餐廚垃圾脫液預(yù)處理技術(shù)及裝備設(shè)計

孫邦雨，張冰

（北京化工大學(xué)機電工程學(xué)院，北京100029）

餐廚垃圾脫液預(yù)處理技術(shù)及裝備設(shè)計

孫邦雨，張冰

（北京化工大學(xué)機電工程學(xué)院，北京100029）

餐廚垃圾脫液預(yù)處理對餐廚垃圾的有效處置具有重要作用。利用螺旋擠壓固-液分離技術(shù)對餐廚垃圾進行脫液處理研究，分析螺旋擠壓過程中的影響因素對脫液過程的影響。對研究結(jié)果進行總結(jié)，設(shè)計一臺用于處理餐廚垃圾的綜合處理裝備，并在樣機設(shè)備上對實際餐廚垃圾進行螺旋擠壓脫液處理，對比分析不同螺旋轉(zhuǎn)速和物料狀態(tài)對脫水過程的影響。實驗研究結(jié)果和實際使用狀況用于評價設(shè)備的使用效果。

餐廚垃圾；螺旋擠壓；固-液分離

1 研究背景

餐廚垃圾主要是指人們餐后排放的食品類有機廢棄物，主要來源高校食堂、企事業(yè)單位、小型餐館和居民家庭[1]。根據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示，2015年城市生活垃圾清運量已達到19 142萬t，而餐廚垃圾在城市生活垃圾中占有較高的比重。

餐廚垃圾的特征為：（1）生物質(zhì)含量較高（16%~ 22%），具有資源化利用價值；（2）含水率高，易腐敗變臭；（3）脂類和鹽類含量較高，對資源化產(chǎn)品品質(zhì)具有較明顯的影響。為避免資源浪費和環(huán)境污染，對餐廚垃圾進行有效處理顯得十分重要[2]。

目前，關(guān)于餐廚垃圾的處置辦法主要有填埋、焚燒和微生物處理法。在使用前述處理方法實際處理餐廚垃圾時都存在一些問題，如采用填埋法處理餐廚垃圾，過高的含水率會導(dǎo)致垃圾滲濾液污染地下水[3]；采用焚燒工藝處理垃圾時要求廢棄物含水率低于50%，而餐廚垃圾的含水率高達85%，直接進行焚燒會造成熱值為負，浪費大量熱能[4]；微生物處理法處理餐廚垃圾是近些年的研究熱點，然而微生物處理餐廚垃圾的速率與餐廚垃圾的含水率有直接關(guān)系，過高的含水率制約了微生物處理效率[5]。

前述的幾種處理方法都表明，高含水率對餐廚垃圾的處置具有抑制作用。為對餐廚垃圾進行高效處置，脫液預(yù)處理工藝顯得十分必要。

2 餐廚垃圾脫液預(yù)處理技術(shù)

前人在固-液分離領(lǐng)域進行了大量研究，研究成果應(yīng)用于裝置研發(fā)中，因而衍生了一系列固-液分離裝備。典型的裝備包括廂式壓濾機、帶式壓濾機、臥螺離心機、螺旋擠壓脫水裝置等。相較之其他固-液分離裝備，螺旋擠壓脫水裝置因具有操作可連續(xù)、脫水效果好、物料適應(yīng)能力強和具有較好的經(jīng)濟性等特點，對餐廚垃圾脫液預(yù)處理時是一個較好的選擇。

2.1 螺旋擠壓固-液分離技術(shù)

如圖1所示為螺旋擠壓脫液裝置的簡圖，其主要部件為脫水螺旋、濾筒和機頭構(gòu)成。物料從進料口注入，脫水螺旋在電機的帶動下轉(zhuǎn)動并將固-液混合物向前輸送和形成擠壓力，濾液在壓力作用下被擠出、收集，固體成分從機頭處被擠出，從而實現(xiàn)擠壓脫液過程。

圖1 螺旋擠壓脫水裝置簡圖

2.2 影響固-液分離過程的因素分析

在螺旋擠壓脫液過程中，多種因素會影響脫液過程的進行，主要包括螺旋結(jié)構(gòu)、濾筒的結(jié)構(gòu)及濾孔尺寸、機頭出口面積以及螺旋轉(zhuǎn)速等。

2.2.1 螺旋結(jié)構(gòu)

對于螺旋擠壓脫液裝置而言，螺旋是最為核心的部件，螺旋結(jié)構(gòu)會影響固-液混合物的分離效率。常用的螺旋結(jié)構(gòu)有等徑螺旋、變徑螺旋和間斷螺旋等。在實際工程應(yīng)用中為了獲得較好的脫液效果，變徑螺旋和間斷螺旋的應(yīng)用比較多。

變徑螺旋因自身存在一定的壓縮比，在螺旋輸送方向上螺旋與機筒所構(gòu)成的流道截面是逐漸縮小的，通過流道體積的減小達到建壓的目的，從而促進固-液混合物的擠壓脫液。

間斷螺旋的主要特征是螺旋是間斷的，內(nèi)部物料所受的推動力達到一定數(shù)值后才能被推到下一間斷處，即使在較高的轉(zhuǎn)速下也能將固-液混合物的含水率降低到一定程度[6]。

2.2.2 螺旋轉(zhuǎn)速

在螺旋擠壓脫液過程中螺旋轉(zhuǎn)速是一個重要的操作參數(shù)，轉(zhuǎn)速的大小對固-液混合物的處置產(chǎn)量以及分離效果都具有影響。轉(zhuǎn)速的提高雖可提高處理產(chǎn)量，同時也導(dǎo)致固-液混合物在機筒內(nèi)的停留時間減小，不利于液體的滲流。

