用于陳腐垃圾處置的精細化篩分工藝＊
——以某垃圾填埋場為例

2024-03-09 09:08:02黃乃先

環境衛生工程 2024年1期

黃乃先，陳晨，孔斌

（上海市政工程設計研究總院（集團）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生量預計在2025 年將超過2.2×109t［1］。垃圾填埋是大多數國家處理固體廢物的主要方式之一。據報道，中、低收入國家早期通常采用低運營成本的非正規或簡易填埋方式進行固體廢物處理［2］。我國固體廢物處理技術發展較晚，早期生活垃圾大多采用簡易填埋的方式進行［3］，該方式使用的防滲和氣體導排措施很難達到國家標準和規范要求，垃圾堆體中的滲濾液和填埋氣極易對周邊的水體、土壤和大氣產生二次污染，對人體健康和生活環境造成安全隱患［4］。據《住房城鄉建設部生態環境部水利部農業農村部關于做好非正規垃圾堆放點排查和整治工作的通知》（建村〔2018〕52 號）中非正規垃圾堆放點排查整治信息統計，2017 年全國非正規垃圾堆放點約2.7×104個，由于環保、技術和運營管理水平不高，這些非正規填埋場成為生態環境新的風險點。近年來，國家對非正規或簡易填埋場的治理高度重視，先后出臺了一系列政策。“十二五”期間，由住建部牽頭開始勘查全國非正規老舊填埋場并于2012 年聯合國家發改委、生態環境部發布《住房城鄉建設部發展改革委環境保護部關于開展存量生活垃圾治理工作的通知》（建城〔2012〕128 號），要求各地認真組織轄區內存量垃圾整治。2016 年，國家發改委、住建部印發《“十三五”全國城鎮生活垃圾無害化處理設施建設規劃》的通知（發改環資〔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，計劃實施存量垃圾治理項目803 個。

當前垃圾填埋場的治理技術主要為原位封場、原位好氧穩定化、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”等相關政策倒逼、土地經濟價值的激勵，原位開挖篩分處置技術逐漸成為實際工程應用中的主流技術。該技術借助篩分系統，將填埋場中的陳腐垃圾按粒徑、質量等物理性質的差異分成不同類別，最后根據各類別的特性再進行資源化利用［3，8］。原位開挖篩分處置技術具有釋放土地資源、永久消除填埋場對周邊環境的污染隱患、無需長期運營維護、存量垃圾減量化效果顯著等特點。

我國早期填埋場中陳腐垃圾普遍存在物料組分復雜、易團聚、難分散等特點。傳統篩分工藝系統單一，篩分過程易堵塞、分離精度低、篩分質量差，無法對陳腐垃圾進行多級分類，影響產能和篩分產物的后續資源化利用。因此，優化篩分工藝，設計一套針對陳腐垃圾的高效篩分系統對促進“無廢城市”建設、提高存量垃圾處置能力至關重要。本工程案例中的填埋場是未經政府部門規劃的簡易非正規填埋場，總占地約10 hm2，垃圾體量約9.0×105m3，堆放年限達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行4次封場完善處理，包括覆土及部分覆膜、覆綠設施，垃圾堆體整形與處理，完善滲濾液收集系統、地表水收集系統、填埋氣導排系統等，現因場地未來規劃需要對該填埋場垃圾進行篩分處理。本研究結合項目實際情況提出1 種精細化篩分工藝，該工藝產線主要由三級篩分系統、工業相機監控系統和PLC 控制系統組成。陳腐垃圾經過三級篩分系統被細分為含雜率更低的物料類別，安裝于產線各關鍵部位的工業相機負責監控篩分情況，PLC 控制系統根據監控反饋可實時調節篩分參數以降低堵塞概率。

1.1 陳腐垃圾組分檢測

項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選取10 個點位（隨機抽樣的總體為項目地質勘察階段的70 個鉆探點位，隨機點位編號為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、土壤質地等指標進行抽樣檢測。檢測結果顯示，土壤質地主要為黏土、中壤土、輕壤土，土壤相關指標滿足GB 36600—2018 土壤環境質量建設用地污染風險管控標準（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。本項目將組分中的紙類、橡塑類、紡織類、木竹類作為輕質篩上物，廚余類、灰土類、混合類和其他類作為腐殖土，磚瓦陶瓷類、玻璃類作為無機骨料，金屬類作為金屬，抽樣檢測數據如圖1 和圖2 所示。

