城市生活垃圾焚烧前堆酵脱水研究进展*

商 平，李芳然，郝永俊，刘彦博，唐 军

（1.天津科技大学环境科学与工程系，天津 300457；2.大连泰达环保有限公司，辽宁 大连 116023）

城市生活垃圾焚烧前堆酵脱水研究进展*

商 平1，李芳然1，郝永俊2，刘彦博2，唐 军2

（1.天津科技大学环境科学与工程系，天津 300457；2.大连泰达环保有限公司，辽宁 大连 116023）

分析了垃圾含水率及其与低位热值的关系，依据低位热值对垃圾焚烧工艺的影响，概述了垃圾焚烧前堆酵脱水的机理、研究现状，探讨了控制温度和接种微生物在加速堆酵脱水中应用的可行性，并对今后该领域的研究重点提出建议。

城市生活垃圾；垃圾焚烧；热值；含水率；堆酵

1 城市生活垃圾组分及含水率

1.1 城市生活垃圾组分

我国垃圾一般采用混合收集的方法，垃圾的来源和组分都很复杂。各组分含量见表1［1］。

表1 我国城市生活垃圾组分 %

随着城市规模的扩大、城市居民生活质量的提高及燃煤量的减少，垃圾组分含量随之发生变化。垃圾中的无机物含量呈下降趋势；可回收物含量则大幅增长，尤以大中型发达城市增长较快；高含水率的果蔬皮及餐饮有机物含量也呈逐年增长趋势。

1.2 城市生活垃圾含水率

我国城市生活垃圾含水率平均值在50%左右，李晓东等［2］在收集分析我国部分城市生活垃圾调查数据的基础上，得出我国大部分城市生活垃圾含水率为40%～60%。垃圾内不同组分含水率不同，表2为城市生活垃圾中各组分含水率的典型值［3］。

表2 城市生活垃圾不同组分含水率 %

果蔬垃圾在夏秋上市季节，垃圾中有机组分含量较高，含水率也相应增加，芜湖市夏季有机组分含量高达67%以上［4］。天津市4—10月有机物含量基本在60%以上，含水率达60%以上，11月至次年3月基本低于40%［5］。且相关研究［6］表明，有机物果蔬厨余垃圾含量与垃圾含水率呈正相关，并且降水量与含水率相关性不大。

2 垃圾热值及其与垃圾含水率的关系

2.1 垃圾热值的决定因素

影响垃圾热值的主要因素为垃圾可燃物组分、垃圾含水率及垃圾粒径大小。垃圾中各成分干基高位热值平均值从大到小依次为塑料、织物、木材、纸、植物、动物、灰土，金属和玻璃的热值为零［7］，近几年随着我国城市生活垃圾组分发生了变化，特别是废纸、废塑料等组分的增加，垃圾热值也有一定程度升高。

（2）如果下行指令未收到终端响应或下行失败，则需要进行重发，重发三次失败后不再重发，应用侧不修改路灯状态，但提示异常；

目前，我国城市生活垃圾平均低位热值为4 180 kJ/kg。垃圾中有机物果蔬皮、厨余垃圾含

2.2 垃圾热值与含水率的关系

含水率直接影响垃圾热值，垃圾含水率越高，燃烧时水汽化带走的热量越多。按照理论计算，1 kg水汽化需要吸收2 500 kJ左右的热量。垃圾含水率每降低10%焚烧热值就会提高250 kJ/kg，而实际研究表明热值随含水率变化的幅度较理论水平更高。李爱民等［10］对大连经济技术开发区采集的垃圾进行预处理，使其含水率从68.3%降低至46.9%，垃圾的湿基低位热值由3 344 kJ/kg上升至7 123 kJ/kg，并且由低位热值与含水率的关系曲线得出两者存在线性相关关系。

3 低位热值对垃圾焚烧工艺的影响

垃圾焚烧直接受其低位热值的影响，在850～1 100℃的高温下，垃圾中的可燃成分与空气中的氧进行剧烈的化学反应，释放出热量并转化为高温的燃烧气和少量性质稳定的固定残渣［11］。进料垃圾热值不能过低，必须确保其燃烧释放的热量足够将后续垃圾加热至燃点，否则必须附加燃料进行助燃。我国发电价格及补贴相关法规规定，资源再利用焚烧项目中常规能源发热量比例超过20%的混燃发电项目，视同常规能源发电项目，执行当地标杆电价，不享受电价补贴。照此规定，进入焚烧炉的最低低位热值为6 002 kJ/kg，且含水率必须下降到48.5%，对于我国目前平均50%以上的含水率及4 180 kJ/kg的低位热值，垃圾焚烧面临原料热值较低的形势相当严峻。有报道垃圾与煤炭混合热值大于7 000 kJ/kg时，才能实现垃圾的均匀燃烧和热量的有效经济利用［10］，即此时，含水率至少下降至43.3%。

