城市固体废物中过小颗粒部分经生物稳定处理后，对稳定剂能量参数的影响

《Journal of Environmental Management》：The influence of biological stabilisation of the undersize fraction of municipal solid waste on the energy parameters of the stabilizer

生物稳定化处理能显著提升混合市政固体废物的能量潜力，本研究通过技术规模验证发现，经六周好氧处理后，低位热值（LHV）从4.16 MJ/kg增至6.2 MJ/kg，能量潜力（EP）达15.7 GWh，电力潜力（EPP）达197 MW/年。分析表明水分含量是主要制约因素，碳（C）、氢（H）、氮（N）含量对提升潜力至关重要。研究为优化工艺参数提供了理论依据。

　　生物稳定化是处理混合市政固体废弃物（MSW）的关键环节，尤其在波兰的法律框架下，未经分类的MSW必须经过六周的生物稳定化过程。这一过程通常采用好氧处理，因为其操作和投资成本相对较低。然而，由于无法高效地从混合废料中分离出高能量材料，这些材料可能仍然满足能量回收的条件，即使在处理过程中有机物质被大量去除。因此，本研究旨在评估生物稳定化过程中，生物稳定化产物的能源潜力变化。新鲜筛分后的混合MSW的低位热值（LHV）仅为4.16 MJ/kg，被认为不足以支持自热焚烧。然而，生物稳定化显著影响废料的能源特性，从处理开始的初期就显示出效果。在处理一周后，LHV、能量潜力（EP）和电能潜力（EPP）分别上升至6.2 MJ/kg、15.7 GWh和197 MW每年。第五周的处理过程中也观察到了类似的高潜力值。

水分含量是影响废料能源潜力的关键因素，高碳、氢和氮含量则有助于提升其能量特性。理论上，当碳含量达到50–60%且水分含量在28–40%之间时，EP可超过14 GWh；而当碳含量在55–50%、水分含量在34–36%之间时，EPP可超过180 MW。富含氮的样品也显示出EP和EPP的提升，但研究未考虑氧化物排放问题。研究结果表明，在某些条件下，仍然可以从生物稳定化产物中有效回收能量。

混合MSW的生物稳定化过程通常采用好氧方式，在工业规模的反应器中进行。该反应器包含22个主动供气的反应器，每个反应器的体积为735立方米，由钢筋混凝土建造，顶部封闭。每个反应器配备有收集多余渗滤液的系统，以及通过排水渠进行底部供气的装置，由风扇驱动，每小时可提供最高10,000立方米的空气交换。水分、氧气浓度（OC）和堆体温度被持续监测，以维持OC在约20 mg/L的恒定水平。整个处理过程通常在六周内满足稳定化要求，即呼吸活性降低至低于10 mg O?/g d.m.。这一过程在封闭循环中进行，无需对反应器内部进行灭菌处理，而是依靠连续运行中形成的稳定、本土微生物群落。

在本研究中，每周都会采集废料样本，并在填装反应器的第一天采集“零”样本。为了确保样本的均匀性，采样过程包括在打开反应器后进行纵向挖掘，然后每隔约1.5米采集10个10公斤的样本，以获得100公斤的初步样本。随后，通过四分法或混合方法获得约10公斤的实验室样本，并立即运送到实验室进行分析。废料中玻璃、金属和塑料等可回收材料的占比通过手动筛分和称重方法确定，这些材料约占混合废料重量的22%。其余的78%则由所谓的“湿”废料（如厨房、绿色和卫生废料）及细粒废料组成。

在分析过程中，发现废料的水分含量是影响其能量潜力的关键因素。高水分含量会导致低位热值（LHV）和高位热值（HHV）的下降，同时降低温度和能量输出。而高碳、氢和氮含量则有助于提升废料的热值和能量潜力。例如，当碳含量达到50–60%且水分含量在28–40%之间时，能量潜力（EP）可达到14 GWh以上；当碳含量为55–50%且水分含量为34–36%时，电能潜力（EPP）可超过180 MW。此外，富含氮的样品也表现出更高的能量潜力，但未考虑氧化物的排放问题。研究结果表明，在特定条件下，仍可以从生物稳定化产物中有效回收能量。

