廢舊塑料砂洗潔凈工程化技術(shù)研究

伍 娜，宋 楠，趙由才,3，張美蘭，夏發(fā)發(fā)，周 濤,3

(1. 同濟大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092；2. 上海電力學(xué)院環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，上海 200090；3. 上海污染控制與生態(tài)安全研究院，上海 200092；4 上海老港廢棄物處置有限公司，上海 201302)

隨著塑料產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展和塑料制品應(yīng)用領(lǐng)域的擴展，廢棄塑料的數(shù)量和種類都在增加，廢棄塑料對于環(huán)境的影響也日益嚴重[1]。人們也已經(jīng)意識到廢棄塑料對于生存環(huán)境產(chǎn)生的威脅和資源化的浪費。提高廢棄塑料的回收利用率是資源化循環(huán)和污染防控的重要舉措[2]。目前，生活垃圾和填埋場存余垃圾中存在大量黏帶污染物的廢舊塑料，包括各種食品包裝袋、農(nóng)用地膜、工業(yè)包裝等。廢舊塑料的清洗可以去除附著在塑料表面的污物，使廢舊塑料識別和分離的準確度更高，提高再生產(chǎn)品質(zhì)量，是廢舊塑料回收再生利用的關(guān)鍵[3-4]。與傳統(tǒng)濕法清洗相比[5]，砂洗潔凈工藝克服了耗水量巨大、產(chǎn)生污水量大且需配備后續(xù)污水處理系統(tǒng)及塑料干燥系統(tǒng)等缺點[6-7]，利用廉價易得的砂石作為清洗介質(zhì)，易于推廣使用。

本工作選取某生活垃圾處理廠的廢舊塑料，設(shè)計研究了污染塑料砂洗潔凈工藝，核算了相關(guān)成本，為生活垃圾和填埋場存量垃圾中廢舊塑料的清潔提質(zhì)和資源化利用提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 工程化試驗方法和設(shè)備

1.1 廢舊塑料取樣

廢舊塑料取自山東省青島市某生活垃圾處理廠，服務(wù)范圍為周邊村莊。在該垃圾處理廠內(nèi)選取兩個垃圾堆點進行記錄。1號堆點垃圾質(zhì)量為16 680 kg；人工剔除物大約420 kg，滲濾液產(chǎn)生量為640 kg，人工剔除后減重6.35%。二次發(fā)酵后使用40 mm滾筒篩分機進行篩分，篩上物體積11.69 m3，質(zhì)量2 060 kg；篩下物體積7.62 m3，質(zhì)量為5 070 kg。2號堆點垃圾質(zhì)量為15 800 kg；人工剔除物大約320 kg，滲濾液產(chǎn)生量為470 kg，人工剔除后減重5.00%。二次發(fā)酵后使用40 mm滾筒篩分機進行篩分，篩上物體積16 m3，質(zhì)量2 750 kg；篩下物體積8.87 m3，質(zhì)量為6 170 kg。篩上物再經(jīng)80 mm篩孔的滾筒篩，篩下物經(jīng)過高速擋板式滾筒篩篩分機，可得到較高純度的塑料；篩上物通過臥式氣流分選機進行下一步分選。

表1為該處理廠工程現(xiàn)場40 mm篩孔滾筒篩篩上物各種生活垃圾組分的質(zhì)量和體積含量比例。

表1 生活垃圾工程現(xiàn)場滾筒篩篩上物組成Tab.1 Composition of oversize product

試驗原料為80 mm篩孔滾筒篩篩分之后的塑料，主要是軟質(zhì)塑料薄膜，包括包裝袋、農(nóng)用地膜等，實物圖如圖1所示。設(shè)計規(guī)模為1 000 kg/d的廢舊塑料砂洗工程。

圖1 工程現(xiàn)場的廢舊污染塑料圖片F(xiàn)ig.1 Pictures of waste contaminated plastic at the project site

1.2 廢舊塑料砂洗清潔裝置

圖2為廢舊污染塑料砂洗潔凈系統(tǒng)示意圖。整個工程化裝置設(shè)計總體上是實驗室小試裝置的提升[8]，包括添加預(yù)處理裝置，在清洗之前將塑料破碎、干燥，分別采用塑料破碎機和風力干燥機。為降低成本，風力干燥機利用高速空氣清洗裝置中排除的空氣，可將自然干燥一段時間后的原本含水率較高的廢舊塑料再投入風力干燥裝置中進行干燥。破碎、干燥后的塑料片進入清洗裝置進行清洗。

1-固體介質(zhì)清洗裝置；2-分選系統(tǒng)；3-高速空氣清洗裝置；4-干燥裝置；5-除塵裝置圖2 廢舊塑料砂洗潔凈系統(tǒng)工程化示意圖Fig.2 Schematic diagram of sand medium cleaning system for waste plastic

采用螺旋攪拌軸的臥式攪拌器，最大容量300 kg左右，設(shè)置轉(zhuǎn)速50 r/min，每次進料塑料在70～80 kg，砂石重量在200～230 kg，運行時間約為40 min。在物料傳輸過程中，可選用傳送帶或者人工搬運。

