城市生活垃圾處置方法與綜合處理前分選工藝研究現狀

劉益強，鄒樹梁，郭平輝，唐德文，湯 濤

（南華大學 機械工程學院，湖南 衡陽421001）

1 引言

改革開放以來，我國的經濟實力和城市化進程都有了飛速的發展，快速發展的同時也帶來了史無前例的城市生活垃圾處理問題。隨著我國經濟發展、人口增長及城市化進程的加快，我國城市生活垃圾的總產量每年都保持一定的增長速率，生活垃圾總產量迅速增加且一直居高不下［1］。它所帶來的一系列相關問題日益凸顯，現已受到社會各界廣泛關注。如何形成一條合理的、高效的、可靠的、經濟的、符合我國國情的生活垃圾綜合處理工藝，實現垃圾的減容化、減量化、資源化、無害化，實現生活垃圾的可持續發展是我國在環保產業上面臨的最大問 題［2］。

2 我國城市生活垃圾產生及收集狀況

根據中國統計局公布的數據（表1）我們可以看出，隨著我國城市化進程的推進、城市人口總量的增加，我國城市生活垃圾的總產量正在不斷增加，垃圾清運工作的壓力也在不斷加大。截至2010年底，全國設計城市和縣城生活垃圾年清運量2.21億t，生活垃圾無害化處理率63.5%，其中設市城市77.9%，縣城27.4%［3］。目前，我國垃圾分類收集推廣率較低，沒有專門的垃圾分類收集、分類運輸機制［4］，我國垃圾收集出現了先分后混、直接混合收集等尷尬現狀。廢舊電池、殺蟲劑、藥品等有害生活垃圾未專門分類收集，可見我國城市生活垃圾的組份與發達國家相比有自己的特殊性。

表1 中國城市生活垃圾回收及清運狀況

目前，我國垃圾的收集方式仍普遍采用混合收集或直接運輸的方式。這種方法在我國已經存在有10多年，在一定程度上減輕了生活垃圾的二次污染。由于我國垃圾處理產業起步相對較晚，目前我國城市生活垃圾處理廠的數量和處理工藝及處理力度遠不能適應我國城市生活垃圾的快速增長的要求。許多城市的生活垃圾甚至沒有經過前分選處理就直接露天堆放或填埋。“十二五”規劃中的相關政策將促進我國環境衛生保護產業的飛速發展，極大地改變我國混亂的城市生活垃圾處置現狀。本文著重綜述了我國城市生活垃圾的處置現狀、垃圾分選設備以及生活垃圾綜合處理前分選工藝。

3 我國生活垃圾主要處置方式

我國生活垃圾的處理方式的選擇與城市的地理位置、能源結構、經濟發展水平、城市人口密度、國家政策及環保意識等因素密切相關。目前我國城市生活垃圾主要的處理措施有露天堆放、高溫堆肥、衛生填埋、焚燒處理和垃圾綜合處理等處理方式。尤其是高溫堆肥、衛生填埋和焚燒處理是當今世界各國通用的處理方法［6］。

3.1 露天堆放

露天堆放是我國與許多發展中國家普遍存在的嚴重問題。露天堆放一般設置在城鄉結合地帶，隨著垃圾的日積月累，垃圾圍城的現象日益嚴重。

圖1 我國某城市生活垃圾露天堆放場

該堆放場沒有配備氣體導排、濾液處理及防滲設施，不但會對水體、空氣造成嚴重的污染，而且會嚴重破壞周邊生態環境［7］。露天堆放對垃圾成分中的可回收物質是一種浪費，同時難以降解的塑料、玻璃等物質的堆埋，加大了自然降解的難度。由于場地有限，目前已無法滿足不斷增長的城市生活垃圾的堆放場地需求。垃圾的混合堆放大大加長了自然降解的周期和難度，垃圾產生的濾液可能會污染地下水、伴隨細菌的大量繁殖、產生有毒氣體及沼氣，嚴重時可能引起爆炸事故。國際上已經明令禁止簡易填埋，但在城鎮，還是最主要的垃圾處理方式［8］。隨著我國對環保產業的重視，環保技術的創新，露天堆放將會得到有效的控制。

