堆肥化技術(shù)對(duì)生活垃圾預(yù)處理效果的研究
堆肥化技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)外城市垃圾無(wú)害化處理的三大基本技術(shù)之一。傳統(tǒng)堆肥化技術(shù)的目的是利用高溫殺死垃圾中的病原體實(shí)現(xiàn)無(wú)害化和生產(chǎn)腐殖質(zhì)實(shí)現(xiàn)資源化。但是垃圾堆肥處理技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用目前還存在較多問題，鄭州、大慶、合肥、揚(yáng)州等城市已建成的不同規(guī)模和類型的幾十個(gè)垃圾堆肥廠大多數(shù)已關(guān)閉，或不能正常連續(xù)處理垃圾。
另一方面，我國(guó)城市生活垃圾收集的特點(diǎn)基本為混裝，垃圾成分復(fù)雜，含水率高，廚房類有機(jī)物含量高，導(dǎo)致垃圾發(fā)熱量較低和填埋場(chǎng)滲濾液污染濃度高，從而使垃圾焚燒和填埋處理出現(xiàn)相應(yīng)問題。
我們研究的目的是重新審視堆肥在垃圾處理中的作用。
通過模擬生活垃圾高溫好氧堆肥的過程，測(cè)定堆肥化過程中與垃圾預(yù)處理有關(guān)的部分技術(shù)指標(biāo)，探索采用堆肥工藝對(duì)高含水率和高有機(jī)物的混合垃圾進(jìn)行發(fā)酵預(yù)處理的可性行，期望能夠?yàn)槎逊驶A(yù)處理在提高垃圾填埋和焚燒工程實(shí)踐上提供一定的參考依據(jù)。
1、材料與方法
1.1堆肥原料
堆肥原料為人工配制的模擬混合垃圾，易腐垃圾主要為剩飯菜與雜菜，纖維素類較難降解垃圾為紙張與樹葉，水分調(diào)整材料為煤渣，在試驗(yàn)中依次做4種不同的配比，易腐垃圾、煤渣、纖維素的含量分別為：①45%，35%，20%；②50%，30％，20%；③55%，25%，20%：④60%，20%，20%。
1.2試驗(yàn)設(shè)備與方法
1.2.1試驗(yàn)設(shè)備：堆肥裝置見圖1。發(fā)酵罐有效容積100L，每批試驗(yàn)可裝入垃圾35kg左右。浸出液和發(fā)熱量試驗(yàn)采用搖床模擬堆肥過程。
1.2.2方法：將計(jì)量后的垃圾混合均勻，測(cè)定特性值后裝入發(fā)酵倉(cāng)中，發(fā)酵過程中和堆肥結(jié)束時(shí)按標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定含水率、質(zhì)量、容重、揮發(fā)性固體含量（VS）、發(fā)熱量等，浸出液結(jié)合武漢市降雨量按浸出毒性試驗(yàn)的方法獲取，NH3-N按標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定。
 圖1堆肥化裝置示意圖 |
2、結(jié)果與分析
2.1物料變化
堆肥過程的物料變化主要是揮發(fā)性固體降解為氣體、水分蒸發(fā)和下滲而引起的質(zhì)量損失、體積減少及容重的增加。不同垃圾配比堆肥過程物料變化見表1。由表1可知，質(zhì)量減少32%～41%，體積減少35%～45%，揮發(fā)性固體降解率56%～71%，容重增加8%～10%。在其它條件相同的情況下，質(zhì)量減少、體積減少、揮發(fā)性固體降解率及容重增加取決于原料的揮發(fā)性固體含量。
表1堆肥過程物料變化 |
圖2為不同揮發(fā)性固體含量降解曲線。根據(jù)文獻(xiàn)[7]的方法，推出公式：
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式中：S0垃圾原料中揮發(fā)性固體含量，％；kd比率常數(shù)，d-1；t為發(fā)酵時(shí)間，d。揮發(fā)性固體含量和比率常數(shù)隨垃圾原料成分組成和發(fā)酵條件不同而變化。在本試驗(yàn)發(fā)酵條件下，求得kd＝0.125／d。
公式（1)適用于發(fā)酵終止時(shí)的有機(jī)物剩余量預(yù)測(cè)和一次發(fā)酵所需時(shí)間的確定，從而為預(yù)處理工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
 圖2不同配比的垃圾揮發(fā)性固體含量變化 |
2.2質(zhì)量和含水率變化方程
根據(jù)文獻(xiàn)[7]提供的方法及堆肥過程的物料平衡，得到如下關(guān)系式：
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式中，Xvs為揮發(fā)性固體降解率，％；St為一次發(fā)酵t時(shí)刻揮發(fā)性固體含量，％；F0為垃圾進(jìn)料濕重，kg；Ft為t時(shí)刻垃圾出料濕重，kg；W0為進(jìn)料垃圾含水率，％；Wt為t時(shí)刻垃圾出料含水率，％；θ是隨機(jī)校正值，θ一般為0.05～0.5。
