《Waste Management》：Precision sorting of municipal solid waste using dynamic disc screen
编辑推荐：
摘要翻译：动态圆盘筛（DDS）实现了高纯度的城市固体废物有机组分（OFMSW）回收（纯度78–99%），优于振动筛和滚筒筛。振动筛分表现出中等回收率，OFMSW纯度为45.6%。滚筒筛分提高了纯度（70.5%）但降低了回收率。DDS在异质城市固体废物进料条件下
摘要翻译：动态圆盘筛（DDS）实现了高纯度的城市固体废物有机组分（OFMSW）回收（纯度78–99%），优于振动筛和滚筒筛。振动筛分表现出中等回收率，OFMSW纯度为45.6%。滚筒筛分提高了纯度（70.5%）但降低了回收率。DDS在异质城市固体废物进料条件下实现了较高的塑料去污效率。DDS性能受进料组成和操作条件影响。
## 研究背景
城市固体废物（MSW）填埋是美国第三大人为甲烷排放源。2018年美国产生了超过2.924亿吨MSW，其中近50%被填埋，主要成分为可生物降解的有机组分，包括食物垃圾、绿色垃圾、木材垃圾和修剪残留物。食物垃圾是最大组成部分，约占填埋MSW总量的24%。这些有机组分在填埋场中分解产生甲烷排放和渗滤液污染，凸显了开发更可持续废物管理策略的必要性。虽然焚烧和厌氧消化已被用作填埋的替代方案，但其产出主要为低价值能源产品，经济回报有限。相比之下，MSW中的有机组分（OFMSW）代表了更高价值生物化学转化途径的潜在原料，可生产生物燃料和平台化学品。然而，这一转化路径需要有效回收清洁且稳定的有机进料。MSW固有的异质性，即含有有机物与塑料等污染物的复杂混合物，是OFMSW生物化学转化的主要障碍。因此，有效的分选和分级策略对于生产高纯度、可用于转化的OFMSW流并实现可扩展的废物增值途径至关重要。
## 技术方法
研究人员采用三种全尺寸机械筛分系统进行对比评估：振动筛（筛孔50–127 mm，振幅30 mm，轴速435 rpm，将预破碎至约305 mm的MSW分为细料和粗料）；滚筒筛（孔径19 mm，倾角4–5°，转速15 rpm）；以及动态圆盘筛（DDS，Ecostream HEXACT 5000，额定处理能力10 t/h，标称开口50 mm，电机转速600–2500 rpm），配备安装在进料输送带上方的固定式磁选机以去除铁金属。MSW样品来源包括：振动筛试验使用乔治亚州卡特斯维尔住宅区约680 kg非回收黑色袋装废物（分三批，每批88–425 kg）；DDS试验批次1、2、4使用俄亥俄州辛辛那提圣伯纳德约20户家庭的约40个垃圾袋，批次3使用当地杂货店的消费前食物垃圾（与金属、纸板、塑料混合），批次5使用约1672 kg来自俄亥俄州梅森的庭院废物（与纸、塑料、纸板、金属混合）。各批次在DDS系统中被分为细料（较小/较重）和粗料（较大/较轻）部分。约10%的进料、细料和粗料被手动分类为八类（食物垃圾、木质/庭院垃圾、纸张、塑料、金属、纺织品、玻璃及其他），经烘干后测定水分和干基组成。评价指标包括：有机纯度（细料中有机物干重比例）、变异性（各批次OFMSW纯度的相对标准差）、去污效率（塑料从细料中转移比例）以及回收率（细料中回收的OFMSW占进料总OFMSW的干重比例）。化学组成表征方面，OFMSW经干燥并研磨至40目粉末后分析总碳水化合物含量（硫酸水解后测定单糖）、元素组成（CHNS分析仪）、蛋白质含量（氮含量×6.25换算系数）、粗脂肪含量（石油醚提取法ASTM D5468-95）和淀粉含量（酶水解法）。
## 研究结果
### 3.1 机械筛分系统的MSW分级性能
振动筛分试验中，全部批次粗料占总量56.0–63.0%，细料占37.0–44.0%。食物垃圾倾向于在细料中富集，而纸张和塑料更多集中在粗料中。OFMSW含量（干基）从进料的30.8±5.1%提高到细料中的42.9±9.8%，但仍有41.6±2.5%的OFMSW（主要为纸类有机物）残留在粗料中。
