餐廚垃圾油水分離工藝條件優化試驗研究

謝偉雪，張永合，王 維，劉玉英

(蘭州資源環境職業技術學院，甘肅 蘭州 730021)

0 引言

隨著居民生活消費的提高和城市化進程的快速發展，餐廚垃圾產出量逐漸增多，屬于有機濕垃圾，極易腐爛變質，散發惡臭，傳播細菌和病毒，對環境造成很大的影響。目前,大部分城市餐廚垃圾直接作為飼料供給養殖場喂豬，導致動物和人類疾病的互相感染。少量的餐廚垃圾未經處理直接排入下水道，造成水污染和出現地溝油重回餐桌的現象。同時餐廚垃圾含有可降解利用的高有機物、高含水率、高油、高鹽分等，還含有蛋白質、纖維素、淀粉、脂肪和富含氮、磷、鉀、鈣及各種微量元素。因此餐廚垃圾屬于較高的資源型廢棄物，是一種高回收價值的重要資源和能源，如熊婷[1]在城市餐廚垃圾資源化處理必要性研究中指出可以利用餐廚垃圾高溫處理制備動物飼料、好氧堆肥制備有機肥料、厭氧發酵制備生物能源等。楊國華[2]在地溝油回收利用工藝淺析中提到將地溝油水解為脂肪酸，可以有效處理能夠避免地溝油重回餐桌，保證食品衛生安全和人民身體健康同時，還可以回收脂肪酸。

如能合理處理利用餐廚垃圾中油水、廢水、廢渣及其它有機物，將其變廢為寶，可以降低餐廚垃圾對環境的污染，提高城市環境的質量，保證食品安全，實現餐廚垃圾減量化、無害化和資源化利用。因此，為了合理處理餐廚垃圾中的油水分離及實現餐廚垃圾的減量化和資源化利用，本文以食堂新鮮餐廚垃圾為研究對象，首先對餐廚垃圾進行預處理和原料的測定，然后采用單因素法，主要考察原液加水量、pH值、加熱溫度、攪拌時間和工業鹽用量對油水分離的效果和條件，最后通過正交試驗法L9(34)確定出餐廚垃圾油水分離的最佳工藝條件及含油量。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

實驗所用的餐廚垃圾來自蘭州資源環境職業技術學院金谷苑食堂，所用試劑有磷酸、工業鹽、去離子水等，磷酸為分析純。

主要儀器：彩屏混凝試驗攪拌儀器MY3000-6M(武漢市梅宇儀器有限公司)、電熱鼓風干燥箱(鄭州紅焱儀器設備有限公司)，溫度控制器、pHSJ-5型pH計(上海儀電科學儀器股份有限公司)、電子天平、島津AP225WD分析天平(萬分之一)、篩子一套等。

1.2 餐廚垃圾的預處理

將取來的新鮮半固態餐廚垃圾手工分揀去除骨頭、魚刺、筷子等，進行過濾分離固態物質和油水，分離后的油水手工再過20目篩子去除辣椒、花椒等殘渣后，裝入瓶中備用。

1.3 餐廚油含量的測定

實驗采用磷酸脫膠水洗法進行油水分離：在油水中加入10%～40%的水，加熱到70～85 ℃，開啟攪拌，緩慢滴加磷酸使pH值為2～3，攪拌15～30 min，加入0.5%～2%的工業用鹽，再攪拌20 min后，裝入分液漏斗中靜置分層。分層后得到的分離油進行稱重。含油量的計算如下式：

C=m/V×100%

式中：C——為餐廚油水中所含油量g/L；

m——為餐廚油水中油的質量g；

V——為所取油水的體積L。

1.4 實驗方法

單因素法：本研究首先采用單因素法進行實驗，主要考察原液加水量、pH值、加熱溫度、攪拌時間和工業鹽用量5個因素對油水分離效果的影響，為后續正交試驗法提供合理的數據范圍。5個因素的取值為：原液加水量為原液的10%、20%、30%和40%，pH值為1.0、2.0、3.0和4.0，加熱溫度為70 ℃、75 ℃、80 ℃和85 ℃，攪拌時間為15、20、25和30 min，工業鹽用量為原液的0.5%、1.0%、1.5%和2.0%。

正交試驗法：本研究依據單因素法得到的數據結果，篩選出原液加水量、pH值、工業鹽用量、加熱溫度4因素，相應的3水平取值為：原液加水量為原液的30%、40%、50%，pH值為1.0、2.0、3.0，工業鹽用量為原液的1.0%、1.5%、2.0%，加熱溫度為75 ℃、80 ℃、85 ℃。然后選用L9(34)正交試驗表進行實驗。

2 結果與討論

2.1 原液加水量對分離油量的影響

加熱溫度85 ℃，調節油水pH值2.0，攪拌時間30 min，工業鹽用量2.0%，原液加水量分別為10%、20%、30%和40%時，采用1.2中處理方法得到分離油量，結果如圖1。

