反硝化法垃圾生物干化及煙氣脫硝的試驗分析

陳　峰，胡勇有，陳　丹

（1.華南理工大學環保與能源學院，廣東廣州510640；2.泓天（大連）環境科技發展有限公司，遼寧大連116023）

反硝化法垃圾生物干化及煙氣脫硝的試驗分析

陳峰1，胡勇有1，陳丹2

（1.華南理工大學環保與能源學院，廣東廣州510640；2.泓天（大連）環境科技發展有限公司，遼寧大連116023）

對生活垃圾添加反硝化菌并通入降溫后的垃圾焚燒煙氣，利用垃圾中的有機質作為電子供體進行反硝化試驗。工程試驗結果表明，垃圾干化后含水率由原來的60%降低至25%；NOx最高排放濃度是222 mg/m3，優于GB 13271—2014。利用生活垃圾的生物反硝化過程進行垃圾干化及煙氣脫硝是一種“以廢治廢”的環保處理方式。

反硝化法；垃圾生物干化；煙氣脫硝

與熱干化不同，垃圾生物干化技術無需消耗外界熱能，而利用垃圾中可生物降解的有機物好氧分解釋放的熱量，使得垃圾中水分汽化，通過強制通風對流，將汽化后的水蒸氣帶出［1］。這種方式既不消耗外界熱能，又提高垃圾低位熱值［2］；還能使可生物降解有機物部分穩定化［3-4］，減少后續處理過程污染物產生潛力，是一種節能環保的垃圾干化預處理方式。筆者采用的反硝化法垃圾生物干化處理技術，同樣屬于垃圾生物干化處理方式，與好氧生物干化的差別是反硝化過程是在缺氧環境中實現的。在生活垃圾中添加反硝化菌，利用通風系統引入垃圾焚燒廠（或電廠）所排放的煙氣（需降溫處理），煙氣中含有大量的氮氧化物（NOx），反硝化菌利用垃圾中的有機質提供電子供體，將煙氣中的氮氧化物（NOx）還原為氮氣（N2），同時釋放出大量的熱；這部分熱量以及煙氣本身的熱量將垃圾中的水分汽化為水蒸氣后由通風系統排出倉外，垃圾中的水分在此過程中逐漸降低達到干化目的。在反硝化過程中，既去除了垃圾的水分，又實現了焚燒煙氣的生化脫硝處理，是一種“以廢制廢”的新型垃圾處理技術。經預處理后的垃圾體量大幅降低，焚燒量減少，同時垃圾燃燒熱值大幅上升，燃料添加量減少，提升了垃圾焚燒的處理效率，從而形成良性循環的垃圾處理模式。

1　材料與方法

1.1試驗基本情況

采用山東省德州市平原縣約4.5t高含水率未經分揀的混合生活垃圾進行高溫反硝化生物干化試驗。經山東省污泥工程技術研究中心測試，該批垃圾含水率約為58.79%，有機物約為34.6%，熱值約為6 521 kJ/kg，密度約為500 kg/m3，粗破碎后粒徑約5.25 cm。試驗過程中，用于產生煙氣所燃燒的垃圾是采用上述生活垃圾進行生物干化后制成的垃圾衍生燃料（RDF），其含水率為20.47%，熱值為13 376 kJ/kg。

1.2試驗設備與裝置

1）試驗設備主要有垃圾反硝化生物干化倉、鍋爐、煙氣降溫設備、鼓風機、引風機、生物除臭設備、風管及球閥等；主要的檢測設備是氣體組分測試儀。

2）本試驗裝置如圖1所示，其中高溫反硝化生物干化倉主要由外倉、內倉、倉蓋和倉底構成的高為3 m的圓柱形容器，外倉直徑2 m，由玻璃鋼構成的圓柱形，內倉直徑1.9 m，由多孔板構成的圓柱形。內外倉的間隙構成送風通道，外倉下部設通風口，通過送風管道與鼓風機的出風口連接。倉蓋中心設有排風口，通過排風管道與引風機的進風口連接。在送風管道、排風管道和煙道上分別裝有閥門以調節風量。

圖1　試驗裝置示意

1.3試驗過程

①將反硝化專性微生物菌種與粗破碎后的垃圾混合后裝入高溫反硝化生物干化倉內，并做好倉蓋密封；②開啟送風管道、煙道的閥門及鼓風機，同時引燃鍋爐內的燃料——垃圾衍生燃料（RDF）。鍋爐煙氣經過降溫設備換熱后，溫度降至（100±5）℃，由鼓風機送入高溫反硝化生物干化倉的送風通道內，再經內倉的多孔板均勻地進入垃圾堆體內參與高溫反硝化生物干化過程；③同時開啟排風管道的閥門及排風機，倉內的煙氣（經脫硝后，含有大量水蒸氣）由排風機送入生物除臭設備進行除臭后排出。

1.4測試過程

①試驗是在倉體密封條件下進行的，試驗前后通過專業機構檢測試驗用垃圾的物理性質；②試驗采用的氣體組分測試儀可自動記錄數據至存儲卡，通過專用軟件讀取數據并轉換為電子表格，試驗共測試3組數據，分別是在反硝化法垃圾生物干化的初期、中期和末期，且均是在氣體組分達到穩定后測試25～30 min，設定為30 s記錄1次。

2　試驗結果及分析

2.1高溫反硝化生物干化結果及分析

經過高溫反硝化生物干化后，垃圾的含水率從58.79%降至近20.47%，垃圾質量減少了約50%，減量化明顯。從試驗結果來看，將高溫反硝化生物干化技術作為一種垃圾預處理過程是可行的。

