生活垃圾机械-生物预处理工艺优化.pdf

* “十一五” 国家科技支撑计划 2006BAC06B04 。 生活垃圾机械 － 生物预处理工艺优化 * 杨列 1 刘婷 2 陈思 1 张俊 1 熊辉 3 胡骏嵩 1 陈朱蕾 1 1. 华中科技大学，武汉 430074; 2. 黄石理工学院，湖北 黄石 435000;3. 宜昌固废公司，湖北 宜昌 443000 摘要 以宜昌市垃圾综合处理场为例， 分析了通风量和水分对生物预处理的影响， 进而优化生物预处理的实际应用工 艺。实验结果表明 通风量与水分对预处理过程中堆体温度、 pH、 堆高变化影响明显， 对挥发分变化影响不明显。选 取每30 min风机送风8 min的通风方式， 处理之前调整垃圾水分在 40 ～ 50 之间， 可以取得较好的预处理效果。 关键词 生活垃圾;堆肥化;机械生物预处理;水分;通风量 OPTIMIZATION OF MECHANICAL BIOLOGICAL PRETREATMENT FOR MSW Yang Lie1Liu Ting2Chen Si1Zhang Jun1Xiong Hui3Hu Junsong1Chen Zhulei1 1. Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China; 2. Huangshi Institute of Technology，Huangshi 435000，China; 3. Yichang Solid Waste Corporation，Yichang 443000，China AbstractTaking Waste Comprehensive Treatment Plant in Yichang City for example，the effect of ventilation and water on pre-treatment were analyzed for optimization of pretreatment technology． The experiment results showed that ventilation and moisture had obvious impact on temperature， pH and height of pile， while that of volatile was not obvious． Good effect would be obtained if ventilation was 8 min/30 min and moisture content was adjusted to 40 ～ 50 ． Keywordsmunicipal solid waste;composting;mechanical biology pretreatment;moisture content;ventilation 0引言 堆肥化技术是目前国内外城市垃圾无害化处理 的三大基本技术之一， 但是在我国的应用目前还存在 较多问题 ［1- 2］。郑州、 大庆、 合肥、 扬州等城市已建成 的不同规模和类型的几十个垃圾堆肥厂大多数已关 闭， 或不能正常连续处理垃圾 ［1］。 而堆肥化技术作为垃圾预处理方式则在国内外 得到了广泛认可。Lornage 等人介绍了一种低成本的 好氧生物预处理技术， 经过 25 周的好氧处理， 干物质 减少 37 ， 进入填埋场的垃圾能减量 28 ［3］。Mahar 等人报道了一种经济的堆体自然通风生物预处理方 法， 经过 22 周的预处理后， 混合垃圾中的有机物、 水 分、 生物产甲烷量都有明显减少 ［4］。处理时间长是 生物预处理技术在我国难以推广的主要原因之一， 我 国城市生活垃圾产生量大， 而填埋场地本来就有限， 很难找到大量的土地用于长期的生物预处理。 如何利用已建成的垃圾堆肥厂作为垃圾预处理 设施， 并发展适合我国生活垃圾特点的低成本机械 － 生物预处理技术成为重要的研究课题。本文研究了 时间、 通风和水分对生物预处理的影响， 以优化生物 预处理的实际应用工艺。现场工艺实验在湖北省宜 昌市垃圾综合处理场进行。 1材料和方法 1. 1实验设施与材料 预处理现场实验在堆肥场一级发酵仓进行， 发酵 仓结构见图 1。