廚余垃圾源頭收運系統設計與優化研究

丁湘蓉，施云春

（1.北京市海淀區環境衛生科學研究所，北京 100086；2.清華大學環境科學與工程系，北京 100084）

廚余垃圾因具有含水率、有機質成分高，油脂及含鹽量高、易腐敗等特性，與其他垃圾混合收集時造成大量的蚊蠅孳生、病菌疾病傳播及空氣污染。在運輸過程中，現有收運方式易造成垃圾中滲瀝液的遺撒滴漏及運輸沿途的環境污染。混合垃圾進行焚燒處理時熱值較低，填埋處理時滲瀝液污染濃度高，從而導致焚燒和填埋處理出現相應問題。如果將廚余垃圾在源頭上分離進行單獨收集與處理利用，不但可以實現城市垃圾減量化，減少中轉和運輸費用，同時還有利于城市垃圾的焚燒和填埋處理。

針對廚余垃圾的特點，研究采用廚房用食物垃圾破碎機對廚余垃圾進行預處理，以真空輸送代替傳統的水力輸送，在盡量少加水或不加水的情況下完成廚余垃圾的破碎及輸送。對于新建小區，考慮將廚房下水道設置不同分支，將廚余垃圾破碎后直接從系統源頭與生活污水進行分離，從而通過單獨的管道系統排入轉運或處理設施。這種管道式系統真正實現了將廚余垃圾從源頭分類收集，并通過封閉式管道進行運輸，減少了人力成本，徹底消除了廚余垃圾轉運過程中的臭味、滲瀝液遺撒等問題。

1 實驗平臺設計

本系統提供一種節水、能耗低、能有效控制異味擴散的廚余垃圾破碎-真空管道輸送系統，同時，為滿足后續對廚余垃圾的資源化利用，還設計了1種將破碎后的廚余垃圾濃縮脫水的裝置。

廚余垃圾破碎－真空管道輸送系統，主要包括水池、食物垃圾處理機、暫存罐、開關、收集罐、真空泵和三格沉淀池，如圖1所示。水池是家庭中常用的水池；暫存罐是設在水池下方的裝置，其作用是暫時儲存破碎后的廚余垃圾；食物垃圾處理機是能破碎廚余垃圾的一種廚房家電；開關是接通或阻斷系統內各部分連接的設備，可以是自動（帶控制）的或手動的，但系統中某些部位必須使用自動（或帶控制）開關；收集罐是起收集廚余垃圾作用的裝置；真空泵用于維持系統的負壓；三格沉淀池用于濃縮破碎后的廚余垃圾。

在用戶終端，也就是家庭廚房，設計了3種可供選擇的收集方式，如圖1中A、B和C支路所示，3條支路結構上的區別見表1。

表1 3條支路結構

A、B、C 3條支路的運行方式具體如下。

A支路：在不需處理廚余垃圾時，開關1關閉，負壓延伸到開關1之下。當需處理廚余垃圾時，將廚余垃圾倒入食物垃圾處理機的入口，破碎的過程中加入少量的水，廚余垃圾經食物垃圾處理機研磨破碎后進入暫存罐內暫時儲存，完成破碎過程后（或暫存罐內液位達預設高度時）打開開關1，以系統的負壓為動力，廚余垃圾被抽入真空管道內，并逐次被抽入收集罐內，暫存罐內的廚余垃圾排凈后關閉開關1，系統又恢復原態。當收集罐內液位達預設高度時，打開收集罐底端開關（實際設計時需考慮收集罐的排料），破碎后廚余垃圾與水等被排入三格沉淀池內，廚余垃圾與水通過溢流的方式依次經過第一格、第二格和第三格，最終，可在第一格中收集到含固率較高的廚余垃圾，以便進行下一步的資源化利用。

