城市生活垃圾制作固体燃料可行性研究*

屈 阳，张进锋，史东晓，钱 超，李晨彬，王风庆

（1.江苏维尔利环保科技股份有限公司，江苏 常州 213125；2.常州市生活废弃物处理中心，江苏 常州 213171）

将高效机械生物处理技术作为预处理技术，并与焚烧、填埋等各专业技术组合使用，是解决我国垃圾处理难题的一种有效工艺。

机械生物处理（Mechanical biological treatment，MBT）技术结合了一系列机械和生物过程，用于处理未分类收集和堆肥的城市生活垃圾。MBT处理垃圾的作用主要包括：增加资源回收率，如促进源头垃圾中的金属、玻璃等可回收组分循环利用等；增加填埋处理垃圾的生物稳定性，限制CH4排放量和渗沥液污染负荷获得生物气用于供热或发电；制成高品质的垃圾衍生燃料（Refused derived fuel，RDF） 等。混合垃圾经过好氧的MBT处理过程，垃圾含水率明显降低，而热值会大幅提高，从而提高焚烧处理垃圾的品质。L.M.Shao等［1］对上海当地采样的混合垃圾使用柱形反应器进行了生物干化试验，经过16 d的反应过程，垃圾VS从82.5%降至68.8%，含水率从73.0%降至 48.3%，LHV增加了157%。笔者采用生物自干燥装置对经过机械生物预处理的生活垃圾进行干燥处理，制作高品质RDF，并对最终成品的焚烧可行性和成分进行了分析。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

1.1.1 机械生物预处理后生活垃圾

本试验的试验材料为经过机械生物预处理后的生活垃圾，即脱水物料，而原始生活垃圾取自常州市生活垃圾填埋场，其指标见表1，其主要成分见表2。

表1 原始生活垃圾基本性质

表2 原始生活垃圾主要成分（湿基） %

机械生物预处理指把原始生活垃圾破碎成30 cm粒径物料，然后进入中温立式水洗搅拌槽保持35℃反应温度条件下进行水解酸化反应，搅拌速度为0.5 r/min，3 d后固相物料由水洗搅拌槽出料螺旋输送进入螺旋压榨机进行脱水处理，脱水后物料即为本次试验原料，其基本性质见表3。

表3 脱水物料基本性质

1.1.2 试验装置

图1为本试验的生物自干燥装置示意，主要部分为鼓风机、进出料口、测温口、取样口、翻堆桨片及臭气收集及监测口等。而上料由小型装载机完成。

图1 生物自干燥装置示意

本试验所用生物自干燥装置为1台封闭式生物产热干燥装置，长5 m，宽2 m。2台鼓风机通过管道与生物自干燥装置下方进气口连接，通过定时定量向反应仓内通入新鲜空气使微生物大量繁殖，逐渐放热，使物料干化，而反应仓内设置的翻堆桨片可以使物料与空气接触均匀，防止部分短流，确保出料品质。

该生物自干燥装置设置取样口、测温口等随时对反应器内物料性质进行跟踪测试。产生的臭气由臭气收集口收集并汇入现场设置的生物喷淋除臭单元处理达标后排放。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计

新鲜生活垃圾经过机械生物预处理并经脱水后的物料堆放留样。控制进料量为800 kg，通过装载机倒入生物自干燥装置进料口中，堆体高度不超过1 m。根据CJJ/T 86—2000城市生活垃圾堆肥处理厂运行、维护及其安全技术规程，每立方米物料取通风量为0．08 m3/min，风机运行时间为开启4 min，停止10 min。随后，开启自动翻堆模式，翻堆桨片运行10 min，停止3 h，转速为0．5 r/min。试验过程中产生的臭气含有氨气等有毒有害气体，通过臭气收集口收集后进入生物喷淋除臭单元处理，达标后排放。鞠茂伟等［2］阐述了机械生物预处理结合焚烧技术，认为混合收集的生活垃圾热值较低，通过机械生物联合预处理可降低垃圾含水率并提高热值，使处理后的垃圾热值提高到6 000 kJ/kg。本试验反应控制时间为7 d，随时监测物料焚烧特性，7 d后物料全部出仓。

共进行3个批次试验，每批次试验为7 d，每天平均取3次样品，取平均值为当天数据。测试指标包括TS、灰分、密度、物料温度、高位热值、低位热值，以及氯、铬、铜、汞元素含量。

