農村生活垃圾全自動全組分分類處理技術與應用

任 越，楊俊杰，曹洪軍,2，張秋艷，劉 乾

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農村生活垃圾全自動全組分分類處理技術與應用

任 越1，楊俊杰1，曹洪軍1,2※，張秋艷3，劉 乾4

（1.中國海洋大學環境科學與工程學院，青島 266100；2. 中國海洋大學管理學院，青島 266100； 3.青島福創環境科技有限公司，青島 266100；4.中國海洋大學海洋生命學院，青島 266100）

為解決農村生活垃圾的處理難題，研究了一種生活垃圾末端全自動全組分分類處置技術，通過生物酶液化方法能將生活垃圾中的有機成分首先分解、分離，再通過濕式自動分選系統，將混合生活垃圾中的金屬、塑料、廢紙、竹木、紡織物等全部有效分離，經清洗后可直接循環再利用，實現資源化率90%以上。應用該技術實際建成運營一年的垃圾處理廠的數據顯示，處理1 t垃圾平均可得到有機肥65 kg、紙漿105 kg、塑料124 kg、垃圾衍生燃料133 kg、砂石135 kg、沼氣55 kg和金屬11 kg；需要成本約180元，產值約325元，投資成本較焚燒節約近40%，污水經處理后各項污染因子去除率平均達到88.76%，供系統循環使用。證明該技術能提高垃圾處置效率，經濟效益可觀，環境友好，有較高推廣價值。

垃圾；垃圾分類；生物酶液化；全組分分類；濕式自動分選

0 引 言

2016年中國城市垃圾每年清運量約2億t，農村垃圾每年產生量是1.5億t左右，而城市的垃圾處理率超過90%，農村垃圾處理率卻在50%左右[1]。農村垃圾中的絕大部分是生活垃圾，但是尚未有農村生活垃圾處理率的官方統計數據。然而，隨著城市化進程的不斷加快和農村居民生活水平的不斷提高，農村生活垃圾的數量急劇增加，組分更加復雜，單一的處理模式已經解決不了大量產生的垃圾，而且，不當的垃圾處理方式還會導致嚴重的環境污染問題，已有研究表明，生活污染源對農村環境的影響最大[2]。與城市生活垃圾處理現狀相比，農村生活垃圾因為缺乏市政保障，未形成嚴格的收運和處理方式，抽樣調查顯示，中國農村能達到規范處理標準的只有34%，首選方式是衛生填埋[3]，仍缺乏成熟的填埋和焚燒作為無害化的末端處理技術，因此農村生活垃圾更不易控制[4]。因此，建立高效的處理技術體系是解決當前問題的重要途徑。

國內外學者對于農村垃圾的管理進行了大量研究，包括對前端的收集運輸[5-7]、末端處理技術的創新[8-9]。其中處理技術方面，有許多新的嘗試，尤其是生物處理方式的應用，能將生活垃圾中的有機成分進行轉化再利用或無害化處理[10-17]，是提高垃圾處理效率的關鍵環節。國外先進國家的農村生活垃圾不含餐廚垃圾，組分簡單、含水量小，因此國外的垃圾處理技術不適用于中國，目前尚未有成功的引進案例。

中國農村生活垃圾一直未分類放置，主要是混合收運的方式，垃圾組成復雜，達到1 000多種[18]。同時，居民餐廚垃圾、部分農業垃圾（植物秸稈、農用地膜、農藥瓶罐）也都被混入生活垃圾中集中收運[19-20]，降低了生物處理的效率，成為中國農村垃圾末端處理的難題，因此，不論是焚燒還是填埋，垃圾分類是實現無害化處理的前提。國內也有垃圾分選技術的相關研究[21-24]，但是由于混合垃圾會不同程度的受到餐廚垃圾（水、油）的污染，即便混合垃圾被分門別類，也基本沒有利用價值，因此也失去了分類的意義。

綜上，目前國內外還未有一項技術能夠實現混合生活垃圾全組分的有效分類。本研究提出一種農村生活垃圾末端全自動全組分分類技術（all components resourcing system of domestic garbage based on post-gather automatic sorting procedure，PGAS），該技術利用垃圾成分自身的特點，將各組分進行有效分離，各原料分離后再資源化利用，資源化率達到90%以上。通過對PGAS技術的特點和處理效果的分析，為今后垃圾處理技術提供借鑒。

