垃圾堆酵过程水分去除及焚烧污染衍生潜力

何品晶,郁 醇,张春燕,王 珂

(1.同济大学 环境科学与工程学院, 上海200092;2.杭州新世纪能源环保工程股份有限公司, 浙江 杭州310007)

焚烧是生活垃圾最有效的减量化方式之一, 能实现生活垃圾的无害化并回收能源[1].我国生活垃圾以易腐有机物为主要组分,含水率高, 热值偏低.所以,在贮坑内进行堆酵预处理是目前我国生活垃圾焚烧厂的普遍实践,可以使其中的水分沥出,从而降低入炉垃圾的含水率,并提高热值[2].张衍国等[3]发现生活垃圾堆酵中90 %的沥滤液在前48 h 内沥出, 沥滤液沥出是生活垃圾热值发生变化的主要原因.然而,现有研究大多没有涉及焚烧厂普遍采用的堆高负载手段对堆酵水分去除的作用, 难以直接指导工程实践;同时, 堆酵伴随着复杂的物质交换过程, 堆酵前后垃圾中与焚烧二次污染相关的污染因子含量也会产生显著变化, 进而会对后续焚烧过程衍生的二次污染产生影响, 此方面的研究亦鲜见报道.

为此, 本文采用模拟负载堆酵实验方法, 研究负载压力对生活垃圾堆酵过程水分去除及污染因子含量的影响, 以期对生活垃圾焚烧厂的堆酵预处理实践提供方法指导.

1 实验材料和方法

1 .1 实验材料

实验所用生活垃圾采自上海市某居民生活区垃圾收集站, 人工破袋后混合均匀待用.生活垃圾的物理组成(湿基质量分数)为食品类81 .1 %、纸类12 .5 %、塑料4 .8 %、其他1 .5 %.其初始含水质量分数(湿基)为74 .1 %.其元素质量分数(干燥无灰基):N 为2 .42 %, C 为41 .40 %, H 为6 .28 %, O 为49 .89 %.

1.2 实验设计

实验装置如图1 所示,为圆柱状不锈钢制容器,高120 cm 、内径40 cm ,外包10 cm 厚的中空棉垫保温,容器底部设10°倾角实心板, 距底部20 cm 设穿孔板(孔径8 mm)隔断, 形成沥滤液收集与导出空间.

图1 实验装置图Fig.1 Experimental equipments

实验共设置4 个工况.将各15 kg(湿基)前述生活垃圾分别装入4 个实验装置中, 垃圾层初始厚度0 .35～0 .40 m ;垃圾填充层上加载混凝土方块以模拟堆高负载压力,工况2 、工况3 和工况4 的加载压力分别为3 .20 ,8 .00,12 .70 kPa ,工况1 不加载作为对照.各工况实验周期均为3 d .

1.3 采样与分析方法

实验过程每12 h 收集1 次沥滤液, 实验前后还通过四分法分别采集600 g 左右固体样品.

固体样品置于70 ℃的恒温箱内干燥48 h 至恒重, 重量法测定其含水率.采用Elementar 元素分析仪(Vario EL Ⅲ, 德国)测定N,C,H,O 的元素含量.低位热值由元素组成计算[4]得出.HNO3/HCl 法消解固体样品后用等离子体发射光谱仪(ICP-optmi a 2001DV,Perkin elmer, 美国)测定重金属含量.可燃C l 和可燃S 的含量测定方法为:于事先预热至850 ℃的管式马弗炉(内径40 mm 、长710 mm)内, 以流量为100 ml ·min-1高纯O2为载气, 将固体样品燃烧30 min,烟气由体积分数为1 %的H2O2水溶液吸收, 利用离子色谱(ICS-1 500,Dionex, 美国)测定其中的Cl 和S含量[5].

2 结果

2 .1 负载压力和时间对堆酵过程生活垃圾水分去除的影响

负载压力与单位生活垃圾堆酵水分去除量的关系如图2a 所示.水分去除量多少排序为工况3(338 ml ·kg-1)、工况2 (251 ml · kg-1)、工况1(204 ml ·kg-1),而工况4(325 ml ·kg-1)低于工况3 、工况1 、工况2 、工况3 、工况4 相应的处理产物最终含水率分别为72 .31 %,67 .70 %,62 .60 %,62 .70 %.各工况下水分去除量的时间分布如图2b 所示.由图可知,水分沥滤去除主要发生于前36 h, 工况1 至4 前36 h 的水分去除量分别占3 d 总去除量的76 .76 %,83 .59 %,91 .38 %和93 .06 %.

图2 各工况单位水分去除情况Fig.2 Water removal during the experiments

2 .2 堆酵对生活垃圾热值及焚烧污染衍生潜力的影响

生活垃圾经堆酵预处理后, 低位热值从原状的1 870 kJ · kg-1上升到2 520 kJ ·kg-1(工况1)、3 300 kJ ·kg-1(工况2)、4 330 kJ ·kg-1(工况3)和3 690 kJ ·kg-1(工况4).可见,热值的提高和水分沥滤总去除率呈正比, 即热值的提高大小次序为工况3 、工况4 、工况2 、工况1 .

