用于陳腐垃圾處置的精細(xì)化篩分工藝＊
——以某垃圾填埋場為例

黃乃先，陳 晨，孔 斌

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海 200092）

1 工程背景概述

隨著人口增長、城市化和生活方式變化等綜合因素影響，全球城市固體廢物年產(chǎn)生量預(yù)計(jì)在2025 年將超過2.2×109t［1］。垃圾填埋是大多數(shù)國家處理固體廢物的主要方式之一。據(jù)報(bào)道，中、低收入國家早期通常采用低運(yùn)營成本的非正規(guī)或簡易填埋方式進(jìn)行固體廢物處理［2］。我國固體廢物處理技術(shù)發(fā)展較晚，早期生活垃圾大多采用簡易填埋的方式進(jìn)行［3］，該方式使用的防滲和氣體導(dǎo)排措施很難達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求，垃圾堆體中的滲濾液和填埋氣極易對周邊的水體、土壤和大氣產(chǎn)生二次污染，對人體健康和生活環(huán)境造成安全隱患［4］。據(jù)《住房城鄉(xiāng)建設(shè)部生態(tài)環(huán)境部水利部農(nóng)業(yè)農(nóng)村部關(guān)于做好非正規(guī)垃圾堆放點(diǎn)排查和整治工作的通知》（建村〔2018〕52 號）中非正規(guī)垃圾堆放點(diǎn)排查整治信息統(tǒng)計(jì)，2017 年全國非正規(guī)垃圾堆放點(diǎn)約2.7×104個，由于環(huán)保、技術(shù)和運(yùn)營管理水平不高，這些非正規(guī)填埋場成為生態(tài)環(huán)境新的風(fēng)險點(diǎn)。近年來，國家對非正規(guī)或簡易填埋場的治理高度重視，先后出臺了一系列政策?！笆濉逼陂g，由住建部牽頭開始勘查全國非正規(guī)老舊填埋場并于2012 年聯(lián)合國家發(fā)改委、生態(tài)環(huán)境部發(fā)布《住房城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)展改革委環(huán)境保護(hù)部關(guān)于開展存量生活垃圾治理工作的通知》（建城〔2012〕128 號），要求各地認(rèn)真組織轄區(qū)內(nèi)存量垃圾整治。2016 年，國家發(fā)改委、住建部印發(fā)《“十三五”全國城鎮(zhèn)生活垃圾無害化處理設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》的通知（發(fā)改環(huán)資〔2016〕 2851號），加大了對存量填埋場的治理力度，明確指出“十三五”期間存量垃圾投資241.4 億元，計(jì)劃實(shí)施存量垃圾治理項(xiàng)目803 個。

當(dāng)前垃圾填埋場的治理技術(shù)主要為原位封場、原位好氧穩(wěn)定化、異地搬遷和原位開挖篩分處置［5-7］。我國因“無廢城市”“零填埋”等相關(guān)政策倒逼、土地經(jīng)濟(jì)價值的激勵，原位開挖篩分處置技術(shù)逐漸成為實(shí)際工程應(yīng)用中的主流技術(shù)。該技術(shù)借助篩分系統(tǒng)，將填埋場中的陳腐垃圾按粒徑、質(zhì)量等物理性質(zhì)的差異分成不同類別，最后根據(jù)各類別的特性再進(jìn)行資源化利用［3，8］。原位開挖篩分處置技術(shù)具有釋放土地資源、永久消除填埋場對周邊環(huán)境的污染隱患、無需長期運(yùn)營維護(hù)、存量垃圾減量化效果顯著等特點(diǎn)。

