朱浩，劉曉吉,*，仲躋勝，吳義祥，劉釗，張瑩瑩，孫巖松，王勇群

1.中國環(huán)境保護集團有限公司

2.中節(jié)能(肥西)環(huán)保能源有限公司

3.瑞科際再生能源股份有限公司

餐廚垃圾是生活垃圾的重要組成部分，包含餐飲消費和服務(wù)過程中產(chǎn)生的邊角料、剩飯菜、食物殘渣和動植物油脂混合物等[1-2]。隨著我國城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提升，餐飲行業(yè)蓬勃發(fā)展的同時，餐廚垃圾的產(chǎn)量也隨之增長，并逐步成為影響城市環(huán)境的重要污染源之一[3]。

我國獨特的飲食文化是餐廚垃圾高含水率（70%～90%）、高有機質(zhì)含量（80%～93%，以干基計，全文同）、高油（1%～5%）和高鹽（1%～3%）特點[1,4]的直接原因。受垃圾分類程度影響，城市餐廚垃圾中食物類占比為75%～90%（以濕基計）[3]，其他雜質(zhì)（如紙張、織物、塑料、竹木、骨頭、砂石、玻璃和金屬等）占比為10%～24%[5]。由于餐廚垃圾具有明顯的危害和資源屬性，國家高度重視其無害化和資源化處置。“十二五”和“十三五”《全國城鎮(zhèn)生活垃圾無害化處理設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》中均明確規(guī)定了餐廚垃圾處置設(shè)施投資力度和能力建設(shè)目標(biāo)[6]，促進了我國餐廚垃圾處置與資源化行業(yè)的快速發(fā)展，并形成了以厭氧消化產(chǎn)沼氣、好氧堆肥制有機肥為主，生物飼料化和昆蟲養(yǎng)殖等為輔的資源化市場格局[3,7-9]。鑒于我國餐廚垃圾中雜質(zhì)多、組分復(fù)雜，其無害化處置與資源化項目的高效穩(wěn)定運行需要有良好的漿化和雜質(zhì)去除預(yù)處理技術(shù)保障。目前的機械式預(yù)處理技術(shù)，如機械破碎[10-12]、高壓擠壓[13-14]，普遍采用雜質(zhì)分選、多級破碎或壓榨制漿等工藝組合形式，存在工藝流程長、設(shè)備故障點多、堵/卡/纏頻發(fā)、能耗高、有機質(zhì)/粗油脂損失大等問題，同時也降低了后端資源化產(chǎn)品的產(chǎn)量與質(zhì)量。因此，開展餐廚垃圾高效漿化與雜質(zhì)分離的預(yù)處理技術(shù)研發(fā)對于提高我國餐廚垃圾處置與資源化項目運行的穩(wěn)定性和效益具有重要意義。

為解決機械式預(yù)處理技術(shù)的局限性，并充分利用餐廚垃圾高含水特點，中國環(huán)境保護集團有限公司下屬瑞科際再生能源股份有限公司研發(fā)了水力漿化預(yù)處理技術(shù)與裝備。水力制漿技術(shù)以餐廚垃圾中的水為工作介質(zhì)，通過轉(zhuǎn)子讓垃圾流形成特殊的水力渦流場，利用渦流各流層間的差速疏解效應(yīng)產(chǎn)生攪動、剪切、摩擦和搓揉等力學(xué)作用，從而將餐廚垃圾中易于生物降解部分漿化為有機漿液，而對難以生物降解部分的塑料、織物、竹木等輕雜質(zhì)和砂石、骨頭、貝殼、玻璃和金屬等重雜質(zhì)破壞作用小。有機質(zhì)漿液通過水泵經(jīng)篩板抽出，剩余的輕雜質(zhì)和重雜質(zhì)經(jīng)分離裝置排出。

結(jié)合實際項目建設(shè)和應(yīng)用情況，筆者從水力模擬、漿化物料特性、設(shè)備運行關(guān)鍵指標(biāo)和項目運行效果等方面對餐廚垃圾水力漿化和厭氧消化效果進行綜合評價，以期為餐廚垃圾無害化處置與資源化項目設(shè)計過程中預(yù)處理技術(shù)的選擇提供參考與借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗原料