焚烧炉运行过程中，热值降低会引起焚烧炉炉膛烟气量增加，从而使尾部烟道的烟气流速提高，当垃圾热值减少10.71%时烟气量提高12%左右［12］。烟气流速的增加有利于减少尾部受热面管束的积灰现象，强化受热面管束与热烟气间换热强度，但同时增加了灰尘中颗粒对管束的磨损而且增加风机负荷，增大用电率。研究表明［13］，随着热值由7 524 kJ/kg降低到3 344 kJ/kg，锅炉效率由73.19%降至58.62%，机组效率由26.56%降至21.27%，机组输出电量由3 468.98 kW降至1 234.79 kW。

4 堆酵技术降低焚烧垃圾含水率研究

堆酵是我国已运行炉排式垃圾焚烧电厂普遍使用的一项脱水技术，收集后的垃圾运送到焚烧厂后直接倾倒于地坑中，连续堆积数天沥出部分水分，以提高热值。

4.1 堆酵技术机理及应用

堆酵过程同时存在着微生物无氧呼吸及厌氧发酵过程。垃圾沥出的水分包括：①通过重力挤压作用脱除的外部水分；②通过生物对有机物的降解作用沥出的水分和其他液态物质。垃圾堆酵过程同好氧过程相比产能虽然较低，不存在温度高达70℃的升温期，但在厌氧微生物大量增殖的阶段堆酵温度仍会有一定程度升高，从而加速发酵反应，也加速了水分子运动，利于水分脱除。堆酵过程C、H部分汽化后被抽吸至焚烧炉进行助燃，而水分的脱除和高分子有机物向小分子降解使得垃圾热值整体升高；含水率降低是垃圾堆酵提高热值的最主要原因。

4.2 加速堆酵的实验研究

对于加速厌氧堆酵实现短时间内脱除较多水分的研究很少，在加速垃圾降解方面研究较多集中于接种微生物快速好氧堆肥或高温厌氧发酵罐获得生物质气体。好氧堆肥和厌氧罐发酵获得生物气持续时间较长，但与堆酵过程生物反应原理相同或相似，对改进这些技术方面的研究方法和条件结果的分析具有一定借鉴意义。

4.2.1 高温对垃圾腐化过程的影响

控制微生物降解脱水过程中温度作用主要基于2个方面：①高温能够使水的能量增大并且提高自由水与结合水的比例，这样水分更容易与垃圾分离而蒸发或沥出；②在微生物反应过程中，温度是影响微生物生长的主要环境因子，温度升高时细胞内的酶反应和代谢速率加快从而使微生物的生长速率加快，垃圾加速腐化沥出液体。

高温可显著提高微生物活性，生活垃圾高温厌氧消化过程中温度由55℃突降到20℃后，随着低温持续时间延长，产甲烷菌等微生物的衰减上升，产甲烷恢复时间延长［18］。M.W.Peck等［19］研究了中温厌氧消化反应处理牛粪过程中温度波动的影响，结果表明温度降低后的纤维素类物质的降解速度减慢使得产甲烷菌活性也受到影响。吴满昌等［20］研究了含水率90%的生活垃圾55℃高温厌氧发酵过程中生物质能沼气产生量的变化，高温能够缩短发酵启动时间，较快进入正常发酵，并且甲烷产生量高达75.3%。

4.2.2 微生物接种技术加速垃圾腐化研究

城市生活垃圾中有数量巨大的土著微生物种群，一般细菌数量为1014～1016个/kg，而人工加入的特殊菌种对某些有机废物具有较强的分解能力，活性强、繁殖快、分解有机物迅速，可加速垃圾腐化进程，缩短堆酵时间。

微生物接种主要集中在接种高温菌提高好氧反应温度及接种对某些有机物具有较强降解能力的菌种2个方面，实现提高有机物降解速率、加快腐化进程。好氧反应二次发酵中接种常温霉菌，堆肥温度能够提高8～13℃［21］。生活垃圾接种70～80℃高温高效菌剂进行好氧堆肥，堆肥升温速度较快，前8 h温度就升高了37℃［22］，升温期缩短、高温反应期延长，并且随着接种量的增加堆肥中各个时期微生物数量逐渐增加［23］。接种具有特定分解能力的优势组合菌进行发酵实验，垃圾中纤维素、木质素、粗蛋白得到高效降解且发酵温度迅速提高［24］。60℃控制温度下接种高温菌能够促进厌氧产氢阶段高温微生物选择性生长，大大提高垃圾降解产氢速率［25］。向垃圾厌氧发酵反应器中接种牛瘤胃分泌液，垃圾减容量和产气量随接种量增加而增加［26］。研究发现，温度由35℃骤增至55℃对厌氧污泥中嗜温菌并无杀害作用，筛选的高温厌氧菌的接种能够消除垃圾分解初期较长的微生物适应时间［27］。

