用于陈腐垃圾处置的精细化筛分工艺＊——以某垃圾填埋场为例

黄乃先，陈 晨，孔 斌

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海 200092）

1 工程背景概述

随着人口增长、城市化和生活方式变化等综合因素影响，全球城市固体废物年产生量预计在2025 年将超过2.2×109t［1］。垃圾填埋是大多数国家处理固体废物的主要方式之一。据报道，中、低收入国家早期通常采用低运营成本的非正规或简易填埋方式进行固体废物处理［2］。我国固体废物处理技术发展较晚，早期生活垃圾大多采用简易填埋的方式进行［3］，该方式使用的防渗和气体导排措施很难达到国家标准和规范要求，垃圾堆体中的渗滤液和填埋气极易对周边的水体、土壤和大气产生二次污染，对人体健康和生活环境造成安全隐患［4］。据《住房城乡建设部生态环境部水利部农业农村部关于做好非正规垃圾堆放点排查和整治工作的通知》（建村〔2018〕52 号）中非正规垃圾堆放点排查整治信息统计，2017 年全国非正规垃圾堆放点约2.7×104个，由于环保、技术和运营管理水平不高，这些非正规填埋场成为生态环境新的风险点。近年来，国家对非正规或简易填埋场的治理高度重视，先后出台了一系列政策。“十二五”期间，由住建部牵头开始勘查全国非正规老旧填埋场并于2012 年联合国家发改委、生态环境部发布《住房城乡建设部发展改革委环境保护部关于开展存量生活垃圾治理工作的通知》（建城〔2012〕128 号），要求各地认真组织辖区内存量垃圾整治。2016 年，国家发改委、住建部印发《“十三五”全国城镇生活垃圾无害化处理设施建设规划》的通知（发改环资〔2016〕 2851号），加大了对存量填埋场的治理力度，明确指出“十三五”期间存量垃圾投资241.4 亿元，计划实施存量垃圾治理项目803 个。

当前垃圾填埋场的治理技术主要为原位封场、原位好氧稳定化、异地搬迁和原位开挖筛分处置［5-7］。我国因“无废城市”“零填埋”等相关政策倒逼、土地经济价值的激励，原位开挖筛分处置技术逐渐成为实际工程应用中的主流技术。该技术借助筛分系统，将填埋场中的陈腐垃圾按粒径、质量等物理性质的差异分成不同类别，最后根据各类别的特性再进行资源化利用［3，8］。原位开挖筛分处置技术具有释放土地资源、永久消除填埋场对周边环境的污染隐患、无需长期运营维护、存量垃圾减量化效果显著等特点。

我国早期填埋场中陈腐垃圾普遍存在物料组分复杂、易团聚、难分散等特点。传统筛分工艺系统单一，筛分过程易堵塞、分离精度低、筛分质量差，无法对陈腐垃圾进行多级分类，影响产能和筛分产物的后续资源化利用。因此，优化筛分工艺，设计一套针对陈腐垃圾的高效筛分系统对促进“无废城市”建设、提高存量垃圾处置能力至关重要。本工程案例中的填埋场是未经政府部门规划的简易非正规填埋场，总占地约10 hm2，垃圾体量约9.0×105m3，堆放年限达10 余年。填埋垃圾主要由布片、塑料袋、胶卷等废弃物组成，夹杂少量建筑垃圾。该场自启用以来先后进行4次封场完善处理，包括覆土及部分覆膜、覆绿设施，垃圾堆体整形与处理，完善渗滤液收集系统、地表水收集系统、填埋气导排系统等，现因场地未来规划需要对该填埋场垃圾进行筛分处理。本研究结合项目实际情况提出1 种精细化筛分工艺，该工艺产线主要由三级筛分系统、工业相机监控系统和PLC 控制系统组成。陈腐垃圾经过三级筛分系统被细分为含杂率更低的物料类别，安装于产线各关键部位的工业相机负责监控筛分情况，PLC 控制系统根据监控反馈可实时调节筛分参数以降低堵塞概率。

