农村生活垃圾全自动全组分分类处理技术与应用

任 越，杨俊杰，曹洪军,2，张秋艳，刘 乾



农村生活垃圾全自动全组分分类处理技术与应用

任 越1，杨俊杰1，曹洪军1,2※，张秋艳3，刘 乾4

（1.中国海洋大学环境科学与工程学院，青岛 266100；2. 中国海洋大学管理学院，青岛 266100； 3.青岛福创环境科技有限公司，青岛 266100；4.中国海洋大学海洋生命学院，青岛 266100）

为解决农村生活垃圾的处理难题，研究了一种生活垃圾末端全自动全组分分类处置技术，通过生物酶液化方法能将生活垃圾中的有机成分首先分解、分离，再通过湿式自动分选系统，将混合生活垃圾中的金属、塑料、废纸、竹木、纺织物等全部有效分离，经清洗后可直接循环再利用，实现资源化率90%以上。应用该技术实际建成运营一年的垃圾处理厂的数据显示，处理1 t垃圾平均可得到有机肥65 kg、纸浆105 kg、塑料124 kg、垃圾衍生燃料133 kg、砂石135 kg、沼气55 kg和金属11 kg；需要成本约180元，产值约325元，投资成本较焚烧节约近40%，污水经处理后各项污染因子去除率平均达到88.76%，供系统循环使用。证明该技术能提高垃圾处置效率，经济效益可观，环境友好，有较高推广价值。

垃圾；垃圾分类；生物酶液化；全组分分类；湿式自动分选

0 引 言

2016年中国城市垃圾每年清运量约2亿t，农村垃圾每年产生量是1.5亿t左右，而城市的垃圾处理率超过90%，农村垃圾处理率却在50%左右[1]。农村垃圾中的绝大部分是生活垃圾，但是尚未有农村生活垃圾处理率的官方统计数据。然而，随着城市化进程的不断加快和农村居民生活水平的不断提高，农村生活垃圾的数量急剧增加，组分更加复杂，单一的处理模式已经解决不了大量产生的垃圾，而且，不当的垃圾处理方式还会导致严重的环境污染问题，已有研究表明，生活污染源对农村环境的影响最大[2]。与城市生活垃圾处理现状相比，农村生活垃圾因为缺乏市政保障，未形成严格的收运和处理方式，抽样调查显示，中国农村能达到规范处理标准的只有34%，首选方式是卫生填埋[3]，仍缺乏成熟的填埋和焚烧作为无害化的末端处理技术，因此农村生活垃圾更不易控制[4]。因此，建立高效的处理技术体系是解决当前问题的重要途径。

国内外学者对于农村垃圾的管理进行了大量研究，包括对前端的收集运输[5-7]、末端处理技术的创新[8-9]。其中处理技术方面，有许多新的尝试，尤其是生物处理方式的应用，能将生活垃圾中的有机成分进行转化再利用或无害化处理[10-17]，是提高垃圾处理效率的关键环节。国外先进国家的农村生活垃圾不含餐厨垃圾，组分简单、含水量小，因此国外的垃圾处理技术不适用于中国，目前尚未有成功的引进案例。

中国农村生活垃圾一直未分类放置，主要是混合收运的方式，垃圾组成复杂，达到1 000多种[18]。同时，居民餐厨垃圾、部分农业垃圾（植物秸秆、农用地膜、农药瓶罐）也都被混入生活垃圾中集中收运[19-20]，降低了生物处理的效率，成为中国农村垃圾末端处理的难题，因此，不论是焚烧还是填埋，垃圾分类是实现无害化处理的前提。国内也有垃圾分选技术的相关研究[21-24]，但是由于混合垃圾会不同程度的受到餐厨垃圾（水、油）的污染，即便混合垃圾被分门别类，也基本没有利用价值，因此也失去了分类的意义。

综上，目前国内外还未有一项技术能够实现混合生活垃圾全组分的有效分类。本研究提出一种农村生活垃圾末端全自动全组分分类技术（all components resourcing system of domestic garbage based on post-gather automatic sorting procedure，PGAS），该技术利用垃圾成分自身的特点，将各组分进行有效分离，各原料分离后再资源化利用，资源化率达到90%以上。通过对PGAS技术的特点和处理效果的分析，为今后垃圾处理技术提供借鉴。

1 PGAS技术

1.1 主要技术特点

PGAS技术是一种以国内农村混合生活垃圾为原料，针对垃圾成分组成特点，以生物工程和自动化分选系统为基础的处理技术。通过导入“生物酶液化+湿式自动分选系统”，将金属、塑料、废纸、竹木、纺织物、无机物等组分自动分选清洗到可以直接作为原料利用的水平，污水经处理后循环使用，仅有少量燃烧沼气的气体排放。

