北京大学环境工程概论_第七章_固体废物-2

7 2有机固体废物堆肥处理7 2 1生物处理的基本概念原始森林经过漫长的岁月仍保持着繁荣茂盛 这是动物和植物的遗体 排泄物被微生物分解为腐植质 形成植物生长发育必需的食物链进行着物质循环的结果 这也是保持生态系统相对稳定的基础 在自然界到处都存在这种物质循环 即使在与人们息息相关的农田里也重复着这种物质循环现象 在自然界中存在着大量依靠有机物生活的微生物 它们有氧化分解有机物并将其转化为无机物的巨大功能 生物能 而且具有分布广 繁殖快 容易发生变异等特性 正是这些微生物 分解者 作为生态系统组成的重要环节 不断进行着有机物的分解与无机化 矿化 促进了上述循环的正常进行 另一方面 人们生产和生活过程中不断产生各种各样的固体废物 对整个社会而言 形成了一个生产 消费 废物的一个不断的循环系统 人类通过各种手段 借助于上述微生物的生物能 对固体废物进行生物处理 实现固体废物 主要是有机固体废物 的稳定化 无害化与资源化的技术就统称为固体废物的生物转换技术 这种生物转换技术应用的重要意义在于 a 对城市固体废物进行处理消纳 实现稳定化 无害化 可以避免或者减轻城市垃圾的大量堆积 影响市容及城市垃圾自然腐败 散发臭气 传播疾病 从而对环境造成的恶劣影响 b 可促进上述自然界物质循环与人类社会化物质循环的统一 可以把固体废物中的适用组分尽快地重新纳入自然循环 例如生产堆肥用以施肥 改造土壤 可回归农田生态系统中去 c 可以将大量有机固体废物通过各种工艺转换成有用的物质和能源 例如产生沼气 生产葡萄糖 微生物蛋白质等 由于城市固体废物和农业废物数量大 其中可生物转换利用的成份多 在当前世界上普遍存在的自然资源与能源紧张的情况下 这种回收和利用技术的开发更有着深远的意义 1 微生物的代谢作用微生物同所有生物一样 在生命活动过程中从周围环境吸取养料 并在体内不断进行物质转化和交换作用 这种过程称之为新陈代谢 简称代谢 代谢作用大体上分二大类 物质分解及提供能量的代谢称为分解代谢 消耗能量合成生物体的代谢 称为合成代谢 两种代谢是不可分割 互为依存的 2 堆肥过程中微生物的种类在固体废物生物处理过程中 有各种微生物与发挥作用 微生物种类繁多 大致可以作如下分类 对于所有微生物来说 凡是生活时需要氧气的都可以称为好氧微生物 只有在无氧环境中才能生长的称为厌氧微生物 在无氧和有氧的环境中都能生活的统称为兼氧性微生物 3 生物处理方法根据在处理过程中起作用的微生物对氧气要求的不同 生物处理可分为好氧生物处理和厌氧生物处理两类 a 好氧生物处理法这是一种在提供游离氧的条件下 以好氧微生物为主使有机物降解 稳定的无害化处理方法 固体废物存在的各种有机物 分子量大 能位高 作为微生物的营养源 经过一种生化反应 逐级释放能量 最终转化成分子量小 能位低物质而稳定下来 达到无害化的要求 以便利用或进一步妥善处理 使其回到自然环境中去 b 厌氧生物处理法这是在没有游离氧的情况下 以厌氧微生物为主对有机物进行降解 稳定的一种无害化处理 在这种厌氧生物处理过程中 复杂的有机化合物被降解 转化为简单 稳定的化合物 同时释放能量 其中 大部分能量以CH4形式出现 这是一种可燃气体 可回收利用 同时 仅少量有机物被转化 合成为新的细胞组成部分 固体废物生物转化技术的应用生物处理法是最主要的污水处理方法之一 且已取得成熟的经验 被定为常规处理手段 生物转换技术在固体废物处理方面也开展了深入的研究 得到了广泛应用 且不断地在开发新的应用技术 1 堆肥化利用有机固体废物生产堆肥 已有几千年历史 随着生产力发展和科技进步 堆肥化技术已得到不断改进 