農村生活垃圾處理工藝設計實例

摘要：為改善農村生活環(huán)境，優(yōu)化垃圾處理方法，對河南省登封市某垃圾處理場農村生活垃圾的組分及渣土特性進行研究，通過初步分揀、二次分揀、深度分選3個步驟進行垃圾分類，將每一步得到的垃圾回收利用，最終產物細渣土用來制備有機肥。該垃圾處理工藝平均每天處理農村生活垃圾60 t，能有效解決普通鄉(xiāng)鎮(zhèn)每天40～60 t的生活垃圾處理難題。經資源化處理，平均每天可回收玻璃、衣物、金屬、輪胎、膠鞋、木材等，可生產壓塊燃料、塑料顆粒、塑膠、有機肥等。該垃圾處理工藝將農村生活垃圾合理利用，具有較好的生態(tài)效益和經濟效益。

關鍵詞：農村生活垃圾；垃圾分類；渣土；河南省登封市

中圖分類號：X799.3" " " " "文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2023）06-0152-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2023.06.028

Design example of rural household waste treatment process

——Taking Dengfeng City， Henan Province as an example

ZHAO Ren-zhong，ZHANG Xiu-li，LIU Xiao-chan，CHEN Yong，ZHOU Xiang-ming，SONG Qiang-long，PEI Yi-kun

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Henan Agricultural University， Zhengzhou" 450002， China）

Abstract： In order to improve the rural living environment and optimize waste treatment methods， the composition and soil characteristics of rural household waste at a waste treatment site in Dengfeng City， Henan Province were studied， and waste classification was carried out through three steps： preliminary sorting， secondary sorting， and deep sorting. The waste obtained from each step was recycled， and the final product， fine residue soil， was used to prepare organic fertilizer. This waste treatment process processed an average of 60 tons of rural household waste per day， effectively solving the problem of 40 to 60 tons of daily household waste treatment in ordinary towns.After resource utilization， glass， clothes， metal， tires， rubber shoes， wood， etc. could be recycled on average every day， and could be used to produce briquette fuel， plastic particles， plastics， organic fertilizers， etc. This waste treatment process utilized rural household waste reasonably， which had good ecological and economic benefits.

Key words： rural household waste； garbage classification； fine residue soil； Dengfeng City， Henan Province

截至2020年，中國村莊建設用地面積為1 273萬hm2，村鎮(zhèn)常住人口為6.75億人［1］。中國農村人口眾多，地域遼闊，產生的生活垃圾具有成分復雜、量大面廣等特點［2-4］。農村生活垃圾隨意丟棄會對土壤、水體造成污染，危害農村生態(tài)環(huán)境， 現(xiàn)階段絕大多數(shù)農村鄉(xiāng)鎮(zhèn)采用焚燒、填埋、堆肥等工藝處理垃圾［5-8］。垃圾不合理地填埋會產生大量惡臭氣體污染空氣，填埋后陳腐垃圾滲濾液還會滲漏引起土壤污染甚至會造成地下水污染，危害人們的健康［9-11］。而生活垃圾焚燒會產生飛灰，其成分非常復雜，若不治理會對環(huán)境造成嚴重的二次污染［12，13］。同時垃圾填埋、焚燒也使得垃圾里巨大的能源效益被白白地丟失、浪費［14］。垃圾堆肥立足于綠色循環(huán)，廣泛用作有機肥料或土壤改良劑，是集經濟效益和環(huán)境效益于一體的固體廢棄物管理方法［15］，因此農村居民將生活垃圾進行堆肥處理能有效改善農村生態(tài)環(huán)境。沈玉君等［16］總結國內外堆肥標準，通過對比分析無害化指標、含水率等堆肥指標，指出中國堆肥體系存在的問題；杜龍龍等［17］以NH3和H2S作為監(jiān)測物質，對比研究了不同含量的添加劑對廚余垃圾堆肥過程中臭氣減排效果的影響；黃圓萍等［18］采集堆肥過程中樣本并分析有機質含量等關鍵參數(shù)變化，結合Local PLS算法建立了通用速測模型，用以實時監(jiān)控分析堆肥效果。堆肥工藝雖然運用范圍較廣，但仍存在資金投入較大、堆肥效率不高、堆肥效果較差等問題，這就需要挑選一種合適的堆肥原料和設計一套高效的堆肥工藝。

