蔬菜废弃物湿式厌氧发酵机械预处理系统对比

李晨彬，陈慧慧，刘玉坤

（上海环境工程设计研究院有限公司，上海 200040）

随着我国农作物产业的快速发展，我国已成为世界上最大的蔬菜生产和消费国，截至2019年，我国蔬菜种植面积超过2×105km2，产量达7.85×108t。蔬菜产量的增加伴随着蔬菜废弃物产生量的增加，每年产生的蔬菜废弃物占蔬菜产量的30%以上。蔬菜废弃物具有含水量高、易腐烂变质、营养丰富、可生化性好的特点[1-2]，但未经处理的蔬菜废弃物腐烂变质会对环境造成严重污染。

厌氧发酵是一种可以很好地将蔬菜废弃物资源化处理的方式[3-4]。厌氧发酵分湿式厌氧和干式厌氧两大类，目前国内湿式厌氧发酵技术经过多年的发展已较为成熟，干式厌氧发酵技术起步较晚，成功运行案例较少。国内工程实例表明，蔬菜废弃物适宜采用湿式厌氧发酵技术[5]。湿式厌氧发酵技术对进料粒径和杂物含量要求较高，因此需要对蔬菜废弃物进行制浆和除杂处理。

本文介绍了3种蔬菜废弃物机械预处理系统，分析比较其优缺点，以期对蔬菜废弃物湿式厌氧发酵机械预处理提供一定的参考。

1 蔬菜废弃物机械预处理系统

蔬菜废弃物具有含水量高，含有塑料、金属等杂物，尺寸较大的特点。因此，原始蔬菜废弃物往往无法直接利用湿式厌氧发酵的方式进行资源化利用，需要对其进行预处理，去除其中的杂物并制浆，以便后续湿式厌氧发酵处理的开展。

利用机械设备对蔬菜废弃物进行预处理，是目前规模化处理蔬菜废弃物的主要方式。机械预处理工艺主要为“磁选+制浆+除杂+均质”。蔬菜废弃物卸至接收料仓后，通过输送装置（皮带机、链板机、螺旋输送机等）输送至制浆设备制浆，物料进制浆设备前通过磁选机清除蔬菜废弃物中的金属，除杂装置清除塑料等杂物，最后将干净的浆料输送至均质罐中进行均质。

机械预处理工艺主要设备包括接收料仓、输送设备（皮带机、螺旋输送机、链板机、泵等）、磁选机、制浆设备、除杂设备及均质设备，不同的机械预处理系统关键区别在于除杂和制浆设备的选择不同。

1.1 “磁选+破碎+制浆筛分+均质”预处理系统

“磁选+破碎+制浆筛分+均质”系统流程如图1所示。该工艺的关键设备是破碎机和制浆筛分机，利用破碎机将蔬菜废弃物粗破碎，粗破碎的物料尺寸不大于50 mm，制浆筛分机将粗破碎后的物料制浆并筛分出其中的塑料杂物。

图1 “磁选+破碎+制浆筛分+均质”系统流程图

破碎机工作原理：利用两组单独传动的辊轴，相对旋转产生的挤轧和磨剪力来破碎物料。相向转动的两个辊子可以通过调节液压缸或弹簧的压力来控制产品的出料粒度。

制浆筛分机工作原理：利用高速旋转的主轴带动捶头，将料腔内物料打碎成浆，浆料透过料腔下方的筛网出料，塑料杂物不易破碎，从出渣口排出。

“磁选+破碎+制浆筛分+均质”系统的优势与不足：根据云南某县果蔬废弃物处理项目实际运行情况来看，该系统优势在于机械自动化程度较高，处理后的浆料粒径不大于10 mm，塑料等杂物去除率大于95%，满足后续的湿式厌氧发酵进料要求。不足之处是制浆筛分机的处理能力有限，设备设计处理能力50 t/h，但实际处理能力不超过20 t/h，当处理量超过20 t/h时，制浆筛分机的除杂能力将大大降低，并且出渣口跑料的现象非常严重。

