生物預處理過程中有機質與水分對垃圾熱值影響研究*

楊 列，陳朱蕾，唐素琴，龍思杰，胡駿嵩

（1.武漢理工大學資源與環境工程學院，湖北 武漢 430070；2.華中科技大學環境科學與工程學院，湖北 武漢430074；3.杭州市環境集團有限公司，浙江 杭州 310022；4.中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430010）

我國生活垃圾目前仍為混合收集、運輸與處理，具有成分復雜、熱值較低、含水率較高的問題，加大了垃圾焚燒處理難度。生活垃圾生物預處理在我國已有一定的應用基礎。如宜昌黃家灣已建成了預處理生產線，并形成了一定的效益［1-2］。垃圾在焚燒處理前進行預處理可以降低垃圾水分，有利于后續焚燒處理過程中減少化石燃料使用和改善焚燒工況。在生物預處理過程中，由于微生物積極活動的結果，從堆積到腐熟，堆肥中的有機物質發生復雜的變化，C/N逐漸降低，物料的特性也發生改變［3］。為了解短期生物預處理的效果，進行生物預處理模擬研究，從實驗室人工配制垃圾作為研究對象，利用常規的方法測試垃圾含水率、減量的變化；研究有機物、水分變化對熱值的影響，探索熱值與有機質、水分的相關性，有利于提高我國垃圾焚燒處理的效率。

1 材料與方法

1.1 預處理模擬實驗

生活垃圾取自華中科技大學喻園教師小區，經過人工破碎混勻作為試驗樣品，其組分見表1。

表1 模擬實驗垃圾組分 %

采用自制柱型鐵網框進行實驗，鐵框高約30 cm，直徑約20 cm，每框裝垃圾約1 500 g。鐵網框放置在實驗室窗戶附近通風處進行實驗。主要研究經過短期好氧生物預處理后生活垃圾特性的變化情況，每天監測含水率、揮發分、質量、溫度等，測定方法參考CJ/T 313—2009城市生活垃圾采樣和物理分析方法。實驗同時做3組平行樣，取平均值，共進行了2批次實驗。

1.2 熱值變化分析實驗

精確配制不同有機垃圾含量、含水率的樣品測定熱值，熱值測定方法參考CJ/T 313—2009。采用自動量熱儀測定熱值，在測定時進樣量一般為1 g左右。為簡化測定將金屬、玻璃、磚瓦、陶瓷等難燃物的低位熱值視為零，略去不計。

第1組實驗：混合垃圾樣品組分為干燥的廚余垃圾、樹葉、織物、紙張、煤渣灰土、塑料，樣品1的各組分比例同表1，樣品2～6中，改變廚余垃圾的加入量，使其所占的比例以5%的量遞減，樹葉、織物、紙張、煤渣灰土、塑料加入的質量不變。同時做2組平行樣，取平均值。

第2組實驗：混合垃圾樣品組分為干燥的廚余垃圾、樹葉、織物、紙張、煤渣灰土、塑料，各組分的比例同表1，樣品1～5加入不同量的水，使有一定的含水率梯度。同時做2組平行樣，取平均值。

2 結果與分析

2.1 預處理模擬實驗對溫度、水分、揮發分和質量的影響

經過8 d的堆置，生活垃圾中的易腐性垃圾在微生物的作用下被降解，垃圾的溫度、水分、揮發分和質量等指標都發生了變化，見圖1～4。

圖1 生物預處理過程中垃圾堆體溫度變化

圖2 生物預處理過程中垃圾含水率變化

圖3 生物預處理過程中垃圾揮發分變化

圖4 生物預處理過程中垃圾質量變化

固體廢物的好氧降解可以用以下公式［4］表示：

垃圾有機物含量是垃圾的重要特征值之一，垃圾中有機物含量一般以垃圾在600℃下的灼燒減量作為指標，它是垃圾中有機物的一個合理近似值，又稱為揮發性固體或揮發分。在本實驗中，用揮發分來表示垃圾中有機物的含量，從圖3可看出，垃圾的揮發分有明顯的下降趨勢，這說明垃圾中的有機物被微生物利用了。在微生物利用有機物和氧氣形成自身細胞的過程中，會放出熱量。由于垃圾堆體的體積較小，易腐性垃圾降解過程中產生的熱量有限，堆體的溫度升高較少，遠遠沒有達到55℃，所以垃圾中的病原菌無法被有效殺滅。但是在模擬實驗中垃圾的水分、揮發分和質量有明顯的下降，經過8 d的好氧生物預處理，水分減少了約10%，揮發分減少了約30%，垃圾減量約30%，垃圾堆體高度有明顯下降。可見通過好氧生物預處理可以有效地對垃圾減容減量，降低水分和揮發分（有機物）的含量。