本研究對河南省登封市某垃圾處理場收集的垃圾組分及渣土特性進行測定，根據(jù)測定結果設計一套農村生活垃圾處理工藝，該工藝包括垃圾分類處理工藝和有機肥制備工藝。垃圾分類處理工藝通過初次分揀、二次分揀、深度分選3個步驟將垃圾分類回收處理；有機肥制備工藝為核心工藝技術，是將分揀得到的最終產物細渣土作為有機肥原料，并通過機械生物技術制備有機肥，實現(xiàn)農村生活垃圾處理的無害化、資源化。

1 材料與方法

1.1 農村生活垃圾組分的測定

測定使用的生活垃圾均取自登封市某垃圾處理場，該地人口數(shù)量約50 000人，所轄8個行政村，區(qū)域較大，垃圾分布結構比較合理。而且村鎮(zhèn)未實行生活垃圾的分類收集措施，垃圾來自村鎮(zhèn)垃圾箱，包含村民生活產生的各種垃圾，種類復雜，所取的生活垃圾具有一定代表性。

水分是影響垃圾組分差異的主要因素，春季、秋季和冬季差異不大，夏季與其他季節(jié)的差異較大，本研究選擇4、7月的垃圾進行組分測定，2次測試開始的時間均為中旬，去除陰雨天氣的影響，共做10次試驗。將每天從鄉(xiāng)鎮(zhèn)垃圾箱運送至垃圾處理場的垃圾進行人工分揀，首先將混合垃圾中易挑選的塑料瓶、玻璃瓶、衣物、鞋子、石塊、金屬易拉罐等通過人工分揀出來。剩余混合垃圾多為塑料袋，需要把塑料袋挑破，將包裹的紙類、廚余、瓜果皮等垃圾挑揀出以便分類稱重。將分揀、分類后的垃圾分為廚余（包括瓜果皮）、鞋子、金屬（易拉罐）、泡沫、紡織物（衣物、布鞋）、木材、塑料袋、玻璃、石塊、塑料瓶、橡膠（輪胎、膠鞋）、紙類、渣土等，使用塑料垃圾桶和臺秤依次稱重。

1.2 生活垃圾中渣土的特性分析方法

農村生活垃圾中含有的渣土占比較大，渣土中含有多種有機質，是較好的有機肥原料。本研究使用孔徑為6 mm的手動篩對垃圾分揀后的渣土進行初步篩分，得到細渣土和粗渣土，如圖1所示。并對2種渣土的含水率、粒度、雜質含量等進行測定。

1.2.1 含水率的測定 將采集的渣土樣品進行稱量，得出濕基質量，將各份樣品依次稱重后，放入烘箱中烘干。將烘干的樣品再進行稱重，得出干基質量，含水率計算公式如下：

式中，Ci為含水率（%）；M為濕基質量（g）；M0為干基質量（g）。

1.2.2 細渣土粒度的測定 分別使用篩孔直徑為3.2、1.6 mm的篩網(wǎng)對細渣土進行粒度測定。首先將樣品倒入3.2 mm的篩網(wǎng)中進行篩分，分離出細渣土中直徑大于3.2 mm的顆粒，得到的篩下物再倒入1.6 mm的篩網(wǎng)中進一步篩分，得到直徑為1.6～3.2 mm的顆粒和直徑小于1.6 mm的顆粒。

1.2.3 雜質率的測定 將粗渣土和細渣土分別倒入盆中，加水攪拌均勻，靜置2 h。然后分揀出漂浮的塑料、花生殼等雜質，晾干后稱重，測量3次并取平均值，得到雜質質量，計算雜質率。