1.1 陈腐垃圾组分检测

项目前期委托第三方检测单位参照CJ/T 313—2009 生活垃圾采样和分析方法随机选取10 个点位（随机抽样的总体为项目地质勘察阶段的70 个钻探点位，随机点位编号为SS1～SS10，垃圾平均埋深为9.84 m）对该填埋场陈腐垃圾的含水率、物理组成、可燃物热值、土壤质地等指标进行抽样检测。检测结果显示，土壤质地主要为黏土、中壤土、轻壤土，土壤相关指标满足GB 36600—2018 土壤环境质量 建设用地污染风险管控标准（试行）第2 类用地要求。陈腐垃圾含水率范围为32.69%～48.02%，平均含水率为39.82%，干基平均高位热值为13 676 kJ/kg，湿基平均低位热值为6 320 kJ/kg。

本次陈腐垃圾分析的组分有厨余类、纸类、橡塑类、纺织类、木竹类、灰土类、砖瓦陶瓷类、玻璃类、金属类、其他类、混合类等。本项目将组分中的纸类、橡塑类、纺织类、木竹类作为轻质筛上物，厨余类、灰土类、混合类和其他类作为腐殖土，砖瓦陶瓷类、玻璃类作为无机骨料，金属类作为金属，抽样检测数据如图1 和图2 所示。

图1 各采样点陈腐垃圾的物理组成Figure 1 The physical composition of aged waste at each sampling point

图2 填埋场陈腐垃圾的分类及物理组成Figure 2 The classification and physical composition of aged waste at the landfill site

结果显示，该填埋场厨余类和其他类组分质量分数为0，其余组分中纸类、橡塑类、纺织类、木竹类平均质量分数分别为5.99%、17.58%、25.39%、8.91%；砖瓦陶瓷类、玻璃类平均质量分数分别为12.45%、7.21%；金属类平均质量分数为4.45%；灰土类、混合类平均质量分数分别为11.80%、6.22%。

1.2 填埋场陈腐垃圾特性

1）垃圾含水率高。由于项目所在地属亚热带季风气候区，雨量充沛，集中在4—9 月，其中4—6 月为前汛期，以锋面低槽降水为主，7—9 月为后汛期，台风降水活跃，地下水位较高，加大了垃圾渗滤液产生量，导致垃圾堆体含水率高。含水率是影响筛分效果的重要因素，本项目陈腐垃圾含水率平均值达39.82%，需要在筛分前做好晾晒脱水工作。并且为应对特殊情况，筛分产线的第3 级筛分设备采用星盘筛，以进一步减轻高含水率垃圾筛分过程中的卡堵问题，同时产线易卡堵部位设置工业相机配合PLC 控制系统可实时调控筛分参数、降低卡堵概率。

2）轻质物含量高。现场勘察发现，陈腐垃圾含大量轻质物（57.87%），主要为布条、塑料袋、相机胶卷等。陈腐垃圾的干基平均高位热值高达13 676 kJ/kg，筛分后的轻质物具有焚烧发电潜力，可以弥补周边热电厂产能过剩、入炉垃圾不足的缺点。为获得高纯度轻质筛上物，本项目设计的精细化筛分工艺中的三级筛分系统可对陈腐垃圾进一步细分，从而能有效降低轻质筛上物的含杂率。

2 工艺流程与设计参数

本项目筛分工艺流程如图3 所示。

图3 精细化筛分系统工艺流程示意Figure 3 Process flow schemetic of high-precision sorting system

精细化筛分系统中主要筛分设备为大件筛、磁选机、一级滚筒筛、二级滚筒筛、星盘筛、风选机（共3 级），各设备的相关参数如表1 所示。陈腐垃圾经精细化筛分系统筛分的工作流程及原理为：陈腐垃圾混合物由链板机输送至大件筛，大件筛将陈腐垃圾中粒径≥200 mm 的砖石瓦块或成团垃圾等大件垃圾筛出，粒径＜200 mm 的筛上物进入磁选机，筛出其中的金属物料后进入一级滚筒筛，一级滚筒筛将物料分离为≥100 mm 的筛上物和＜100 mm 的筛下物，粒径≥100 mm 的筛上物进入一级风选机被分选为轻质物和重质物，粒径＜100 mm 的筛下物则进入二级滚筒筛被分为≥40 mm 的筛上物和＜40 mm 的筛下物，同理粒径≥40 mm 的筛上物经二级风选机后被分选为轻质物和重质物，粒径＜40 mm 的筛下物最终进入星盘筛被分离为＜20 mm的腐殖土和≥20 mm 的筛上物，粒径≥20 mm 的筛上物经三级风选机后被风选为轻质物和重质物。另外，精细化筛分系统中各个筛分设备的主要部位还装有工业相机，可将陈腐垃圾筛分过程的实时影像传输至PLC 中控室，操作员可根据筛分影像判断各个筛分设备的主要部位是否可能发生堵塞，并通过调节各设备的运行频率等关键参数来降低堵塞概率，进而提高筛分效率和产能。