一方面 人工堆肥是有机肥 对改善土壤性能与提高肥力维持农作物长期的优质高产方面都是有益的 是农业 林业生产需要的 另一方面 各国有机固体废物数量逐年增加 需要对其处理的卫生要求也日益严格 从节省资源与能源角度出发 有必要把实现有机固体废物资源化作为固体废物无害化处理 处置的重要手段 有机固体废物的堆肥化能同时满足上述两方面要求 所以得到各国应有的重视 2 沼气化有机固体废物沼气化是另一种成熟的生物转换技术 沼气亦称生物气 是有机物质在隔绝空气和保持一定的水分 温度 酸碱度条件下 经过多种微生物的发酵分解作用产生的以甲烷为主的气体混合物 污泥厌氧消化过程产生的消化气体 城市固体废物填埋场生物降解过程中产生的生物气以及广大农村用农业废物厌氧发酵收集的气体都是沼气 因此 沼气化技术应用面十分广泛 沼气是一种比较清洁且热值较高的气体燃料 固体废物的沼气化对节约能源 增加有机肥料 改善环境卫生都有重要作用 因而是一种经济而理想的生物转换技术 3 其它生物转换技术世界各国固体废物产生量不断递增 其中各类纤维素世界年产量可达到以Gt计的天文数字 因而废纤维素数量十分惊人 如何充分利用这种有机物纤维素做资源 使之转化为能源 食物以及其他化学物质是急待开发的技术 针对当前世界性能源枯竭的状况 这也是一项十分重要的课题 7 2 2堆肥化的基本概念 1 堆肥化定义堆肥化依靠自然界广泛分布的细菌 放线菌 真菌等微生物 人为地促进可生物降解的有机物向稳定的腐植质生化转化的微生物学过程叫做堆肥化 堆肥化的产物称作堆肥 2 堆肥作用堆肥化是可降解的有机废物人为地发酵成为腐植质的过程 也可以说堆肥即人工腐植质 但其中常常残留一部分可降解的有机物 使用堆肥后 能够增加土壤中稳定的腐植质 形成土壤的团粒结构 并有一系列作用 使土质松软 多孔隙易耕作 增加保水性 透气性及渗水性 改善土壤的物理性能 肥料成分中氮 钾 铵等都是以阳离子形态存在 由于腐植质带阴电荷 有吸附阳离子作用 有助于粘土保住阳离子 即能保住养分提高保肥能力 腐植质阳离子交换容量是普通粘土的几倍到几十倍 腐植质中某种成分有螯合作用 某种有机化合物和金属起特殊的结合 把金属维持在液化状态 有这种作用的物质和酸性土壤中含量较多的活性铝结合后 使其半数变成非活性物质 因而能抑制活性铝和磷酸结合的有害作用 施用堆肥时 由于其中螯合剂能和铝 铁等金属结合 使稳定状态变成易分解状态 所以能促进有机物分解 促进氮肥和其他养分的供应 另外 对于作物有害的铜 铝 镉等重金属也可与腐植质相反应而降低其危害程度 有利于植物生长 腐植质有缓冲作用 当土壤中腐植质多时 即使肥料施得过多或过少 也不易受到损害 即使气象条件恶化也可减轻其影响 即使其他条件稍微恶化 也能减少冲击和缓和影响 例如水分不足时 可防止植物枯萎 起到似类于缓冲器的作用 堆肥是缓效性肥料 和硫铵 尿素等化肥中氮不同 堆肥中氮肥几乎都以蛋白质氮形态存在 当施到田里时 蛋白质经氮微生物分解成氨氮 在旱地里部分变成硝酸盐氮 两者都是能被吸收的氮 施用堆肥不会出现施化肥那样短暂有效或施肥过头的情况 由于经过上述过程缓慢持久地起作用 不致对农作物产生损害 腐植化的有机物具有调节植物生长的作用 也有助于根系发育和伸长 即有助于扩大根部范围 将富有微生物的堆肥施于土中可增加土壤中微生物数量 微生物分泌的各种有效成分能直接或间接地被植物根吸收而起到有益作用 故堆肥是昼夜均有效的肥料 堆肥是CO2的供给源 如与外界空气隔绝的密封罩内CO2气浓度低 当大量施用堆肥后 罩内较高的温度可促使堆肥分解放出CO2 总之 腐植质能改善土壤物理的 化学的 生物的性质 