餐厨垃圾固相油脂液化及分离回收的影响因素

餐厨垃圾固相油脂液化及分离回收的影响因素任连海，金宜英，刘建国，聂永丰摘要：为提高餐厨垃圾废油分离回收效率，通过试验研究了湿热温度、处理时间等湿热处理参数和粗粒化床高、油水混合液温度、流速等对餐厨垃圾废油脂分离回收效率的影响。结果表明，160℃湿热处理80min时，餐厨垃圾固相内部油脂液化浸出效果较佳。餐厨垃圾脱出液粗粒化油脂回收的适宜条件为：塑料纤维材料粗粒化效果优于金属丝材料；粗粒化床高35cm，分离床入口油水混合物温度为40℃时油水分离效率较高。另外，在满足处理能力的情况下，适当降低粗粒化床进口液体流速可以提高粗粒化效果，当流速低于0.825m/s时，可以保证油脂回收率为75%以上。关键词：餐厨垃圾；油脂回收；湿热；粗粒化；油水分离中图分类号：X705文献标识码：A文章编号：1000-0054（2009）03-0387-04餐厨垃圾中的高油脂含量为此类垃圾的处理处置带来很多麻烦。例如，油脂发酵极易产生致癌物质——黄曲霉素，危害人类健康[1]；在垃圾生物处理工艺中，油脂会包裹支撑介质，干扰微生物生命活动，影响处理效果；油脂粘附器壁容易造成管路堵塞，等等。因而，在餐厨垃圾处理中通常需要脱除油脂。餐厨垃圾中的废油脂又是理想的生物油燃料和日用化工原料，可以回收再利用[2]。目前对油脂分离回收的研究主要集中于石油、化工行业[3-5]，对于餐厨垃圾中的油脂分离鲜见报道。餐厨垃圾中废油脂以固相内部油脂存在方式为主，常规方法难以分离回收[6]。实验表明，在含水的环境中对餐厨垃圾进行湿热处理，可以促使餐厨垃圾中固相内部的油脂液化浸出，进入液相，从而降低油脂分离回收难度。对于餐厨垃圾脱出液中的油脂，利用粗粒化床可以使分散油和部分乳化油转化为上浮油，然后重力分离。本文通过实验研究，针对餐厨垃圾，探讨了餐厨垃圾固相内部油脂液化浸出和油水双液相系分离的影响因素，确定了餐厨垃圾中废油脂液化浸出和粗粒化分离回收的适宜工艺参数组合，为餐厨垃圾资源化处理技术的研究与推广应用提供理论依据。1实验1.1材料餐厨垃圾取自清华大学学生某食堂剩饭菜，于午餐、晚餐不同时间各取3个样，从星期一至星期日持续7d，共42个样，按国标GB6432-86、GB11901-1989、GB6433-86、规定的测定方法，进行测定分析，取平均值，测定结果见表1。塑料纤维粗粒化材料（密度0.35g/cm3，孔隙率80%），细金属丝粗粒化材料（密度0.65g/cm3，孔隙率80%）。表1餐厨垃圾样品组分含量w/%1.2流程与仪器实验简易流程见图1。实验仪器包括：AY220型分析天平（上海天平仪器厂），DF206型电热鼓风干燥箱（北京医疗设备二厂），KSW-12-12型马福炉（天津市中环实验电炉有限公司），W-O系列恒温油浴加热装置（上海申顺生物科技有限公司），1L不锈钢湿热反应器。图1实验工艺流程简图1.3步骤参照图1所示的实验流程，实验步骤如下：按照GB6433-86规定的粗脂肪测定方法，首先采用索氏提取法测定所取垃圾样品的油脂含量。然后取一定量的餐厨垃圾放进湿热反应器1，加水至淹没固性物表面，进行加热至沸腾，继续蒸煮。压滤脱水，滤液通入带搅拌器的油脂上浮装置2，并用高于85℃热水冲洗滤布上的油脂，所得冲洗液体回到上浮装置2，以20r/min的速度搅拌滤液，当上浮油液面到达溢流管口时，将浮于上层的油脂溢流收集至储油槽3。