丁湘蓉，施云春

（1.北京市海淀區(qū)環(huán)境衛(wèi)生科學(xué)研究所，北京 100086；2.清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，北京 100084）

廚余垃圾因具有含水率、有機質(zhì)成分高，油脂及含鹽量高、易腐敗等特性，與其他垃圾混合收集時造成大量的蚊蠅孳生、病菌疾病傳播及空氣污染。在運輸過程中，現(xiàn)有收運方式易造成垃圾中滲瀝液的遺撒滴漏及運輸沿途的環(huán)境污染。混合垃圾進行焚燒處理時熱值較低，填埋處理時滲瀝液污染濃度高，從而導(dǎo)致焚燒和填埋處理出現(xiàn)相應(yīng)問題。如果將廚余垃圾在源頭上分離進行單獨收集與處理利用，不但可以實現(xiàn)城市垃圾減量化，減少中轉(zhuǎn)和運輸費用，同時還有利于城市垃圾的焚燒和填埋處理。

針對廚余垃圾的特點，研究采用廚房用食物垃圾破碎機對廚余垃圾進行預(yù)處理，以真空輸送代替?zhèn)鹘y(tǒng)的水力輸送，在盡量少加水或不加水的情況下完成廚余垃圾的破碎及輸送。對于新建小區(qū)，考慮將廚房下水道設(shè)置不同分支，將廚余垃圾破碎后直接從系統(tǒng)源頭與生活污水進行分離，從而通過單獨的管道系統(tǒng)排入轉(zhuǎn)運或處理設(shè)施。這種管道式系統(tǒng)真正實現(xiàn)了將廚余垃圾從源頭分類收集，并通過封閉式管道進行運輸，減少了人力成本，徹底消除了廚余垃圾轉(zhuǎn)運過程中的臭味、滲瀝液遺撒等問題。

1 實驗平臺設(shè)計

本系統(tǒng)提供一種節(jié)水、能耗低、能有效控制異味擴散的廚余垃圾破碎-真空管道輸送系統(tǒng)，同時，為滿足后續(xù)對廚余垃圾的資源化利用，還設(shè)計了1種將破碎后的廚余垃圾濃縮脫水的裝置。

廚余垃圾破碎－真空管道輸送系統(tǒng)，主要包括水池、食物垃圾處理機、暫存罐、開關(guān)、收集罐、真空泵和三格沉淀池，如圖1所示。水池是家庭中常用的水池；暫存罐是設(shè)在水池下方的裝置，其作用是暫時儲存破碎后的廚余垃圾；食物垃圾處理機是能破碎廚余垃圾的一種廚房家電；開關(guān)是接通或阻斷系統(tǒng)內(nèi)各部分連接的設(shè)備，可以是自動（帶控制）的或手動的，但系統(tǒng)中某些部位必須使用自動（或帶控制）開關(guān)；收集罐是起收集廚余垃圾作用的裝置；真空泵用于維持系統(tǒng)的負壓；三格沉淀池用于濃縮破碎后的廚余垃圾。

在用戶終端，也就是家庭廚房，設(shè)計了3種可供選擇的收集方式，如圖1中A、B和C支路所示，3條支路結(jié)構(gòu)上的區(qū)別見表1。

表1 3條支路結(jié)構(gòu)

A、B、C 3條支路的運行方式具體如下。

A支路：在不需處理廚余垃圾時，開關(guān)1關(guān)閉，負壓延伸到開關(guān)1之下。當(dāng)需處理廚余垃圾時，將廚余垃圾倒入食物垃圾處理機的入口，破碎的過程中加入少量的水，廚余垃圾經(jīng)食物垃圾處理機研磨破碎后進入暫存罐內(nèi)暫時儲存，完成破碎過程后（或暫存罐內(nèi)液位達預(yù)設(shè)高度時）打開開關(guān)1，以系統(tǒng)的負壓為動力，廚余垃圾被抽入真空管道內(nèi)，并逐次被抽入收集罐內(nèi)，暫存罐內(nèi)的廚余垃圾排凈后關(guān)閉開關(guān)1，系統(tǒng)又恢復(fù)原態(tài)。當(dāng)收集罐內(nèi)液位達預(yù)設(shè)高度時，打開收集罐底端開關(guān)（實際設(shè)計時需考慮收集罐的排料），破碎后廚余垃圾與水等被排入三格沉淀池內(nèi)，廚余垃圾與水通過溢流的方式依次經(jīng)過第一格、第二格和第三格，最終，可在第一格中收集到含固率較高的廚余垃圾，以便進行下一步的資源化利用。