5 结论

垃圾焚烧前进行堆酵反应能够降低其含水率进而提高垃圾热值，但要达到规定热值还需进一步对该技术进行优化。对加速垃圾堆肥和厌氧发酵产气技术的研究表明提高发酵温度和接种微生物是加快垃圾发酵行之有效的方法，有必要对以下几点进一步研究。

1）高温能够显著提高厌氧发酵脱水效果，但垃圾焚烧厂日处理垃圾量高，对地坑中垃圾进行温度控制成本高、难度大且对已经稳定运行的焚烧厂地坑进行改造不符合实际，应在保持原有地坑结构、能源消耗量最低基础上进行不同方法改进实验研究。

2）至今为止的研究仅对垃圾堆酵前后的含水率进行了测定报道，而一些直接影响地坑中垃圾堆酵效果的参数如pH、C/N、温度至今未有报道，有必要进行合理的调查，在一系列参数数据基础上进行合理的方案设计，如在必要时混合农业废物作为碳源，在提高C/N的同时实现膨胀剂效果。

3）由于垃圾发电厂储存垃圾的地坑较深，厌氧堆酵过程中产生的酸性物质如挥发性脂肪酸、CO2、H2S等不易挥发出来可能导致下层pH较低，抑制产甲烷菌的生长代谢，降低脱水效果并且不能有效地产生可助燃生物质能，可在不影响燃烧的基础上在产酸阶段结束后添加环境矿物材料尝试解决这一问题。

4）目前为止，接种微生物进行加速厌氧发酵研究主要集中于好氧堆肥且高温接种物的选择方面，认为较为困难［28］，根据厌氧堆酵反应原理确定适当的菌种分离有机源及合理的分离时间、分离出不产生生态拮抗性的能够协调共生的组合微生物菌体具有一定的挑战性。

5）含水率较高的有机成分厨余垃圾在国内外逐渐倾向于分类收集处理［29］，垃圾含水率将主要取决于夏秋季节高废弃量的果蔬垃圾，可从这方面着手，利用生物方法加速其腐烂浆化速率进行深入研究。

6）对垃圾焚烧所需最佳热值进行研究，在保证烟气量增加至可清除积灰的基础上实现对锅炉效率、风机负荷影响最低化，同时为焚烧炉的设计提供参数依据。

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Municipal Domestic Waste Fermentation for Dehydrating before Incineration

Shang Ping1,Li Fangran1,Hao Yongjun2,Liu Yanbo2,Tang Jun2
（1.Department of Environmental Science and Engineering,Tianjin University of Science&Technology,Tianjin 300457;2.Dalian TEDA Environmental Protection Co.,Ltd,Dalian Liaoning 116023）

The characteristic of water content,and the relationship between water content and lower heat value of waste were analyzed.According to influences of lower heat value over waste incineration,the mechanism and research status of waste fermentation before incineration were summarized.Then feasibility of controlling temperature and inoculating microorganism for accelerating dehydration in the process of fermentation was discussed.And suggestions about priorities in this field were put forward.

municipal domestic waste；waste incineration；heat value；water content；fermentation

X703

A

1005－8206（2012） 01－0005－04

科技部国家科技支撑计划项目（2012BAC05 B04）；大连市科技计划项目（2011E13SF040）；天津市科技支撑计划重点项目 （08ZCKFSH01600）

2011-12-14量增加导致的含水率增加会对垃圾热值产生直接影响——热值与含水率呈现负相关。垃圾经适当的破碎后粒径减小，可增大垃圾与空气的接触面积，从而使垃圾燃烧更充分。3种决定性因素中焚烧原料、垃圾含水率对燃烧热值的影响极为显著，且焚烧原料显著性稍大于垃圾含水率，破碎粒度对燃烧热值的影响可忽略［8］。张红玉等［9］分析了北京南城区不同粒径生活垃圾的物理组成、含水率和热值的关系，认为含水率和厨余垃圾含量与热值呈极显著负相关，塑料和纸类含量与热值呈显著正相关。

商平（1953—），博士，教授，主要从事环境矿物材料与固废资源化的科研与教学。

E-mail：shangp@tust.edu.cn。

（责任编辑：刘冬梅）