1 PGAS技術

1.1 主要技術特點

PGAS技術是一種以國內農村混合生活垃圾為原料，針對垃圾成分組成特點，以生物工程和自動化分選系統為基礎的處理技術。通過導入“生物酶液化+濕式自動分選系統”，將金屬、塑料、廢紙、竹木、紡織物、無機物等組分自動分選清洗到可以直接作為原料利用的水平，污水經處理后循環使用，僅有少量燃燒沼氣的氣體排放。

1.2 各系統設計思路

PGAS技術的工藝流程如圖1所示，主要由垃圾接收與預處理、總分選、循環水處理、微生物除臭及沼液蒸發蒸汽處理五大系統組成。表1為各系統主要采用的設備。

圖1 PGAS主要工藝流程簡圖

1.2.1 垃圾接收、預處理系統

農村生活垃圾經當地主管部門集中收集轉運送到廠區內。車輛入廠區內，即設有多道垃圾運輸車清洗及消毒工序，大幅度降低運輸車輛對廠區環境的影響。車輛進入卸料車間，在密閉微負壓卸車區卸車后，對垃圾噴灑自主研制的生物酶液除異味，卸料車間則利用植物除臭噴霧裝置，進行空間除臭。通過垃圾破袋上料機將垃圾送入封閉生產系統，對垃圾進行破袋處理，使袋裝的垃圾完全分散開便于后續處理。

1.2.2 總分選系統

1）磁選金屬壓塊生產線

分散開的垃圾落到皮帶輸送機上。皮帶輸送機上設有電磁分選裝置，垃圾在輸送的過程中，利用磁選和渦電流分選，分離出金屬產品，金屬經清洗后進行壓塊。剩余其他垃圾成分則被送到雙軸或四軸齒盤式撕裂機。

2）有機物分離厭氧發酵及有機肥生產線

經電磁分選分離出金屬后，包括電池、噴霧殺蟲罐等含有金屬的有害物質同時完全被預先分離。剩余的垃圾物料撕碎到1～15 cm不等，經撕裂粉碎后均勻噴灑的微生物復合菌液、酶液，進入保溫的生物處理料倉，進行好氧發酵。發酵料倉內部是一方形密閉儲料倉，底部由4根大型絞龍緩慢將物料推至出料絞龍內，出料絞龍在4組推動絞龍的尾部下端，垂直與推料絞龍放置，物料落入出料絞龍作業范圍直接送至出料口。破碎除鐵后的生活垃圾經過輸送設備從頂端進料口進料，物料下落過程中被勻料器打散，均勻的散落在料倉底部，頂部的噴淋管同時噴灑發酵菌液，物料與菌液全接觸，底部設有通風管，料倉側壁設有加熱管，在發酵溫度和通氣量適宜的條件下，垃圾中的有機物在微生物的作用下快速分解，完成好氧發酵。經過微生物的降解作用，95%以上的易降解有機物包括菜葉、瓜果皮、剩菜、剩飯等，都變成了漿狀可溶物，經過生物降解處理后，進入擠干脫水設備（螺旋式連續壓榨機），將垃圾中吸收的大量水分擠出，得到殘渣和有機溶液。殘渣置于滾筒式破碎機中，混入水或質量分數為1%～3%的堿液，所述堿液為氨水、氫氧化鉀或氫氧化鈉溶液，使垃圾含水量是自身質量的1.5～2倍，破碎處理使垃圾中的可降解有機物、纖維類的物質進一步破碎并與其他的黏性基質分離。在滾筒里邊的破碎時間控制在30 min左右，擠干后進入總分選設備。

表1 PGAS技術主要設備一覽表

物料在強力擠壓的作用下，其中的有機液體透過縫篩與物料分離，收集后檢測其濃度，若達標直接輸送至厭氧發酵罐中，如果不達標將其噴灑至發酵料倉或者滾筒破碎機中再一次處理，濃度達標后打入發酵罐中。有機溶液泵入沼氣生物處理罐后，用適量的酸液調節濃縮物pH值為7～8，再向其中加入一些碳氮類營養物質來調節厭氧菌需要的碳氮比，攪拌均勻后，加入菌種，在45 ℃的條件下進行生物處理15 d。收集產生的沼氣，供給廠區鍋爐燃燒供熱。然后再對沼液進行濃縮，蒸發濃縮系統為“3+1”形式，有機液逐次進入3個濃縮室內在蒸汽的熱量下加熱，蒸發出其中的水分，經過3次濃縮的有機液濃度明顯上升，最后再經過一次刮板強制濃縮室高效濃縮，低濃度發酵后的有機液即變為高濃度的液態有機肥料。

