在湿垃圾源头分类短期成效低、传统预处理又面临挑战的情况下，高压挤压如黑夜划过的一道光亮，但它是预处理的终极手段，还是外强中干？本文从有机质损失率、除杂除砂率、产沼率、停留时间、经济性、案例六个角度一探究竟。
1. 传统预处理介绍
我国餐厨垃圾有三高：含水高、含杂高、含油高，其中杂质高影响最大，因而合适的预处理是系统运行的关键。
国内外预处理工艺大方向基本趋同，基本围绕分选、制浆、除油三部进行。当前应用较广的预处理技术为人工分选+破袋+滚筒筛+磁选+精分制浆+除砂除杂+油水分离，但弊端较多。
在此基础上，又出现了系列改进工艺，例如普拉克在重庆黑石子项目提出的“滚筒筛（60mm）+自动分选制浆一体机”，实现了制浆除杂一体化，提高了分离效率，但杂质多时，转锤易出现磨损。以及维尔利在上海松江湿垃圾等项目应用的“分选破碎一体机+淋滤水解工艺”， 其原理与制浆分选一体机一致，但粒径更小（20mm），且利用淋滤水解可低成本地回收有机质，但水解需2-3天，占地较大。
但总体而言，传统预处理仍面临如下弊端：
传统分选效果较差。餐厨浆料含杂多，尤其经过分选或破碎后大量惰性物进入后续系统，一方面加重了高速提油等设备的磨损；另一方面，轻质浮渣中纤维类物质影响厌氧体系的通透性和产沼率；大密度硬质惰性物如砂砾等会沉积反应池底部，挤占库容，造成水力短流，阻碍排泥，影响搅拌。
杂质多，过度筛分导致成本增加及有机质损失。为规避杂质过多的问题，当前常采用过度的筛分分离设备，由此拉长工艺链，增加了系统的投资和运营成本，同时造成大量有机质在筛分分离过程中大量损失。部分传统分选案例，沼气产量偏低，仅约40m³/t 厨余垃圾。
餐厨成分复杂多变，传统工艺复杂，工艺链长。传统分选主要根据垃圾物理性质，如密度、粒度、光学、电磁特性等，采用手选、筛选、重选、磁选、浮选等装置，工艺链长，由此带来臭气控制问题、投资成本及运营成本高、复杂工艺带来的卡、堵问题、操作管理等问题。
成分差别大，缺少普适性。我国幅员辽阔，各地饮食习惯不同，餐厨垃圾成分差别大，例如东部沿海贝壳多，西南油脂多。较大的差异导致预处理系统缺乏普适性，国外工艺在国内水土不服即是表现之一。
由上可见，好的预处理应满足：
最大化去除杂质；
最大化保留有机质及油脂；
适应性好，能接受各类干扰物；
自动化程度高，人工恶劣环境的暴露少；
臭气少，经济性高；
对准则1及2， 2017年《餐厨垃圾处理厂运行维护技术规程征求意见稿》要求如下：
杂质分选率>95%、除砂率>90%。
有机物损失率<5%。若只追求预处理出料纯度，前端就难免以损失有机物为代价 ，二者存在技术上的相互制约 ，因此需寻求一个平衡点。目前运行厂有机物损失率约 10%。
制浆粒径<8mm（国外<12mm）、油脂提取率>95%。
2. 高压挤压预处理
在源头分类短期之内成效低、传统预处理又面临挑战的情况下，高压挤压似乎是一个现实的选择。
高压挤压技术（High Pressure Extrusion，HPE）源于国外，主要用于生活垃圾、有机垃圾的预处理，处理规模约200-1000t/d，代表企业包括加拿大的Anaergia（参见新加坡餐厨垃圾案例）等。
其基本过程是将 10~100MPa 压力作用在垃圾上，延展性好的有机物从筛孔被挤出，即呈浆状的湿组分；其它垃圾则在箱体内被压缩成干饼状的干组分。干组分焚烧发电，湿组分厌氧消化。
区别于常螺旋挤压将餐厨垃圾含水率从83%降低至73%，高压挤压后干组分含水率仅约35%。
尽管听起来简单高效（如下图示，来源：启迪桑德），但当HPE近两年国内应用之时，却遭到较大争议。以下从三方面进行分析。
2.1 技术面1：厌氧预处理指标分析
Jank 等对餐厨及庭院垃圾的混合垃圾进行20~30MPa挤压试验，筛孔直径为 8mm，获得湿组分量约 87%。湿组分中，有机物含量占比90%（有机物损失率约10%），且有机质粒径小于10 mm 的占 94%，有利于厌氧消化，经 21 d 发酵，其产甲烷量达到 360 mL/gVS。此外，近100%的硬塑料、99%的金属、92%的玻璃残留于干组分，分离效果显著。
但从整体分离角度而言，单纯挤压的除砂率仅43%、杂质分选率约74%，效果较差（国内要求杂质分选率>95%、除砂率>90%），尤其是57%的砂砾及33%的塑料膜进入到了湿组分。碎玻璃、砂石类等重质惰性物会磨损设备、挤占库容。而碎塑料、废纸等轻杂质易漂浮于消化液液面和缠绕在搅拌器上，造成搅拌不充分，液面浮层还会阻碍 H2/CO2型产甲烷过程。
