油水渣厨余垃圾智能分离机的设计

戴本尧，滕淑珍，庄千芳，韦志钢

（浙江工贸职业技术学院，浙江 温州 325000）

0 引言

随着城市化发展，城市居民生活垃圾处理问题日益突出，既是一个社会问题也是一个技术问题，解决该问题除了要有健全的法律法规，还要有具体可执行的技术手段。城市居民生活垃圾的处理分为前端、终端和末端3个过程，重点应放在前端处理上，只有处理好前端，才能实现垃圾循环再利用的最大化，从而解决生活垃圾无害化处理的问题[1]。董越勇等[2]研究得出杭州市居民生活垃圾中主要为厨余垃圾，其占居民生活垃圾中的比例高达58.2%，并提出要想解决居民的城市生活垃圾问题，必须着重处理厨余垃圾的“资源化、减量化、无害化”。厨余垃圾通常指日常生活中产生的与食品有关的垃圾，如餐饮业的食品加工、居民的烹调过程、单位的供餐过程中产生的废弃物，包括各种果蔬的表皮、动物的内脏、骨头、皮毛、外壳、剩菜剩饭等易腐垃圾。现有的厨余垃圾处理方法通常分为物理法、生物法、化学法等，具体的处理方法有破碎直排处理法、蚯蚓堆肥、厌氧处理、微生物菌体处理、焚烧处理、饲料化处理、制肥处理等。这几种方法中应用最普遍的是厌氧消化处理。除此之外，腐生生物处理、堆肥处理、机械处理等也是厨余垃圾处理的常见手段[3]。垃圾处理需要技术支持，而厨余垃圾在生活垃圾中占比接近60%，因此，当务之急是研发适合国内民情的处理机。目前，国外居民厨余垃圾处理现状是：美国常用的做法是将厨余垃圾混入有机垃圾中作统一处理，或者通过餐厨垃圾处理机，先将垃圾粉碎然后直排入下水道；韩国常用的做法是统一发放厨余垃圾袋，在各住宅区统一设置智能厨余垃圾回收桶，并按称重计费收费；日本的做法是在厨房水槽的下方安装厨余垃圾处理器，待垃圾被搅拌粉碎后，再用热空气将其烘干成粉末状，然后进行简单发酵处理，最终制成肥料[4]。许恒彬等[5]通过分类厨余垃圾中温高固批式厌氧消化试验，研究得出含固率越高，接种比越低，产甲烷迟滞期就越长。厌氧消化处理对于餐饮店、集体食堂等大量产生厨余垃圾的部门，其处理效率高、性价比高，而对于普通居民的厨余垃圾处理则性价比不够理想。张明武等[6]针对我国居民生活垃圾中厨余组分占比高、含水率高和产生热值低的特点，提出通过降低厨余垃圾含水率，采用源头沥水处理和选择性分质收集模式，来实现减少居民生活垃圾源头总量和提高品质的主要目标。闫秋鹤等[7]研究了在厨余垃圾分出率为70.8%时，生活垃圾的管理可达到能源最大化利用，提出应以鼓励居民提升厨余垃圾分类的准确程度为主要目标。目前，通过宣传，大多数居民都已经做到干湿分离、垃圾分类，不需要研发复杂的专用设备。李欢等[8]从回收利用率、碳排放和处理费用三方面综合比较了混合焚烧、厌氧消化、好氧堆肥和饲料化四种厨余垃圾处理模式，得出结论是饲料化的环境效应最好。沈华鑫等[9]提出通过分出厨余垃圾的方法，能够降低垃圾焚烧厂的脱硝成本及氨逃逸风险，可为进一步控制生活垃圾焚烧过程中的NOx排放。滕佳华等[4]提出设计一款厨余垃圾专用的垃圾桶，给居民对厨余垃圾的有效分类提供便利，并为后续的转运以及资源化处理提供了方便，从而使厨余垃圾的处理真正做到减量化、无害化和资源化。垃圾分类智能化能够提升城市的环境卫生，有助于建设智慧城市和对城市进行精细化管理[10]。综上所述，通过分析国内外现有的厨余垃圾处理技术，针对国内的厨余垃圾前端处理，设计开发了一种固液分离、提取粉碎后的固体垃圾的智能厨余垃圾处理装置。

1 工作原理

该产品主要由高速双刀螺旋碾磨器、内部漏斗、变矩螺杆挤压装置、油水分离器皿等组成。高速双刀螺旋碾磨器主要通过毫米级滤盘及高速双刀将厨余垃圾碾磨至粉末。再通过内部漏斗沉淀，分离油水渣，并且通过变矩螺杆挤压出干垃圾，通过不同高度的方管排出油和水，达到分离的最佳效果，其原理如图1所示。

