新型三相分离工艺在餐厨及厨余垃圾处理中的应用

杜 巍，芦旭飞，王 坤，叶天彤

（北京环境卫生工程集团有限公司南宫园区运营管理分公司，北京 100020）

引言

餐厨垃圾是餐饮行业、单位、家庭及学校等集体食堂在食品加工及使用过程中产生的食物废弃物及食物残渣的总称[1]。厨余垃圾是指居民日常生活及食品加工、饮食服务等活动中产生的废弃物，主要以菜叶、果皮、蛋壳组成。随着我国居民生活水平的不断提高，如何兼顾处理效率与工艺经济性，最大限度的处理餐厨及厨余垃圾正日渐成为国内环卫行业面临的新难题。

目前国外主要采取堆肥、厌氧消化、饲料化再利用等工艺处理餐厨及厨余垃圾[2]，以将餐厨及厨余垃圾转化为高附加值的有机质原料为主要处理方向。国内对于厨余及餐厨垃圾采取了包括厌氧消化、肥料化、饲料化、昆虫养殖、制备生物柴油、厌氧发酵等多种工艺。其中南方地区的昆虫养殖及饲料化处理已经有多个投产案例，如江苏常州餐厨垃圾综合处置工程[3]对食物垃圾采取预处理+厌氧消化+沼气发电，对餐厨废油采用预处理+生物柴油制取，并已正式投产运行。本研究所阐述的新型三相分离工艺以北京某区的餐厨及厨余垃圾为研究对象，分析研究如何高效有序的处理餐厨及厨余垃圾，并尽可能将其中的高价值成分转化为产品，以提升整体工艺的经济性。

1 实验过程简介

1.1 处理工艺简介

新型三相分离工艺指的是通过物理切割、截留等方式对物料逐步处理，并将物料转化为液态均值混合物，最终通过各类三相分离机械实现物料分离成为固相、液相、渣相三相的一种处理工艺。与传统三相分离工艺不同，新型三相分离工艺通过在前段架设多级过滤及物料浆液化流程，大大提升了三相分离效果，能够保证最终产物中各项物质的纯度，为提升工艺经济性及做进一步深度处理创造了有利条件。同时，该工艺后端还通过外排浆液箱回流换热，及回流清洗设备等多种设计最大限度的改善了传统三相分离工艺用水量大、热源需求高、整体能耗偏大等问题，为该工艺拓展了更多的应用方向，大大提升了工艺的实用价值。该类工艺中的核心设备为将物料制成浆液的制浆设备及各类三相分离设备。制浆机的主要工作原理是以物料中的水作为工作介质，通过机械搅拌运动带动物料共同运动，使物料在随着转子旋转的过程中形成不同速度流层，不同速度的浆液流层之间会发生揉搓、摩擦、疏解、分离等作用，形成相应的水力冲击和水力剪切，从而在较短的时间内对垃圾中的组分实现有效分离，形成更易处理的细化浆液。制浆设备中常用有造纸行业所使用的水力制浆机及矿业工程所使用的注浆机、泥灰机等等。对于餐厨及厨余垃圾，水力制浆机能耗更低，分割效果好，因此更适合新型三相分离工艺。

三相离心设备是指通过离心、旋转、电磁吸附等方式将物料分为油相、渣相、水相的一类分离提纯设备。各类三相分离设备中，常见的有卧螺式、立式、蝶式等多种形式，考虑到现场面积及油相分离效果，卧螺式具有布局紧凑、占地空间小、易于维护、易于调整分离物质的各项占比等优势，因此更适合新型三相分离工艺。综上，该工艺选择水力制浆机及卧式三相分离机作为工艺核心设备。

按照工艺流程主要分为除杂车间及三相分离车间两部分。除杂车间通过多级链板将餐厨垃圾及厨余垃圾输送至滚筒筛，利用滚筒筛将直径大于70 mm的物料截留在滚筒筛内，最终通过链板输送至杂料箱内，并去往后续堆肥处理工艺。直径小于70 mm 的物料通过滚筒筛后经提升螺旋传送至气动分料器，通过分料器将物料接入两台并联运行的制浆除杂机。制浆除杂机为序批式工作，两台制浆机进料时间通过分料器切换进料，保证整条生产线是连续工作。制浆机中大于6 mm 的杂物如塑料、不锈钢勺子、贝壳、小块骨头、金属、酒瓶盖等经制浆机排渣阀排至提杂输送螺旋并送往二级除杂机（螺旋压榨机）进行二次分离，经过压榨后的杂物落在现有筛上物输送皮带上一并送入杂箱外运。压榨滤液及螺旋沥水一并自流至沥水池，经潜污泵送回制浆除杂机；粒径小于6 mm 的餐厨垃圾有机浆料及少量杂质则制成预处理浆液由浆液泵送至三相分离车间。

