厨余垃圾破碎挤压工艺试验研究

张 力，杭建强，颜剑敏，杨丽萍，吴 元，赵 磊

(1.维尔利环保科技集团股份有限公司，江苏 常州 213125；2.瑞泰环保装备有限公司，江苏 常州 213002)

前 言

改革开放以来，尤其是进入21世纪之后，随着我国城市化的加速发展和人民生活水平的不断提高，城市生活垃圾以5%～8%的年递增率不断增长，我国 600多座城市中2/3的城市己陷入“垃圾围城”的困境，如何做好城市生活垃圾分类处理已成为城市治理的难题与重点[1-2]。

厨余垃圾是指居民在食品加工和消费过程中所产生的一种固体废弃物[3]，包括剩菜剩饭、骨头、菜根菜叶，果皮等食品类废物，在生活垃圾中占到了较大一部分比重。目前，我国从2000年开始在全国8个重点城市试点垃圾分类。2017年开始，全国46个重点城市全面开始垃圾分类[4]。厨余垃圾含水量高、有机质含量丰富，具有较高的资源化利用价值，因此备受人们关注[5]。随着国内垃圾分类进程的推进，分类后的厨余垃圾组分存在差异，例如北京、上海等地，分类收运后的厨余垃圾本身处于一个高纯度的状态，而一些县域级垃圾分类明显滞后，厨余垃圾的收集状态更倾向于普通生活垃圾，所含杂物较多，在实际资源化处理过程还需进行进一步的筛分[6]。

目前国内厨余垃圾的处理方式基本为“前段预处理+终端资源化”的模式[7～9]，终端利用方式主要有堆肥、厌氧产沼[10～12]，前段预处理部分工艺基本相似，以筛分+制浆+挤压为主，以下主要介绍两种制浆方式：一种为直接挤压模式，收运来的厨余垃圾经过破袋筛分后直接挤压进行固液分离，此方式流程简单、处理能力大，但资源化利用率较低[13]；一种为生物水解制浆，通过厌氧回流，厨余垃圾中有机组分在生物反应器水力和机械的作用下，将大部分有机物转化液相中，此种方式资源利用高，但设备体量大，工艺投资较高[14-15]。

本试验研究在上述直接挤压工艺前增加破碎制浆设备，形成破碎-挤压预处理工艺，该工艺目前主要应用于餐厨垃圾处置领域[16]，而厨余垃圾主要以蔬菜、果皮为主，硬质类物料较多，破碎效果受限，本研究观察在不同工况下厨余物料的物理组分、理化性质的变化，评估工艺稳定性和资源化利用情况，并与以上两种工艺进行对比，形成理论数据基础。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

主要设备：试验设备采用常州某机械设备有限公司的分选破碎一体机以及挤压脱水机，见图1。

其他设备：电热恒温鼓风干燥箱(DHG-9246A，上海精宏实验设备有限公司)；电子天平(FA2004，上海恒平科学仪器有限公司)；电子秤(0～200 kg，上海恒刚仪表有限公司器仪表有限公司)。

图1 主要试验设备Fig.1 Main test equipment

本试验项目依托于浙江绍兴某餐厨废弃物处置公司，以收运的厨余垃圾为试验原料，预处理工艺路线为料仓→破袋滚筒筛→分选破碎一体机→挤压脱水机→液相预处理→厌氧，原料性质组分图见表1。

表1 厨余垃圾组分性质Tab.1 Properties of components of kitchen waste (%)

1.2 试验方法

通过调整分选频率(稳定进料频率15Hz)进行试验，并在此最佳参数下，对自动分选破碎一体机的刀头形式进行优化，对其结果(TS、VS、物理组分)进行分析并与直接挤压工艺和淋滤工艺进行对比评估。

2 试验结果与分析

2.1 不同分选频率下物料的组分和性质变化

保持进料频率15Hz不变，分选频率设定为20Hz、30Hz、40Hz、50Hz，物料平衡变化见图2，随着分选频率的加大，分选破碎机对厨余垃圾的剪切力逐渐加强，破碎力度加大，筛上物比例从23.12%下降至14.12%，分选破碎一体机筛上物中有机质部分明显减少(见图3)，从表2中可发现TS从28.38%提高至34.32%，VS从88.61%降低至81.45%，表明大部分有机物进入到筛下物中，同时挤压固渣占比也在逐渐降低，表明厨余垃圾经破碎后可以有效打开胞内水，破碎程度与挤压脱水能力成正比，降低挤压固渣的含水率，更多的营养物质会进入到厌氧中产沼发电，提高资源化利用程度。