初步去除上浮油后的滤液经过粗粒化床4，进入末端油水分离器5，进行油水分离，分离得到的油脂也回收至储油槽3。油脂上浮装置2和油水分离器5回收的总油脂量与垃圾中油脂含量之比为油脂总回收率。油水分离器5回收的油脂与垃圾中油脂含量的比为粗粒化床中油脂回收效率。1.4废油红外光谱分析实验将回收自餐厨垃圾的废油提纯以后，以硫酸钡粉末做本底，对废油-硫酸钡混合样品进行扫描，得到以硫酸钡为背景的餐厨垃圾废油的近红外漫反射光谱。2结果与讨论2.1油脂红外光谱分析取餐饮单位烹调用油和湿热处理后的油样品分别进行红外光谱测定，光谱图见图2和3。由图2可知，烹调用油脂肪酸甘油脂中的C＝O双键在1740cm-1处出现吸收峰，从图3可以看到，湿热处理后的油脂中的C=O双键的吸收峰红移到了1540cm-1处，说明C＝O双键在油脂分子结构中的相对位置发生了变化，湿热过程促成了油脂的化学反应，由于C＝O双键仍然存在，可能的反应为皂化反应。2.2湿热处理对餐厨垃圾固相内部油脂液化浸出的影响2.2.1湿热处理对餐厨垃圾可浮油含量的影响餐厨垃圾中油脂主要以可浮油、分散油、乳化油、溶解油、固相内部油脂等5种形式存在。其中，可浮油滴径较大，静置后能较快上浮，以连续相油膜的形式飘浮于水面；分散油以滴径大于1μm的微小油珠悬浮分散在水相中；乳化油粒径大小为0.5～15μm；溶解油以分子状态分散于水中，与水形成均相体系，分离较难；固相内部油脂多以固态与垃圾固相结合，几乎不能直接分离。可见，可浮油含量是餐厨垃圾脱油性能的决定因素。所以油水混合的脱油性能通常以其中的可浮油含量来衡量。餐厨垃圾中动物脂肪含量较高，这些脂肪大部分以含油固体物质形式存在，脱除较难。实验中发现，湿热水解处理可以使固相内部油脂液化浸出，提高餐厨垃圾中可浮油含量，从而影响垃圾的脱油性能。垃圾湿热产物可浮油含量随加热时间的变化如图4所示。可浮油含量随加热时间的延长呈上升趋势，并且温度越高，可浮油含量增长越快，此时垃圾Mm增强，水分和脂质以流体形态在垃圾中的扩散性能增强，由于固相内外存在化学势梯度，水分进入固相内部，脂质由固相内部浸出进入液相，形成可浮油。100～120℃持续加热，可浮油持续增加，140℃加热60min后，可浮油含量不再变化。160℃加热80min，单位垃圾可浮油达到最大值，为131.7mL/kg，继续加热，可浮油的量开始下降，说明此时固相内部脂质已基本完全浸出，继续加热会促进脂质的化学变化，例如，脂质水解生成游离脂肪酸和甘油，而游离脂肪酸又会对脂质水解起催化作用，促进脂质进一步水解。另外，淀粉水解产生的葡萄糖可与脂肪酸酯化，形成亲水-亲脂平衡（hydrophile-lipophilebalance，HLB）值为1～16的单酯、双酯和三酯，有助于油脂与水分形成O/W型体系（水包油型体系，水为连续相），使部分可浮油转变为乳化油[7-8]，增加油脂的分离回收难度。因此，较适于脱油的湿热处理条件为：160℃下加热80min。图4垃圾可浮油含量随加热时间变化规律2.3粗粒化处理参数对餐厨垃圾脱出液油脂回收率的影响粗粒化是油水分离中将分散油转化为上浮油的常用方法。为了提高餐厨废油的回收率，采用塑料纤维和金属丝2种粗粒化材料对餐厨垃圾脱出液油水混合物进行粗粒化处理。