3）砂石玻璃等無機物建材生產線

擠干后的垃圾經過滾筒破碎，進入垃圾總分選機，在總分選機內，經過孔徑為2～15 mm的垃圾篩分選按照粒徑大小將垃圾分為兩大類，篩上物主要為塑料、紡織品、大塊磚石瓦塊、金屬、竹木等，篩下物主要為泥沙和紙漿。利用物料的差異，按不同密度進行第一步分離，分選出砂石、玻璃、紙漿和其他混合物3種產品。分選出的砂石、玻璃等無機物利用球磨破碎機破碎后，加水泥混合攪拌，用制磚機壓制得到磚產品。其他成分進入塑料、紙漿分選。

4）紙漿分離及精制生產線

分離金屬、有機質及砂石等無機物后的剩余成分，進入垃圾總分選機過垃圾篩，從進料端底部沿軸向1/3～2/3位置浸入水中，浸入深度以水不會沒過進料擋板為準，防止物料流出到水中。這時的紙漿在水中與各種雜質混合，但紙漿比起其他雜質更易溶于水，在篩子的作用下，會使紙漿、泥沙和溶解的有機質等物質與橡塑類等其他原料分離，篩子上部需要用高壓水來噴淋，以免堵塞篩孔。紙漿分離后，實際是分離出了溶有紙漿的大量水，經過紙漿篩，脫除大量的水分和部分灰土，然后進入紙漿精制生產線，篩分擠干后的紙漿混合體系中紙的比例為10%左右，其余90%為水，進行稀釋螺旋，然后進入漿池泵送到除砂器、壓力篩，分別經過一段、二段、三段除砂器、壓力篩后除去渣子。紙漿經過除砂后，進入圓網濃縮機，斜螺濃縮機除去紙漿中的水分和細小雜質脫水，脫水后的紙漿進入雙輥擠漿機擠干，得到紙漿粗品。

5）塑料分選及精深加工生產線

分選紙漿后的物料中主要含有橡塑、竹木和紡織品，送至塑料分選設備，利用比重不同的原理，進一步分離的同時清洗塑料表面的其他雜質，去除里面的竹木紡織品等。經分選后的混合塑料進入浮選箱，用水漂選，進一步分離清洗塑料等原料表面的雜質，將塑料中摻雜的少量砂石等重物分離除去，漂洗后，流入1～5 mm的篩子脫水，減少塑料含水量。塑料粗品進入臥式高速摩擦清洗機中，使附著在塑料上的各種雜質得到有效去除。塑料粗品通過管道輸送至離心機，經離心脫水、薄膜擠干機擰干后使物料含水量降低。脫水后再通過沼氣鍋爐供熱烘干后的塑料固形物所占比例為97%，然后由管道風送干燥后進入收料倉中打包成塑料產品。

6）垃圾衍生燃料（refuse derived fuel, RDF）生產線

在塑料分選設備中，利用比重不同的原理，進一步分離為塑料和竹木纖維等。分選出來的竹木、紡織品、秸稈等其他可燃物質，經過脫水烘干后進入垃圾衍生燃料擠壓機，可制造成RDF，熱值可以達到16 000 kJ，可作為燃煤替代化石燃料。

1.2.3 循環水處理系統

廢水主要來源于垃圾脫水工序、紙漿生產線的擠干工序和塑料生產線脫水工序，各工序廢水通過地下管網自流到廢水處理車間集水池進入廢水處理系統進行處理。廢水處理站處理工藝流程見圖2。

圖2 PGAS廢水處理工藝流程簡圖

采取的主要處理方法是：廢水通過微濾機（80目）回收可利用漿料，微濾機網下水自流進復合凈水裝置。該裝置下為同向流斜板沉淀池，上為氣浮處理單元。廢水在同向流中與定量的混凝劑充分混合，使廢水中膠體顆粒脫穩，破壞廢水的膠體狀態，使水變清。同向流出水自流進氣浮分離器，進一步去除未沉淀的細小懸浮物，保證出水水質穩定，氣浮出水進入回用水池，泵至回用水點，無外排。同向流進氣浮的沉泥含水率為98%～99%，進入生產中的厭氧處理系統生產沼氣和復合肥。

