餐厨垃圾脱液预处理技术及装备设计

孙邦雨，张冰

（北京化工大学机电工程学院，北京100029）

餐厨垃圾脱液预处理技术及装备设计

孙邦雨，张冰

（北京化工大学机电工程学院，北京100029）

餐厨垃圾脱液预处理对餐厨垃圾的有效处置具有重要作用。利用螺旋挤压固-液分离技术对餐厨垃圾进行脱液处理研究，分析螺旋挤压过程中的影响因素对脱液过程的影响。对研究结果进行总结，设计一台用于处理餐厨垃圾的综合处理装备，并在样机设备上对实际餐厨垃圾进行螺旋挤压脱液处理，对比分析不同螺旋转速和物料状态对脱水过程的影响。实验研究结果和实际使用状况用于评价设备的使用效果。

餐厨垃圾；螺旋挤压；固-液分离

1 研究背景

餐厨垃圾主要是指人们餐后排放的食品类有机废弃物，主要来源高校食堂、企事业单位、小型餐馆和居民家庭[1]。根据国家统计局数据显示，2015年城市生活垃圾清运量已达到19 142万t，而餐厨垃圾在城市生活垃圾中占有较高的比重。

餐厨垃圾的特征为：（1）生物质含量较高（16%~ 22%），具有资源化利用价值；（2）含水率高，易腐败变臭；（3）脂类和盐类含量较高，对资源化产品品质具有较明显的影响。为避免资源浪费和环境污染，对餐厨垃圾进行有效处理显得十分重要[2]。

目前，关于餐厨垃圾的处置办法主要有填埋、焚烧和微生物处理法。在使用前述处理方法实际处理餐厨垃圾时都存在一些问题，如采用填埋法处理餐厨垃圾，过高的含水率会导致垃圾渗滤液污染地下水[3]；采用焚烧工艺处理垃圾时要求废弃物含水率低于50%，而餐厨垃圾的含水率高达85%，直接进行焚烧会造成热值为负，浪费大量热能[4]；微生物处理法处理餐厨垃圾是近些年的研究热点，然而微生物处理餐厨垃圾的速率与餐厨垃圾的含水率有直接关系，过高的含水率制约了微生物处理效率[5]。

前述的几种处理方法都表明，高含水率对餐厨垃圾的处置具有抑制作用。为对餐厨垃圾进行高效处置，脱液预处理工艺显得十分必要。

2 餐厨垃圾脱液预处理技术

前人在固-液分离领域进行了大量研究，研究成果应用于装置研发中，因而衍生了一系列固-液分离装备。典型的装备包括厢式压滤机、带式压滤机、卧螺离心机、螺旋挤压脱水装置等。相较之其他固-液分离装备，螺旋挤压脱水装置因具有操作可连续、脱水效果好、物料适应能力强和具有较好的经济性等特点，对餐厨垃圾脱液预处理时是一个较好的选择。

2.1 螺旋挤压固-液分离技术

如图1所示为螺旋挤压脱液装置的简图，其主要部件为脱水螺旋、滤筒和机头构成。物料从进料口注入，脱水螺旋在电机的带动下转动并将固-液混合物向前输送和形成挤压力，滤液在压力作用下被挤出、收集，固体成分从机头处被挤出，从而实现挤压脱液过程。

图1 螺旋挤压脱水装置简图

2.2 影响固-液分离过程的因素分析

在螺旋挤压脱液过程中，多种因素会影响脱液过程的进行，主要包括螺旋结构、滤筒的结构及滤孔尺寸、机头出口面积以及螺旋转速等。

2.2.1 螺旋结构

对于螺旋挤压脱液装置而言，螺旋是最为核心的部件，螺旋结构会影响固-液混合物的分离效率。常用的螺旋结构有等径螺旋、变径螺旋和间断螺旋等。在实际工程应用中为了获得较好的脱液效果，变径螺旋和间断螺旋的应用比较多。

变径螺旋因自身存在一定的压缩比，在螺旋输送方向上螺旋与机筒所构成的流道截面是逐渐缩小的，通过流道体积的减小达到建压的目的，从而促进固-液混合物的挤压脱液。

间断螺旋的主要特征是螺旋是间断的，内部物料所受的推动力达到一定数值后才能被推到下一间断处，即使在较高的转速下也能将固-液混合物的含水率降低到一定程度[6]。

2.2.2 螺旋转速

在螺旋挤压脱液过程中螺旋转速是一个重要的操作参数，转速的大小对固-液混合物的处置产量以及分离效果都具有影响。转速的提高虽可提高处理产量，同时也导致固-液混合物在机筒内的停留时间减小，不利于液体的渗流。