发酵仓尺寸为 16 m 6 m 6 m， 为 钢筋混凝土结构， 发酵仓底部按面积均匀安装有 16 排通风孔， 均为钢板结构， 具有较强的承重能力。仓 顶开有 4 个进料口， 每个进料口尺寸为4 m 2. 5 m， 用铁制骨架双层塑料板覆盖， 发酵仓额定设计装料 200 t。 进料时， 从 1 号 ～ 4 号进料口进料。进料完毕 后， 再用覆盖板将进料口水封， 开始堆肥预处理过程。 生活垃圾是从宜昌市中心城区混合收集来的， 未 经分选和破碎。每个发酵仓堆置约 150 t 的生活垃 圾， 堆体高度最初4 ～ 5 m。 堆置之后就进行强制通风 98 环境工程 2011 年 12 月第 29 卷第 6 期 a发酵仓顶平面; b发酵仓底平面; c发酵仓剖面 图 1发酵仓结构示意 堆肥化。每个发酵仓有单独的通风系统， 从底部向上 通风， 风机的通风量是3 166 m3/h， 功率11 kW。 1. 2实验条件 由于发酵仓送风系统无法单独控制， 无法设置不 通风不加水的对照仓， 为了比较通风和水分对预处理 过程的影响， 通过改变水分与通风量研究工艺的优 化， 一共设置了 4 组实验， 每组有两个平行发酵仓同 时进行， 实验条件如表 1 所示。 表 1实验条件 仓号通风加水量 /t堆置时间 /d 1 号 5 min/30 min022 2 号 8 min/30 min012 3 号 8 min/30 min29 4 号 5 min/30 min219 注 由于现场条件限制， 鼓风机仅在白天上班时间 8 h 内开启。 1. 3测定指标与方法 分析进仓垃圾的物理组成， 在预处理过程中， 监 测垃圾堆体的温度、 pH 值、 含水率、 堆体高度、 挥发分 等指标， 测定方法参考 CJ/T 303995城市生活垃 圾采样和物理分析方法 ［5］。 2结果与分析 2. 1垃圾特性 采用的生活垃圾是从宜昌市中心城区混合收集 来的， 未经分选和破碎， 其物理组分构成如表 2。 2. 2温度变化 在微生物利用有机物和氧气形成自身细胞的过 程中， 会放出热量。故温度是垃圾堆体发生好氧生物 降解的最直接指标， 各个仓中垃圾堆体的不同层次温 度随时间而变化， 详见图 2图 5。其中上层监测点 距表面约50 cm， 下层监测点距地面50 ～ 100 cm。 表 2生活垃圾物理组分构成 垃圾组分质量分数 / 厨余垃圾及木竹类49. 6 纸类5. 9 橡塑类9. 4 玻璃类3. 0 金属类0. 3 纺织类3. 6 灰土类及其他28. 2 图 2堆体 1 号不同层温度变化 图 3堆体 2 号不同层温度变化 图 4堆体 3 号不同层温度变化 在垃圾发酵过程中， 堆体温度在50 ℃ 以下即为中温 发酵阶段， 当温度上升至50 ℃ 及以上时即为高温发 酵阶段 ［6］。从 4 个堆体的温度曲线图看， 在十多天的 09 环境工程 2011 年 12 月第 29 卷第 6 期 图 5堆体 4 号不同层温度变化 生物处理过程中， 堆体经历了中温发酵阶段和高温发 酵阶段。垃圾堆置完毕之后， 温度上升很快， 3 d 之 后平均温度达到50 ℃ 左右， 中温阶段时间较短， 只有 2 ～ 3 d， 随后堆体温度就上升到50 ℃ 以上， 进入高温 阶段， 堆体在高温范围内稳定较长的时间直到预处理 结束。此时， 嗜热微生物逐渐代替了中温微生物， 易 分解有机物继续被氧化分解， 一些复杂的有机物， 如 半纤维素纤维素和蛋白质也开始被分解 ［7］。 通风量不同对堆体的温度变化有影响。堆体 1 号和 4 号的通风是每30 min风机送风 5 min， 堆体 2 号和 3 号的通风时间较长， 每30 min风机送风8 min， 从结果看， 堆体 2 号和 3 号的升温较慢， 尤其是下层 升温较慢。由于通风量较大， 堆体 2 号和 3 号在高温 阶段的温 度主 要 在50 ～ 68 ℃ 之 间 波 动， 最 高 温 度 70 ℃ 。堆体 1 号和 4 号在高温阶段的温度主要在 50 ～ 70 ℃ 之间波动， 最高温度达到74 ℃ 。 由于本研究中进仓垃圾的平均含水率在 30 左 右， 对 3 号和 4 号的水分进行了调整， 使含水率增加 到 40 左右。水分调整对堆体升温也有一定的影 响。