大物質分選機在餐廚垃圾預處理中的應用

鄭云鋒，黃興剛，張力，劉翠，朱麗可，吳元，劉建亮，姚聰

(維爾利環保科技集團股份有限公司，江蘇 常州 213125)

餐廚垃圾成分復雜，是油、水、果皮、蔬菜、米、面、魚、肉、骨頭以及塑料、紙巾等多種物質的混合物[1-4]，其特點是含水率高，水分占餐廚垃圾總量的80%～90%，有機物、油脂、鹽分含量高，極易腐爛變質、易發酵、易發臭、易滋生病原微生物和霉菌毒素等有害物質。餐廚垃圾處理工藝主要采用機械預處理[5]—三相提油—厭氧消化[6]的路線。餐廚垃圾若不經專門分選處理，大件的雜物進入后端設備，會造成管道堵塞、設備卡死、設備磨損加快等問題，對后期運營維護帶來很大壓力。

餐廚垃圾預處理[7-8]有破袋、人工分選、滾筒篩分、彈跳分選、風力分選、攪拌掄錘式分選等。大物質分選機包括滾筒篩式和攪拌掄錘式[9-10]，目前，關于大物質分選試驗的研究較少[11-13]。本文以公司自主研發的大物質分選機(型號FXJ-20)為對象，研究此設備預處理餐廚垃圾的效果。通過觀察在不同進料頻率和不同分選機運行頻率下分選機的電流變化、分選料通量變化及物料組分變化，確定分選機的較優運行參數范圍，可以為后續設備優化和工藝提升提供理論和數據支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗設備和材料

大物質分選機(以下稱分選機)由常州金源機械設備有限公司制造，型號FXJ-20，功率11 kW，運行頻率為30～70 Hz，其結構示意如圖1所示。其工作原理為：餐廚垃圾經過螺旋輸送從進料口進入分選機內部，分選機主軸通過旋轉把餐廚垃圾打散并進行輸送，其中尺寸大于3 cm的物料，如塑料、骨頭、木頭、織物等無法通過篩網(孔徑為3 cm)，只能從分選料出口排出，成為分選料，由于無法再次利用，隨后進行填埋或焚燒處理；而尺寸小于3 cm的物料通過鋼質篩網從漿料出口排出，成為漿料，隨后經固液分離處理后，進行昆蟲養殖或堆肥等資源化處理。

圖1 大物質分選機結構示意

其他設備：電熱恒溫鼓風干燥箱(DHG-9246A，上海精宏實驗設備有限公司)；電子天平(FA2004，上海恒平科學儀器有限公司)；電子秤(0～200 kg，上海恒剛儀器儀表有限公司)。

以餐廚廢棄物綜合處置工程收運的餐廚垃圾作為試驗原料，主體采用預處理—油脂提取—厭氧消化工藝。餐廚垃圾組分見表1。

表1 餐廚廢棄物組分質量分布

1.2 試驗方法

試驗控制分選機運行頻率(70 Hz)不變，改變進料頻率(11、13、15、17、19、21、23 Hz)，并取分選料和漿料進行物理分揀及測試研究，探究進料頻率變化對分選機電流、分選料通量、分選料及漿料組分的影響。

試驗控制進料頻率(11 Hz)不變，改變分選機的運行頻率(30、40、50、60、70 Hz)，并取分選料和漿料進行物理分揀及測試研究，探究分選機運行頻率變化對分選機電流、分選料通量、分選料及物料組分的影響。

分選料為分選機的篩上物，其組分主要包括：塑料、織物、骨頭、木頭、金屬、有機質(剩余物)等，還含有其他少量物質如陶瓷、玻璃、橡膠、羽毛等。漿料為分選機的篩下物，其組分主要包括：塑料、骨頭、木頭、金屬、有機質(剩余物和果皮)等，還含有其他少量物質如橡膠、陶瓷、玻璃等。

相同控制條件下分別取分選料3次，每次至少取10 kg(鮮重)進行分揀；同樣地，相同控制條件下分別取漿料3次，每次至少取5 kg(鮮重)進行分揀。分揀完成后，對每種組分進行稱重，計算分揀后每種組分的占比，取其平均值，盡量降低偶然性因素的影響。

2 結果與討論

2.1 不同進料頻率和運行頻率下分選機電流變化

變頻器上的實時電流變化可以反映分選機的運行狀態，電流值低且起伏平穩表示分選機處于正常運行狀態，電流值高、起伏波動大則表示分選機處于高負荷狀態或處于異常狀態，需要降低處理負荷或者停機檢查設備，長時間處于高負荷狀態會縮短設備的使用壽命。

保持分選機運行頻率(70 Hz)不變，依次調節進料頻率，電流變化如圖2所示。進料在低頻率(小于17 Hz)運行時，分選機運行較為穩定，設備電流波動較為平緩，且電流數值較低，當進料頻率繼續增大時，分選機處理能力逐漸跟不上前端進料速度，負荷逐漸升高，從而導致分選機電流的波動起伏較大，且電流數值普遍偏高。因此，當分選機在70 Hz的頻率下運行時，進料頻率宜控制在17 Hz以下。進料頻率的調節應根據當日的生產情況而定，當生產壓力較大時，調節進料頻率為17 Hz；當生產壓力較小時，調節進料頻率在17 Hz以下即可，確保能完成當日的生產任務。