生活垃圾焚烧衍生污染主要包括以二噁英为代表的微量有毒有机物、重金属, 以及HCl,SOx,NOx,HF 等酸性气体[1,6].而生活垃圾中可燃Cl 、可燃S和重金属的含量是决定其焚烧衍生污染物生成潜力的对应污染因子.

表1 为堆酵前后生活垃圾中可燃C l、可燃S 和重金属的含量以及堆酵过程污染因子的损失(随沥滤液排出)率.可见, 堆酵提高了生活垃圾中这些物质的含量:堆酵后, 工况1 、工况2 、工况3 和工况4的产物中可燃C l 质量分数分别较堆酵前提高了0 .51 %,1 .74 %,12 .27 %和12 .42 %;可燃S 质量分数分别上升了1 .31 %,3 .09 %, 0 .85 %和3 .47 %;重金属质量浓度分别增加了26 .36 %, 32 .88 %,47 .05 %和42 .13 %.这主要是由于水分的去除及有机物的降解使得生活垃圾中可燃Cl 、可燃S 和重金属发生了“相对浓缩” .而以原状生活垃圾为基准时,堆酵则降低了其中可燃Cl 、可燃S 及重金属的总含量:与堆酵前相比, 堆酵后工况1 、工况2 、工况3 和工况4 的可燃Cl 质量分数分别损失了25 .29 %,26 .33 %, 27 .67 %和25 .38 %;可燃S 质量分数损失了24 .70 %, 25 .35 %, 35 .03 %和31 .32 %;而重金属质量分数损失了6 .07 %,3 .78 %,5 .26 %和5 .67 %.

对于焚烧发电而言,发电量直接与垃圾的热值呈比例关系,则单位发电量的污染释放决定于单位低位热值的生活垃圾中的污染因子含量.因此,可以用单位低位热值的生活垃圾中的可燃Cl、可燃S 和重金属含量(以L值表示,μg ·kJ-1)来评价生活垃圾焚烧发电的环境污染释放潜力.表2 为可燃Cl、可燃S 和重金属的L值.由表2 可见,堆酵显著降低了生活垃圾的L值:相对于堆酵前,堆酵后工况1、工况2 、工况3 和工况4 的生活垃圾中可燃Cl 的L值分别降低了25.58 %,42 .48 %,51 .61 %和43.12%;可燃S 的L值分别减少了25 .00 %,41 .72 %,56.53%和47.65%;而重金属的L值分别降低了6.44%,24.88 %,36 .61 %和28.09 %.因此,堆酵可以显著降低生活垃圾焚烧单位发电量的衍生污染,而且,污染降低水平与水分去除水平呈正相关.

表1 堆酵前后生活垃圾和单位原生生活垃圾中焚烧污染因子的含量与损失率Tab.1 Concentrations of the pollutants in MSW and their removal rates before and after the experiments

表2 堆酵前后单位低位热值生活垃圾中可燃Cl、可燃S 及重金属的L 值Tab.2 L value for combustible Cl, S,and heavy metals in MSW before and after the experiments

3 讨论

3 .1 堆酵除水的负载压力最优值

由图2a 可见,负载压力较低时, 堆酵的水分去除量随着压力的增大而增加, 但超过一定值后,再增大压力反而不利于水分去除.这是因为压力增加,机械挤压作用增强, 使得生活垃圾颗粒结构破坏率上升,颗粒体内水分转化为自由水分, 沥滤去除量趋于增加;但是,压力增加同样也会使堆体压实度增加,孔隙率减小, 增加水分的流出阻力.因此, 堆酵除水的负载压力存在最优值.此值在本研究的实验条件下为8～12 kPa .

3.2 堆酵除水的操作模式

由图2b 可见, 生活垃圾堆酵处理过程的水分去除主要集中在前36 h,而且, 前36 h 的水分去除量占72 h 总去除量的比例随负载压力的提高而增加.而生活垃圾焚烧厂操作实践中, 为充分利用贮坑空间来延长堆酵预处理时间,堆酵的堆体高度普遍大于10 m ,按垃圾的容重测算, 负载压力大于本研究的水平.因此,一次堆高后的发酵处理时间不应大于36 h,如需进一步提高水分去除水平,可在36 h 后倒垛一次进行二次堆酵处理,既可以利用倒垛使堆体内的自由水分充分流出, 还可以重新形成挤压力场,产生并排出更多的自由水分.

4 结论

(1)负载压力可以增强生活垃圾焚烧前堆酵预处理的水分去除, 压力对水分去除的影响呈现非线性特征,超过最优值(本实验中为8 .00 kPa)后, 水分去除率反而降低.

(2)一次堆酵的水分去除主要集中在最初的36 h .因此,一次堆高后的发酵处理时间不应大于36 h ,如需进一步提高水分去除水平,可在36 h 后倒垛一次进行二次堆酵处理.

(3)与原状生活垃圾比较,堆酵产物的可燃Cl ,S和重金属等焚烧污染因子的含量增加, 其增加率与水分去除率正相关;但是,入炉污染物总量和单位低位热值的污染因子含量降低,整体而言,大幅降低了生活垃圾焚烧衍生污染的潜力。

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