餐厨垃圾粘度测定及影响因素分析
餐厨垃圾粘度测定及影响因素分析
靳红燕
（北京时代桃源环境科技有限公司，北京 100085）
餐厨垃圾的处理处置和运输转移过程中，粘度的大小可直接影响关键设备的选型和工艺参数的确定，因此是工程设计中必须考虑的一个重要因素。尤其在餐厨垃圾厌氧消化工程中，管道输送、除砂、粉碎、分离等关键设备的选型都离不开粘度参数。但国内目前还未见到针对餐厨垃圾粘度的研究，关于餐厨垃圾特性的研究中也较少涉及粘度指标，更无相关的专题报道。本文选取北京海淀区4个大型餐厅的餐厨垃圾为研究对象，对餐厨垃圾的粘度进行了测定，并对测定结果及影响因素进行了分析，旨在为餐厨垃圾的粘度测定、餐厨垃圾的特性研究提供一些启示和参考，并为餐厨垃圾厌氧工程设备选型及工艺参数确定提供一些理论依据和建议。
关键词：餐厨垃圾 粘度 温度 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
餐厨垃圾是城市日常生活中产生的主要垃圾之一，管理不严，会被不法分子提炼后变成地沟油，威胁人们的食品安全及身体健康，处理不当会造成严重的环境问题。目前我国也越来越重视餐厨垃圾的处理和处置。国内外餐厨垃圾资源化技术主要有饲料化技术、肥料化处理技术、生物厌氧发酵处理技术和生物柴油技术等[1, 2]，而厌氧发酵技术具有资源化程度高、坏境友好等优点，是目前较为认可的处理方法。
餐厨垃圾厌氧处理工程中离不开对物料的粉碎、除杂、输送、搅拌等环节，这些环节的设备选型直接影响着整个工程的质量、寿命及经济性，而这些设备选型又都离不开粘度这个参数，可见粘度对于餐厨垃圾厌氧发酵工程的重要性。但由于国内餐厨垃圾厌氧发酵技术刚刚起步，所以针对餐厨垃圾特性方面的研究还比较少，也较少涉及餐厨垃圾的粘度指标，更无针对粘度的相关的专题研究及报道。潘丽爱等对餐厨垃圾特性进行了较全面的试验研究，其中提到餐厨垃圾的粘度，但未说明粘度的详细测试方法，也未对粘度做深入探讨[3]。
本文对北京市海淀区4个餐饮单位的餐厨垃圾进行取样，混合制浆后对粘度进行了测定和分析，旨在为餐厨垃圾的粘度测定、餐厨垃圾的特性研究提供一些启示和参考，并为餐厨垃圾厌氧工程设备的精确选型及工艺参数确定提供一些依据和参考。
1 材料与方法
1.1实验材料与仪器
（1）实验设备：NDJ-1旋转粘度计、250ml烧杯、500ml烧杯、50ml烧杯、家用粉碎机（飞利浦HR2094三合一搅拌机、九阳JYL-C051 搅拌机）、分析天平、鼓风式烘箱、恒温水浴锅、温度计、玻璃棒。
（2）实验材料：餐厨垃圾样品，去离子水。
1.2 采样与制样
（1）采样时间：2011年11月13日下午2点至5点之间。
（2）采样地点：北京市海淀区4家餐饮单位，每个餐饮单位取2~3kg。其中高档酒店一个，普通酒楼一个，快餐店一个，大学学生食堂一个。
（3）采样方法：采样时，用粗木棒将餐厨垃圾桶内的物料进行搅拌均匀后，用勺子直接盛取2~3kg的垃圾放入塑料取样小桶中带回实验室备用。
（4）制样方法
从每个餐饮单位取回的餐厨垃圾，全部倒入一个较大的容器中，进行充分混合。混合后挑出大块重物质（图1-1，剔除大块物质后的垃圾）后，再用飞利浦三合一搅拌机将样品全部打成颗粒小于10mm的浆状液体（图1-2，制浆后的垃圾），浆液再次混匀后，取适量储存于密封保鲜盒中作为待测样品。
图1-1 餐厨垃圾制浆前 图1-2 餐厨垃圾制浆后
1.3 实验方法
