挤压脱水机在厨余垃圾预处理系统中的最佳工况分析

王 贞，吴旭辉，刘军成，费林海，朱日岑

（维尔利环保科技集团股份有限公司，江苏常州 213125）

根据GB/T 19095—2019《生活垃圾分类标志》将厨余垃圾分为家庭厨余垃圾、餐厨垃圾、其他厨余垃圾。广义的厨余垃圾指居民日常生活及食品加工、饮食服务、单位供餐等活动中产生的垃圾，包括丢弃不用的菜叶、剩菜、剩饭、果皮、蛋壳、茶渣、骨头（鸡骨、鱼刺类）等，主要来源为家庭厨房、餐厅、饭店、食堂、市场及其他与食品加工有关的行业。狭义上的厨余垃圾属于有机垃圾的一种。分为熟厨余垃圾包括剩菜、剩饭、菜叶；生厨余垃圾包括果皮、蛋壳、茶渣、骨、贝壳、鱼刺；泛指家庭生活饮食中所需用的原料（生料）及成品（熟食）或残留物。本文重点讨论狭义上的厨余垃圾处理过程中的挤压脱水问题。

目前国内厨余垃圾处理行业中，常用的厨余垃圾预处理工艺为：物料接收→滚筒筛（除质量较轻的物料）→磁选（除铁质物料）→干扰物监选（除前面未能去除的杂质）→生物水解（物料厌氧消化）→挤压脱水（去除物料水分）→除渣除砂（去除较细的无机杂质）→焚烧协同（或固渣填埋）。挤压脱水机是其中的关键设备，承担了控制出料的含水率、有机质回收等问题。环保部门及垃圾协同单位对含水率有指标要求，而有机质又会影响后续提油系统的提油率和厌氧系统的处理负荷。

维尔利环保科技集团股份有限公司生产的挤压脱水机的原理是以分离物料中游离性液体的连续式脱液机械，物料是在边挤压边翻动再挤压的过程中完成脱液。其中，压力是挤压脱水机的关键控制参数。本文重点研究不同压力下的湿重减重率、有机质回收率及有机质损失率的参数。为工艺设计和项目调试提供数据支撑，同时也寻求一个能耗较低、运行成本相对较低、经济可行的工作压力。

1 材料与方法

1.1 主要设备和材料

主要设备：挤压脱水机，型号TLY625-0-A，额定电压380 V，额定功率37 kW，设备转速78 r/min，额定处理量20 t/h，西门子变频器手动给频，变频控制，维尔利环保科技集团股份有限公司生产，结构示意图如图1所示。该设备的工作原理是：以分离物料中游离性液体的连续式机械脱液，物料是在边挤压边翻动再挤压的过程中完成脱液，该设备具有原料来源广泛、物料处理量大、适用性强、生产连续、处理速度快、安全性好、操作轻松方便、容易维护、结构简单、故障率低等优点。且可对出料的不同湿度要求进行合理调节，很好地解决了先前同类产品的易积料、挤出液含固率高、难清理、适用范围狭小、有机质损失大、含水率不稳定、操作困难、检修不便等问题。

图1 挤压脱水机结构示意

实验原料来源于深圳市各大菜市场，成分主要是烂菜叶、果皮、蛋壳和部分杂物，杂物以塑料、包装袋为主，存在少量玻璃容器等。

1.2 实验方法

实验前，先对垃圾原料进行分类称重，确定原料中的有机质及杂物的占比，再将厨余垃圾原料充分混合均匀后，均匀倒入进料口中进行实验。在实验过程中，由操作人员控制进料速度不变，通过变频器手动给频控制挤压脱水机的电机频率，频率越高，转速越高，设备内部压力越大，分析不同压力对挤压脱水机工作频率、电流、转速、压力与出料组分的关系。本文暂不讨论电流与出料组分的关系，但是通过调整变频器的频率，频率越大，电流越大，挤压脱水机的工作压力也越大，同时能耗也越高，越不经济。

