堆肥化技術對生活垃圾預處理效果的研究
堆肥化技術是目前國內外城市垃圾無害化處理的三大基本技術之一。傳統堆肥化技術的目的是利用高溫殺死垃圾中的病原體實現無害化和生產腐殖質實現資源化。但是垃圾堆肥處理技術在我國的應用目前還存在較多問題，鄭州、大慶、合肥、揚州等城市已建成的不同規模和類型的幾十個垃圾堆肥廠大多數已關閉，或不能正常連續處理垃圾。
另一方面，我國城市生活垃圾收集的特點基本為混裝，垃圾成分復雜，含水率高，廚房類有機物含量高，導致垃圾發熱量較低和填埋場滲濾液污染濃度高，從而使垃圾焚燒和填埋處理出現相應問題。
我們研究的目的是重新審視堆肥在垃圾處理中的作用。
通過模擬生活垃圾高溫好氧堆肥的過程，測定堆肥化過程中與垃圾預處理有關的部分技術指標，探索采用堆肥工藝對高含水率和高有機物的混合垃圾進行發酵預處理的可性行，期望能夠為堆肥化預處理在提高垃圾填埋和焚燒工程實踐上提供一定的參考依據。
1、材料與方法
1.1堆肥原料
堆肥原料為人工配制的模擬混合垃圾，易腐垃圾主要為剩飯菜與雜菜，纖維素類較難降解垃圾為紙張與樹葉，水分調整材料為煤渣，在試驗中依次做4種不同的配比，易腐垃圾、煤渣、纖維素的含量分別為：①45%，35%，20%；②50%，30％，20%；③55%，25%，20%：④60%，20%，20%。
1.2試驗設備與方法
1.2.1試驗設備：堆肥裝置見圖1。發酵罐有效容積100L，每批試驗可裝入垃圾35kg左右。浸出液和發熱量試驗采用搖床模擬堆肥過程。
1.2.2方法：將計量后的垃圾混合均勻，測定特性值后裝入發酵倉中，發酵過程中和堆肥結束時按標準方法測定含水率、質量、容重、揮發性固體含量（VS）、發熱量等，浸出液結合武漢市降雨量按浸出毒性試驗的方法獲取，NH3-N按標準方法測定。
 圖1堆肥化裝置示意圖 |
2、結果與分析
2.1物料變化
堆肥過程的物料變化主要是揮發性固體降解為氣體、水分蒸發和下滲而引起的質量損失、體積減少及容重的增加。不同垃圾配比堆肥過程物料變化見表1。由表1可知，質量減少32%～41%，體積減少35%～45%，揮發性固體降解率56%～71%，容重增加8%～10%。在其它條件相同的情況下，質量減少、體積減少、揮發性固體降解率及容重增加取決于原料的揮發性固體含量。
表1堆肥過程物料變化 |
圖2為不同揮發性固體含量降解曲線。根據文獻[7]的方法，推出公式：
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式中：S0垃圾原料中揮發性固體含量，％；kd比率常數，d-1；t為發酵時間，d。揮發性固體含量和比率常數隨垃圾原料成分組成和發酵條件不同而變化。在本試驗發酵條件下，求得kd＝0.125／d。
公式（1)適用于發酵終止時的有機物剩余量預測和一次發酵所需時間的確定，從而為預處理工程設計提供依據。
 圖2不同配比的垃圾揮發性固體含量變化 |
2.2質量和含水率變化方程
根據文獻[7]提供的方法及堆肥過程的物料平衡，得到如下關系式：
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式中，Xvs為揮發性固體降解率，％；St為一次發酵t時刻揮發性固體含量，％；F0為垃圾進料濕重，kg；Ft為t時刻垃圾出料濕重，kg；W0為進料垃圾含水率，％；Wt為t時刻垃圾出料含水率，％；θ是隨機校正值，θ一般為0.05～0.5。
公式（3）適用于不同進料含水率和出料含水率的水分蒸發量計算。但在實際操作中，單位干固體的水分蒸發量是否能達到設計要求的計算值則取決于揮發性固體降解釋放的能量和蒸發所需的熱量是否平衡，同時還受通風量的控制，這需要進行熱力學計算和通風量計算。
本次實驗通過通風量變化的控制，使出料含水率在30%～45%。根據實驗結果（表1），由公式（3）的計算可得出不同進料含水率與水分蒸發量的關系曲線，見圖3。公式(4)或(5)適用于計算出料量，從而為后續處理的設計提供設計依據。
 圖3進料和出料含水率與水分蒸發量的關系曲線 |
在好氧堆肥過程中，垃圾不僅質量發生變化，而且容重也隨之變化。一次發酵終止時的堆肥體積Vt是由減重后的出料質量和變化后的容量決定的，即：
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式中，dt為發酵出料的容重；d0為發酵進料的容重；α為容重增加系數。
2.3發熱量變化
實驗采用氧彈量法來測定堆肥過程中物料的發熱量變化。根據文獻[4]換算成低位發熱量來表示垃圾的燃燒性能，實驗結果見表2。從表2可看出，隨著堆肥天數的增加，有機物含量減少，干基發熱量會有所下降，但同時物料中含水量下降，從而濕基的低位發熱量明顯升高。扣除有機物含量減少導致的干基發熱量損失，則含水率平均每降低一個百分點，濕基低位發熱量升高約12kJ／kg。
表2堆肥過程中垃圾發熱量變化 |
2.4浸出液中NH3-N濃度的變化
不同物料配比的垃圾堆肥過程中浸出液中NH3-N的濃度變化見圖4。
 圖4不同垃圾配比浸出液中NH3-N的濃度變化曲線 |
結果表明，NH3-N的濃度變化，隨著堆肥天數的增加，浸出液中NH3-N的濃度先升高后逐漸降低。由此可見，如果對城市垃圾進行堆肥預處理，再進行衛生填埋，滲濾液中NH3-N濃度會降低，可能有助于降低高有機物含量、高水分城市垃圾特點所造成的衛生填埋場垃圾滲濾液處理的難度。
3、結論
3.1堆肥化過程可以顯著減重和降低垃圾有機物及含水率。建立的方程（1）可為預處理工程設計提供動力學依據。
3.2發酵階段堆肥減量△F主要與揮發性固體降解率Xvs和水分蒸發量△W有關。建立的方程（8）可作為計算參考。
3.3堆肥化過程提高了垃圾濕基低位發熱量。
3.4堆肥化過程可以使浸出液中NH3-N的濃度逐漸降低。
3.5 研究表明，通過堆肥化預處理，一是可以降低含水率，提高低位發熱量，這將有利于垃圾的物料分選和提高焚燒效率；二是可以減少垃圾質量、減小體積，使后續處理減量化；三是使滲濾液的NH3-N含量降低，從而有可能降低滲濾液處理的難度。因此，合理的堆肥化技術的應用，對于我國高水分、高有機物含量、低發熱量的混合垃圾的綜合處理具有顯著的作用，當然其應用前景還需要進行更為深入的技術經濟研究。
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