可见直接高压挤压，有机质损失率与国内主流预处理工艺相似，但湿组分中存在一定杂质，导致湿组分厌氧消化前需进一步筛分。
鉴于此，国内近两年兴起的挤压预处理进一步考虑了除砂除杂。例如专利CN108015099A公开了基于两级挤压技术的餐厨垃圾预处理工艺和系统，该方案相比于常规预处理具有一定优势，但也存在利用缓冲池进行排砂处理，实际去除效果不佳，后续物料中仍含有部分砂质杂质。
启迪桑德在此基础上，进一步改进。基本过程为餐厨垃圾在10～20MPa下挤压，湿组分从挤压腔表面小孔（3～6mm，孔径更小）挤出，含固率约10％～20％，其它干组分在排料口排出，含固率约40％～50％。湿组分（餐厨浆料）通过输送泵送至沉砂单元，沉砂机内剩余浆料通过溢流方式流出并进入物料缓存罐暂存，再输送至除杂单元，用于去除浆料中存在的部分轻质杂质，从而保护后续油水分离设备；最后浆液经加热及缓冲，进入三相分离。
以桑德200t/d餐厨垃圾为例，杂质总计约11t，经高压挤压后，杂质分选率约73%，挤压后的湿浆料仍含有约27%的轻质杂质（塑料片、纤维等，约10t，TS30％）。但沉砂机似乎尚未启用，除砂率及有机物损失率未知。
由此可见，高压挤压无法直接替代传统预处理系统，挤压后仍需进一步除杂，但其简单高效的完成了初步的制浆除杂一体化，从这个角度，叫高压挤压制浆除杂一体化机似乎更合适？
2.2 HPE对后续厌氧其他影响
考虑高压可能对微观结构的改变，因此有必要考察高压挤压对后续厌氧的影响。
1） 高压挤压可促进有机物水解酸化。
清华大学与北京环卫利用小型高压挤压装置，以10~40MPa 挤压自配的生活垃圾，表明预处理后湿组分COD、VFA、蛋白质溶出量和溶出速度都有所提高。因为压力越大，其结构受到高压的破坏越严重，颗粒物更小，比表面积越大。同时，细胞壁和细胞膜破坏更彻底，胞内有机物溶出越多，一些聚合大分子在高强度挤压过程中还可能遭到破坏，改变其溶解特性，这有益于水解酸化过程。这对于提高高 TS 底物产沼效率帮助极大，因为高TS底物中，水解是限速步骤。这在董村生活垃圾挤压运行结果中得到验证。
2） 高压挤压可转变一些不能降解的有机物。
由于木质纤维素结构坚硬，通常仅30-50％的有机物能实现降解产沼，Hjorth等研究显示，针对以纤维素为主的生物质挤压挤压后绝大多数样品沼气产量增加10%-20%。这是由于挤压使颗粒变小，增加了比表面积，同时有机聚合物在压力及压力释放瞬间的剪切力作用下遭到破坏，木质素-半纤维素-纤维素结构遭到分解，从而溶解糖和溶解干物质得以增加（TDS和溶解游离糖分别增加了高达60％和30％），为厌氧增加了小分子碳源，二者共同提高了物料的降解率（即沼气产量，尤其是有机聚合物的破坏）和降解速度（从而减小停留时间）。
小麦秸秆（含固率40%）高压挤压前后图
这验证了Karunanithy等研究，高压挤压的确会对纤维素、半纤维素、木质素、蛋白质等产生解聚作用。如果压强够大，还能产生热作用。类似研究还有：Marousek等对颗粒状干草的挤压预处理导致沼气产量增加了33％、Pilarski等对玉米青贮饲料挤压后甲烷产量提高35％。
由此可见，针对当前我国火热开展的厨余垃圾，其含杂率更高，且多为未经热处理的“生料”，纤维素类含量高，致有机成分生物降解过程长，高压挤压似乎不失为一个好的选择（广州600t厨余垃圾即采用高压挤压技术）。
3） 过高压力会导致酸抑制及更多杂质挤出。
当然，并不是压力越大越好。清华大学研究显示，过高压力（40 MPa）加剧了湿组分在水解酸化过程中的酸抑制（小分子酸性物质快速大量产生，同时强大挤压力破坏微观结构，使胞内有机物提前释放）。40MPa 压力下湿组分水解液初始 pH 值低至 4.7，出现明显酸抑制，因此 20MPa和 30MPa 压力相对更适宜。
类似地，龙澄环保研究表明在40 MPa条件下，虽然干组分含水率更低，但C、H元素含量下降，热值也有所降低，同时湿组分厌氧消化性能也劣于20 MPa获得的湿组分。原因是高压力下，更多的塑料、纸张等难降解、高热值的组分随湿组分被挤出，导致湿组分杂质增加，同时也影响物料C/N比，从而导致缺氮或氨氮浓度过高。
2.3 经济性
整体而言，对高压挤压的经济性目前尚无全面完善的评估，以下选取国内外两项研究结果供初步参考：