在处理过程中，水分含量的变化对废料的能源特性有显著影响。初始水分含量为40–55%，并在处理的一周内逐渐增加，随后在接下来的两周保持稳定，最终在稳定化过程结束时减少至30%。低水分含量（37.5%）有助于提高温度和有机物质的降解速率，从而促进生物热的产生。研究发现，水分含量与能量潜力和电能潜力呈负相关，而碳、氢和氮含量则呈正相关。在处理过程中，LHV的变化与水分含量和堆体湿度密切相关，而HHV则受到湿度的强烈正影响。

在处理的前两周，水分含量显著增加，随后逐渐下降。研究显示，水分含量与堆体温度呈负相关，与能量输出也呈负相关。而碳含量与LHV和能量潜力参数（EP和EPP）之间存在弱负相关。虽然某些操作参数可能影响废料的氢和氮含量，但研究并未发现显著影响。在生物稳定化过程中，水分含量和LOI是主要的控制因素，它们对能量潜力和电能潜力的影响显著。

通过主成分分析（PCA）进一步揭示了水分含量在降低燃烧效率中的关键作用，而高碳、氢和氮含量则有助于改善燃料的能源特性。水分含量的增加会导致LHV和HHV的下降，同时降低堆体温度和能量输出。因此，降低混合废料的水分含量有助于提高燃烧效率和增加能量产出。此外，PCA分析表明，水分含量和LOI对燃烧和能量生产的影响显著，而碳、氢和氮含量则对燃料的热值和能量转换效率有正向影响。

生物稳定化不仅有助于减少有机物质的不稳定性，还对垃圾填埋场的运营问题有积极影响。研究显示，混合MSW的生物稳定化可以显著减少废料质量，但其具体效果可能因处理条件而异。例如，在实验室规模的好氧预处理中，废料的挥发性固体减少率在20%至53%之间，这取决于供气速率。在实际应用中，生物干燥可以减少废料质量的36.6–49.2%，具体取决于处理温度。这些数据表明，水分含量和有机物质的组成是影响生物稳定化效果的重要因素。

本研究还强调了生物稳定化在提高废料能源潜力方面的潜力。在处理的一周后，LHV和EP达到最高值，分别为6.2 MJ/kg和15.7 GWh。在第五周，LHV和EP进一步上升，分别达到6.3 MJ/kg和15.92 GWh。这些结果表明，生物稳定化在短期内可以显著提升废料的能源特性，使其更适合作为能源回收的原料。然而，生物稳定化后的废料可能仍然无法满足某些焚烧设施的要求，特别是那些对能量密度有较高标准的设施。

生物稳定化过程中，废料的水分含量和有机物比例是影响其能量特性的主要因素。研究发现，水分含量在28–40%之间时，能量潜力可达到14 GWh以上，而碳含量在49–64%时，电能潜力可超过180 MW。这些结果表明，水分含量的降低和碳含量的增加是提升废料能源潜力的关键策略。此外，生物稳定化过程中的其他参数，如LOI、氢和氮含量，也对能量特性有影响，但其作用相对较小。

在实际操作中，生物稳定化后的废料通常被直接送往垃圾填埋场。然而，由于生物稳定化过程中水分含量的降低和有机物的分解，其能源潜力显著提高。研究结果表明，生物稳定化后的废料可以满足某些焚烧设施的最低能量要求，从而提高其在能源回收中的可行性。此外，生物稳定化还可以减少填埋场的渗滤液污染和气体排放，对环境保护具有重要意义。

本研究还探讨了生物稳定化在不同国家和地区的应用情况。例如，在德国，2022年通过WtE技术处理的MSW量为15,226千吨，这反映了该国在能源回收方面的领先地位。而在波兰，尽管存在一定的基础设施限制，但生物稳定化技术的应用正在逐步扩大。研究建议，通过优化生物稳定化过程，提高废料的能源潜力，从而减少对化石燃料的依赖，并为实现循环经济目标做出贡献。

总之，生物稳定化在提升混合MSW能源潜力方面具有重要作用。通过合理控制水分含量和碳含量，可以显著提高废料的热值和能量输出。此外，生物稳定化还能减少垃圾填埋场的环境负担，提高能源回收的效率。未来的研究应进一步探索如何优化生物稳定化过程，以实现更高的能源利用效率和更可持续的垃圾管理方案。