新型全混合式廚余垃圾生物干化工藝效能實證研究

嚴祥瑞,辛立慶,王昊書,,馬 壯,秦 勇,吳偉祥* (.浙江大學環境與資源學院,浙江 杭州 30058；.浙江傳超環保科技有限公司,浙江 杭州 300)

據統計,廚余垃圾占我國生活垃圾總量的 60%左右,含水率高達 70%～80%[1-3].受設施處理能力規劃、審批與建設時效等因素限制,預計在相當長的一段時期我國廚余垃圾將無法完全通過厭氧產沼或堆肥進行資源化利用.借助現有焚燒設施,通過生物干化實現廚余垃圾資源能源化利用是一條切實可行的途徑.該技術利用生化反應熱和強制通風加速水分蒸發,實現物料含水率的快速脫除[4-5]和低位熱值的顯著提升[6-7],制備衍生燃料(RDF)[8].

從已有的批次式廚余垃圾生物干化研究來看,通常需要2～3d的升溫時間才能達到50℃以上,干化周期普遍為10～15d;脫水效率低,水分單位去除量僅為 280～570kg水/t垃圾[9-14],導致技術成本高、效能低,難以實現工程化應用.本研究根據往復式翻堆螺旋實現新舊物料全混合機械結構設計理念,開發了一種連續進料全混合式生物干化工藝,探究該工藝運行效能及其對物料溫度、含水率、熱值的影響規律,以期為廚余垃圾生物干化工藝優化及工程化應用提供參考.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

廚余垃圾(新鮮物料)來源于杭州市余杭區生活垃圾分類收集站,經破碎擠壓脫水后進入設備進行處理,試驗時間為7～9月.破碎脫水預處理后的廚余垃圾理化性質如表 1所示,物料含水率 76.63%,總有機質含量(VS/TS)為 77.97%,高、低位熱值分別為 13700,1605kJ/kg,低位熱值遠低于4180kJ/kg《生活垃圾焚燒爐及余熱鍋爐》[15]中生活垃圾焚燒進爐標準.

表1 破碎脫水預處理后的廚余垃圾理化性質Table 1 Physicochemical properties of the kitchen garbage after crushing and dehydration

1.2 試驗裝置

中試試驗采用自主研發的連續進料全混合式生物干化反應器(圖 1)[16].反應器為 U 型槽結構,長1.5m,底部直徑 0.8m,U 型槽高 0.9m,有效容積約為1.2m3,設計處理能力為100kg/d,設計干化周期為7d,具備混合、翻堆、曝氣、抽濕、輔熱及智能控制等功能.反應器外壁設有輔助加熱裝置,保障物料最低控制溫度;U型槽底部設有側孔式防堵塞曝氣噴頭,連接流量計和離心風機,實現定量曝氣;反應倉中心配備往復式翻堆螺旋,攪拌葉片呈螺旋狀并與 U型槽壁面貼合,實現零死角往復式翻炒攪拌方式;反應倉頂部設有抽風口,連接羅茨風機,用于抽風除濕;設有智能控制柜,變頻器控制I和II分別控制電機和羅茨風機的功率,實現智能化控制攪拌和曝氣.各零部件能耗如表2所示.

圖1 生物干化試驗反應器剖面示意Fig.1 Schematic diagram of biodrying equipment

表2 生物干化試驗反應器各零部件功率(kW)Table 2 Power of each system of biodrying equipment(kW)

1.3 試驗方法

1.3.1 反應器啟動 向生物干化反應器內進新鮮物料 700kg,按新鮮物料與菌劑質量比例 10:1接種,充分攪拌混合.啟動階段設定攪拌間隔為 60min,每次攪拌時間 1min,轉速 8r/min;通風頻次為 30min/h,風量為 60m3/h;每 30min通過羅茨風機于抽風口負壓抽吸反應倉內高濕空氣1min.

維持上述操作參數,確保微生物快速生長繁殖,期間適當進料但不出料,確保反應器內物料總量維持在600～650kg;每日對物料含水率、溫度等參數進行監測,當反應倉內物料含水率降低至 45%且物料溫度高于50 ℃時,結束反應器啟動階段.

1.3.2 生物干化試驗 通過啟動階段物料含水率變化計算物料損失質量,設計每日進新鮮物料約100kg,出舊物料約 30kg.進料后立即通過攪拌裝置快速混合新舊物料.根據已有研究[17]結合本試驗要求,設置3組通風量、最低控制溫度等輔助功能控制參數方案,具體如表 3所示.反應器在每個控制參數下正常穩定運行7d后,開始每組正式試驗.當物料溫度低于設定最低控制溫度時,開啟輔助加熱系統.每個處理組均在第0h開啟輔熱系統2h,A組和B組在第14h第2次開啟輔熱系統,即A組和B組合計輔熱4h,C組輔熱2h.每組生物干化試驗設置3次平行.

