城市生活垃圾焚燒前堆酵脫水研究進展*

商 平，李芳然，郝永俊，劉彥博，唐 軍

（1.天津科技大學環境科學與工程系，天津 300457；2.大連泰達環保有限公司，遼寧 大連 116023）

城市生活垃圾焚燒前堆酵脫水研究進展*

商 平1，李芳然1，郝永俊2，劉彥博2，唐 軍2

（1.天津科技大學環境科學與工程系，天津 300457；2.大連泰達環保有限公司，遼寧 大連 116023）

分析了垃圾含水率及其與低位熱值的關系，依據低位熱值對垃圾焚燒工藝的影響，概述了垃圾焚燒前堆酵脫水的機理、研究現狀，探討了控制溫度和接種微生物在加速堆酵脫水中應用的可行性，并對今后該領域的研究重點提出建議。

城市生活垃圾；垃圾焚燒；熱值；含水率；堆酵

1 城市生活垃圾組分及含水率

1.1 城市生活垃圾組分

我國垃圾一般采用混合收集的方法，垃圾的來源和組分都很復雜。各組分含量見表1［1］。

表1 我國城市生活垃圾組分 %

隨著城市規模的擴大、城市居民生活質量的提高及燃煤量的減少，垃圾組分含量隨之發生變化。垃圾中的無機物含量呈下降趨勢；可回收物含量則大幅增長，尤以大中型發達城市增長較快；高含水率的果蔬皮及餐飲有機物含量也呈逐年增長趨勢。

1.2 城市生活垃圾含水率

我國城市生活垃圾含水率平均值在50%左右，李曉東等［2］在收集分析我國部分城市生活垃圾調查數據的基礎上，得出我國大部分城市生活垃圾含水率為40%～60%。垃圾內不同組分含水率不同，表2為城市生活垃圾中各組分含水率的典型值［3］。

表2 城市生活垃圾不同組分含水率 %

果蔬垃圾在夏秋上市季節，垃圾中有機組分含量較高，含水率也相應增加，蕪湖市夏季有機組分含量高達67%以上［4］。天津市4—10月有機物含量基本在60%以上，含水率達60%以上，11月至次年3月基本低于40%［5］。且相關研究［6］表明，有機物果蔬廚余垃圾含量與垃圾含水率呈正相關，并且降水量與含水率相關性不大。

2 垃圾熱值及其與垃圾含水率的關系

2.1 垃圾熱值的決定因素

影響垃圾熱值的主要因素為垃圾可燃物組分、垃圾含水率及垃圾粒徑大小。垃圾中各成分干基高位熱值平均值從大到小依次為塑料、織物、木材、紙、植物、動物、灰土，金屬和玻璃的熱值為零［7］，近幾年隨著我國城市生活垃圾組分發生了變化，特別是廢紙、廢塑料等組分的增加，垃圾熱值也有一定程度升高。

（2）如果下行指令未收到終端響應或下行失敗，則需要進行重發，重發三次失敗后不再重發，應用側不修改路燈狀態，但提示異常；

目前，我國城市生活垃圾平均低位熱值為4 180 kJ/kg。垃圾中有機物果蔬皮、廚余垃圾含

2.2 垃圾熱值與含水率的關系

含水率直接影響垃圾熱值，垃圾含水率越高，燃燒時水汽化帶走的熱量越多。按照理論計算，1 kg水汽化需要吸收2 500 kJ左右的熱量。垃圾含水率每降低10%焚燒熱值就會提高250 kJ/kg，而實際研究表明熱值隨含水率變化的幅度較理論水平更高。李愛民等［10］對大連經濟技術開發區采集的垃圾進行預處理，使其含水率從68.3%降低至46.9%，垃圾的濕基低位熱值由3 344 kJ/kg上升至7 123 kJ/kg，并且由低位熱值與含水率的關系曲線得出兩者存在線性相關關系。

3 低位熱值對垃圾焚燒工藝的影響

垃圾焚燒直接受其低位熱值的影響，在850～1 100℃的高溫下，垃圾中的可燃成分與空氣中的氧進行劇烈的化學反應，釋放出熱量并轉化為高溫的燃燒氣和少量性質穩定的固定殘渣［11］。進料垃圾熱值不能過低，必須確保其燃燒釋放的熱量足夠將后續垃圾加熱至燃點，否則必須附加燃料進行助燃。我國發電價格及補貼相關法規規定，資源再利用焚燒項目中常規能源發熱量比例超過20%的混燃發電項目，視同常規能源發電項目，執行當地標桿電價，不享受電價補貼。照此規定，進入焚燒爐的最低低位熱值為6 002 kJ/kg，且含水率必須下降到48.5%，對于我國目前平均50%以上的含水率及4 180 kJ/kg的低位熱值，垃圾焚燒面臨原料熱值較低的形勢相當嚴峻。有報道垃圾與煤炭混合熱值大于7 000 kJ/kg時，才能實現垃圾的均勻燃燒和熱量的有效經濟利用［10］，即此時，含水率至少下降至43.3%。