1.2.4 微生物除臭系統

生物除臭是利用微生物的生物降解作用對臭氣物質進行吸收和降解從而達到除臭的目的。生產車間設有專門的密閉卸車區，運來的生活垃圾卸車后，先進行噴灑生物酶液除異味。在卸車區及沼液濃縮工位設氣體收集裝置，氣體被負壓收集后送到生產過程中的好氧工段與垃圾中的生物菌液充分混合，在這個過程中，生物的作用消除垃圾產生的臭味。在此工序臭味氣體被微生物利用后轉化為菌體、二氧化碳與水等其他無臭味物質。

1.2.5 沼液蒸發蒸汽處理系統

沼液濃縮蒸發工序產生的蒸汽，首先經回收熱為發酵系統供熱，然后經冷凝成液態水，再加0.3%～0.5%的酸性活性白土進行吸附，酸性活性白土對冷凝水中的氨氮及揮發性有機物有吸收作用，從而去除氨氮、揮發性有機物等，吸附后液態水再進行過濾，經過實踐證明，過濾液處理雜質去除率達90%，處理后符合中水回用標準，無廢水排放。

2 產業化試驗及效果分析

以山西省垣曲縣PGAS示范項目（示范廠設備見圖3）為例，該項目于2017年建成，已投入運營1 a時間，處理能力100 t/d。輻射范圍包括2個鎮，3個鄉約10萬人。原料來自于各鄉鎮集中收運的生活垃圾，選取4個有代表性月份的生活垃圾各組分的平均含量見表2，可以看出該地生活垃圾組分呈季節性波動，冬春季（采暖季）玻璃、砂石等無機物含量較高，夏秋季餐廚有機質含量較高。整體來看，紙類和塑料含量較少，竹木、紡織品含量較高。

圖3 PGAS示范廠設備

2.1 產物分析

經過1 a的運行，基于累計數據分析的產物分布比例見表3。

表2 生活垃圾組分

注：數據由運送到生產現場的垃圾經人工分選稱質量后得到的質量或根據最終產物推算所得，均以濕基計。

Note: Data were obtained from the waste transported to the production site by manual sorting and weighting or by calculation based on the final product, all based on wet basis.

表3 PGAS技術處理生活垃圾的產物分布比例

由表3和表4數據可以看出，產物分布比例與垃圾組分密切相關，某些產物與季節變化也有一定關系。例如，冬季由于北方供暖季需要燒煤，砂石在垃圾組分中較大，最終產物分布也相應增大；夏季人們食用西瓜等水果較多，果皮屬于餐廚垃圾，產物有機肥相應增多；而紙漿和塑料的產量變化一般不受季節影響。

2.2 污水處理效果分析

經循環水處理系統處理后，水質參數見表4。根據表4數據可計算得到各污染因子的去除率分別為：生化需氧量BOD5（86.9%）、化學需氧量CODcr（87.7%）、固體懸浮物SS（90.1%）、NH3-N（90.2%）和總磷TP（88.9%）。結果顯示，循環出水水質符合中水回用標準，不外排，供系統循環使用。

表4 污水處理循環系統水質參數

2.3 成本分析

經實際測算獲得PGAS技術處理每噸生活垃圾耗水約為0.6 t、耗電約為50 kW·h，一整套裝置需用工（10～15）×3人，所以僅考慮人工、水、電，平均垃圾處理成本約180元/t。最終產物可直接作為產品銷售，每噸垃圾的產值見表5。經過初級分選，處理每噸垃圾產值約325元/t。

如果對紙漿和塑料深加工（紙漿做成蛋托，塑料制成顆粒，價格翻倍），產值可達到600元以上。將投資成本考慮在內，PGAS技術需投資30～35萬元/t，較焚燒處理1 t垃圾的成本（50～55萬元/t）節約近40%。

表5 1 t垃圾經PGAS技術處理后的產值

3 結 論

1）針對中國農村生活垃圾成分復雜、分類不明確、集中化處理和能源轉化率均較低的問題，設計了一種生活垃圾末端全自動全組分分類處置裝置。該裝置由垃圾接收與預處理、總分選、循環水處理、微生物除臭及沼液蒸發蒸汽處理5大系統組成。

2）基于中國農村垃圾含有機質多、含水量高的問題，提出了生物酶液化方法，能將生活垃圾中的有機成分首先分解、分離；再通過濕式分選，確定了6條生產線的主要結構參數，能將混合生活垃圾中的金屬、塑料、廢紙、竹木、紡織物等全部有效分類，經清洗后可直接循環再利用，實現資源化率90%以上。