1.3 效果評價方法

對廢舊塑料砂洗潔凈效果采用清潔率進行評價，具體評價方法如下。

1.3.1 取0.5 g未固體清洗的廢塑料，剪成約1 cm×1 cm片狀，置于200 mL蒸餾水中。在40 KHz、100 W超聲處理20 min。充分混勻漂洗液后，取樣在430 nm下測試其漂洗液的濁度，此記為清潔度的初始值C0。

1.3.2 按不同比例的塑砂比進行試驗，清洗30 min，樣品的清潔效果評價與上同，漂洗液濁度記為Cn。

1.3.3 將固體介質(zhì)清洗的效用清潔率表示，其計算公式如下：

2 結(jié)果與討論

2.1 廢舊塑料污染物去除效果

經(jīng)人工分選得到的輕質(zhì)廢舊塑料，與砂按照一定比例混合入滾筒攪拌機進行固體介質(zhì)清洗。固體清洗裝置如圖3所示。試驗了塑砂比分別為1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30的固體介質(zhì)清洗情況。

圖3 固體介質(zhì)清洗裝置與進出料表觀現(xiàn)象對比Fig.3 The comparison of apparent phenomena before and after sand medium cleaning

不同塑砂比下的廢舊塑料清潔效果如圖4(a)所示。結(jié)果表明，不同塑砂比例下，廢舊塑料的清潔率均在80%以上。實際現(xiàn)場工程化中，對于固體介質(zhì)清洗，塑砂比1/20有比較好的清洗效果，清潔率達到90%左右。考察不同時間下的清洗效果，結(jié)果如圖4(b)所示，當時間大于30 min時，清潔率隨時間的延長并沒有顯著的變化，綜合成本考慮，固體介質(zhì)清洗時間確定為30 min。清洗后的塑砂一起進行水平振動篩進行分離，砂石繼續(xù)回用，清洗后的塑料進入下一環(huán)節(jié)資源利用。

圖4 塑砂比(a)和時間(b)對清潔效果的影響Fig.4 Effect of plastic sand ratio (a) and time (b) on cleaning efficiency

2.2 廢舊塑料砂洗潔凈工程應(yīng)用流程圖

基于工程化試驗，提出了廢舊塑料砂洗潔凈工程應(yīng)用流程圖(圖5)。干燥的廢舊塑料由人工或物料提升機送入破碎機破碎，破碎后的出料與砂在無軸螺旋上料機料倉內(nèi)上料的同時得到充分混合。經(jīng)滾筒攪拌機清洗后的混合物入滾筒篩分離，篩上物為所得潔凈塑料，篩下物為砂土。砂土經(jīng)滾筒篩底部料槽收集后，經(jīng)物料提升機入風力分選機進行砂土分離，土質(zhì)較輕，收集于輕物質(zhì)槽。收集的灰土物質(zhì)，與二次堆肥發(fā)酵后滾筒篩篩下物(腐殖土)摻混，進行后續(xù)處置或資源化利用。砂收集于重物質(zhì)槽，作為固體清洗介質(zhì)回用。

圖5 廢舊塑料干法清潔裝置流程簡圖Fig.5 Schematic diagram of waste plastic dry cleaning

2.3 廢舊塑料砂洗潔凈工程化試驗成本分析

2.3.1 需購置物品清單

表2為廢舊塑料砂洗潔凈工程化試驗所需購置物品清單。臥式攪拌機的規(guī)格為300 kg塑料，風機所選則型號為6-30-8D，風量約為1.5萬m3/h，除塵裝置采用布袋除塵器，尺寸為1.8×3.5×5 m。

表2 廢舊塑料砂洗潔凈工程化試驗購置物品清單Tab.2 List items purchased for waste plastic sand cleaning engineering (萬元)

2.3.2 裝置操作所需空間

裝置操作所需空間大約在25～40 m2，高度2.5 m以上。

2.3.3 人員安排

需要1名操作人員負責進料、出料和管理裝置運行。按照每人每天150元薪資水平，每天人工成本約為150元。

2.3.4 用電成本計算

表3為廢舊塑料砂洗潔凈工程化試驗用電項目明細。工業(yè)用電按照0.9元/kw·h計算，電費大約為100～110元/1 000kg塑料。

表3 廢舊塑料砂洗潔凈工程化試驗用電項目明細表Tab.3 Power consumption of waste plastic sand cleaning engineering

2.3.5 總成本概算

表4為砂洗潔凈工程化試驗總成本明細表。考慮人工費、固定資產(chǎn)折舊、用電費用和財務(wù)稅收成本等方面，處理1 000 kg廢舊塑料大概需要305元。

表4 廢舊塑料砂洗潔凈工程化試驗總成本明細Tab.4 Cost analysis of waste plastic sand cleaning engineering (元)

3 結(jié) 論

本工作設(shè)計和運行了規(guī)模為1 000 kg/d的廢舊塑料砂洗潔凈工程化試驗設(shè)備。水洗砂固體介質(zhì)對廢塑料具有很好的清潔效果，在塑砂比1/20、清洗時間30 min狀態(tài)下，廢舊塑料的清潔率達到90%，日運行成本約305元/t廢塑料。本技術(shù)的研發(fā)和推廣應(yīng)用可為生活垃圾分類后廢舊塑料和填埋場開采篩分廢舊塑料的清潔提質(zhì)提供技術(shù)支撐。