圖1 各采樣點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

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

1.2 填埋場陳腐垃圾特性

1）垃圾含水率高。由于項目所在地屬亞熱帶季風氣候區，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，臺風降水活躍，地下水位較高，加大了垃圾滲濾液產生量，導致垃圾堆體含水率高。含水率是影響篩分效果的重要因素，本項目陳腐垃圾含水率平均值達39.82%，需要在篩分前做好晾曬脫水工作。并且為應對特殊情況，篩分產線的第3 級篩分設備采用星盤篩，以進一步減輕高含水率垃圾篩分過程中的卡堵問題，同時產線易卡堵部位設置工業相機配合PLC 控制系統可實時調控篩分參數、降低卡堵概率。

2）輕質物含量高。現場勘察發現，陳腐垃圾含大量輕質物（57.87%），主要為布條、塑料袋、相機膠卷等。陳腐垃圾的干基平均高位熱值高達13 676 kJ/kg，篩分后的輕質物具有焚燒發電潛力，可以彌補周邊熱電廠產能過剩、入爐垃圾不足的缺點。為獲得高純度輕質篩上物，本項目設計的精細化篩分工藝中的三級篩分系統可對陳腐垃圾進一步細分，從而能有效降低輕質篩上物的含雜率。

2 工藝流程與設計參數

本項目篩分工藝流程如圖3 所示。

圖3 精細化篩分系統工藝流程示意Figure 3 Process flow schemetic of high-precision sorting system

精細化篩分系統中主要篩分設備為大件篩、磁選機、一級滾筒篩、二級滾筒篩、星盤篩、風選機（共3 級），各設備的相關參數如表1 所示。陳腐垃圾經精細化篩分系統篩分的工作流程及原理為：陳腐垃圾混合物由鏈板機輸送至大件篩，大件篩將陳腐垃圾中粒徑≥200 mm 的磚石瓦塊或成團垃圾等大件垃圾篩出，粒徑＜200 mm 的篩上物進入磁選機，篩出其中的金屬物料后進入一級滾筒篩，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 的篩上物進入一級風選機被分選為輕質物和重質物，粒徑＜100 mm 的篩下物則進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 的篩上物經二級風選機后被分選為輕質物和重質物，粒徑＜40 mm 的篩下物最終進入星盤篩被分離為＜20 mm的腐殖土和≥20 mm 的篩上物，粒徑≥20 mm 的篩上物經三級風選機后被風選為輕質物和重質物。另外，精細化篩分系統中各個篩分設備的主要部位還裝有工業相機，可將陳腐垃圾篩分過程的實時影像傳輸至PLC 中控室，操作員可根據篩分影像判斷各個篩分設備的主要部位是否可能發生堵塞，并通過調節各設備的運行頻率等關鍵參數來降低堵塞概率，進而提高篩分效率和產能。

表1 篩分產線主要設備的規格和運行參數Table 1 Specifications and operating parameters of the main equipments in the sorting production line

陳腐垃圾經上述精細化篩分系統后被分選為大件垃圾（磚瓦石塊、成團垃圾等）、金屬、重質物（磚瓦石塊、玻璃等）、輕質物以及腐殖土。其中輕質物作為垃圾衍生燃料（Refuse-Derive Fuel，RDF）可打包運輸至周邊環保熱電廠焚燒發電；腐殖土經第三方檢測并對比土壤質量標準，滿足回填標準后就地回填否則交由資質單位處理；大件垃圾和重質物主要為磚瓦石塊、玻璃等，可與金屬物料一同交由相關單位回收或進行資源化再利用。

3 測試指標與分析方法

3.1 篩分產物的含雜率

篩分產物含雜率（σ）指篩上（下）物中直徑小（大）于篩分設備篩孔直徑的垃圾質量以及非該類別垃圾的質量占篩分產物總質量的比例，計算方法如式（1）所示。本項目中金屬幾乎沒有雜質，不參與評價。樣品采集參考CJ/T 313—2009，篩分產物的采樣頻次為每周1 次，每次采樣量為腐殖土10 kg、重質物50 kg、輕質物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布料等，采樣量按1 d的出料量計。

式中：m樣品為樣品質量，kg；m雜質為樣品中雜質的質量，kg。

各類篩分產物的雜質定義具體如下。

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

腐殖土中的雜質：腐殖土樣品中直徑大于星盤篩篩徑（20 mm）的垃圾和輕質物。該類雜質需使用篩徑為20 mm 的篩和小型揚風機區分。

重質物中的雜質：重質物樣品中直徑小于星盤篩篩徑（20 mm）的垃圾和輕質物。大塊雜質使用人工分揀，細小雜質使用篩徑為20 mm 的篩和小型揚風機區分。

輕質物中的雜質：輕質物樣品中直徑小于星盤篩篩徑（20 mm）的垃圾和重質物。大塊雜質使用人工分揀，細小雜質使用篩徑為20 mm 的篩和小型揚風機區分。

3.2 篩分日產能

日產能（Q）為本項目（共2 條產線）每日篩分陳腐垃圾的質量，計算如式（2）所示。

式中：m總為每車輕質物和車的總質量，kg；m車為車的質量，kg；m總和m車均由項目部地磅稱量所得；n為每日輕質物外運車次；ω為本項目輕質物質量分數，取57.87%。