滚筒筛分试验中，超过80%的进料被保留在粗料部分，不到20%回收为细料。食物垃圾从进料中的17.8%显著富集至细料中的64.7%，而纸类在细料中仅占3.2%，粗料中达38.9%，表明材料特性和颗粒形态对筛分行为有重要影响。
在DDS试验中，批次1中食物垃圾从进料中的12.8%增加到细料中的58.5%；批次3（高有机进料）中，OFMSW纯度从进料的95.9%提高到细料的99.6%；批次4中庭院废物从进料的32.2%增加到细料中的74.3%；批次5中细料OFMSW纯度为96.9±0.7%，粗料中含较高比例的纸张、纸板和塑料。塑料在各批次中均优先保留在粗料部分。DDS细料纯度在各批次间介于77.8%至99.6%之间，OFMSW回收率为25.3%至90.9%。批次2（1000 rpm）相比批次1（800 rpm）在细料中有机物回收率较低（25.3% vs. 36.7%），粗料中食物垃圾残留更高（18.5% vs. 0.99%），表明较高转速可能促使有机颗粒被推进粗料。
### 3.2 三种筛分技术性能对比
振动筛分实现细料有机纯度45.6%（干基），OFMSW回收率63.0%，塑料去除效率79.2%，批次间OFMSW变异性降低65.0%。滚筒筛分产生较高细料纯度（70.5%）和改进的去污效率（94.1%），但OFMSW回收率大幅降低至20.6%。DDS批次1–4的细料纯度为78.0–99.0%（干基），OFMSW回收率在25.3%至90.9%之间，批次间变异性约11.0%（相对进料降低73.7%）。批次5在53.5分钟内处理约1672 kg物料（平均吞吐量1.87 t/h），耗电9.8 kWh（比电耗约5.86 kWh/t），运行中无堵塞或缠料停机，塑料去除效率85.7%，OFMSW回收率高达99.1%。
### 3.3 OFMSW化学组成表征与生物转化潜力
振动筛分获得的细料部分平均碳水化合物约41.0%，可支持发酵型生物转化途径；粗脂肪约11.0%、蛋白质约6.0%，表明可支持多种生物化学路径；碳氮比（C/N）为31.3:1，处于20–35的适宜范围；平均高热值（HHV）为11.8 kJ/g，低于粗料的14.9 kJ/g，与细料中易降解有机物富集、粗料中纤维/木质纤维素组分贡献一致的组成特征。
## 3.4 操作经验与工业应用
所有三种筛分系统均能实现基于尺寸和形态的有效分离，但存在不同的性能取舍。振动筛分提供中等有机物富集和相对较高的回收率；滚筒筛分产生较高纯度细料但回收率较低；DDS在不同进料组成下产生高纯度有机细料并保持高去污效率。DDS在较低转速（800 rpm）下批次3–5同时实现>95% OFMSW纯度和>87%回收率。建议的优化方向包括将筛孔从50 mm增大至70 mm，或将电机转速从800 rpm降低至650 rpm以延长物料停留时间促进颗粒分层，以及调整输送带频率（30至50 Hz）以改善进料分布和床层均匀性。
## 研究结论
本研究表明，机械预筛分是提高OFMSW质量和均匀性并减少无机污染的可扩展策略。在所评估的技术中，DDS产生的有机组分纯度（干基78.0–99.0%）高于振动筛（45.6%）和滚筒筛（70.5%）。DDS性能随进料组成和操作条件变化，OFMSW回收率范围为25.3%至99.1%，同时在所评价条件下观察到组成变异性降低。所有筛分系统均实现显著的塑料去除，其中DDS在五个评估批次中保持了85.7–95.5%的高塑料去污效率。结果进一步表明，DDS操作参数（包括电机转速）可能影响OFMSW回收率与纯度之间的平衡，凸显了进一步系统优化的必要性。综上，研究结果证实DDS在异质进料条件下对OFMSW回收具有优越的选择性，使其成为集成式MSW分选系统中可扩展实施的强有力候选技术。未来研究将评估回收OFMSW的下游生物化学转化性能，以确定进料纯度、污染物去除和均匀性的改善如何转化为转化效率和产品产率。