使土壤环境保持适于农作物生长的良好状态 腐植质又有增进化肥肥效的作用 3 堆肥产品质量及卫生要求 堆肥产品质量 以干基计 粒度 农用堆肥产品粒度不大于12mm 山林果园用堆肥产品粒度不大于50mm 含水率 35 pH值 6 5 8 5 全氮 以N计 0 5 全磷 以P2O5计 0 3 全钾 以K2O计 1 0 有机质 以C计 10 重金属含量 总镉 以Cd计 3mg kg 总汞 以Hg计 5mg kg 总铅 以Pb计 100mg kg 总铬 以Cr计 300mg kg 总砷 以As计 30mg kg 无害化卫生要求堆肥温度 静态堆肥工艺 55 持续5d以上 蛔虫卵死亡率 95 100 粪大肠菌值 10 1 10 2 7 2 3堆肥化原理及过程 1 好氧堆肥基本原理好氧堆肥化是在有氧条件下 依靠好氧微生物 主要是好氧细菌 的作用来进行的 在堆肥化过程中 有机废物中的可容性有机物质可透过微生物的细胞壁和细胞膜被微生物直接吸收 而不溶的胶体有机物质 先被吸附在微生物体外 依靠微生物分泌的胞外酶分解为可溶性物质 再渗入细胞 微生物通过自身的生命代谢活动 进行分解代谢 氧化还原过程 和合成代谢 生物合成过程 把一部分被吸收的有机物氧化成简单的无机物 并放出生物生长 活动所需要的能量 把另一部分有机物转化合成新的细胞物质 使微生物生长繁殖 产生更多的生物体 可用下列关系式反映堆肥化过程中有机物氧化分解关系 CSHtNUOV aH2O bO2 CWHXNYOZ CH2O dH2O 气 eH2O 液 fCO2 gNH3 能量由于堆温较高 部分水以蒸气形式排出 堆肥成品CWHXNYOZ CH2O与堆肥原料之比为0 3 0 5 这是氧化分解减量化的结果 通常可取如下数值范围 w 5 10 x 7 17 y 1 z 2 8 2 好氧堆肥化过程好氧堆肥化从废物堆积到腐热的微生物生化过程比较复杂 但大致可分为三个阶段 中温阶段 亦称产热阶段 堆肥初期 堆层基本呈中温 嗜温性微生物较为活跃并利用堆肥中可溶性有机物旺盛繁殖 它们在转换和利用化学能的过程中 有一部分变成热能 由于堆料有良好的保温作用 温度不断上升 此阶段微生物以中温 需氧型为主 通常是一些无芽胞细菌 适合于中温阶段微生物种类极多 其中最主要是细菌 真菌和放线菌 细菌特别适应水溶性单糖类 放线菌和真菌对于分解纤维素和半纤维素物质具有特殊功能 当肥堆温度升到45 以上时 即进入高温阶段 在这阶段 嗜温性微生物受到抑制甚至死亡 嗜热性微生物逐渐代替了嗜温性微生物的活动 堆肥中残留的和新形成的可溶性有机物质继续分解转化 复杂的有机化合物如半纤维素 纤维素和蛋白质等开始被强烈分解 通常 在50 左右进行活动的主要是嗜热性真菌和放线菌 温度上升到60 时 真菌几乎完全停止活动 仅有嗜热性放线菌与细菌在活动 温度升到70 以上时 对大多数嗜热性微生物已不适宜 微生物大量死亡或休眠状态 与细菌的生长繁殖规律一样 可将微生物在高温阶段生长过程分为四个时期 即加速生长期 对数生长期 静止期和内源呼吸期 在高温阶段微生物活性经历了四个时期变化后 堆积层内开始发生与有机物分解相对应的另一过程 即腐植质的形成过程 堆肥物质逐步进入稳定化状态 在内源呼吸后期 只剩下部分较难分解及难分解的有机物和新形成的腐殖质 此时微生物活性下降 发热量减少 温度下降 在此阶段嗜温微生物又占优势 对残余较难分解的有机物作进一步分解 腐殖质不断增多且稳定化 此时堆肥即进入腐熟阶段 降温后 需氧量大大减少 含水量也降低 堆肥物孔隙增大 氧扩散能力增强 此时只须自然通风 3 好氧堆肥化基本工艺及分类 1 分类固体废物堆肥化历史悠久 