1.2.2 分析方法

试验中各测试指标的测定方法参考CJ/T 313—2009生活垃圾采样和分析方法。

2 结果与讨论

2.1 堆体温度的变化

好氧微生物同化作用会放出热量，温度的变化可以直观判断微生物的好氧降解作用，3个批次试验的堆体温度变化见图2。

图2 堆体温度变化

时间为0 d代表初始堆体温度，为40～47℃，这可能是由于物料在进入生物自干燥装置前已经在发生轻微的兼氧降解产热反应。堆体在生物自干燥装置内2～3 d温度迅速升高到73℃，随后温度逐渐降低到53～62℃。堆体在2～3 d内经历了从中温降解到高温降解的过程，且中温过程较短，直到反应7 d后，堆体温度仍在50℃以上。在高温阶段，中温微生物逐渐被嗜热微生物替代，同时一些复杂有机物如半纤维素等也开始被分解［3］。

一般认为，垃圾好氧生物反应过程中物料含氧量应保持在5%～15%［4］。通风量过低，导致含氧量＜5%时，出现明显的厌氧特征，好氧反应无法进行；通风量过高，导致含氧量＞15%时，造成过多的生物反应热散失。由图2可发现设计的通风量满足好氧微生物的需求，堆体温度上升较快。

2.2 TS的变化

物料堆体自身温度的升高会蒸发部分自由水，好氧微生物的同化作用也会利用部分水分，再加上持续的通风作用，堆体的水分不断散失，TS相应逐渐增高，见图3。

图3 堆体TS变化

由图3可知，堆体的TS在7 d内持续增加。反应3 d后，最大值可达到83%，而7 d后，最大值可达87%。试验结束，堆体的温度仍高于环境温度，所以可以认为生物自干化作用在7 d反应期内仍然没有结束。因此，可以预测随着时间延长，生物自干化作用仍然在进行。然而，持续的反应最多可以使含水率降低1%～5%，同时需要更长的时间和足够的场地，因此没有必要继续进行。

2.3 RDF产率及特性

经过7 d生物自干化作用以后，出料即可被认为是RDF。相比较于原始生活垃圾，减少的部分主要是由于水分及有机物降解减量所致。

通过3个批次的试验比较发现，RDF产率变化不大，分别为42%、37%和41%，平均1 t原始城市生活垃圾可以产出RDF400 kg。RDF含水率为14%左右，可以推算1 t原始生活垃圾可以产出干燥燃料344 kg。

由表2可以看出，新鲜城市生活垃圾中25%为塑料，而几乎所有塑料都可以留在RDF中，只有极少量残留在机械生物预处理过程中。因此，可以推测产出的RDF最高含有62.5%的塑料（25%塑料，40%产率），RDF中含有23%左右的其他难降解有机物、金属、玻璃及砂石等材料。第1批次和第2批次RDF基本性质见表4。

表4 RDF基本性质

在进入生物自干燥装置之前的脱水物料低位热值LCV均值为20 470 kJ/kg，灰分低于25%。生物自干燥以后RDF的LCV为15 198 kJ/kg，这是由于在生物自干燥过程中生物降解作用仍在发生。高热量的有机物，如碳水化合物、脂肪、脂肪酸和蛋白质在类似堆肥化的过程中被降解。灰分均值从之前的22.8%升高到36.9%可以间接证明这一点。RDF中氯元素含量低于0.5%，是很好的固体燃料。重金属的含量也在可以接受的范围内。

3 结论

1）经过机械生物预处理的生活垃圾每立方米通风量为0.08 m3/min是可行的，物料温度在2～3 d内升高到70℃以上，随后温度在4 d内逐渐降低到53～62℃。

2） 堆体TS逐渐升高，3 d可达到83%，7 d后可以达到87%。

3） 平均1 t原始城市生活垃圾可以产出RDF 400 kg。

4）RDF塑料含量为62.5%，平均低位热值为15 198 kJ/kg，灰分为36.9%，氯元素含量低于0.5%，而且重金属含量也在可以接受的范围内。

5） 对于生活垃圾，7 d的生物自干燥可以成为RDF制作的参考时间。

［1］Shao L M，Ma Z H，Zhang H，et al.Bio-drying and size sorting of municipal solid waste with high water content for improving energy recovery［J］.Waste Manage，2010，30 （7）：1165-1170.

［2］鞠茂伟，李爱民，马蒸钊.城市生活垃圾机械生物预处理技术研究进展［J］.化工进展，2010，29（S1）：543-547.

［3］Eklind Y，Beck-Friis B，Bengtsson S，et al．Chemical characterization of source-separated organic household waste［J］．Swedish J Agric Res，1997，27：167-178．

［4］杨毓峰，薛澄泽，唐新保，等.畜禽废弃物的强制通风静态堆肥化处理及其生物学效应［J］.农业环境保护，2000，19（4）：209-212.