重组分分离及制浆一体机在有机垃圾处置中的应用研究_郭彦鹏.pdf

重组分分离及制浆一体机在有机垃圾处置中的应用研究*郭彦鹏，赵丹辉，杨东方，嵇磊，夏毅涛，韦娟（中材国际环境工程（北京）有限公司，北京100102）【摘要】依托中材环境溧阳天山生活垃圾处置项目，原料采用从原生垃圾中通过机械分选出的有机垃圾，利用设计和研发的有机垃圾重组分分离及制浆一体机进行了中试试验，分析了不同的操作参数对设备运行效果的影响。结果表明，该设备能够实现有机垃圾中重组分的分离，制得的有机质浆液满足后续 CSTR 厌氧产沼的技术要求。通过对比试验发现，最佳的操作参数是：进料 TS 为 8%10%，转速为 150 r/min，反冲洗水流量 20 L/s。该操作参数下能实现良好的轻重组分分离，最终分离出的重组分大部分未经打碎破坏，有机质含量低于 5%，含水率低于 5%，用于路基、填埋或者水泥生产原料均可。制浆时间5 min 时，制得的有机质浆液中 TS 为 4%6%，VS/TS60%，COD100 000 mg/L，满足 CSTR 厌氧反应器的进料要求，轻渣无机质含量10%，通过脱水后热值为 8 37210 465 kJ/kg，可以入焚烧炉处置。【关键词】有机垃圾；重组分分离；制浆；有机质浆液中图分类号：X799.3文献标识码：A文章编号：1005-8206（2023）02-0031-05DOI：10.19841/ki.hjwsgc.2023.02.005Application Research of Heavy Component Separation and Pulping Machine in Organic Refuse DisposalGUO Yanpeng，ZHAO Danhui，YANG Dongfang，JI Lei，XIA Yitao，WEI Juan（Sinoma International Environmental Engineering Co.Ltd.，Beijing100102）【Abstract】Relying on Liyang Tianshan municipal solid waste（MSW）disposal project of Sinoma-Environment，theraw materials was organic waste that mechanically separated from MSW，and a pilot test was carried out with the organicwaste heavy component separation and pulping machine，and the influence of different operating parameters on the operationeffect of the equipment was analyzed.The results showed that the equipment could realize the separation of heavy componentfrom organic refuse，and the accepts could meet the technical requirements of CSTR.Through comparative tests，it wasfound that the best operating parameters were feeding TS of 8%10%，rotation speed of 150 r/min，backwash water flow of20 L/s.Under these operating parameters，a good separation of the heavy component could be achieved.Most of the heavycomponent separated from the waste were not broken，with the organic matter content less than 5%and the moisture contentless than 5%，which could be used for subgrade，landfill or raw materials used for cement production.When the pulping timewas less than five minutes，the TS in the organic slurry was 4%6%，VS/TS was more than 60%，and the COD was morethan 100 000 mg/L，which met the feed requirements of CSTR anaerobic reactor.The inorganic content of light slag was lessthan 10%，after dehydration，the calorific value was 8 37210 465 kJ/kg，which could disposed into the incinerator.