城市生活垃圾分選技術探究

李澤暉，付曉茹，申凱，沈萱，寧梓傲

（1.南京信息工程大學環境科學與工程學院，江蘇南京210044；2.南京農業大學金融學院，江蘇南京210095）

生活垃圾指在城市日常生活或為城市日常生活提供服務的活動中產生的固體廢物，以及被法律法規規定為城市生活垃圾的固體廢棄物[1]。近年我國城市生活垃圾正以每年8%～10%的速度增長[2]，其中城市社區產生的垃圾是城市生活垃圾的主體[3]。

傳統的生活垃圾處理方法主要是填埋、焚燒及堆肥。截至2010年，全國657個城市生活垃圾的清運量達到1.58億t/a，各類生活垃圾處理設施628座，集中處理量約1.23億t/a。在這些生活垃圾處理設施中，填埋場498座，處理量9598萬t/a；生活垃圾焚燒廠104座，處理量22317萬t/a；生活垃圾堆肥廠11座，處理量181萬t/a[4]。填埋場和焚燒廠的數量和處理能力仍處于增長狀態，堆肥處理處于萎縮狀態。按生活垃圾清運量統計分析，填埋、焚燒和堆肥處理的比例為60.7%，2.5%和14.7%，其余為隨意堆放[5]。而這些傳統的生活垃圾處理方法隨著可持續發展和循環經濟的要求，逐漸出現填埋處理比例過大，造成垃圾圍城；焚燒處理發展迅猛，一些項目存在隱患和風險，造成二惡英等污染；生物堆肥技術良莠不齊等問題[6]。因此，對生活垃圾分類后再處理來提高垃圾處理的效率就尤為重要。

綜上所述，隨著人們生活質量的提高，生活垃圾作為城市生態系統轉化的必然產物，其產生量在日益增多，復雜程度也在逐漸增高，傳統的生活垃圾處理方法已經逐漸變得不再適用。因此，如何高效地分類回收生活垃圾，將其轉化為可再生資源，或將其回歸到生態系統中，成為目前亟待解決的問題。

1 生活垃圾特性

城市生活垃圾是由固、液、氣三相構成的松散固體，即以固體為支架，其間孔隙填充氣體及液體。地點、季節和溫度均為三相比例變化的影響因素。

用來衡量生活垃圾物理特性的指標有容重、含水率、粒度尺寸和組成成分等。研究表明，我國主要城市生活垃圾的容量在370～898 kg/m3，其中濟南最低，上海最高。含水率在13%～53.9%，其中濟南最低，北京最高。尺寸分布為：40 mm以下粒徑段主要為廚余垃圾，80 mm以上粒徑段主要為易燃垃圾，中間粒徑段的有機物含量為50%～80%，金屬、玻璃等雜質也主要分布在中間粒徑段。組成成分以有機物（廚屑、木屑）為主體，其次為無機物（煤灰、磚瓦）和其他物（塑料、紙屑、金屬等）[7-9]。

2 傳統分選方法概述

傳統的生活垃圾分選方法主要有篩分、重選、風選、浮選、磁選、電選、靜電分選、電磁分選及光選等。

2.1 篩分

篩分是依據固體廢物的粒徑不同，利用篩子將物料中小于篩孔的細粒物料透過篩面，而大于篩孔的粗粒物料留在篩面上，完成粗細物料的分離過程。篩分包括物料分層、細粒透篩兩個階段，物料分層是完成分離的條件，細粒透篩是分離的目的[10-11]。篩分主要可篩分出垃圾中的紙張、塑料、玻璃等有用物質。該方法的優點是生活垃圾中有近90%的物質為易篩物，因而碰撞可以導致物質通過篩孔的可能性增大，使得分選效率上升；缺點是生活垃圾組分復雜及成分不規則，易導致分選效率有極大的波動[12]。

2.2 重力分選與風力分選

重力分選是根據固體廢物中不同物質間的密度差異，顆粒群在運動介質中受重力、介質動力和機械力的作用，會發生結構松散及遷移分層，從而得到不同密度產品的分選過程。

風力分選與重力分選的原理一致。其實施方法是以氣體為分選介質，在氣體流動的作用下，較輕的物料被向上吹向水平較遠處，而重物料則由于慣性，只能在水平方向拋出較近的距離，這樣固體廢物顆粒即可按密度和粒度分離[1]。風力分選適用于重物質與塑料的分選，但能耗偏大，尤其是在塑料分選的終處理中會表現出較低的分選率。這是因為分選機內氣流復雜，且終處理時塑料純度的波動性大，這種情況下，僅存在的較窄風速范圍，使分選效率只能維持在80%左右[13-14]。

2.3 浮力分選

浮選原用于廢舊塑料分選，主要針對表面性質不同的物料進行分選。該技術通過投加浮選劑，物料借助氣泡的浮力作用，從物料的懸浮液中分離。浮選與物料表面性質有關，而與其密度無關。能浮出液面的物質，對空氣的表面親和力比對水的表面親和力大[15]。顆粒能否高效地附著在氣泡上，取決于能否最大限度地提高顆粒的表面疏水性。所以在浮選工藝中選擇和使用浮選藥劑是調整物料可浮性的主要外因[16-17]。

2.4 磁力分選

磁選原用于選礦工藝，主要針對磁性不同的物質進行分離[18]。磁選有兩種類型：一是傳統磁選法，直接用于磁性和非磁性物質的分離。另一種是磁流體分選法，先將物料在磁場中按磁性差異分離，之后在似加重介質中按密度差異進行分離。當固體廢物中各組分間的磁性差異小而密度或導電性差異較大時，采用磁流體可以進行高效分離[1]。磁選技術相對成熟，現主要用于生活垃圾與焚燒灰渣中磁性物質的資源化回收[19]。

