堆肥化技术对生活垃圾预处理效果的研究
堆肥化技术是目前国内外城市垃圾无害化处理的三大基本技术之一。传统堆肥化技术的目的是利用高温杀死垃圾中的病原体实现无害化和生产腐殖质实现资源化。但是垃圾堆肥处理技术在我国的应用目前还存在较多问题，郑州、大庆、合肥、扬州等城市已建成的不同规模和类型的几十个垃圾堆肥厂大多数已关闭，或不能正常连续处理垃圾。
另一方面，我国城市生活垃圾收集的特点基本为混装，垃圾成分复杂，含水率高，厨房类有机物含量高，导致垃圾发热量较低和填埋场渗滤液污染浓度高，从而使垃圾焚烧和填埋处理出现相应问题。
我们研究的目的是重新审视堆肥在垃圾处理中的作用。
通过模拟生活垃圾高温好氧堆肥的过程，测定堆肥化过程中与垃圾预处理有关的部分技术指标，探索采用堆肥工艺对高含水率和高有机物的混合垃圾进行发酵预处理的可性行，期望能够为堆肥化预处理在提高垃圾填埋和焚烧工程实践上提供一定的参考依据。
1、材料与方法
1.1堆肥原料
堆肥原料为人工配制的模拟混合垃圾，易腐垃圾主要为剩饭菜与杂菜，纤维素类较难降解垃圾为纸张与树叶，水分调整材料为煤渣，在试验中依次做4种不同的配比，易腐垃圾、煤渣、纤维素的含量分别为：①45%，35%，20%；②50%，30％，20%；③55%，25%，20%：④60%，20%，20%。
1.2试验设备与方法
1.2.1试验设备：堆肥装置见图1。发酵罐有效容积100L，每批试验可装入垃圾35kg左右。浸出液和发热量试验采用摇床模拟堆肥过程。
1.2.2方法：将计量后的垃圾混合均匀，测定特性值后装入发酵仓中，发酵过程中和堆肥结束时按标准方法测定含水率、质量、容重、挥发性固体含量（VS）、发热量等，浸出液结合武汉市降雨量按浸出毒性试验的方法获取，NH3-N按标准方法测定。
 图1堆肥化装置示意图 |
2、结果与分析
2.1物料变化
堆肥过程的物料变化主要是挥发性固体降解为气体、水分蒸发和下渗而引起的质量损失、体积减少及容重的增加。不同垃圾配比堆肥过程物料变化见表1。由表1可知，质量减少32%～41%，体积减少35%～45%，挥发性固体降解率56%～71%，容重增加8%～10%。在其它条件相同的情况下，质量减少、体积减少、挥发性固体降解率及容重增加取决于原料的挥发性固体含量。
表1堆肥过程物料变化 |
图2为不同挥发性固体含量降解曲线。根据文献[7]的方法，推出公式：
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式中：S0垃圾原料中挥发性固体含量，％；kd比率常数，d-1；t为发酵时间，d。挥发性固体含量和比率常数随垃圾原料成分组成和发酵条件不同而变化。在本试验发酵条件下，求得kd＝0.125／d。
公式（1)适用于发酵终止时的有机物剩余量预测和一次发酵所需时间的确定，从而为预处理工程设计提供依据。
 图2不同配比的垃圾挥发性固体含量变化 |
2.2质量和含水率变化方程
根据文献[7]提供的方法及堆肥过程的物料平衡，得到如下关系式：
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式中，Xvs为挥发性固体降解率，％；St为一次发酵t时刻挥发性固体含量，％；F0为垃圾进料湿重，kg；Ft为t时刻垃圾出料湿重，kg；W0为进料垃圾含水率，％；Wt为t时刻垃圾出料含水率，％；θ是随机校正值，θ一般为0.05～0.5。
公式（3）适用于不同进料含水率和出料含水率的水分蒸发量计算。但在实际操作中，单位干固体的水分蒸发量是否能达到设计要求的计算值则取决于挥发性固体降解释放的能量和蒸发所需的热量是否平衡，同时还受通风量的控制，这需要进行热力学计算和通风量计算。
本次实验通过通风量变化的控制，使出料含水率在30%～45%。根据实验结果（表1），由公式（3）的计算可得出不同进料含水率与水分蒸发量的关系曲线，见图3。公式(4)或(5)适用于计算出料量，从而为后续处理的设计提供设计依据。
 图3进料和出料含水率与水分蒸发量的关系曲线 |
在好氧堆肥过程中，垃圾不仅质量发生变化，而且容重也随之变化。一次发酵终止时的堆肥体积Vt是由减重后的出料质量和变化后的容量决定的，即：
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式中，dt为发酵出料的容重；d0为发酵进料的容重；α为容重增加系数。
2.3发热量变化
实验采用氧弹量法来测定堆肥过程中物料的发热量变化。根据文献[4]换算成低位发热量来表示垃圾的燃烧性能，实验结果见表2。从表2可看出，随着堆肥天数的增加，有机物含量减少，干基发热量会有所下降，但同时物料中含水量下降，从而湿基的低位发热量明显升高。扣除有机物含量减少导致的干基发热量损失，则含水率平均每降低一个百分点，湿基低位发热量升高约12kJ／kg。
表2堆肥过程中垃圾发热量变化 |
2.4浸出液中NH3-N浓度的变化
不同物料配比的垃圾堆肥过程中浸出液中NH3-N的浓度变化见图4。
 图4不同垃圾配比浸出液中NH3-N的浓度变化曲线 |
结果表明，NH3-N的浓度变化，随着堆肥天数的增加，浸出液中NH3-N的浓度先升高后逐渐降低。由此可见，如果对城市垃圾进行堆肥预处理，再进行卫生填埋，渗滤液中NH3-N浓度会降低，可能有助于降低高有机物含量、高水分城市垃圾特点所造成的卫生填埋场垃圾渗滤液处理的难度。
3、结论
3.1堆肥化过程可以显著减重和降低垃圾有机物及含水率。建立的方程（1）可为预处理工程设计提供动力学依据。
3.2发酵阶段堆肥减量△F主要与挥发性固体降解率Xvs和水分蒸发量△W有关。建立的方程（8）可作为计算参考。
3.3堆肥化过程提高了垃圾湿基低位发热量。
3.4堆肥化过程可以使浸出液中NH3-N的浓度逐渐降低。
3.5 研究表明，通过堆肥化预处理，一是可以降低含水率，提高低位发热量，这将有利于垃圾的物料分选和提高焚烧效率；二是可以减少垃圾质量、减小体积，使后续处理减量化；三是使渗滤液的NH3-N含量降低，从而有可能降低渗滤液处理的难度。因此，合理的堆肥化技术的应用，对于我国高水分、高有机物含量、低发热量的混合垃圾的综合处理具有显著的作用，当然其应用前景还需要进行更为深入的技术经济研究。
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