餐廚垃圾油脂分離技術(shù)研究及應用

靳俊平，宋玉山，張瑞清，劉淑玲，王 琦，高 波

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津 300074）

基于第3批試點城市的實施，國內(nèi)餐廚垃圾處理行業(yè)發(fā)展較快。目前，厭氧消化已經(jīng)逐漸成為餐廚垃圾處理技術(shù)的重要發(fā)展方向。但是，餐廚垃圾中的油脂類物質(zhì)阻礙厭氧消化，主要體現(xiàn)在以下3個方面：在厭氧系統(tǒng)內(nèi)部不斷累積，影響產(chǎn)甲烷菌的活性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性；油脂包裹支撐介質(zhì)，干擾微生物生命活動；油脂黏附器壁造成管路堵塞等［1-3］。另一方面，餐廚垃圾中的油脂又是理想的生物油燃料和日用化工原料，回收利用價值較高。

1 餐廚垃圾性質(zhì)及含油量分析

根據(jù)國內(nèi)飲食習慣，分區(qū)域?qū)Σ蛷N垃圾的含油率進行總結(jié)分析，分析樣本分別選取以下6個城市：重慶市主城區(qū)［4］、福州市城區(qū)［5］、南京大學食堂［6］、清華大學紫荊食堂淮揚菜系餐廳［7］、蘭州城區(qū)［8］、天津市濱海新區(qū)［9］。

1.1 國內(nèi)餐廚垃圾共同點

1）含水率高：76%～88.5%。

2）游離態(tài)脂肪比重大。

3）易腐性：有機物含量高，在溫度較高的條件下很快腐敗發(fā)臭，導致新的污染。

4）攜帶有病毒、致病菌和病原微生物。如不經(jīng)處理而直接利用，會造成病菌的傳播、感染等不良后果。

5）含有較高的潛在生物能：如能有效處理，可實現(xiàn)資源的回收再利用，有利于降低能源的消耗。

6）與城市生活垃圾相比，其化學構(gòu)成簡單，有毒有害物質(zhì)少，善加利用可實現(xiàn)“變廢為寶”。

1.2 各地餐廚垃圾不同點

不同區(qū)域餐廚垃圾的理化特性見圖1。

從圖1看出：液態(tài)含油率、含水率重慶市的最高，蘭州市的最低。其主要原因是重慶市飲食以火鍋為主，吃火鍋剩余大量火鍋底油，且其中有大量液態(tài)油；而蘭州市飲食以面食和羊肉為主，餐廚垃圾中水分和含油量均較小。清華大學紫荊食堂由于取樣單一，液態(tài)含油率也較高，但沒有普遍意義。餐廚垃圾中粗脂肪的含量為17.02%～27.61%，最低的是重慶市，最高的是福州市和蘭州市。

2 餐廚垃圾油脂分離原理及處理技術(shù)

2.1 餐廚垃圾油脂分離原理

餐廚垃圾屬于水相和固相的混合物，含水率高，其中的油脂以可浮油、分散油、乳化油、溶解油、固相內(nèi)部油脂等5種形式存在［10］。其中：①可浮油滴徑較大，靜置后能較快上浮，以連續(xù)相油膜的形式飄浮于液相表面。②分散油以滴徑大于l μm的微小油珠懸浮分散在水相中。③乳化油粒徑大小為0.5～15 μm；溶解油以分子狀態(tài)分散于水中，與水形成均相體系，分離較難。④固相內(nèi)部油脂多以固態(tài)與垃圾固相結(jié)合，幾乎不能直接分離。

對于餐廚垃圾油脂分離方法按原理可分為物理法（沉降、機械、離心、粗粒化、隔油池等）、物理化學法（濕熱、浮選等）。

2.2 餐廚垃圾油脂分離處理技術(shù)

2.2.1 濾液加熱-隔油池

濾液是指餐廚垃圾在有孔接料斗、輸送螺旋內(nèi)通過擠壓瀝水產(chǎn)生的液體。濾液通過管道進入隔油池，隔油池中有加熱措施。為增加油脂分離效率，隔油池常為多級。也可以在隔油池中增加氣浮功能，通過微泡把油滴帶到液面。

此種方式可分離餐廚垃圾中的可浮油。對于餐廚垃圾中的溶解油、固相內(nèi)部油脂則不能分離。此種方法對濾液的含渣量有要求，浮渣對油脂分離影響較大。相比其他分離方式，此種方式能耗最低。

2.2.2 濾液加熱-離心

濾液被收集到沉淀池中，通過加熱器把濾液加熱，然后定量均勻流入臥式離心機，進行固液分離；把分離出的高含油脂液體再次加熱，然后進入立式離心機進行油水分離。最后得到純度較高的油脂。

此種方式可分離餐廚垃圾中的可浮油、分散油。對于餐廚垃圾中的溶解油、固相內(nèi)部油脂則不能分離。由于離心機的高速旋轉(zhuǎn)，高流速對含油廢水會造成嚴重的二次乳化［11］。

2.2.3 漿料-平流沉淀池

漿料是指將餐廚垃圾粉碎制成含固率為10%左右的物料。制成漿的漿料進入平流沉淀池，漿料在流動過程中，油滴會上浮到液面。

由于漿料含固率較高，油滴和漿料難以分離，此種方式效果較差。

2.2.4 漿料濕熱-離心

濕熱法是近年來開發(fā)的一種新型有效的餐廚垃圾處理技術(shù)，該法在含水環(huán)境中對餐廚垃圾進行加熱，可以改變垃圾的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)及物理性能，有利于餐廚垃圾的資源化。