我國早期填埋場中陳腐垃圾普遍存在物料組分復(fù)雜、易團(tuán)聚、難分散等特點(diǎn)。傳統(tǒng)篩分工藝系統(tǒng)單一，篩分過程易堵塞、分離精度低、篩分質(zhì)量差，無法對陳腐垃圾進(jìn)行多級分類，影響產(chǎn)能和篩分產(chǎn)物的后續(xù)資源化利用。因此，優(yōu)化篩分工藝，設(shè)計(jì)一套針對陳腐垃圾的高效篩分系統(tǒng)對促進(jìn)“無廢城市”建設(shè)、提高存量垃圾處置能力至關(guān)重要。本工程案例中的填埋場是未經(jīng)政府部門規(guī)劃的簡易非正規(guī)填埋場，總占地約10 hm2，垃圾體量約9.0×105m3，堆放年限達(dá)10 余年。填埋垃圾主要由布片、塑料袋、膠卷等廢棄物組成，夾雜少量建筑垃圾。該場自啟用以來先后進(jìn)行4次封場完善處理，包括覆土及部分覆膜、覆綠設(shè)施，垃圾堆體整形與處理，完善滲濾液收集系統(tǒng)、地表水收集系統(tǒng)、填埋氣導(dǎo)排系統(tǒng)等，現(xiàn)因場地未來規(guī)劃需要對該填埋場垃圾進(jìn)行篩分處理。本研究結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況提出1 種精細(xì)化篩分工藝，該工藝產(chǎn)線主要由三級篩分系統(tǒng)、工業(yè)相機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和PLC 控制系統(tǒng)組成。陳腐垃圾經(jīng)過三級篩分系統(tǒng)被細(xì)分為含雜率更低的物料類別，安裝于產(chǎn)線各關(guān)鍵部位的工業(yè)相機(jī)負(fù)責(zé)監(jiān)控篩分情況，PLC 控制系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)控反饋可實(shí)時調(diào)節(jié)篩分參數(shù)以降低堵塞概率。

1.1 陳腐垃圾組分檢測

項(xiàng)目前期委托第三方檢測單位參照CJ/T 313—2009 生活垃圾采樣和分析方法隨機(jī)選取10 個點(diǎn)位（隨機(jī)抽樣的總體為項(xiàng)目地質(zhì)勘察階段的70 個鉆探點(diǎn)位，隨機(jī)點(diǎn)位編號為SS1～SS10，垃圾平均埋深為9.84 m）對該填埋場陳腐垃圾的含水率、物理組成、可燃物熱值、土壤質(zhì)地等指標(biāo)進(jìn)行抽樣檢測。檢測結(jié)果顯示，土壤質(zhì)地主要為黏土、中壤土、輕壤土，土壤相關(guān)指標(biāo)滿足GB 36600—2018 土壤環(huán)境質(zhì)量 建設(shè)用地污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）第2 類用地要求。陳腐垃圾含水率范圍為32.69%～48.02%，平均含水率為39.82%，干基平均高位熱值為13 676 kJ/kg，濕基平均低位熱值為6 320 kJ/kg。

本次陳腐垃圾分析的組分有廚余類、紙類、橡塑類、紡織類、木竹類、灰土類、磚瓦陶瓷類、玻璃類、金屬類、其他類、混合類等。本項(xiàng)目將組分中的紙類、橡塑類、紡織類、木竹類作為輕質(zhì)篩上物，廚余類、灰土類、混合類和其他類作為腐殖土，磚瓦陶瓷類、玻璃類作為無機(jī)骨料，金屬類作為金屬，抽樣檢測數(shù)據(jù)如圖1 和圖2 所示。

圖1 各采樣點(diǎn)陳腐垃圾的物理組成Figure 1 The physical composition of aged waste at each sampling point

圖2 填埋場陳腐垃圾的分類及物理組成Figure 2 The classification and physical composition of aged waste at the landfill site

結(jié)果顯示，該填埋場廚余類和其他類組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0，其余組分中紙類、橡塑類、紡織類、木竹類平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5.99%、17.58%、25.39%、8.91%；磚瓦陶瓷類、玻璃類平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為12.45%、7.21%；金屬類平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.45%；灰土類、混合類平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為11.80%、6.22%。

