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餐廚垃圾粘度測定及影響因素分析

靳紅燕

（北京時代桃源環(huán)境科技有限公司，北京 100085）

餐廚垃圾的處理處置和運輸轉(zhuǎn)移過程中，粘度的大小可直接影響關鍵設備的選型和工藝參數(shù)的確定，因此是工程設計中必須考慮的一個重要因素。尤其在餐廚垃圾厭氧消化工程中，管道輸送、除砂、粉碎、分離等關鍵設備的選型都離不開粘度參數(shù)。但國內(nèi)目前還未見到針對餐廚垃圾粘度的研究，關于餐廚垃圾特性的研究中也較少涉及粘度指標，更無相關的專題報道。本文選取北京海淀區(qū)4個大型餐廳的餐廚垃圾為研究對象，對餐廚垃圾的粘度進行了測定，并對測定結(jié)果及影響因素進行了分析，旨在為餐廚垃圾的粘度測定、餐廚垃圾的特性研究提供一些啟示和參考，并為餐廚垃圾厭氧工程設備選型及工藝參數(shù)確定提供一些理論依據(jù)和建議。

關鍵詞：餐廚垃圾 粘度 溫度 含固率

Determination of Viscosity of Kitchen Garbage and Analysis on the Influence Factors

Jin Hongyan

（ Beijing Fairyland Environmental Technology CO., Ltd., Beijing 100085）

During the process of dispose and transport of kitchen garbage, the size of viscosity is a considerable and necessary factor. It may direct affect the model selection of key equipment and the determination of technological parameters. Particularly, in the engineering design of kitchen garbage anaerobic digestion, the model selection of key equipments in pipeage, degritting, smash and separate are relate to the value of viscosity. However, there has been no report aimed at viscosity of kitchen garbage at home, and few studies of kitchen garbage characteristic refer to viscosity index. Moreover, the special coverage about it is scarce. In present study, the viscosity of kitchen wastes from four university canteen were investigated and determined. The results and influencing factors were analysed. We aim to provide some inspiration and reference in the viscosity determination and characteristics of kitchen garbage, and some theoretical basis and suggestion for the model selection of equipment and the determination of technological parameters of the engineering design of kitchen garbage anaerobic digestion.

Key words: kitchen waste; viscosity; temperature; solid content

餐廚垃圾是城市日常生活中產(chǎn)生的主要垃圾之一，管理不嚴，會被不法分子提煉后變成地溝油，威脅人們的食品安全及身體健康，處理不當會造成嚴重的環(huán)境問題。目前我國也越來越重視餐廚垃圾的處理和處置。國內(nèi)外餐廚垃圾資源化技術主要有飼料化技術、肥料化處理技術、生物厭氧發(fā)酵處理技術和生物柴油技術等^{[1, 2]}，而厭氧發(fā)酵技術具有資源化程度高、壞境友好等優(yōu)點，是目前較為認可的處理方法。

餐廚垃圾厭氧處理工程中離不開對物料的粉碎、除雜、輸送、攪拌等環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)的設備選型直接影響著整個工程的質(zhì)量、壽命及經(jīng)濟性，而這些設備選型又都離不開粘度這個參數(shù)，可見粘度對于餐廚垃圾厭氧發(fā)酵工程的重要性。但由于國內(nèi)餐廚垃圾厭氧發(fā)酵技術剛剛起步，所以針對餐廚垃圾特性方面的研究還比較少，也較少涉及餐廚垃圾的粘度指標，更無針對粘度的相關的專題研究及報道。潘麗愛等對餐廚垃圾特性進行了較全面的試驗研究，其中提到餐廚垃圾的粘度，但未說明粘度的詳細測試方法，也未對粘度做深入探討^[3]。

本文對北京市海淀區(qū)4個餐飲單位的餐廚垃圾進行取樣，混合制漿后對粘度進行了測定和分析，旨在為餐廚垃圾的粘度測定、餐廚垃圾的特性研究提供一些啟示和參考，并為餐廚垃圾厭氧工程設備的選型及工藝參數(shù)確定提供一些依據(jù)和參考。

