生物预处理过程中有机质与水分对垃圾热值影响研究*

杨 列，陈朱蕾，唐素琴，龙思杰，胡骏嵩

（1.武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北 武汉 430070；2.华中科技大学环境科学与工程学院，湖北 武汉430074；3.杭州市环境集团有限公司，浙江 杭州 310022；4.中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北 武汉 430010）

我国生活垃圾目前仍为混合收集、运输与处理，具有成分复杂、热值较低、含水率较高的问题，加大了垃圾焚烧处理难度。生活垃圾生物预处理在我国已有一定的应用基础。如宜昌黄家湾已建成了预处理生产线，并形成了一定的效益［1-2］。垃圾在焚烧处理前进行预处理可以降低垃圾水分，有利于后续焚烧处理过程中减少化石燃料使用和改善焚烧工况。在生物预处理过程中，由于微生物积极活动的结果，从堆积到腐熟，堆肥中的有机物质发生复杂的变化，C/N逐渐降低，物料的特性也发生改变［3］。为了解短期生物预处理的效果，进行生物预处理模拟研究，从实验室人工配制垃圾作为研究对象，利用常规的方法测试垃圾含水率、减量的变化；研究有机物、水分变化对热值的影响，探索热值与有机质、水分的相关性，有利于提高我国垃圾焚烧处理的效率。

1 材料与方法

1.1 预处理模拟实验

生活垃圾取自华中科技大学喻园教师小区，经过人工破碎混匀作为试验样品，其组分见表1。

表1 模拟实验垃圾组分 %

采用自制柱型铁网框进行实验，铁框高约30 cm，直径约20 cm，每框装垃圾约1 500 g。铁网框放置在实验室窗户附近通风处进行实验。主要研究经过短期好氧生物预处理后生活垃圾特性的变化情况，每天监测含水率、挥发分、质量、温度等，测定方法参考CJ/T 313—2009城市生活垃圾采样和物理分析方法。实验同时做3组平行样，取平均值，共进行了2批次实验。

1.2 热值变化分析实验

精确配制不同有机垃圾含量、含水率的样品测定热值，热值测定方法参考CJ/T 313—2009。采用自动量热仪测定热值，在测定时进样量一般为1 g左右。为简化测定将金属、玻璃、砖瓦、陶瓷等难燃物的低位热值视为零，略去不计。

第1组实验：混合垃圾样品组分为干燥的厨余垃圾、树叶、织物、纸张、煤渣灰土、塑料，样品1的各组分比例同表1，样品2～6中，改变厨余垃圾的加入量，使其所占的比例以5%的量递减，树叶、织物、纸张、煤渣灰土、塑料加入的质量不变。同时做2组平行样，取平均值。

第2组实验：混合垃圾样品组分为干燥的厨余垃圾、树叶、织物、纸张、煤渣灰土、塑料，各组分的比例同表1，样品1～5加入不同量的水，使有一定的含水率梯度。同时做2组平行样，取平均值。

2 结果与分析

2.1 预处理模拟实验对温度、水分、挥发分和质量的影响

经过8 d的堆置，生活垃圾中的易腐性垃圾在微生物的作用下被降解，垃圾的温度、水分、挥发分和质量等指标都发生了变化，见图1～4。

图1 生物预处理过程中垃圾堆体温度变化

图2 生物预处理过程中垃圾含水率变化

图3 生物预处理过程中垃圾挥发分变化

图4 生物预处理过程中垃圾质量变化

固体废物的好氧降解可以用以下公式［4］表示：

垃圾有机物含量是垃圾的重要特征值之一，垃圾中有机物含量一般以垃圾在600℃下的灼烧减量作为指标，它是垃圾中有机物的一个合理近似值，又称为挥发性固体或挥发分。在本实验中，用挥发分来表示垃圾中有机物的含量，从图3可看出，垃圾的挥发分有明显的下降趋势，这说明垃圾中的有机物被微生物利用了。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。由于垃圾堆体的体积较小，易腐性垃圾降解过程中产生的热量有限，堆体的温度升高较少，远远没有达到55℃，所以垃圾中的病原菌无法被有效杀灭。但是在模拟实验中垃圾的水分、挥发分和质量有明显的下降，经过8 d的好氧生物预处理，水分减少了约10%，挥发分减少了约30%，垃圾减量约30%，垃圾堆体高度有明显下降。可见通过好氧生物预处理可以有效地对垃圾减容减量，降低水分和挥发分（有机物）的含量。

