废旧塑料砂洗洁净工程化技术研究

伍 娜，宋 楠，赵由才,3，张美兰，夏发发，周 涛,3

(1. 同济大学 环境科学与工程学院，上海 200092；2. 上海电力学院环境与化学工程学院，上海 200090；3. 上海污染控制与生态安全研究院，上海 200092；4 上海老港废弃物处置有限公司，上海 201302)

随着塑料产业的不断发展和塑料制品应用领域的扩展，废弃塑料的数量和种类都在增加，废弃塑料对于环境的影响也日益严重[1]。人们也已经意识到废弃塑料对于生存环境产生的威胁和资源化的浪费。提高废弃塑料的回收利用率是资源化循环和污染防控的重要举措[2]。目前，生活垃圾和填埋场存余垃圾中存在大量黏带污染物的废旧塑料，包括各种食品包装袋、农用地膜、工业包装等。废旧塑料的清洗可以去除附着在塑料表面的污物，使废旧塑料识别和分离的准确度更高，提高再生产品质量，是废旧塑料回收再生利用的关键[3-4]。与传统湿法清洗相比[5]，砂洗洁净工艺克服了耗水量巨大、产生污水量大且需配备后续污水处理系统及塑料干燥系统等缺点[6-7]，利用廉价易得的砂石作为清洗介质，易于推广使用。

本工作选取某生活垃圾处理厂的废旧塑料，设计研究了污染塑料砂洗洁净工艺，核算了相关成本，为生活垃圾和填埋场存量垃圾中废旧塑料的清洁提质和资源化利用提供科学依据和技术支撑。

1 工程化试验方法和设备

1.1 废旧塑料取样

废旧塑料取自山东省青岛市某生活垃圾处理厂，服务范围为周边村庄。在该垃圾处理厂内选取两个垃圾堆点进行记录。1号堆点垃圾质量为16 680 kg；人工剔除物大约420 kg，渗滤液产生量为640 kg，人工剔除后减重6.35%。二次发酵后使用40 mm滚筒筛分机进行筛分，筛上物体积11.69 m3，质量2 060 kg；筛下物体积7.62 m3，质量为5 070 kg。2号堆点垃圾质量为15 800 kg；人工剔除物大约320 kg，渗滤液产生量为470 kg，人工剔除后减重5.00%。二次发酵后使用40 mm滚筒筛分机进行筛分，筛上物体积16 m3，质量2 750 kg；筛下物体积8.87 m3，质量为6 170 kg。筛上物再经80 mm筛孔的滚筒筛，筛下物经过高速挡板式滚筒筛筛分机，可得到较高纯度的塑料；筛上物通过卧式气流分选机进行下一步分选。

表1为该处理厂工程现场40 mm筛孔滚筒筛筛上物各种生活垃圾组分的质量和体积含量比例。

表1 生活垃圾工程现场滚筒筛筛上物组成Tab.1 Composition of oversize product

试验原料为80 mm筛孔滚筒筛筛分之后的塑料，主要是软质塑料薄膜，包括包装袋、农用地膜等，实物图如图1所示。设计规模为1 000 kg/d的废旧塑料砂洗工程。

图1 工程现场的废旧污染塑料图片Fig.1 Pictures of waste contaminated plastic at the project site

1.2 废旧塑料砂洗清洁装置

图2为废旧污染塑料砂洗洁净系统示意图。整个工程化装置设计总体上是实验室小试装置的提升[8]，包括添加预处理装置，在清洗之前将塑料破碎、干燥，分别采用塑料破碎机和风力干燥机。为降低成本，风力干燥机利用高速空气清洗装置中排除的空气，可将自然干燥一段时间后的原本含水率较高的废旧塑料再投入风力干燥装置中进行干燥。破碎、干燥后的塑料片进入清洗装置进行清洗。

1-固体介质清洗装置；2-分选系统；3-高速空气清洗装置；4-干燥装置；5-除尘装置图2 废旧塑料砂洗洁净系统工程化示意图Fig.2 Schematic diagram of sand medium cleaning system for waste plastic

采用螺旋搅拌轴的卧式搅拌器，最大容量300 kg左右，设置转速50 r/min，每次进料塑料在70～80 kg，砂石重量在200～230 kg，运行时间约为40 min。在物料传输过程中，可选用传送带或者人工搬运。