表1 筛分产线主要设备的规格和运行参数Table 1 Specifications and operating parameters of the main equipments in the sorting production line

陈腐垃圾经上述精细化筛分系统后被分选为大件垃圾（砖瓦石块、成团垃圾等）、金属、重质物（砖瓦石块、玻璃等）、轻质物以及腐殖土。其中轻质物作为垃圾衍生燃料（Refuse-Derive Fuel，RDF）可打包运输至周边环保热电厂焚烧发电；腐殖土经第三方检测并对比土壤质量标准，满足回填标准后就地回填否则交由资质单位处理；大件垃圾和重质物主要为砖瓦石块、玻璃等，可与金属物料一同交由相关单位回收或进行资源化再利用。

3 测试指标与分析方法

3.1 筛分产物的含杂率

筛分产物含杂率（σ）指筛上（下）物中直径小（大）于筛分设备筛孔直径的垃圾质量以及非该类别垃圾的质量占筛分产物总质量的比例，计算方法如式（1）所示。本项目中金属几乎没有杂质，不参与评价。样品采集参考CJ/T 313—2009，筛分产物的采样频次为每周1 次，每次采样量为腐殖土10 kg、重质物50 kg、轻质物50 kg。大件垃圾相比上述3 类垃圾出料量较少且不均匀，垃圾种类主要为大块石头和成团布料等，采样量按1 d的出料量计。

式中：m样品为样品质量，kg；m杂质为样品中杂质的质量，kg。

各类筛分产物的杂质定义具体如下。

大件垃圾中的杂质：大件垃圾样品中直径小于大件筛筛径（200 mm）的垃圾和轻质物。该类杂质主要依靠人工分拣，较容易区分。

腐殖土中的杂质：腐殖土样品中直径大于星盘筛筛径（20 mm）的垃圾和轻质物。该类杂质需使用筛径为20 mm 的筛和小型扬风机区分。

重质物中的杂质：重质物样品中直径小于星盘筛筛径（20 mm）的垃圾和轻质物。大块杂质使用人工分拣，细小杂质使用筛径为20 mm 的筛和小型扬风机区分。

轻质物中的杂质：轻质物样品中直径小于星盘筛筛径（20 mm）的垃圾和重质物。大块杂质使用人工分拣，细小杂质使用筛径为20 mm 的筛和小型扬风机区分。

3.2 筛分日产能

日产能（Q）为本项目（共2 条产线）每日筛分陈腐垃圾的质量，计算如式（2）所示。

式中：m总为每车轻质物和车的总质量，kg；m车为车的质量，kg；m总和m车均由项目部地磅称量所得；n为每日轻质物外运车次；ω为本项目轻质物质量分数，取57.87%。

4 运行效果分析

本项目统计2022 年9 月至2023 年3 月的筛分日产能和筛分产物含杂率如表2 所示，表中数据为月均值，检测样品数量总计112 个（每种垃圾样品28 个）。

表2 筛分产物含杂率及日产能Table 2 The impurity content of the sorting products and the daily production capacity

本项目共2 条筛分产线，日产能均值为2 312 t/d，大件垃圾含杂率均值为45.32%（杂质中除轻质物外粒径范围为0～200 mm），腐殖土含杂率均值为1.10%（杂质中除轻质物外粒径范围为20～35 mm），重质物含杂率均值为1.39%（杂质中除轻质物外粒径范围为0～20 mm），轻质物含杂率均值为0.56%（杂质中除轻质物外粒径范围为0～20 mm）。其中，大件垃圾含杂率较高主要是由于陈腐垃圾中轻质物含量高，且轻质物中存在较多大块布料，易将垃圾包成团，在过大件筛时难以分散，最终成为筛上物被筛出，故需在大件垃圾中通过人工将上述成团垃圾进行重新筛分。腐殖土杂质主要为直径＜20 mm 的木条、塑料屑、布屑等，不易清除，后续可考虑扬风机或小型风选机对腐殖土进一步提纯。重质物中的杂质主要为包裹着砖瓦石块的布料或塑料袋等轻质物，风选机不易分离该类垃圾，本项目在出料口和外运皮带两边设置人工分拣步骤，可有效清理此类轻质物。本项目轻质物含杂率较低，主要杂质为20 mm 或直径更小的土壤颗粒，此类杂质黏附在轻质物表面较难清理，后续可考虑通过循环水洗工艺，配合废料再生等资源化生产线，达到“变废为宝”的效果。

