新型全混合式廚余垃圾生物干化工藝效能實(shí)證研究

嚴(yán)祥瑞,辛立慶,王昊書,,馬 壯,秦 勇,吳偉祥* (.浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,浙江 杭州 30058；.浙江傳超環(huán)?？萍加邢薰?浙江 杭州 300)

據(jù)統(tǒng)計(jì),廚余垃圾占我國生活垃圾總量的 60%左右,含水率高達(dá) 70%～80%[1-3].受設(shè)施處理能力規(guī)劃、審批與建設(shè)時(shí)效等因素限制,預(yù)計(jì)在相當(dāng)長的一段時(shí)期我國廚余垃圾將無法完全通過厭氧產(chǎn)沼或堆肥進(jìn)行資源化利用.借助現(xiàn)有焚燒設(shè)施,通過生物干化實(shí)現(xiàn)廚余垃圾資源能源化利用是一條切實(shí)可行的途徑.該技術(shù)利用生化反應(yīng)熱和強(qiáng)制通風(fēng)加速水分蒸發(fā),實(shí)現(xiàn)物料含水率的快速脫除[4-5]和低位熱值的顯著提升[6-7],制備衍生燃料(RDF)[8].

從已有的批次式廚余垃圾生物干化研究來看,通常需要2～3d的升溫時(shí)間才能達(dá)到50℃以上,干化周期普遍為10～15d;脫水效率低,水分單位去除量僅為 280～570kg水/t垃圾[9-14],導(dǎo)致技術(shù)成本高、效能低,難以實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用.本研究根據(jù)往復(fù)式翻堆螺旋實(shí)現(xiàn)新舊物料全混合機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念,開發(fā)了一種連續(xù)進(jìn)料全混合式生物干化工藝,探究該工藝運(yùn)行效能及其對物料溫度、含水率、熱值的影響規(guī)律,以期為廚余垃圾生物干化工藝優(yōu)化及工程化應(yīng)用提供參考.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

廚余垃圾(新鮮物料)來源于杭州市余杭區(qū)生活垃圾分類收集站,經(jīng)破碎擠壓脫水后進(jìn)入設(shè)備進(jìn)行處理,試驗(yàn)時(shí)間為7～9月.破碎脫水預(yù)處理后的廚余垃圾理化性質(zhì)如表 1所示,物料含水率 76.63%,總有機(jī)質(zhì)含量(VS/TS)為 77.97%,高、低位熱值分別為 13700,1605kJ/kg,低位熱值遠(yuǎn)低于4180kJ/kg《生活垃圾焚燒爐及余熱鍋爐》[15]中生活垃圾焚燒進(jìn)爐標(biāo)準(zhǔn).

表1 破碎脫水預(yù)處理后的廚余垃圾理化性質(zhì)Table 1 Physicochemical properties of the kitchen garbage after crushing and dehydration

1.2 試驗(yàn)裝置

中試試驗(yàn)采用自主研發(fā)的連續(xù)進(jìn)料全混合式生物干化反應(yīng)器(圖 1)[16].反應(yīng)器為 U 型槽結(jié)構(gòu),長1.5m,底部直徑 0.8m,U 型槽高 0.9m,有效容積約為1.2m3,設(shè)計(jì)處理能力為100kg/d,設(shè)計(jì)干化周期為7d,具備混合、翻堆、曝氣、抽濕、輔熱及智能控制等功能.反應(yīng)器外壁設(shè)有輔助加熱裝置,保障物料最低控制溫度;U型槽底部設(shè)有側(cè)孔式防堵塞曝氣噴頭,連接流量計(jì)和離心風(fēng)機(jī),實(shí)現(xiàn)定量曝氣;反應(yīng)倉中心配備往復(fù)式翻堆螺旋,攪拌葉片呈螺旋狀并與 U型槽壁面貼合,實(shí)現(xiàn)零死角往復(fù)式翻炒攪拌方式;反應(yīng)倉頂部設(shè)有抽風(fēng)口,連接羅茨風(fēng)機(jī),用于抽風(fēng)除濕;設(shè)有智能控制柜,變頻器控制I和II分別控制電機(jī)和羅茨風(fēng)機(jī)的功率,實(shí)現(xiàn)智能化控制攪拌和曝氣.各零部件能耗如表2所示.