实验设置1个对照，5个处理（图1-3），处理方法如下：
对照： 浆状垃圾原样，取适量测定其TS（注：TS即含固率，是指混合物中固体成分含量的百分比）；
处理1：将浆状垃圾原样加水调至TS为18%的浆液；
处理2：将浆状垃圾原样加水调至TS为16%的浆液；
处理3：将浆状垃圾原样加水调至TS为14%的浆液；
处理4：将浆状垃圾原样加水调至TS为12%的浆液；
处理5：将浆状垃圾原样加水调至TS为10%的浆液。
分别测定每个处理在温度：20℃~30℃， 40℃~50℃， 60℃~70℃， 80℃~90℃的表现粘度；每个处理设置两个平行，每个平行取垃圾浆液250ml，每个平行样品测定5次。
餐厨垃圾各特性的检测方法 ：
（1）样品TS：直接干燥法（GB 5009．3－85）；
（2）粘度：粘度计法。
图1-3 不同TS的餐厨垃圾浆液样品
2.结果与讨论
2.1餐厨垃圾粘度随温度及TS的变化
浆状垃圾原样的TS为20.1%。本次取样测得的餐厨垃圾浆液粘度值如表2-1所示。值得说明的是餐厨垃圾浆液在TS为20.1%的时候，用旋转粘度计较难准确测定其粘度值，其表现为：用3号转子，读数表盘显示满量程，用4号转子，读数表盘显示在10格以下[7]，而且每次读数相差较大，因此无法用NDJ-1旋转粘度计准确测得其粘度值。如需要准确测试其粘度值，笔者认为需要对浆液进行再次处理或寻找其他更为合适的粘度计。
表2-1餐厨垃圾绝对粘度值 mPa.s（20s左右的读数）
|
温度（℃） |
对照（TS=20.1%） |
TS=18% |
TS=16% |
TS=14% |
TS=12% |
TS=10% |
|
20~30 |
测不准 |
1162.0 |
565.0 |
439.0 |
143.3 |
96.0 |
|
40~50 |
测不准 |
1548.0 |
425.0 |
345.0 |
103.8 |
70.4 |
|
60~70 |
测不准 |
1360.0 |
316.0 |
257.0 |
83.5 |
70.8 |
|
80~90 |
测不准 |
1878.0 |
446.0 |
265.5 |
68.5 |
63.5 |
注：此次测定的垃圾浆液，在TS=20.1%的时候，无法用NDJ-1旋转粘度计准确测得其粘度
2.1.1餐厨垃圾浆液的粘度随温度的变化
图2-1 不同浓度的餐厨垃圾浆液粘度随温度的变化
由图2-1可见，在TS为18%的时候，垃圾浆液粘度值随着温度的升高而升高。而含固率在10%~16%之间的浆液，粘度值则随温度的上升，呈现下降趋势，但当温度高于70℃时，粘度值又有所上升。但可以看到不同TS的浆液粘度都是在60℃~70℃ 之间达到一个较低的值。这有可能是餐厨垃圾中含有淀粉等物质，蒸煮的过程中，导致糊化，从而增加了浆液的粘度。当TS较低时淀粉含量相对较少，糊化作用不明显，只有当温度达到一定值，才会表现出粘度上升，但当TS较高时，糊化作用较为明显。那么可以看出，对于TS较高的餐厨垃圾浆液，提高温度，反而有可能会增大其粘度。而对于TS较低的餐厨垃圾浆液（低于18%），可通过提高物料温度来降低其粘度。那么在实际工程应用当中，可以通过控制物料温度使设备运行达到一个良好的效果。比如利用水力旋流器对餐厨垃圾浆液进行除沙的过程中，降低粘度可有效提高旋流器的分离效率，那么我们可采取适当提高浆液温度的方法。但根据以上分析结果可知不易超过70℃，过高的温度不但起不到降低粘度的效果，还会使得能量的投入增加，在工程上来说是不经济的。