B支路：在食物垃圾處理機上設自動開關2，且開關2和開關3互斥（即當開關2關閉時開關3打開，開關2打開時開關3關閉）。在不需處理廚余垃圾時，開關2關閉（此時開關3打開），系統的負壓一直延伸到開關2，B支路上的暫存罐內也是負壓，因此，系統內即使產生異味，也不會擴散到室內。當需處理廚余垃圾時，將開關2打開（此時開關3關閉），將廚余垃圾倒入食物垃圾處理機的入口，破碎的過程中加入少量的水，廚余垃圾經食物垃圾處理機研磨破碎后進入暫存罐內暫時儲存，用完后（或暫存罐內液位達預設高度時）關閉開關2（此時開關3打開），以系統的負壓為動力，廚余垃圾被抽入真空管道內，并逐次被抽入收集罐內，暫存罐內的廚余垃圾排凈后關閉開關3（此時開關2打開），系統又恢復原態。與收集罐相關的操作同支路A。

C支路：食物垃圾處理機的開關與開關4聯動，通過設定，使得開關4在食物垃圾處理機啟動后15 s打開，當食物垃圾處理機關閉后15 s關閉。在不需處理廚余垃圾時，開關4關閉，負壓延伸到開關4之下。當需處理廚余垃圾時，將廚余垃圾倒入食物垃圾處理機的入口，破碎的過程中加入少量的水，15 s后，開關4自動打開，以系統的負壓為動力，廚余垃圾被抽入真空管道內，并逐次被抽入收集罐內，當處理完廚余垃圾時，食物垃圾處理機關閉，開關4延時15 s后自動關閉，系統又恢復原態。與收集罐相關的操作同支路A。

2 輸送方式的優化研究

2.1 A與B的對比

選擇不同的真空維持區間（見表2），對真空泵的持續運行時間進行基礎測定。

表2 負壓下限－kPa真空泵工作持續時間 s

真空維持區間所選擇的負壓越高，真空泵的持續運轉時間越長，因此，過高的負壓維持區間是不經濟的，同時，負壓維持區間應滿足廚余垃圾能抽吸到收集罐內，在真空排水系統中，選擇的負壓維持區間為－0.06～－0.04 MPa［1］，本實驗參考真空排水系統中所選的負壓維持期間，選擇的負壓維持區間也為－0.06～－0.04 MPa。對于收集方式A，選擇不同的真空維持區間，考察在15 min內真空泵的運轉次數。

表3 真空泵開啟頻次（方式A）

綜合表2和表3可得真空泵的累計運轉時長，見表4。

表4 真空泵累計運轉時長（方式A）s

由表4可知：所選的真空維持區間越寬，真空泵的單次運轉時間越長；所選的真空維持區間越窄，真空泵在給定時間內的運轉次數越多；同理，對于收集方式B，選擇不同的真空維持區間，考察在15 min內真空泵的運轉次數，可計算其累計運轉時長，見表5、6。

真空泵累計運轉時長可由真空泵的單次運轉時間與運轉次數計算得到，開啟時長與額定功率的乘積約等于用于真空泵的能量消耗。真空泵的額定功率一定，因此，通過比較不同真空維持區間下真空泵開啟時長，可得不同真空維持區間下真空泵的能耗。對比方式A和方式B，在相同的壓力維持區間內，真空泵的能耗相差不大，因此，從能耗的角度來看，收集方式A與方式B均是可行的。

表5 真空泵開啟頻次（方式B）

表6 真空泵累計運轉時長（方式B）s

收集方式A結構簡單，在實際中較容易實現；收集方式B在食物垃圾處理機上方加入能自動控制的開關，需對現有的食物垃圾處理機進行改進，目前在市場上還沒有這種產品，需要加大對食物垃圾處理機的研發，待技術進步后，可采用收集方式B。

