餐厨垃圾三相分离影响因素工程化研究

张怀玉

（江苏龙环环境科技有限公司，江苏 常州 213022）

餐厨垃圾作为居民日常生活、餐饮、食堂等产生的高油脂、高盐分、有机含量高、成分复杂的生活垃圾，其中的油脂是生产生物柴油、硬脂酸和油酸等产品的优质原料，具有很高的再生利用价值。 根据油脂不同的存在形式，通过增大油粒直径、增大水与油的密度差、降低水的绝对粘度的方式提高油脂与水相、固相的分离[1]。 目前，由于餐厨垃圾中废油脂以固相内部的油脂存在方式为主，较难实现分离，实验表明，对餐厨垃圾进行湿热处理，可促进餐厨垃圾中固相内部的油脂液化浸出[2-4]。 实际工程中应采用“自动分选+机械打浆+加热+固液分离”的预处理措施。

针对餐厨垃圾中的油脂主要采用加热方式，实现油脂及有机质可利用资源的物质最大化分离。 与油脂分离相关的主要设备为加热设备、 固液分离设备及离心分油设备。 加热是对餐厨垃圾进行加热，提高水油分离度；固液分离则是实现固相、液相的分离；离心分油是利用离心分离的方式，实现油水固相的分离。

随着生活垃圾分类政策的落地、 地沟油非法收集受限，餐厨垃圾中的油脂含量不断升高。 餐厨垃圾中油脂和有机质分离率的提高对餐厨垃圾的资源化、 减量化效率有着重要的作用。 针对工程实际应用中，餐厨垃圾加热水解方式、固液分离运行工况参数的实验研究，为餐厨垃圾工程化应用提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验设备

研究餐厨垃圾油脂分离设备相关的加热设备及固液分离设备，其中加热装置包括浆料进口、中间轴搅拌输送、加热装置、出料阀门、泄压口及出料口，主要原理是利用外部加热的方式实现油脂分离，具体外形如图1 所示。 固液分离装置包括机架、滤筒、液压装置等，主要原理是利用压力挤压的方式实现固液分离，具体外形如图2 所示。

图1 餐厨垃圾浆料加热装置外形图

图2 餐厨垃圾固液分离装置外形图

1.2 实验方法

1.2.1 加热方式不同对油脂分离效果的影响

分别采用“夹套间接加热+中间轴间接加热”及“内仓直喷加热+中间轴间接加热”两种方式，研究两种加热方式的工况下，实际餐厨垃圾处理产生固渣含水率。

1.2.2 压力及温度对三相分离效果的影响

在固液分离设备中设置堵头压力调节器，通过调节堵头对固液分离机出口物料的压力，同时通过控制加热装置调节餐厨垃圾的温度，研究不同工况下，固液分离设备出渣的含水率。

通过调整加热设备及固液分离设备的运行参数，研究设备改造后餐厨垃圾提油率的变化。

1.3 监测指标

提油率：实际餐厨垃圾处理工程中，统计单位时间油脂的产量及餐厨垃圾的处理量，油脂产量占餐厨垃圾总量比例即为系统的提油率。

固渣含水率：取固液分离设备脱水后的固渣，通过烘箱105℃烘干2h，测定前后固渣的重量，确定固液分离系统固渣含水率。

2 实验结果及分析

2.1 间接加热固渣含水率

设备初始状态，未进料的状态下开展实验。 第1 天未通蒸汽，通过间接加热的方式提高餐厨垃圾浆料温度。 研究不通蒸汽的情况下，固液分离固渣含水率的变化。 实验过程中，每天清洗固液分离设备1～2 次，设备运行期间，每2h 取样一次，当日固渣含水率取均值。

由图3 可知，第1 天出渣比较干，固渣平均含水率为65%，停机后进行冲洗；第2 天出渣含水率明显高于前一天，出渣含水率提高至68%；第3 天后，固液分离系统出渣成团，含水率范围为72%～75%，主要原因是固液分离设备中餐厨垃圾浆液很粘稠，出现了筛网堵塞的情况。 说明固液分离设备前段的加热设备未完全实现油脂的分离，导致固液分离液相中含油，物料粘性较强，堵塞了筛网。

图3 固渣含水率变化情况

2.2 蒸汽直接加热固渣含水率

设备经冲洗完成后，开展通蒸汽情况下，固液分离设备出渣情况的研究。通过控制蒸汽量调节物料温度。本文研究物料温度 55℃、70℃，压力 2.5bar、4.0bar 情况下，固液分离设备出渣情况及固渣含水率情况。