1.2 “磁选+水力碎浆+均质”预处理系统

“磁选+水力碎浆+均质”系统流程如图2所示。与“磁选+破碎+制浆筛分+均质”机械预处理系统相比，该系统水力碎浆机不需要进行粗破碎，可同步制浆和除杂。

图2 “磁选+水力碎浆+均质”系统流程图

水力碎浆机工作原理：水力碎浆机转盘（带切割刀片）高速旋转，物料沿着轴线中心吸入，从圆周高速抛出形成剧烈的湍流循环。由于转盘的撕扯和不同流速浆料之间的相互搅动，产生巨大的摩擦作用，从而使物料强力分解，设备底部的筛网可拦截未破碎的杂物，转盘也可缠绕部分杂物，需要人工定期清理杂物。

“磁选+水力碎浆+均质”系统的优势与不足：根据云南某县某冷库的试验装置运行情况来看，该系统处理量大（10 m3容积的水力碎浆机处理能力可达50 t/h），处理后的物料尺寸不大于20 mm，塑料等杂物去除率大于80%，基本满足后续的湿式厌氧发酵进料要求。但水力碎浆机的制浆除杂能力与制浆筛分机相比稍有不足：（1）浆料尺寸相对较大，部分细碎的塑料混杂在浆料中进入湿式厌氧发酵系统；（2）水力破碎机筛分出的杂物需要人工定期清理，操作相对烦琐；（3）在水力碎浆机启动过程中需要注入3 m3生产用水，增加了运行成本。

1.3 “磁选+破碎+水解除杂”预处理系统

“磁选+破碎+水解除杂”系统流程如图3所示。与上述两种机械预处理系统相比，该工艺关键设备为水解除杂罐及其配套设施，水解除杂罐具有水解酸化、除杂和均质功能。

图3 “磁选+破碎+水解除杂”系统流程图

粗破碎后的蔬菜废弃物（尺寸不大于50 mm），通过螺杆泵输送至水解除杂罐（水解液可回流至螺杆泵进料口处的料斗，与料斗内破碎后的物料混合后加强混合物料的流动性，从而提升螺杆泵输送能力），物料在水解除杂罐中水解酸化（接种液为发酵沼液），水解酸化过程将浆料固相中更多的有机质转化到液相，物料中的塑料等杂物漂浮在液面上方，通过定期开启罐内的浮渣斗排出，重质杂物通过罐底的锥形沉槽收集后定期排出，罐内物料通过配套的循环泵均质。

“磁选+破碎+水解除杂”系统的优势与不足如表1所示：根据云南某县果蔬废弃物处理项目技术改进后的运行情况来看，该系统处理能力大，达到1 200 t/d，集除杂（塑料去除率大于80%，砂等杂质去除率大于60%）、水解和均质功能于一体，液相中COD比上述两种系统产生的COD高40%以上，pH值在4.5～5.5。不足之处在于水解除杂罐（利用旧IC厌氧罐改造而成，有效容积1 500 m3）占地面积大，水解除杂罐及其配套设施之间的连锁自控要求高，并需要操作人员定期观察罐内浮渣累积情况。

表1 3种机械预处理系统优劣对比

2 能耗对比

根据实际运行情况，3种蔬菜废弃物机械预处理系统满负荷运行20 h耗电量如表2所示，“磁选+破碎+制浆筛分+均质”预处理系统单位耗电量最大，是另外两种预处理系统的2.4倍。

表2 3种机械预处理系统耗电量对比

3 结语

（1）“磁选+破碎+制浆筛分+均质”机械预处理系统制浆后的浆料尺寸最小，杂物去除率最高，在设计处理能力不超过20 t/h时，此种机械预处理方式较为合适，有利于后续湿式厌氧发酵系统长期稳定运行。

（2）“磁选+水力碎浆+均质”和“磁选+破碎+水解除杂”机械预处理系统能耗、除杂能力几乎一致，但后者是根据昆明某县的果蔬废弃物处理项目因地制宜改造的，造价和占地也大，建议同等条件下优先考虑“磁选+水力碎浆+均质”机械预处理方式。