焚燒爐運行過程中，熱值降低會引起焚燒爐爐膛煙氣量增加，從而使尾部煙道的煙氣流速提高，當垃圾熱值減少10.71%時煙氣量提高12%左右［12］。煙氣流速的增加有利于減少尾部受熱面管束的積灰現象，強化受熱面管束與熱煙氣間換熱強度，但同時增加了灰塵中顆粒對管束的磨損而且增加風機負荷，增大用電率。研究表明［13］，隨著熱值由7 524 kJ/kg降低到3 344 kJ/kg，鍋爐效率由73.19%降至58.62%，機組效率由26.56%降至21.27%，機組輸出電量由3 468.98 kW降至1 234.79 kW。

4 堆酵技術降低焚燒垃圾含水率研究

堆酵是我國已運行爐排式垃圾焚燒電廠普遍使用的一項脫水技術，收集后的垃圾運送到焚燒廠后直接傾倒于地坑中，連續堆積數天瀝出部分水分，以提高熱值。

4.1 堆酵技術機理及應用

堆酵過程同時存在著微生物無氧呼吸及厭氧發酵過程。垃圾瀝出的水分包括：①通過重力擠壓作用脫除的外部水分；②通過生物對有機物的降解作用瀝出的水分和其他液態物質。垃圾堆酵過程同好氧過程相比產能雖然較低，不存在溫度高達70℃的升溫期，但在厭氧微生物大量增殖的階段堆酵溫度仍會有一定程度升高，從而加速發酵反應，也加速了水分子運動，利于水分脫除。堆酵過程C、H部分汽化后被抽吸至焚燒爐進行助燃，而水分的脫除和高分子有機物向小分子降解使得垃圾熱值整體升高；含水率降低是垃圾堆酵提高熱值的最主要原因。

4.2 加速堆酵的實驗研究

對于加速厭氧堆酵實現短時間內脫除較多水分的研究很少，在加速垃圾降解方面研究較多集中于接種微生物快速好氧堆肥或高溫厭氧發酵罐獲得生物質氣體。好氧堆肥和厭氧罐發酵獲得生物氣持續時間較長，但與堆酵過程生物反應原理相同或相似，對改進這些技術方面的研究方法和條件結果的分析具有一定借鑒意義。

4.2.1 高溫對垃圾腐化過程的影響

控制微生物降解脫水過程中溫度作用主要基于2個方面：①高溫能夠使水的能量增大并且提高自由水與結合水的比例，這樣水分更容易與垃圾分離而蒸發或瀝出；②在微生物反應過程中，溫度是影響微生物生長的主要環境因子，溫度升高時細胞內的酶反應和代謝速率加快從而使微生物的生長速率加快，垃圾加速腐化瀝出液體。

高溫可顯著提高微生物活性，生活垃圾高溫厭氧消化過程中溫度由55℃突降到20℃后，隨著低溫持續時間延長，產甲烷菌等微生物的衰減上升，產甲烷恢復時間延長［18］。M.W.Peck等［19］研究了中溫厭氧消化反應處理牛糞過程中溫度波動的影響，結果表明溫度降低后的纖維素類物質的降解速度減慢使得產甲烷菌活性也受到影響。吳滿昌等［20］研究了含水率90%的生活垃圾55℃高溫厭氧發酵過程中生物質能沼氣產生量的變化，高溫能夠縮短發酵啟動時間，較快進入正常發酵，并且甲烷產生量高達75.3%。

4.2.2 微生物接種技術加速垃圾腐化研究

城市生活垃圾中有數量巨大的土著微生物種群，一般細菌數量為1014～1016個/kg，而人工加入的特殊菌種對某些有機廢物具有較強的分解能力，活性強、繁殖快、分解有機物迅速，可加速垃圾腐化進程，縮短堆酵時間。