1.2 填埋場陳腐垃圾特性

1）垃圾含水率高。由于項(xiàng)目所在地屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，雨量充沛，集中在4—9 月，其中4—6 月為前汛期，以鋒面低槽降水為主，7—9 月為后汛期，臺風(fēng)降水活躍，地下水位較高，加大了垃圾滲濾液產(chǎn)生量，導(dǎo)致垃圾堆體含水率高。含水率是影響篩分效果的重要因素，本項(xiàng)目陳腐垃圾含水率平均值達(dá)39.82%，需要在篩分前做好晾曬脫水工作。并且為應(yīng)對特殊情況，篩分產(chǎn)線的第3 級篩分設(shè)備采用星盤篩，以進(jìn)一步減輕高含水率垃圾篩分過程中的卡堵問題，同時產(chǎn)線易卡堵部位設(shè)置工業(yè)相機(jī)配合PLC 控制系統(tǒng)可實(shí)時調(diào)控篩分參數(shù)、降低卡堵概率。

2）輕質(zhì)物含量高?，F(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)，陳腐垃圾含大量輕質(zhì)物（57.87%），主要為布條、塑料袋、相機(jī)膠卷等。陳腐垃圾的干基平均高位熱值高達(dá)13 676 kJ/kg，篩分后的輕質(zhì)物具有焚燒發(fā)電潛力，可以彌補(bǔ)周邊熱電廠產(chǎn)能過剩、入爐垃圾不足的缺點(diǎn)。為獲得高純度輕質(zhì)篩上物，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的精細(xì)化篩分工藝中的三級篩分系統(tǒng)可對陳腐垃圾進(jìn)一步細(xì)分，從而能有效降低輕質(zhì)篩上物的含雜率。

2 工藝流程與設(shè)計(jì)參數(shù)

本項(xiàng)目篩分工藝流程如圖3 所示。

圖3 精細(xì)化篩分系統(tǒng)工藝流程示意Figure 3 Process flow schemetic of high-precision sorting system

精細(xì)化篩分系統(tǒng)中主要篩分設(shè)備為大件篩、磁選機(jī)、一級滾筒篩、二級滾筒篩、星盤篩、風(fēng)選機(jī)（共3 級），各設(shè)備的相關(guān)參數(shù)如表1 所示。陳腐垃圾經(jīng)精細(xì)化篩分系統(tǒng)篩分的工作流程及原理為：陳腐垃圾混合物由鏈板機(jī)輸送至大件篩，大件篩將陳腐垃圾中粒徑≥200 mm 的磚石瓦塊或成團(tuán)垃圾等大件垃圾篩出，粒徑＜200 mm 的篩上物進(jìn)入磁選機(jī)，篩出其中的金屬物料后進(jìn)入一級滾筒篩，一級滾筒篩將物料分離為≥100 mm 的篩上物和＜100 mm 的篩下物，粒徑≥100 mm 的篩上物進(jìn)入一級風(fēng)選機(jī)被分選為輕質(zhì)物和重質(zhì)物，粒徑＜100 mm 的篩下物則進(jìn)入二級滾筒篩被分為≥40 mm 的篩上物和＜40 mm 的篩下物，同理粒徑≥40 mm 的篩上物經(jīng)二級風(fēng)選機(jī)后被分選為輕質(zhì)物和重質(zhì)物，粒徑＜40 mm 的篩下物最終進(jìn)入星盤篩被分離為＜20 mm的腐殖土和≥20 mm 的篩上物，粒徑≥20 mm 的篩上物經(jīng)三級風(fēng)選機(jī)后被風(fēng)選為輕質(zhì)物和重質(zhì)物。另外，精細(xì)化篩分系統(tǒng)中各個篩分設(shè)備的主要部位還裝有工業(yè)相機(jī)，可將陳腐垃圾篩分過程的實(shí)時影像傳輸至PLC 中控室，操作員可根據(jù)篩分影像判斷各個篩分設(shè)備的主要部位是否可能發(fā)生堵塞，并通過調(diào)節(jié)各設(shè)備的運(yùn)行頻率等關(guān)鍵參數(shù)來降低堵塞概率，進(jìn)而提高篩分效率和產(chǎn)能。