2 結果與分析

2.1 農村生活垃圾的組分分析

由于生活垃圾水分蒸發(fā)的原因，生活垃圾分類后稱量計算會有一定的誤差，但不影響總體數(shù)據(jù)。渣土含量較高，泡沫多為電器包裝材料，橡膠多為輪胎、膠鞋，紡織物幾乎每天都有，木材多為村民家中丟棄的壞凳子、壞桌子，玻璃多為啤酒瓶等，塑料袋則作為生活必需品比較常見，石塊多為建筑垃圾，紙類較少，主要是因為紙類一般被村民集中收集后出售，只有少量衛(wèi)生紙。由于夏季瓜果皮含量高，其垃圾水分較多，廚余垃圾質量及所占比例遠大于其他季節(jié)（表1）。本研究結果與楊亞棟等［19］的研究基本一致。

2.2 生活垃圾中渣土的特性分析

2.2.1 含水率的分析 對3份細渣土樣品和3份粗渣土樣品進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)3份細渣土樣品的含水率為20%～30%，而3份粗渣土樣品的含水率為50%～60%。粗渣土比細渣土的含水率高，原因可能是粗渣土顆粒直徑比細渣土顆粒直徑大，其內部很多地方無法接觸空氣，水分蒸發(fā)比較緩慢。同理，渣土在有機肥制備過程中，需要與發(fā)酵菌充分混合，而粗渣土與發(fā)酵菌接觸的面積比細渣土少很多，無法充分地混合，因此粗渣土的制肥效果比細渣土差。

2.2.2 細渣土粒度的分析 3次取樣得到的細渣土粒度分布如圖2所示。粒度大于3.2 mm的細渣土占細渣土總量的20%，組成部分為花生殼、大塊渣土；粒度為1.6～3.2 mm的細渣土占細渣土總量的35%，組成部分為小塊渣土、碎顆粒；粒度小于1.6 mm的細渣土占細渣土總量的45%，組成部分為灰塵、渣土沫。渣土作為有機肥的原料，需要與發(fā)酵菌充分混合，因此渣土粒度大小對有機肥制備有很大影響。細渣土的中小顆粒（粒度小于3.2 mm）占80%，滿足制備有機肥的條件。

2.2.3 雜質率的分析 粗渣土雜質率約為12%，含有花生殼及塑料等；細渣土雜質率約為5%，包括花生殼等，基本不含塑料。粗渣土中含有花生殼、塑料等垃圾，且含量較高，需要進一步分選。農村生活垃圾中的微塑料不僅是土壤微塑料的重要來源，也會對堆肥過程及堆肥產物的資源化利用構成威脅［20，21］。因此需要利用分類機、風選機進行深度分選，盡量降低塑料垃圾在渣土中的含量。

2.3 農村生活垃圾處理工藝設計

結合垃圾組分測定得出的結果和垃圾處理場實際情況，優(yōu)化設計一套先進的垃圾處理工藝，由人工、磁選、風選、篩分等工序將垃圾分類處理，建設垃圾分揀車間、渣土制肥車間、有機肥存儲車間。車間占地約6 000 m2，覆蓋地域8～10 km，人口5萬～8萬人，平均日處理垃圾60 t，滿足普通鄉(xiāng)鎮(zhèn)每天40～60 t的生活垃圾處理需求。垃圾分揀過程包括初步分揀、二次分揀、深度分選3個步驟，垃圾處理的核心技術是有機肥制備，總體工藝流程如圖3所示。

進場垃圾車將垃圾直接卸料在垃圾收集池中，首先由給料機械手抓起垃圾放入皮帶輸送機進行人工分揀，剩余垃圾由磁選機分離出金屬品，余下垃圾傳送至撕碎機進行破碎，再依次進入滾筒篩、分類機、二級滾筒篩、風選機進一步分離，最終得到可以用以制備有機肥的細渣土。細渣土與畜禽排泄物混合后通過連續(xù)式有機肥高溫發(fā)酵設備制備有機肥。