1.2 各系统设计思路

PGAS技术的工艺流程如图1所示，主要由垃圾接收与预处理、总分选、循环水处理、微生物除臭及沼液蒸发蒸汽处理五大系统组成。表1为各系统主要采用的设备。

图1 PGAS主要工艺流程简图

1.2.1 垃圾接收、预处理系统

农村生活垃圾经当地主管部门集中收集转运送到厂区内。车辆入厂区内，即设有多道垃圾运输车清洗及消毒工序，大幅度降低运输车辆对厂区环境的影响。车辆进入卸料车间，在密闭微负压卸车区卸车后，对垃圾喷洒自主研制的生物酶液除异味，卸料车间则利用植物除臭喷雾装置，进行空间除臭。通过垃圾破袋上料机将垃圾送入封闭生产系统，对垃圾进行破袋处理，使袋装的垃圾完全分散开便于后续处理。

1.2.2 总分选系统

1）磁选金属压块生产线

分散开的垃圾落到皮带输送机上。皮带输送机上设有电磁分选装置，垃圾在输送的过程中，利用磁选和涡电流分选，分离出金属产品，金属经清洗后进行压块。剩余其他垃圾成分则被送到双轴或四轴齿盘式撕裂机。

2）有机物分离厌氧发酵及有机肥生产线

经电磁分选分离出金属后，包括电池、喷雾杀虫罐等含有金属的有害物质同时完全被预先分离。剩余的垃圾物料撕碎到1～15 cm不等，经撕裂粉碎后均匀喷洒的微生物复合菌液、酶液，进入保温的生物处理料仓，进行好氧发酵。发酵料仓内部是一方形密闭储料仓，底部由4根大型绞龙缓慢将物料推至出料绞龙内，出料绞龙在4组推动绞龙的尾部下端，垂直与推料绞龙放置，物料落入出料绞龙作业范围直接送至出料口。破碎除铁后的生活垃圾经过输送设备从顶端进料口进料，物料下落过程中被匀料器打散，均匀的散落在料仓底部，顶部的喷淋管同时喷洒发酵菌液，物料与菌液全接触，底部设有通风管，料仓侧壁设有加热管，在发酵温度和通气量适宜的条件下，垃圾中的有机物在微生物的作用下快速分解，完成好氧发酵。经过微生物的降解作用，95%以上的易降解有机物包括菜叶、瓜果皮、剩菜、剩饭等，都变成了浆状可溶物，经过生物降解处理后，进入挤干脱水设备（螺旋式连续压榨机），将垃圾中吸收的大量水分挤出，得到残渣和有机溶液。残渣置于滚筒式破碎机中，混入水或质量分数为1%～3%的碱液，所述碱液为氨水、氢氧化钾或氢氧化钠溶液，使垃圾含水量是自身质量的1.5～2倍，破碎处理使垃圾中的可降解有机物、纤维类的物质进一步破碎并与其他的黏性基质分离。在滚筒里边的破碎时间控制在30 min左右，挤干后进入总分选设备。

表1 PGAS技术主要设备一览表

物料在强力挤压的作用下，其中的有机液体透过缝筛与物料分离，收集后检测其浓度，若达标直接输送至厌氧发酵罐中，如果不达标将其喷洒至发酵料仓或者滚筒破碎机中再一次处理，浓度达标后打入发酵罐中。有机溶液泵入沼气生物处理罐后，用适量的酸液调节浓缩物pH值为7～8，再向其中加入一些碳氮类营养物质来调节厌氧菌需要的碳氮比，搅拌均匀后，加入菌种，在45 ℃的条件下进行生物处理15 d。收集产生的沼气，供给厂区锅炉燃烧供热。然后再对沼液进行浓缩，蒸发浓缩系统为“3+1”形式，有机液逐次进入3个浓缩室内在蒸汽的热量下加热，蒸发出其中的水分，经过3次浓缩的有机液浓度明显上升，最后再经过一次刮板强制浓缩室高效浓缩，低浓度发酵后的有机液即变为高浓度的液态有机肥料。

