0 引 言
高温好氧生物干化技术是利用高温好氧微生物菌群在降解垃圾中有机质时所释放的热量，在干化仓内形成持续稳定的高温环境(50～70 ℃)，垃圾中液态水分受热后蒸发为气态水，再由通风系统将干化仓的高温高湿气体排出，进而快速高效去除垃圾中绝大部分水分。
生物干化技术在农业、食品、制药等行业已经得到了快速发展[1]；在环境领域也开始应用于畜禽养殖粪便处理、城市污水处理厂污泥干化等[2]；在垃圾处理领域，发达国家已开始以生物干化技术辅助热干化用于垃圾衍生燃料(RDF)的制造等，可降低热干化技术和设备对外部热源的使用量，降低垃圾衍生燃料的生产成本。目前,德国和意大利有4座采用干燥稳定技术的垃圾处理设施，年处理总量近50万t[3]。我国生物干化技术最初更多是应用在污泥方面[4]，研究了在污泥生物干化过程中调理剂、菌种以及通风方式等的作用和效果，并对参数进行优化[5-7]。垃圾高温好氧生物干化技术的微观机理及影响因素非常复杂，到目前为止尚未有成熟的研究成果。本研究重点讨论有机质含量、微生物菌种、污泥粒径、氧气浓度、通风条件等因素对高温好氧生物干化过程和效果的影响规律，确定高温好氧生物干化过程适宜采用的工艺条件、参数范围，为垃圾高温好氧生物干化技术工艺等后续研究提供参考。
1 试验部分
1.1 试验方法
本文共设置3个生活垃圾高温好氧生物干化试验。
试验1号：原生生活垃圾高温好氧干化，材料取自山东省平原县城区某垃圾转运站压缩后的生活原生垃圾(物料A),试验用量为4 t。
试验2号：原生生活垃圾与污泥混合的高温好氧干化，试验材料是物料A及山东省平原县污水处理厂剩余污泥(物料B)的混合试验物料。其中，物料A用量约为3.65 t，物料B用量为0.35 t，总用量为4 t。
试验3号：预破碎生活垃圾的高温好氧干化，取于山东省莱芜市垃圾收集车收集的生活垃圾,试验前经粗破碎(至95%粒径<160 mm)预处理，同时投加“生物宝3号”微生物菌种(活菌数为106～1010 CFU/mL，接种量约为1.5 L/t)，处理量约为2.8 t。
试验材料1—3号的理化性质如表1所示。
表1 试验用生活垃圾理化性质测试分析结果
Table 1 Physical and chemical properties of the selected domestic waste and sludge
名称垃圾体积/m3密度/(kg/m)含水率/%有机质含量/%低位热值/(kJ/g)备注试验材料1号13.530060.238.17398生活垃圾试验材料2号11.030061.540.9*8630*生活垃圾0.3107060.3——污水厂污泥试验材料3号7.637058.934.69255生活垃圾
注：*指混合物料的参数。
1.2 试验装置
1号试验装置如图1a所示，2号、3号试验装置如图1b所示。
1—筒壁； 2—盖板； 3—底板； 4—进料口； 5—出料口；6—检修口； 7—喷淋口； 8—送风口； 9—送风风道；10—排风口； 11—排风风道； 12—渗滤液排出口。
图1 高温好氧生物干化试验装置
Figure 1 Diagram of the high temperature aerobic drying apparatus
1号试验装置采用矩形高温好氧生物干化仓，外形尺寸为3 m×1.8 m×3 m,有效容积为14 m3,采用新型复合轻质保温板；2号试验装置与1号相同，但将罗茨风机换成了离心风机；3号试验装置采用圆柱形高温好氧生物干化仓，φ2 m×3 m，有效容积为8 m3。
2 结果与讨论
2.1 干化过程与效果评估
所有试验组均为中试规模试验。3组试验所使用的生活垃圾量分别为4，3.65，2.8 t，试验周期均为168 h。各试验高温好氧生物干化过程中热力学参数见表2。各试验中试验物料垃圾含水率及低位热值的变化见图2。试验过程中通风系统的空气状态参数、水分去除率、氧气利用率及通风风量等数据见表3。
表2 高温好氧生物干化过程中热力学参数变化的比较
Table 2 Comparison of thermodynamic parameters during aerobic biological drying
试验材料高温期历时/h高温期起始时间/h平均温度峰值/℃平均温度/℃平均相对湿度/℃1号96726146802号102276352863号13515655587
含水率； 
—低位热值。
图2 生活垃圾低位热值与含水率的关系
Figure 2 Relationship between low heating value and water content of domestic waste
由表2可知：各试验过程中试验材料3号温升最快，高温期历时135 h，约占整个试验历时的80%；试验材料1号温升较为缓慢，高温期历时96 h，约占整个试验历时的57%；试验材料2号的高温期历时102 h，约占整个试验历时的60%。