由圖1可以看出，含油量隨原液加水量的變化而變化，加水量為10%時，含油量為196.02 g/L。加水量從10%增加到20%到30%時，含油量有明顯的減小。加水量從30%增加到40%時，含油量反而增大，含油量為231.33 g/L，含油量增加了80.13 g/L。結果表明，原液加水量對油水中含油產率影響是比較最顯著的，油水分離過程主要以含油率為目標產物，就需在保證含油產率的同時控制其性能，因而選擇合適的原液加水量很重要。原液加水量選擇在40%。

2.2 加熱溫度對分離油量影響

原液加水量40%，調節油水pH值2.0，攪拌時間30 min，工業鹽用量2.0%，加熱溫度分別為70 ℃、75 ℃、80 ℃和85 ℃時，采用1.2中處理方法得到分離油量，結果如圖2。

由圖2可以看出，含油量隨加熱溫度的變化而變化，隨著加熱溫度的升高提取油量增加。加熱溫度從70 ℃增加到85 ℃時，油量從188.68 g/L增加到241.8 g/L。結果表明，加熱溫度升高有利于油水的分離，增加油量。這可能是因為油水中含有淀粉，升高溫度有利于淀粉的溶解，從而使得油從淀粉等物質中釋放出來，有利于油水的分層。根據加熱溫度和設備的特點，加熱溫度選擇75～85 ℃。

2.3 油水pH值對分離油量的影響

原液加水量40%，加熱溫度為80℃，攪拌時間30 min，工業鹽用量2.0%，調節油水pH值分別為1.0、2.0、3.0和4.0時，采用1.2小節中處理方法得到油量，結果如圖3。

由圖3可以看出，含油量隨pH值的變化而變化。pH值從1.0增加到2.0時，油量增加了8.70 g/L，pH值從1.0增加到3.0時，油量增加了6.57 g/L，pH值從1.0增加到4.0時，油量減少了22.35 g/L。結果表明，pH值為2.0～3.0時，分離出油量較大。根據酸的特點，pH值選擇1.0～3.0。

2.4 攪拌時間對分離油量的影響

原液加水量40%，加熱溫度為80 ℃，調節油水pH值3.0，工業鹽用量2.0%，攪拌時間分別為15、20、25和30 min時，采用1.2中處理方法得到油量，結果如圖4。

由圖4可以看出，含油量隨攪拌時間的變化而變化。攪拌時間從15 min增加到20 min時，油量增加了46.15 g/L，攪拌時間20 min到25 min反而減少了33.80 g/L，攪拌時間20 min到30 min減少了36.52 g/L。結果表明，攪拌時間選擇20 min。

2.5 工業鹽用量對分離油量的影響

原液加水量40%，加熱溫度為80 ℃，調節油水pH值3.0，攪拌時間20 min，工業鹽用量分別為0.5%、1%、1.5%和2%時，采用1.2中處理方法得到油量，結果如圖5。

由圖5可以看出，含油量隨工業鹽用量的變化而變化。工業鹽用量從1.0%增加到2.0%時，含油量呈現遞增過程，增加了41.15 g/L。結果表明，工業鹽用量選擇1.0%～2.0%。

2.6 正交試驗法對油水分離中油量工藝的選擇

根據2.1～2.5單因素法影響因素的結果分析，綜合考慮具有特征性的因素，因此篩選出加水量、pH值、工業鹽用量、加熱溫度4因素及相應的3水平。考察4因素3水平，選擇L9(34)正交表進行實驗分析，見表1～2。

表1 試驗因素水平表

表2 L9 (34) 正交試驗設計表及其結果

通過正交試驗數據可以看出，4個影響因素對餐廚垃圾中油水分離的主次順序為B>A>D>C，即pH值>加水量>加熱溫度>工業鹽用量，pH值對餐廚垃圾中油水分離的影響最大，由正交試驗分析可知，A3>A1>A2， B3>B1>B2，C3>C1>C2，D2>D1>D3，從而選出最佳油水分離工藝方案A3B3C3D2，即加水量40%，pH值為3.0，工業鹽用量為2.0%，加熱溫度為80 ℃。

以正交試驗優選出的最佳油水分離工藝方案A3B3C3D2進行驗證實驗，為了減少誤差平行做實驗2次。第1次分離出油量235.84 g/L，第2次分離出油量234.02 g/L。因此采用最佳油水分離工藝方案A3B3C3D2，可以分離得到油量為234.93 g/L。

3 結論

(1)單因素法實驗結果表明，原液加水量選擇40%，加熱溫度選擇75～85℃，pH值選擇1.0～3.0，攪拌時間選擇20 min，工業鹽用量選擇1.0%～2.0%。

(2)正交實驗結果表明，4因素對油水中油的分離影響因素由大到小依次為pH值、加水量、加熱溫度和工業鹽用量。pH值和加水量對油水分離效果影響較大，為主要影響因素。加熱溫度和工業鹽用量對油水分離效果影響較小，為次要因素。

(3)油水中油的最佳分離條件優化為加水量40%，pH值3.0，工業鹽用量2.0%，加熱溫度80 ℃，攪拌時間20 min。在此條件下，可以分離出234.93 g/L的油量。