其工艺发展至今已形成多种方式 大致有如下分类与发展趋势 厌氧堆肥化 好氧堆肥化 露天堆积 敞开式 封闭式 无发酵装置 有发酵装置 人工土法 机械化 慢速 半快速 快速 静态发酵 动态发酵 其中还有各种过渡形式 下面先对国外无发酵装置堆肥化工艺作简要说明 如下图所示 此工艺可分为搅拌式和固定式固体床两种 搅拌式固体床是将堆肥化物料堆放在一种带有固体翻动设施的场地上 在堆制循环中采用转动 翻堆或其他方式对物料进行定期地搅拌或破碎 如能充分搅拌混合 则整个堆垛物料堆肥物性均一 发酵效果好 但光靠某种搅拌混合效果不一定很有效 2 好氧堆肥化工艺过程现代化堆肥生产 通常由前 预 处理 主发酵 亦可称一次发酵 一级发酵或初级发酵 后发酵 亦可称二次发酵 二级发酵或次级发酵 后处理 脱臭及贮存等工序组成 a 前处理当以城市生活垃圾为主要原料时 由于其中往往含有粗大垃圾和不可堆肥化物质 这些物质会影响垃圾处理机械的正常运行 并降低发酵仓容积的有效使用 且使堆温难以达到无害化要求 从而影响堆肥产品的质量 因此 需要用到破碎 分选等预处理方法去除粗大垃圾和降低不可堆肥化物质含量 并使堆肥物料粒度和含水率达到一定程度的均匀化 颗粒变小 物料表面积增加 便于微生物繁殖可以促进发酵过程 但颗粒也不能太小 因为要考虑到保持一定程度的孔隙率与透气性能 以便均匀充分地通风供氧 适宜的粒径范围是12 60mm 最佳粒径需视物料物理而定 当以人畜粪便 污水污泥饼等为主要原料时 由于其含水率太高等原因 前处理的主要任务是调整水分和碳氮比 有时需添加菌种和酶制剂 以促进发酵过程正常进行 降低水分增加透气性 调整碳氮比的主要方法是添加有机调理剂和膨胀剂 a 所谓 调理剂 是指加进堆肥化物料中干的有机物 借以减少单位体积的重量并增加与空气的接触面积 以利于好氧发酵 也可以增加物料中有机物数量 理想的调理剂是干燥的 较轻而易分解的物料 常用的有木屑 稻壳 禾杆 树叶等等 b 所谓 膨胀剂 是指有机的或无机的三维固体颗粒 当它加入湿堆肥化物料中时 能有足够的尺寸保证物料与空气的充分接触 并能依靠粒子间接触起到支撑作用 普遍使用的膨胀剂是干木屑 花生壳 厂矿成粒状的轮胎 小块岩石等物质 b 主发酵主发酵主要在发酵仓内进行 靠强制通风或翻堆搅拌来供给氧气 供给空气的方式随发酵仓种类而异 在发酵仓内 由于原料和土壤中存在的微生物作用而开始发酵 首先是易分解物质分解 产生二氧化碳和水 同时产生热量使堆温上升 这时微生物吸取有机物的碳 氮等营养成分 在合成细胞质自身繁殖的同时 将细胞中吸收的物质分解而产生热量 发酵初期物质的分解作用是靠嗜温菌 生长繁殖最适宜温度为30 40 进行的 随着堆温的升高 最适宜温度45 65 的嗜热菌取代了嗜温菌 能进行高效率的分解 氧的供应情况与保温床的良好程度对堆料的温度上升有很大影响 如堆肥化过程原理中所述 后面将进入降温阶段 通常将温度升高到开始降低为止的阶段 称为主发酵期 以城市生活垃圾为主体的城市固体废物好氧堆肥化的主发酵期约为4 12d c 后发酵经过主发酵的半成品被送去后发酵 在主发酵工序尚未分解的易分解及较难分解的有机物可能全部分解 变成腐植酸 氨基酸等比较稳定的有机物 得到完全成熟的堆肥成品 后发酵也可以在专设仓内进行 但通常把物料堆积到1 2米高度 进行敞开式后发酵 此时要有防止雨水的设施 为提高后发酵效率 有时仍需进行翻堆或通风 后发酵时间的长短 决定于堆肥的使用情况 例如堆肥用于温床 能利用堆肥的分解热 时 可在主发酵后直接利用 对几个月不种作物的土地 大部分可以使用不进行后发酵的堆肥 即直接施用堆肥 而对一直在种作物的土地 