据清华大学及北京环卫数据，高压挤压设备投资成本为9万元/吨，运营成本40元/吨，电耗12kwh/吨。
丹麦Hjorth针对纤维素为主的生物质挤压研究实现，相比Q1，Q4挤压了1500吨，由此沼气产量增加了90%，这相当于975MWh（尽管这种增加是物料干物质翻倍和挤压的共同作用，但挤压带来的增加作用依然非常明显），但对应挤压能耗仅为68MWh。
据2014年推测，丹麦挤压设备的维护及折旧成本约 140元/t生物质。加上电耗，挤压设备成本总计约200元/t。相比增加的沼气产量，挤压增加收益约220元/t。
大规模商业应用的经济性，可参考如下应用案例。
2.4 国内应用案例
伴随湿垃圾的火热，高压挤压近两年开始在国内崭露头角，主要应用如下。
1） 启迪桑德：国内高压挤压案例及专利最多企业。
湿垃圾高压挤压技术目前授权专利25项，其中发明专利5项，相关设备参数如下：
目前公司已实施15条餐厨垃圾、2条生活垃圾高压挤压预处理线。包括
金华市餐厨垃圾110 t/d，配置1条分选破碎线+1条高压挤压线，2015年运行。
成都市中心城区餐厨垃圾330t/d，配置2条高压挤压线，2018年运行。
齐齐哈尔市餐厨-污泥项目200t/d，配置1条高压挤压线，2018年运行。
北京市阿苏卫生活垃圾1600t/d，配置4条传统预处理线和1条高压挤压处理线。
以成都二期为例，项目采用2套高压挤压机，单套处理能力为20t/h，功率为100KW 。高压挤压后有少部分塑料片、纤维等轻物质随湿物料一起被挤出，因而配套设计有除杂机。同时，在厌氧罐内有去除浮渣及检验浮渣厚度的措施，厌氧罐具备长期运行排砂、排浮渣的功能。
2）朗坤-国内首个厨余高压挤压且单体规模最大项目
公司在16年研发的生活垃圾高压挤压分离基础上，进一步研制了厨余垃圾挤压分离设备。代表案例为广州东部生物质综合处理中心，主要处理广州中心六区的餐饮+厨余垃圾、动物固废、粪污等有机固废，投资8.5亿，一期处理2040吨/天，全球最大有机垃圾处理项目，其中厨余垃圾600t，是国内单体规模最大的高压挤压项目，也是国内首个将高压挤压应用到厨余垃圾的项目。
其中核心为“LHP超高压挤压分选系统”，通过350个大气压（35MPa，因为先进行了风选，所以避免了过高压力将轻质杂质压入有机组分？）的超高压机械液压挤压，压榨机采用柱塞式压榨机，单机处理能力15t/h，压榨孔直径为8mm，压力达50~90Mpa。
3） 龙澄环保-引进意大利超高压压榨分质技术
公司“压榨分质与高效惰质化处理”技术是国家“十二五”科技支撑计划项目研发成果，目前在深圳下坪示范基地建有生活垃圾超高压分离示范工程。公司引进于意大利设备技术，依靠近100Mpa超高压干湿分离技术，将生活垃圾分为干湿两类处理，目前也在开展湿垃圾高压挤压预处理。
4）北京环卫：生活垃圾挤压-干式厌氧+焚烧
北京环卫集团在北京市董村环卫综合处理厂内建成50t/d生活垃圾干式厌氧发酵工程，以100 MPa超高压直接挤压原生垃圾，干组分焚烧，湿组分物料送入推流式干式厌氧发酵罐。在55℃、含固率25％～35％、停留时间25 d的情况下，整体运行良好。单位有机质产气量433m3/t，有机质平均转化率64％，甲烷为53％～64％。
总体来看，高压挤压预处理优势如下：
简单高效，快速实现垃圾干湿分离提质。
集破碎、分选、制浆于一体，工艺路线短，故障点少，占地小。
可24小时全自动连续运行，系统操作简单。
一步完成制浆，无需加稀释水，节省大量外源水，减少后续沼液处理量。
高压挤压对纤维素、半纤维素、木质素、蛋白质等产生解聚作用，挤压后湿组分COD、VFA、蛋白质溶出量和溶出速度都有所提高，改善了有机质生化处理性能，提高了有机物可利用率及产沼率。
总投资和运行维护成本低。
普适性好，尤其适合含杂高的有机垃圾，如厨余垃圾。
与此同时，高压挤压技术也面临如下挑战：
除杂除砂效果无法完全直接替代现有预处理系统，需进行相关配套；
技术源于国外，国内理论基础和实践经验少；
高压对设备要求严格，单套设备投资及运维费用较高；
后续研究实践中，还需对高压挤压进行如下方面探索：
设备筛孔孔径、压力与物料、杂质之间关系；
挤压前后物料的理化性质变化、水解酸化过程、产气过程进行综合研究分析比较；
设备国产化研究及运行经济性综合评价；
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原标题：高压挤压：预处理的终极手段？