生活垃圾高温好氧生物干化整个过程不仅与温度有关，还与空气中水蒸气的相对湿度有着密切关系。高温好氧生物干化过程中，室外低温低含湿量的新风进入仓体后，吸收仓体内有机质释放的热量，结合垃圾中水分蒸发，变成高温高湿的气体再排出。在相同相对湿度下，温度越高，空气中的水蒸气含量越高，由排风携带出大量的水蒸气，垃圾中的水分逐渐降下来。
表3 高温好氧生物干化试验过程中运行状态参数(平均值)
Table 3 Air state parameters(mean value) in the process of high temperature aerobic biological drying test
试验材料进风含湿量/(g/kg)*排风含湿量/(g/kg)*含湿量差/(g/kg)*水分去除率/%氧气利用率/%单位通风风量/(kg/h)1号11 5544822.9802号11 8271864.8503号1010494897.040
注：*表示以干空气计。
由表2可知：试验材料1—3号的高温好氧生物干化过程中仓内平均温度分别为46，52 ，55 ℃，平均仓内湿度分别为80%、86%、87%；通过表3中空气状态参数可看到：试验材料3号对应的含湿量差是试验
材料1号的2倍；在相同试验周期内，试验材料3号、1号的水分去除率分别为82%、89%；试验材料3号的氧气利用率最大、单位通风风量最小、水分去除率最大，一定程度上说明粗破碎及投加专性好氧菌种等预破碎处理，有助于高温好氧生物干化过程的进行及干化效果的保证。
由图2可知：试验材料1—3号经高温好氧生物干化后，含水率分别为25.7%、22.6%、18.6%，低位热值分别为14750，15640，18720 kJ/kg。
2.2 影响因素分析
上述3组试验的主要区别在于试验材料、预处理及试验装置构型等。影响高温好氧生物干化过程及结果的内部因素主要有有机质含量、含水率、微生物菌种、垃圾粒径、氧气利用率、通风系统等，其中垃圾中有机质含量和含水率是内部因素同时也是决定因素，其余则是外部影响因素。
2.2.1 内部决定因素分析
有机质含量是高温好氧生物干化过程能否持续进行的关键因素，而垃圾含水率越高，需要的蒸发量越大，因此需要的有机质含量也越大。垃圾中有机质主要包括蛋白质、脂肪及碳水化合物，其中碳水化合物好氧分解后释放的热量是3种有机质中最低的。
我国生活垃圾普遍具有高含水率、高有机质的特点，其重要原因是我国生活垃圾中厨余垃圾的比例己经高达80%。本文对山东省部分正常运行的餐厨垃圾处理厂(2017年12月数据)的餐厨垃圾进行了分析总结，参见表4。
表4 山东省各地市餐厨垃圾成分
Table 4 Ingredients of the kitchen waste in some areasin Shandong
设区市平均含固率/%有机干物质/%含油率/%粗蛋白/(g/kg)盐分/(mg/L)总含碳量/(g/kg)碳氮比有机酸/(mg/L)青岛市18925.1—4.5518012017280东营市19.19832.117.12.7745017.210000泰安市139317150.2～1360151500威海市25～2691——————德州市10912.0116.731.4938417.49—菏泽市15.592.13.114.4723.535915.621340平均值15.190.45.915.88.1346.637.17530
注：“—”表示未涉及相应数据。
我国生活垃圾的含水率一般在60%左右，将含水率降低至20%以下时，大约需要去除垃圾中80%的水分，估算垃圾中有机质含量在15%及以上时，可以满足高温好氧生物干化的需求。参看表1可知：试验材料1-3号的有机质含量均超过15%，可以满足该能量要求。
2.2.2 主要外部影响因素分析
高温好氧生物干化过程中，能量速率速率、释放量与微生物菌种和氧气利用率有着很大关系。高温好氧生物干化仓内垃圾堆体中微生物菌群的种类及分布随着温度的变化而变化；由于试验组3号投加的是专性好氧微生物菌种，在干化过程启动时，主要是进仓垃圾中所携带的各类厌氧微生物菌群占优势；随着氧气的充足供给，好氧微生物菌群迅速繁殖，使有机质的分解过程加速，仓内温度快速升高；仓体内垃圾堆体温度升高达到50 ℃后，放线菌占优势；垃圾堆体温度达到60 ℃以后，专性好氧高温嗜热菌占优势。由表2可知：从高温好氧生物干化过程来看，未接种好氧微生物菌种的试验材料1号大约在72 h进入高温期，仓内测点平均温度的最高值约为60.8 ℃；而添加生物宝3号菌种的试验材料3号大约在17 h进入高温期，仓内测点平均温度的最高值为65 ℃，二者之间高温期持续时间相差近40 h，说明微生物菌种对高温好氧生物干化过程的影响非常明显。
高温好氧生物干化过程中投加的微生物菌种属于专性好氧微生物菌种，故干化过程受垃圾粒径与通风系统的气流组织形式影响较显著。