则有必要使堆肥的分解进行到能不致夺取土壤中氮的稳定化程度 即充分腐熟 后发酵时间通常在20 30天以上 显然 不进行后发酵的堆肥 其使用价值较低 d 后处理经过二次发酵后的物料中 几乎所有的有机物都变细碎和变了形 数量也减少了 然而 在城市固体废物发酵堆肥时 在前处理工序中还没有完全去除的塑料 玻璃 陶瓷 金属 小石块等杂物依然存在 因此 还要经过一道分选工序以去除杂物 可以用回转式振动筛 振动式回转筛 磁选机 风选机 惯性分离机 硬度差分离机等预处理设备分离去除上述杂质 并根据需要进行再破碎 并根据需要 如 生产精制堆肥 进行再破碎 净化后的散装堆肥产品 既可以直接销售给用户 施于农田 菜园 果园 或作土壤改良剂 也可以根据土壤的情况 用户的需要 将散装堆肥中加入N P K添加剂后生产复合肥 做成袋装产品 既便于运输 也便于贮存 而且肥效更佳 有时还需要固化造粒以利贮存 e 脱臭在堆肥化工艺过程中 每个工序系统有臭气产生 主要有 氨 硫化氢 甲基硫醇 胺类 等 必须进行脱臭处理 去除臭气的方法主要有化学除臭剂除臭 水 酸 碱水溶液等吸收剂吸收法 臭氧氧化法 活性炭 沸石 熟堆肥等吸附剂吸附法等等 其中 经济而实用的方法是熟堆肥氧化吸附除臭法 将源于堆肥产品的腐熟堆肥置入脱臭器 堆高约0 8 1 2m 将臭气通入系统 使之与生物分解和吸附及时作用 其 氨 硫化氢 去除效率均可达98 以上 也可用特种土壤 如鹿沼土 白垩土等 代替堆肥 此种设备称土壤脱臭过滤器 f 储存堆肥的供应期多半是集中在秋天和春天 中间隔半年 因此 一般的堆肥化工厂有必要设置至少能容纳6个月产量的贮藏设备 堆肥成品可以在室外堆放 但此时必须有不透雨水的覆盖物 贮存方式可直接堆存在二次发酵仓内 或袋装后存放 加工 造粒 包装可在贮藏前也可在贮存后销售前进行 要求包装袋干燥而透气 如果密闭和受潮会影响堆肥产品的质量 杭州市机械化堆肥场流程图 7 3固体废物焚烧处理 7 3 1概述焚烧法是一种高温热处理技术 即以一定的过剩空气量与被处理的有机废物在焚烧炉内进行氧化燃烧反应 废物中的有害有毒物质在高温下氧化 热解而被破坏 是一种可同时实现废物无害化 减量化 资源化的处理技术 1 焚烧的目的焚烧的主要目的是尽可能焚毁废物 使被焚烧的物质变为无害和最大限度地减容 并尽量减少新的污染物质产生 避免造成二次污染 对于大 中型的废物焚烧厂 能同时实现使废物减量 彻底焚毁废物中的毒性物质 以及回收利用焚烧产生的废热这三个目的 2 可焚烧处理的废物类型焚烧法不但可以处理固体废物 还可以处理液体废物和气体废物 不但可以处理城市垃圾和一般工业废物 而且可以用于处理危险废物 危险废物中的有机固态 液态和气态废物 常常采用焚烧来处理 在焚烧处理城市生活垃圾时 也常常将垃圾焚烧处理前暂时贮存过程中产生的渗滤液和臭气引入焚烧炉焚烧处理 焚烧适宜处理有机成分多 热值高的废物 当处理可燃有机物组分很少的废物时 需补加大量的燃料 这会使运行费用增高 但如果有条件辅以适当的废热回收装置 则可弥补上述缺点 降低废物焚烧成本 从而使焚烧法获得较好的经济效益 3 废物焚烧处理方式废物焚烧处理的工艺流程及其焚烧炉的结构 主要由废物种类 形态 燃烧特性和补充燃料的种类来决定 同时还与系统的后处理以及是否设置废热回收设备等因素有关 一般说来 对于易处理 数量少 种类单一及间歇操作的废物处理 工艺系统及焚烧炉本体尽量设计得比较简单 不必设置废热回收设施 对于数量大的废物 并需连续进行焚烧处理时 焚烧炉设计要保证高温 除将废物焚毁外 应尽可能地考虑废热回收措施 以充分利用高温烟气的热能 a 固体废物焚烧处理方式固体废物的种类 