將餐廚垃圾進行粉碎制漿，將含固率為10%左右的漿料泵入蒸煮釜進行濕熱處理。寧娜［12］通過對濕熱-離心法進行研究指出：隨著溫度升高和加熱時間延長，餐廚垃圾脫油性能呈上升趨勢；120℃下濕熱處理80 min，餐廚垃圾固相內(nèi)部油脂液化浸出效果最佳，最佳離心轉(zhuǎn)速為2 500 r/min時，餐廚垃圾廢油脂分離回收率最高。

此種方法，不僅可以分離可浮油，還可以分離餐廚垃圾內(nèi)部固態(tài)油脂，大大提高了油脂提取效率。存在問題是，濕熱分離油脂消耗大量的熱量。如果加熱時間控制不好，使部分可浮油轉(zhuǎn)變?yōu)槿榛停黾恿擞椭姆蛛x回收難度［13］。

2.3 提高餐廚垃圾油脂分離效率的措施

2.3.1 提高液相油脂分離回收效率的途徑

對于上浮油、分散油、乳化油、溶解油等液相油脂，可通過研究油水分離原理，探討提高油脂分離回收效率的途徑。

在油水分離裝置內(nèi)，一般流速都比較低，油滴流態(tài)處于Re<1，處于層流區(qū)，油滴的上升速度可按Stokes定律計算：

式中：u為油滴上浮速度，m/s；pw、p0分別為水和油的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；d為油滴直徑，m；μ為動力黏度，Pa·s。

由Stokes定律可知，油在水中的上升速度與油滴直徑的平方、水與油的密度差成正比，而與水的絕對黏度成反比。即油滴直徑越大，水與油的密度差越大，油滴在水中的上升速度越快；水的絕對黏度越小，油滴的上浮速度也越快。因此，增大油粒直徑、增大水與油的密度差、降低水的絕對粘度，是提高油滴在水中上升速度的3個有效途徑。

1）采用粗粒化材料增大油粒直徑。粗粒化床層材料表面具有親油疏水性質(zhì)。一般來講，油、固表面接觸角應小于90°，接觸角越小，親油潤濕性能越好。當油水混合液流經(jīng)該多孔材料時，由于該多孔材料床層內(nèi)形成了許多直徑小而又互相彎曲的孔道，油水混合液在這些孔道中不斷改變流動方向和速度，因而增加了油滴之間的碰撞機會，促使其聚結(jié)成較大的油滴。當不斷聚集的細小油滴聚合成較大的油滴時，其Stokes力就會大于表面黏力。該油滴受Stokes力的驅(qū)動，脫離多孔材料向上浮升，直至最終浮出水面。

2）增大水與油的密度差。由于隨著溫度的升高，水的密度變化不大，而油的密度則大大降低。因此，提高油水混合物的溫度，對油與水的分離是有益的。

3）降低水的絕對黏度。提高油水混合液的溫度，有利于降低水的絕對黏度。針對上述理論分析，通過實驗研究，摸索實際工程中餐廚垃圾脫出液中廢油的最佳分離回收條件。

2.3.2 提高垃圾固相內(nèi)部油脂分離回收效率的途徑

垃圾固相內(nèi)部油脂含于垃圾固相細胞內(nèi)或其他微觀結(jié)構(gòu)中，傳統(tǒng)方法難以分離。為了提高這部分油脂的回收效率，可行的方法為先將這部分油脂從固相內(nèi)部浸出，進入液相，然后利用油水分離的方法分離出來。

3 餐廚垃圾油脂分離技術(shù)的比較

餐廚垃圾成分復雜，是由固形物、水和油脂等組成的多元多相體系，傳統(tǒng)的油水分離方式難以奏效。表1對以上幾種技術(shù)措施進行比較。

表1 餐廚垃圾油脂分離技術(shù)的比較

4 結(jié)論

1）通過對國內(nèi)不同地區(qū)餐廚垃圾理化性質(zhì)進行分析，提出4種典型的餐廚垃圾油脂分離技術(shù)：濾液加熱-隔油池、濾液加熱-離心、漿料-平流沉淀池、漿料濕熱-離心。

2）國內(nèi)不同地區(qū)餐廚垃圾性質(zhì)差異較大，在選擇油脂分離工藝時，需要針對具體餐廚垃圾的理化性質(zhì)，進行技術(shù)經(jīng)濟比選。通過對4種油脂分離技術(shù)進行比較，建議重慶等西南地區(qū)采取濾液提油或者隔油池提油，而福州和蘭州地區(qū)采取濕熱提油。

3）餐廚垃圾油脂分離技術(shù)尚未完全成熟，需要進行更加深入的研究，以指導規(guī)模化生產(chǎn)。

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［5］福州市餐廚垃圾成分調(diào)查分析報告［R］.福建師范大學，2011.

［6］王巧玲.餐廚垃圾厭氧發(fā)酵過程的影響因素研究［D］.南京：南京大學，2012.

［7］任連海，聶永豐.餐廚廢油高效分離回收工藝研究［J］.城市管理技術(shù)，2009 （4）：52-55.

［8］蘭州市餐廚垃圾資源化處理項目可行性研究報告［R］.中國市政工程西北設計研究院有限公司，2007.

［9］天津市濱海新區(qū)餐廚垃圾產(chǎn)量調(diào)查及理化性質(zhì)分析報告［R］.天津大學，2012.

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［13］闞建全.食品化學［M］.北京：中國農(nóng)業(yè)大學出版社，2003.