2.1.2餐厨垃圾浆液粘度随含固率的变化
图2-2 不同温度下粘度随TS的变化
由图2-2可见，餐厨垃圾浆液的粘度随TS的降低而降低。当TS从18%降低到16%，粘度降低最快。而且浆液温度越高，随TS降低越快。可以看出餐厨垃圾浆液粘度对浓度的敏感度要高于对温度的敏感度，基本上是浆液浓度决定了浆液的粘度，这与污泥相似[4]。那么在餐厨垃圾工程应用中，应将TS控制在一个较为合适的范围内。TS高可以减少稀释水及回流水的用量，但过高的TS又会造成浆液粘度过高，影响输送、粉碎分离、除沙、搅拌等设备的运行效果。那么工程设计时，一味的提高TS或一味的降低TS都是不可取的，因而需综合考虑，选取一个较为经济的平衡点。例如，将TS维持在16%可能优于维持在14%，因为多加入2%的水并未使得粘度有一个显著的下降（如图2-2所示）。根据我们的工程经验，在餐厨垃圾的厌氧消化处理过程中，TS维持在16%左右，物料的输送、杂质分离、搅拌，都能达到一个较好的效果，也较为经济。
2.2 粘度测定影响因素分析
2.2.1 粘度计的选型对测量结果的影响
（1）粘度计类型
1）旋转粘度计：布氏粘度计及国内标准中的NDJ系列.还有一种连续追踪淀粉糊化过程中粘度变化最常用的布拉班德粘度计据说也是同样原理；
2）毛细管型：乌氏、品氏、芬氏、逆流等多种形式；
3）杯型：恩氏粘度计、美国的福特杯、日本察恩杯和我国的涂-4杯；
4）落球型；
5）其它：例如一种可以测量在加热炉中熔化的玻璃或陶瓷液滴的粘度，可以进行粘度、表面张力和接触角测量，温度范围从室温到1000 ℃或2100 ℃。
（2）能用于非牛顿液体的粘度计
1）毛细管型粘度计：毛细管粘度计制造简单，价格较低，温度控制简单，实验操作方便，测量精度高，能够进行粘度的绝对测量，因此毛细管法是一种有吸引力的测量方法。但毛细管容易被小颗粒物堵塞，因此对样品纯度要求较高；另外由于样品容易与毛细管发生发应，因而不适合高温下使用。尤其当粘度较低的情况下，流体下落速度较快，处理过程就更为复杂。还有一个瓶颈因素就是测量之前还要事先准确测定液体的密度，粘度是基于动力粘度求取，所以密度测量的准确性也会影响到粘度测量精度。餐厨垃圾原料颗粒较大并且含有较多的杂质，那么实际工程当中，无论从经济型还是实际操作性上来说，都不可能将其粉碎到很细，因而不适合采用毛细管型粘度计。
2）落球型粘度计：落体粘度计适用于较高粘度的测定，取样测量，精度较高；对于不透明液体的场合，必须有检测球落下的特殊装置；为求粘度还要测定试料的密度，因而此方法也不适用于餐厨垃圾浆液。
3）旋转粘度计： 旋转粘度计广泛应用于测定油脂、油漆、涂料、塑料、食品、药物、胶粘剂等各种流体的动力粘度。该仪器结构简单、价格便宜、方便实用，因而广受欢迎。它适用于所有的流体，使用简便，测量准确。因而本次测试我们选择用了旋转粘度计测定餐厨垃圾浆液。
2.2.2 物料特性对粘度测量结果的影响