1       材料與方法

1.1實驗材料與儀器

（1）實驗設備：NDJ-1旋轉(zhuǎn)粘度計、250ml燒杯、500ml燒杯、50ml燒杯、家用粉碎機（飛利浦HR2094三合一攪拌機、九陽JYL-C051 攪拌機）、分析天平、鼓風式烘箱、恒溫水浴鍋、溫度計、玻璃棒。

（2）實驗材料：餐廚垃圾樣品，去離子水。

1.2 采樣與制樣

（1）采樣時間：2011年11月13日下午2點至5點之間。

（2）采樣地點：北京市海淀區(qū)4家餐飲單位，每個餐飲單位取2~3kg。其中酒店一個，普通酒樓一個，快餐店一個，大學學生食堂一個。

（3）采樣方法：采樣時，用粗木棒將餐廚垃圾桶內(nèi)的物料進行攪拌均勻后，用勺子直接盛取2~3kg的垃圾放入塑料取樣小桶中帶回實驗室備用。

（4）制樣方法

從每個餐飲單位取回的餐廚垃圾，全部倒入一個較大的容器中，進行充分混合?；旌虾筇舫龃髩K重物質(zhì)（圖1-1，剔除大塊物質(zhì)后的垃圾）后，再用飛利浦三合一攪拌機將樣品全部打成顆粒小于10mm的漿狀液體（圖1-2，制漿后的垃圾），漿液再次混勻后，取適量儲存于密封保鮮盒中作為待測樣品。

圖1-1  餐廚垃圾制漿前                     圖1-2  餐廚垃圾制漿后

1.3 實驗方法

實驗設置1個對照，5個處理（圖1-3），處理方法如下：

對照： 漿狀垃圾原樣，取適量測定其TS（注：TS即含固率，是指混合物中固體成分含量的百分比）；

處理1：將漿狀垃圾原樣加水調(diào)至TS為18%的漿液；

處理2：將漿狀垃圾原樣加水調(diào)至TS為16%的漿液；

處理3：將漿狀垃圾原樣加水調(diào)至TS為14%的漿液；

處理4：將漿狀垃圾原樣加水調(diào)至TS為12%的漿液；

處理5：將漿狀垃圾原樣加水調(diào)至TS為10%的漿液。

分別測定每個處理在溫度：20℃~30℃， 40℃~50℃， 60℃~70℃， 80℃~90℃的表現(xiàn)粘度；每個處理設置兩個平行，每個平行取垃圾漿液250ml，每個平行樣品測定5次。

餐廚垃圾各特性的檢測方法 ：

（1）樣品TS：直接干燥法（GB 5009．3－85）；

（2）粘度：粘度計法。

圖1-3  不同TS的餐廚垃圾漿液樣品

2.結(jié)果與討論

2.1餐廚垃圾粘度隨溫度及TS的變化

漿狀垃圾原樣的TS為20.1%。本次取樣測得的餐廚垃圾漿液粘度值如表2-1所示。值得說明的是餐廚垃圾漿液在TS為20.1%的時候，用旋轉(zhuǎn)粘度計較難準確測定其粘度值，其表現(xiàn)為：用3號轉(zhuǎn)子，讀數(shù)表盤顯示滿量程，用4號轉(zhuǎn)子，讀數(shù)表盤顯示在10格以下^[7]，而且每次讀數(shù)相差較大，因此無法用NDJ-1旋轉(zhuǎn)粘度計準確測得其粘度值。如需要準確測試其粘度值，筆者認為需要對漿液進行再次處理或?qū)ふ移渌鼮楹线m的粘度計。