表3 生物干化試驗運行控制方案Table 3 Operation control scheme of biodrying process

1.4 樣品采集與測定

每天定時監測各處理組生物干化反應器內物料的溫度、含水率、VS/TS和熱值.

溫度采用 0.8m探針式溫度計直接插入反應器內四角及中心處,每2h測定1次,取平均值;每4h取樣 1次,以處理時間進行標記(0-樣品為進料前物料,0+樣品為進料后混合物料,24樣品即處理后產物),物料含水率采用烘箱干燥法,105℃下烘至恒重測定;VS/TS采用灼燒法(550℃)燒至恒重測定[18];物料熱值測定參考《煤的發熱量測定方法》[19].

1.5 數據處理

水分去除量[20]為處理過程中脫除水分的質量,忽略生物干化過程中物料干物質質量變化,則水分去除量計算公式如式(1):

式中,m(x,y)為水分脫除量,kg;cx、cy為第 x、y h含水率,%;m0為物料初始質量,取700kg.

水分單位去除量為處理后每噸垃圾脫除水分的質量,以新鮮易腐垃圾處理量為基準,計算公式如式(2):

式中,w為水分單位去除量,kg水/t垃圾;b為設備處理總量,t /d.

實際有機質量為反應器內所有物料中有機質的總質量,假設生物干化過程中物料干物質中灰分質量不變,則實際有機質量計算公式如式(3):

式中:ms為實際有機質量,kg;s0為初始有機質含量,%;sx為第x h有機質含量,%.

生物干化過程能耗的計算公式如下:

式中,a 為噸處理能耗,kW·h/t;P1、P2、P3、P4、P5、P6分別為電機、變頻器Ⅰ、離心風機、變頻器Ⅱ、輔熱系統、羅茨風機的功率,kW;t1、t2、t3、t4分別為每日攪拌、通風、加熱、抽風總時長,h/d.

試驗數據采用 Microsoft Excel 2016、Origin 2018和SPSS v.20.0進行分析處理.

2 結果與討論

2.1 新型生物干化工藝對物料溫度的影響

反應器內物料溫度的變化可以直觀反映好氧生物干化過程中微生物代謝活動的劇烈程度[21].如圖2所示,由于操作參數的差別,3個處理組的物料溫度存在顯著差異(P<0.01).A、B、C處理組的通風量逐漸遞增,A組物料溫度基本高于B組,C組最低,驗證了通風量與物料溫度的負相關聯系[22-23],在滿足微生物好氧活動需求的情況下,通風量高的處理組物料溫度相對較低.此外,A組在第 4～18h維持了55℃的最低控制溫度,B組和C組在第2～20h維持在50℃和45℃以上,且輔熱次數均不超過4h,說明在控制方案中根據通風量設計最低控制溫度參數,可有效降低輔熱時間節省能耗,并保障物料溫度,確保反應器正常運行.

圖2 不同處理組的物料溫度變化情況Fig.2 Changes of pile temperature in different treatments

總體而言,3個處理組物料溫度及環境溫度變化趨勢基本相同,均在進料結束后2h內(輔熱系統開啟2h)由40℃左右快速升溫至50℃以上并保持10h以上,第16h以后物料溫度逐漸下降,最終回到40℃左右.輔熱開啟前(即 20～24h),物料溫度緩慢下降至 40℃;輔熱開啟后,物料溫度上升迅速;輔熱結束后,溫度仍有明顯上升趨勢,并在高通風量下維持 50℃以上高溫8～20h,說明短暫的物料輔熱可以有效縮短了物料溫度積累過程,促進干化體系微生物的生長代謝活動,激發生物熱產生從而維持了物料高溫環境,這與前人的研究結論[24]相似.在整個干化周期內,反應器內物料溫度長期穩定保持在40～60℃,有助于好氧微生物生長繁殖,更是其代謝活性長效保持的反饋[25].在進料后,物料的適量輔熱升溫和含水率的調節有助于快速提高微生物量及其代謝活性[26],進而維持物料高溫環境,縮短了批次試驗中堆體升溫和微生物活化時間,與設計初衷基本吻合.而每個處理組后期物料溫度的下降,可能與快速利用型物質的消耗、環境溫度和物料含水率的下降有關,但仍可維持在40℃以上的中溫環境.