餐廚垃圾來源于某市餐飲廢物，含水率為85.6%，以食物等易腐類有機質(zhì)為主，其揮發(fā)性固體占總固體的比例（VS/TS）約為93%。餐廚垃圾組成如表1 所示。

表1 某市餐廚垃圾成分（干基）Table 1 Food waste composition (dry basis) in a city %

1.2 試驗裝置

1.2.1 水力制漿設(shè)備

水力制漿設(shè)備基于水力破碎漿化原理設(shè)計，包括具有殼體的分解裝置和分離裝置，如圖1 所示。其中，分解裝置為殼體，頂部設(shè)置有進料口；底部設(shè)置有制漿轉(zhuǎn)子，由驅(qū)動電機帶動；底部側(cè)面設(shè)有出漿通道，通道出口水平設(shè)置有篩板，制漿轉(zhuǎn)子位于此篩板上方；分解裝置殼體側(cè)面和底部均設(shè)有擾流板。分離裝置的前段以斜向連接的方式位于分解裝置下端，后段為垂直的罐體；傾斜段和垂直罐體均設(shè)置有氣動閥門，將罐體分隔成上下兩部分，并分別設(shè)置有出渣口。

圖1 水力制漿設(shè)備結(jié)構(gòu)Fig.1 Structural diagram of the hydraulic pulping equipment

1.2.2 水力制漿設(shè)備的適用性

水力制漿設(shè)備采用水力濕式破碎原理設(shè)計，物料適應(yīng)性強。水力制漿設(shè)備對餐廚垃圾分類的要求不高，只要不摻夾有大件的垃圾（尺寸超0.30 m），無須前置瀝水、粗破碎、分選、篩分等直接進料，可減少因分選和篩分等造成的有機質(zhì)及油脂損失，單臺（套）設(shè)備可實現(xiàn)餐廚垃圾的有效漿化和雜質(zhì)分離。

水力制漿設(shè)備的集成度高，且處理能力大。該設(shè)備集破袋、有機質(zhì)漿化、雜質(zhì)清洗與分離于一體，工藝流程短，占地面積比機械式預(yù)處理技術(shù)減少50%以上。設(shè)備采用批次的運行方式，從上料到漿化-雜質(zhì)分離時長約20 min，根據(jù)餐廚垃圾量可靈活操作，既適用于大規(guī)模集中式處理，也適用于小規(guī)模分布式處理。

另外，水力制漿技術(shù)可與現(xiàn)有餐廚垃圾資源化技術(shù)（如厭氧消化、好氧堆肥等）高度融合，根據(jù)資源化需求，通過工況調(diào)整為厭氧消化和/或好氧堆肥提供高質(zhì)量的物料保障。

1.3 試驗方法

1.3.1 水力漿化模擬方法

為摸清垃圾漿化過程中的流體特征（如流體軌跡、流體速度、靜壓力場及轉(zhuǎn)矩等），采用計算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）的方法開展餐廚垃圾水力漿化過程模擬試驗研究。由于餐廚垃圾組分復(fù)雜，模擬過程中將其視為高黏度的單相均勻液體。

1.3.1.1 模型建立

餐廚垃圾水力漿化發(fā)生在設(shè)備分解裝置內(nèi)，通過內(nèi)部制漿轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動形成渦流完成漿化。根據(jù)分解裝置的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，利用CFD 軟件建立分解裝置模型，具體參數(shù)如下：總高度為2.13 m，其中柱形直筒體段高度1.59 m，下部倒圓椎體段高0.54 m；筒體直徑3.00 m，下椎體直徑0.99 m；轉(zhuǎn)葉高度0.19 m，直徑0.75 m；轉(zhuǎn)子共6 片葉片，分別包含翹曲葉片和直條葉片各3 片，環(huán)向交錯，均勻布置。

1.3.1.2 液體流動的基本計算方程

流體流動的基本計算采用連續(xù)性方程〔式（1）〕、動量守恒方程〔Navier-Stoke 公式，式（2）〕和能量守恒方程〔式（3）〕[15-16]。

式中：vol 為控制體；A為控制面積，m2；ρ為流體密度，kg/m3；t為流動時間，s；ν為速度矢量，m/s。等式第1 項表示控制體vol 內(nèi)部質(zhì)量的增量，第2 項表示通過控制表面流入控制體的凈通量。