表1 篩分產(chǎn)線主要設(shè)備的規(guī)格和運(yùn)行參數(shù)Table 1 Specifications and operating parameters of the main equipments in the sorting production line

陳腐垃圾經(jīng)上述精細(xì)化篩分系統(tǒng)后被分選為大件垃圾（磚瓦石塊、成團(tuán)垃圾等）、金屬、重質(zhì)物（磚瓦石塊、玻璃等）、輕質(zhì)物以及腐殖土。其中輕質(zhì)物作為垃圾衍生燃料（Refuse-Derive Fuel，RDF）可打包運(yùn)輸至周邊環(huán)保熱電廠焚燒發(fā)電；腐殖土經(jīng)第三方檢測并對比土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，滿足回填標(biāo)準(zhǔn)后就地回填否則交由資質(zhì)單位處理；大件垃圾和重質(zhì)物主要為磚瓦石塊、玻璃等，可與金屬物料一同交由相關(guān)單位回收或進(jìn)行資源化再利用。

3 測試指標(biāo)與分析方法

3.1 篩分產(chǎn)物的含雜率

篩分產(chǎn)物含雜率（σ）指篩上（下）物中直徑?。ù螅┯诤Y分設(shè)備篩孔直徑的垃圾質(zhì)量以及非該類別垃圾的質(zhì)量占篩分產(chǎn)物總質(zhì)量的比例，計(jì)算方法如式（1）所示。本項(xiàng)目中金屬幾乎沒有雜質(zhì)，不參與評價。樣品采集參考CJ/T 313—2009，篩分產(chǎn)物的采樣頻次為每周1 次，每次采樣量為腐殖土10 kg、重質(zhì)物50 kg、輕質(zhì)物50 kg。大件垃圾相比上述3 類垃圾出料量較少且不均勻，垃圾種類主要為大塊石頭和成團(tuán)布料等，采樣量按1 d的出料量計(jì)。

式中：m樣品為樣品質(zhì)量，kg；m雜質(zhì)為樣品中雜質(zhì)的質(zhì)量，kg。

各類篩分產(chǎn)物的雜質(zhì)定義具體如下。

大件垃圾中的雜質(zhì)：大件垃圾樣品中直徑小于大件篩篩徑（200 mm）的垃圾和輕質(zhì)物。該類雜質(zhì)主要依靠人工分揀，較容易區(qū)分。

腐殖土中的雜質(zhì)：腐殖土樣品中直徑大于星盤篩篩徑（20 mm）的垃圾和輕質(zhì)物。該類雜質(zhì)需使用篩徑為20 mm 的篩和小型揚(yáng)風(fēng)機(jī)區(qū)分。

重質(zhì)物中的雜質(zhì)：重質(zhì)物樣品中直徑小于星盤篩篩徑（20 mm）的垃圾和輕質(zhì)物。大塊雜質(zhì)使用人工分揀，細(xì)小雜質(zhì)使用篩徑為20 mm 的篩和小型揚(yáng)風(fēng)機(jī)區(qū)分。

輕質(zhì)物中的雜質(zhì)：輕質(zhì)物樣品中直徑小于星盤篩篩徑（20 mm）的垃圾和重質(zhì)物。大塊雜質(zhì)使用人工分揀，細(xì)小雜質(zhì)使用篩徑為20 mm 的篩和小型揚(yáng)風(fēng)機(jī)區(qū)分。

3.2 篩分日產(chǎn)能

日產(chǎn)能（Q）為本項(xiàng)目（共2 條產(chǎn)線）每日篩分陳腐垃圾的質(zhì)量，計(jì)算如式（2）所示。

式中：m總為每車輕質(zhì)物和車的總質(zhì)量，kg；m車為車的質(zhì)量，kg；m總和m車均由項(xiàng)目部地磅稱量所得；n為每日輕質(zhì)物外運(yùn)車次；ω為本項(xiàng)目輕質(zhì)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)，取57.87%。

