一种基于文丘里式颗粒收集器收集餐饮垃圾浆液惰性物颗粒的方法

本发明属于餐饮垃圾预处理设备领域，涉及一种收集餐饮垃圾浆液惰性物颗粒的方法，尤其是涉及文丘里效应控制的餐饮垃圾浆液惰性物颗粒收集器以及固体沉降、流体力学、环境工程等领域。

背景技术：

1、餐饮垃圾惰性物颗粒，是指在存在于餐饮垃圾制浆后浆液中不能被后续厌氧发酵微生物利用的各种无机或有机颗粒、碎片。餐饮垃圾的预处理通过筛分将大粒径杂质(>20mm)去除后进行打碎制浆，残余的细惰性物颗粒留在管道中与垃圾浆液一起被打入厌氧发酵罐，浮渣漂浮在浆液上部或沉在厌氧罐底部导致堵塞。惰性物颗粒的存在对餐饮垃圾的预处理和厌氧发酵的可持续造成较大阻碍，目前对于惰性物的分离主要采用旋流除砂、离心除杂等方式进行，成本较高，占地较大，不适合现有工艺的改良，同时没有专门针对浆液中的细惰性物颗粒的去除技术。

2、我国每年都会产生数量巨大的餐饮垃圾，惰性物在餐饮垃圾中占有一定比例。目前餐饮垃圾预处理环节对惰性物收集方式较为单一，普遍采用的工序是破碎筛分加分离。餐饮垃圾制浆前原始垃圾先经过大物质分选机筛分出60mm以上杂质，再经过精分机筛分出20mm以上杂质，主要包括瓶盖、筷子等小粒径杂物和塑料、纸张等轻质杂物。20mm以下的物料制成8mm以下浆料，之后泵送入除砂除杂单元，除砂除杂单元将物料中的重物质如贝壳、玻璃、瓷片、砂石等细碎纤维等去除，随后进入提油单元。

3、目前餐饮垃圾预处理工艺物料的分选是主要的技术难题。对于餐饮垃圾分选技术目前主要有两种，一种是只设置一台综合分选设备，另一种是设置多级分选设备，基本采用的是破碎筛分+除砂除杂的工序。由于餐饮垃圾原料的复杂性，一台综合分选设备时，餐饮垃圾流量必定较大，处理速度快，为了保证出料筛分粒径不会很小，因此制浆后浆料内杂物多、颗粒大，同时设备更换会十分频繁，影响正常生产。而多台分级设备会导致预处理流程过长，有机物损失增加等问题。

4、现有工艺无法将所有惰性物在预处理阶段筛分出渣，而多级分选会将惰性物颗粒变得更细从而更难于沉降。因此在现有工艺上增加筛分或沉降设备带来的效益与成本是不成正比的，对于已经打碎的惰性物细颗粒，对后续三相离心机、运输管道等预处理设施将会造成不同程度的磨损，惰性物对于餐饮垃圾的厌氧发酵是否有促进作用目前还未知，但是过多的惰性物会使厌氧罐有效容积减少，进出料不畅等，而对于大型设备的更换和维护成本是十分高昂。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是处理餐饮垃圾，尤其是对餐饮垃圾浆液中的惰性颗粒进行快捷、高效的收集，以实现周期化、可持续化的收集餐饮垃圾浆液中的惰性物颗粒。

2、为了解决上述问题，本发明设计了一种使用文丘里式餐饮垃圾惰性物颗粒收集器对餐饮垃圾浆液中的惰性颗粒进行收集的方法，配套设计基于文丘里效应的餐饮垃圾浆液惰性物颗粒收集器，实现餐饮垃圾浆液惰性物颗粒可持续收集方案。

3、为实现上述目的，本发明的浆液惰性物颗粒收集的方法包括如下两个阶段：

4、首先，根据目标预处理项目现场的工艺情况进行浆液流速、黏度进行调研。初始流速测定方法使用流速仪进行测定，在浆液管段的进出口及观察口进行测试。绘制出预处理浆液管段流速分布图。粘度使用流变仪进行测定，收集样本后惰性物颗粒初始浓度通过烘干、重量法进行测定，根据测定数据绘制浆液流动云图和颗粒分布云图。根据浆液流动云图与速度云图选择合适安装管段，确定管段后，收集器的直管长度、惰性物出料口位置、前后管直径比将根据现场工艺浆液初始流速测定、惰性物初始浓度、密度测定，通过装置设计实验和ansys fluent流体模拟试验进行参数化扫描确定，并且根据实际浆液惰性物含量进行调整。