式中：ui、uj為任意2 個坐標(biāo)方向的流體速度分量，m/s；μ為流體動力黏度，Pa·s；P為流體靜壓力，Pa；gi為i方向體積力分量對動量的影響；S為動量源項，kg·m/s。

式中：Cp為流體定壓比熱容，J/(kg·K)；T為流體溫度，K；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；Q為黏性耗散引起的熱量轉(zhuǎn)移；Sh為熱量源項，J/(kg·s)。

1.3.1.3 湍流計算方法

流體流動特征模擬采用k-ε模型[17]。k-ε模型是基于湍流動能（k）及其耗散率（ε）的輸運方程的模型，計算公式如下：

式中：k為湍流動能，m2/s2；Gk為由平均速度梯度引起湍流動能項；Gb為由浮力引起湍流動能項；YM為可壓縮湍流脈動膨脹對總耗散率的影響；ε為湍動耗散率，m2/s3；C1ε、C2ε和C3ε為經(jīng)驗常數(shù)；σk和σε分別為k和ε的湍流普朗特數(shù)；Sk和Sε為用戶定義的源項，m2/s3；μt為湍流黏性系數(shù)，Pa·s。

1.3.2 餐廚垃圾預(yù)處理系統(tǒng)工藝流程

基于水力制漿技術(shù)的餐廚垃圾預(yù)處理系統(tǒng)由接料上料系統(tǒng)、水力漿化系統(tǒng)、除砂除雜系統(tǒng)、換熱蒸煮系統(tǒng)和油脂分離系統(tǒng)等組成（圖2）。

圖2 基于水力制漿的餐廚垃圾預(yù)處理系統(tǒng)工藝流程Fig.2 Flow chart of food waste pretreatment system based on hydraulic pulping

餐廚垃圾卸入接料倉后，通過底部螺旋輸送機輸送至水力漿化系統(tǒng)。水力漿化系統(tǒng)采用批次運行方式，在水力作用下，餐廚垃圾在3～5 min 被漿化成均質(zhì)細膩的有機質(zhì)漿液和雜質(zhì)；隨后分離程序自動啟動，有機漿液由卸料泵送至卸料池儲存，雜質(zhì)進入雜質(zhì)分離機經(jīng)螺旋脫水后送到焚燒廠協(xié)同焚燒處置，脫水產(chǎn)生的濾液進入工藝水槽循環(huán)利用。有機漿液由卸料池泵入除雜除砂系統(tǒng)，通過高濃旋流除砂器和除雜機剔除有機漿液中細小的輕、重雜質(zhì)。隨后，有機漿液進入換熱蒸煮系統(tǒng)（80～90 ℃）和油脂分離系統(tǒng)，獲得有機液相、有機固渣和粗油脂，為餐廚垃圾的資源化利用提供有利條件。

1.4 分析方法

為評價餐廚垃圾漿化效果，對有機漿液粒徑分布、有機質(zhì)損失率、不可生物降解雜質(zhì)分選率和粗油脂提取率等指標(biāo)進行了分析。

1.4.1 有機漿液粒徑分布

有機漿液的粒徑分布采用標(biāo)準(zhǔn)振篩法測量[18-19]。稱取一定量經(jīng)除砂除雜后的有機漿液，置于標(biāo)準(zhǔn)機械振篩機（KER-200B 型）內(nèi)，篩孔尺寸分別為1.0、1.2、1.4、2.4、5.0、10.0 mm，振動頻率為（150±15）次/min。篩分后，對各尺寸過濾漿料烘干后的固相進行稱量統(tǒng)計。

1.4.2 粗油脂提取率

餐廚垃圾經(jīng)水力漿化、除砂除雜和油脂分離后，采用式（6）計算餐廚垃圾粗油脂提取率（γ）。

式中：M3、K1分別為測試時間段內(nèi)三相分離后粗油脂質(zhì)量（t）和含油率（%）；M4、K2分別為測試時間段內(nèi)三相分離后有機液相質(zhì)量（t）和含油率（%）。