形状有较大差别 如有块 粒状的废物 也有浆糊状的污泥 有可燃质含量多的废物 也有不能自燃 另需添加燃料助燃的废物等等 它们在具体进行焚烧处理时所采用的工艺方法 以及焚烧炉选型上都有所不同 一般说废物的形态和燃烧特性是决定焚烧工艺流程及其焚烧炉炉型的主要依据 例如 当废物具有一定形状 可以搁置在炉排上 且燃烧形态是以表面燃烧和分解燃烧方式进行时 则可选用炉排式焚烧炉 但如废物的颗粒细微 或是泥浆状的 则它无法搁置在炉排上 就需要选用炉床式焚烧炉 有些物质呈一定形状 但稍稍加温尚未燃烧就会发生熔融 堵住炉排通风缝隙 例如含有低熔点盐类的废物或塑料废物 此种废物也无法置于炉排上焚烧 故只能用炉床式焚烧炉或采用更新的流化床焚烧炉进行处理 b 废液焚烧处理方式即使高浓度的有机废液也往往含有大量水分而不能自燃 需要添加燃料助燃 为了节约燃料 在可能情况下可利用高温烟气浓缩废液 或设置废热锅炉副产蒸汽 当焚烧后的烟气含有某种盐分不能直接排放时 则系统还要采取捕集回收措施 当废液粘度较高或含有一些杂质 影响废液的雾化质量 甚至难以符合喷嘴的要求时 需对该废液进行过滤 除去固体微粒杂质 对粘度大的废液要加温或稀释 使之符合所选用喷嘴的要求 因此 废液的焚烧处理方式将视废液的组分情况而定 c 废气焚烧处理方式废气的焚烧处理有直接燃烧和催化燃烧两种处理方式 废气的直接燃烧法同固体 液体废物的焚烧一样 一般的焚烧处理是指直接高温燃烧的方式 催化燃烧是以白金铲 氧化铜 氧化镍等作为触媒 在较低的温度下 150 400 使废气中的可燃组分进行氧化分解的方法 由于温度较低 故可大大节约燃料 但由于触媒较贵 不能处理含尘废气 因此应用不多 废气的直接燃烧法又可分为两种方式 一种是采用焚烧炉 将废气通入炉内燃烧 另一种是采用火炬 即石油化工领域中普通采用的火炬烧嘴 在炉外大气中燃烧废气 用火炬式烧嘴来焚烧废气通常是指那些自身具有较高热值 可以维持高温燃烧的废气 火炬本身只是燃烧器而非炉子 7 3 2焚烧处理指标 标准及要求 1 焚烧处理技术指标用于衡量焚烧处理效果的技术指标有 a 减量比用于衡量焚烧处理废物减量化效果的指标 定义为可燃废物经焚烧处理后减少的质量占所投加废物总质量的百分比 即为 式中 MRC 减量比 ma 焚烧残渣的质量 kg mb 投加的废物质量 kg mc 残渣中不可燃物质量 kg b 热灼减量指焚烧残渣在600 25 经3h灼热后减少的质量占原焚烧残渣质量的百分数 其计算方法如下 式中 QR 热灼减量 ma 焚烧残渣在室温时的质量 kg md 焚烧残渣在600 25 经3h灼热后冷却至室温的质量 kg c 燃烧效率及破坏去除效率在焚烧处理城市垃圾及一般工业废物时 多以燃烧效率 CE 作为评估是否可以达到预期处理要求的指标 式中 CO和CO2分别为烟道气中相应气体的浓度值 对危险废物 验证焚烧是否可以达到预期的处理要求的指标还有特殊化学物质 有机性有害主成份 POHCS 的破坏去除效率 DRE 定义为 Win 进入焚烧炉的POHCS的质量流率 Wout 从焚烧炉流出的该种物质的质量流率 d 烟气排放浓度限制指标废物在焚烧过程中会产生一系列新污染物 有可能造成二次污染 对焚烧设施排放的大气污染物控制项目大致包括四个方面 1 烟尘 常将颗粒物 黑度 总碳量作为控制指标 2 有害气体 包括SO2 HCl HF CO和NOx 3 重金属单质或其化合物 如Hg Cd Pb Ni Cr As等 4 有机污染物 如二恶英 包括多氯代二苯并 对 二恶英 PCDDs 和多氯代二苯并呋喃 PCDFs 2 焚烧处理技术标准及限值以下为中华人民共和国国家环境保护行业标准 