5、其次，餐饮垃圾浆液惰性物颗粒收集机理实现。

6、流速(flow velocity；current velocity)是指液体单位时间内的位移。流速分布指某一断面上各点流速方向、大小的分布情况。

7、目前针对餐厨垃圾惰性物的种类及浆液中惰性物浓度的测量还比较少，该方法通过随机取样实验，量化浆液中惰性物的含量、种类等流体力学数据。并根据先前实验室模拟及实验结果形成餐厨垃圾浆液流动两相流模型。

8、模拟过程：根据入口管径、流速等设计出收集器初始几何模型(参数只需在范围内随意选取一个即可)，网格划分后将浆液流体力学数据作为模拟的基础参数输入到两相流模拟模型中，根据对浆液流动进行30min、1h的流动模拟，观察分散相浓度的变化以及管道内惰性物可以堆积的位置。

9、依据入口直径d0，前后直径比d/d参数选择在1.5-3范围内，对喉管直径d和沉降直管直径d进行选择，喉管角度(优选为水平)、长度(优选长度等于管径)自行选择，收集器直管长度依据模拟结果浆液经过文丘里效应后流动状态重新稳定的距离决定。对于上述参数的所有组合进行参数化扫描优化(即对面每一个参数组合都进行模拟，观察分散相浓度变化)，最终得出分散相浓度最低的参数组合及其位置，即为惰性物出料位置。

10、具体的，本发明提供了一种餐饮垃圾浆液惰性物颗粒收集方法，包括以下步骤：

11、(1)通过对特定管段餐饮垃圾浆液进行初始流速测试、惰性物颗粒初始浓度、密度测试并进行统计，从而确定收集装置设计参数及最佳布置位置和工况，并对惰性物去除量以及收集器布置数量、周期进行估算。

12、优选地，首先需要对预处理管段进行调研，选取制浆后管段(制浆机与除砂除杂单元间的连接管段)、除砂除杂后管段(除砂除杂与除油单元之间连接管段)、三相分离后管段(进入均质罐前管段)这三段管段，收集器应安装流速稳定的管段。

13、根据参数化扫描的结果选取模拟终态(例如经过20-60min的测试)惰性物颗粒浓度最小的结果，通过两者之差估计出惰性物的去除量。布置器数量由所需惰性物去除率决定，若模拟初始浓度为a％，模拟后颗粒最小浓度为b％，要求浓度为c％，那么所需布置器数量n的计算公式如下：

14、

15、取整即可。

16、运行周期为每天收集两次即每隔4小时收集一次，每天可根据浆液质量调整周期。

17、(2)将文丘里式惰性物颗粒收集器在步骤(1)中确定的最佳布置位置进行布置，挂好收集装置中的滤网，管道接口确定牢固；进行初步沉降测试，调整并优化参数，测试完毕后投入正式使用。

18、首先，可以依据初步沉降效果判断是否需要调整开口位置及颗粒收集管管径大小，然后，根据现场惰性物冲洗和筛分情况判断是否需要改变筛网孔径，再根据沉降效果确定最终沉降周期。

19、(3)通过步骤(1)中测得并估算的惰性物颗粒的浓度、密度计算合理的惰性物颗粒回收周期，每次测试沉降收集结束后人工打开收集管道口，将沉降的惰性物颗粒通过收集管道排出，根据收集情况进行收集器位置和沉降周期的调整；收集的惰性物进入预处理出渣系统，通过滤网的浆液重新回到预处理系统。

20、(4)重复步骤(3)，直到调整得到一个稳定的惰性物回收周期，形成了流程化的餐饮垃圾浆液惰性物颗粒的收集系统，减少了浆液中细惰性物颗粒含量，进入可持续的去除模式阶段。

