yù)處理并經(jīng)脫水后的物料堆放留樣。控制進料量為800 kg，通過裝載機倒入生物自干燥裝置進料口中，堆體高度不超過1 m。根據(jù)CJJ/T 86—2000城市生活垃圾堆肥處理廠運行、維護及其安全技術(shù)規(guī)程，每立方米物料取通風(fēng)量為0．08 m3/min，風(fēng)機運行時間為開啟4 min，停止10 min。隨后，開啟自動翻堆模式，翻堆槳片運行10 min，停止3 h，轉(zhuǎn)速為0．5 r/min。試驗過程中產(chǎn)生的臭氣含有氨氣等有毒有害氣體，通過臭氣收集口收集后進入生物噴淋除臭單元處理，達標(biāo)后排放。鞠茂偉等［2］闡述了機械生物預(yù)處理結(jié)合焚燒技術(shù)，認為混合收集的生活垃圾熱值較低，通過機械生物聯(lián)合預(yù)處理可降低垃圾含水率并提高熱值，使處理后的垃圾熱值提高到6 000 kJ/kg。本試驗反應(yīng)控制時間為7 d，隨時監(jiān)測物料焚燒特性，7 d后物料全部出倉。

共進行3個批次試驗，每批次試驗為7 d，每天平均取3次樣品，取平均值為當(dāng)天數(shù)據(jù)。測試指標(biāo)包括TS、灰分、密度、物料溫度、高位熱值、低位熱值，以及氯、鉻、銅、汞元素含量。

1.2.2 分析方法

試驗中各測試指標(biāo)的測定方法參考CJ/T 313—2009生活垃圾采樣和分析方法。

2 結(jié)果與討論

2.1 堆體溫度的變化

好氧微生物同化作用會放出熱量，溫度的變化可以直觀判斷微生物的好氧降解作用，3個批次試驗的堆體溫度變化見圖2。

圖2 堆體溫度變化

時間為0 d代表初始堆體溫度，為40～47℃，這可能是由于物料在進入生物自干燥裝置前已經(jīng)在發(fā)生輕微的兼氧降解產(chǎn)熱反應(yīng)。堆體在生物自干燥裝置內(nèi)2～3 d溫度迅速升高到73℃，隨后溫度逐漸降低到53～62℃。堆體在2～3 d內(nèi)經(jīng)歷了從中溫降解到高溫降解的過程，且中溫過程較短，直到反應(yīng)7 d后，堆體溫度仍在50℃以上。在高溫階段，中溫微生物逐漸被嗜熱微生物替代，同時一些復(fù)雜有機物如半纖維素等也開始被分解［3］。

一般認為，垃圾好氧生物反應(yīng)過程中物料含氧量應(yīng)保持在5%～15%［4］。通風(fēng)量過低，導(dǎo)致含氧量＜5%時，出現(xiàn)明顯的厭氧特征，好氧反應(yīng)無法進行；通風(fēng)量過高，導(dǎo)致含氧量＞15%時，造成過多的生物反應(yīng)熱散失。由圖2可發(fā)現(xiàn)設(shè)計的通風(fēng)量滿足好氧微生物的需求，堆體溫度上升較快。

2.2 TS的變化

物料堆體自身溫度的升高會蒸發(fā)部分自由水，好氧微生物的同化作用也會利用部分水分，再加上持續(xù)的通風(fēng)作用，堆體的水分不斷散失，TS相應(yīng)逐漸增高，見圖3。

圖3 堆體TS變化

由圖3可知，堆體的TS在7 d內(nèi)持續(xù)增加。反應(yīng)3 d后，最大值可達到83%，而7 d后，最大值可達87%。試驗結(jié)束，堆體的溫度仍高于環(huán)境溫度，所以可以認為生物自干化作用在7 d反應(yīng)期內(nèi)仍然沒有結(jié)束。因此，可以預(yù)測隨著時間延長，生物自干化作用仍然在進行。然而，持續(xù)的反應(yīng)最多可以使含水率降低1%～5%，同時需要更長的時間和足夠的場地，因此沒有必要繼續(xù)進行。

2.3 RDF產(chǎn)率及特性

經(jīng)過7 d生物自干化作用以后，出料即可被認為是RDF。相比較于原始生活垃圾，減少的部分主要是由于水分及有機物降解減量所致。

通過3個批次的試驗比較發(fā)現(xiàn)，RDF產(chǎn)率變化不大，分別為42%、37%和41%，平均1 t原始城市生活垃圾可以產(chǎn)出RDF400 kg。RDF含水率為14%左右，可以推算1 t原始生活垃圾可以產(chǎn)出干燥燃料344 kg。

由表2可以看出，新鮮城市生活垃圾中25%為塑料，而幾乎所有塑料都可以留在RDF中，只有極少量殘留在機械生物預(yù)處理過程中。因此，可以推測產(chǎn)出的RDF最高含有62.5%的塑料（25%塑料，40%產(chǎn)率），RDF中含有23%左右的其他難降解有機物、金屬、玻璃及砂石等材料。第1批次和第2批次RDF基本性質(zhì)見表4。

表4 RDF基本性質(zhì)

在進入生物自干燥裝置之前的脫水物料低位熱值LCV均值為20 470 kJ/kg，灰分低于25%。生物自干燥以后RDF的LCV為15 198 kJ/kg，這是由于在生物自干燥過程中生物降解作用仍在發(fā)生。高熱量的有機物，如碳水化合物、脂肪、脂肪酸和蛋白質(zhì)在類似堆肥化的過程中被降解。灰分均值從之前的22.8%升高到36.9%可以間接證明這一點。RDF中氯元素含量低于0.5%，是很好的固體燃料。重金屬的含量也在可以接受的范圍內(nèi)。

3 結(jié)論

1）經(jīng)過機械生物預(yù)處理的生活垃圾每立方米通風(fēng)量為0.08 m3/min是可行的，物料溫度在2～3 d內(nèi)升高到70℃以上，隨后溫度在4 d內(nèi)逐漸降低到53～62℃。

2） 堆體TS逐漸升高，3 d可達到83%，7 d后可以達到87%。

3） 平均1 t原始城市生活垃圾可以產(chǎn)出RDF 400 kg。

4）RDF塑料含量為62.5%，平均低位熱值為15 198 kJ/kg，灰分為36.9%，氯元素含量低于0.5%，而且重金屬含量也在可以接受的范圍內(nèi)。

5） 對于生活垃圾，7 d的生物自干燥可以成為RDF制作的參考時間。

［1］Shao L M，Ma Z H，Zhang H，et al.Bio-drying and size sorting of municipal solid waste with high water content for improving energy recovery［J］.Waste Manage，2010，30 （7）：1165-1170.

［2］鞠茂偉，李愛民，馬蒸釗.城市生活垃圾機械生物預(yù)處理技術(shù)研究進展［J］.化工進展，2010，29（S1）：543-547.

［3］Eklind Y，Beck-Friis B，Bengtsson S，et al．Chemical characterization of source-separated organic household waste［J］．Swedish J Agric Res，1997，27：167-178．

［4］楊毓峰，薛澄澤，唐新保，等.畜禽廢棄物的強制通風(fēng)靜態(tài)堆肥化處理及其生物學(xué)效應(yīng)［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境保護，2000，19（4）：209-212.