2.2.3 機頭出口面積

在擠壓脫液過程中，如果僅靠螺旋與機筒對物料的作用來實現(xiàn)固-液分離的話，需要螺旋的長度較長，同時需要較高的壓縮比。基于這一問題，通過減小機頭出口處的面積能夠增加物料擠出時的阻力，提高機筒內(nèi)固-液混合物的壓力，從而提高固-液分離效果。

3 餐廚垃圾綜合處理裝備

3.1 餐廚垃圾綜合處理裝備設(shè)計

如圖2為自主設(shè)計的餐廚垃圾資源化處理裝備，包含螺旋擠壓固-液分離裝置、混合物發(fā)酵倉、油水分離器和除臭箱等。

3.2 餐廚垃圾螺旋擠壓固-液分離實驗研究

餐廚垃圾的物性十分復(fù)雜，為了驗證研發(fā)設(shè)備的實際使用效果，在餐廚垃圾資源化處理裝備上進行了實驗研究。

圖2 餐廚垃圾資源化處理裝備

3.2.1 實驗原料

實驗物料為餐廚垃圾，取自秦皇島市臻福美食廣場的午餐剩餐。實驗前需對雜質(zhì)（塑料袋、紙杯等）進行分選處理，分選后的餐廚垃圾狀況如圖3所示。在實驗前需對初始物料含水率進行測量，為保證測量準確，在取樣前需使用木棒對餐廚垃圾進行攪勻處理，多次取樣、烘干和含水率計算，取含水率的平均值作為餐廚垃圾的初始含水率。

圖3 餐廚垃圾脫液前狀態(tài)

3.2.2 轉(zhuǎn)速對脫水過程的影響研究

在螺旋擠壓固-液分離過程中，螺旋轉(zhuǎn)速對產(chǎn)量和物料的固-液分離過程都有顯著影響，圖4是餐廚垃圾固-液分離后的實際狀態(tài)。

圖4 餐廚垃圾脫液后狀態(tài)

調(diào)節(jié)螺旋的轉(zhuǎn)速驗證轉(zhuǎn)速對餐廚垃圾固-液分離的影響，不同轉(zhuǎn)速下出料口處餐廚垃圾的含水率如圖5所示。從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，隨著轉(zhuǎn)速的提高，出料口物料的含水率也較高，說明轉(zhuǎn)速對脫液過程的進行有抑制作用。原因在于隨著轉(zhuǎn)速的提高，物料在機筒內(nèi)的停留時間減小，同等條件下穿過濾餅滲出的液體量減少，即固-液分離效率降低。

針對3種不同狀態(tài)的餐廚垃圾進行螺旋擠壓脫液過程研究，3種餐廚垃圾的狀態(tài)如表1所示。

圖5 不同螺旋轉(zhuǎn)速下出口處物料含水率

表1 餐廚垃圾初始狀態(tài)

圖6為3種不同餐廚垃圾的固-液分離前、后的含水率和減容率的變化圖，從圖6可見，對同一含水率的餐廚垃圾，當(dāng)天處理會具有較好的脫液效果；含水率較高的餐廚垃圾雖在一定程度上能減少餐廚垃圾，但出料口的物料含水率仍比較高，在脫液前使餐廚垃圾在自身重力下進行瀝水處理有利于餐廚垃圾脫液的進行。

圖6 餐廚垃圾存放狀態(tài)分離的影響

4 結(jié)論

（1）分析影響螺旋擠壓過程的因素，設(shè)計一臺用于處理餐廚垃圾的處理裝備，并完成加工和調(diào)試。

（2）實地以餐廚垃圾為處理對象，研究轉(zhuǎn)速、餐廚垃圾存置狀態(tài)類對脫液過程的影響，研究結(jié)果表明，轉(zhuǎn)速較慢和餐廚垃圾就地處理有利于脫液的進行。

[1]伍建軍，梁燦欽，林錦權(quán).餐廚垃圾處理技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].東莞理工學(xué)院學(xué)報，2012，19(3):68-72.

[2]張存勝.厭氧發(fā)酵技術(shù)處理餐廚垃圾產(chǎn)沼氣的研究[D].北京：北京化工大學(xué)，2013.

[3]吳修文，魏奎，沙莎，等.國內(nèi)外餐廚垃圾處理現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2011(12):49-52.

[4]李強.UASB對餐廚垃圾和剩余污泥合并處理的試驗研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2013.

[5]任連海，何亮，寧娜，等.餐廚垃圾高效好氧堆肥過程參數(shù)的影響因素研究[J].食品科學(xué)技術(shù)學(xué)報，2010，28(5):40-44.

[6]武軍，范德順.間斷式螺旋擠壓過濾機[J].過濾與分離，2008，18 (1):36-37.

Food waste dehydration pretreatment technology and equipment design

SUN Bangyu,ZHANG Bing
（Mechanical and Electrical Engineering,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China）

The dewatering pretreatment of food waste play an important role in the disposal of food waste.The effects of influencing factors on the dehydration process during the extrusion were analyzed by using the screw extrusion solid-liquid separation technology.The integrated processing equipment was developed in this paper based on the results of the study.The effect of screw speed and physical properties on the solid-liquid separation process of food waste was analyzed by experiments.The results of the experiments and the daily use are used to evaluate the effect of the equipment.

food waste;screw extrusion;solid-liquid separation

X799.3

A

1674-0912（2017）05-0032-04

2017－03－23）