餐廚垃圾制備生物柴油工藝研究

譚燕宏

（營口職業技術學院環境化學工程系，遼寧 營口 115000）

柴油作為一種重要的動力燃料在各國燃料結構中占有較高的份額。隨著世界范圍內車輛柴油化趨勢的加快，未來柴油的需求量會逐步提升。而石油資源的日益枯竭和人們環保意識的提高，大大促進了全世界加快柴油替代燃料的開發步伐。生物柴油是指以動植物油脂為原料，經過反應而得到的既可作為礦物燃料替代品，又可作為礦物燃料添加劑的物質，與石化柴油相比，它可以使二氧化硫等硫化物的排放量減少約30％，使一氧化碳等溫室氣體的排放量減少60％。

1 餐廚垃圾加工生物柴油發展優勢

作為石化柴油的替代燃料，生物柴油其本身即為燃油，可直接用于現有的柴油機，同時它也可以作為添加劑，與石化柴油以一定比例調和成柴油-生物柴油混合燃料。利用餐廚垃圾加工生物柴油發展優勢明顯，前景可觀。

1.1 生產技術成熟

生物柴油于1988年誕生，是由德國聶爾公司首創，以菜籽油為原料，提煉而成的潔凈燃油。突出的環保性和可再生性，引起了世界發達國家，尤其是資源貧乏國家的高度重視。以動植物油脂為原料生產生物柴油技術主要有酸-堿兩步法、分離反應法、完全酸催化法等工藝。餐廚垃圾粗加工提煉的垃圾油，其成分和植物油非常接近，可作為生物柴油的半成品原料直接用于生產。

1.2 管理技術成熟

在餐廚垃圾加工生產生物柴油管理方面，世界許多國家和地區技術成熟。以香港為例，采用三聯單進行管理。餐飲業者保存一聯，收集商保存一聯，香港環保署的垃圾集中處理站保存一聯；收集商到飯店收集餐廚垃圾時，要在飯店的一聯上簽署，何時收集、收集多少等數據；然后將收集起來的餐廚垃圾運送到環保署指定的隔油池，垃圾處理商稱重后，將總質量一聯給運輸商作為環保署給運輸商付費的依據，處理商將匯總起來的餐廚垃圾的總量作為環保署付費的依據；同時，環保署將收到的各個餐館排放的餐廚垃圾的量作為向餐館收費的依據。

1.3 生產原料潛力巨大

據統計，我國餐飲企業餐廚垃圾的年產生量不低于6 000萬t，如北京、上海等大城市日產生餐廚垃圾1 000 t左右，雖然我國目前餐廚垃圾資源化程度低，但餐廚垃圾資源化潛力巨大。同時餐廚垃圾加工生物柴油利潤豐厚，利用餐廚垃圾加工制造的生物柴油的價格比普通柴油要便宜許多，有很大的利潤空間。我國相關部門也先后出臺對以餐廚垃圾等為原料加工生物柴油的積極政策，如政府給予貼息貸款、特許經營等，鼓勵企業投資，為促進餐廚垃圾無害化、資源化處理提供良好的社會環境。

2 餐廚垃圾加工生物柴油生產工藝

2.1 堿催化酯交換反應

堿催化酯交換反應具有速率快、轉化率高等優點，是目前生物柴油生產最常用的方法之一。在均相堿催化劑中以甲醇鹽應用最為廣泛，因為甲醇鹽作催化劑操作容易、價格低、活性高、反應時間短、反應所需溫度低、催化劑用量少，且反應后通過中和水洗易除去。工藝為：通過對廢棄油脂的預處理，使其中的水分、顏色都得到控制。通過脫色、脫酸的廢棄油脂與適量的甲醇和NaOH，在60℃下反應40 min，所得生物柴油產率為85.8％。該工藝的不足之處在于后續工序需要有甲醇回收裝置以收集過量的甲醇，能耗增大，產品分離難且反應副產物和廢液處理較難。