2.5 電力分選與靜電分選

電力分選適用于分離導電性不同的導體、半導體和非導體。電力分選利用固體廢物中各組分在高壓電場中電性的差異而實現分選。將廢物顆粒用給料斗均勻給入滾筒，顆粒隨著滾筒的旋轉而進入電暈電場區，此時導體和非導體都獲得負電荷，因它們進入靜電區時放電速度不同，從而實現分離[20]。電選法分離耗能較少，結構緊湊，對重選法無法分離的塑料易于分選，但該方法對分選物料的濕度及粒度要求較高。

靜電分選主要針對生活垃圾中的廢舊塑料。該技術通過不同種類的物料在一個容器中相互碰撞摩擦起電，使之分別帶正負電，并從排料口排出，進入由正負電極形成的靜電場，利用旋轉電極使其產生靜電感應，帶正電的物料被吸到負電極一側，從而實現分選[21]。該類技術可將混合塑料分離成純度達到99%以上的單類塑料。

2.6 電磁分選

電磁分選技術一般應用于廢舊電池分類。利用電磁傳感器原理，按照電池的內部結構和物質成分進行分揀。當電池處于激勵線圈產生的高頻磁場，電池的不同結構和物質成分產生不同的渦流，此時探測線圈通過探測渦流在電磁場中產生的變化來鑒別電池的種類[20]。電池的分類過去由人工完成，電磁傳感器因為能快速鑒別電池的內部結構和物質成分，因而效率可大幅提高[22]。

2.7 光電分選

光電分選又稱為顏色分選，原用于農業選種，主要是利用物質表面的光反射特性不同來鑒別垃圾的種類。此技術要求對垃圾進行預分類，之后由給料系統將垃圾物料均勻輸送給光檢系統，光檢系統通過光源照射，顯示出物料的顏色及色調。若預選物料的顏色與背景顏色不同，高頻氣閥被驅動，利用高壓氣體將物體吹離原來的軌道使物料分離[21]。光電分選法適合于塊狀垃圾的分選，對于破碎后的細顆粒物質，由于光譜中某些波段會發生偏移，難以分選。此外，也不宜分選厚度薄的片狀垃圾或黑色垃圾。

3 新技術

3.1 紅外吸收光譜分析技術

紅外吸收光譜分析技術主要是因為混合塑料的再生利用需要較高的鑒別準確度發展起來的。利用有機物的不同官能團在紅外光照射下會產生相應的光譜圖，而這些紅外光譜又各有不同，由此作為精確鑒定的依據[22]。按紅外光波長不同，將紅外吸收光譜分析技術主要劃分為近紅外分析技術（NIR）和中紅外分析技術（MIR）。近紅外區的波長范圍為0.75～2.5 m，中紅外區的波長范圍為2.5～25 m[23]。該技術響應時間短，靈敏度高，穿透試樣的能力強，對體積大、光徑長的物料（如塑料瓶）其譜圖也可準確記錄且重現性好。但NIR一般不適于鑒別黑色或深色的塑料，且某些峰有時不清晰，需要一些新光源來克服這一缺點。

3.2 圖像識別技術

圖像識別技術主要針對特定的垃圾進行分揀。該方法通過工業相機對目標區域不斷進行拍攝，圖像經計算機處理，當識別為特定形狀及顏色物體時發出信號，繼電器控制相應的氣動電磁閥，使氣流從噴嘴噴出，將顆粒吹至相應物體容器中，從而達到分揀的目的[24]。圖像處理技術的影響因素較多，主要有供料系統、圖像識別算法及顆粒種類等[25]。

3.3 變重分選

變重分選是輕物質分選中的創新分選技術。該項技術根據塑料與紙等輕物質的親水性差異，將一次風選后的混合物料在水池中浸泡一段時間后撈出，通過液壓系統對浸濕的垃圾進行擠壓，大部分水分擠出后，混合物料的比重發生改變。紙等由于吸水性強，擠壓后體積變小，密度增大；塑料的吸水性差，擠壓后體積變化不大，密度幾乎不增加。塑料與紙等物料的相對密度關系即可從均為輕物料轉化為輕重物料的混合。此時進行二次風選，可將塑料和紙成功進行分離[26]。該方法分選塑料工序少、節省投資，但會使垃圾的含水率發生改變。

3.4 溫度傳感技術

現有的溫度傳感技術主要通過熱源識別，利用X射線及熱源將PVC從混合塑料中識別出來[16]。或通過溫差識別出不同物體，利用各種塑料脆化溫度不同，加熱后于低溫下通過熱傳感技術，可進行有選擇地分選[27]。同樣的方法可適用于不同材質的固體垃圾[28]。該分選技術可將生活垃圾大致分為有機物、無機物及金屬，有一定的實用價值，但實檢方面還略顯不足，有待進行深入研究。

4 結語

當前生活垃圾分選技術存在的問題有：我國生活垃圾源頭分類工作并不細致，需要分選的垃圾組分極為復雜且含水率高，因此分選效率較低；在生活垃圾分類處理中常用的一些分選技術，都只能對一定范圍內的垃圾進行分選，針對性不強；分選技術與設備配合不合理，使得設備利用率低。

綜上所述，生活垃圾分選問題已經上升到一個新的高度，生活垃圾分選技術在垃圾分類處理中也處于核心位置。在生活垃圾分選中，不但有傳統的分選方法，許多在其他領域中興起的技術也在進行變革進入該領域，如圖像處理技術。但也有一些成熟的高新技術仍未出現在該領域，如在食品行業應用的激光分選技術等。國外垃圾分選已經大量采用新技術、新方法，特別是日本及歐美，我國應加強生活垃圾分選技術的研究，以提高垃圾的無害化和資源化程度，促進環境保護和社會可持續發展的建設。

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