圖1 生物干化試驗(yàn)反應(yīng)器剖面示意Fig.1 Schematic diagram of biodrying equipment

表2 生物干化試驗(yàn)反應(yīng)器各零部件功率(kW)Table 2 Power of each system of biodrying equipment(kW)

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 反應(yīng)器啟動(dòng) 向生物干化反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)新鮮物料 700kg,按新鮮物料與菌劑質(zhì)量比例 10:1接種,充分?jǐn)嚢杌旌?啟動(dòng)階段設(shè)定攪拌間隔為 60min,每次攪拌時(shí)間 1min,轉(zhuǎn)速 8r/min;通風(fēng)頻次為 30min/h,風(fēng)量為 60m3/h;每 30min通過羅茨風(fēng)機(jī)于抽風(fēng)口負(fù)壓抽吸反應(yīng)倉內(nèi)高濕空氣1min.

維持上述操作參數(shù),確保微生物快速生長繁殖,期間適當(dāng)進(jìn)料但不出料,確保反應(yīng)器內(nèi)物料總量維持在600～650kg;每日對物料含水率、溫度等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測,當(dāng)反應(yīng)倉內(nèi)物料含水率降低至 45%且物料溫度高于50 ℃時(shí),結(jié)束反應(yīng)器啟動(dòng)階段.

1.3.2 生物干化試驗(yàn) 通過啟動(dòng)階段物料含水率變化計(jì)算物料損失質(zhì)量,設(shè)計(jì)每日進(jìn)新鮮物料約100kg,出舊物料約 30kg.進(jìn)料后立即通過攪拌裝置快速混合新舊物料.根據(jù)已有研究[17]結(jié)合本試驗(yàn)要求,設(shè)置3組通風(fēng)量、最低控制溫度等輔助功能控制參數(shù)方案,具體如表 3所示.反應(yīng)器在每個(gè)控制參數(shù)下正常穩(wěn)定運(yùn)行7d后,開始每組正式試驗(yàn).當(dāng)物料溫度低于設(shè)定最低控制溫度時(shí),開啟輔助加熱系統(tǒng).每個(gè)處理組均在第0h開啟輔熱系統(tǒng)2h,A組和B組在第14h第2次開啟輔熱系統(tǒng),即A組和B組合計(jì)輔熱4h,C組輔熱2h.每組生物干化試驗(yàn)設(shè)置3次平行.

表3 生物干化試驗(yàn)運(yùn)行控制方案Table 3 Operation control scheme of biodrying process

1.4 樣品采集與測定

每天定時(shí)監(jiān)測各處理組生物干化反應(yīng)器內(nèi)物料的溫度、含水率、VS/TS和熱值.

溫度采用 0.8m探針式溫度計(jì)直接插入反應(yīng)器內(nèi)四角及中心處,每2h測定1次,取平均值;每4h取樣 1次,以處理時(shí)間進(jìn)行標(biāo)記(0-樣品為進(jìn)料前物料,0+樣品為進(jìn)料后混合物料,24樣品即處理后產(chǎn)物),物料含水率采用烘箱干燥法,105℃下烘至恒重測定;VS/TS采用灼燒法(550℃)燒至恒重測定[18];物料熱值測定參考《煤的發(fā)熱量測定方法》[19].

1.5 數(shù)據(jù)處理

水分去除量[20]為處理過程中脫除水分的質(zhì)量,忽略生物干化過程中物料干物質(zhì)質(zhì)量變化,則水分去除量計(jì)算公式如式(1):

式中,m(x,y)為水分脫除量,kg;cx、cy為第 x、y h含水率,%;m0為物料初始質(zhì)量,取700kg.