1.4.3 有機質(zhì)損失率

餐廚垃圾經(jīng)水力漿化、除砂除雜后，采用式（7）計算餐廚垃圾有機質(zhì)損失率（α）。

式中：M0、VS0分別為入廠餐廚垃圾質(zhì)量（t/d）和揮發(fā)性有機固體含量（%，以干基計，全文同）；M1、VS1分別為餐廚垃圾經(jīng)水力漿化、除砂除雜后有機質(zhì)漿液質(zhì)量（t/d）和可生物降解揮發(fā)性固體含量（%）。

1.4.4 不可生物降解雜質(zhì)分選率

餐廚垃圾經(jīng)水力漿化、除砂除雜后，采用式（8）計算餐廚垃圾不可生物降解雜質(zhì)分選率（β）。

式中：S1為入廠餐廚垃圾不可生物降解雜質(zhì)固體含量，%；M2、S2分別為餐廚垃圾經(jīng)水力漿化排渣、除砂除雜細小渣雜質(zhì)量（t/d）和固體含量（%）；P0為入廠餐廚垃圾中有機質(zhì)含量，%。

2 結(jié)果與討論

2.1 水力模擬分析

2.1.1 流體質(zhì)點流線軌跡

為測得流體質(zhì)點在分解裝置中單位循環(huán)所需的時間量值，選取平面S1（頂部下0.30 m）和S2（底部上0.27 m）對質(zhì)點軌跡進行跟蹤采樣，采樣質(zhì)點總數(shù)接近平面的總網(wǎng)格數(shù)（＞6 000）。

圖3 顯示不同流體質(zhì)點由S1 至S2 的時間量值分布。由圖3 可知，中間質(zhì)點的流速低，停留時間長；質(zhì)點離開平面S1 后絕大部分以螺旋式收縮下降的方式向轉(zhuǎn)子位置匯聚并進入轉(zhuǎn)葉，隨后分三股向外甩向筒壁，并繼續(xù)沿筒壁上升至罐頂，進入下一個循環(huán)。流體質(zhì)點時間量值區(qū)間統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，大部分質(zhì)點所需時間為20 s 左右，僅極少數(shù)超出40 s。

圖3 流體質(zhì)點流線軌跡Fig.3 Trajectory diagram of fluid particle streamline

2.1.2 流體質(zhì)點速度場

利用CFD 對速度場進行模擬，得到流體質(zhì)點在分解裝置中的運行軌跡及速度如圖4 所示。由豎向中部截面的速度場〔圖4(a)〕可見，受轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動影響，由底部往頂部方向流體速度逐步降低，頂部中間區(qū)域存在極低流速區(qū)，底部則因轉(zhuǎn)子甩流形成高流速區(qū)。由垂向中部和頂部截面的速度場〔圖4(b)〕可見，與底部相比速度降低，局部低速位置隨著高度上升逐漸向中間收攏，外圍可見三股高速甩流形成的局部高流速區(qū)。

圖4 流體質(zhì)點速度場Fig.4 Velocity field diagram of fluid particles

2.1.3 靜壓力場及轉(zhuǎn)矩

圖5 為分解裝置水力漿化過程中靜壓力場及轉(zhuǎn)矩分布圖。由圖5 可知，分解裝置內(nèi)流體在轉(zhuǎn)葉的轉(zhuǎn)盤底部均為高負壓區(qū)，轉(zhuǎn)葉上方附近區(qū)域均為低負壓區(qū)，呈現(xiàn)抽吸效應(yīng)；轉(zhuǎn)葉葉片外側(cè)和罐壁之間，因為外甩及擠壓效應(yīng)呈現(xiàn)為高正壓區(qū)；倒椎體和筒壁交界處，因為外甩的尾跡效應(yīng)呈現(xiàn)為低正壓區(qū)。另外，轉(zhuǎn)矩指流體對轉(zhuǎn)葉的反作用力（轉(zhuǎn)葉豎直轉(zhuǎn)軸Z軸總力矩之和），模擬數(shù)據(jù)的均值為165.7 N·m。