2.2.1 物料平均温度55℃、压力2.5bar

由图4 可知，固液分离机出渣含水率初期稳定在68.16%，比改造前的73.5%分别降低了5.34%，出渣成堆体状，不会平铺，满足固液分离直接出渣外运的条件。 但第3 天和第4 天，含水率提高。 发现此种现象产生是在餐厨垃圾收集料仓满料的情况下，由于料仓餐厨垃圾脱水困难，固液分离前端浆料含水率非常高，导致固液分离机出料相对较高，超过了70%，但是前端浆料含水率降低后，固液分离机出渣含水率就降低至66%～69%。 相比未通蒸汽，通蒸汽的情况下，固渣含水率降低了5%～6%。

图4 固渣含水率变化情况

2.2.2 物料平均温度70℃、压力4.0bar

提高物料的温度及固液分离压力，测定固液分离机出渣含水率变化情况，由图5 可知，固液分离设备出渣含水率变化范围为62.67%～68%，运行过程满料仓分选机浆料含水率高的1～2h，其余时间固渣含水率比较稳定，比平均温度55℃、 堵头压力2.5bar 的情况，含水率下降了3%～4%，出渣成堆体状，满足固液分离直接出渣外运的条件。谢雪伟等[5]研究餐厨垃圾油水分离的实验条件最佳分离条件为80℃，温度要求与本项目温度接近。 考虑运行成本，加热物料温度控制在70℃。

图5 固渣含水率变化情况

2.3 设备改造对油脂提取率的影响

跟踪监测改造前及改造后月度的油脂产量数据，系统提油率的变化如图6 所示，第1—3月份未通蒸汽的情况下，提油率分别为 2.91%、2.6%、2.37%，平均提油率2.76%。蒸汽加热后系统提油率为3.23%。说明采用蒸汽加热后，系统提油率比改造前提高0.47%。

图6 提油率变化情况

2.4 设备改造对固液分离浆料喷射量影响

采用蒸汽直喷的方式，有部分浆料通过浆料加热装置泄压管溢出。 此部分物料可与水混合，经离心后实现有机物的分离，实现有机物最大化的进入后续厌氧消化处理系统。 浆料温度70℃、压力4.0bar 的运行工况，固渣含水率较低，研究此工况的运行条件下，设备运行频率、泄压管开关程度对出渣情况及出渣占餐厨垃圾处理总量比重变化的影响。

浆料加热装置50Hz 满频运行，泄压管全开，固液分离机堵头50Hz 满频运行的情况，固液分离设备出渣占总出渣量平均为39%，泄压物料出渣量平均61%，全部出渣占原始餐厨垃圾比重为15.8%。改造前外排渣总量出渣占原始餐厨垃圾比重为16%。

2.4.1 泄压管开关程度的影响

浆料加热装置50Hz 满频运行，固液分离机堵头50Hz满频，泄压管关闭1/2，固液分离机出渣口直接严重喷料，说明浆料加热装置和固液分离机内存在压力，而且直接传递到固液分离机出口，实际运行过程中需疏导压力。

2.4.2 浆料加热装置运行频率的影响

浆料加热装置30Hz 频率运行，固液分离机出渣占总出渣量平均为26.7%，泄压物料出渣量平均为73.3%，这说明降低浆料加热装置运行频率不会增加固液分离机出渣量，反而导致泄压物料量急速增加。 说明浆料加热装置50Hz 运行效果较佳。

2.4.3 固液分离机运行频率的影响

浆料加热装置50Hz，泄压管全开，固液分离分别在60Hz 和65Hz 超频运行。固液分离机出渣占总出渣量平均值分别为70%和71.1%，泄压物料出渣量平均值分别为30%和28.9%，固液分离机出渣率升高。

浆料加热装置60Hz，泄压管全开，固液分离机65Hz超频运行。 固液分离机出渣占总出渣量的52.9%，泄压物料出渣量平均值占总出渣量的47.1%，固液分离机出渣比率比频率50Hz 降低18.2%左右。

浆料加热装置50Hz，泄压管全开，固液分离65Hz 超频运行，系统出渣率原始餐厨垃圾比重为16%，并无大的变化。 项目改造前利用自来水将浆料稀释，实现有机物分离。 改造后，固液分离机出渣全部直接外运，节省自来水0.5 吨/吨餐厨垃圾。

3 实验结论

1）浆料加热装置采用蒸汽直喷加热的方式后，固液分离设备固渣含水率降低5%～9%，系统提油率实测从2.76%提升到3.23%。

2）浆料加热装置物料加热温度在70℃，固液分离设备压力为4bar，油相、水相及固相的分离效果更佳。

3）浆料加热装置50Hz，泄压管全开，固液分离65Hz超频运行，固液分离直接出渣量最大，但是系统出渣率原始餐厨垃圾比重改造前后无大的变化。 项目改造后，节省自来水0.5 吨/吨餐厨垃圾。