表2-1餐廚垃圾粘度值 mPa.s（20s左右的讀數(shù)）

注：此次測定的垃圾漿液，在TS=20.1%的時候，無法用NDJ-1旋轉(zhuǎn)粘度計準確測得其粘度

2.1.1餐廚垃圾漿液的粘度隨溫度的變化

圖2-1 不同濃度的餐廚垃圾漿液粘度隨溫度的變化

由圖2-1可見，在TS為18%的時候，垃圾漿液粘度值隨著溫度的升高而升高。而含固率在10%~16%之間的漿液，粘度值則隨溫度的上升，呈現(xiàn)下降趨勢，但當溫度高于70℃時，粘度值又有所上升。但可以看到不同TS的漿液粘度都是在60℃~70℃ 之間達到一個較低的值。這有可能是餐廚垃圾中含有淀粉等物質(zhì)，蒸煮的過程中，導致糊化，從而增加了漿液的粘度。當TS較低時淀粉含量相對較少，糊化作用不明顯，只有當溫度達到一定值，才會表現(xiàn)出粘度上升，但當TS較高時，糊化作用較為明顯。那么可以看出，對于TS較高的餐廚垃圾漿液，提高溫度，反而有可能會增大其粘度。而對于TS較低的餐廚垃圾漿液（低于18%），可通過提高物料溫度來降低其粘度。那么在實際工程應用當中，可以通過控制物料溫度使設備運行達到一個良好的效果。比如利用水力旋流器對餐廚垃圾漿液進行除沙的過程中，降低粘度可有效提高旋流器的分離效率，那么我們可采取適當提高漿液溫度的方法。但根據(jù)以上分析結(jié)果可知不易超過70℃，過高的溫度不但起不到降低粘度的效果，還會使得能量的投入增加，在工程上來說是不經(jīng)濟的。

2.1.2餐廚垃圾漿液粘度隨含固率的變化

圖2-2 不同溫度下粘度隨TS的變化

由圖2-2可見，餐廚垃圾漿液的粘度隨TS的降低而降低。當TS從18%降低到16%，粘度降低zui快。而且漿液溫度越高，隨TS降低越快。可以看出餐廚垃圾漿液粘度對濃度的敏感度要高于對溫度的敏感度，基本上是漿液濃度決定了漿液的粘度，這與污泥相似^[4]。那么在餐廚垃圾工程應用中，應將TS控制在一個較為合適的范圍內(nèi)。TS高可以減少稀釋水及回流水的用量，但過高的TS又會造成漿液粘度過高，影響輸送、粉碎分離、除沙、攪拌等設備的運行效果。那么工程設計時，一味的提高TS或一味的降低TS都是不可取的，因而需綜合考慮，選取一個較為經(jīng)濟的平衡點。例如，將TS維持在16%可能優(yōu)于維持在14%，因為多加入2%的水并未使得粘度有一個顯著的下降（如圖2-2所示）。根據(jù)我們的工程經(jīng)驗，在餐廚垃圾的厭氧消化處理過程中，TS維持在16%左右，物料的輸送、雜質(zhì)分離、攪拌，都能達到一個較好的效果，也較為經(jīng)濟。

2.2 粘度測定影響因素分析

2.2.1 粘度計的選型對測量結(jié)果的影響

（1）粘度計類型

1）旋轉(zhuǎn)粘度計：布氏粘度計及國內(nèi)標準中的NDJ系列.還有一種連續(xù)追蹤淀粉糊化過程中粘度變化zui常用的布拉班德粘度計據(jù)說也是同樣原理；

2）毛細管型：烏氏、品氏、芬氏、逆流等多種形式；

3）杯型：恩氏粘度計、美國的福特杯、日本察恩杯和我國的涂-4杯；

4）落球型；

5）其它：例如一種可以測量在加熱爐中熔化的玻璃或陶瓷液滴的粘度，可以進行粘度、表面張力和接觸角測量，溫度范圍從室溫到1000 ℃或2100 ℃。

（2）能用于非牛頓液體的粘度計

1）毛細管型粘度計：毛細管粘度計制造簡單，價格較低，溫度控制簡單，實驗操作方便，測量精度高，能夠進行粘度的測量，因此毛細管法是一種有吸引力的測量方法。但毛細管容易被小顆粒物堵塞，因此對樣品純度要求較高；另外由于樣品容易與毛細管發(fā)生發(fā)應，因而不適合高溫下使用。尤其當粘度較低的情況下，流體下落速度較快，處理過程就更為復雜。還有一個瓶頸因素就是測量之前還要事先準確測定液體的密度，粘度是基于動力粘度求取，所以密度測量的準確性也會影響到粘度測量精度。餐廚垃圾原料顆粒較大并且含有較多的雜質(zhì)，那么實際工程當中，無論從經(jīng)濟型還是實際操作性上來說，都不可能將其粉碎到很細，因而不適合采用毛細管型粘度計。

