餐廚垃圾三相分離影響因素工程化研究

張懷玉

（江蘇龍環環境科技有限公司，江蘇 常州 213022）

餐廚垃圾作為居民日常生活、餐飲、食堂等產生的高油脂、高鹽分、有機含量高、成分復雜的生活垃圾，其中的油脂是生產生物柴油、硬脂酸和油酸等產品的優質原料，具有很高的再生利用價值。 根據油脂不同的存在形式，通過增大油粒直徑、增大水與油的密度差、降低水的絕對粘度的方式提高油脂與水相、固相的分離[1]。 目前，由于餐廚垃圾中廢油脂以固相內部的油脂存在方式為主，較難實現分離，實驗表明，對餐廚垃圾進行濕熱處理，可促進餐廚垃圾中固相內部的油脂液化浸出[2-4]。 實際工程中應采用“自動分選+機械打漿+加熱+固液分離”的預處理措施。

針對餐廚垃圾中的油脂主要采用加熱方式，實現油脂及有機質可利用資源的物質最大化分離。 與油脂分離相關的主要設備為加熱設備、 固液分離設備及離心分油設備。 加熱是對餐廚垃圾進行加熱，提高水油分離度；固液分離則是實現固相、液相的分離；離心分油是利用離心分離的方式，實現油水固相的分離。

隨著生活垃圾分類政策的落地、 地溝油非法收集受限，餐廚垃圾中的油脂含量不斷升高。 餐廚垃圾中油脂和有機質分離率的提高對餐廚垃圾的資源化、 減量化效率有著重要的作用。 針對工程實際應用中，餐廚垃圾加熱水解方式、固液分離運行工況參數的實驗研究，為餐廚垃圾工程化應用提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗設備

研究餐廚垃圾油脂分離設備相關的加熱設備及固液分離設備，其中加熱裝置包括漿料進口、中間軸攪拌輸送、加熱裝置、出料閥門、泄壓口及出料口，主要原理是利用外部加熱的方式實現油脂分離，具體外形如圖1 所示。 固液分離裝置包括機架、濾筒、液壓裝置等，主要原理是利用壓力擠壓的方式實現固液分離，具體外形如圖2 所示。

圖1 餐廚垃圾漿料加熱裝置外形圖

圖2 餐廚垃圾固液分離裝置外形圖

1.2 實驗方法

1.2.1 加熱方式不同對油脂分離效果的影響

分別采用“夾套間接加熱+中間軸間接加熱”及“內倉直噴加熱+中間軸間接加熱”兩種方式，研究兩種加熱方式的工況下，實際餐廚垃圾處理產生固渣含水率。

1.2.2 壓力及溫度對三相分離效果的影響

在固液分離設備中設置堵頭壓力調節器，通過調節堵頭對固液分離機出口物料的壓力，同時通過控制加熱裝置調節餐廚垃圾的溫度，研究不同工況下，固液分離設備出渣的含水率。

通過調整加熱設備及固液分離設備的運行參數，研究設備改造后餐廚垃圾提油率的變化。

1.3 監測指標

提油率：實際餐廚垃圾處理工程中，統計單位時間油脂的產量及餐廚垃圾的處理量，油脂產量占餐廚垃圾總量比例即為系統的提油率。

固渣含水率：取固液分離設備脫水后的固渣，通過烘箱105℃烘干2h，測定前后固渣的重量，確定固液分離系統固渣含水率。

2 實驗結果及分析

2.1 間接加熱固渣含水率

設備初始狀態，未進料的狀態下開展實驗。 第1 天未通蒸汽，通過間接加熱的方式提高餐廚垃圾漿料溫度。 研究不通蒸汽的情況下，固液分離固渣含水率的變化。 實驗過程中，每天清洗固液分離設備1～2 次，設備運行期間，每2h 取樣一次，當日固渣含水率取均值。

由圖3 可知，第1 天出渣比較干，固渣平均含水率為65%，停機后進行沖洗；第2 天出渣含水率明顯高于前一天，出渣含水率提高至68%；第3 天后，固液分離系統出渣成團，含水率范圍為72%～75%，主要原因是固液分離設備中餐廚垃圾漿液很粘稠，出現了篩網堵塞的情況。 說明固液分離設備前段的加熱設備未完全實現油脂的分離，導致固液分離液相中含油，物料粘性較強，堵塞了篩網。

圖3 固渣含水率變化情況

2.2 蒸汽直接加熱固渣含水率

設備經沖洗完成后，開展通蒸汽情況下，固液分離設備出渣情況的研究。通過控制蒸汽量調節物料溫度。本文研究物料溫度 55℃、70℃，壓力 2.5bar、4.0bar 情況下，固液分離設備出渣情況及固渣含水率情況。