2.3.1 垃圾分類 一輛垃圾運送車每次可運送1.5 t垃圾，垃圾倒入垃圾收集池中貯存，該垃圾處理工藝平均每天處理60 t生活垃圾，一天內循環(huán)工作，為了便于說明，將其簡化為一次性工作過程。

第一部分工作為給料機械手從垃圾池中抓出垃圾分散放置到皮帶輸送機上，工人在皮帶輸送機旁將混合垃圾中易分揀的塑料瓶、玻璃瓶、衣物、輪胎、木材等垃圾進行初步分揀，平均每天能夠回收得到玻璃2 t、衣物8.3 t、輪胎和膠鞋2.7 t、木材6.3 t。

第二部分主要由機械裝置自動完成，初步分揀后剩余垃圾通過皮帶輸送機向后方運送，先利用磁選機將混合垃圾中的金屬分離出來，選用永磁筒式磁選機，型號CT6090，處理量為8～15 t/h或24～45 m3/h。該磁選機筒表面磁場強度遠高于普通永磁磁選機，理論上能夠分離出所有的金屬，易于操作管理及維護，不僅能夠節(jié)省分揀空間，還能使剩余垃圾直接落入撕碎機。平均每天能夠得到金屬垃圾0.6 t，經過磁選后的垃圾主要為渣土、塑料、木料、瓜果皮等混合物。剩余垃圾利用撕碎機將其破碎，撕碎機選擇雙軸撕碎機，型號HJ-1000，處理量為1 000～1 300 kg/h，該撕碎機通過剪切、撕裂和擠壓等作用來減小物料尺寸，兩根軸在運轉時互不干預，采用特殊的刀軸結構和刀具排列方式，設備在速度低、扭矩大的生產環(huán)節(jié)中，不會出現(xiàn)物料纏軸及電機卡停的現(xiàn)象，進而提高了生產效率。破碎后的垃圾通過皮帶輸送機送至滾筒篩，通過滾筒篩將垃圾中的渣土分離出來，滾筒篩型號ZHD-Ф1200，處理量為50 t/h，垃圾在滾筒內的翻轉、滾動，使卡在篩孔中的垃圾彈出，篩孔不易堵塞，且運行平穩(wěn)、噪聲較低、結構簡單、維修方便。滾筒篩能夠分離出塑料約1.5 t/d、粗渣土約19 t/d，渣土中仍混合有塑料等雜質。

第三部分利用分類機、二級滾筒篩、風選機進行深度分選，剩余粗渣土混合物首先經皮帶輸送機送至分類機，分離部分塑料與細渣土，分類機型號FJ1600，處理量為50 t/h，能夠很好地分離渣土、塑料。分離后的渣土再送至二級滾筒篩，通過滾筒篩與風選機組合進一步清除渣土中的塑料，實現(xiàn)塑料與渣土混合物的完全分離。二級滾筒篩型號ZHD-Ф1000，處理量為50 t/h，風選機型號ZHD60，處理量為0.046～0.072 t/h。最后得到細渣土和塑料，平均每天得到細渣土17.6 t、塑料1.4 t。

2.3.2 垃圾處理 該垃圾處理工藝各階段產出不同垃圾，每一種產物都能回收或加工再利用。首先人工分揀出鞋子、衣物等，回收價約1 500元/t，回收后可以用來生產抹布、包裝毯以及農業(yè)大棚用的毛氈等產品，也有一部分會進行再生處理，制作成再生紗線、再生棉，成為新衣物的原料；人工分揀出的玻璃瓶、磁選機分離出的銅鐵等可作為再生資源直接出售，玻璃回收價約100元/t，金屬回收價約200元/t，玻璃、金屬的回收利用可以節(jié)約原料，節(jié)省資源；人工分揀出的輪胎、膠鞋等橡膠制品回收后可以制成塑膠，塑膠價約25～62元/kg；家具殘體、大樹枝與作物秸稈等可以壓縮碳化為壓塊燃料，壓塊燃料價格約400元/t，既節(jié)約了資源又提供了能源；廢塑料回收后經過破碎、造粒、改性等流程，變成各種塑料顆粒，再按照品相進行分類，成為可以再次利用的再生料，此外，廢塑料還能進行熱分解用于發(fā)電或用作熱源；細渣土則與畜禽排泄物、秸稈混合，加入發(fā)酵菌制備有機肥，可用于農業(yè)生產。該垃圾處理工藝完美處理了農村各種類的生活垃圾，實現(xiàn)了農村生活垃圾處理的無害化、資源化。