水分單位去除量為處理后每噸垃圾脫除水分的質(zhì)量,以新鮮易腐垃圾處理量為基準(zhǔn),計(jì)算公式如式(2):

式中,w為水分單位去除量,kg水/t垃圾;b為設(shè)備處理總量,t /d.

實(shí)際有機(jī)質(zhì)量為反應(yīng)器內(nèi)所有物料中有機(jī)質(zhì)的總質(zhì)量,假設(shè)生物干化過程中物料干物質(zhì)中灰分質(zhì)量不變,則實(shí)際有機(jī)質(zhì)量計(jì)算公式如式(3):

式中:ms為實(shí)際有機(jī)質(zhì)量,kg;s0為初始有機(jī)質(zhì)含量,%;sx為第x h有機(jī)質(zhì)含量,%.

生物干化過程能耗的計(jì)算公式如下:

式中,a 為噸處理能耗,kW·h/t;P1、P2、P3、P4、P5、P6分別為電機(jī)、變頻器Ⅰ、離心風(fēng)機(jī)、變頻器Ⅱ、輔熱系統(tǒng)、羅茨風(fēng)機(jī)的功率,kW;t1、t2、t3、t4分別為每日攪拌、通風(fēng)、加熱、抽風(fēng)總時(shí)長,h/d.

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用 Microsoft Excel 2016、Origin 2018和SPSS v.20.0進(jìn)行分析處理.

2 結(jié)果與討論

2.1 新型生物干化工藝對物料溫度的影響

反應(yīng)器內(nèi)物料溫度的變化可以直觀反映好氧生物干化過程中微生物代謝活動(dòng)的劇烈程度[21].如圖2所示,由于操作參數(shù)的差別,3個(gè)處理組的物料溫度存在顯著差異(P<0.01).A、B、C處理組的通風(fēng)量逐漸遞增,A組物料溫度基本高于B組,C組最低,驗(yàn)證了通風(fēng)量與物料溫度的負(fù)相關(guān)聯(lián)系[22-23],在滿足微生物好氧活動(dòng)需求的情況下,通風(fēng)量高的處理組物料溫度相對較低.此外,A組在第 4～18h維持了55℃的最低控制溫度,B組和C組在第2～20h維持在50℃和45℃以上,且輔熱次數(shù)均不超過4h,說明在控制方案中根據(jù)通風(fēng)量設(shè)計(jì)最低控制溫度參數(shù),可有效降低輔熱時(shí)間節(jié)省能耗,并保障物料溫度,確保反應(yīng)器正常運(yùn)行.

圖2 不同處理組的物料溫度變化情況Fig.2 Changes of pile temperature in different treatments

總體而言,3個(gè)處理組物料溫度及環(huán)境溫度變化趨勢基本相同,均在進(jìn)料結(jié)束后2h內(nèi)(輔熱系統(tǒng)開啟2h)由40℃左右快速升溫至50℃以上并保持10h以上,第16h以后物料溫度逐漸下降,最終回到40℃左右.輔熱開啟前(即 20～24h),物料溫度緩慢下降至 40℃;輔熱開啟后,物料溫度上升迅速;輔熱結(jié)束后,溫度仍有明顯上升趨勢,并在高通風(fēng)量下維持 50℃以上高溫8～20h,說明短暫的物料輔熱可以有效縮短了物料溫度積累過程,促進(jìn)干化體系微生物的生長代謝活動(dòng),激發(fā)生物熱產(chǎn)生從而維持了物料高溫環(huán)境,這與前人的研究結(jié)論[24]相似.在整個(gè)干化周期內(nèi),反應(yīng)器內(nèi)物料溫度長期穩(wěn)定保持在40～60℃,有助于好氧微生物生長繁殖,更是其代謝活性長效保持的反饋[25].在進(jìn)料后,物料的適量輔熱升溫和含水率的調(diào)節(jié)有助于快速提高微生物量及其代謝活性[26],進(jìn)而維持物料高溫環(huán)境,縮短了批次試驗(yàn)中堆體升溫和微生物活化時(shí)間,與設(shè)計(jì)初衷基本吻合.而每個(gè)處理組后期物料溫度的下降,可能與快速利用型物質(zhì)的消耗、環(huán)境溫度和物料含水率的下降有關(guān),但仍可維持在40℃以上的中溫環(huán)境.