【Key words】organic refuse；heavy component separation；pulping；organic slurry1引言厨余垃圾为家庭日常生活中丢弃的果蔬及食物下脚料、剩菜剩饭、瓜果皮等易腐有机垃圾。2019 年之前未施行垃圾分类，其主要混合在生活垃圾中进入城市生活垃圾处置设施处置，由于厨余垃圾中水分和有机质含量较高，造成了城市生活垃圾热值降低、滋生蚊虫易腐败等问题，增加了生活垃圾的处置难度。2021 年 5 月，国家发改委、住建部联合下发“十四五”城镇生活垃圾分类和处理设施发展规划，从规划层面推进了城市生活垃圾的分类，但是由于现有的厨余垃圾处置设施存在能力不足以及运转率较低的问题，在现状条件*基金项目：中材国际重点研发计划项目（YF-JIN-2022）收稿日期：2022-05-24；录用日期：2022-12-06第 31 卷第 2 期2023年4月环境卫生工程Environmental Sanitation EngineeringVol.31 No.2Apr.2023环境卫生工程2023 年 4 月第 31 卷第 2 期下很多城市难以实现前端完全的垃圾分类，因此对原生垃圾中通过机械分选出的有机垃圾（通过分析该有机垃圾与垃圾分类后的厨余垃圾类似）进行研究，在县域及欠发达地区仍具有较大的应用价值和意义。由于有机垃圾中碳水化合物、蛋白质、脂肪的含量能达到干基的70%，因此具有较高的产甲烷潜力，通过合适的预处理后进入厌氧发酵系统是可行的1。因此研发适应有机垃圾处置的预处理设备对于厌氧产沼意义重大。维尔利开发了一套餐厨垃圾浆液中重物质沉淀分离设备，利用经自动分选机分离杂质后的餐厨浆料与餐厨料斗沥水的混合物进行了试验，在停留时间 2 d，转速 3342 r/min 时，其结果比静置除渣设备的残渣率和有机质损失率分别降低了4.57%和 6.14%，但是存在工作时间过长、处置效率较低的缺点2。吴元等3测试了常州金源型号为 FXJ-20 的大物质分选机，低转速下虽然能分选出大块的无机物，但是存在将部分有机质分离出的问题，高速下容易破碎无机物，影响出浆的品质。同时实地考察了北京洁绿李坑厨余项目及首钢鲁家山餐厨项目，其中李坑项目采用了热水解+双向压榨技术，通过高压蒸汽热水解，能够最大限度地提取有机质，之后对通过双向压榨去除干料后的剩余部分进行厌氧发酵，该项目目前还处于调试阶段；首钢鲁家山 200 t/d 项目采用破碎+生物质分离技术，采用的生物质破碎分离一体机通过两段出料功能，第 1 段是粒径 1250 mm 的有机物料出料段，第 2 段是不易打碎的杂质出料段，可用于焚烧发电，由于该工艺未设置单独的重组分出料段，制浆段转子高速运行下存在一定的磨损问题。杭州天子岭厨余垃圾处置项目采用的人工手选+破袋+风选+滚筒筛的方式将厨余垃圾中的轻重组分分离，并通过破碎制浆后送入干式厌氧系统，相比于湿式厌氧，干式厌氧对惰性物的耐受程度较高，但整个项目投资较高4。中材环境依托溧阳天山生活垃圾处置项目，开发出了一套有机垃圾重组分分选及制浆一体机，利用该设备开展有机垃圾预处理及制浆系统研究，通过考察不同操作参数对有机垃圾中重组分分离效果及制得的有机质浆液品质的影响，寻找最佳的操作参数，以期能获得较高的有机质产率，从而提高产沼量，提高资源化利用效率，为后续的工业化应用奠定基础。2材料和方法2.1试验原料中试试验采用的原料是中材环境溧阳天山生活垃圾协同处置项目通过机械分选制得的有机垃圾，其成分与垃圾分类后的厨余垃圾成分类似，具体组成见表 1。表 1有机垃圾成分Table 1Composition of organic refuse来源机械分选的有机垃圾厨余垃圾TS/%34.5732.79无机质/%6.814.21VS/%13.8221.68综合含水率/%65.4367.21注：TS 为总固体，VS 为挥发性固体。2.2试验装置介绍本试验采用的是有机垃圾重组分分离及制浆一体机，该中试试验装置结构示意见图 1。有机质浆液排放口进料口碎浆转子重渣排放口轻渣排放口反冲洗水V1V2图 1有机垃圾重组分分离及制浆一体机Figure 1The all-in-one machine of heavy componentsseparation from organic refuse and pulping machine该设备采用圆筒状结构，底部为锥形，有效容积 5 m3，处置能力为 3 t/h，功率 55 kW（转子+泵），内部设有碎浆转子，壁面上设有重渣、轻渣及有机质浆液排放口，有机质浆液排放口设有筛网，其中重渣排渣罐由罐体和双联气动阀组成。