城市生活垃圾分选技术探究

2013-01-29李泽晖付晓茹申凯沈萱宁梓傲

再生资源与循环经济 2013年6期

李泽晖，付晓茹，申凯，沈萱，宁梓傲

（1.南京信息工程大学环境科学与工程学院，江苏南京210044；2.南京农业大学金融学院，江苏南京210095）

生活垃圾指在城市日常生活或为城市日常生活提供服务的活动中产生的固体废物，以及被法律法规规定为城市生活垃圾的固体废弃物[1]。近年我国城市生活垃圾正以每年8%～10%的速度增长[2]，其中城市社区产生的垃圾是城市生活垃圾的主体[3]。

传统的生活垃圾处理方法主要是填埋、焚烧及堆肥。截至2010年，全国657个城市生活垃圾的清运量达到1.58亿t/a，各类生活垃圾处理设施628座，集中处理量约1.23亿t/a。在这些生活垃圾处理设施中，填埋场498座，处理量9598万t/a；生活垃圾焚烧厂104座，处理量22317万t/a；生活垃圾堆肥厂11座，处理量181万t/a[4]。填埋场和焚烧厂的数量和处理能力仍处于增长状态，堆肥处理处于萎缩状态。按生活垃圾清运量统计分析，填埋、焚烧和堆肥处理的比例为60.7%，2.5%和14.7%，其余为随意堆放[5]。而这些传统的生活垃圾处理方法随着可持续发展和循环经济的要求，逐渐出现填埋处理比例过大，造成垃圾围城；焚烧处理发展迅猛，一些项目存在隐患和风险，造成二恶英等污染；生物堆肥技术良莠不齐等问题[6]。因此，对生活垃圾分类后再处理来提高垃圾处理的效率就尤为重要。

综上所述，随着人们生活质量的提高，生活垃圾作为城市生态系统转化的必然产物，其产生量在日益增多，复杂程度也在逐渐增高，传统的生活垃圾处理方法已经逐渐变得不再适用。因此，如何高效地分类回收生活垃圾，将其转化为可再生资源，或将其回归到生态系统中，成为目前亟待解决的问题。

1 生活垃圾特性

城市生活垃圾是由固、液、气三相构成的松散固体，即以固体为支架，其间孔隙填充气体及液体。地点、季节和温度均为三相比例变化的影响因素。

用来衡量生活垃圾物理特性的指标有容重、含水率、粒度尺寸和组成成分等。研究表明，我国主要城市生活垃圾的容量在370～898 kg/m3，其中济南最低，上海最高。含水率在13%～53.9%，其中济南最低，北京最高。尺寸分布为：40 mm以下粒径段主要为厨余垃圾，80 mm以上粒径段主要为易燃垃圾，中间粒径段的有机物含量为50%～80%，金属、玻璃等杂质也主要分布在中间粒径段。组成成分以有机物（厨屑、木屑）为主体，其次为无机物（煤灰、砖瓦）和其他物（塑料、纸屑、金属等）[7-9]。

2 传统分选方法概述

传统的生活垃圾分选方法主要有筛分、重选、风选、浮选、磁选、电选、静电分选、电磁分选及光选等。

2.1 筛分

筛分是依据固体废物的粒径不同，利用筛子将物料中小于筛孔的细粒物料透过筛面，而大于筛孔的粗粒物料留在筛面上，完成粗细物料的分离过程。筛分包括物料分层、细粒透筛两个阶段，物料分层是完成分离的条件，细粒透筛是分离的目的[10-11]。筛分主要可筛分出垃圾中的纸张、塑料、玻璃等有用物质。该方法的优点是生活垃圾中有近90%的物质为易筛物，因而碰撞可以导致物质通过筛孔的可能性增大，使得分选效率上升；缺点是生活垃圾组分复杂及成分不规则，易导致分选效率有极大的波动[12]。

2.2 重力分选与风力分选

重力分选是根据固体废物中不同物质间的密度差异，颗粒群在运动介质中受重力、介质动力和机械力的作用，会发生结构松散及迁移分层，从而得到不同密度产品的分选过程。

风力分选与重力分选的原理一致。其实施方法是以气体为分选介质，在气体流动的作用下，较轻的物料被向上吹向水平较远处，而重物料则由于惯性，只能在水平方向抛出较近的距离，这样固体废物颗粒即可按密度和粒度分离[1]。风力分选适用于重物质与塑料的分选，但能耗偏大，尤其是在塑料分选的终处理中会表现出较低的分选率。这是因为分选机内气流复杂，且终处理时塑料纯度的波动性大，这种情况下，仅存在的较窄风速范围，使分选效率只能维持在80%左右[13-14]。