2）落球型粘度計：落體粘度計適用于較高粘度的測定，取樣測量，精度較高；對于不透明液體的場合，必須有檢測球落下的特殊裝置；為求粘度還要測定試料的密度，因而此方法也不適用于餐廚垃圾漿液。

3）旋轉(zhuǎn)粘度計： 旋轉(zhuǎn)粘度計廣泛應用于測定油脂、油漆、涂料、塑料、食品、藥物、膠粘劑等各種流體的動力粘度。該儀器結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、方便實用，因而廣受歡迎。它適用于所有的流體，使用簡便，測量準確。因而本次測試我們選擇用了旋轉(zhuǎn)粘度計測定餐廚垃圾漿液。

2.2.2 物料特性對粘度測量結(jié)果的影響

液體有牛頓液體和非牛頓液體之分。牛頓液體的粘度只和溫度有關，隨溫度升高而降低。非牛頓液體的粘度除了與溫度有關外，還與剪切速率、時間有關，并有剪切變稀或剪切變稠的變化。純液體和低分子物質(zhì)的溶液屬于牛頓液體；實際上自然界 90％ 的流體為非牛頓流體，如高分子溶液、膠體溶液、乳劑、混懸劑、軟膏以及固-液的不均勻體系的流動都是非牛頓液體。由于非牛頓液體的表觀粘度隨切變速度和時間變化而變化，故在不同的轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)速和時間下測定，其結(jié)果也不一致。對于非牛頓型流動的粘度通常稱為表觀粘度，與牛頓型流體的粘度加以區(qū)別。表觀粘度是這個粘度值僅與一個剪切速率相關，一種流體在不同的剪切速率下，可以表現(xiàn)出不同的表觀粘度值^[5]。所以一般非牛頓液體的測定應規(guī)定轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)速和時間。使用不同類型的“”粘度計和流變儀測定的非牛頓流體的流變數(shù)據(jù)必須直接對比，相對比較是不充分的，如果使用不同的儀器測定，數(shù)據(jù)又需要進行直接對比時，就需要剪切速度，再把這些表現(xiàn)粘度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成真實粘度數(shù)據(jù)^[6]。

2.2.3 樣品處理對測量結(jié)果的影響

對于餐廚垃圾來講，必須將取回來的樣品進行制漿處理才能進行粘度測定，但樣品的處理方式及處理程度會嚴重影響測試結(jié)果。我們對取回的樣品分別用兩個不同的家用攪拌機進行處理：飛利浦（Philips）HR2094 攪拌機處理中速20秒，九陽（Joyoung）JYL-C051 攪拌機處理20秒，再用同一粘度計進行粘度測定。測試結(jié)果如下：

表2-2 不同處理儀器處理后的餐廚垃圾粘度值 mPa.s（20s左右的讀數(shù)）

圖2-3 不同處理儀器處理后的餐廚垃圾漿液

可以看出，不同的處理方式會也會嚴重影響旋轉(zhuǎn)粘度計的測量結(jié)果，因而如若對不同數(shù)據(jù)進行對比，還需了解其前處理方法和處理程度。

2.2.4 旋轉(zhuǎn)粘度計測量過程中的影響因素分析

（1）轉(zhuǎn)子的選擇對粘度測量結(jié)果的影響

旋轉(zhuǎn)粘度計的使用要領之一是，選擇合適的轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)速，一般來說，示值讀數(shù)控制在20～90格之間為好，如果讀數(shù)偏小如5格附近，引起的相對誤差在10％以上，如果選擇合適的轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)速使讀數(shù)在50格，其相對誤差可降低到1％。如果示值在90格以上，使游絲產(chǎn)生的扭矩過大，很有可能損壞儀器^[7]。