圖5 靜壓力場及轉(zhuǎn)矩分布Fig.5 Distribution diagram of static pressure field and torque

綜上，結(jié)合水力模擬結(jié)果可知，漿化過程中流體內(nèi)部存在流速差、壓力差和轉(zhuǎn)子反作用力，使得有機質(zhì)在設(shè)備內(nèi)流動過程中更好地攪動、剪切、摩擦和搓揉等，促進漿化作用進行。

2.2 餐廚垃圾漿化除雜效果

餐廚垃圾經(jīng)水力漿化、除砂除雜和蒸煮提油后，預(yù)處理系統(tǒng)各環(huán)節(jié)實際效果如圖6 所示。水力漿化后排出的輕重雜質(zhì)渣〔圖6（b）〕主要由塑料、木竹、骨頭、貝殼和玻璃等組成，約占餐廚垃圾總量的6%～10%，含固率約為35%。水力漿化后排出的有機漿液〔圖6（c）〕呈漿糊狀，約占餐廚垃圾總量的84%～90%。除砂除雜排出的雜質(zhì)〔圖6（d）〕主要由細小的砂石、玻璃、貝殼、蛋殼、塑料片和辣椒籽等組成，約占餐廚垃圾總量的1.0%～1.4%，含固率約為55%。三相分離后的有機固相〔圖6（e）〕呈泥狀，營養(yǎng)物質(zhì)豐富，可生化性好，資源化價值大，約占餐廚垃圾總量的10%～15%，含固率為22%～26%。

圖6 基于水力預(yù)處理系統(tǒng)的餐廚垃圾漿化-雜質(zhì)分離效果Fig.6 Pulp-making and impurity separation pictures of food waste based on hydraulic pretreatment system

對餐廚垃圾三相分離后的有機固相的粒徑分析（圖7）表明，水力漿化有利于餐廚垃圾顆粒的細小化，粒徑小于1.0 mm 占比約91%，小于5.0 mm 占比約96%，遠低于機械式預(yù)處理要求的10.0 mm 標(biāo)準(zhǔn)[20-21]。三相分離后的粗油脂〔圖6（f）〕呈深棕色，油脂含雜率小于2%，可作為生物柴油的原料。

圖7 三相分離后的有機固相粒徑分布Fig.7 Size distribution of organic solid phase pulp after three phase separation

2.3 資源化示范項目效果分析

以某市餐廚垃圾無害化處置與資源化項目（建設(shè)規(guī)模為500 t/d）為例，選取餐廚垃圾處理負荷85%以上的某年第四季度的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行項目效果綜合評價。

2.3.1 運行效果

2.3.1.1 餐廚垃圾入廠量和粗油脂產(chǎn)量

圖8 為該時間段內(nèi)餐廚垃圾入廠量和粗油脂產(chǎn)量。由圖8 可知，餐廚垃圾入廠量受收運影響有波動，平均入廠量約為432.47 t/d。粗油脂產(chǎn)量受計量方式影響亦有較大波動，日平均產(chǎn)量為16.27 t/d，換算成噸餐廚垃圾日平均產(chǎn)油率為3.76%，高于以機械式預(yù)處理技術(shù)為基礎(chǔ)的提油率[22]。

圖8 某年第四季度餐廚垃圾入廠量及粗油脂產(chǎn)量Fig.8 Daily treated food waste amount and extracted crude oil amount in the fourth quarter of a certain year

2.3.1.2 餐廚垃圾沼氣產(chǎn)量

圖9 為該時間段內(nèi)餐廚垃圾日沼氣產(chǎn)量和噸餐廚垃圾沼氣產(chǎn)量。由圖9 可知，餐廚垃圾沼氣產(chǎn)量受入廠垃圾量、垃圾質(zhì)量、進料分配和沼氣儀表按日統(tǒng)計的影響有波動，平均沼氣產(chǎn)量約為36 849.82 m3/d(以標(biāo)態(tài)計，下同)，噸餐廚垃圾沼氣產(chǎn)量為64～110 m3/t，均值為85.57 m3/t，為行業(yè)內(nèi)噸餐廚垃圾高產(chǎn)氣率項目。