2.3 浮力分选

浮选原用于废旧塑料分选，主要针对表面性质不同的物料进行分选。该技术通过投加浮选剂，物料借助气泡的浮力作用，从物料的悬浮液中分离。浮选与物料表面性质有关，而与其密度无关。能浮出液面的物质，对空气的表面亲和力比对水的表面亲和力大[15]。颗粒能否高效地附着在气泡上，取决于能否最大限度地提高颗粒的表面疏水性。所以在浮选工艺中选择和使用浮选药剂是调整物料可浮性的主要外因[16-17]。

2.4 磁力分选

磁选原用于选矿工艺，主要针对磁性不同的物质进行分离[18]。磁选有两种类型：一是传统磁选法，直接用于磁性和非磁性物质的分离。另一种是磁流体分选法，先将物料在磁场中按磁性差异分离，之后在似加重介质中按密度差异进行分离。当固体废物中各组分间的磁性差异小而密度或导电性差异较大时，采用磁流体可以进行高效分离[1]。磁选技术相对成熟，现主要用于生活垃圾与焚烧灰渣中磁性物质的资源化回收[19]。

2.5 电力分选与静电分选

电力分选适用于分离导电性不同的导体、半导体和非导体。电力分选利用固体废物中各组分在高压电场中电性的差异而实现分选。将废物颗粒用给料斗均匀给入滚筒，颗粒随着滚筒的旋转而进入电晕电场区，此时导体和非导体都获得负电荷，因它们进入静电区时放电速度不同，从而实现分离[20]。电选法分离耗能较少，结构紧凑，对重选法无法分离的塑料易于分选，但该方法对分选物料的湿度及粒度要求较高。

静电分选主要针对生活垃圾中的废旧塑料。该技术通过不同种类的物料在一个容器中相互碰撞摩擦起电，使之分别带正负电，并从排料口排出，进入由正负电极形成的静电场，利用旋转电极使其产生静电感应，带正电的物料被吸到负电极一侧，从而实现分选[21]。该类技术可将混合塑料分离成纯度达到99%以上的单类塑料。

2.6 电磁分选

电磁分选技术一般应用于废旧电池分类。利用电磁传感器原理，按照电池的内部结构和物质成分进行分拣。当电池处于激励线圈产生的高频磁场，电池的不同结构和物质成分产生不同的涡流，此时探测线圈通过探测涡流在电磁场中产生的变化来鉴别电池的种类[20]。电池的分类过去由人工完成，电磁传感器因为能快速鉴别电池的内部结构和物质成分，因而效率可大幅提高[22]。

2.7 光电分选

光电分选又称为颜色分选，原用于农业选种，主要是利用物质表面的光反射特性不同来鉴别垃圾的种类。此技术要求对垃圾进行预分类，之后由给料系统将垃圾物料均匀输送给光检系统，光检系统通过光源照射，显示出物料的颜色及色调。若预选物料的颜色与背景颜色不同，高频气阀被驱动，利用高压气体将物体吹离原来的轨道使物料分离[21]。光电分选法适合于块状垃圾的分选，对于破碎后的细颗粒物质，由于光谱中某些波段会发生偏移，难以分选。此外，也不宜分选厚度薄的片状垃圾或黑色垃圾。

3 新技术

3.1 红外吸收光谱分析技术

红外吸收光谱分析技术主要是因为混合塑料的再生利用需要较高的鉴别准确度发展起来的。利用有机物的不同官能团在红外光照射下会产生相应的光谱图，而这些红外光谱又各有不同，由此作为精确鉴定的依据[22]。按红外光波长不同，将红外吸收光谱分析技术主要划分为近红外分析技术（NIR）和中红外分析技术（MIR）。近红外区的波长范围为0.75～2.5 m，中红外区的波长范围为2.5～25 m[23]。该技术响应时间短，灵敏度高，穿透试样的能力强，对体积大、光径长的物料（如塑料瓶）其谱图也可准确记录且重现性好。但NIR一般不适于鉴别黑色或深色的塑料，且某些峰有时不清晰，需要一些新光源来克服这一缺点。