對比現(xiàn)有生物干化技術(shù) 2～3d的升溫期[9-14],連續(xù)進(jìn)料全混合式生物干化工藝具有升溫迅速的特點(diǎn),升溫期僅為 2h,連續(xù)反應(yīng)過程中物料溫度可始終保持在40℃以上,其中50℃以上高溫區(qū)段可以維持8～20h/d,有助于物料內(nèi)部水分轉(zhuǎn)化和表面水分的快速脫除.

2.2 新型生物干化工藝對物料含水率的影響

由圖3、表4可見,由于中試試驗(yàn)材料來源于日常分類產(chǎn)生的廚余垃圾,不同處理組物料組分、性質(zhì)差異客觀存在,造成進(jìn)料前、后物料含水率增量存在差別.本試驗(yàn)進(jìn)料后混合物料含水率僅為 40%～50%,不僅可以避免過高含水率降低物料孔隙率而阻礙通風(fēng)供氧[27],還為好氧微生物生長代謝提供了適宜的環(huán)境,保障物料升溫并維持較高溫度[4].同時(shí),反應(yīng)器內(nèi)物料含水率長期保持在50%以下,基本無自由水下滲產(chǎn)生滲濾液,所有脫除水分均通過空氣對流散發(fā).

圖3 不同處理組物料含水率變化情況Fig.3 Changes of moisture content in different treatments

表4表明,3個(gè)處理組物料含水率持續(xù)下降,進(jìn)料后0～12h(7:00～19:00)間反應(yīng)器內(nèi)物料脫水速率高于12～24h(19:00～次日7:00),這可能是由于0～12h間物料和環(huán)境均處于高溫時(shí)段,且日間空氣濕度普遍較低,利于水分脫除.進(jìn)料后至次日出料期間,A、B和C 3組反應(yīng)器內(nèi)混合物料含水率分別由 43.05%、42.45%和 41.52%降低至 35.93%、36.89%和34.86%.A組水分單位去除量最高(775kg水/t垃圾),而B組和 C組水分單位去除量則相對較低,分別為 617,716kg水/t垃圾,說明在供氧充足的情況下,維持相對較高的物料溫度有助于提升水分蒸發(fā)速度[28],這可能是由于往復(fù)式無軸螺旋在攪拌過程中,不斷將底部物料翻拋至料倉頂部,極大程度地增加堆體內(nèi)部高溫物料與空氣接觸時(shí)間,充分發(fā)揮了高溫環(huán)境下水分蒸發(fā)速率更快的優(yōu)勢.C組物料溫度最低,但高通風(fēng)量增加了空氣攜水總量[29],也實(shí)現(xiàn)了較高的水分單位去除量.B組的物料溫度低于A組,弱化了水分蒸發(fā)速度;B組的通風(fēng)量低于C組,導(dǎo)致空氣攜水總量較低,因此,B組水分單位去除量弱于A組和C組,并存在較大的差異.

表4 不同處理組各階段物料含水率及水分單位去除量Table 4 Water content and unit water removal at each stage of different treatments

總體而言,相較于現(xiàn)有生物干化技術(shù)在 10～15d的處理周期實(shí)現(xiàn) 280～570kg水/t垃圾的水分單位去除量[9-14],連續(xù)進(jìn)料全混合式生物干化工藝使含水率76.63%的新鮮物料經(jīng)過該反應(yīng)器 7d干化周期的處理后,含水率降低至35.89%,水分單位去除量最高可達(dá)(775±65)kg水/t垃圾,工藝脫水效果顯著提升.整個(gè)試驗(yàn)中反應(yīng)器持續(xù)運(yùn)行時(shí)間接近 2個(gè)月,期間運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定.在整個(gè)試驗(yàn)過程中,反應(yīng)器物料含水率持續(xù)下降但降幅較低,理論上可在當(dāng)前負(fù)荷基礎(chǔ)上適當(dāng)提升額定處理量,通過優(yōu)化工藝參數(shù)進(jìn)一步縮短干化周期.