1 号和 4 号堆体的通风量是相同的， 由于 4 号增 加了含水率， 不同堆层的温度差异较大， 且 4 号各层 的平均温度要低于 3 号各层的平均温度。类似的情 况也出现在 2 号和 3 号堆体的比较中。含水率较高 使堆体中层和下层的温度上升速度放慢。有机物降 解期间产生的水分， 除去蒸发部分其余的流到中层和 底层， 形成渗滤液; 特别是使得下层的含水率增加， 堆 体升温较慢。但是堆体升温较慢， 使中下层处于中温 的时间较长， 且即使到了高温阶段温度也不会过高， 因为温度过高反而会影响有机物的降解。 2. 3pH 变化 生物降解过程中， pH 随着时间变化而变化， 各个 堆体 pH 值变化见图 6。大多数微生物生存的 pH 值 范围为 4. 0 ～ 10. 0， 而其在生物降解过程中最佳 pH 值为 5. 5 ～ 7. 5。新鲜垃圾初始的 pH 是 6. 0 左右， 处 于较适宜微生物降解的范围， 不需要调整。 图 6各堆体 pH 值变化情况 通常， 在垃圾收集和储存时的厌氧环境容易产生 有机酸。短链的有机酸导致垃圾 pH 降低， 主要是乳 酸和乙酸 ［7］。氧气浓度、 温度直接影响微生物的组 成和对有机酸的分解， 高的氧气浓度和适宜的温度可 以加快垃 圾 中有 机 酸的 快 速 降 解， 降 低 有 机 酸 浓 度 ［8］， 直接表现就是堆体 pH 升高。 几个垃圾堆体在预处理过程中， 随着处理时间增 长， 堆体的 pH 总体上向碱性转变， 这说明氧气浓度、 温度等条件较适宜， 微生物降解有机物使 pH 升高。 每天的通风量虽然低于 CJJ/T 882000城市生活垃 圾堆肥处理厂运行、 维护及其安全技术规程 建议的 每立方米垃圾的通风量取 0. 05 ～ 0. 20 m3/min 的下 限 0. 05 m3/min［9］， 但是堆体 pH 的明显升高， 说明堆 体中的氧气在大部分时间里是充足的。 通风量对堆体 pH 变化有影响。堆体 1 号和 4 号的通风是每30 min风机送风 5 min， 堆体的 pH 较 高， 堆体出现厌氧情况的时间较长; 堆体 2 号和 3 号 的通风时间较长， 每30 min风机送风8 min， 堆体出现 厌氧情况的时间较短。 水分对堆体 pH 变化有影响。堆体 4 号与 1 号 通风时间同为每30 min风机送风5 min， 但通过加水 使含水率较高 4 号堆体 pH 较高， 说明水分能延长堆 体厌氧发酵时间。 2. 4堆高变化 经过好氧生物预处理， 各个垃圾堆体的高度都有 所下降， 变化情况见图 7。 堆体高度的下降， 是生物预处理生活垃圾减容、 减量的重要体现。垃圾堆体的高度下降主要是由于 垃圾沉降造成的， 垃圾沉降主要由主压缩沉降、 次压 缩沉降和有机物的降解沉降 3 部分组成。主压缩沉 19 环境工程 2011 年 12 月第 29 卷第 6 期 降一部分是由自重压密引起的沉降， 主压缩沉降占总 沉降量的 10 ～ 20 。次压缩沉降发生在主压缩沉 降之后， 由于垃圾的蠕变， 细小颗粒进入粗大颗粒的 孔隙或孔洞等之中而产生的沉降。有机物的降解沉 降是垃圾中的有机物微生物降解引起的沉降， 有机物 降解过程使得大块的有机垃圾被降解成体积较小的 颗粒， 同时产生的气体的逸散和渗沥液的渗流， 都加 快沉降的发生， 有机物的降解沉降是主要沉降， 占总 沉降量的 50 ～ 70 ［10］。 a堆体 1 号; b堆体 2 号; c堆体 3 号; d堆体 4 号 图 8各堆体挥发分含量的变化 由图 7 堆体高度曲线可以看出 机械生物预处理 的减容效果相当明显。在预处理初期， 堆体高度下降 很快， 对各个垃圾堆体计算了前9 d的堆高下降速度， 其中 1 号的堆高下降速度是0. 07 m/d， 2 号的堆高下 降 速 度 是 0. 03 m/d，3 号 的 堆 高 下 降 速 度 是 0. 07 m/d， 4 号的堆高下降速度是0. 07 m/d。随着时 间的增加， 堆体高度下降趋缓， 由此也可以看出有机 物的降解在预处理初期是较快的。经过生物预处理 垃圾堆体的体积有了明显的减少。