餐厨垃圾筛下物预处理浆液进入三相分离车间后，首先进入高浓除渣器对浆料进行砂杂去除，高浓除渣器出水进入螺旋板换热器与三相离心机分离出的热浆液进行换热，然后排至加热罐。高浓除渣器排渣进入砂水分离器，由砂水分离器螺旋送入三相分离器出渣螺旋。浆料在加热罐中加热至80 ℃后，溢流进入加热缓冲罐，之后泵送进入三相离心机进行三相分离，最终形成浆液相、油相、渣相三相。浆液一部分输送至螺旋板换热器进行余热回收，再外排至外运浆液储罐，进入相应水处理设施进行处理，另一部分浆液泵送回到水力旋流制浆机洗渣，经重复利用后排出体系；所得渣相去往后续堆肥处理工艺，所得油相由具有相关回收资质的厂家进行收集再利用，详细工艺流程图见图1。

图1 新型三相分离工艺流程示意

1.2 分析项目与测定方法

本研究将根据实际餐厨处理进出各类物料的重量数据分析新型三相分离处理工艺的处理效果，并给出单独处理餐厨垃圾及同时处理餐厨及厨余垃圾情况下的固相残渣、油脂、浆液的产出比例，分析其基本变化趋势，并据此对餐厨垃圾及厨余垃圾的基本组成进行分析，结合新型三相分离工艺实际处理情况，还将为餐厨及厨余垃圾的处理方向给出合理化建议，以最大限度的提升处理工艺的经济性。

2 数据与分析

2.1 新型三相分离工艺仅处理餐厨垃圾时的相关数据

图2 为2022 年3 月期间，该新型三相分离工艺仅处理餐厨垃圾时的相关数据。从图2 中可以看出，仅处理餐厨垃圾时，餐厨垃圾大部分转化为浆液，少量转化为渣相，剩余部分转化为油相。经计算，平均每日处理垃圾291.9 t，每日产生浆液212.3 t，占72.72%，每日产生渣相66.59 t，占22.81%，每日产油13.04 t，占4.47%，详细占比图见图3。

图2 处理餐厨垃圾时的三相物质生成率随运行日期的变化

图3 处理餐厨垃圾时日均产生的三相物质占比饼状图

从图中可以分析得到以下结论：

（1） 在来源稳定的情况下，利用餐厨垃圾提取粗油脂具有长期可行性。在整月处理期间，餐厨垃圾的产油量基本保持稳定在4%～5%之间波动，说明在正常情况下，同一地区的餐厨垃圾中可提取的油脂数量基本恒定。因此，在垃圾来源区域确定的情况下，利用餐厨垃圾提取油脂进行再加工具有长期可行性。

（2） 餐厨垃圾中最主要成分为水分。不难看出，浆液相占据了工艺产生的三相物质中的大部分，证明餐厨垃圾中的最主要成分是水分，因此想要最大限度的处理好餐厨垃圾，需要寻找有效解决产生浆液的办法。目前常见的处理餐厨浆液的方式有利用餐厨浆液富含有机质的特点通过好氧堆肥制成肥料，或将餐厨浆液作为原材料经昆虫饲养得到精细化蛋白质饲料，或经过厌氧细菌进行污水处理转化为沼气发电利用等多种方式进行处理[4]。

2.2 新型三相分离工艺同时处理餐厨及厨余垃圾时的相关数据

图4 为2022 年5 月期间，该新型三相分离工艺同时处理餐厨及厨余垃圾时的相关数据。经计算，平均每日处理垃圾238.7 t，每日产生浆液133.2 t，占55.82%，每日产生渣相98.56 t，占41.29%，每日产油6.88 t，占2.88%，详细占比图见图5。

图4 处理餐厨及厨余垃圾时的三相物质生成率随运行日期的变化

图5 处理餐厨及厨余垃圾时产生的三相物质占比饼状图

从图中可作出以下分析：

（1） 餐厨垃圾及厨余垃圾均有类似的组成，其中的水分占到垃圾总体的绝大部分。但同时处理厨余垃圾后，所得产物中浆液及油相产比显著下降，渣相产生量显著增加，这与厨余垃圾含水率较低，含渣量较高的基础特点相吻合。

（2） 以餐厨垃圾的平均出油率计算，5 月全月厨余垃圾的出油率不足1%，这也进一步证明，相较于餐厨垃圾，厨余垃圾作为单一原料通过离心分离工艺提取油脂的经济效益较低。因此，应根据厨余垃圾特点选择合适的后续处理工艺，如好氧堆肥或昆虫养殖技术进行深度处理，充分利用厨余垃圾中丰富的有机质，实现垃圾的资源化利用。现有三相分离技术更适合作为厨余垃圾的预处理工艺，最大限度利用其中的油脂成分，提高厨余垃圾整体处理过程的经济效益。

3 结论

（1） 仅处理餐厨垃圾时，浆液占72.72%，渣相占22.81%，油占4.47%；同时处理餐厨及厨余垃圾时，浆液占55.82%，渣相占41.29%，油占2.88%。厨余垃圾的产油率显著低于餐厨垃圾。

（2） 餐厨垃圾与厨余垃圾中最主要成分为均为液态物质，两者相比，餐厨垃圾中的油脂及液相物质含量相对较高，厨余垃圾中的渣类物质含量相对较高。

（3） 在来源稳定的情况下，利用餐厨垃圾提取粗油脂具有长期可行性，对于厨余垃圾，三相分离工艺更合适作为预处理工艺以提高处理过程的经济效益。