微生物接種主要集中在接種高溫菌提高好氧反應溫度及接種對某些有機物具有較強降解能力的菌種2個方面，實現提高有機物降解速率、加快腐化進程。好氧反應二次發酵中接種常溫霉菌，堆肥溫度能夠提高8～13℃［21］。生活垃圾接種70～80℃高溫高效菌劑進行好氧堆肥，堆肥升溫速度較快，前8 h溫度就升高了37℃［22］，升溫期縮短、高溫反應期延長，并且隨著接種量的增加堆肥中各個時期微生物數量逐漸增加［23］。接種具有特定分解能力的優勢組合菌進行發酵實驗，垃圾中纖維素、木質素、粗蛋白得到高效降解且發酵溫度迅速提高［24］。60℃控制溫度下接種高溫菌能夠促進厭氧產氫階段高溫微生物選擇性生長，大大提高垃圾降解產氫速率［25］。向垃圾厭氧發酵反應器中接種牛瘤胃分泌液，垃圾減容量和產氣量隨接種量增加而增加［26］。研究發現，溫度由35℃驟增至55℃對厭氧污泥中嗜溫菌并無殺害作用，篩選的高溫厭氧菌的接種能夠消除垃圾分解初期較長的微生物適應時間［27］。

5 結論

垃圾焚燒前進行堆酵反應能夠降低其含水率進而提高垃圾熱值，但要達到規定熱值還需進一步對該技術進行優化。對加速垃圾堆肥和厭氧發酵產氣技術的研究表明提高發酵溫度和接種微生物是加快垃圾發酵行之有效的方法，有必要對以下幾點進一步研究。

1）高溫能夠顯著提高厭氧發酵脫水效果，但垃圾焚燒廠日處理垃圾量高，對地坑中垃圾進行溫度控制成本高、難度大且對已經穩定運行的焚燒廠地坑進行改造不符合實際，應在保持原有地坑結構、能源消耗量最低基礎上進行不同方法改進實驗研究。

2）至今為止的研究僅對垃圾堆酵前后的含水率進行了測定報道，而一些直接影響地坑中垃圾堆酵效果的參數如pH、C/N、溫度至今未有報道，有必要進行合理的調查，在一系列參數數據基礎上進行合理的方案設計，如在必要時混合農業廢物作為碳源，在提高C/N的同時實現膨脹劑效果。

3）由于垃圾發電廠儲存垃圾的地坑較深，厭氧堆酵過程中產生的酸性物質如揮發性脂肪酸、CO2、H2S等不易揮發出來可能導致下層pH較低，抑制產甲烷菌的生長代謝，降低脫水效果并且不能有效地產生可助燃生物質能，可在不影響燃燒的基礎上在產酸階段結束后添加環境礦物材料嘗試解決這一問題。

4）目前為止，接種微生物進行加速厭氧發酵研究主要集中于好氧堆肥且高溫接種物的選擇方面，認為較為困難［28］，根據厭氧堆酵反應原理確定適當的菌種分離有機源及合理的分離時間、分離出不產生生態拮抗性的能夠協調共生的組合微生物菌體具有一定的挑戰性。

5）含水率較高的有機成分廚余垃圾在國內外逐漸傾向于分類收集處理［29］，垃圾含水率將主要取決于夏秋季節高廢棄量的果蔬垃圾，可從這方面著手，利用生物方法加速其腐爛漿化速率進行深入研究。

6）對垃圾焚燒所需最佳熱值進行研究，在保證煙氣量增加至可清除積灰的基礎上實現對鍋爐效率、風機負荷影響最低化，同時為焚燒爐的設計提供參數依據。

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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

科技部國家科技支撐計劃項目（2012BAC05 B04）；大連市科技計劃項目（2011E13SF040）；天津市科技支撐計劃重點項目 （08ZCKFSH01600）

2011-12-14量增加導致的含水率增加會對垃圾熱值產生直接影響——熱值與含水率呈現負相關。垃圾經適當的破碎后粒徑減小，可增大垃圾與空氣的接觸面積，從而使垃圾燃燒更充分。3種決定性因素中焚燒原料、垃圾含水率對燃燒熱值的影響極為顯著，且焚燒原料顯著性稍大于垃圾含水率，破碎粒度對燃燒熱值的影響可忽略［8］。張紅玉等［9］分析了北京南城區不同粒徑生活垃圾的物理組成、含水率和熱值的關系，認為含水率和廚余垃圾含量與熱值呈極顯著負相關，塑料和紙類含量與熱值呈顯著正相關。

商平（1953—），博士，教授，主要從事環境礦物材料與固廢資源化的科研與教學。

E-mail：shangp@tust.edu.cn。

（責任編輯：劉冬梅）