但我們在測試過程中發(fā)現(xiàn)，對于TS較高，懸浮物顆粒較大的漿液，選擇不同的轉(zhuǎn)子，測出的結(jié)果數(shù)值相差很大。如此次測試過程中TS為20%的餐廚垃圾漿液，選擇3號轉(zhuǎn)子，調(diào)到相應的轉(zhuǎn)速，表盤讀數(shù)均為滿量程，顯然不合適，但如果使用4號轉(zhuǎn)子，讀數(shù)又在10格以下，也不合適。那么對于含有較大顆粒物的粘稠液體，旋轉(zhuǎn)粘度計是否適用，如果適用又該如何準確讀數(shù)，國內(nèi)這方面的研究報道還很少見。

（2）粘度計讀數(shù)時間的確定問題

由于非牛頓液體的表觀粘度隨切變速度和時間變化而變化，故在不同的轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)速和時間下測定，粘度也不同。如果僅僅讀取一個時間點上的數(shù)據(jù)，對于不同的物料之間的對比是沒有意義的。的辦法是能夠做出此液體的流動曲線和粘度曲線，但在工程應用上如何應用這些數(shù)據(jù)，還有待更細致深入的研究。

2.3 國內(nèi)相關資料上的粘度數(shù)據(jù)

國內(nèi)目前公開資料上還較少能找到餐廚出垃圾的粘度數(shù)值，所公布的數(shù)據(jù)也都未清楚注明待測樣品的處理方式及測試條件。從上述分析結(jié)果可看出，餐廚垃圾的粘度受到樣品處理方式、測試儀器、測試方法等諸多因素的影響，只知道這些數(shù)值，還不能總結(jié)出有用的規(guī)律和結(jié)論。 因而，筆者認為在公布測試結(jié)果的同時詳細說明測試背景信息是非常有必要的。

表2-3    國內(nèi)其他資料上的餐廚垃圾粘度值 mPa.s

3．結(jié)論與展望

（1）TS為18%的餐廚垃圾漿液的表現(xiàn)粘度隨著溫度的升高而升高，但在溫度在60℃~70℃時，粘度值有一個較大的回落，但當溫度高于70℃時，粘度值繼續(xù)上升。TS為16%、14%、12%、10%的餐廚垃圾漿液的表現(xiàn)粘度隨溫度的升高而下降，當溫度升高到70℃時，粘度值降到zui低，當溫度高于70℃時，粘度值又隨著溫度的升高而升高。

（2）餐廚垃圾漿液的表現(xiàn)粘度隨著TS的降低而降低，尤其TS從18%降到16%時，粘度下降zui快。餐廚垃圾漿液粘度對濃度的敏感度要高于對溫度的敏感度，基本上是漿液濃度決定了漿液的粘度。根據(jù)工程經(jīng)驗及測試結(jié)果分析，TS為16%的餐廚垃圾漿液，對于工程處理及輸送轉(zhuǎn)移都較為合適，也較為經(jīng)濟。

（3）餐廚垃圾漿液的粘度測試，受到粘度計類型、物料本身的特性、物料的處理情況、測試手段和測試過程等諸多因素的影響。因而在不知道原料特性、處理方式、測試方式等條件的粘度數(shù)值，用來作為研究或工程設備選型的依據(jù)是不可靠的，不同背景下得到的粘度值相對比也是不科學的。因而餐廚垃圾處理工程中如需用到粘度值，應詳細了解原料的特性、處理方式和測試方式，當這些情況有變化時，應重新進行測試和討論。

（4）由于餐廚垃圾的粘度受到諸多因素的影響，所以如何得到更準確和有效的數(shù)值，在工程中如何應用這些數(shù)值，還需要做更多的研究。另外在公布測試結(jié)果的同時詳細說明測試過程是非常有必要的。

（5）本次實驗TS和溫度梯度的跨度都比較大，如需對餐廚垃圾粘度的變化有更深入的了解，還應要做更細致的研究和探討。

（6）餐廚垃圾的安全處置和處理，直接影響到我們的食品安全和生活環(huán)境，是必須解決的一個問題。而餐廚垃圾的粘度值，又是實際處理工程中的一個重要參數(shù)，直接影響到處理設備的運行，因而針對此方面的深入的研究是相當有必要的。

參考文獻

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作者簡介：靳紅燕，女，碩士研究生，主要從事餐廚垃圾厭氧發(fā)酵工程的設計和研究，現(xiàn)在北京時代桃源環(huán)境科技有限公司擔任技術工程師。