21、优选地，当每天惰性物收集管收集颗粒波动高度小于5cm，且最终收集惰性物颗粒效果连续一周稳定即可视为达到稳定。

22、优选地，所述的初始流速测定方法包括：

23、使用流速仪进行测定，粘度使用流变仪进行测定；

24、绘制出预处理浆液管段流速分布图；

25、收集样本后惰性物颗粒初始浓度通过烘干、重量法进行测定，根据测定数据绘制浆液流动云图和颗粒分布云图。

26、将根据现场工艺浆液初始流速测定、惰性物初始浓度、密度测定，通过装置设计实验和ansys fluent流体模拟试验进行确定，并且根据实际浆液惰性物含量进行调整。

27、优选地，所述的对目标管段文丘里结构设计基于已有浆液流速测定及浆液惰性颗粒物初始浓度、密度数据，对文丘里管的参数进行模拟参数化扫描，从而得到沉降时间、直径比、初始流速、文丘里喉管直径等参数的最佳组合，根据模拟结果选取具体的装置参数、设置位置。喉管是指文丘里管中直径最小的一段直管。

28、优选地，所述的文丘里式餐饮垃圾浆液惰性物颗粒收集器包括入口管道接口、变径文丘里管、沉降直管、观察冲水管、颗粒收集管、滤网、浆液流动管、渐缩管、出口管道接口。

29、优选地，所述的惰性物颗粒收集装置为利用文丘里效应使得惰性物颗粒与浆液主体分离，惰性物颗粒收集装置以沉降直管为主体，根据模拟结果在直管惰性物颗粒沉降累积处设置开孔，开孔对应位置上部设置观察冲水口，方便观察沉降情况且在收集惰性物颗粒时进行冲洗。

30、优选地，变径文丘里管后为惰性物颗粒收集装置，其中与文丘里管连接的是沉降直管，与沉降直管上端连接的是观察冲洗管，下端连接颗粒收集管，直管出口连接渐缩管和出口管道接口，三部分共同组成惰性物颗粒收集装置。

31、优选地，所述的餐饮垃圾浆液惰性物颗粒收集器，包括沉降直管、观察冲水管、连接管、颗粒收集管、浆液流动管五部分组成，观察冲水管用于观察惰性物沉积情况并在收集时冲水利于惰性物全部进入收集管，颗粒收集管设有滤网并且可拆卸为两部分，液相部分通过滤网重新回到浆液池，惰性物颗粒收集外运。

32、优选地，所述的更换滤网操作由人工进行完成，通过拆分餐饮垃圾浆液惰性物颗粒收集器浆液流动管，直接取出颗粒收集管段，连同其中的惰性物一并取出，并且更换新的收集滤网，与浆液流动管道重新连接，开始新的一轮垃圾收集过程。

33、相应的，本发明还提供了一种餐饮垃圾浆液惰性物颗粒收集装置，包括文丘里式餐饮垃圾浆液惰性物颗粒收集器；所述的文丘里式餐饮垃圾浆液惰性物颗粒收集器，包括入口管道接口、变径文丘里管、沉降直管、观察冲水管、颗粒收集管、浆液流动管、渐缩管、出口管道接口；

34、入口管道接口、变径文丘里管、沉降直管、浆液流动管、渐缩管、出口管道接口依次连接，沉降直管的内径大于入口管道接口和出口管道接口的直径，变径文丘里管的内径是文丘里式餐饮垃圾浆液惰性物颗粒收集器中内径最小的部分；

35、沉降直管一侧设置观察冲水管，在与观察冲水管对应的、沉降直管的另一侧设置颗粒收集管。

36、优选地，颗粒收集管包括颗粒收集管包括连接管和滤网，通过滤网的浆液重新回到浆液池，惰性物颗粒收集外运。在连接管、颗粒收集管之间设置连接管管盖。优选为直接进入浆液池，也可以浆液收集后再送入浆液池。

37、如图1所示，文丘里式餐饮垃圾浆液惰性物颗粒收集器由以下特征部件构成：(1)入口管道接口；(2)变径文丘里管；(3)变径直管；(4)观察冲水管；(5)连接管；(6)颗粒收集管管盖；(7)颗粒储存管；(8)滤网；(9)浆液流动管；(10)出口管道接口。