2.2 混合垃圾热值随有机垃圾含量变化分析

通过设置有机垃圾的含量梯度分析混合垃圾热值变化。本实验采用自动量热仪测定各个样品的高位热值，对混合垃圾热值和有机垃圾含量作图，见图5。

图5 混合垃圾热值随有机垃圾含量变化

对混合垃圾热值与有机垃圾含量进行了Pear-son相关性分析显示，混合垃圾热值与有机垃圾含量呈正相关（r=0．964，n=6）。有机垃圾主要是由含碳化合物、碳氢化合物及其衍生物组成，多数有机化合物主要含有碳、氢2种元素，此外也常含有氧、氮、硫、卤素、磷等，有机化合物除少数以外，一般都能燃烧，燃点较低，一般不超过400℃。由此可见，有机垃圾是垃圾热值的重要来源，有机垃圾含量越高，热值也越高。一些研究人员也有类似的发现，如：刘晓红等［5］通过对杨凌不同功能区10个采样点的生活垃圾进行热值分析，发现不同采样点垃圾热值的变化主要取决于垃圾中的塑料和可腐有机物含量的变化，塑料和可腐有机物含量决定了湿基低位热值的高低，也是杨凌生活垃圾的主要热值来源；李华等［6］实验研究发现生活垃圾堆酵5 d后，低位热值＞4 600 kJ/kg，可直接焚烧，因为通过堆酵，垃圾中所含部分水分以渗沥液形式渗出，垃圾中的有机物含量相对提高，同时由于在堆酵过程中所发生的生物反应，垃圾中的一部分有机质发生转化，这些变化的综合结果使得垃圾低位热值大幅度提高。对图5的有机物含量-热值曲线进行线性拟合，得到回归方程y=6 077+94．19x（R2=0．911 7），有机垃圾含量每增加10%，热值就约增加941．9 kJ/kg。

2.3 混合垃圾热值随含水率变化分析

混合垃圾热值和含水率的关系见图6。

图6 混合垃圾热值随含水率变化

对混合垃圾热值与含水率进行了Pearson相关性分析显示，混合垃圾热值与含水率呈负相关（r=-0．865，n=5）。刘晓红等［5］通过对杨凌不同功能区10个采样点的生活垃圾进行热值分析，发现水分对垃圾热值有负的贡献率；鞠茂伟［7］研究了机械生物处理对大连市区生活垃圾处理的效果，结果表明，垃圾含水率从61．2%降至11．3%，低位热值显著提高。国外有学者报道：废物的水分（废物中含量为10%～66%） 对废物的热值有重要的影响，干的生活垃圾的热值约是16．2 MJ/kg，含水率每增加10%，垃圾的热值就会减少1．67 MJ/kg；含水率的变化对热值的影响可以估算为（16．2-1．67x）MJ/kg，x是水分的质量分数。物料的平均水分与物料的类型有关。食品废物的水分大约是70%，而塑料和皮革的水分大约是2%。在本研究中，对图6的混合垃圾含水率-热值曲线进行线性拟合，得到回归方程y=16 411-162．70x（R2=0．864 7），含水率每增加10%，混合垃圾热值就减少约1 627 kJ/kg。

3 结论

1）对生活垃圾的生物预处理模拟研究结果表明，通过生物预处理，垃圾含水率降低，垃圾的有机物含量也逐渐下降；在同样的处理时间里，垃圾的水分减少了约10%，而垃圾的有机物含量减少了约30%。

2）提高混合垃圾的热值可以通过增加有机垃圾的含量或者降低水分含量来实现。混合垃圾热值与有机垃圾含量呈正相关（r=0．964，n=6），有机垃圾含量每增加10%，热值就增加约941．9 kJ/kg；混合垃圾热值与与含水率呈负相关（r=-0．865，n=5），含水率每增加10%，混合垃圾热值就减少约1 627 kJ/kg。

3）经过生物预处理之后，混合垃圾的热值减少约1 198．7 kJ/kg，要提高混合垃圾的热值，生物预处理建议主要以水分去除为主，减缓有机物降解，采用短期的通风干燥，即生物干化处理。

［1］杨列，刘婷，陈思，等．生活垃圾机械-生物预处理工艺优化［J］．环境工程，2011，29 （6）：89-93．

［2］杨列，刘婷，谢文刚，等．生活垃圾预处理后续堆肥化通风方式优化研究［J］．环境工程，2012，30 （1）：74-78．

［3］陈朱蕾，黎小保，周磊，等．堆肥化技术对生活垃圾预处理效果的研究［J］．环境卫生工程，2004，12 （1）：11-13．

［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］．J Air Waste Manage，2007，57：39-46．

［5］刘晓红，张增强，胡京利，等．城市生活垃圾热值测定分析［J］．延安大学学报：自然科学版，2004，23 （3）：48-51．

［6］李华，赵由才，王罗春．垃圾堆酵对焚烧厂垃圾热值的影响［J］．上海环境科学，2000，19（2）：89-91．

［7］鞠茂伟．混合垃圾机械生物预处理燃烧和填埋特性研究［D］．大连：大连理工大学，2012．