1.3 效果评价方法

对废旧塑料砂洗洁净效果采用清洁率进行评价，具体评价方法如下。

1.3.1 取0.5 g未固体清洗的废塑料，剪成约1 cm×1 cm片状，置于200 mL蒸馏水中。在40 KHz、100 W超声处理20 min。充分混匀漂洗液后，取样在430 nm下测试其漂洗液的浊度，此记为清洁度的初始值C0。

1.3.2 按不同比例的塑砂比进行试验，清洗30 min，样品的清洁效果评价与上同，漂洗液浊度记为Cn。

1.3.3 将固体介质清洗的效用清洁率表示，其计算公式如下：

2 结果与讨论

2.1 废旧塑料污染物去除效果

经人工分选得到的轻质废旧塑料，与砂按照一定比例混合入滚筒搅拌机进行固体介质清洗。固体清洗装置如图3所示。试验了塑砂比分别为1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30的固体介质清洗情况。

图3 固体介质清洗装置与进出料表观现象对比Fig.3 The comparison of apparent phenomena before and after sand medium cleaning

不同塑砂比下的废旧塑料清洁效果如图4(a)所示。结果表明，不同塑砂比例下，废旧塑料的清洁率均在80%以上。实际现场工程化中，对于固体介质清洗，塑砂比1/20有比较好的清洗效果，清洁率达到90%左右。考察不同时间下的清洗效果，结果如图4(b)所示，当时间大于30 min时，清洁率随时间的延长并没有显著的变化，综合成本考虑，固体介质清洗时间确定为30 min。清洗后的塑砂一起进行水平振动筛进行分离，砂石继续回用，清洗后的塑料进入下一环节资源利用。

图4 塑砂比(a)和时间(b)对清洁效果的影响Fig.4 Effect of plastic sand ratio (a) and time (b) on cleaning efficiency

2.2 废旧塑料砂洗洁净工程应用流程图

基于工程化试验，提出了废旧塑料砂洗洁净工程应用流程图(图5)。干燥的废旧塑料由人工或物料提升机送入破碎机破碎，破碎后的出料与砂在无轴螺旋上料机料仓内上料的同时得到充分混合。经滚筒搅拌机清洗后的混合物入滚筒筛分离，筛上物为所得洁净塑料，筛下物为砂土。砂土经滚筒筛底部料槽收集后，经物料提升机入风力分选机进行砂土分离，土质较轻，收集于轻物质槽。收集的灰土物质，与二次堆肥发酵后滚筒筛筛下物(腐殖土)掺混，进行后续处置或资源化利用。砂收集于重物质槽，作为固体清洗介质回用。

图5 废旧塑料干法清洁装置流程简图Fig.5 Schematic diagram of waste plastic dry cleaning

2.3 废旧塑料砂洗洁净工程化试验成本分析

2.3.1 需购置物品清单

表2为废旧塑料砂洗洁净工程化试验所需购置物品清单。卧式搅拌机的规格为300 kg塑料，风机所选则型号为6-30-8D，风量约为1.5万m3/h，除尘装置采用布袋除尘器，尺寸为1.8×3.5×5 m。

表2 废旧塑料砂洗洁净工程化试验购置物品清单Tab.2 List items purchased for waste plastic sand cleaning engineering (万元)

2.3.2 装置操作所需空间

装置操作所需空间大约在25～40 m2，高度2.5 m以上。

2.3.3 人员安排

需要1名操作人员负责进料、出料和管理装置运行。按照每人每天150元薪资水平，每天人工成本约为150元。

2.3.4 用电成本计算

表3为废旧塑料砂洗洁净工程化试验用电项目明细。工业用电按照0.9元/kw·h计算，电费大约为100～110元/1 000kg塑料。

表3 废旧塑料砂洗洁净工程化试验用电项目明细表Tab.3 Power consumption of waste plastic sand cleaning engineering

2.3.5 总成本概算

表4为砂洗洁净工程化试验总成本明细表。考虑人工费、固定资产折旧、用电费用和财务税收成本等方面，处理1 000 kg废旧塑料大概需要305元。

表4 废旧塑料砂洗洁净工程化试验总成本明细Tab.4 Cost analysis of waste plastic sand cleaning engineering (元)

3 结 论

本工作设计和运行了规模为1 000 kg/d的废旧塑料砂洗洁净工程化试验设备。水洗砂固体介质对废塑料具有很好的清洁效果，在塑砂比1/20、清洗时间30 min状态下，废旧塑料的清洁率达到90%，日运行成本约305元/t废塑料。本技术的研发和推广应用可为生活垃圾分类后废旧塑料和填埋场开采筛分废旧塑料的清洁提质提供技术支撑。