5 项目效益分析

原位开挖筛分处置技术一方面永久解决了填埋场对周边环境的污染问题，释放土地资源，加速城镇化建设；另一方面紧跟存量垃圾无害化、减量化、资源化治理政策，为陈腐垃圾的回收与资源化利用提供可能，是真正实现“变废为宝”，助力“无废城市”建设的重要技术。现从环境、经济、社会3 个层面分析该项目效益。

1）环境效益。本项目实施后，将永久消除填埋场长期对周边环境的污染隐患，缓解存量垃圾治理压力，助力简易填埋场清零计划，有效减轻区域环境存量垃圾负荷，为构建“无废城市”扫清历史遗留障碍，让区域生态环境持续改善。同时，彻底清除填埋场作为持续性温室气体排放问题，是环境卫生领域碳减排的重要举措。

2）经济效益。本项目有效盘活填埋场及其周边的土地资源，有利于土地开发升值，促进区域经济发展。同时，开挖筛分模式预计每年可节省填埋场长期运营维护费用约3 000 万元，并且筛分产物中的轻质物可作为RDF，缓解周边电厂产能过剩、焚烧垃圾不足的困境。

3）社会效益。本项目的实施是贯彻中央环保督察、省和市委、市政府关于存量垃圾整治工作要求的重要举措。实施后可改善市民居住环境、城市市容形象、营商投资环境，促进产业的可持续发展和社会经济发展，可安置富余劳动力、增加就业机会、促进劳动力的转移，产生良好社会效益。此外有助于推动存量垃圾治理，具有良好的示范作用。

6 存在问题与展望

1）高含水率物料筛分易堵塞。目前市场上主流筛分设备均依靠筛孔对垃圾大小进行分选，当垃圾含水率较高时，黏土极易堵塞筛孔，影响筛分效率。一方面需要开发高效经济的前处理脱水技术，另一方面还需考虑研发不同原理的新型设备以规避筛孔堵塞问题或优化孔径和孔型以降低堵塞频率。

2）末端筛分产物资源化方式单一。目前陈腐垃圾筛分产物的可利用方式有待探索，尤其是其中的经济价值，如轻质筛上物主要利用方式是作为RDF 运送至周边环保热电厂焚烧。我国不同填埋场陈腐垃圾中的轻质物成分差异显著，需要提前谋划，在勘察阶段确定轻质物主要成分并制定后期资源化路径，根据轻质物特点研发匹配筛分产线的资源化工艺单元，发挥垃圾的经济价值，实现资源化产业联动。

3）筛分产线人工依赖性高、安全性差。目前筛分产线个别阶段的筛分效果对人工依赖性高，尤其发生堵塞时主要依靠人工清理，人员安全风险高。当前智能技术发展迅速，搭载智能筛分技术或自动筛分机器人的产线已在工业和生活垃圾分选中应用。研发适用于陈腐垃圾筛分场景的智能技术在一定程度上可减少筛分过程污染物对人体的侵害，保障筛分过程的安全性，同时智能控制可通过实时变更运行参数降低产线堵塞概率。

7 结论

1）相比常规筛分技术，本研究提出的精细化筛分工艺不仅有效降低堵塞频率、提高筛分产能，还能获得高纯度筛分产物，提高后续资源化利用效率。

2）针对陈腐垃圾特性，进行筛分设备的针对性改进优化及创新设计，提升筛分性能，通过多级分选降低单次分选负荷、提升分选效率，解决物料团聚裹挟、分离精度差的问题，降低筛下物含杂率，是实现筛分产物资源化利用的关键。

3）鉴于全国各地填埋场陈腐垃圾成分复杂多变，筛分系统很难做到统一适用，针对陈腐垃圾特性，研发匹配产线，重点攻克高含水率垃圾易堵塞、资源化方式单一、缺乏智能化控制等筛分难题是筛分处置技术走向成熟的必由之路。