挤压脱水机的出料分为筛上物和筛下物，筛上物主要为大粒径的果蔬皮、蛋壳，筛下物主要为有机浆液。筛上物和筛下物均用专用垃圾桶分开收集，进行后续称重、化验、数据分析，采用同一套化验仪器进行实验，确保化验数据统一准确。

2 结果与讨论

2.1 挤压脱水机不同压力下对出料表观的影响

挤压脱水机在不同的工作压力下，出料表观变化不同。通过观察，从实际出料分析可知，当挤压脱水机压力（0.2 MPa）较低时，出料表观含水率高，经化验后，为66.14%，当压力逐步升高至0.3 MPa 时，出料表现出料含水率逐渐降低，为63.65%；当压力继续升高至0.5 MPa 时，出料含水率为58.23%，升至最高压力0.7 MPa 时，出料含水率仅为57.41%。由此可以判断，随着压力的不断升高，挤压脱水机的出料表观含水率逐渐降低。原因可能是压力增大，对物料进行了挤压，挤出了物料之间的游离性水分，可能还未涉及物料组织内部的水分，也未破坏物料的细胞内部结构，如果需要对物料内部的水分进行去除，可能需要进行高温干化烘干处理或者自建养虫车间，产生蛋白粉做饲料，自产自销。

2.2 挤压脱水机不同压力下对出料组分的影响

挤压脱水机出料数据的对比分析如表1所示。计算过程以1#为例。

表1 挤压脱水机出料数据分析对比

挤压脱水机的湿重减量率%=1-固渣湿重占比=1-47.16%=52.84%

有机质回收率%=

有机质损失率%=

筛网全寿命周期回收有机质量(t)=单套筛网使用寿命×处理速度×(1-原料含水率)×干原料不含塑料的挥发性固体占比×有机质回收率=220.33×15×(1-78.75%)×74.55%×20.03%=104.89(t)。

其他压力下（2#、3#、4#、5#）的挤压脱水机的湿重减量率、有机质回收率、有机质损失率、筛网全寿命周期回收有机质量的计算方法同1#。

从表1 可知，当挤压脱水机压力为0.2 MPa 时，湿重减重率、有机质回收率、筛网全寿命周期回收有机质质量较低，有机质损失率较高。随着压力升高至0.3 MPa，湿重减量率明显提高至58.7%，有机质回收率和有机质损失率变化缓慢。当压力进一步提高，一直提高到0.7 MPa，湿重减量率、有机质回收率呈上升趋势，有机质损失率呈下降趋势，筛网全寿命周期回收有机质量呈现先增加后减少，在0.4 MPa 时，达到最高值，说明挤压脱水机在处理本次厨余垃圾时的合理压力为0.4~0.5 MPa。在此压力下，运行成本经济、使用寿命长，有机质损失下降，含水率合适，后续提油系统的提油率提高，厌氧负荷适中。

3 结论

1）挤压脱水机湿重减量率随着压力的升高而升高。

2）挤压脱水机有机质回收率随着压力的升高而升高。

3）挤压脱水机有机质损失率随着压力升高而降低。

4）挤压脱水机的工作压力越大，筛网的寿命越低。

综上所述，考虑到挤压脱水机对厨余垃圾原料的湿重减量率、有机质回收率、筛网寿命、运行能耗、后续提油系统提油率和厌氧处理负荷等因素，兼顾运行成本、设备结构选择制造成本、安装成本，最终确定挤压脱水机在本次试验的最佳工作压力为0.4~0.5 MPa。如果当地环保部门或者固体废弃物接收单位（生化垃圾焚烧发电厂、固体废弃物垃圾填埋场）对含水率有更高的要求，则需要进一步降低物料含水率，单纯的提高挤压脱水机的工作压力，能耗更高了，但效果不明显，还造成了有机质损失率高，反而不经济，可能需要采取其他方式，如高温干化烘干工艺或者是养虫工艺。当然，在规模较小的情况下，不建议养虫工艺，产生的量太少，不能分摊建设和运行成本，不具备竞争优势。