0 引 言
据统计，我国面积大于500 m2的岛屿有7300多个[1]，其中433个岛屿总计拥有常住人口452万。随着海岛旅游的发展和我国对于周边海岛的开发建设，海岛垃圾产生量呈直线上升，如得不到妥善处理和处置，将影响居民和游客的生活质量，最终威胁着海岛脆弱的生态环境。
目前海岛生活垃圾处理通常采用就地掩埋、简易焚烧和离岸处置等方式，其中比较先进的是“减量化处理+集中转运”的离岛无害化处理模式[2]。珠海市万山区在全国范围内首创该模式，对海岛村镇生活垃圾进行在岛收集、压缩打包海运至市区，再陆路转运至西坑尾垃圾处理场进行无害化处理[3]。对于因条件限制无法采用就地掩埋、简易焚烧等垃圾处理措施，且离岸较远、地域敏感度较高的海岛生活垃圾，若采用“离岛无害化处理模式”，除转运成本太高外，还存在运输过程中发生腐变，易引发细菌繁殖、恶臭散发等问题，寻找更加适合这些岛屿就地进行资源化处理的垃圾处理技术和方法成了燃眉之急。而本研究提出的一种生活垃圾小型一体化处理技术成为解决上述难题的有效方法。
1 生活垃圾小型一体化处理技术及工艺流程
该生活垃圾小型一体化处理技术是将预破碎、高温好氧生物干化、焚烧、热能利用、烟气净化等过程有机结合而成的新型技术[4，5]，是针对海岛产生的不便外运进入城市垃圾处理体系的小规模生活垃圾处理处置方法。
生活垃圾小型一体化处理技术的核心是利用高温好氧生物干化技术将生活垃圾中有机质的生物能量转换成热能，辅助以燃烧烟气中的余热，将“高含水、低热值”的海岛生活垃圾干化为“低含水、高热值”的燃烧性能良好的垃圾衍生燃料(RDF)，再利用小型高效锅炉将垃圾衍生燃料(RDF)转化为热能，燃烧后的灰渣可作为绿化肥料就地利用，实现了生活垃圾就地无害化、减量化和资源化处置及利用。
工艺流程主要分为4个部分：生活垃圾高温好氧生物干化及燃料制备、垃圾衍生燃料(RDF)燃烧及利用、烟气净化部分及自动控制、灰渣再利用，工艺处理流程如图1所示。
图1 生活垃圾小型一体化处理技术工艺流程
Fig.1 Schematic diagram of the small-scale integrated treatment technology for domestic waste
工艺运行过程如下：
1)生活垃圾经由提升机送至预破碎设备进行破碎，与此同时通过喷淋装置进行微生物接种。
2)预破碎、接种后的生活垃圾通过无轴螺旋输送机送入干化仓内进行高温好氧生物干化。
3)每个高温好氧生物干化仓的干化周期为5 d。前4 d以生物干化为主、热风干化为辅，第5天以热风干化为主、生物干化为辅。对处于垃圾入仓阶段和高温好氧生物干化过程的2个仓体送入新风及烟气(体积比为10∶1)混合气体，为其提供O2及热量，高温好氧微生物菌群借此将垃圾中的有机质分解为CO2和H2O，并产生大量热能，这些热能和烟气中的余热共同将垃圾中水分蒸发，经鼓风机排出干化仓，以达到垃圾干化目的；烟气中含有的有机物、H2S、NOx等物质也在生化过程中被降解。4 d后，通风系统向干化仓体送入烟气及新风混合气体(体积比为6∶4)，为前述经过4 d高温好氧生物干化后的生活垃圾提供更多高温烟气，进一步去除垃圾中残存的水分，确保垃圾干化的效果及垃圾衍生燃料(RDF)的燃烧性能。
4)生活垃圾经过上述处理后,形成低含水(含水率<15%)、高热值的絮状垃圾衍生燃料(RDF)，暂存于储存仓，仓体的容积设计应满足燃料暂存和锅炉连续燃烧的需要。
5)絮状垃圾衍生燃料(RDF)由无轴螺旋输送器送入小型锅炉燃烧，燃烧所产生的热能可用于生产热水或其他用途，方便海岛居民生产生活。
6)锅炉燃烧垃圾衍生燃料(RDF)所产生的烟气，先后进入旋风除尘、布袋除尘后，由鼓风机送入高温好氧生物干化仓进行烟气净化，再进入SO2喷淋吸收塔、活性炭吸附过滤组成的烟气净化装置，达到GB 13271—2014《锅炉大气污染物排放标准》的排放要求后外排。
7)燃烧产生的灰渣可以作为肥料用于海岛绿化种植。
8)高温好氧生物干化过程初期产生的渗滤液，先用于高温好氧微生物菌种培养，再喷入生活垃圾高温好氧干化仓内，随着垃圾中的水分在高温好氧生物干化过程中去除。整个处理过程不需要垃圾渗滤液处理设施。
2 针对南沙某海岛垃圾处理的设计方案
2.1 方案项目概况