2.2 A、B與C的對比

先通過實驗，得到處理單位質量的廚余垃圾破碎單元與真空輸送單元的運轉時間，進一步計算得其能耗，結果見表7。

表7 破碎與真空輸送單元的能耗對比

收集方式A或B都在破碎單元與輸送單元間設置了暫存罐，將破碎單元的運轉與真空輸送單元的運轉分開，因此，對收集方式A或B，破碎單元與真空輸送單元的能耗與表7相同。對于收集方式C，因無暫存罐，設計的真空輸送單元在破碎單元運轉一定時間（設計為15 s）后啟動，同時，當1個周期結束，破碎單元停止運轉后，經過一定時間（設計為15 s）的延時，真空輸送單元也停止運轉，因此，真空輸送單元的運轉時間與破碎單元運轉時間相同。在1個運轉周期內，各種收集方式的能耗見表8。

表8 各收集方式的能耗

由于廚余垃圾破碎所需時間大于真空抽吸所需時間，為了減少真空損耗，降低能耗，需設置暫存罐，將破碎后的廚余垃圾暫時儲存起來，因此，應優先選用A或B方式。綜上所述，在現階段，可采用收集方式A，待相關技術成熟后，可采用收集方式B。

2.3 真空輸送與重力輸送的對比

真空收運系統以真空抽吸力為動力將破碎后的廚余垃圾輸送到收集罐中，據前面的實驗結論，在這里采用的是收集方式A，水只起潤滑管壁的作用。而傳統的重力輸送是靠廢物及水的重力。

2.3.1 水耗與能耗

破碎-真空輸送與破碎-傳統重力輸送的水耗與能耗如表9所示。

表9 破碎-真空輸送與破碎-傳統重力輸送的對比

由表9可得，破碎-真空輸送系統因以真空抽吸力為輸送動力，其耗水量較小，僅為破碎-傳統重力輸送系統的12%，而其耗電量為破碎-傳統重力輸送系統2倍。

2.3.2 收集到的廚余垃圾性質對比

經破碎-真空輸送與破碎-傳統重力輸送收集到廚余垃圾的性質如表10所示。

表10 破碎-真空輸送與破碎-傳統重力輸送收集到餐廚垃圾的性質對比

經破碎-真空輸送收集到的廚余垃圾含固率為14.8%，破碎-傳統重力輸送收集到的廚余垃圾的含固率僅為5.8%，因此，收集同樣質量的廚余垃圾，采用破碎-傳統重力輸送系統得到的廚余垃圾的體積是破碎-真空輸送系統的2.6倍。經破碎-真空輸送收集到的廚余垃圾因含固率較高，能滿足后續厭氧消化的要求，可以直接進后續的厭氧反應器進行厭氧消化。

破碎-真空輸送系統因在破碎及輸送過程中加入的水較少，其得到的廚余垃圾的黏度是破碎-傳統重力輸送系統的8倍左右，同時，其得到的物料在靜置24 h后也未發生沉淀，后續的重力沉淀池對其無分離作用，同時，因其含固率高，能滿足后續厭氧消化的要求，因此，今后的設計中可不考慮沉淀這一單元。經破碎-傳統重力輸送系統得到的廚余垃圾在靜置24 h后也未發生明顯沉淀，但因其含水率較高，在進入厭氧消化反應器前可能需采用其他方法進行濃縮。

3 結論

破碎-真空輸送系統因以真空抽吸力為輸送動力，其耗水量僅為破碎-傳統重力輸送系統的12%，而其耗電量為破碎-傳統重力輸送系統2倍。因采用真空抽吸，破碎后廚余垃圾在管道內流速較快，因此，通過真空輸送的管道不易發生堵塞，其收集到的廚余垃圾含固率為14.8%，而破碎-傳統重力輸送收集到的廚余垃圾的含固率僅為5.8%。經破碎-真空輸送系統收得廚余垃圾因其固含量高，能滿足后續厭氧消化的要求，可以直接進入后續的厭氧反應器進行厭氧消化，不需要進一步的濃縮分離。同時，對比各種收集方式，收集方式A結構簡單，在實際中較容易實現，在現階段可采用收集方式A，而收集方式B對系統異味控制有更好的效果，待相關技術成熟后，可考慮采用收集方式B。

［1］范紅兵.真空排水系統標準化初步研究［D］.武漢：華中科技大學，2007.