小型焚烧炉 HJ T 18 1996 和适用于医疗垃圾焚烧的中华人民共和国城镇建设行业标准 医疗垃圾焚烧环境卫生标准 CJ3036 1995 我国最新城市生活垃圾焚烧排放标准 7 3 3焚烧过程及技术原理 1 燃烧原理与特性焚烧是通过燃烧处理废物的一种热力技术 燃烧是一种剧烈的氧化反应 常伴有光与热的现象 即辐射热 也常伴有火焰现象 会导致周围温度的升高 燃烧系统中有三种主要成分 燃料或可燃物质 氧化物及惰性物质 燃料是含有碳碳 碳氢及氢氢等高能量化学键的有机物质 这些化学键经氧化后 会放出热能 氧化物是燃烧反应中不可缺少的物质 最普通的氧化物为含有21 氧气的空气 空气量的多寡及与燃料的混合程度直接影响燃烧的效率 惰性物质虽然不直接参与燃烧过程中的主要氧化反应 但是它们的存在也会影响系统的温度及污染物的产生 在任何燃烧或焚烧系统中 这三种主要成分相互影响 必须小心控制其成分及速率 才能达到燃烧或焚烧的最终目的 a 燃烧的形态如下表所示 燃烧方式可依据反应前燃料与氧化物的物态分为五种 而燃烧的火焰形态又可依燃料与氧化物的混合方式区分为预混焰与扩散焰 固体废物的焚烧是燃烧型式中的一种形态 属于第四种方式 火焰形态属于扩散焰 一座理想的焚烧炉应具有燃烧速度快 同时产生最大的能量 并且所产生的污染气体与粉尘最少 b 废物的焚烧特性大部分废物及辅助燃料的成分非常复杂 分析所有的化合物成分不仅困难而且没有必要 一般仅要求提供主要元素分析的结果 也就是碳 氢 氧 氮 硫 氯等元素 水分及灰分的含量 它们的化学方程式虽然复杂 但是从燃烧的观点而论 它们可用CxHyOzNuSvC1w表示 一个完全燃烧的氧化反应可表示为 在反应过程中会形成CO2 HCl N2 SO2与H2O等产物 不过上述有机废物在燃烧过程中 有成千上万种反应途径 最终的反应产物未必是上述的CO2 HCl N2 SO2与H2O 但事实上完全燃烧反应只是一种理论上的假说 在实际燃烧过程中要考虑废物与氧气混合的传质问题 燃烧温度与热传导问题等 包括流场及扩散现象 通过加入足够的氧气 保持适当温度和反应停留时间 控制燃烧反应使之接近理论燃烧 不致产生有毒气体 若燃烧控制不良可能产生有毒气体 包括二恶英 多环碳氢化合物PAH 和醛类等 燃烧机理有蒸发燃烧 分解燃烧 裂解燃烧 扩散燃烧与表面燃烧 其中蒸发燃烧 分解燃烧与扩散燃烧又称火焰燃烧 液体燃烧反应主要以蒸发燃烧与分解燃烧为主 而气体燃烧以扩散燃烧为主 固体燃料燃烧包括分解燃烧 蒸发燃烧 扩散燃烧与表面燃烧 c 黑烟形成的原因碳粒是黑烟生成的主要原因 碳颗粒形成的主要途径可参考下图 可分为直接凝缩反应与间接断键反应而形成碳粒 一般由凝缩反应形成的颗粒较大 类似石墨状的结构 可经由撞击或凝缩现象形成1000 10000个结晶体 每个结晶体含有5 20层碳粒子 若经由直链分子断键所形成的碳颗粒 则粒径比上述凝缩反应形成的碳颗粒小 约在0 01 0 1 m之间 2 焚烧废气形成机制a 粒状污染物在焚烧过程中所产生的粒状污染物大致可分为三类 废物中的不可燃物 在焚烧过程中 较大残留物 成为底灰排出 而部分的粒状物则随废气而排出炉外成为飞灰 飞灰所占的比例随焚烧炉操作条件 送风量 炉温 粒状物粒径分布 形状与其密度而定 所产生的粒状物粒径一般大于10 m 部分无机盐类在高温下氧化而排出 在炉外遇热而凝结成粒状物 或二氧化硫在低温下遇水滴而形成硫酸盐雾状微粒等 未燃烧完全而产生的碳颗粒与煤烟 粒径约在0 1 10 m之间 由于颗粒微细 难以去除 最好的控制方法在高温下使其氧化分解 可利用下述经验公式计算高温氧化碳颗粒的消耗率q g cm2 