廚余垃圾破碎擠壓工藝試驗(yàn)研究

張 力，杭建強(qiáng)，顏劍敏，楊麗萍，吳 元，趙 磊

(1.維爾利環(huán)?？萍技瘓F(tuán)股份有限公司，江蘇 常州 213125；2.瑞泰環(huán)保裝備有限公司，江蘇 常州 213002)

前 言

改革開(kāi)放以來(lái)，尤其是進(jìn)入21世紀(jì)之后，隨著我國(guó)城市化的加速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，城市生活垃圾以5%～8%的年遞增率不斷增長(zhǎng)，我國(guó) 600多座城市中2/3的城市己陷入“垃圾圍城”的困境，如何做好城市生活垃圾分類(lèi)處理已成為城市治理的難題與重點(diǎn)[1-2]。

廚余垃圾是指居民在食品加工和消費(fèi)過(guò)程中所產(chǎn)生的一種固體廢棄物[3]，包括剩菜剩飯、骨頭、菜根菜葉，果皮等食品類(lèi)廢物，在生活垃圾中占到了較大一部分比重。目前，我國(guó)從2000年開(kāi)始在全國(guó)8個(gè)重點(diǎn)城市試點(diǎn)垃圾分類(lèi)。2017年開(kāi)始，全國(guó)46個(gè)重點(diǎn)城市全面開(kāi)始垃圾分類(lèi)[4]。廚余垃圾含水量高、有機(jī)質(zhì)含量豐富，具有較高的資源化利用價(jià)值，因此備受人們關(guān)注[5]。隨著國(guó)內(nèi)垃圾分類(lèi)進(jìn)程的推進(jìn)，分類(lèi)后的廚余垃圾組分存在差異，例如北京、上海等地，分類(lèi)收運(yùn)后的廚余垃圾本身處于一個(gè)高純度的狀態(tài)，而一些縣域級(jí)垃圾分類(lèi)明顯滯后，廚余垃圾的收集狀態(tài)更傾向于普通生活垃圾，所含雜物較多，在實(shí)際資源化處理過(guò)程還需進(jìn)行進(jìn)一步的篩分[6]。

目前國(guó)內(nèi)廚余垃圾的處理方式基本為“前段預(yù)處理+終端資源化”的模式[7～9]，終端利用方式主要有堆肥、厭氧產(chǎn)沼[10～12]，前段預(yù)處理部分工藝基本相似，以篩分+制漿+擠壓為主，以下主要介紹兩種制漿方式：一種為直接擠壓模式，收運(yùn)來(lái)的廚余垃圾經(jīng)過(guò)破袋篩分后直接擠壓進(jìn)行固液分離，此方式流程簡(jiǎn)單、處理能力大，但資源化利用率較低[13]；一種為生物水解制漿，通過(guò)厭氧回流，廚余垃圾中有機(jī)組分在生物反應(yīng)器水力和機(jī)械的作用下，將大部分有機(jī)物轉(zhuǎn)化液相中，此種方式資源利用高，但設(shè)備體量大，工藝投資較高[14-15]。

本試驗(yàn)研究在上述直接擠壓工藝前增加破碎制漿設(shè)備，形成破碎-擠壓預(yù)處理工藝，該工藝目前主要應(yīng)用于餐廚垃圾處置領(lǐng)域[16]，而廚余垃圾主要以蔬菜、果皮為主，硬質(zhì)類(lèi)物料較多，破碎效果受限，本研究觀察在不同工況下廚余物料的物理組分、理化性質(zhì)的變化，評(píng)估工藝穩(wěn)定性和資源化利用情況，并與以上兩種工藝進(jìn)行對(duì)比，形成理論數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

主要設(shè)備：試驗(yàn)設(shè)備采用常州某機(jī)械設(shè)備有限公司的分選破碎一體機(jī)以及擠壓脫水機(jī)，見(jiàn)圖1。

其他設(shè)備：電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(DHG-9246A，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)；電子天平(FA2004，上海恒平科學(xué)儀器有限公司)；電子秤(0～200 kg，上海恒剛儀表有限公司器儀表有限公司)。