图1 油水渣厨余垃圾智能分离装置原理图

2 结构设计

2.1 破碎机构设计

厨余垃圾经过破碎后排出，其破碎结果影响直排效果，因此破碎结构的设计是本机构的核心构件。丁林楠等[11]提出常见的破碎指标大致可以分成两类：一类指标为特定颗粒直径（d10，d15 等）和组合系数（Cu，Cc），这类指标形式简单、计算简便，但表达的破碎程度过于片面；另一类指标是用各个粒组质量分数的总体变化程度衡量颗粒的破碎程度。根据颗粒破碎后发生的级配变化，默认为所有的颗粒都有破碎成微小颗粒的可能，将试验后级配与初始级配所围成的面积作为颗粒破碎量S1，将初始级配与P=100%所围成的面积作为破碎潜能Sp，将S1与Sp的比值作为破碎指标Br（如图2）。将试验后级配与初始级配所围成的面积作为颗粒破碎量S1，将极限级配与初始级配所围成的面积作为破碎潜能S，将S1与S比值作为破碎指标BE（如图3）。

图2 颗粒破碎指标Br

图3 颗粒破碎指标BE

理论上，颗粒的破碎指标Br与BE的范围应该为0～1，可实际上Br不可能是1，而破碎指标BE却可以取到极限值0和1（0表示没有破碎，1表示完全破碎）。根据破碎指标与级配面积的关系，计算不同状态下级配面积，颗粒直径d的取值范围是（0, 1]，单位mm。将趋近于0 的颗粒直径看作k，因此对P 在区间[k, 1]内进行积分，可得到级配面积的极限值，如图4所示。

图4 级配面积

级配曲线的面积计算公式为

式中，dk为颗粒沿着曲线变化的不同直径。

对分形级配方程进行变形，可得

将式（2）代入式（1），可得

根据破碎指标BE定义将式（3）转化成

式中：Dc为分形级配当前值，D0为分形级配初始值，Du为分形级配极限值。

当D0、Du为已知，则破碎指标BE与分形级配当前值Dc之间即可建立对应的转化关系。

厨余垃圾从入口进入，通过高速双刀螺旋碾磨器，对固体垃圾进行破碎。由于厨余垃圾含有极高的水分与有机物，易被碾磨破碎。与常见的破碎机相比，采用高速双刀进行破碎，能够更加有效地将垃圾中的固体进行破碎及粉末化，同时也增加了滤盘，减轻了碾磨后的垃圾颗粒大的问题。高速双刀螺旋碾磨器结构如图5所示。

图5 高速双刀螺旋碾磨器

2.2 分离装置设计

当碾磨后的厨余垃圾流到内部漏斗中，干垃圾会直接沉到底部，通过变矩螺杆挤压出干垃圾，减少水分的同时也将干垃圾送出。同时内部漏斗也插有不同高度的两根方管，用于排出密度不同的油和水，以便于二次加工及利用。

分离装置中，通过动力件螺杆挤出黏稠状油水渣混合体，对连续运动的黏稠状固液混合物建立模型，取其中一个微元dxdydz进行受力分析，此微元在某一方向（如x方向）受到的力有法向力Pxx、切向力τyx、τzx。根据牛顿第二定律（如式（5）），对此微元进行受力分析：

式中：F为微元受到的合力；m为质量，在此设微元的质量为X；a为加速度，此微元的加速度为dv/dt。

因此，微元在x、y、z方向上的加速度数学方程为：

根据连续流体的广义牛顿内摩擦定律得：

黏稠状固液混合物在挤出过程中，其黏度为μ，将式（7）代入式（6）得：

这就是马瑞等[12]的N-S方程，方程式的左边是微元受到的局部惯性力与变位惯性力之和，右边是微元的质量、压力合力与黏性力之和。左边第一项是微元运动的局部惯性力，另3项是微元运动的变位惯性力；右边第一项是微元的质量，第二项是微元受到的压力合力，第三项为微元的黏性力。此方程计算繁琐，应简化，简化后的方程为：

由式（9）可求得vz为

当y=0时，v2=0，当y=H时，vz=πDncos φ，

流量是速度与截面积的乘积，因此流量Q为

式中，W=πDsin φ。

将式（11）代入式（12），得出螺杆挤出机的总流量为

式中：Q为容积流量，m3/s；D为螺杆大径，m；H为螺牙深，m；L为套筒封闭段长，m；φ为螺旋角；P为机头压力，Pa；μ为动力黏度，Pa·s；n为螺杆转速，r/s；δ为间隙尺寸，m；b为螺杆轴向叶片厚，m。

破碎后的污水通过油水渣分离装置，变矩螺杆从底部将固液混合物挤压出干垃圾，其排出管的直径大小根据流量计算所得，再从不同的排放口排出油和水，排放至不同的容器中，经过处理加工，对可二次利用的物质进行处理加工。结构原理如图6所示。