4 運行效果分析

本項目統計2022 年9 月至2023 年3 月的篩分日產能和篩分產物含雜率如表2 所示，表中數據為月均值，檢測樣品數量總計112 個（每種垃圾樣品28 個）。

表2 篩分產物含雜率及日產能Table 2 The impurity content of the sorting products and the daily production capacity

本項目共2 條篩分產線，日產能均值為2 312 t/d，大件垃圾含雜率均值為45.32%（雜質中除輕質物外粒徑范圍為0～200 mm），腐殖土含雜率均值為1.10%（雜質中除輕質物外粒徑范圍為20～35 mm），重質物含雜率均值為1.39%（雜質中除輕質物外粒徑范圍為0～20 mm），輕質物含雜率均值為0.56%（雜質中除輕質物外粒徑范圍為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物含量高，且輕質物中存在較多大塊布料，易將垃圾包成團，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垃圾進行重新篩分。腐殖土雜質主要為直徑＜20 mm 的木條、塑料屑、布屑等，不易清除，后續可考慮揚風機或小型風選機對腐殖土進一步提純。重質物中的雜質主要為包裹著磚瓦石塊的布料或塑料袋等輕質物，風選機不易分離該類垃圾，本項目在出料口和外運皮帶兩邊設置人工分揀步驟，可有效清理此類輕質物。本項目輕質物含雜率較低，主要雜質為20 mm 或直徑更小的土壤顆粒，此類雜質黏附在輕質物表面較難清理，后續可考慮通過循環水洗工藝，配合廢料再生等資源化生產線，達到“變廢為寶”的效果。

5 項目效益分析

原位開挖篩分處置技術一方面永久解決了填埋場對周邊環境的污染問題，釋放土地資源，加速城鎮化建設；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，是真正實現“變廢為寶”，助力“無廢城市”建設的重要技術。現從環境、經濟、社會3 個層面分析該項目效益。

1）環境效益。本項目實施后，將永久消除填埋場長期對周邊環境的污染隱患，緩解存量垃圾治理壓力，助力簡易填埋場清零計劃，有效減輕區域環境存量垃圾負荷，為構建“無廢城市”掃清歷史遺留障礙，讓區域生態環境持續改善。同時，徹底清除填埋場作為持續性溫室氣體排放問題，是環境衛生領域碳減排的重要舉措。

2）經濟效益。本項目有效盤活填埋場及其周邊的土地資源，有利于土地開發升值，促進區域經濟發展。同時，開挖篩分模式預計每年可節省填埋場長期運營維護費用約3 000 萬元，并且篩分產物中的輕質物可作為RDF，緩解周邊電廠產能過剩、焚燒垃圾不足的困境。

3）社會效益。本項目的實施是貫徹中央環保督察、省和市委、市政府關于存量垃圾整治工作要求的重要舉措。實施后可改善市民居住環境、城市市容形象、營商投資環境，促進產業的可持續發展和社會經濟發展，可安置富余勞動力、增加就業機會、促進勞動力的轉移，產生良好社會效益。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備均依靠篩孔對垃圾大小進行分選，當垃圾含水率較高時，黏土極易堵塞篩孔，影響篩分效率。一方面需要開發高效經濟的前處理脫水技術，另一方面還需考慮研發不同原理的新型設備以規避篩孔堵塞問題或優化孔徑和孔型以降低堵塞頻率。

2）末端篩分產物資源化方式單一。目前陳腐垃圾篩分產物的可利用方式有待探索，尤其是其中的經濟價值，如輕質篩上物主要利用方式是作為RDF 運送至周邊環保熱電廠焚燒。我國不同填埋場陳腐垃圾中的輕質物成分差異顯著，需要提前謀劃，在勘察階段確定輕質物主要成分并制定后期資源化路徑，根據輕質物特點研發匹配篩分產線的資源化工藝單元，發揮垃圾的經濟價值，實現資源化產業聯動。

3）篩分產線人工依賴性高、安全性差。目前篩分產線個別階段的篩分效果對人工依賴性高，尤其發生堵塞時主要依靠人工清理，人員安全風險高。當前智能技術發展迅速，搭載智能篩分技術或自動篩分機器人的產線已在工業和生活垃圾分選中應用。研發適用于陳腐垃圾篩分場景的智能技術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時變更運行參數降低產線堵塞概率。