對比現有生物干化技術 2～3d的升溫期[9-14],連續進料全混合式生物干化工藝具有升溫迅速的特點,升溫期僅為 2h,連續反應過程中物料溫度可始終保持在40℃以上,其中50℃以上高溫區段可以維持8～20h/d,有助于物料內部水分轉化和表面水分的快速脫除.

2.2 新型生物干化工藝對物料含水率的影響

由圖3、表4可見,由于中試試驗材料來源于日常分類產生的廚余垃圾,不同處理組物料組分、性質差異客觀存在,造成進料前、后物料含水率增量存在差別.本試驗進料后混合物料含水率僅為 40%～50%,不僅可以避免過高含水率降低物料孔隙率而阻礙通風供氧[27],還為好氧微生物生長代謝提供了適宜的環境,保障物料升溫并維持較高溫度[4].同時,反應器內物料含水率長期保持在50%以下,基本無自由水下滲產生滲濾液,所有脫除水分均通過空氣對流散發.

圖3 不同處理組物料含水率變化情況Fig.3 Changes of moisture content in different treatments

表4表明,3個處理組物料含水率持續下降,進料后0～12h(7:00～19:00)間反應器內物料脫水速率高于12～24h(19:00～次日7:00),這可能是由于0～12h間物料和環境均處于高溫時段,且日間空氣濕度普遍較低,利于水分脫除.進料后至次日出料期間,A、B和C 3組反應器內混合物料含水率分別由 43.05%、42.45%和 41.52%降低至 35.93%、36.89%和34.86%.A組水分單位去除量最高(775kg水/t垃圾),而B組和 C組水分單位去除量則相對較低,分別為 617,716kg水/t垃圾,說明在供氧充足的情況下,維持相對較高的物料溫度有助于提升水分蒸發速度[28],這可能是由于往復式無軸螺旋在攪拌過程中,不斷將底部物料翻拋至料倉頂部,極大程度地增加堆體內部高溫物料與空氣接觸時間,充分發揮了高溫環境下水分蒸發速率更快的優勢.C組物料溫度最低,但高通風量增加了空氣攜水總量[29],也實現了較高的水分單位去除量.B組的物料溫度低于A組,弱化了水分蒸發速度;B組的通風量低于C組,導致空氣攜水總量較低,因此,B組水分單位去除量弱于A組和C組,并存在較大的差異.

表4 不同處理組各階段物料含水率及水分單位去除量Table 4 Water content and unit water removal at each stage of different treatments

總體而言,相較于現有生物干化技術在 10～15d的處理周期實現 280～570kg水/t垃圾的水分單位去除量[9-14],連續進料全混合式生物干化工藝使含水率76.63%的新鮮物料經過該反應器 7d干化周期的處理后,含水率降低至35.89%,水分單位去除量最高可達(775±65)kg水/t垃圾,工藝脫水效果顯著提升.整個試驗中反應器持續運行時間接近 2個月,期間運行狀態穩定.在整個試驗過程中,反應器物料含水率持續下降但降幅較低,理論上可在當前負荷基礎上適當提升額定處理量,通過優化工藝參數進一步縮短干化周期.

2.3 新型生物干化工藝對物料有機質含量的影響

物料的有機質含量(即VS/TS)的變化情況可以反映好氧生物干化過程中的有機物降解速率和微生物代謝活動[30-31].由表5可見,進料混合后的物料有機質含量為73～76%,略低于新鮮物料.0～12h間3組有機質降低量為 1.55～1.96%,高于 12～24h的降低量,說明0～12h期間微生物代謝活性相對較高,有機質降解量更多,物料得以維持在 50℃以上的高溫,12～24h有機質降解量相對較少,導致該階段物料溫度逐漸降低.試驗結束后 3組物料有機質含量分別為71.23%、69.55%和68.65%(無顯著性差異),其中A組有機質含量較高,可能具備更高的高位熱值.此外,處理結束后 A組的實際有機質量下降了39kg,明顯高于B組和C組,這些有機質可能被降解并釋放了更多的生化反應熱用于物料升溫和水分脫除,這與A組高物料溫度和高水分單位去除量相吻合.