3.2 高溫堆肥

堆肥處理生活垃圾技術在歐美等發達國家起步較早，由于高效的分類收集技術，此處理技術目前已達到了工業化應用的水平。此項技術的優點是，處理等量的有機垃圾的投資比單純的焚燒處理大大降低，所以目前在國際上比較受歡迎。堆肥的質量主要受有機廢物中養分的含量、溫度、廢物粒度、濕度、pH值及處理工藝等綜合影響。目前，在我國，由于城市生活垃圾沒有徹底完成分類回收且垃圾綜合前處理分揀不徹底，所以我國的堆肥質量和銷量一直沒有趕上發達國家，市場內受歡迎度一度低迷［9］。鑒于此，我國堆肥處理產業應考慮走高端產業化處理的新道路，提高堆肥質量來帶動農民使用堆肥的積極性［10］。隨著垃圾綜合前處理技術、分選設備、分選工藝的不斷創新，高溫堆肥技術將進一步得到推廣，處理量將逐漸增加。

3.3 衛生填埋

目前，我國有95%以上的城市生活垃圾采用填埋處理［11］。生活垃圾衛生填埋處理技術比較成熟、運行成本低、最易管理維護而且可以處理所有種類的垃圾。因此，廣泛被世界各國采用。我國某城市生活垃圾衛生填埋場如圖2所示。

衛生填埋已經成為我國多數城市生活垃圾處理起步階段的主要處理方式［12］。但是，許多可以回收利用的生活垃圾資源（如：塑料、紙類、廢鐵、玻璃等）被填埋浪費了，沒有實現生活垃圾的資源化、減容化、減量化。這種處理方式容易發生重金屬的積累、填埋場爆炸、濾液泄露等事故，對生態平衡也構成一定威脅［13］。同時，這種處理方法需要大量的土地資源，給土地資源緊張的大中城市進一步加重了用地負擔。我國垃圾廠沒有很好地利用壓實技術、分選技術來減容、減量，使得一些垃圾填埋廠未到設計使用年限就已填滿，加劇了我國城市用地緊張度。“十二五”規劃中明確規定，積極發展垃圾處理產業，逐步減少垃圾衛生填埋量，朝著零填埋努力。

圖2 我國某城市生活垃圾衛生填埋場

3.4 焚燒處理

垃圾焚燒比垃圾填埋能更好地節約垃圾處理用地，廢物中的有毒有害物質在高溫焚燒下氧化分解［14］。因此，可同時實現廢物無害化、減量化、資源化。我國主要焚燒垃圾的鍋爐有流化床焚燒爐、機械爐排爐、回轉式焚燒爐。隨著城市能源結構的調整，居民生活水平的提高，城市生活垃圾中有機物的含量正在不斷上升，垃圾組成由“多灰、多水、低熱值”，向“少灰、高熱值”方向發展，以焚燒為代表的垃圾處理技術正在我國大力發展，成為一個新興的環保產業。目前焚燒處理方式已經成為我國垃圾處理方式中繼衛生填埋后的第二大處理技術方式［15］。“十五”期間，我國已在天津、上海、杭州、哈爾濱等大城市建成垃圾焚燒發電廠30座，按照我國“十一五”規劃，擬建和在建的垃圾焚燒發電廠還將有60座。“十二五”規劃中正大力發展這種處理技術，計劃在全國范圍內興建一批焚燒處理廠，利用焚燒產生的熱能來發電，從而提高能量的循環利用率，在一定程度上緩解城市用電和用地的緊張［16］。土耳其Mustafa Kara在圖比塔克馬馬拉研究中心（TUBITAK MRC）研究了土耳其大力發展的垃圾衍生燃料RDF制備技術（自簽訂《京都議定書》后），此項技術對我國節能減排、降低焚燒氣體的污染、發展經濟、加快城市化進程有一定的促進作用［17］，因而正在被國內各大城市引進。我國城市生活垃圾中有機物含量和含水率高達50%～60%不利于充分燃燒，而且焚燒設備一次性投資大、運行成本高且焚燒生活垃圾所產生的二噁英等有害氣體的凈化問題已經成為我國環保工程人員面臨的重大課題［18］，因此通過高效的綜合分選技術來篩選出有機物、提高焚燒垃圾的熱值，將是我國垃圾焚燒發電產業又一亟待解決的難題。

3.5 垃圾綜合處理

垃圾深度綜合處理即垃圾貯存發酵與精細分選。首先通過垃圾貯存發酵來降低垃圾含水率，提升垃圾低位熱值。然后進入精細分選環節，依據垃圾分組進行回收、填埋、堆肥、焚燒等處理，實現垃圾處置無害化、減量化、資源化和穩定化。綜合處理技術正在我國悄然興起，它是一種先進的處理方法，它將高溫堆肥、衛生填埋、焚燒處理技術的優點和長處結合起來，大大提高了垃圾處理的效率［19］。該技術可同時實現回收可循環利用的資源、焚燒可焚燒的不可回收物質、將有機物堆肥處理、填埋剩余的廢物及焚燒爐渣，可做到可循環利用物質的最大化回收利用，減少垃圾的填埋量。該技術可以避免單一處理的缺點，大大降低了合理處理的難度［20］。某公司城市生活垃圾綜合處理工藝流程如圖3所示。