圖2 不同進料頻率下分選機的實時電流變化

保持進料頻率(11 Hz)不變，依次調節分選機運行頻率，電流變化如圖3所示。分選機在低頻率運行時，設備電流波動較大，電流數值較高，隨著分選機運行頻率的逐漸增大，設備電流波動逐漸趨于平穩，電流數值逐漸變低，當分選機頻率達到70 Hz時，設備達到最佳的運行狀態。因此，當進料頻率(11 Hz)不變時，分選機的運行頻率宜調節為70 Hz。

圖3 分選機在不同運行頻率下的實時電流變化

2.2 不同進料頻率和運行頻率對分選料通量的影響

不同工況下分選料通量變化如圖4所示，分選料通量是指1 h內產生分選料的質量。由圖可知，當分選機運行頻率在70 Hz不變時，隨著進料頻率增加，分選料通量呈現不斷增加的趨勢，進料量的增加必然會造成分選料通量的增加。當進料頻率在11 Hz不變時，隨著分選機運行頻率逐漸升高，分選料通量呈現不斷降低的趨勢，說明分選機在低頻運行時與進料頻率不匹配，部分物料沒有經過篩分就被后端物料頂出而從分選料出口跑出，當分選機運行頻率達到70 Hz時，分選料通量最低，分選效果最好。

(a)分選機運行頻率70 Hz (b)進料頻率11 Hz

2.3 不同進料頻率和運行頻率對物料組分的影響

2.3.1 分選料組分變化情況

分選機分選料分揀情況如圖5所示。不同運行工況下，分選料組分變化如圖6所示。由圖6(a)可知，當分選機運行頻率不變，進料頻率超過17 Hz時，分選料中有機質占比上升。部分漿料還沒來得及通過篩網就被后續的物料推著向分選料出口排出，而有機質是餐廚垃圾資源化利用的重要組成部分，控制有機質的損失是有必要的。結合圖4分析，當進料頻率超過17 Hz時，分選料中有機質的含量明顯增多，為盡可能地控制有機質損失，進料頻率控制在17 Hz以下時較為合適。

圖5 分選料分揀情況

由圖6(b)可知，當進料頻率不變時，隨著分選機運行頻率的增大，有機質占比呈現逐漸降低的趨勢，在分選機頻率達到70 Hz時，分選效果達到最佳狀態。由于分選機在低頻率下，主軸旋轉較慢，對物料的分選作用跟不上進料速度，部分漿料未通過篩網就被后續的物料推著從分選料出口排出，所以當進料頻率不變時，分選機頻率控制在70 Hz時較為合適。

(a)分選機運行頻率不變 (b)進料頻率不變

2.3.2 漿料組分變化情況

分選機漿料分揀效果如圖7所示。不同運行工況下，漿料組分變化如圖8所示。運行工況的變化對漿料的組分質量分布影響很小。漿料中果皮、骨頭、剩余物的占比較高，占比總和在98% 以上且各自分布不呈現規律性，而塑料、木頭、金屬、陶瓷和橡膠的占比很小，占比總和不超過2%，主要是因為餐廚垃圾中尺寸較大的塑料、木頭、金屬、陶瓷、玻璃和橡膠等物質難以通過篩網，已從分選料出口排出。

圖7 漿料分揀情況

(a)分選機運行頻率不變 (b)進料頻率不變

3 結論

(1)分選機運行頻率為70 Hz，進料頻率在17 Hz以下時，分選機電流值低且波動穩定，分選效果較好；進料頻率超過17 Hz時，分選機電流值高且波動起伏較大，分選效果較差，存在漿料從分選料出口跑出的情況，長期運行易縮短設備使用壽命；分選料通量變化與進料頻率成正比；分選料中有機質占比與進料頻率成正比，其他組分變化無規律；在實際應用中，進料頻率一般控制在17 Hz以下。

(2)進料頻率為11 Hz，分選機運行頻率在70 Hz運行時，設備運行負荷最小，電流值最低，電流波動最平穩，分選效果最好；分選機運行頻率低于70 Hz時，設備運行負荷較大，電流值較高，電流波動起伏較大，且存在漿料從分選料出口跑出的情況；分選料通量與分選機運行頻率成反比；分選料中有機質占比與分選機運行頻率成反比，其他組分變化無規律；在實際應用中，分選機運行頻率應為70 Hz。

(3)運行工況的變化不會對漿料的組成成分造成影響；漿料中剩余物、果皮和骨頭質量占比較大，三者占比總和在98%以上，其他雜物質量占比不超過2%。

(4)后續還需對設備進行進一步改進，如研究增大分選機篩網的孔徑對餐廚垃圾的處理效果的影響、處理效率與分選準確性的平衡等。