3）砂石玻璃等无机物建材生产线

挤干后的垃圾经过滚筒破碎，进入垃圾总分选机，在总分选机内，经过孔径为2～15 mm的垃圾筛分选按照粒径大小将垃圾分为两大类，筛上物主要为塑料、纺织品、大块砖石瓦块、金属、竹木等，筛下物主要为泥沙和纸浆。利用物料的差异，按不同密度进行第一步分离，分选出砂石、玻璃、纸浆和其他混合物3种产品。分选出的砂石、玻璃等无机物利用球磨破碎机破碎后，加水泥混合搅拌，用制砖机压制得到砖产品。其他成分进入塑料、纸浆分选。

4）纸浆分离及精制生产线

分离金属、有机质及砂石等无机物后的剩余成分，进入垃圾总分选机过垃圾筛，从进料端底部沿轴向1/3～2/3位置浸入水中，浸入深度以水不会没过进料挡板为准，防止物料流出到水中。这时的纸浆在水中与各种杂质混合，但纸浆比起其他杂质更易溶于水，在筛子的作用下，会使纸浆、泥沙和溶解的有机质等物质与橡塑类等其他原料分离，筛子上部需要用高压水来喷淋，以免堵塞筛孔。纸浆分离后，实际是分离出了溶有纸浆的大量水，经过纸浆筛，脱除大量的水分和部分灰土，然后进入纸浆精制生产线，筛分挤干后的纸浆混合体系中纸的比例为10%左右，其余90%为水，进行稀释螺旋，然后进入浆池泵送到除砂器、压力筛，分别经过一段、二段、三段除砂器、压力筛后除去渣子。纸浆经过除砂后，进入圆网浓缩机，斜螺浓缩机除去纸浆中的水分和细小杂质脱水，脱水后的纸浆进入双辊挤浆机挤干，得到纸浆粗品。

5）塑料分选及精深加工生产线

分选纸浆后的物料中主要含有橡塑、竹木和纺织品，送至塑料分选设备，利用比重不同的原理，进一步分离的同时清洗塑料表面的其他杂质，去除里面的竹木纺织品等。经分选后的混合塑料进入浮选箱，用水漂选，进一步分离清洗塑料等原料表面的杂质，将塑料中掺杂的少量砂石等重物分离除去，漂洗后，流入1～5 mm的筛子脱水，减少塑料含水量。塑料粗品进入卧式高速摩擦清洗机中，使附着在塑料上的各种杂质得到有效去除。塑料粗品通过管道输送至离心机，经离心脱水、薄膜挤干机拧干后使物料含水量降低。脱水后再通过沼气锅炉供热烘干后的塑料固形物所占比例为97%，然后由管道风送干燥后进入收料仓中打包成塑料产品。

6）垃圾衍生燃料（refuse derived fuel, RDF）生产线

在塑料分选设备中，利用比重不同的原理，进一步分离为塑料和竹木纤维等。分选出来的竹木、纺织品、秸秆等其他可燃物质，经过脱水烘干后进入垃圾衍生燃料挤压机，可制造成RDF，热值可以达到16 000 kJ，可作为燃煤替代化石燃料。

1.2.3 循环水处理系统

废水主要来源于垃圾脱水工序、纸浆生产线的挤干工序和塑料生产线脱水工序，各工序废水通过地下管网自流到废水处理车间集水池进入废水处理系统进行处理。废水处理站处理工艺流程见图2。

图2 PGAS废水处理工艺流程简图

采取的主要处理方法是：废水通过微滤机（80目）回收可利用浆料，微滤机网下水自流进复合净水装置。该装置下为同向流斜板沉淀池，上为气浮处理单元。废水在同向流中与定量的混凝剂充分混合，使废水中胶体颗粒脱稳，破坏废水的胶体状态，使水变清。同向流出水自流进气浮分离器，进一步去除未沉淀的细小悬浮物，保证出水水质稳定，气浮出水进入回用水池，泵至回用水点，无外排。同向流进气浮的沉泥含水率为98%～99%，进入生产中的厌氧处理系统生产沼气和复合肥。

1.2.4 微生物除臭系统

生物除臭是利用微生物的生物降解作用对臭气物质进行吸收和降解从而达到除臭的目的。生产车间设有专门的密闭卸车区，运来的生活垃圾卸车后，先进行喷洒生物酶液除异味。在卸车区及沼液浓缩工位设气体收集装置，气体被负压收集后送到生产过程中的好氧工段与垃圾中的生物菌液充分混合，在这个过程中，生物的作用消除垃圾产生的臭味。在此工序臭味气体被微生物利用后转化为菌体、二氧化碳与水等其他无臭味物质。