2.4 生活垃圾渣土制備有機肥工藝

機械生物處理技術是一種新型垃圾處理技術，即通過機械或生物作用處理生活垃圾［22］。本研究運用機械生物處理技術，通過連續(xù)式有機肥高溫發(fā)酵設備，以細渣土為原料生產制備有機肥，工藝流程如圖4所示。

該設備由螺旋加料機構、連續(xù)式高溫發(fā)酵機構、電磁控制機構等組成。細渣土與畜禽排泄物、秸稈混合（質量分數(shù)分別為細渣土35%，畜禽排泄物、秸稈60%），由螺旋加料機構送至進料口，同時為了達到發(fā)酵原料與發(fā)酵菌合理配比的目的，控制螺旋加料機構轉速，均勻上料；連續(xù)式高溫發(fā)酵機構由上、中、下3層組成，層與層之間通過齒輪進行傳動，實現(xiàn)同步轉動，可以適應在不同溫度時，攪龍軸不同的軸向變形，保證動力傳動平穩(wěn)，3層均采用槳葉式攪龍，能夠提高攪拌效率與物料混合程度；電磁加熱裝置設置在連續(xù)式高溫發(fā)酵機構上層（從進料口開始的1/3區(qū)域），對農村生活垃圾細渣土進行消毒滅菌，并可以通過電磁控制機構實現(xiàn)對加熱溫度與加熱時間的實時監(jiān)控與控制。

細渣土與畜禽排泄物、秸稈混合后通過螺旋加料機構運送至連續(xù)式高溫發(fā)酵機構上層進料口，進料后電磁控制機構開始在進料口開始的1/3區(qū)域對原料進行加熱消毒滅菌，保溫一段時間，待溫度下降后，原料被槳葉式攪龍輸送至中層，在中層添加質量分數(shù)5%的生物發(fā)酵菌開始混合發(fā)酵，在中層混合發(fā)酵一段時間后，半成品被輸送至下層，下層槳葉式攪龍進一步攪拌與發(fā)酵，達到從渣土到有機肥的一次性成肥。最終產出的有機肥外觀為黑褐色，粒狀，顆粒較均勻，無臭味略帶木香氣，無機械雜質，其有機質含量等指標符合國家有機肥NY/T525—2012標準。

3 小結

本研究對登封市某垃圾處理場的垃圾組分及渣土特性進行分析，設計出一套先進的垃圾處理工藝。農村生活垃圾種類復雜，必須在垃圾分類后進行回收利用；通過給料機械手、皮帶輸送機運送垃圾并進行初步分揀，通過磁選機、撕碎機、滾筒篩等裝置進行二次分揀，通過分類機、二級滾筒篩、風選機進行深度分選，實現(xiàn)了生活垃圾的分類處理；該垃圾處理工藝平均每天可處理垃圾60 t，每個階段分離出不同種類的垃圾；該工藝滿足普通鄉(xiāng)鎮(zhèn)每天40～60 t的生活垃圾處理需求，具有較好的生態(tài)效益和經濟效益，需要進一步大規(guī)模推廣。

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收稿日期：2022-04-27

基金項目：國家自然科學基金項目（52005167）；河南省科技攻關項目（202102110266）

作者簡介：趙任重（1998-），男，河南遂平人，在讀碩士研究生，研究方向為農村生活垃圾處理，（電話）17633899020（電子信箱）zhrzh1350@163.com；通信作者，張秀麗（ 1973-），女，河南嵩縣人，教授，主要從事農村廢棄物處理，（電子信箱）zxl071130@126.com。