液体有牛顿液体和非牛顿液体之分。牛顿液体的粘度只和温度有关，随温度升高而降低。非牛顿液体的粘度除了与温度有关外，还与剪切速率、时间有关，并有剪切变稀或剪切变稠的变化。纯液体和低分子物质的溶液属于牛顿液体；实际上自然界 90％ 的流体为非牛顿流体，如高分子溶液、胶体溶液、乳剂、混悬剂、软膏以及固-液的不均匀体系的流动都是非牛顿液体。由于非牛顿液体的表观粘度随切变速度和时间变化而变化，故在不同的转子、转速和时间下测定，其结果也不一致。对于非牛顿型流动的粘度通常称为表观粘度，与牛顿型流体的粘度加以区别。表观粘度是这个粘度值仅与一个剪切速率相关，一种流体在不同的剪切速率下，可以表现出不同的表观粘度值[5]。所以一般非牛顿液体的测定应规定转子、转速和时间。使用不同类型的“绝对”粘度计和流变仪测定的非牛顿流体的流变数据必须直接对比，相对比较是不充分的，如果使用不同的仪器测定，数据又需要进行直接对比时，就需要指定剪切速度，再把这些表现粘度数据转变成真实粘度数据[6]。
2.2.3 样品处理对测量结果的影响
对于餐厨垃圾来讲，必须将取回来的样品进行制浆处理才能进行粘度测定，但样品的处理方式及处理程度会严重影响测试结果。我们对取回的样品分别用两个不同的家用搅拌机进行处理：飞利浦（Philips）HR2094 搅拌机处理中速20秒，九阳（Joyoung）JYL-C051 搅拌机处理20秒，再用同一粘度计进行粘度测定。测试结果如下：
表2-2 不同处理仪器处理后的餐厨垃圾绝对粘度值 mPa.s（20s左右的读数）
|
处理设备 |
处理时间 |
TS |
粘度mPa.s |
颗粒大小 |
|
中速20秒 |
20% |
无法测得 |
含有大量5mm以上的颗粒物 | |
|
（速度不可调）20秒 |
20% |
1600~1800 |
基本无5mm以上的颗粒物 |
九阳JYL-C051 搅拌机处理20秒 飞利浦HR2094 搅拌机处理20秒
图2-3 不同处理仪器处理后的餐厨垃圾浆液
可以看出，不同的处理方式会也会严重影响旋转粘度计的测量结果，因而如若对不同数据进行对比，还需了解其前处理方法和处理程度。
2.2.4 旋转粘度计测量过程中的影响因素分析
（1）转子的选择对粘度测量结果的影响
旋转粘度计的使用要领之一是，选择合适的转子及转速，一般来说，示值读数控制在20～90格之间为好，如果读数偏小如5格附近，引起的相对误差在10％以上，如果选择合适的转子、转速使读数在50格，其相对误差可降低到1％。如果示值在90格以上，使游丝产生的扭矩过大，很有可能损坏仪器[7]。
但我们在测试过程中发现，对于TS较高，悬浮物颗粒较大的浆液，选择不同的转子，测出的结果数值相差很大。如此次测试过程中TS为20%的餐厨垃圾浆液，选择3号转子，调到相应的转速，表盘读数均为满量程，显然不合适，但如果使用4号转子，读数又在10格以下，也不合适。那么对于含有较大颗粒物的粘稠液体，旋转粘度计是否适用，如果适用又该如何准确读数，国内这方面的研究报道还很少见。
（2）粘度计读数时间的确定问题
由于非牛顿液体的表观粘度随切变速度和时间变化而变化，故在不同的转子、转速和时间下测定，粘度也不同。如果仅仅读取一个时间点上的数据，对于不同的物料之间的对比是没有意义的。最好的办法是能够做出此液体的流动曲线和粘度曲线，但在工程应用上如何应用这些数据，还有待更细致深入的研究。
2.3 国内相关资料上的粘度数据
国内目前公开资料上还较少能找到餐厨出垃圾的粘度数值，所公布的数据也都未清楚注明待测样品的处理方式及测试条件。从上述分析结果可看出，餐厨垃圾的粘度受到样品处理方式、测试仪器、测试方法等诸多因素的影响，只知道这些数值，还不能总结出有用的规律和结论。 因而，笔者认为在公布测试结果的同时详细说明测试背景信息是非常有必要的。
表2-3 国内其他资料上的餐厨垃圾绝对粘度值 mPa.s
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数据来源 |