2.3.1粗粒化床高对餐厨垃圾脱出液油脂回收率的影响将经过湿热液化浸出之后的餐厨垃圾油水混合物进行粗粒化油水分离，塑料纤维和金属丝两种粗粒化材料的粗粒化床床高与油脂回收率关系曲线如图5所示。可以看出，通过粗粒化可以提高油脂回收率。主要是由于粗粒化床的截留和聚结作用以及油滴相互粘结凝聚等作用，使部分以分散油形态存在的小油滴变为大油滴，从而成为上浮油。开始，两种粗粒化床随着床层高度的增加油脂回收率均增加，在增加到25cm床高之后，塑料纤维床油脂回收率趋于稳定，说明此时粗粒化床达到动态饱和，35cm床高时油脂回收率达到最大值76.1%，而金属丝床在床高增加到35cm时，粗粒化床趋于动态饱和，此时油脂回收率为72.5%，说明此时粗粒化床对油脂的截留速率与粗粒化材料上的油脂脱附速率基本相等。继续增加床层高度，塑料纤维床床高大于45cm时，油脂回收率开始下降，金属丝床油脂回收率下降的拐点为床高50cm处，造成这种结果的原因是被截留下来的油脂粘附在粗粒化材料上随床层高度增加脱离下来的难度增大，导致部分油脂滞留在床层内部不能被回收。对比发现，塑料纤维粗粒化材料的粗粒化效果明显好于金属丝粗粒化材料，这与材料的表面特性有关。图5粗粒化床中油脂回收率η与粗粒化床高H的关系2.3.2粗粒化床进口水流速度对餐厨垃圾脱出液油脂回收的影响粗粒化床进口水流速度影响床层的饱和度、膨胀率、水头损失、出口出水中油珠的临界粒径以及粗粒化床的处理能力。粗粒化床进口水流速度与油脂回收率关系曲线如图6所示，可以看出，流速增大使床层平均饱和度减小，不利于油珠聚结，粗粒化效果降低，致使油脂回收率随粗粒化床进口水流流速增大而呈递降趋势，而且，流速增大，水头损失提高，耗能也相应增加。但是，流速增大可提高处理能力，因此，不改变粗粒化床结构的条件下，降低流速，油脂回收率升高，处理能力下降。在保证处理能力的前提下，适当降低流速可提高油脂回收效率，由实验数据看出，流速为0.825m/s时，可保证油脂回收率75%以上。图6粗粒化床进口流速vE-粗粒化床油脂回收率η的关系2.3.3粗粒化床中油水混合物温度对油脂回收率的影响温度影响油水混合物中油脂的流动性和溶解度，从而影响餐厨垃圾中油脂的水力学特性。水温与油脂回收率关系曲线如图7所示。图中曲线表明，温度低于40℃时，升高水温有利于油珠聚结，从而提高油水分离的效果。粗粒化过程以物理变化为主，尽管油脂在水中的溶解度变化不显著，但温度对油水两相的粘度具有显著影响，水温升高，水的粘度减小，油脂相粘度显著降低而流动性增强，油珠聚结性能增强，粗粒化效果得到提高。当温度超过40℃后，水温对粗粒化效果的影响不再明显。所以，脱油工艺中粗粒化过程的水温宜取40℃。图7油水混合物温度t与粗粒化床油脂回收率η的关系3结论1）湿热处理温度和时间、粗粒化材料特性、粗粒化床高、粗粒化床进口水流速度、油水混合物温度等因素均对餐厨垃圾脱出液油水分离效果具有显著的影响。2）湿热处理有利于餐厨垃圾固相内部油脂液化浸出，可大幅度提高油脂回收率。适宜的油脂液化浸出条件为：160℃下湿热处理80min。3）塑料纤维粗粒化材料与金属丝粗粒化材料相比，前者粗粒化效果较好。对于塑料纤维粗粒化床，适宜的粗粒化处理条件为：粗粒化床高35cm，油水混合物的温度为40℃，适当降低粗粒化床进口水流速度可提高油脂回收率，流速为0.825m/s时，可保证油脂回收率达到75%以上。参考文献略文章来源：《清华大学学报（自然科学版）》2009年第49卷第3期