2.3 新型生物干化工藝對物料有機(jī)質(zhì)含量的影響

物料的有機(jī)質(zhì)含量(即VS/TS)的變化情況可以反映好氧生物干化過程中的有機(jī)物降解速率和微生物代謝活動(dòng)[30-31].由表5可見,進(jìn)料混合后的物料有機(jī)質(zhì)含量為73～76%,略低于新鮮物料.0～12h間3組有機(jī)質(zhì)降低量為 1.55～1.96%,高于 12～24h的降低量,說明0～12h期間微生物代謝活性相對較高,有機(jī)質(zhì)降解量更多,物料得以維持在 50℃以上的高溫,12～24h有機(jī)質(zhì)降解量相對較少,導(dǎo)致該階段物料溫度逐漸降低.試驗(yàn)結(jié)束后 3組物料有機(jī)質(zhì)含量分別為71.23%、69.55%和68.65%(無顯著性差異),其中A組有機(jī)質(zhì)含量較高,可能具備更高的高位熱值.此外,處理結(jié)束后 A組的實(shí)際有機(jī)質(zhì)量下降了39kg,明顯高于B組和C組,這些有機(jī)質(zhì)可能被降解并釋放了更多的生化反應(yīng)熱用于物料升溫和水分脫除,這與A組高物料溫度和高水分單位去除量相吻合.

表5 不同處理組物料有機(jī)質(zhì)變化情況Table 5 Changes of organic matter in different treatments

2.4 新型生物干化工藝對物料熱值的影響

熱值是評價(jià)生活垃圾燃燒性能的重要指標(biāo),與物料的含水率和有機(jī)質(zhì)含量有關(guān)[32].由圖 4可見,破碎脫水后新鮮物料的平均高位熱值和低位熱值分別為 13700,1600kJ/kg,具備較高的燃燒潛力,但低于《生活垃圾焚燒爐及余熱鍋爐》[15]中生活垃圾焚燒進(jìn)爐標(biāo)準(zhǔn),無法作為燃料直接焚燒.由于 3個(gè)處理組物料的有機(jī)質(zhì)含量逐漸減少,高位熱值也呈下降趨勢(P<0.05),A、B、C組處理后產(chǎn)物的高位熱值分別為13598,12352,11511kJ/kg.根據(jù)低位熱值計(jì)算方法,物料的低位熱值與高位熱值呈正相關(guān),與其含水率呈負(fù)相關(guān).3個(gè)處理組高位熱值和含水率均逐漸降低,導(dǎo)致處理后產(chǎn)物的低位熱值無顯著性差異,分別為6906,6442,6681kJ/kg.

圖4 生物干化過程不同處理組物料高位熱值與低位熱值Fig.4 Changes of high and low calorific values of matrix in biodrying process

新鮮物料進(jìn)入反應(yīng)器與剩余物料混合后,低位熱值由 1605kJ/kg提升至 5702kJ/kg,經(jīng)過生物干化處理后可達(dá)到 6676kJ/kg,遠(yuǎn)高于 4180kJ/kg,即滿足《生活垃圾焚燒爐及余熱鍋爐》[15]中生活垃圾焚燒進(jìn)爐標(biāo)準(zhǔn).