将有机垃圾投入设备后，先通过重组分分离装置将砖头、瓦块分离，运行时，V1 打开，V2 关闭，转子先低速运转一段时间后，重渣落满重渣管，开启反冲洗水 5s，然后关闭 V1，打开 V2，重渣排出，再关闭 V2，打开 V1，循环往复排渣。排完重渣后调高碎浆转子转速，将剩余的轻组分中的有机质打碎，制成有机质浆液，经过筛网后通过排浆泵排出，最终作为CSTR 厌氧系统的原料用来产沼，剩余的筛上物为轻渣，通过挤压脱水后具有一定的热值，能达到8 37210 465 kJ/kg，可以送入焚烧炉处置。有机垃圾重组分分离及制浆一体机的主要部件结构参数见表 2。32表 2一体机的主要部件结构参数Table 2The main component structure parameters ofthe all-in-one machine项目筒体规格导流板转子直径重组分排渣管轻渣排渣管参数1 800 mm1 800 mm1 000 mm100 mm700 mm200 mm200 mm2.3试验方法2.3.1试验设计由于有机垃圾成分复杂，单一试验难以具备代表性，因此试验的有机垃圾采用同一批次的物料，经过均化后进行取样，每个影响因素进行 3组平行试验，取平均值。有机垃圾及配比采用的清水经称质量后由叉车上料，重组分反冲洗水接自消防水（实际工程应用中应考虑节约用水，采用超滤出水），并通过流量计及阀门控制其流量。由叉车上料结束后，开启分选制浆一体机，开始排重组分，连续多次排渣直到所有重组分排尽为止，剩余的物料进行制浆。本研究考察不同的转子速度、进料 TS 浓度、反冲洗水流量对重组分排渣的影响，研究不同制浆时间制得的有机质浆液的理化参数，并分析其用于 CSTR 厌氧的可行性。1）转子速度的影响：设定转子速度分别为50、150、200、300、450 r/min，进料 TS 为 12%，反冲洗水 10 L/s，排渣间隔为 3 min，考察不同的转速对重组分分离的影响。2）进料浓度的影响：设定进料 TS 分别为5%、8%、10%、12%、15%，取转子速度为 150 r/min，反冲洗水 10 L/s，排渣间隔为 3 min，考察不同的进料浓度对重组分分离的影响。3）反冲洗水流量的影响：设定反冲洗水流量分别为 10、20、30 L/s，进料 TS 为 8%，转子速度为 150 r/min，冲洗时间 5 s，排渣间隔为 3min，考察不同的反冲洗水流量对重组分品质的影响。4）不同制浆时间的影响：将重组分全部排掉后，碎浆转子全速运转，考察进料 TS 为 8%的条件下，不同制浆时间（制浆 3、5、8、10、15min）的有机质浆液品质变化情况。2.3.2分析方法有机垃圾的取样采用多点取样法，保证取样的代表性。TS、VS 浓度采用烘干称重法，用 105 的烘箱测定 TS，用 600 的马弗炉测定 VS。COD 采用重铬酸钾法测定。3结果与讨论3.1转子速度对重组分分离的影响控制进料 TS 为 12%，反冲洗水流量为 10 L/s，排渣间隔设定为 3 min，设置转子速度为 50、150、200、300、450 r/min。结果显示，转子速度的快慢对重组分分离速度以及所排出重组分的粒度有较为明显的影响，合适的转速能够加快有机垃圾中多组分在液相中的均质化，同时转子带来的升力能够促进重组分在垂直方向的分离。排渣速度采用初次排渣量来表征，即单位时间内排渣量越大，排渣速度越快。排渣的粒度采用 4 mm 筛余表征。不同的转子速度对重组分分离的影响见图 2。随着转速的增加，首次排渣量先增加后减少，即排渣速度先加快后减慢，但是重组分粒径呈现下降趋势，主要原因在于转速越快，越容易打碎重组分中的玻璃、瓦块，造成平均粒径降低，同时湍流度增大也容易引起沉沙上浮，降低了重组分分离速度。但是转速在 50 r/min 时，搅拌力度太小，整个分选机内湍流度不够，垂直方向上难以形成明显分层，底部重组分排放口排渣不畅，造成了太低的转速下排渣量较小，排渣速度较慢的现象。因此保持转速在 150200 r/min 对重组分分离是有利的。3.2进料浓度对重组分分离的影响设定转子转速为 150 r/min，反冲洗水流量为10 L/s，排渣间隔为 3 min，考察进料 TS 为 5%、8%、10%、12%、15%下，重组分的排渣速度及品质的变化，其中排渣速度同样用首次排渣量表征，重组分品质用重组分中的 VS 比例表征，可以得出不同进料浓度对重组分分离的影响，试验结果如图 3 所示。首次排渣量排渣粒度（4 mm 筛余）首次排渣量/kg2.52.01.51.00.500100200300400500908070605040302010排渣粒度（4 mm 筛余）/%一体机转速/（r/min）图 2TS=12%时不同转子转速对重组分分离的影响Figure 2Effect of different rotor speeds on the separation ofheavy components（TS=12%）郭彦鹏，等.