TS |
粘度 |
测量仪器 |
测量时间 |
测量温度 |
|
某地环卫部门测定数据 |
12.93% |
4875 |
未知 |
未知 |
未知 |
|
《餐厨垃圾特性的试验研究》 （吉林大学生物与农业工程学院） |
26.7% |
1807 |
NDJ-1旋转粘度计 |
未知 |
未知 |
3．结论与展望
（1）TS为18%的餐厨垃圾浆液的表现粘度随着温度的升高而升高，但在温度在60℃~70℃时，粘度值有一个较大的回落，但当温度高于70℃时，粘度值继续上升。TS为16%、14%、12%、10%的餐厨垃圾浆液的表现粘度随温度的升高而下降，当温度升高到70℃时，粘度值降到最低，当温度高于70℃时，粘度值又随着温度的升高而升高。
（2）餐厨垃圾浆液的表现粘度随着TS的降低而降低，尤其TS从18%降到16%时，粘度下降最快。餐厨垃圾浆液粘度对浓度的敏感度要高于对温度的敏感度，基本上是浆液浓度决定了浆液的粘度。根据工程经验及测试结果分析，TS为16%的餐厨垃圾浆液，对于工程处理及输送转移都较为合适，也较为经济。
（3）餐厨垃圾浆液的粘度测试，受到粘度计类型、物料本身的特性、物料的处理情况、测试手段和测试过程等诸多因素的影响。因而在不知道原料特性、处理方式、测试方式等条件的粘度数值，用来作为研究或工程设备选型的依据是不可靠的，不同背景下得到的粘度值相对比也是不科学的。因而餐厨垃圾处理工程中如需用到粘度值，应详细了解原料的特性、处理方式和测试方式，当这些情况有变化时，应重新进行测试和讨论。
（4）由于餐厨垃圾的粘度受到诸多因素的影响，所以如何得到更准确和有效的数值，在工程中如何应用这些数值，还需要做更多的研究。另外在公布测试结果的同时详细说明测试过程是非常有必要的。
（5）本次实验TS和温度梯度的跨度都比较大，如需对餐厨垃圾粘度的变化有更深入的了解，还应要做更细致的研究和探讨。
（6）餐厨垃圾的安全处置和处理，直接影响到我们的食品安全和生活环境，是必须解决的一个问题。而餐厨垃圾的粘度值，又是实际处理工程中的一个重要参数，直接影响到处理设备的运行，因而针对此方面的深入的研究是相当有必要的。
参考文献
[1] 谢炜平,梁彦杰,何德文,等. 餐厨垃圾资源化技术现状及研究进展[J]. 环境卫生工程, 2008, 16(2): 43～45, 48
[2] 尤宇嘉,杨军华. 德国厌氧沼气工程技术在我国餐厨垃圾处理中的应用[J]. 环境卫生工程,2011(06).
[3] 潘丽爱,张贵林,石晶,等. 餐厨垃圾特性的试验研究[J]. 粮油加工, 2009(9).
[4] 张鹏,吴志超,敖华军. 污泥的粘度与浓度、温度三者关系式的实验推导[J]. 环境污染治理技术与设备, 2006, 7(3)
[5] 张小娟,陈秀芳. 浅谈涂料粘度测定原理和检测方法[J]. 涂料技术与文摘,2004, 25(4): 29～31
[6] 施拉姆著,朱怀江译. 实用流变测量学[M]. 修订版. 石油工业出版社, 2009
[7] 徐铁鹰. 旋转粘度计在测量中的正确应用[J]. 计量与测试技术, 2005, 32(2)
作者简介：靳红燕，女，硕士研究生，主要从事餐厨垃圾厌氧发酵工程的设计和研究，现在北京时代桃源环境科技有限公司担任技术工程师。
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