2.2 混合垃圾熱值隨有機垃圾含量變化分析

通過設置有機垃圾的含量梯度分析混合垃圾熱值變化。本實驗采用自動量熱儀測定各個樣品的高位熱值，對混合垃圾熱值和有機垃圾含量作圖，見圖5。

圖5 混合垃圾熱值隨有機垃圾含量變化

對混合垃圾熱值與有機垃圾含量進行了Pear-son相關性分析顯示，混合垃圾熱值與有機垃圾含量呈正相關（r=0．964，n=6）。有機垃圾主要是由含碳化合物、碳氫化合物及其衍生物組成，多數有機化合物主要含有碳、氫2種元素，此外也常含有氧、氮、硫、鹵素、磷等，有機化合物除少數以外，一般都能燃燒，燃點較低，一般不超過400℃。由此可見，有機垃圾是垃圾熱值的重要來源，有機垃圾含量越高，熱值也越高。一些研究人員也有類似的發現，如：劉曉紅等［5］通過對楊凌不同功能區10個采樣點的生活垃圾進行熱值分析，發現不同采樣點垃圾熱值的變化主要取決于垃圾中的塑料和可腐有機物含量的變化，塑料和可腐有機物含量決定了濕基低位熱值的高低，也是楊凌生活垃圾的主要熱值來源；李華等［6］實驗研究發現生活垃圾堆酵5 d后，低位熱值＞4 600 kJ/kg，可直接焚燒，因為通過堆酵，垃圾中所含部分水分以滲瀝液形式滲出，垃圾中的有機物含量相對提高，同時由于在堆酵過程中所發生的生物反應，垃圾中的一部分有機質發生轉化，這些變化的綜合結果使得垃圾低位熱值大幅度提高。對圖5的有機物含量-熱值曲線進行線性擬合，得到回歸方程y=6 077+94．19x（R2=0．911 7），有機垃圾含量每增加10%，熱值就約增加941．9 kJ/kg。

2.3 混合垃圾熱值隨含水率變化分析

混合垃圾熱值和含水率的關系見圖6。

圖6 混合垃圾熱值隨含水率變化

對混合垃圾熱值與含水率進行了Pearson相關性分析顯示，混合垃圾熱值與含水率呈負相關（r=-0．865，n=5）。劉曉紅等［5］通過對楊凌不同功能區10個采樣點的生活垃圾進行熱值分析，發現水分對垃圾熱值有負的貢獻率；鞠茂偉［7］研究了機械生物處理對大連市區生活垃圾處理的效果，結果表明，垃圾含水率從61．2%降至11．3%，低位熱值顯著提高。國外有學者報道：廢物的水分（廢物中含量為10%～66%） 對廢物的熱值有重要的影響，干的生活垃圾的熱值約是16．2 MJ/kg，含水率每增加10%，垃圾的熱值就會減少1．67 MJ/kg；含水率的變化對熱值的影響可以估算為（16．2-1．67x）MJ/kg，x是水分的質量分數。物料的平均水分與物料的類型有關。食品廢物的水分大約是70%，而塑料和皮革的水分大約是2%。在本研究中，對圖6的混合垃圾含水率-熱值曲線進行線性擬合，得到回歸方程y=16 411-162．70x（R2=0．864 7），含水率每增加10%，混合垃圾熱值就減少約1 627 kJ/kg。

3 結論

1）對生活垃圾的生物預處理模擬研究結果表明，通過生物預處理，垃圾含水率降低，垃圾的有機物含量也逐漸下降；在同樣的處理時間里，垃圾的水分減少了約10%，而垃圾的有機物含量減少了約30%。

2）提高混合垃圾的熱值可以通過增加有機垃圾的含量或者降低水分含量來實現。混合垃圾熱值與有機垃圾含量呈正相關（r=0．964，n=6），有機垃圾含量每增加10%，熱值就增加約941．9 kJ/kg；混合垃圾熱值與與含水率呈負相關（r=-0．865，n=5），含水率每增加10%，混合垃圾熱值就減少約1 627 kJ/kg。

3）經過生物預處理之后，混合垃圾的熱值減少約1 198．7 kJ/kg，要提高混合垃圾的熱值，生物預處理建議主要以水分去除為主，減緩有機物降解，采用短期的通風干燥，即生物干化處理。

［1］楊列，劉婷，陳思，等．生活垃圾機械-生物預處理工藝優化［J］．環境工程，2011，29 （6）：89-93．

［2］楊列，劉婷，謝文剛，等．生活垃圾預處理后續堆肥化通風方式優化研究［J］．環境工程，2012，30 （1）：74-78．

［3］陳朱蕾，黎小保，周磊，等．堆肥化技術對生活垃圾預處理效果的研究［J］．環境衛生工程，2004，12 （1）：11-13．

［4］Mahar R B，Liu J G，Yue D B，et al．Biodegradation of organic matters from mixed unshredded municipal solid waste through air convection before landfilling［J］．J Air Waste Manage，2007，57：39-46．

［5］劉曉紅，張增強，胡京利，等．城市生活垃圾熱值測定分析［J］．延安大學學報：自然科學版，2004，23 （3）：48-51．

［6］李華，趙由才，王羅春．垃圾堆酵對焚燒廠垃圾熱值的影響［J］．上海環境科學，2000，19（2）：89-91．

［7］鞠茂偉．混合垃圾機械生物預處理燃燒和填埋特性研究［D］．大連：大連理工大學，2012．