B支路：在食物垃圾處理機上設(shè)自動開關(guān)2，且開關(guān)2和開關(guān)3互斥（即當(dāng)開關(guān)2關(guān)閉時開關(guān)3打開，開關(guān)2打開時開關(guān)3關(guān)閉）。在不需處理廚余垃圾時，開關(guān)2關(guān)閉（此時開關(guān)3打開），系統(tǒng)的負壓一直延伸到開關(guān)2，B支路上的暫存罐內(nèi)也是負壓，因此，系統(tǒng)內(nèi)即使產(chǎn)生異味，也不會擴散到室內(nèi)。當(dāng)需處理廚余垃圾時，將開關(guān)2打開（此時開關(guān)3關(guān)閉），將廚余垃圾倒入食物垃圾處理機的入口，破碎的過程中加入少量的水，廚余垃圾經(jīng)食物垃圾處理機研磨破碎后進入暫存罐內(nèi)暫時儲存，用完后（或暫存罐內(nèi)液位達預(yù)設(shè)高度時）關(guān)閉開關(guān)2（此時開關(guān)3打開），以系統(tǒng)的負壓為動力，廚余垃圾被抽入真空管道內(nèi)，并逐次被抽入收集罐內(nèi)，暫存罐內(nèi)的廚余垃圾排凈后關(guān)閉開關(guān)3（此時開關(guān)2打開），系統(tǒng)又恢復(fù)原態(tài)。與收集罐相關(guān)的操作同支路A。

C支路：食物垃圾處理機的開關(guān)與開關(guān)4聯(lián)動，通過設(shè)定，使得開關(guān)4在食物垃圾處理機啟動后15 s打開，當(dāng)食物垃圾處理機關(guān)閉后15 s關(guān)閉。在不需處理廚余垃圾時，開關(guān)4關(guān)閉，負壓延伸到開關(guān)4之下。當(dāng)需處理廚余垃圾時，將廚余垃圾倒入食物垃圾處理機的入口，破碎的過程中加入少量的水，15 s后，開關(guān)4自動打開，以系統(tǒng)的負壓為動力，廚余垃圾被抽入真空管道內(nèi)，并逐次被抽入收集罐內(nèi)，當(dāng)處理完廚余垃圾時，食物垃圾處理機關(guān)閉，開關(guān)4延時15 s后自動關(guān)閉，系統(tǒng)又恢復(fù)原態(tài)。與收集罐相關(guān)的操作同支路A。

2 輸送方式的優(yōu)化研究

2.1 A與B的對比

選擇不同的真空維持區(qū)間（見表2），對真空泵的持續(xù)運行時間進行基礎(chǔ)測定。

表2 負壓下限－kPa真空泵工作持續(xù)時間 s

真空維持區(qū)間所選擇的負壓越高，真空泵的持續(xù)運轉(zhuǎn)時間越長，因此，過高的負壓維持區(qū)間是不經(jīng)濟的，同時，負壓維持區(qū)間應(yīng)滿足廚余垃圾能抽吸到收集罐內(nèi)，在真空排水系統(tǒng)中，選擇的負壓維持區(qū)間為－0.06～－0.04 MPa［1］，本實驗參考真空排水系統(tǒng)中所選的負壓維持期間，選擇的負壓維持區(qū)間也為－0.06～－0.04 MPa。對于收集方式A，選擇不同的真空維持區(qū)間，考察在15 min內(nèi)真空泵的運轉(zhuǎn)次數(shù)。

表3 真空泵開啟頻次（方式A）

綜合表2和表3可得真空泵的累計運轉(zhuǎn)時長，見表4。

表4 真空泵累計運轉(zhuǎn)時長（方式A）s

由表4可知：所選的真空維持區(qū)間越寬，真空泵的單次運轉(zhuǎn)時間越長；所選的真空維持區(qū)間越窄，真空泵在給定時間內(nèi)的運轉(zhuǎn)次數(shù)越多；同理，對于收集方式B，選擇不同的真空維持區(qū)間，考察在15 min內(nèi)真空泵的運轉(zhuǎn)次數(shù)，可計算其累計運轉(zhuǎn)時長，見表5、6。

真空泵累計運轉(zhuǎn)時長可由真空泵的單次運轉(zhuǎn)時間與運轉(zhuǎn)次數(shù)計算得到，開啟時長與額定功率的乘積約等于用于真空泵的能量消耗。真空泵的額定功率一定，因此，通過比較不同真空維持區(qū)間下真空泵開啟時長，可得不同真空維持區(qū)間下真空泵的能耗。對比方式A和方式B，在相同的壓力維持區(qū)間內(nèi)，真空泵的能耗相差不大，因此，從能耗的角度來看，收集方式A與方式B均是可行的。

表5 真空泵開啟頻次（方式B）

表6 真空泵累計運轉(zhuǎn)時長（方式B）s

收集方式A結(jié)構(gòu)簡單，在實際中較容易實現(xiàn)；收集方式B在食物垃圾處理機上方加入能自動控制的開關(guān)，需對現(xiàn)有的食物垃圾處理機進行改進，目前在市場上還沒有這種產(chǎn)品，需要加大對食物垃圾處理機的研發(fā)，待技術(shù)進步后，可采用收集方式B。