表5 不同處理組物料有機質變化情況Table 5 Changes of organic matter in different treatments

2.4 新型生物干化工藝對物料熱值的影響

熱值是評價生活垃圾燃燒性能的重要指標,與物料的含水率和有機質含量有關[32].由圖 4可見,破碎脫水后新鮮物料的平均高位熱值和低位熱值分別為 13700,1600kJ/kg,具備較高的燃燒潛力,但低于《生活垃圾焚燒爐及余熱鍋爐》[15]中生活垃圾焚燒進爐標準,無法作為燃料直接焚燒.由于 3個處理組物料的有機質含量逐漸減少,高位熱值也呈下降趨勢(P<0.05),A、B、C組處理后產物的高位熱值分別為13598,12352,11511kJ/kg.根據低位熱值計算方法,物料的低位熱值與高位熱值呈正相關,與其含水率呈負相關.3個處理組高位熱值和含水率均逐漸降低,導致處理后產物的低位熱值無顯著性差異,分別為6906,6442,6681kJ/kg.

圖4 生物干化過程不同處理組物料高位熱值與低位熱值Fig.4 Changes of high and low calorific values of matrix in biodrying process

新鮮物料進入反應器與剩余物料混合后,低位熱值由 1605kJ/kg提升至 5702kJ/kg,經過生物干化處理后可達到 6676kJ/kg,遠高于 4180kJ/kg,即滿足《生活垃圾焚燒爐及余熱鍋爐》[15]中生活垃圾焚燒進爐標準.

2.5 不同控制參數能耗對比

如表3所示,3個處理組能耗差異主要來源于通風量和加熱時長控制參數.A組和 B組雖然通風量較低,但為了維持最低控制溫度,輔熱系統產生了較高的能耗(總能耗中輔熱能耗占比超過50%),能耗超過90kW·h/t,遠高于C組的77.91kW·h/t(C組總能耗中輔熱能耗僅占33%).A組在輔熱系統幫助下保持了物料高溫環境,其脫水能力最好,但C組通過增加通風、適當降低物料溫度也可以實現較好的除水效果,故對于本生物干化反應器而言,C組兼具高效低耗特點,所采用的控制參數更為適合.后續研究中可優化輔熱策略,放棄最低控制溫度的設計,僅將輔熱用于進料后物料的增溫,以進一步降低運行能耗.

總體而言,本生物干化工藝最佳操作參數為通風速率0.171m3/(kg·h),最低控制溫度45℃.該控制參數下工藝垃圾處理能耗僅為 77.91kW·h/t,遠低于市場上電熱烘干設備噸能耗(150～250kW·h/t)[4,7],工藝中輔熱系統僅需 25～50kW·h/t(含熱損耗),2種工藝外源熱能輸入的差值應是微生物好氧活動釋放的生物熱輸入.

表6 不同處理組能耗情況Table 6 Energy consumption of different treatments

2.6 與其他生物干化工藝對比

現有生物干化工藝均存在 2～3d的升溫期[9-14],升溫過程中物料溫度較低,極大程度限制了水分蒸發速度,導致干化周期長、脫水效率低.新型廚余垃圾全混合式生物干化工藝通過新舊物料全混合機械結構和輔熱策略大幅度提高了升溫速度,并保障反應器運行過程中物料溫度均高于40℃.

相較于現有生物干化工藝,新型工藝將干化周期由 10～15d[7]縮短至 7d,水分單位去除量仍高達716.24kg水/t垃圾,遠高于生物干化其他文獻中的280～570kg水/t垃圾[9-14],其處理能耗僅 77.81kW·h/t.新型工藝產物低位熱值達 6676kJ/kg,略低于其他文獻中 6000～8000kJ/kg,可能是因為文獻中采用的易腐垃圾熱值較高(2400～3200kJ/kg)[7,12].

然而,本研究尚未對攪拌頻率、輔熱模式和進料粒徑開展深入優化.今后的研究應聚焦探討如何提升攪拌翻堆、通風曝氣及輔熱模式等控制參數或模式在生物干化過程中的聯動效應,并研制針對易降解有機質的耐高溫微生物菌劑,以期更加有效地強化微生物生長繁殖、代謝活動和水分脫除能力,進一步提升廚余垃圾生物干化處置效能.

3 結論

3.1 本研究基于廚余垃圾全混合發酵的設計理念,強化了快速升溫、快速脫水的工藝特點,干化周期縮短至7d,水分單位去除量高達716.24kg水/t垃圾,干化效能顯著優于現有生物干化工藝.

3.2 在最佳運行條件下(通風速率0.171m3/(kg·h),最低控制溫度 45℃),處理能耗僅為 77.91kW·h/t,產物低位熱值遠高于《生活垃圾焚燒爐及余熱鍋爐》(GB/T 18750-2008)中規定的生活垃圾焚燒進爐標準.