2.5 不同控制參數(shù)能耗對比

如表3所示,3個(gè)處理組能耗差異主要來源于通風(fēng)量和加熱時(shí)長控制參數(shù).A組和 B組雖然通風(fēng)量較低,但為了維持最低控制溫度,輔熱系統(tǒng)產(chǎn)生了較高的能耗(總能耗中輔熱能耗占比超過50%),能耗超過90kW·h/t,遠(yuǎn)高于C組的77.91kW·h/t(C組總能耗中輔熱能耗僅占33%).A組在輔熱系統(tǒng)幫助下保持了物料高溫環(huán)境,其脫水能力最好,但C組通過增加通風(fēng)、適當(dāng)降低物料溫度也可以實(shí)現(xiàn)較好的除水效果,故對于本生物干化反應(yīng)器而言,C組兼具高效低耗特點(diǎn),所采用的控制參數(shù)更為適合.后續(xù)研究中可優(yōu)化輔熱策略,放棄最低控制溫度的設(shè)計(jì),僅將輔熱用于進(jìn)料后物料的增溫,以進(jìn)一步降低運(yùn)行能耗.

總體而言,本生物干化工藝最佳操作參數(shù)為通風(fēng)速率0.171m3/(kg·h),最低控制溫度45℃.該控制參數(shù)下工藝?yán)幚砟芎膬H為 77.91kW·h/t,遠(yuǎn)低于市場上電熱烘干設(shè)備噸能耗(150～250kW·h/t)[4,7],工藝中輔熱系統(tǒng)僅需 25～50kW·h/t(含熱損耗),2種工藝外源熱能輸入的差值應(yīng)是微生物好氧活動(dòng)釋放的生物熱輸入.

表6 不同處理組能耗情況Table 6 Energy consumption of different treatments

2.6 與其他生物干化工藝對比

現(xiàn)有生物干化工藝均存在 2～3d的升溫期[9-14],升溫過程中物料溫度較低,極大程度限制了水分蒸發(fā)速度,導(dǎo)致干化周期長、脫水效率低.新型廚余垃圾全混合式生物干化工藝通過新舊物料全混合機(jī)械結(jié)構(gòu)和輔熱策略大幅度提高了升溫速度,并保障反應(yīng)器運(yùn)行過程中物料溫度均高于40℃.

相較于現(xiàn)有生物干化工藝,新型工藝將干化周期由 10～15d[7]縮短至 7d,水分單位去除量仍高達(dá)716.24kg水/t垃圾,遠(yuǎn)高于生物干化其他文獻(xiàn)中的280～570kg水/t垃圾[9-14],其處理能耗僅 77.81kW·h/t.新型工藝產(chǎn)物低位熱值達(dá) 6676kJ/kg,略低于其他文獻(xiàn)中 6000～8000kJ/kg,可能是因?yàn)槲墨I(xiàn)中采用的易腐垃圾熱值較高(2400～3200kJ/kg)[7,12].

然而,本研究尚未對攪拌頻率、輔熱模式和進(jìn)料粒徑開展深入優(yōu)化.今后的研究應(yīng)聚焦探討如何提升攪拌翻堆、通風(fēng)曝氣及輔熱模式等控制參數(shù)或模式在生物干化過程中的聯(lián)動(dòng)效應(yīng),并研制針對易降解有機(jī)質(zhì)的耐高溫微生物菌劑,以期更加有效地強(qiáng)化微生物生長繁殖、代謝活動(dòng)和水分脫除能力,進(jìn)一步提升廚余垃圾生物干化處置效能.

3 結(jié)論

3.1 本研究基于廚余垃圾全混合發(fā)酵的設(shè)計(jì)理念,強(qiáng)化了快速升溫、快速脫水的工藝特點(diǎn),干化周期縮短至7d,水分單位去除量高達(dá)716.24kg水/t垃圾,干化效能顯著優(yōu)于現(xiàn)有生物干化工藝.

3.2 在最佳運(yùn)行條件下(通風(fēng)速率0.171m3/(kg·h),最低控制溫度 45℃),處理能耗僅為 77.91kW·h/t,產(chǎn)物低位熱值遠(yuǎn)高于《生活垃圾焚燒爐及余熱鍋爐》(GB/T 18750-2008)中規(guī)定的生活垃圾焚燒進(jìn)爐標(biāo)準(zhǔn).