2.2.1 物料平均溫度55℃、壓力2.5bar

由圖4 可知，固液分離機出渣含水率初期穩定在68.16%，比改造前的73.5%分別降低了5.34%，出渣成堆體狀，不會平鋪，滿足固液分離直接出渣外運的條件。 但第3 天和第4 天，含水率提高。 發現此種現象產生是在餐廚垃圾收集料倉滿料的情況下，由于料倉餐廚垃圾脫水困難，固液分離前端漿料含水率非常高，導致固液分離機出料相對較高，超過了70%，但是前端漿料含水率降低后，固液分離機出渣含水率就降低至66%～69%。 相比未通蒸汽，通蒸汽的情況下，固渣含水率降低了5%～6%。

圖4 固渣含水率變化情況

2.2.2 物料平均溫度70℃、壓力4.0bar

提高物料的溫度及固液分離壓力，測定固液分離機出渣含水率變化情況，由圖5 可知，固液分離設備出渣含水率變化范圍為62.67%～68%，運行過程滿料倉分選機漿料含水率高的1～2h，其余時間固渣含水率比較穩定，比平均溫度55℃、 堵頭壓力2.5bar 的情況，含水率下降了3%～4%，出渣成堆體狀，滿足固液分離直接出渣外運的條件。謝雪偉等[5]研究餐廚垃圾油水分離的實驗條件最佳分離條件為80℃，溫度要求與本項目溫度接近。 考慮運行成本，加熱物料溫度控制在70℃。

圖5 固渣含水率變化情況

2.3 設備改造對油脂提取率的影響

跟蹤監測改造前及改造后月度的油脂產量數據，系統提油率的變化如圖6 所示，第1—3月份未通蒸汽的情況下，提油率分別為 2.91%、2.6%、2.37%，平均提油率2.76%。蒸汽加熱后系統提油率為3.23%。說明采用蒸汽加熱后，系統提油率比改造前提高0.47%。

圖6 提油率變化情況

2.4 設備改造對固液分離漿料噴射量影響

采用蒸汽直噴的方式，有部分漿料通過漿料加熱裝置泄壓管溢出。 此部分物料可與水混合，經離心后實現有機物的分離，實現有機物最大化的進入后續厭氧消化處理系統。 漿料溫度70℃、壓力4.0bar 的運行工況，固渣含水率較低，研究此工況的運行條件下，設備運行頻率、泄壓管開關程度對出渣情況及出渣占餐廚垃圾處理總量比重變化的影響。

漿料加熱裝置50Hz 滿頻運行，泄壓管全開，固液分離機堵頭50Hz 滿頻運行的情況，固液分離設備出渣占總出渣量平均為39%，泄壓物料出渣量平均61%，全部出渣占原始餐廚垃圾比重為15.8%。改造前外排渣總量出渣占原始餐廚垃圾比重為16%。

2.4.1 泄壓管開關程度的影響

漿料加熱裝置50Hz 滿頻運行，固液分離機堵頭50Hz滿頻，泄壓管關閉1/2，固液分離機出渣口直接嚴重噴料，說明漿料加熱裝置和固液分離機內存在壓力，而且直接傳遞到固液分離機出口，實際運行過程中需疏導壓力。

2.4.2 漿料加熱裝置運行頻率的影響

漿料加熱裝置30Hz 頻率運行，固液分離機出渣占總出渣量平均為26.7%，泄壓物料出渣量平均為73.3%，這說明降低漿料加熱裝置運行頻率不會增加固液分離機出渣量，反而導致泄壓物料量急速增加。 說明漿料加熱裝置50Hz 運行效果較佳。

2.4.3 固液分離機運行頻率的影響

漿料加熱裝置50Hz，泄壓管全開，固液分離分別在60Hz 和65Hz 超頻運行。固液分離機出渣占總出渣量平均值分別為70%和71.1%，泄壓物料出渣量平均值分別為30%和28.9%，固液分離機出渣率升高。

漿料加熱裝置60Hz，泄壓管全開，固液分離機65Hz超頻運行。 固液分離機出渣占總出渣量的52.9%，泄壓物料出渣量平均值占總出渣量的47.1%，固液分離機出渣比率比頻率50Hz 降低18.2%左右。

漿料加熱裝置50Hz，泄壓管全開，固液分離65Hz 超頻運行，系統出渣率原始餐廚垃圾比重為16%，并無大的變化。 項目改造前利用自來水將漿料稀釋，實現有機物分離。 改造后，固液分離機出渣全部直接外運，節省自來水0.5 噸/噸餐廚垃圾。

3 實驗結論

1）漿料加熱裝置采用蒸汽直噴加熱的方式后，固液分離設備固渣含水率降低5%～9%，系統提油率實測從2.76%提升到3.23%。

2）漿料加熱裝置物料加熱溫度在70℃，固液分離設備壓力為4bar，油相、水相及固相的分離效果更佳。

3）漿料加熱裝置50Hz，泄壓管全開，固液分離65Hz超頻運行，固液分離直接出渣量最大，但是系統出渣率原始餐廚垃圾比重改造前后無大的變化。 項目改造后，節省自來水0.5 噸/噸餐廚垃圾。