由于堆体高度的 降低， 1 号堆体 经过22 d 的 预 处理， 体 积减少 了约 18 ; 2 号 堆体经 过12 d 的 预 处 理， 体 积 减 少 了 约 8 ; 3 号 堆 体 经 过 9 d 的 预 处 理， 体 积 减 少 了 约 13 ; 4 号 堆体经 过19 d 的 预 处 理， 体 积 减 少 了 约 17 。 图 7各堆体高度变化曲线 2. 5挥发分变化 用挥发分通常用来表示垃圾中有机物的含量， 其 监测结果如图 8 所示， 各个堆体的挥发分数据都没有 表现出一定的规律性， 无法进行比较分析。 对于大规模的垃圾堆体而言， 挥发分的准确测定 与垃圾样品的取样有很大关系， 取样的位置、 体积等 对挥发分的测定结果影响很大， 即使按 CJ/T 3039 95 取样， 测定的结果还是有一定的误差。生物预处 理垃圾堆体高达4 m以上， 宽约5 m， 长十多米， 垃圾 组分复杂， 垃圾粒径大小不一， 这给采样带来巨大困 难。同时在现场实验时， 没有粉碎机、 研磨仪等设备， 29 环境工程 2011 年 12 月第 29 卷第 6 期 很难对大量的垃圾进行破碎匀质化， 非匀质化的垃圾 用于测定挥发分， 结果有很大的波动性。 3结论 1 短期低通风生物预处理可以有效地减少垃圾 的有机物、 水分及体积。最大的降解率发生在最初的 10 d内。 2 综合比较堆体的温度、 pH 和堆高变化， 建议采 用每30 min风机送风8 min的通风方式， 处理之前调 整垃圾水分在 40 ～ 50 之间， 可以取得较好的处 理效果。 3 预处理期间， pH 波动较大， 堆体较高， 部分位 置供氧不足， 因此进仓垃圾堆高应调整。 参考文献 ［1］吴德礼， 朱申红． 城市生活垃圾的综合处理技术与发展方向 ［J］． 城市环境与城市生态， 2002， 15 4 25- 28． ［2］朱永安． 城市生活垃圾处理方法评述及综合处理方法的设想 ［J］． 环境工程， 1997， 15 1 52- 55． ［3］Lornage R，Redon E，Lagier T，et al． Perance of a low cost MBT prior to landfilling study of the biological treatment of size reducedMSWwithoutmechanicalsorting［ J ］．Waste Management，2007，271755-1764． ［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］．Journal of the Air ＆ Waste Management，2007，57，39- 46． ［5］CJ/T 303995 城市生活垃圾采样和物理分析方法［S］． ［6］王家玲， 李顺鹏， 黄正． 环境微生物学［M］． 2 版． 北京 高等教 育出版社， 2004． ［7］Eklind Y， Beck-FriisB， BengtssonS， etal．Chemical characterization of source-separated organic household waste ［J］． Swedish Journal of Agricultural Research，1997，27 167- 178． ［8］Beck-Friis B，Smrs S，J-nsson H，et al． Composting of source- separated household organics at different oxygen levelsGaining an understanding of the emission dynamics ［J］． Compost Science ＆ Utilization，2003 11 41- 50． ［9］CJJ/T 882000 城市生活垃圾堆肥处理厂运行、 维护及其安全 技术规程［S］． ［ 10］Park H I， Lee S R．Long-term settlement behavior of MSW landfills with various fill ages ［J］．Waste Management and Research，2002，20 1 259- 268. 