圖1 主要試驗(yàn)設(shè)備Fig.1 Main test equipment

本試驗(yàn)項(xiàng)目依托于浙江紹興某餐廚廢棄物處置公司，以收運(yùn)的廚余垃圾為試驗(yàn)原料，預(yù)處理工藝路線為料倉(cāng)→破袋滾筒篩→分選破碎一體機(jī)→擠壓脫水機(jī)→液相預(yù)處理→厭氧，原料性質(zhì)組分圖見(jiàn)表1。

表1 廚余垃圾組分性質(zhì)Tab.1 Properties of components of kitchen waste (%)

1.2 試驗(yàn)方法

通過(guò)調(diào)整分選頻率(穩(wěn)定進(jìn)料頻率15Hz)進(jìn)行試驗(yàn)，并在此最佳參數(shù)下，對(duì)自動(dòng)分選破碎一體機(jī)的刀頭形式進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)其結(jié)果(TS、VS、物理組分)進(jìn)行分析并與直接擠壓工藝和淋濾工藝進(jìn)行對(duì)比評(píng)估。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同分選頻率下物料的組分和性質(zhì)變化

保持進(jìn)料頻率15Hz不變，分選頻率設(shè)定為20Hz、30Hz、40Hz、50Hz，物料平衡變化見(jiàn)圖2，隨著分選頻率的加大，分選破碎機(jī)對(duì)廚余垃圾的剪切力逐漸加強(qiáng)，破碎力度加大，篩上物比例從23.12%下降至14.12%，分選破碎一體機(jī)篩上物中有機(jī)質(zhì)部分明顯減少(見(jiàn)圖3)，從表2中可發(fā)現(xiàn)TS從28.38%提高至34.32%，VS從88.61%降低至81.45%，表明大部分有機(jī)物進(jìn)入到篩下物中，同時(shí)擠壓固渣占比也在逐漸降低，表明廚余垃圾經(jīng)破碎后可以有效打開(kāi)胞內(nèi)水，破碎程度與擠壓脫水能力成正比，降低擠壓固渣的含水率，更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)會(huì)進(jìn)入到厭氧中產(chǎn)沼發(fā)電，提高資源化利用程度。

圖2 不同分選頻率下物料平衡Fig.2 Material balance at different sorting frequencies

表2 不同分選頻率下理化指標(biāo)分析Tab.2 Analysis of physical and chemical indexes at different sorting frequencies

圖3 分選破碎一體機(jī)篩上物Fig.3 Matters on screen of sorting crusher

2.2 破碎擠壓工藝優(yōu)化試驗(yàn)

從前期數(shù)據(jù)可知，分選頻率加大有利于減少有機(jī)質(zhì)的損失，但由于廚余垃圾中硬質(zhì)物較多，現(xiàn)有刀頭形式剪切力較低，更多是依靠拍打?qū)ξ锪线M(jìn)行破碎，而運(yùn)行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)物料破碎不完全來(lái)不及排出，設(shè)備內(nèi)部短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)積料過(guò)多，出現(xiàn)卡死的情況，因此本次主要針對(duì)于刀頭部分進(jìn)行了部分優(yōu)化(見(jiàn)圖4)，在原有基礎(chǔ)上拆除舊刀頭，更換帶切割功能的刀頭，加強(qiáng)破碎能力，同時(shí)沿驅(qū)動(dòng)端到非驅(qū)動(dòng)端軸向交錯(cuò)布置6組帶傾斜面的刀頭，傾斜角度為4°，便于物料排出。