4 運(yùn)行效果分析

本項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)2022 年9 月至2023 年3 月的篩分日產(chǎn)能和篩分產(chǎn)物含雜率如表2 所示，表中數(shù)據(jù)為月均值，檢測樣品數(shù)量總計(jì)112 個（每種垃圾樣品28 個）。

表2 篩分產(chǎn)物含雜率及日產(chǎn)能Table 2 The impurity content of the sorting products and the daily production capacity

本項(xiàng)目共2 條篩分產(chǎn)線，日產(chǎn)能均值為2 312 t/d，大件垃圾含雜率均值為45.32%（雜質(zhì)中除輕質(zhì)物外粒徑范圍為0～200 mm），腐殖土含雜率均值為1.10%（雜質(zhì)中除輕質(zhì)物外粒徑范圍為20～35 mm），重質(zhì)物含雜率均值為1.39%（雜質(zhì)中除輕質(zhì)物外粒徑范圍為0～20 mm），輕質(zhì)物含雜率均值為0.56%（雜質(zhì)中除輕質(zhì)物外粒徑范圍為0～20 mm）。其中，大件垃圾含雜率較高主要是由于陳腐垃圾中輕質(zhì)物含量高，且輕質(zhì)物中存在較多大塊布料，易將垃圾包成團(tuán)，在過大件篩時難以分散，最終成為篩上物被篩出，故需在大件垃圾中通過人工將上述成團(tuán)垃圾進(jìn)行重新篩分。腐殖土雜質(zhì)主要為直徑＜20 mm 的木條、塑料屑、布屑等，不易清除，后續(xù)可考慮揚(yáng)風(fēng)機(jī)或小型風(fēng)選機(jī)對腐殖土進(jìn)一步提純。重質(zhì)物中的雜質(zhì)主要為包裹著磚瓦石塊的布料或塑料袋等輕質(zhì)物，風(fēng)選機(jī)不易分離該類垃圾，本項(xiàng)目在出料口和外運(yùn)皮帶兩邊設(shè)置人工分揀步驟，可有效清理此類輕質(zhì)物。本項(xiàng)目輕質(zhì)物含雜率較低，主要雜質(zhì)為20 mm 或直徑更小的土壤顆粒，此類雜質(zhì)黏附在輕質(zhì)物表面較難清理，后續(xù)可考慮通過循環(huán)水洗工藝，配合廢料再生等資源化生產(chǎn)線，達(dá)到“變廢為寶”的效果。

5 項(xiàng)目效益分析

原位開挖篩分處置技術(shù)一方面永久解決了填埋場對周邊環(huán)境的污染問題，釋放土地資源，加速城鎮(zhèn)化建設(shè)；另一方面緊跟存量垃圾無害化、減量化、資源化治理政策，為陳腐垃圾的回收與資源化利用提供可能，是真正實(shí)現(xiàn)“變廢為寶”，助力“無廢城市”建設(shè)的重要技術(shù)?，F(xiàn)從環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會3 個層面分析該項(xiàng)目效益。

1）環(huán)境效益。本項(xiàng)目實(shí)施后，將永久消除填埋場長期對周邊環(huán)境的污染隱患，緩解存量垃圾治理壓力，助力簡易填埋場清零計(jì)劃，有效減輕區(qū)域環(huán)境存量垃圾負(fù)荷，為構(gòu)建“無廢城市”掃清歷史遺留障礙，讓區(qū)域生態(tài)環(huán)境持續(xù)改善。同時，徹底清除填埋場作為持續(xù)性溫室氣體排放問題，是環(huán)境衛(wèi)生領(lǐng)域碳減排的重要舉措。