3）應用該技術實際建成運營一年的垃圾處理廠的數據顯示，分選出產物與垃圾組分比例呈正相關，處理1 t垃圾平均可得到有機肥65 kg、紙漿105 kg、塑料124 kg、垃圾衍生燃料133 kg、砂石135 kg、沼氣55 kg和金屬11 kg；需要成本約180元，產值約325元，投資成本較焚燒節約近40%，污水經處理后各項污染因子去除率平均達到88.76%，供系統循環使用。證明該技術能提高垃圾處置效率，經濟效益可觀，環境友好，有較高推廣價值。

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All components resourcing system of rural garbage based on post-gather automatic sorting and disposal technology and its application

Ren Yue1, Yang Junjie1, Cao Hongjun1,2※, Zhang Qiuyan3, Liu Qian4

(1.,266100,; 2.,266100,;3,266100,; 4.,266100,)

In order to solve the rural living garbage processing problems, we independently developed a unique technology of clean and comprehensive utilization of rural garbage resources, referred to as PGAS technology. Based on modern biodegradation and automatic sorting, we built a complete industrial chain with mixed domestic waste as mineral raw material. The garbage trucks transport rural garbage and directly discharged into the hopper. Quickly biofilm is sprayed to deodorize garbage, then the garbage bags are teared at the same time of feeding. At the transportation, we utilize magnetic and eddy current sorting to get metal products and residues, while the residue will be transferred into the tearing machine and the biological treatment silo, where the raw garbage is mixed by composite bacteria liquid and enzyme liquid. The organic pus would be pumped to anaerobic fermentation system, while the residue would be alternatively tearing through broken drum to main sorting system. By our innovated equipment, we obtain inorganic material as sand and glass, pulp and sundries like bamboo textiles, and pure plastic at last. The products would be further processing to industrial materials as required of market. The sand and gravel glass and other inorganic materials can produce hollow blocks, paving brick and sponge brick. The pulp would change to the pulp products which can be directly used for producing cardboard and corrugated paper. The plastic can be packaged directly to sale, or be used in oil refining, even can be further sorted to monomer plastic, such as PE, and to produce particles. The slurry is pumped into the biogas tank for producing the methane gas through anaerobic fermentation system, which can be reused as energy. And the slurry after anaerobic fermentation, through evaporation, can be sprayed into powder or granular fertilizer. This technology subverted the traditional mode of rural waste disposal, which is the only comprehensive utilization of rural garbage with all components. The whole processing line is close with no smelly gas. There is no sewer in the whole plant with no waste water emissions, the water is in circulation. There is no operator in the whole plant, the sorting is automatic. Take the PGAS demonstration project in Yuanqu County, Shanxi Province as an example. The project was completed in 2017 and has been put into operation for 1 year with a processing capacity of 100 t/d. The radiation area includes 2 towns and 3 townships with about 100 000 people. According to this waste plant’s operation data, treating 1 ton waste by PGAS, we can obtain the average amount of 65 kg organic fertilizer, 105 kg pulp, 124 kg plastic, 133 kg waste derived fuel, 135 kg sand, 55 kg methane and 11 kg metal. The cost is about 180 yuan, and the output value is about 325 yuan. The investment cost is nearly 40% less than that of incineration. After the sewage treatment, the removal rate of various pollution factors reaches 88.76% on average, which is used for recycling. It is proved that this technology can improve the efficiency of waste disposal. This technology has considerable economic benefits, is environmentally friendly, and has high promotion value.

wastes; waste disposal; enzyme liquefied; all component classification; automatic sorting with liquid

任 越，楊俊杰，曹洪軍，張秋艷，劉 乾. 農村生活垃圾全自動全組分分類處理技術與應用[J]. 農業工程學報，2019，35(4)：248－254. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.031 http://www.tcsae.org

Ren Yue, Yang Junjie, Cao Hongjun, Zhang Qiuyan, Liu Qian.All components resourcing system of rural garbage based on post-gather automatic sorting and disposal technology and its application[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(4): 248－254. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.031 http://www.tcsae.org

2018-10-23

2019-02-15

國家自然科學基金項目51779235

任 越，博士生，主要從事環境規劃與管理方面的研究。 Email：oucrenyue@163.com

曹洪軍，博士，博士生導師，主要從事環境規劃與管理、環境經濟、區域經濟、品牌經濟方面的研究。Email：chj@ouc.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.031

X705

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1002-6819(2019)-04-0248-07