3.2 图像识别技术

图像识别技术主要针对特定的垃圾进行分拣。该方法通过工业相机对目标区域不断进行拍摄，图像经计算机处理，当识别为特定形状及颜色物体时发出信号，继电器控制相应的气动电磁阀，使气流从喷嘴喷出，将颗粒吹至相应物体容器中，从而达到分拣的目的[24]。图像处理技术的影响因素较多，主要有供料系统、图像识别算法及颗粒种类等[25]。

3.3 变重分选

变重分选是轻物质分选中的创新分选技术。该项技术根据塑料与纸等轻物质的亲水性差异，将一次风选后的混合物料在水池中浸泡一段时间后捞出，通过液压系统对浸湿的垃圾进行挤压，大部分水分挤出后，混合物料的比重发生改变。纸等由于吸水性强，挤压后体积变小，密度增大；塑料的吸水性差，挤压后体积变化不大，密度几乎不增加。塑料与纸等物料的相对密度关系即可从均为轻物料转化为轻重物料的混合。此时进行二次风选，可将塑料和纸成功进行分离[26]。该方法分选塑料工序少、节省投资，但会使垃圾的含水率发生改变。

3.4 温度传感技术

现有的温度传感技术主要通过热源识别，利用X射线及热源将PVC从混合塑料中识别出来[16]。或通过温差识别出不同物体，利用各种塑料脆化温度不同，加热后于低温下通过热传感技术，可进行有选择地分选[27]。同样的方法可适用于不同材质的固体垃圾[28]。该分选技术可将生活垃圾大致分为有机物、无机物及金属，有一定的实用价值，但实检方面还略显不足，有待进行深入研究。

4 结语

当前生活垃圾分选技术存在的问题有：我国生活垃圾源头分类工作并不细致，需要分选的垃圾组分极为复杂且含水率高，因此分选效率较低；在生活垃圾分类处理中常用的一些分选技术，都只能对一定范围内的垃圾进行分选，针对性不强；分选技术与设备配合不合理，使得设备利用率低。

综上所述，生活垃圾分选问题已经上升到一个新的高度，生活垃圾分选技术在垃圾分类处理中也处于核心位置。在生活垃圾分选中，不但有传统的分选方法，许多在其他领域中兴起的技术也在进行变革进入该领域，如图像处理技术。但也有一些成熟的高新技术仍未出现在该领域，如在食品行业应用的激光分选技术等。国外垃圾分选已经大量采用新技术、新方法，特别是日本及欧美，我国应加强生活垃圾分选技术的研究，以提高垃圾的无害化和资源化程度，促进环境保护和社会可持续发展的建设。

[1]宁平.固体废物处理与处置[M].北京：高等教育出版社，2007.

[2]王桂琴，罗一鸣，李国学，等.基于层次分析法的城市生活垃圾收运模式优选[J].中国环境科学，2008，28(9)：838-842.

[3]周益辉，曾毅夫，湛志华，等.城市生活垃圾处理的现状与管理研究[J].中国环保产业，2011(9)：55-58.

[4]中国环境保护产业协会城市生活垃圾处理委员会.我国城市生活垃圾处理行业2011年发展综述[J].中国环保产业，2012(10)：20-26.

[5]许碧君.城市垃圾分类进展概述[J].环境卫生工程，2012，20(4)：31-33.

[6]宾晓蓓，李倩.国内外城市生活垃圾处理现状与处理技术[J].北方环境，2011，23(10)：42-44.

[7]胡一蓉.从国外城市生活垃圾的分类处理看我国城市垃圾处理发展方向[J].天津科技，2011(1)：48-50.

[8]杨先海.城市生活垃圾压缩和分选技术及机械设备研究[D].西安：西安理工大学，2005.

[9]张红玉，李国学，王桂琴.基于垃圾组分和粒径分布的垃圾处理模式[J].农业工程学报，2010，26(Supp.2)：274-280.

[10]余金保，李润华.固体废物分选方法选择及提高分选效率途径的研究[J].景德镇高专学报，2011，26(2)：8-9.

[11]李兵，董志颖，赵由才，等.城市生活垃圾滚筒筛分选特性研究[J].环境科学学报，2011，31(10)：2268-2274.

[12] Liu K S.Some factors affecting sieving performance and efficiency[J].Power Technology，2009，193(2)：208-213.