项目所在海岛地处我国南沙海域，远离陆地，垃圾处理设施服务的人口为近期5000人，远期10000人，人均垃圾收集量可按0.5 kg/(人·d)考虑，项目处理规模确定为5.0 t/d。
项目覆盖居民以建制化管理的人员为主，建筑垃圾、可回收垃圾等不进入生活垃圾收集和处理系统。因此，现有垃圾成分仍以餐厨垃圾、塑料、木竹纤维等为主，其成分如表1所示。
表1 海岛原生生活垃圾理化性质
Table 1 Physical and chemical properties of primary island domestic waste
密度/(kg·m-3)含水率/%有机质含量/%低位热值/(kJ·g-1)36063.132.9.6947
偏远海岛所产生的生活垃圾与内陆城市区域的垃圾成分相比，共性是高含水率、高有机质含量、低热值、高混合度，独特之处是含水率更高，更易腐烂，不能直接燃烧和不便长距离运输。海岛多处于敏感地区，不能采用产生浓黑烟气的简易焚烧处理等；同时，海岛陆域面积有限，也不适于采用卫生填埋、堆肥等处理工艺。
2.2 工程设计方案
2.2.1 工程总平面布置方案
工程总平面布置方案如图2所示，项目用地面积为493 m2。
2.2.2 工艺流程
方案工艺流程为垃圾储存→预破碎装置→高温好氧生物干化系统→垃圾衍生燃料(RDF)制备及储存→垃圾衍生燃料(RDF)燃料燃烧及热能利用→烟气净化及排放→灰渣再利用，项目主要设备材料如表2所示。
1—垃圾储存箱；2—粗破碎机；3—喷淋泵；4—高温好氧干化仓；5，6—鼓风机；7—风选机；8—RDF储存箱；9—热水锅炉；10—SO2喷淋吸收塔；11—活性炭滤池；12—变配电室；13—值班室。
图2 总平面布置示意
Fig.2 General layout plan of the project
表2 工程涉及的主要设备材料
Table 2 List of main equipments for the project
序号名称规格功率/kW数量材质所属工艺流程备注1垃圾储存箱1000 kg/h18.51不锈钢垃圾储存2 m×2.5 m×2 m2粗破碎机1000 kg/h18.51不锈钢高温好氧生物干化系统3喷淋泵200 kg/h0.51不锈钢高温好氧生物干化系统4高温好氧干化仓5 t/d—5玻璃钢高温好氧生物干化系统ϕ=2.5 m,h=4 m5鼓风机(排风)1600 m3·h1.51不锈钢高温好氧生物干化系统密封6鼓风机(排烟)1200 m3·h1.51不锈钢锅炉烟气净化及排放密封7风选机300 kg/h31不锈钢燃料衍生燃料制备密封8垃圾储存箱1000 kg/h18.51不锈钢垃圾衍生燃料制备1.6 m×1.2 m×2 m9热水锅炉2 t/h—1不锈钢燃料燃烧及热能利用10SO2喷淋吸收塔50 m3/h—1不锈钢烟气净化密封11活性炭滤池1 m3—1铸铁烟气净化全密封12提升机1000 kg/h1.51不锈钢干化仓进料13进料电动闸板400 mm×400 mm0.55不锈钢干化仓进料密封14出料电动闸板400 mm×400 mm0.55不锈钢干化仓出料密封15无轴螺旋输送机1000 kg/h31不锈钢干化仓进料垂直运输16无轴螺旋输送机1000 kg/h1.51不锈钢干化仓进料水平运输17无轴螺旋输送机300 kg/h1.51不锈钢干化仓出料水平运输18无轴螺旋输送机300 kg/h1.51不锈钢垃圾衍生燃料制备垂直运输19无轴螺旋输送机300 kg/h0.51不锈钢垃圾衍生燃料利用水平运输20监测系统1温湿度及氧气浓度等监测21自控系统—1成套工艺自动控制
上述各设备的监测数据信号传送至电脑控制柜后，由控制系统控制送风量、排风量及烟气量等，执行调节垃圾进料—粗破碎—高温好氧生物干化—燃烧—烟气处理全工序后，自动完成无害化、减量化、资源化的处理过程。
3 项目主要经济指标
本项目的主要经济指标如表3所示。
表3 工程主要经济指标
Table 3 Main economic indicators of the project
名称处理垃圾用地面积装机功率能耗处理成本生成燃料RDF热值可产热水燃烧灰料数量5 t/d493 m247 kW·h250 kW·h/d42.50元/t1.5 t/d3500 kg40 t0.25 t/d
注：电费以0.85元/(kW·h)计；RDF热值为平均值；热水温度90 ℃，其注入冷水初温按20 ℃计算。