图6 分离装置原理图

3 控制系统设计

3.1 智能控制电路

进料拖动的控制采用弱电控制强电方式，既安全又智能，可以用遥控、定时等多种智能控制方式实现对电动机控制系统等的智能控制，避免电动机在长期过载运行时，电动机电流增大，超过额定电流，导致温度升高，烧坏电动机。因而要避免长期过载运行、发热引发安全隐患。本系统采用220 V、50 Hz，AC/DC交变开关输出稳定的DC12 V电源供电，提供给手机远程智能遥控GPRS模块工作，GPRS模块具有App控制、不限距离、断电报警、管理状态反馈、多模式控制方式等集于一体，如图7所示。

图7 进料结构主电路

3.2 进料结构主控制电路

进料单元采用单相笼型异步电动机直接起动单向旋转控制电路。该电路控制由电源分断隔离开关QS、主控制触头为交流接触器KM 、短路保护为熔断器FU1、电动机过载保护为热继电器FR的双金属片热膨胀元件，以及单相异步笼型电动机M构成; 辅助控制电路的保护电路由远程智能遥控GPRS模块输出继电器K、接通或断开交流接触器KM的线圈及其常开辅助触头、过载热保护继电器FR的动合触头和短路保护熔断器FU2串联构成。进料单元结构电气控制电路的工作过程及工作原理为：当单相笼型异步电动机M需要起动时，先闭合电源分断隔离开关QS，将引入工频单相交流电源（220 V、50 Hz），此时单相笼型异步电动机M处于未接通电源状态。当人为操作远程智能遥控GPRS模块输出继电器K接通，控制回路中交流接触器KM线圈通入电流，产生电磁吸力，然后将动衔铁克服弹簧力吸合，直接通过连杆机构带动交流接触器的KM主触头闭合，单相工频交流电源通入电动机M定子绕组，产生电磁旋转磁场，旋转磁场带动转子直接起动运转。当动衔铁动作吸合后，与动合开关按钮SB1并联的交流接触器动合辅助触头KM闭合，交流接触器线圈KM电流回路通过两条路径得电。要使电动机M停止运转，只需操作远程智能遥控GPRS模块输出继电器K输出断开，或将控制回路交流接触器KM线圈电流切断，使得交流接触器KM线圈失电，在弹簧作用下释放，交流接触器KM的主触点及将恢复断开，切断单相工频电源进入单相笼型异步电动机，使电动机M定子绕组无法产生电磁旋转磁场，从而失电并停止运转。

此电路具有保护功能，短路保护通过短路保护熔断器FU实现；过载保护通过过载保护热继电器FR实现；欠电压保护则通过GPRS模块实现。

控制电路的作用主要是实现对智能油水渣分离机进料结构的控制，当连接上控制模块后，智能油水渣分离机可由三地控制，可根据使用者的要求使用相对方便的控制方法。

智能油水渣分离机可有3种控制：1）遥控控制；2）手机控制；3）按钮控制。当你在家中时按下遥控器，智能油水渣分离机得电，机器开始工作，把厨余垃圾倒入进料槽便开始捣碎排出。电路图如图8所示。

图8 进料结构控制电路

4 装置特点

根据以上设计思路，研发了油水渣厨余垃圾分离机构进行试验（如图9），该机构是将厨余垃圾及时分解处理，与现有的破碎直排做法不同，具有更加环保、利用率更高的特点。其优点主要体现在：1）在常见的破碎直排装置中，厨余残渣不能彻底破碎，容易造成直排堵塞，难以正常频繁使用，而餐厨垃圾是一般家庭日常生活中每天都会产生的废弃物，不能堆积，必须快速处理，因此，破碎装置需要采用新技术，以避免堵塞情况发生，本装置采用高速双刀技术，将食物残渣进行破碎，能够更加有效地将垃圾中的固体彻底破碎，破碎的颗粒接近粉末化，同时增加了滤盘，以减轻碾磨后的垃圾颗粒大的问题，起到“双保险”的作用。2）在常见的破碎直排装置中，没有将固液混合物分离，食物残渣破碎后直接排到排水管和下水道，是作为污水处理，没有再利用的可能，此技术对物资利用率低，最终造成资源浪费。而本装置是将碾磨后的厨余垃圾流到内部漏斗中，直接沉到底部，通过变矩螺杆挤压出干垃圾，螺杆的叶片末端设有卷起的边沿，可以锁住干垃圾，确保干垃圾被彻底推送至出口处，因此实现了固液分离，并且固体渣可以达到农科院基地回收标准。3）固液混合物的液态物体再分离是比较难的一项技术，本装置在固液混合物分离前设置特殊通道，通道设有特定高度的出口，用于排出密度不同的油和水，水可以排入雨水系统，油可以进一步处理实现节能减排、废油回收，因此便二次加工及利用。

图9 厨余垃圾智能分离机构实物

5 结语

本机构主要包括初绞盘、滤盘、刀片、内外筒、螺杆、漏斗等零部件，由破碎装置和分离装置、控制系统等几个部分组成。该方案是先通过高速双刀螺旋碾磨将厨余垃圾破碎，再通过变矩螺杆挤压固液混合垃圾，最后利用油水密度的不同进行分离，从而实现油水渣三者的分离。经试验验证，本机构能够实现油水渣分离的预期目标。