公式（3）適用于不同進(jìn)料含水率和出料含水率的水分蒸發(fā)量計(jì)算。但在實(shí)際操作中，單位干固體的水分蒸發(fā)量是否能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的計(jì)算值則取決于揮發(fā)性固體降解釋放的能量和蒸發(fā)所需的熱量是否平衡，同時(shí)還受通風(fēng)量的控制，這需要進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算和通風(fēng)量計(jì)算。
本次實(shí)驗(yàn)通過通風(fēng)量變化的控制，使出料含水率在30%～45%。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果（表1），由公式（3）的計(jì)算可得出不同進(jìn)料含水率與水分蒸發(fā)量的關(guān)系曲線，見圖3。公式(4)或(5)適用于計(jì)算出料量，從而為后續(xù)處理的設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。
 圖3進(jìn)料和出料含水率與水分蒸發(fā)量的關(guān)系曲線 |
在好氧堆肥過程中，垃圾不僅質(zhì)量發(fā)生變化，而且容重也隨之變化。一次發(fā)酵終止時(shí)的堆肥體積Vt是由減重后的出料質(zhì)量和變化后的容量決定的，即：
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式中，dt為發(fā)酵出料的容重；d0為發(fā)酵進(jìn)料的容重；α為容重增加系數(shù)。
2.3發(fā)熱量變化
實(shí)驗(yàn)采用氧彈量法來測(cè)定堆肥過程中物料的發(fā)熱量變化。根據(jù)文獻(xiàn)[4]換算成低位發(fā)熱量來表示垃圾的燃燒性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。從表2可看出，隨著堆肥天數(shù)的增加，有機(jī)物含量減少，干基發(fā)熱量會(huì)有所下降，但同時(shí)物料中含水量下降，從而濕基的低位發(fā)熱量明顯升高？鄢袡C(jī)物含量減少導(dǎo)致的干基發(fā)熱量損失，則含水率平均每降低一個(gè)百分點(diǎn)，濕基低位發(fā)熱量升高約12kJ／kg。
表2堆肥過程中垃圾發(fā)熱量變化 |
2.4浸出液中NH3-N濃度的變化
不同物料配比的垃圾堆肥過程中浸出液中NH3-N的濃度變化見圖4。
 圖4不同垃圾配比浸出液中NH3-N的濃度變化曲線 |
結(jié)果表明，NH3-N的濃度變化，隨著堆肥天數(shù)的增加，浸出液中NH3-N的濃度先升高后逐漸降低。由此可見，如果對(duì)城市垃圾進(jìn)行堆肥預(yù)處理，再進(jìn)行衛(wèi)生填埋，滲濾液中NH3-N濃度會(huì)降低，可能有助于降低高有機(jī)物含量、高水分城市垃圾特點(diǎn)所造成的衛(wèi)生填埋場(chǎng)垃圾滲濾液處理的難度。
3、結(jié)論
3.1堆肥化過程可以顯著減重和降低垃圾有機(jī)物及含水率。建立的方程（1）可為預(yù)處理工程設(shè)計(jì)提供動(dòng)力學(xué)依據(jù)。
3.2發(fā)酵階段堆肥減量△F主要與揮發(fā)性固體降解率Xvs和水分蒸發(fā)量△W有關(guān)。建立的方程（8）可作為計(jì)算參考。
3.3堆肥化過程提高了垃圾濕基低位發(fā)熱量。
3.4堆肥化過程可以使浸出液中NH3-N的濃度逐漸降低。
3.5 研究表明，通過堆肥化預(yù)處理，一是可以降低含水率，提高低位發(fā)熱量，這將有利于垃圾的物料分選和提高焚燒效率；二是可以減少垃圾質(zhì)量、減小體積，使后續(xù)處理減量化；三是使?jié)B濾液的NH3-N含量降低，從而有可能降低滲濾液處理的難度。因此，合理的堆肥化技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)于我國(guó)高水分、高有機(jī)物含量、低發(fā)熱量的混合垃圾的綜合處理具有顯著的作用，當(dāng)然其應(yīng)用前景還需要進(jìn)行更為深入的技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究。
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