由于中国生活垃圾未进行有效的分类收集，经常会含有体积较大的家具、纺织物、金属和建筑垃圾等，且生活垃圾多使用塑料包装袋进行收集，不利于干化过程中水分的蒸发和排除。试验过程中，对试验材料3号采用粗破碎预处理方式。垃圾经粗破碎预处理后，粒径变小、颗粒度更均匀，增加了垃圾中有机质与微生物菌种的接触效率。而且经粗破碎预处理后，垃圾颗粒间分布更均匀，其孔隙度、渗透性提高，对仓体内的物质交换、能量交换、气体流动和水蒸气排出等有促进作用，改善了通风系统末端气流组织，提高了氧气利用率，减少通风系统的风量和风压；目前国内外大多数还是采用类似于垃圾好氧堆肥技术对生活垃圾进行生物干化处理，并不对原料进行粗破碎等预处理，经垃圾好氧堆肥干化后的垃圾含水率最低也只可降至30%左右，远高于试验材料3号高温好氧生物干化后的18.6%。
图3为试验材料3号高温好氧生物干化过程中的高温稳定阶段仓内垃圾堆体内氧气浓度、氧气利用率等的变化规律，该阶段仓内氧气浓度最高值为20.9%、最低值为16.7%，氧气平均利用率为10.8%，标准差为0.255%；通过试验干化结果计算的氧气利用率为7%。 而试验材料1号、2号的氧气利用率计算值分别为2.9%、4.8%，3种试验材料的氧气利用率试验设定值均为5%，试验材料1，2，3号高温好氧生物干化试验的单位通风风量分别为80，50，40 kg/(h·m3)。
氧气浓度；
氧气利用率平均值；
氧气利用率。
图3 高温好氧生物干化过程中氧气浓度及氧气利用率变化
Figure 3 Changes of oxygen concentration and utilization rate of oxygen in high temperature aerobic bio-drying process
在高温好氧生物干化过程中，干化仓内氧气浓度决定着仓内微生物优势菌群的种类和数量，进而决定着生物干化过程属于厌氧或是好氧。
不同的高温好氧生物干化仓构造形成不同的气流组织方式，二者共同决定着高温好氧生物干化过程中质量和能量交换。如图1a所示，试验材料1号与2号采用矩形仓，材质为新型保温板，通风系统采用了下进上出的正压送风、正压排风方式。底部穿孔管均匀配风，水蒸气运动方向由下至上，因此中间测点测得的相对湿度数据中，饱和值比例较高。而仓体下部受到室外新风的影响，相对湿度数据中饱和值比例较低，容易产生冷凝水，导致垃圾堆体间出现局部厌氧区域，不利于高温好氧生物干化过程，因此干化效果较试验材料3号有差距。
如图1b所示，试验材料3号采用圆柱形仓，材质为传热系数较低的玻璃钢，采用下部进风、轴中上部出风的负压进风、负压排风的方式。因此仓体上部是湿度最高的部位，更有利于保证垃圾堆体内高比例的好氧环境，提高了干化效率。
综上所述，高温好氧生物干化过程和效果的内部决定因素主要是有机质含量及含水率，外部影响因素主要包括微生物菌种、颗粒粒径、氧气利用率、通风系统等，它们共同决定了高温好氧生物干化过程中温湿度的变化规律及干化后垃圾含水率、低位热值等结果。在设定的条件下，3组试验干化后的含水率均在20%以上，满足设计要求。
2.2.3 其他外部影响因素分析
在实际操作中影响高温好氧生物干化过程和效果的其他因素还有仓体的保温性能、防腐功能及进风的空气状态等。
干化仓体保温性能影响高温好氧生物干化过程中热量的利用效率，减少仓体对外界散热量，可以提高生物干化效率和增强干化效果。试验材料1号、2号采用的仓体材料的保温系数不高于0.8 W/(m2·K)。
仓体的防腐材料可采用非金属的玻璃钢或新型保温防腐建材，也可采用钢制、混凝土材料后进行防腐处理，一般采用725-H06-21环氧富锌底漆、25-H53-81环氧云铁防锈中间漆以及725-BS43-91可复涂聚氨酯面漆等，达到防腐效果。
高温好氧生物干化技术应用在不同地域范围、季节时，进风的空气状态差异明显，其对高温好氧生物干化的温度、湿度有着显著影响。对于中国北方冬季寒冷地区，可通过预热等方式改善进风空气状态，提高干化效果。
对于我国生活垃圾来说，垃圾中的有机质和含水率在一定范围内是可以确定的，通过改善各外部影响因素控制干化过程进而控制干化结果。在高温好氧生物干化过程中，各外部影响因素主要根据空气状态参数、氧气浓度等监测数据来控制。上述试验数据为实际工程微生物菌种的投加量和垃圾粒径提供了一定的数据参考。可通过改善预处理方式来提高高温好氧生物干化速率；通过控制通风系统的方式和通风风量来节约能耗，降低运营成本。
3 结 论
1)影响高温好氧生物干化过程和效果的主要因素包括有机质含量、微生物菌种、通风风量、仓体构造、氧气浓度、颗粒粒径、仓体保温性能。其中，高温好氧微生物菌种、通风风量、仓体构造是尤为重要的外部影响因素。
2)高温好氧生物干化的适宜条件：垃圾中有机质含量>15%，接种适宜的高温好氧微生物菌种(活菌数为106～1010 CFU/mL，接种量约为1.5 L/t)，垃圾粒径控制在95%<160 mm，且通风风量应同时满足有机质好氧分解过程需氧和除湿所需空气量的要求。
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