s 式中 PO2 氧气分压 atm Kd 扩散速度常数 KS 反应速度常数可推导出的废气停留时间tb为 式中 R 气体常数 其值为8 314kJ kg mol K T 反应温度 K d0 碳颗粒的粒径 cm 依据煤炭燃烧的研究结果 降低火焰高温区温度 增加过量空气比 减少火焰与废气的温降速率 而且加入添加物以促进冷凝核的形成等因素 都有助于减少小粒径粒状污染物的形成 b 一氧化碳由于一氧化碳燃烧所需的活化能很高 它是燃烧不完全过程中的主要代表性产物 依据一氧化碳的动力学反应 可得到下式 式中 fCO fO2 fH2O 分别为CO O2与H2O的摩尔分率 R 气体常数 8 314kJ kg mol K R 气体常数 82 06atm cm3 kg mol K 式中 fCO f 燃烧前CO的摩尔分率 fCO i 燃烧后CO的摩尔分率 而k为动力常数 用下式计算 由上式得知氧气含量愈高时 愈有利于CO氧化成CO2 不过上式是理论式 事实上焚烧过程中仍夹杂碳颗粒 只要燃烧反应仍能继续进行 CO就可能产生 故焚烧炉二燃室较为理想的设计是炉温在1000 废气停留时间为1s 此外 若焚烧有机性氯化物时 由于有机性氯化物的化学性质 大多数很稳定 在燃烧反应进行时 常夹杂CO与中间性燃烧产物 而中间性燃烧产物 包括二恶英等 的废气分析较为困难 因此常以CO的含量来判断燃烧反应完全与否 c 酸性气体焚烧产生的酸性气体 主要包括 SO2 HCl与HF等 这些污染物都是直接由废物中的S Cl F等元素经过焚烧反应而形成 诸如含Cl的PVC塑料会形成HCl 含F的塑料会形成HF 而含S的煤焦油会产生SO2 据国外研究 一般城市垃圾中硫含量为0 12 其中约30 60 转化为SO2 其余则残留于底灰或被飞灰所吸收 d 氮氧化物焚烧所产生的氮氧化物主要来源有二 一是高温下 N2与O2反应形成热氮氧化物 其中热氮氧化物的动力平衡公式为 R 8 314kJ kg mole K T 绝对温度 K NO N2 O2 分别为NO N2 O2的分压 atm e 重金属废物中所含重金属物质 高温焚烧后除部分残留于灰渣中之外 部分则会在高温下气化挥发进入烟气 部分金属物在炉中参与反应生成的氧化物或氯化物 比原金属元素更易气化挥发 这些氧化物及氯化物 因挥发 热解 还原及氧化等作用 可能进一步发生复杂的化学反应 最终产物包括元素态重金属 重金属氧化物及重金属氯化物等 它们在尾气中将以特定的平衡状态存在 且因其浓度各不相同 各自的饱和温度亦不相同 遂构成了复杂的连锁关系 元素态重金属挥发与残留的比例与各种重金属物质的饱合温度有关 当饱合温度愈高则愈易凝结 残留在灰渣内的比例亦随之增高 f 毒性有机氯化物废物焚烧过程中产生的毒性有机氯化物主要为二恶英类 包括多氯代二苯 并 二恶英 PCDDs 和多氯代二苯并呋喃 PCDFs PCDDs是一族含有75个相关化合物的通称 PCDFs则是一族含有135个相关化合物的通称 在这210种化合物中 有17种 2 3 7 8位被氯原子取代的 被认为对人类健康有巨大的危害 其中2 3 7 8 四氯代二苯 并 二恶英 TCDD 为目前已知毒性最强的化合物且动物实验表明其具有强致癌性 PCDDs PCDFs浓度的表示方式主要有总量浓度及毒性当量浓度 测出样品中所有136种衍生物的浓度 直接加总即为总量浓度 以ng Nm3或ng kg表示 按各种衍生物的毒性当量系数转换后再加总即为毒性当量浓度 毒性当量系数以毒性最强的2 3 7 8 TCDD为基准 系数为1 0 制定 其他衍生物则按其相对毒性强度以小数表示 以ng Nm3或ng kg表示 目前有多