本次試驗(yàn)保持分選頻率50Hz不變，探究改良后的試驗(yàn)效果，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5～圖6，結(jié)果顯示分選破碎一體機(jī)篩上物由14.12%降低至8.64%，TS由34.32%提高至40.12%，擠壓固渣占比從42.94%降低至39.52%，表明刀頭更換后對(duì)廚余垃圾的破碎力顯著增強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定，同時(shí)擠壓固渣的TS從40.69%升高至43.12%，再次證明破碎后的廚余垃圾更易固液分離，較優(yōu)化之前提高了資源利用率。

圖4 分選破碎一體機(jī)刀頭改良前后主軸結(jié)構(gòu)Fig.4 Main shaft before and after improvement in cutter head of sorting crusher

圖5 工藝優(yōu)化后物料平衡Fig.5 Material balance after process optimization

同時(shí)對(duì)分選料篩上物進(jìn)行物理組分分析，組分對(duì)比見(jiàn)圖7，組分分布見(jiàn)表3，優(yōu)化刀頭后，分選料篩上物的有機(jī)質(zhì)占比從43.01%降低至23.36%，雜物占比升高，表明帶有切割功能的刀頭破碎效果明顯，更多的有機(jī)質(zhì)進(jìn)入到后續(xù)單元，減少了資源損失，同時(shí)設(shè)備處理能力以及穩(wěn)定性也有了明顯的提升。

圖6 工藝優(yōu)化物料理化指標(biāo)Fig.6 Physical and chemical indexes of materials after process optimization

圖7 優(yōu)化前后分選破碎一體機(jī)篩上物組分分揀圖Fig.7 Components on screen of sorting crusher before and after optimization

表3 優(yōu)化前后分選破碎一體機(jī)篩上物組分分布Tab.3 Distribution of components on screen of sorting crusher before and after optimization (%)

2.3 工藝對(duì)比

表3為三種預(yù)處理最終固渣的物理組分對(duì)比，經(jīng)過(guò)生物水解后的擠壓固渣中有機(jī)質(zhì)占比(70.27%)明顯低于直接擠壓和破碎擠壓，且大多為難降解物質(zhì)，擠壓固渣含水率最低，整體資源化利用率高；在破碎擠壓工藝中，擠壓固渣含水率為56.88%，低于生物水解(54.00%)高于直接擠壓(64.67%)，本工藝中分選破碎一體機(jī)承擔(dān)了大部分的除雜工作，因此其含雜率低，更適合堆肥、養(yǎng)蟲(chóng)等終端資源化利用。

表4 三種工藝擠壓固渣性質(zhì)對(duì)比Tab.4 Comparison on properties of solid extrusion slags by three processes (%)

3 結(jié) 論

目前廚余垃圾的終端處理基本以厭氧為主，預(yù)處理部分也是通過(guò)機(jī)械或生物的方式進(jìn)行固液分離，在擠壓脫水機(jī)前添加破碎機(jī)可以降低擠壓固渣的含水率，同時(shí)隨著分選頻率的加快(20～50Hz)，分選破碎一體機(jī)篩上物的含量從23.12%下降至14.12%，擠壓固渣的含水率從63.52%降低到59.31%，刀頭經(jīng)優(yōu)化后篩上物占比進(jìn)一步降低至8.64%，分選破碎一體機(jī)篩上物中有機(jī)質(zhì)占比從43.01%降低至23.36%，綜上所述，本試驗(yàn)最佳工藝參數(shù)為：分選頻率50Hz，分選機(jī)軸向設(shè)置切割用刀頭，同時(shí)軸向交錯(cuò)布置6組帶傾斜面的刀頭。

對(duì)比三種廚余垃圾預(yù)處理工藝，生物水解資源化利用率最高，但設(shè)備體量大、占地大，且需要一定的停留時(shí)間，限制其處理規(guī)模，直接擠壓工藝流程簡(jiǎn)單，但擠壓固渣含水率較高，資源利用率低，破碎擠壓工藝介于生物淋濾與直接擠壓之間，運(yùn)行穩(wěn)定，投資較小，資源化利用率高，具有較好的市場(chǎng)前景。