1.2.5 沼液蒸发蒸汽处理系统

沼液浓缩蒸发工序产生的蒸汽，首先经回收热为发酵系统供热，然后经冷凝成液态水，再加0.3%～0.5%的酸性活性白土进行吸附，酸性活性白土对冷凝水中的氨氮及挥发性有机物有吸收作用，从而去除氨氮、挥发性有机物等，吸附后液态水再进行过滤，经过实践证明，过滤液处理杂质去除率达90%，处理后符合中水回用标准，无废水排放。

2 产业化试验及效果分析

以山西省垣曲县PGAS示范项目（示范厂设备见图3）为例，该项目于2017年建成，已投入运营1 a时间，处理能力100 t/d。辐射范围包括2个镇，3个乡约10万人。原料来自于各乡镇集中收运的生活垃圾，选取4个有代表性月份的生活垃圾各组分的平均含量见表2，可以看出该地生活垃圾组分呈季节性波动，冬春季（采暖季）玻璃、砂石等无机物含量较高，夏秋季餐厨有机质含量较高。整体来看，纸类和塑料含量较少，竹木、纺织品含量较高。

图3 PGAS示范厂设备

2.1 产物分析

经过1 a的运行，基于累计数据分析的产物分布比例见表3。

表2 生活垃圾组分

注：数据由运送到生产现场的垃圾经人工分选称质量后得到的质量或根据最终产物推算所得，均以湿基计。

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技术处理生活垃圾的产物分布比例

由表3和表4数据可以看出，产物分布比例与垃圾组分密切相关，某些产物与季节变化也有一定关系。例如，冬季由于北方供暖季需要烧煤，砂石在垃圾组分中较大，最终产物分布也相应增大；夏季人们食用西瓜等水果较多，果皮属于餐厨垃圾，产物有机肥相应增多；而纸浆和塑料的产量变化一般不受季节影响。

2.2 污水处理效果分析

经循环水处理系统处理后，水质参数见表4。根据表4数据可计算得到各污染因子的去除率分别为：生化需氧量BOD5（86.9%）、化学需氧量CODcr（87.7%）、固体悬浮物SS（90.1%）、NH3-N（90.2%）和总磷TP（88.9%）。结果显示，循环出水水质符合中水回用标准，不外排，供系统循环使用。

表4 污水处理循环系统水质参数

2.3 成本分析

经实际测算获得PGAS技术处理每吨生活垃圾耗水约为0.6 t、耗电约为50 kW·h，一整套装置需用工（10～15）×3人，所以仅考虑人工、水、电，平均垃圾处理成本约180元/t。最终产物可直接作为产品销售，每吨垃圾的产值见表5。经过初级分选，处理每吨垃圾产值约325元/t。

如果对纸浆和塑料深加工（纸浆做成蛋托，塑料制成颗粒，价格翻倍），产值可达到600元以上。将投资成本考虑在内，PGAS技术需投资30～35万元/t，较焚烧处理1 t垃圾的成本（50～55万元/t）节约近40%。

表5 1 t垃圾经PGAS技术处理后的产值

3 结 论

1）针对中国农村生活垃圾成分复杂、分类不明确、集中化处理和能源转化率均较低的问题，设计了一种生活垃圾末端全自动全组分分类处置装置。该装置由垃圾接收与预处理、总分选、循环水处理、微生物除臭及沼液蒸发蒸汽处理5大系统组成。

2）基于中国农村垃圾含有机质多、含水量高的问题，提出了生物酶液化方法，能将生活垃圾中的有机成分首先分解、分离；再通过湿式分选，确定了6条生产线的主要结构参数，能将混合生活垃圾中的金属、塑料、废纸、竹木、纺织物等全部有效分类，经清洗后可直接循环再利用，实现资源化率90%以上。

3）应用该技术实际建成运营一年的垃圾处理厂的数据显示，分选出产物与垃圾组分比例呈正相关，处理1 t垃圾平均可得到有机肥65 kg、纸浆105 kg、塑料124 kg、垃圾衍生燃料133 kg、砂石135 kg、沼气55 kg和金属11 kg；需要成本约180元，产值约325元，投资成本较焚烧节约近40%，污水经处理后各项污染因子去除率平均达到88.76%，供系统循环使用。证明该技术能提高垃圾处置效率，经济效益可观，环境友好，有较高推广价值。

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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，杨俊杰，曹洪军，张秋艳，刘 乾. 农村生活垃圾全自动全组分分类处理技术与应用[J]. 农业工程学报，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

国家自然科学基金项目51779235

任 越，博士生，主要从事环境规划与管理方面的研究。 Email：oucrenyue@163.com

曹洪军，博士，博士生导师，主要从事环境规划与管理、环境经济、区域经济、品牌经济方面的研究。Email：chj@ouc.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.031

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