2.2.3 机头出口面积

在挤压脱液过程中，如果仅靠螺旋与机筒对物料的作用来实现固-液分离的话，需要螺旋的长度较长，同时需要较高的压缩比。基于这一问题，通过减小机头出口处的面积能够增加物料挤出时的阻力，提高机筒内固-液混合物的压力，从而提高固-液分离效果。

3 餐厨垃圾综合处理装备

3.1 餐厨垃圾综合处理装备设计

如图2为自主设计的餐厨垃圾资源化处理装备，包含螺旋挤压固-液分离装置、混合物发酵仓、油水分离器和除臭箱等。

3.2 餐厨垃圾螺旋挤压固-液分离实验研究

餐厨垃圾的物性十分复杂，为了验证研发设备的实际使用效果，在餐厨垃圾资源化处理装备上进行了实验研究。

图2 餐厨垃圾资源化处理装备

3.2.1 实验原料

实验物料为餐厨垃圾，取自秦皇岛市臻福美食广场的午餐剩餐。实验前需对杂质（塑料袋、纸杯等）进行分选处理，分选后的餐厨垃圾状况如图3所示。在实验前需对初始物料含水率进行测量，为保证测量准确，在取样前需使用木棒对餐厨垃圾进行搅匀处理，多次取样、烘干和含水率计算，取含水率的平均值作为餐厨垃圾的初始含水率。

图3 餐厨垃圾脱液前状态

3.2.2 转速对脱水过程的影响研究

在螺旋挤压固-液分离过程中，螺旋转速对产量和物料的固-液分离过程都有显著影响，图4是餐厨垃圾固-液分离后的实际状态。

图4 餐厨垃圾脱液后状态

调节螺旋的转速验证转速对餐厨垃圾固-液分离的影响，不同转速下出料口处餐厨垃圾的含水率如图5所示。从图5中可以发现，随着转速的提高，出料口物料的含水率也较高，说明转速对脱液过程的进行有抑制作用。原因在于随着转速的提高，物料在机筒内的停留时间减小，同等条件下穿过滤饼渗出的液体量减少，即固-液分离效率降低。

针对3种不同状态的餐厨垃圾进行螺旋挤压脱液过程研究，3种餐厨垃圾的状态如表1所示。

图5 不同螺旋转速下出口处物料含水率

表1 餐厨垃圾初始状态

图6为3种不同餐厨垃圾的固-液分离前、后的含水率和减容率的变化图，从图6可见，对同一含水率的餐厨垃圾，当天处理会具有较好的脱液效果；含水率较高的餐厨垃圾虽在一定程度上能减少餐厨垃圾，但出料口的物料含水率仍比较高，在脱液前使餐厨垃圾在自身重力下进行沥水处理有利于餐厨垃圾脱液的进行。

图6 餐厨垃圾存放状态分离的影响

4 结论

（1）分析影响螺旋挤压过程的因素，设计一台用于处理餐厨垃圾的处理装备，并完成加工和调试。

（2）实地以餐厨垃圾为处理对象，研究转速、餐厨垃圾存置状态类对脱液过程的影响，研究结果表明，转速较慢和餐厨垃圾就地处理有利于脱液的进行。

[1]伍建军，梁灿钦，林锦权.餐厨垃圾处理技术现状与发展[J].东莞理工学院学报，2012，19(3):68-72.

[2]张存胜.厌氧发酵技术处理餐厨垃圾产沼气的研究[D].北京：北京化工大学，2013.

[3]吴修文，魏奎，沙莎，等.国内外餐厨垃圾处理现状及发展趋势[J].农业装备与车辆工程，2011(12):49-52.

[4]李强.UASB对餐厨垃圾和剩余污泥合并处理的试验研究[D].长沙：湖南大学，2013.

[5]任连海，何亮，宁娜，等.餐厨垃圾高效好氧堆肥过程参数的影响因素研究[J].食品科学技术学报，2010，28(5):40-44.

[6]武军，范德顺.间断式螺旋挤压过滤机[J].过滤与分离，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）