4 生活垃圾小型一体化处理技术的试验验证
4.1 试验概述
2015年9月，根据上述设计方案在山东省莱芜市进行试验验证。由于无法远距离运输海岛垃圾，在验证试验中选择与其性质相近的垃圾样品，垃圾的理化性质如表4所示。
表4 验证试验用生活垃圾理化性质
Table 4 Properties of the selected domestic waste in verification test
名称垃圾体积/m3密度/(kg·m-3)含水率/%有机质含量/%低位热值/(kJ·g-1)原生生活垃圾7.538561.739.27847干化后垃圾——18.6—18720
4.2 试验装置及工艺流程
试验装置主要由好氧生物干化仓、鼓风机、燃烧炉、烟气净化器(活性炭)、检测仪器组成。本试验对处理过程排放气体成分的检测采用NOVA2000气体组分测试仪，主要监测指标有NO、NOx、SO2等。
4.3 试验启动运行
1)将粗破碎后的生活垃圾接种好氧微生物菌种后，用铲车送入高温好氧生物干化仓内，并做好仓体密封。
2)开启干化仓空气进风管道阀门，关闭干化仓的烟气阀门，开启排风机，利用排风在干化仓体内形成的负压，使适量空气进入高温好氧干化仓，高温好氧生物干化试验开始。
3)点燃燃烧炉内的絮状垃圾衍生燃料(RDF)，由于烟气温度较高，因此将燃烧炉烟道输出的烟气先送入冷水槽内进行降温，使烟气维持在(100±10)℃。
4)仓体内温度升至50 ℃并稳定2 h，调小干化仓空气进风阀门，开启干化仓烟气阀门，利用排风在干化仓体内形成的负压，将降温后的烟气经进风口送入干化仓内，开启NOVA2000气体组分测试仪监测烟气中污染物浓度。
4.4 试验结果
1)生活垃圾干化后含水率及低位热值分别为18.6%及18720 kJ/kg。
2)絮状垃圾衍生燃料(RDF)燃烧过程中炉膛温度、烟气温度分别为482，236 ℃。
3)试验过程外排污染物监测指标如表5所示。可知：高温好氧生物干化过程的尾气排放符合GB 13271—2014限值。
表5 试验过程外排气体的主要污染物检测指标
Table 5 Concentration of main polllutants in exhaust gas in test process
NONOxSO2排放浓度49.980.5277.8排放标准(GB 13271—2014)—400400
4.5 创新点概述
利用高温好氧生物干化技术将垃圾中有机质生物能量在高温好氧的条件下转化成热能，再辅助以燃烧炉燃烧烟气中的余热，将“高含水、低热值”的生活垃圾干化为“低含水、高热值”燃烧性能良好的垃圾衍生燃料(RDF)。同时，小型高效锅炉将RDF进行燃烧处理产热，灰渣作为绿化肥料就地利用。高温好氧生物干化过程可去除垃圾的有机物、H2S、NOx以及燃烧烟气中的主要污染物，排出干化仓的气体再经烟气净化装置进一步处理，可达到GB 13271—2014限值。
5 结 论
本研究介绍了1种生活垃圾一体化处理技术，将高温好氧生物干化技术与RDF制造、垃圾焚烧、热能利用、烟气净化等过程有机结合。
处理工艺流程：垃圾储存→预破碎装置→高温好氧生物干化系统→垃圾衍生燃料(RDF)制备及储存→垃圾衍生燃料(RDF)燃料燃烧及热能利用→烟气净化及排放→灰渣再利用，形成一个完整、良性的处理链条，就地实现海岛生活垃圾的减量化、无量化、资源化。
该技术适用于对海岛等规模小，且不便长距离外运处理的生活垃圾进行就地处理及利用。对于5 t/d的生活垃圾处理规模，可生成垃圾衍生燃料(RDF)约1.5 t/t，90 ℃热水40 t/d，烟气经净化后可达标排放，灰渣可以作为肥料用于海岛绿化种植用。
[1] 国家海洋局.全国海岛保护规划[R].北京：国家海洋局，2012.
[2] 陈培雄,相慧,王琪,等.偏远海岛地区生活垃圾处理模式研究[J].环境工程,2016,34(增刊1):722-725.
[3] 李婷, 全国首创离岛垃圾处理留住“秘境”美味[N/OL].珠海新闻网,2016-10-19.
[4] 陈峰,陈丹.城市原生垃圾好氧生物干化系统[P].CN203018437U.2013-06-26.
[5] 陈峰,陈丹.一种城市原生垃圾高温废气好氧生物干化方法与系统[P].CN102716895A,2012-10-10.