图2 不同分选频率下物料平衡Fig.2 Material balance at different sorting frequencies

表2 不同分选频率下理化指标分析Tab.2 Analysis of physical and chemical indexes at different sorting frequencies

图3 分选破碎一体机筛上物Fig.3 Matters on screen of sorting crusher

2.2 破碎挤压工艺优化试验

从前期数据可知，分选频率加大有利于减少有机质的损失，但由于厨余垃圾中硬质物较多，现有刀头形式剪切力较低，更多是依靠拍打对物料进行破碎，而运行过程中会出现物料破碎不完全来不及排出，设备内部短时间内出现积料过多，出现卡死的情况，因此本次主要针对于刀头部分进行了部分优化(见图4)，在原有基础上拆除旧刀头，更换带切割功能的刀头，加强破碎能力，同时沿驱动端到非驱动端轴向交错布置6组带倾斜面的刀头，倾斜角度为4°，便于物料排出。

本次试验保持分选频率50Hz不变，探究改良后的试验效果，试验结果见图5～图6，结果显示分选破碎一体机筛上物由14.12%降低至8.64%，TS由34.32%提高至40.12%，挤压固渣占比从42.94%降低至39.52%，表明刀头更换后对厨余垃圾的破碎力显著增强，运行稳定，同时挤压固渣的TS从40.69%升高至43.12%，再次证明破碎后的厨余垃圾更易固液分离，较优化之前提高了资源利用率。

图4 分选破碎一体机刀头改良前后主轴结构Fig.4 Main shaft before and after improvement in cutter head of sorting crusher

图5 工艺优化后物料平衡Fig.5 Material balance after process optimization

同时对分选料筛上物进行物理组分分析，组分对比见图7，组分分布见表3，优化刀头后，分选料筛上物的有机质占比从43.01%降低至23.36%，杂物占比升高，表明带有切割功能的刀头破碎效果明显，更多的有机质进入到后续单元，减少了资源损失，同时设备处理能力以及稳定性也有了明显的提升。

图6 工艺优化物料理化指标Fig.6 Physical and chemical indexes of materials after process optimization

图7 优化前后分选破碎一体机筛上物组分分拣图Fig.7 Components on screen of sorting crusher before and after optimization

表3 优化前后分选破碎一体机筛上物组分分布Tab.3 Distribution of components on screen of sorting crusher before and after optimization (%)

2.3 工艺对比

表3为三种预处理最终固渣的物理组分对比，经过生物水解后的挤压固渣中有机质占比(70.27%)明显低于直接挤压和破碎挤压，且大多为难降解物质，挤压固渣含水率最低，整体资源化利用率高；在破碎挤压工艺中，挤压固渣含水率为56.88%，低于生物水解(54.00%)高于直接挤压(64.67%)，本工艺中分选破碎一体机承担了大部分的除杂工作，因此其含杂率低，更适合堆肥、养虫等终端资源化利用。

表4 三种工艺挤压固渣性质对比Tab.4 Comparison on properties of solid extrusion slags by three processes (%)

3 结 论

目前厨余垃圾的终端处理基本以厌氧为主，预处理部分也是通过机械或生物的方式进行固液分离，在挤压脱水机前添加破碎机可以降低挤压固渣的含水率，同时随着分选频率的加快(20～50Hz)，分选破碎一体机筛上物的含量从23.12%下降至14.12%，挤压固渣的含水率从63.52%降低到59.31%，刀头经优化后筛上物占比进一步降低至8.64%，分选破碎一体机筛上物中有机质占比从43.01%降低至23.36%，综上所述，本试验最佳工艺参数为：分选频率50Hz，分选机轴向设置切割用刀头，同时轴向交错布置6组带倾斜面的刀头。

对比三种厨余垃圾预处理工艺，生物水解资源化利用率最高，但设备体量大、占地大，且需要一定的停留时间，限制其处理规模，直接挤压工艺流程简单，但挤压固渣含水率较高，资源利用率低，破碎挤压工艺介于生物淋滤与直接挤压之间，运行稳定，投资较小，资源化利用率高，具有较好的市场前景。