圖9 某年第四季度餐廚垃圾日產(chǎn)沼氣量及噸餐廚垃圾沼氣產(chǎn)量Fig.9 Daily biogas production and its production per ton of food waste in the fourth quarter of a certain year

2.3.2 設(shè)備關(guān)鍵指標(biāo)評價

2.3.2.1 有機質(zhì)損失率

以餐廚垃圾入廠量為基數(shù)，脫水后輕、重雜質(zhì)渣和除砂除雜排出的細小雜渣約占8.8%，三相分離后平均產(chǎn)油率為3.8%；蒸煮提油階段約消耗7%蒸汽直接用于漿液升溫蒸煮，此外約3%收運車輛沖洗水、地面清洗水、設(shè)備沖洗水等進入預(yù)處理系統(tǒng)；平均有機漿液產(chǎn)量約98%，有機漿液平均濃度約10%，VS 約90%。基于表1 數(shù)據(jù)及式（7），計算得到有機質(zhì)損失率約為8.5%。

2.3.2.2 不可生物降解雜質(zhì)分選率

水力漿化后排出的輕、重雜質(zhì)渣主要由塑料、木竹、骨頭、貝殼和玻璃等組成，約占餐廚垃圾總量的6%～10%，含固率約為35%。除砂除雜細小輕雜質(zhì)主要由細小的砂石、玻璃、貝殼、蛋殼、塑料片和辣椒籽等組成，約占餐廚垃圾總量的1.0%～1.4%，含固率約為55%。

預(yù)處理后經(jīng)外運脫水，輕、重雜質(zhì)渣約占7.5%，除砂除雜排出的細小雜渣約占1.3%，干基占進場垃圾比例約3.34%；有機質(zhì)損失率約8.5%，損失有機質(zhì)干基占進場垃圾比例約1.26%。根據(jù)式（8）計算得到不可生物降解雜質(zhì)分選率約為94%。

2.3.2.3 粗油脂提取率

扣除水雜后油脂提取率為3.2%～5.1%，油脂提取后有機液相含油率為0.30%～0.45%，根據(jù)式（6）計算得到粗油脂提取率約91%。油脂回收率主要受原生餐廚垃圾組分含油率影響，本技術(shù)應(yīng)用于四川、云南等餐廚垃圾油脂含量高的地區(qū)項目時，油脂提取率可達7%以上，油脂回收率達95%以上。

2.4 與傳統(tǒng)機械式預(yù)處理的對比

傳統(tǒng)機械式預(yù)處理技術(shù)以碰撞、擠壓和切割等機械力為主，對餐廚垃圾分類要求高，不能含有較大的雜質(zhì)，且對雜質(zhì)的破壞作用大，如將貝殼、玻璃、砂石等破碎成細小顆粒而影響漿液質(zhì)量。根據(jù)前期對市場上機械式預(yù)處理工藝項目的調(diào)研資料分析，對比總結(jié)了水力制漿技術(shù)的優(yōu)勢，如表2 所示。

表2 水力制漿技術(shù)與機械式技術(shù)的對比優(yōu)勢Table 2 Advantages of hydraulic pulping technology compared to mechanical technology

3 結(jié)論

（1）通過CFD 水力模擬摸清了水力漿化技術(shù)的水力特征，漿化過程中流體質(zhì)點螺旋式匯聚至轉(zhuǎn)葉，形成三股內(nèi)旋狀渦流，在流體內(nèi)部產(chǎn)生明顯的流速差和正負壓分區(qū)現(xiàn)象，水力作用下可快速實現(xiàn)餐廚垃圾的漿化。

（2）餐廚垃圾水力漿化產(chǎn)物顆粒細小，1.0 mm 以下占比約91%；有機質(zhì)損失率低，約為8.5%；雜質(zhì)去除率高，不可生物降解雜質(zhì)分選率高達94%；粗油脂提取率可達91%以上。

（3）某市采用水力漿化技術(shù)與厭氧消化技術(shù)相結(jié)合的餐廚垃圾資源化項目的運行數(shù)據(jù)表明，餐廚垃圾平均產(chǎn)油率為3.76%，沼氣產(chǎn)量為85.57 m3/t，大幅提升了項目的經(jīng)濟效益。