作者通信处陈朱蕾430074武汉市华中科技大学环境科学与工 程学院环境楼南 209 室 电话 027 87792151 E- mailczlgroup yeah． net 2011 － 02 － 23 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 109 页 3 总体上二级动力学方程拟合效果比双常数速率 方程更好， 二级动力学方程是描述乌粱素海沉积物磷 吸附动力学的最优方程。Langmuir 模型和 Freundiich 模型均能较好地拟合乌粱素海不同粒级沉积物对磷 的等温吸附曲线。 参考文献 ［1］薛联青， 吕锡武， 吴磊， 等． 南京玄武湖底泥磷释放复水模拟实 验研究［J］． 环境污染与防治， 2004， 26 3 163- 166． ［2］Froelich Philip N． Kinetic control of dissolved phosphate in natural riversand estuariesa primer on the phosphate buffer mechanism ［J］． Limnol Oceanogr， 1998， 33 4 649- 668． ［3］李敏， 韦鹤平， 王光谦， 等． 长江口、 杭州湾水域沉积物对磷吸附 行为的研究［J］． 海洋学报，2004，26 1 132- 136． ［4］韩伟明． 底泥释磷及其对西湖富营养化的影响［J］． 环境污染 与防治， 1991， 13 5 31- 34． ［5］汤鸿霄． 微界面水质过程的理论与模式应用［J］． 环境科学学 报，2000，20 1 1- 10． ［6］吴丰昌， 万国江， 蔡玉蓉． 沉积物 － 水界面的生物地球化学作用 ［J］． 地球科学进展， 1996，11 2 191- 196． ［7］庞燕， 金相灿， 王圣瑞， 等． 长江中下游浅水湖沉积物对磷的吸 附特征［J］． 环境科学研究， 2004， 7 S 19- 23． ［8］KimLee-Hyung，Choi Euiso， StenstromMichael K．Sediment characteristics， phosphorus types and phosphorus release rates between river and lake sediments ［J］． Chemosphere，2003，50 53- 61． ［9］王颖， 沈珍瑶， 呼丽娟， 等． 三峡水库主要支流沉积物的磷吸 附 /释放特性［J］． 环境科学学报，2008， 28 8 1654- 1661． ［ 10］Bengt Bostron， Anderson Jens M， Siegfried Fleischer， et al． Exchange of phosphorus across the sediment-water interface ［J］． Hydrobiologis， 1988，17229- 244． ［ 11］金相灿， 屠清瑛． 湖泊富营养化调查规范［M］． 2 版． 北京 中国 环境科学出版社， 1990 211- 235． ［ 12］周孝德， 韩世平， 陈惠君． 环境因素对滇池底泥磷吸附的影响 ［J］． 水利学报， 1998 S 12- 17． ［ 13］中国科学院南京土壤研究所． 土壤理化分析［M］． 上海 上海科 技出版社，1978 145- 236． ［ 14］AWWA，APHA，WPCE． Standard s for the examination of water and wastewater［M］． 18th Ed． Washington． DCAmerican Public Health Association，1998 234- 245． ［ 15］刘敏， 侯立军， 许世远， 等． 长江河口潮滩表层沉积物对磷酸盐 的吸附特征［J］． 地理学报， 2002，57 4 397- 406． 作者通信处张生010018内蒙古呼和浩特市内蒙古农业大学水 利与土木建筑工程学院 402 研习室 E- mailshengzhang imau． edu． cn 2011 － 04 － 11 收稿 39 环境工程 2011 年 12 月第 29 卷第 6 期