2.2 酸催化酯交換法

酸催化酯交換過程一般使用硫酸、鹽酸、磷酸、有機磺酸、固體超強酸等進行催化。對于游離脂肪酸和水分含量高的油脂游離酸較易催化酯化反應，且酯化反應速率要遠遠快于酯交換速率。通常采用兩步法處理原油酸值較高的情況，第一步先用酸催化酯化反應，待酸值降到一定程度后，干燥除水，再進行第二步的堿催化轉酯化反應。酸催化酯交換法的缺點是在生產中會造成生物柴油分離困難，并產生酸性廢水。

2.3 脂肪酶催化酯交換反應

酶催化法是以脂肪酶為催化劑，動植物油脂與醇發生酯交換反應生成脂肪酸酯的過程。酶催化法存在制備工藝簡單、原料適用性廣、反應條件溫和、醇用量小、產物易回收、不腐蝕設備、不污染環境等優點。但脂肪酶作為催化劑還有一定局限性，底物降低酶的活性，對其有抑制作用；酶的價格昂貴，壽命短；脂肪酶在有機溶劑中不易分散，存在聚集作用，催化效率較低，直接造成生產成本居高不下。

2.4 超臨界甲醇流體法

超臨界甲醇流體法就是處于超臨界狀態下的甲醇與動植物的油脂發生酯交換反應生成脂肪酸甲酯的工藝。研究發現在超臨界處理過程，甲醇可以在無催化劑情況下與菜籽油發生酯交換反應。在反應壓為20 MPa、溫度為300℃、甲醇與菜籽油物質的量比為42∶1，以及反應時間控制在15 min的條件下，脂肪酸甲酯收率靠近100％。相比于傳統的酸、堿催化法和酶催化法等技術，超臨界酯交換反應不需要催化劑，反應速率快和產物分離簡單，具有明顯優勢；但仍然存在反應溫度、壓力條件不夠溫和，對設備要求較高及操作費用高等缺點。

2.5 加氫工藝法

直接加氫脫氧工藝是在 240～450 ℃，4～15 MPa，催化劑作用對油脂的深度加氫過程，羧基中的氧原子和氫結合成水分子，而自身還原成烴，同時生成水和丙烷等。與酯交換工藝相比，加氫工藝具有原料適應性強，可利用現有煉廠加氫技術與設備直接加氫脫氧，工藝比較簡單，產物具有高的十六烷值等優點，同時加氫工藝得到的綠色柴油是優質的柴油調和組分，沸程范圍接近典型的石化柴油，但得到的柴油組分中主要是長鏈的正構烷烴，使得產品的濁點較高，低溫流動性差，產品在高緯度地區環境下使用受到抑制，一般只能作為高十六烷值柴油添加組分。

3 餐廚垃圾制備生物柴油問題及對策

3.1 問題

生物柴油企業以餐廚垃圾作為生物原料，餐廚垃圾的收運管理已成為其資源化處理的關鍵。從各個城市管理方式看，特許經營以及政府主導、公眾參與、公司化運作等模式都實行過，但多年來層層轉包最終使得廢棄油脂管理形同虛設，廢棄油脂回流餐桌時有發生；餐館—收運戶—餐廚垃圾加工點已形成一個完整的地下利益鏈條。政府管理部門及正規企業的介入，使餐館及收運戶、加工點的利益受損，尤其是餐館由原來的餐廚垃圾賺錢，變成了餐廚垃圾賠錢，餐館、收運戶、加工點以各種方式逃脫監管，三者之間的交易由明變暗，餐廚垃圾“經營”變得更加隱蔽，給政府監管帶來更大困難。

3.2 對策

加強餐廚垃圾收運管理可以采用政府引導、統一管理、集中收運、定點處置、社會參與、市場化運作等手段。采取靈活策略應結合實際，規范餐廚垃圾的收運、處理。餐廚垃圾特別是廢食用油脂資源的合理化利用，對防止廢食用油脂再次進入食物鏈和促進生物柴油的發展都十分有利。