重组分分离及制浆一体机在有机垃圾处置中的应用研究 33环境卫生工程2023 年 4 月第 31 卷第 2 期由于电机功率问题，当进料 TS 为 15%时，浆料浓度太高，难以运行，因此最终只获得了 TS 为5%、8%、10%、12%的数据。从图 3 可以看出，排渣速度随进料浓度的增加先升后降，但总体差异较小，说明进料浓度的高低对排渣速度影响不大，在合适的转速下，分离制浆一体机中能够形成良好的湍流，那么就能在较大的浓度区间内实现对重组分的有效分离。另外重组分品质随着进料浓度的增加而降低，说明浓度越高，在固定转速下越难以将重组分和有机质分离彻底，分离出的重组分会携带一部分有机质，从而造成重组分的品质下降。虽然在转子转速选择适当并形成良好湍流时不影响重组分排渣速度，但是较高的进料浓度会影响重组分品质，因此一体机在正常运行时应选择合适的进料浓度，本中试装置适合的进料 TS 为8%10%。3.3反冲洗水流量对重组分品质的影响设定进料 TS 为 8%，转子转速 150 r/min，排渣间隔为 3 min，反冲洗水流量为 10、20、30 L/s，反冲洗时间为 5 s，考察了不同反冲洗水流量下重组分的品质变化，结果见图 4。反冲洗水量越大，重组分品质越好，当反冲洗水量在 30 L/s 时，重组分中 VS 含量降低至1.0%（图 4），但是反冲洗水量太大，会造成引入分选系统的外来水量增加，降低最终有机质浆液中的有机质浓度，因此需要选择较为适宜的反冲洗水量。3.4制浆时间对有机质浆液品质的影响设定进料 TS 为 8%、转子转速为 150 r/min、反冲洗水流量为 20 L/s、排渣间隔为 3 min，将重组分全部排尽，然后将转子转速调高至 500 r/min 全速进行制浆，分别在 3、5、8、10、15min 取样，测试有机质浆液中的 COD、VS/TS，结果见图 5。制浆时间越长，COD 和 VS/TS 越高，但是当制浆时间超过 8 min 后，有机质浆液中的 COD 不再增长，同时 VS/TS 出现了下降（图 5），说明较长的制浆时间有利于破碎有机垃圾，增加浆液中的有机质含量，但是时间过久会将一些非有机质的物料打碎，如硬质塑料、布条等无机物，造成有机质浆液中的无效 TS 增加，进而使有机质浆液品质下降，因此实际运行中需要控制制浆时间在58 min。合适的制浆时间不仅能增加有机质浆液中的有机质含量，同时还能控制有机质浆液中杂质含量在合理的范围之内，避免对后续厌氧产生影响。3.5最佳运行参数下的出料品质在有机垃圾处置工艺中，虽然存在多种路线，但是如何去除有机垃圾中的杂质（包含重组分和轻质可燃物）均是关键，其中重组分会对运行设备产生磨损，轻质可燃物会堵塞包含厌氧罐在内的工艺设备，通过合理的预处理系统将重组分及轻质可燃物去除对后续的有机垃圾处置工艺至关重要。通过上述中试试验，得出了重组分分离制浆一体机的最佳运行参数：进料 TS 为 8%10%、转子转速150 r/min、反冲洗水流量 20 L/s、排渣间隔 3 min、制浆时间 5 min，最终该设备分离出的各组分参数见表 3。重组分中 VS/%5.04.54.03.53.02.52.01.51.00.505102535反冲洗水流量/（L/s）301520图 4不同反冲洗水流量对重组分品质的影响Figure 4Effect of different backwash water flow on thequality of heavy components fractions首次排渣量重渣中 VS首次排渣量/kg2.72.21.71.20.70.224681014876543210重渣中 VS/%进料浓度 TS/%12图 3不同进料浓度对重组分分离的影响Figure 3Effect of different feed concentrations onthe separation of heavy componentsCODVS/TSCOD/（mg/L）120 000110 000100 00090 00080 00070 00060 00050 00040 00030 00020 00005102068666462605856545250（VS/TS）/%制浆时间/min15图 5不同制浆时间对有机质浆液品质的影响Figure 5Effect of different pulping times on thequality of accepts 34表 3重组分分离制浆一体机最终出料参数Table 3Final discharge parameters from all-in-one machine项目重组分轻渣有机质浆液参数VS=1.5%3%，含水率=5%10%，主要成分为玻璃、砖头、瓦块、骨头含水率=60%75%，含沙量10%COD=107 809 mg/L，TS=4%6%，VS/TS=60%70%，TN=1 3002 000 mg/L取最终排出的轻渣，经脱水机脱水后，其参数如表 4 所示。