圖3 某公司城市生活垃圾綜合處理工藝流程

我國城市的生活垃圾構成較復雜，含水量高且有機廢物比例大，精細分選不僅可以減少填埋處理的垃圾量，還能提高焚燒處理的效率和經濟效益。某公司采用先進的生活垃圾資源化自動分選技術，該技術結合了機械、自動控制等手段，整個工藝系統自動化程度高，無需人工直接接觸垃圾，將混合生活垃圾嚴格分選為橡塑、紡織類、玻璃、金屬、磚瓦陶瓷、灰土渣等物質類別，達到垃圾分選的高效率、高精度、安全化作業，分選后的生活垃圾一部分資源性回收，另一部分通過篩分，分離為高熱值垃圾和易腐有機物，分別進入焚燒處理和堆肥處理系統。分選系統大大減少了垃圾處理量，達到垃圾資源化利用的同時提高了后續垃圾焚燒處理和堆肥處理的質量和效率，減少了對環境和人體的二次危害。

4 城市生活垃圾的主要分選設備及綜合分選工藝

4.1 城市生活垃圾主要分選設備

我國城市生活垃圾的主要分選設備有：破袋設備、篩分設備、重力分選設備、磁選設備（圖4）、光電分選設備和渦電流分選設備。垃圾篩分設備主要有：應用于垃圾粗破碎前的格篩和棒條篩分選設備兩種；針對我國袋裝生活垃圾的特點，主要新型的生活垃圾破袋機有：剪切式生活垃圾破碎機［21］、旋轉剪切式破碎機［22］（圖5）。應用于破袋后的分選設備有臥式旋轉滾筒篩、立式滾筒篩和葉片滾筒篩［23］。重力分選的常用技術是風力分選技術，目前世界上常用的有臥式風選機和垂直風選設備［24］。隨著環保工程技術的發展，旋風除塵技術和鎖氣器在風選系統中的應用越來越廣泛，大大提高了垃圾重力分選的效率。

圖4 某垃圾分選處理廠磁選機

圖5 某垃圾分選處理廠城市生活垃圾圓筒破碎篩選機

從圖6可以看出該風選機是通過這個送風系統送風和抽風的方向不同來形成一個正負風壓，從而在風選機（圖7）中能使輕質物質隨著負風壓被抽送出來，而重物質則在重力的作用下掉落下來，實現重物質和輕物質的分選。該分選工藝環節選出的輕質物質品質高，可以直接打包壓縮銷售給廢品回收公司。因此，該分選工藝具有相當經濟效益。

目前，在發達國家城市生活垃圾分選裝備技術相當成熟，擁有垃圾分選的成套處理技術和成套預處理及處置系統。德國積極發展垃圾分選技術及垃圾發電技術，從2006年開始就實現了垃圾的零填埋，甚至需進口大量垃圾來維持垃圾發電廠的正常工作［25］。垃圾衍生燃料技術（RFD技術）作為日本政府正在推廣的垃圾處理方式、方向，目前正受到中國的廣州、深圳等大城市作為先進的垃圾處理技術在追捧［26］。

4.2 城市生活垃圾分選工藝概述

目前，我國的分選工藝流程相對落后，且需要大量的人工。圖8某垃圾分選處理廠人工分選臺主要分揀經過風選后的重物質中的經濟價值高的可回收物質，如橡膠、書本等。由圖9可以看出，這個分選工藝流程中需要大量的人工，因此分選效率不高而且經濟效益不大且工人工作環境條件差。

圖6 某垃圾分選處理廠正負壓風選機送風系統

圖7 某垃圾分選處理廠正負壓風選機

因此，我國城市生活垃圾的集約化、機械化的分選工藝將會作為今后一段時期內混合收運的生活垃圾的預處理手段的發展方向，能夠在對生活垃圾進行資源化回收的同時有效緩解后續處理設施的壓力。曹占強等人［27］對我國現行的主要垃圾分選工藝進行了對比研究，提出了基于綜合處理的合理分選工藝；鄧明萌等人［28］對選礦技術在我國城市固體廢棄物分選工藝中的應用作了大量的研究；孫曉杰等人［29～31］分別對生活垃圾分類收集現狀和處理方法、旋風分離技術、袋裝垃圾處理技術作了深入的研究并制定了一套工藝流程；張榮等人［32］研究了基于資源回收、堆肥發酵及填埋處置為一體的自動化工藝。由于以上分選工藝都不夠完善，中間流程還需大量人工，因此大大降低了分選的效率，不能滿足我國持續增長的垃圾總產量需求。