2.2 A、B與C的對比

先通過實驗，得到處理單位質(zhì)量的廚余垃圾破碎單元與真空輸送單元的運轉(zhuǎn)時間，進一步計算得其能耗，結(jié)果見表7。

表7 破碎與真空輸送單元的能耗對比

收集方式A或B都在破碎單元與輸送單元間設(shè)置了暫存罐，將破碎單元的運轉(zhuǎn)與真空輸送單元的運轉(zhuǎn)分開，因此，對收集方式A或B，破碎單元與真空輸送單元的能耗與表7相同。對于收集方式C，因無暫存罐，設(shè)計的真空輸送單元在破碎單元運轉(zhuǎn)一定時間（設(shè)計為15 s）后啟動，同時，當(dāng)1個周期結(jié)束，破碎單元停止運轉(zhuǎn)后，經(jīng)過一定時間（設(shè)計為15 s）的延時，真空輸送單元也停止運轉(zhuǎn)，因此，真空輸送單元的運轉(zhuǎn)時間與破碎單元運轉(zhuǎn)時間相同。在1個運轉(zhuǎn)周期內(nèi)，各種收集方式的能耗見表8。

表8 各收集方式的能耗

由于廚余垃圾破碎所需時間大于真空抽吸所需時間，為了減少真空損耗，降低能耗，需設(shè)置暫存罐，將破碎后的廚余垃圾暫時儲存起來，因此，應(yīng)優(yōu)先選用A或B方式。綜上所述，在現(xiàn)階段，可采用收集方式A，待相關(guān)技術(shù)成熟后，可采用收集方式B。

2.3 真空輸送與重力輸送的對比

真空收運系統(tǒng)以真空抽吸力為動力將破碎后的廚余垃圾輸送到收集罐中，據(jù)前面的實驗結(jié)論，在這里采用的是收集方式A，水只起潤滑管壁的作用。而傳統(tǒng)的重力輸送是靠廢物及水的重力。

2.3.1 水耗與能耗

破碎-真空輸送與破碎-傳統(tǒng)重力輸送的水耗與能耗如表9所示。

表9 破碎-真空輸送與破碎-傳統(tǒng)重力輸送的對比

由表9可得，破碎-真空輸送系統(tǒng)因以真空抽吸力為輸送動力，其耗水量較小，僅為破碎-傳統(tǒng)重力輸送系統(tǒng)的12%，而其耗電量為破碎-傳統(tǒng)重力輸送系統(tǒng)2倍。

2.3.2 收集到的廚余垃圾性質(zhì)對比

經(jīng)破碎-真空輸送與破碎-傳統(tǒng)重力輸送收集到廚余垃圾的性質(zhì)如表10所示。

表10 破碎-真空輸送與破碎-傳統(tǒng)重力輸送收集到餐廚垃圾的性質(zhì)對比

經(jīng)破碎-真空輸送收集到的廚余垃圾含固率為14.8%，破碎-傳統(tǒng)重力輸送收集到的廚余垃圾的含固率僅為5.8%，因此，收集同樣質(zhì)量的廚余垃圾，采用破碎-傳統(tǒng)重力輸送系統(tǒng)得到的廚余垃圾的體積是破碎-真空輸送系統(tǒng)的2.6倍。經(jīng)破碎-真空輸送收集到的廚余垃圾因含固率較高，能滿足后續(xù)厭氧消化的要求，可以直接進后續(xù)的厭氧反應(yīng)器進行厭氧消化。

破碎-真空輸送系統(tǒng)因在破碎及輸送過程中加入的水較少，其得到的廚余垃圾的黏度是破碎-傳統(tǒng)重力輸送系統(tǒng)的8倍左右，同時，其得到的物料在靜置24 h后也未發(fā)生沉淀，后續(xù)的重力沉淀池對其無分離作用，同時，因其含固率高，能滿足后續(xù)厭氧消化的要求，因此，今后的設(shè)計中可不考慮沉淀這一單元。經(jīng)破碎-傳統(tǒng)重力輸送系統(tǒng)得到的廚余垃圾在靜置24 h后也未發(fā)生明顯沉淀，但因其含水率較高，在進入?yún)捬跸磻?yīng)器前可能需采用其他方法進行濃縮。

3 結(jié)論

破碎-真空輸送系統(tǒng)因以真空抽吸力為輸送動力，其耗水量僅為破碎-傳統(tǒng)重力輸送系統(tǒng)的12%，而其耗電量為破碎-傳統(tǒng)重力輸送系統(tǒng)2倍。因采用真空抽吸，破碎后廚余垃圾在管道內(nèi)流速較快，因此，通過真空輸送的管道不易發(fā)生堵塞，其收集到的廚余垃圾含固率為14.8%，而破碎-傳統(tǒng)重力輸送收集到的廚余垃圾的含固率僅為5.8%。經(jīng)破碎-真空輸送系統(tǒng)收得廚余垃圾因其固含量高，能滿足后續(xù)厭氧消化的要求，可以直接進入后續(xù)的厭氧反應(yīng)器進行厭氧消化，不需要進一步的濃縮分離。同時，對比各種收集方式，收集方式A結(jié)構(gòu)簡單，在實際中較容易實現(xiàn)，在現(xiàn)階段可采用收集方式A，而收集方式B對系統(tǒng)異味控制有更好的效果，待相關(guān)技術(shù)成熟后，可考慮采用收集方式B。

［1］范紅兵.真空排水系統(tǒng)標準化初步研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2007.