该轻渣具备一定的热值，能够送入焚烧终端处置。表 4脱水后的轻渣参数Table 4Light residue parameters after dehydration参数含水率/%热值/（kJ/kg）成分数值508 37210 465塑料、布条、木质纤维、纸张、树叶分离出的轻渣、重渣、有机质的含水率分别为78%、5%、96%，其干基质量比为 571628，湿基质量比为 19.85.79.8。可以看出，分离出的重渣占进料有机物湿基比例为 5.7%，其他组分占比为 29.6%，总体与表 1 数据接近，基本可以较好地实现三组分分离。因此，有机垃圾经该重组分分离制浆一体机处置后，分离出的重组分品质较好，能够作为路基材料或者水泥生产原料使用。轻渣经过压缩脱水后具备一定热值，能入焚烧炉处置。有机质浆液中的理化参数能够满足 CSTR 厌氧反应器的进料要求。分离出的重组分和制得的有机质浆液如图 6 所示。（a）分离出的重组分（b）有机质浆液成品注：郭彦鹏于 2020 年 8 月在溧阳天山生活垃圾处置项目拍摄。图 6分离出的重组分和制得的有机质浆液成品Figure 6Heavy components separated from the organic refuseand organic matter slurry4结论1）有机垃圾重组分分离及制浆一体机转子转速在 150 r/min、进料 TS 为 8%10%，反冲洗水流量 20 L/s、排渣间隔 3 min，分离出重组分中 VS 含量低于 5%，同时重组分完整性较好，并能有效减少转子的磨损。2）为保证出料有机质浆液中的有机质浓度，制浆时间需要控制在 5 min 左右，虽然制浆时间越长，出料中的有机质含量越高，但是相应的 TS 也会增加，并不利于后续的厌氧处理。3）有机垃圾在一体机内经过分离重组分及排浆后剩余的轻渣中无机质含量较低，但是含水率较高，经过脱水后含水率能降低到 50%以下，具有 8 37210 465 kJ/kg 的热值，能够送至焚烧终端处置。4）本试验中采用的重组分分选及制浆一体机能够实现有机垃圾中重组分的分离，同时制出的浆液能够满足后续 CSTR 厌氧系统的需要，轻渣经脱水后具备一定的热值，能够送入焚烧炉焚烧，该设备通过转速的控制能够有效避免重组分对转子的磨损，并能实现较高的有机质产出率，对后续的厌氧产沼有重要意义。5）受限于中试装置功率及转子设计问题，本装置承受的入料 TS12%，导致最终制得的有机质浆液中 TS 仅为 4%6%，达不到 CSTR 装置最佳入料浓度 8%12%，但是结合中试装置的经验以及通过设备大型化升级和重新设计能够解决上述问题，具有一定的工业应用价值。参考文献：1 闵海华，刘淑玲，郑苇，等.厨余垃圾处理处置现状及技术应用分析 J.环境卫生工程，2016，24（6）：5-7，10.MIN H H，LIU S L，ZHENG W，et al.Status and technology application analysis of kitchen waste disposalJ.EnvironmentalSanitation Engineering，2016，24（6）：5-7，10.2 朱丽可，汤晓艳，吴元，等.沉砂浮渣分离技术在餐厨垃圾处理中的应用研究 J.环境卫生工程，2019，27（4）：59-64.ZHU L K，TANG X Y，WU Y，et al.Research on application ofgrit-scum separation technology in food waste treatment processJ.Environmental Sanitation Engineering，2019，27（4）：59-64.3 吴元，金慧宁，朱丽可，等.餐厨垃圾处理系统中大物质分选试验研究 J.环境卫生工程，2019，27（6）：40-43.WU Y，JIN H N，ZHU L K，et al.Experimental study on largesubstances sorting in food waste disposal systemJ.Environmental Sanitation Engineering，2019，27（6）：40-43.4 安晓霞，金文涛.杭州天子岭厨余垃圾处理工程实例分析J.绿色科技，2019（8）：125-128.AN X X，JIN W T.Case analysis of Hangzhou Tianziling kitchenwaste treatment project J.Journal of Green Science and Technology，2019（8）：125-128.第一作者：郭彦鹏（1988），高级工程师，主要从事固体废物无害化处置及资源化研究。E-mail：。郭彦鹏，等.重组分分离及制浆一体机在有机垃圾处置中的应用研究 35