我國城市生活垃圾的成分相當復雜，其中含有許多廢舊塑料、可回收紙類、金屬及玻璃等有價值的可回收物質，如果沒有合適的綜合處理工藝，將會大大加大處理難度、耗費巨額的資金而達不到預期的處理結果［33］。我國垃圾綜合處理分選工藝起步較晚，與發達國家成熟的處理技術有很大的一段差距［34］。因此我國城市生活垃圾處理工藝將在很長一段時間內基于混合收運生活垃圾的方式下，朝著自動化、機械化、系統化、集約化、高效化、高精度化的工藝發展。基于我國城市生活垃圾成分復雜、含水量高的特點，結合我國目前擁有的先進的前處理機械及“十二五”中大力提倡的垃圾焚燒發電技術、垃圾堆肥技術，筆者設計出了一條對生活垃圾綜合分選前處理的新工藝，如圖10。

圖10中的工藝是結合我國現有垃圾前分選裝備而設計的，破袋機的使用節約了分選工藝中用于破袋的勞動力，提高了破袋的效率；振動給料機制的沿用可大大提高篩選的效率；對小件垃圾設計兩級磁選的獨特工藝能徹底選出其中的磁性物質，而大件磁性垃圾在電磁場中容易選出，因此設立一級磁選就足夠選出該成分；該工藝流程中共有5處廢鐵、廢紙、廢塑料、廢有色金屬的回收倉，這可大大提高生活垃圾中可回收物質的回收力度，同時分門別類地回收有利于更進一步的精確分選。該系統中設有3處填埋料回收倉，大大減少了垃圾的填埋量。該工藝中只對分選出的大件有機垃圾進行堆肥處理而對小件的有機生活垃圾進行堆肥處理，這樣處理的最大優點在于能避免小件的無機廢棄物、細小重金屬混入堆肥中，有利于高品質的有機肥的生產。

圖8 某垃圾分選處理廠人工分選臺

圖9 某垃圾分選處理廠人工分選臺內景

該工藝與我國現有的工藝流程相比，預期精度更高、分選力度更大、分選效果更明顯，優先使用了我國較成熟的分選機械，大大節約了工藝成本，節省了大量勞動力。同時，大量分選機械的應用不但提高了垃圾分選的機械化、自動化程度，也將提高分選效率。由圖10我們可以看出，該工藝結合了廢物資源回收、垃圾填埋、垃圾焚燒發電及垃圾堆肥技術。該工藝加大了對廢鐵、廢紙、廢塑料、非磁性金屬的回收力度和精度；工藝中有選擇地對大件有機垃圾進行堆肥，預期可提高堆肥的質量，減少重金屬元素及其碎沙石、玻璃等的混入。同時，低熱值的無機物和有機物的回收與堆肥，可大大提高剩余可燃物的熱值、降低可燃物的含水率［35］。因此，該工藝流程預期可大大提高分選效率和精度，顯著提高我國生活垃圾分選前處理能力，減少垃圾的填埋量，減輕我國填埋場的壓力。希望該工藝流程能為我國垃圾處理產業提供一定的工藝理論參考。

圖10 城市生活垃圾綜合處理分選工藝流程

5 我國城市生活垃圾資源化對策與建議

城市生活垃圾素有“城市礦藏”之美譽，是我們身邊一個正在不斷增長的資源［36］。實踐證明，經濟地、合理地開發城市生活垃圾是可行的也是必然的。目前，世界上已經有許多城市生活垃圾回收分選處理廠在運行，對我國城市生活垃圾資源化水平、資源化效率低下的現狀具有一定的借鑒作用。

城市生活垃圾處理的關鍵是解決垃圾分選問題。我國的環保產業專家應積極研究各個地方的垃圾成分特點，制定合理的、經濟的處理工藝流程，開發出分選專用工程機械，從而使我國的廢物資源真正進入良性循環。在此，對我國未來環保產業提出幾點建議。

（1）立足國情，走具有中國特色的環保產業道路。建立垃圾收費回收制度，提倡凈菜進城，從源頭有效減少生活垃圾的產量。

（2）完善我國垃圾分類機制，將垃圾分類進行徹底。加大環保教育宣傳力度，讓環保理念深入人心，鼓勵人人參與垃圾分類行動，從而降低垃圾綜合分選前處理的難度。

（3）積極引進發達國家先進的分選技術，加強自主創新力度，走高速、高效、高精度的垃圾分選之路。

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