2.2低位熱值結果及分析

垃圾原低位熱值6 521 kJ/kg；經反硝化生物干化后，垃圾低位熱值為13 376 kJ/kg，燃燒過程較垃圾直接焚燒更易于引燃，燃燒也更完全，更穩定，灰渣細膩，見圖2～3。

圖2　垃圾燃燒

圖3　燃燒后灰渣

2.3煙氣脫硝試驗結果及分析

煙氣脫硝前后氮氧化物（NOx）濃度的變化見圖4～6。

圖4　反硝化法垃圾生物干化初期煙氣脫硝變化曲線

圖5　反硝化法垃圾生物干化中期煙氣脫硝變化曲線

圖6　反硝化法垃圾生物干化末期煙氣脫硝變化曲線

反硝化法垃圾生物干化初期及中期階段煙氣脫硝效果穩定且明顯，但干化末期脫硝效果明顯下降，說明此階段垃圾中的有機質含量降低，反硝化過程逐漸減弱，因此脫硝后的煙氣中氮氧化物（NOx）濃度較前2個階段增加，但仍遠遠低于GB 13271—2014鍋爐大氣污染物排放標準的要求（400mg/m3）。

3　討論

3.1垃圾高溫反硝化生物干化及煙氣脫硝原理

反硝化過程的還原步驟是從硝酸鹽（NO3-）到亞硝酸鹽（NO2-）、一氧化氮（NO）和氮氣（N2）。每個半反應以及催化酶見式（1）～（4）：

將垃圾焚燒后所排放的煙氣降至適合的溫度后，送入摻混了反硝化菌的生活垃圾反硝化生物干化倉內，反硝化菌利用垃圾中的有機物提供的電子供體將煙氣中的硝酸鹽（NO3-）、亞硝酸鹽（NO2-）等還原為氮氣（N2），并釋放出熱量。由于1 mol葡萄糖（C6H12O6）徹底還原后能釋放出1 756.6 kJ的熱量［5］，干化倉內垃圾中的水分利用煙氣攜帶的熱量和反硝化反應中釋放出的熱量汽化為水蒸氣后被排出，達到垃圾干化的目的。在1個反硝化過程中，同時實現了垃圾生物干化及煙氣脫硝。

3.2反硝化法垃圾生物干化及煙氣脫硝技術的適用性

1）在高溫反硝化生物干化過程中，垃圾中的有機質在硝酸根的作用下最終產物為CO2、H2O和N2，而過低的電子供體濃度或者過高的濃度會導致反硝化過程中間產物的積累NO2-、NO和N2O［6］，但干化倉內沒有厭氧環境，厭氧菌群的生長繁殖受到有效抑制，不會產生硫化氧、甲硫醇等惡臭氣體，因此工作環境會得到根本改善。

2）從脫硝煙氣的試驗結果上看，利用垃圾高溫反硝化生物干化過程進行煙氣的脫硝效果非常明顯，而且治理成本較常用的SCR及SNCR煙氣脫硝成本低。

3）高溫反硝化生物干化過程中還利用了煙氣的熱量促使垃圾中水分的快速蒸發，垃圾的干化效果好、效率高，而且進一步降低了垃圾干化成本，屬于節能環保技術，也更加有利于將來的市場推廣。

［1］Velis C A，Longhurst P J，Drew G H，et al.Biodrying for mechanical biological treatment of wastes：A review of process science and engineering［J］.Bioresource Technol，2009，100（11）：2747-2761.

［2］Sugni M，Calcaterra E，Adani F.Biostabilization-biodrying of municipal solid waste by inverting air-flow［J］.Bioresource Technol，2005，96（2）：1331-1337.

［3］Tambone F，Scaglia B，Scotti S，et al.Effects of biodrying process on municipal solid waste properties［J］.Bioresource Technol，2011，102（16）：7443-7450.

［4］何品晶，邵正浩，張冬青，等.垃圾生物穩定化預處理中填埋污染潛力的變化［J］.同濟大學學報：自然科學版，2009，37（6）：791-795.

［5］高廷耀，顧國偉，周琪.水污染控制工程（下）［M］.3版.北京：高等教育出版社，2007.

［6］Rittmann E，McCarty P L.Environmental biotechnology principles and applications［M］.北京：清華大學出版社，2012.

Analysis of Test for Waste Biological Drying and Flue Gas Denitrification by Denitrification Method

Chen Feng1，Hu Yongyou1，Chen Dan2
（1.Environmental Protection and Energy College，South China University of Technology，GuangzhouGuangdong 510640；2.Skyline（Dalian）Environmental Technology Co.Ltd.，DalianLiaoning116023）

By adding the denitrifying bacteria and cooled waste incineration flue gas to domestic waste，we made use of organic matter in waste as electron donor to accomplish denitrification process.Engineering test results showed that the moisture content of waste was reduced from 60%to 25%，and the highest emission concentration of Nitrogen Oxides（NOx）was 222 mg/m3，far better than that of GB 13271—2014.The use of biological denitrification process of domestic waste for waste drying and flue gasdenitrification isa kind of“to treat waste with waste”environmental treatment method.

denitrification method；refuse biological drying；flue gasdenitrification

X799.3；X705

A

1005-8206（2016）05-0026-03

2016-03-23

陳峰（1968—），工程技術應用研究員，主要從事垃圾處理、污水處理等領域的相關研究和工程設計。