2）經(jīng)濟(jì)效益。本項(xiàng)目有效盤活填埋場及其周邊的土地資源，有利于土地開發(fā)升值，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展。同時，開挖篩分模式預(yù)計(jì)每年可節(jié)省填埋場長期運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用約3 000 萬元，并且篩分產(chǎn)物中的輕質(zhì)物可作為RDF，緩解周邊電廠產(chǎn)能過剩、焚燒垃圾不足的困境。

3）社會效益。本項(xiàng)目的實(shí)施是貫徹中央環(huán)保督察、省和市委、市政府關(guān)于存量垃圾整治工作要求的重要舉措。實(shí)施后可改善市民居住環(huán)境、城市市容形象、營商投資環(huán)境，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，可安置富余勞動力、增加就業(yè)機(jī)會、促進(jìn)勞動力的轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生良好社會效益。此外有助于推動存量垃圾治理，具有良好的示范作用。

6 存在問題與展望

1）高含水率物料篩分易堵塞。目前市場上主流篩分設(shè)備均依靠篩孔對垃圾大小進(jìn)行分選，當(dāng)垃圾含水率較高時，黏土極易堵塞篩孔，影響篩分效率。一方面需要開發(fā)高效經(jīng)濟(jì)的前處理脫水技術(shù)，另一方面還需考慮研發(fā)不同原理的新型設(shè)備以規(guī)避篩孔堵塞問題或優(yōu)化孔徑和孔型以降低堵塞頻率。

2）末端篩分產(chǎn)物資源化方式單一。目前陳腐垃圾篩分產(chǎn)物的可利用方式有待探索，尤其是其中的經(jīng)濟(jì)價值，如輕質(zhì)篩上物主要利用方式是作為RDF 運(yùn)送至周邊環(huán)保熱電廠焚燒。我國不同填埋場陳腐垃圾中的輕質(zhì)物成分差異顯著，需要提前謀劃，在勘察階段確定輕質(zhì)物主要成分并制定后期資源化路徑，根據(jù)輕質(zhì)物特點(diǎn)研發(fā)匹配篩分產(chǎn)線的資源化工藝單元，發(fā)揮垃圾的經(jīng)濟(jì)價值，實(shí)現(xiàn)資源化產(chǎn)業(yè)聯(lián)動。

3）篩分產(chǎn)線人工依賴性高、安全性差。目前篩分產(chǎn)線個別階段的篩分效果對人工依賴性高，尤其發(fā)生堵塞時主要依靠人工清理，人員安全風(fēng)險高。當(dāng)前智能技術(shù)發(fā)展迅速，搭載智能篩分技術(shù)或自動篩分機(jī)器人的產(chǎn)線已在工業(yè)和生活垃圾分選中應(yīng)用。研發(fā)適用于陳腐垃圾篩分場景的智能技術(shù)在一定程度上可減少篩分過程污染物對人體的侵害，保障篩分過程的安全性，同時智能控制可通過實(shí)時變更運(yùn)行參數(shù)降低產(chǎn)線堵塞概率。

7 結(jié)論

1）相比常規(guī)篩分技術(shù)，本研究提出的精細(xì)化篩分工藝不僅有效降低堵塞頻率、提高篩分產(chǎn)能，還能獲得高純度篩分產(chǎn)物，提高后續(xù)資源化利用效率。

2）針對陳腐垃圾特性，進(jìn)行篩分設(shè)備的針對性改進(jìn)優(yōu)化及創(chuàng)新設(shè)計(jì)，提升篩分性能，通過多級分選降低單次分選負(fù)荷、提升分選效率，解決物料團(tuán)聚裹挾、分離精度差的問題，降低篩下物含雜率，是實(shí)現(xiàn)篩分產(chǎn)物資源化利用的關(guān)鍵。

3）鑒于全國各地填埋場陳腐垃圾成分復(fù)雜多變，篩分系統(tǒng)很難做到統(tǒng)一適用，針對陳腐垃圾特性，研發(fā)匹配產(chǎn)線，重點(diǎn)攻克高含水率垃圾易堵塞、資源化方式單一、缺乏智能化控制等篩分難題是篩分處置技術(shù)走向成熟的必由之路。