38、文丘里效应，也称文氏效应，该效应表现在受限流动在通过缩小的过流断面时，流体出现流速增大的现象，其流速与过流断面成反比。而由伯努利定律知流速的增大伴随流体压力的降低，即常见的文丘里现象。通俗地讲，这种效应是指在高速流动的流体附近会产生低压，从而产生吸附作用。利用这种效应制作的管道称为文氏管。

39、本发明提供了一种文丘里式餐饮垃圾浆液惰性物颗粒收集装置，该装置由出入口管道接口、变径文丘里管和惰性物颗粒收集器三部分组成。惰性物颗粒收集器包括观察冲水管、沉降直管、颗粒收集管三部分组成，观察冲水管用于观察惰性物沉积情况并在收集时冲水利于惰性物全部进入收集管，颗粒收集管设有滤孔并且可拆卸为连接管、颗粒储存管和浆液流动管三部分，通过滤网的浆液重新回到浆液池，惰性物颗粒收集外运。

40、变径文丘里管前后半径比及喉管的长度通过流体模拟确定最佳值，依靠文丘里效应在喉管内迅速加速浆液流动，进入到变径沉降直管后惰性物颗粒由于重力与浆液主体分离沉降至管底。

41、沉降直管上方连接的是观察冲水管，在收集管正上方设置比收集管直径大50mm的观察口，便于清理惰性物颗粒时观察颗粒沉降状态。同时可以从上方冲入工艺水帮助惰性物颗粒全部进入收集管。

42、颗粒收集管由连接管、颗粒储存管、滤网和浆液流动管四部分构成，颗粒储存管储存沉积的惰性物颗粒，滤网可以阻拦颗粒使液相浆液通过。沉降直管在惰性物出口处做类似三通的短连接管(图1中所示)，即沉降直管和连接管是一体的，颗粒收集管与连接管相连，与沉降直管为垂直关系。

43、本发明的餐饮垃圾浆液惰性物颗粒收集装置，可用于餐饮垃圾浆液惰性物颗粒收集与可持续回收的模块化处理。

44、优选地，沉降直管上方连接的是观察冲水管，在收集管正上方设置比收集管直径大50mm的观察口，便于清理惰性物颗粒时观察颗粒沉降状态；或者从上方冲入工艺水帮助惰性物颗粒全部进入收集管。

45、优选地，所述的惰性物颗粒收集管中，连接管部分设置管盖，在工艺正常运行时管盖关闭，在到达沉降周期后管盖人工开启并与带滤网的颗粒收集管相连，被冲洗的惰性物颗粒被滤网截留至储存管内，浆液和小颗粒有机物通过滤网后重新回到预处理系统。

46、前述的入口管道接口一般与工艺运输管道管径相同，以便同统一初始流速的设定。

47、前述的出口管道接口为变径出水口，可以使浆液速度增大，变径后与原工艺管径相同，前后管径不变可以使得整体工艺不变的情况下进行改造。

48、前述的惰性物颗粒收集管分，连接管部分设置管盖，在工艺正常运行时管盖关闭，在到达沉降周期后管盖人工开启并与带滤网的颗粒储存管相连，被冲洗的惰性物颗粒被滤网截留至储存管内，浆液和小颗粒有机物通过滤网后重新回到预处理系统。

49、本发明首次使用文丘里效应作为餐饮垃圾浆液中惰性物颗粒的收集动力，并围绕使用基于该效应的收集装置形成了一套完整的模块化餐饮垃圾浆液惰性物颗粒收集与可持续回收的方法。

50、目前暂时未查找到有关浆液中细惰性物颗粒去除方法的报道，本发明所述的餐饮垃圾浆液惰性物颗粒收集方法有以下优势：

51、通过在预处理工艺的管道上添加一定数量的本发明所述的文丘里式惰性物颗粒收集器可以实现对惰性物颗粒的收集，减少预处理段管道、设备的磨损，减少进入厌氧罐的惰性物含量。该装置不在现有工艺上添加大型设备，占地小，成本低，在不需要时可以直接由相同长度的直管代替，具有模块化优势，降低了处理成本，并实现了惰性物颗粒回收的周期化、可持续化，为餐厨垃圾资源化提供了便利。