國內(nèi)餐廚垃圾提油技術(shù)綜述

譚業(yè)琴

（甘肅馳奈生物能源系統(tǒng)有限公司，蘭州 730000）

餐廚垃圾主要是由固渣、水分和油脂等構(gòu)成的多元混合體系，其中油脂含量因地域分布、經(jīng)濟水平、飲食生活習(xí)慣等不同而呈現(xiàn)一定的差異，餐廚垃圾油脂含量一般為4.5%～7.0%[1]，經(jīng)折算，1 t 餐廚垃圾約含油脂0.045～0.070 t，油脂回收是目前國內(nèi)餐廚垃圾處理工藝不可或缺的一道工序。一方面，這些油脂是生產(chǎn)生物柴油、日用化工原料等產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)原料，具有很高的資源化利用價值。另一方面，餐廚垃圾油脂若不進行有效分離和回收，會對后續(xù)處理過程產(chǎn)生不利影響，如造成管道和設(shè)備堵塞、抑制微生物活性等，若對固液分離后的高含油廢水進行厭氧消化，會造成發(fā)酵罐表面出現(xiàn)泡沫和浮渣層，且油脂包裹在微生物表面會阻礙產(chǎn)甲烷過程的進行，甚至導(dǎo)致厭氧污泥的流失，對整個生化處理造成不良影響。高含油的固渣進行堆肥會直接導(dǎo)致肥料品質(zhì)低劣，而若進行飼料化轉(zhuǎn)化，則面臨著油脂發(fā)酵產(chǎn)生黃曲霉素等致癌物質(zhì)的風(fēng)險[2]。因此，餐廚垃圾的高效提油至關(guān)重要，油脂回收利用既是實現(xiàn)餐廚垃圾資源化處理、提升餐廚垃圾處理項目經(jīng)濟效益的有效途徑之一，也是踐行節(jié)能減排、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的重要抓手。

1 餐廚垃圾提油的理論基礎(chǔ)

餐廚垃圾中，油脂成分主要為動植物油脂，其存在形式一般為可浮油、分散油、乳化油、溶解油和固相內(nèi)部油脂五種[1]。其中，粒徑最大的為可浮油，一般大于100 μm，靜置后較快上浮至水面形成油膜或油層，一般采用重力分離；其次為粒徑在10～100 μm的分散油，以細小油珠懸浮在水中；再次為粒徑小于10 μm 的乳化油，一般為0.1～2.0 μm，必須經(jīng)過破乳轉(zhuǎn)化成浮油，再進行分離；最后是粒徑一般小到幾納米的溶于水的溶解油，分離較難；固相內(nèi)部油脂多包含于垃圾固相中，很難直接分離[1-3]。有研究表明，我國餐廚垃圾原料中浮油含量僅為0.2%，而固相內(nèi)部油脂含量高達5.8%[1]。為提高油脂回收率，餐廚垃圾提油前有必要經(jīng)過一定的預(yù)處理，使固相內(nèi)部油脂浸出轉(zhuǎn)移至液相。餐廚垃圾提油的主要對象為可浮油和固相內(nèi)部油脂，此兩部分油脂的回收率是衡量油水混合物提油性能的重要指標(biāo)。

在餐廚垃圾重力提油過程中，油滴上浮速度較小，位于層流區(qū)，可采用斯托克斯定律進行分析[2]，其計算公式如式（1）所示。

式中：v為油滴上浮速度，m/s；ρw、ρo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。

由式（1）可知，欲提高油滴在水中的上浮速度，應(yīng)從三方面著手：一是增大油滴直徑；二是增加油水密度差；三是降低水的動力黏度[2-4]。目前，市面上幾乎所有的提油、除油技術(shù)原理均是在此理論基礎(chǔ)上展開。

2 國內(nèi)餐廚垃圾提油的主要技術(shù)

目前，國內(nèi)餐廚垃圾提油技術(shù)可概括為三大類，即物理分離、化學(xué)分離、物理化學(xué)分離[4]。國內(nèi)在餐廚垃圾提油方面應(yīng)用較多的主要為重力分離、離心分離和物理化學(xué)分離。

2.1 物理分離

2.1.1 重力分離

重力分離是最簡單的一種物理提油方法，主要利用油水密度差來實現(xiàn)油水的分層與分離。其主要去除廢水中粒徑大于60 μm 的分散油和可浮油，對乳化液和溶解油的去除效果較差。常用的設(shè)備是平流式隔油池、斜板隔油池，兩者提油效率分別為60%～70%和70%～80%，該方法運行費用低、不耗藥劑，但存在設(shè)備占地面積大及臭味散發(fā)的問題，且提油效率不高，一般作為初步提油工藝。改進的重力分離法是在隔油池或油水分離器內(nèi)增設(shè)加熱功能，設(shè)備外壁四周輔以伴熱保溫措施，使池內(nèi)物料溫度升至70～80 ℃，加熱2 h，有助于動物油脂加熱融化破乳，同時溫度升高使布朗運動加劇，增加了油滴的碰撞頻次，可極大促進油滴的上浮聚集，提升油脂回收率。

2.1.2 離心分離

離心分離是使裝有含油物料的容器高速旋轉(zhuǎn)或者通過設(shè)置螺旋結(jié)構(gòu)使含油物料自身旋轉(zhuǎn)，形成離心力場，使輕組分油分布在旋轉(zhuǎn)器壁面，而水和固相等重組分分布在旋轉(zhuǎn)器中心，實現(xiàn)相對徹底的油水分離（固體顆粒、油珠與廢水之間存在密度差，受到的離心力也不同）[4]。根據(jù)產(chǎn)生離心力的方式不同，離心分離設(shè)備可分為水旋和器旋兩類。前者常用的設(shè)備是水力旋流器，其特點是旋流器固定不動，而由沿切向高速進入旋流器內(nèi)的水產(chǎn)生離心力。后者的代表設(shè)備為三相分離機，其特點是高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鼓帶動水產(chǎn)生離心力，使得餐廚垃圾中的油、水、固渣三相分離。國產(chǎn)的臥式三相分離機目前已廣泛用于各城市大中小型餐廚垃圾處理項目的油脂回收中，且獲得良好的經(jīng)濟效益。采用三相分離機進行油脂回收，一般將分離機轉(zhuǎn)速控制3 000 r/min 左右，油脂含量可由4.5%～7.0%降至0.3%～0.5%，提油率超過90%，油脂含水率和渣率低，油脂純度達到99%。離心分離雖然能耗較大，但提油率高、提油效果較穩(wěn)定、固渣含水率低（小于70%）、不需要消耗藥劑、占地面積小、自動清洗方便、設(shè)備運行維護簡單，故其應(yīng)用有日益增長的趨勢。

2.1.3 聚結(jié)分離

聚結(jié)分離法又被稱為粗?；?，其利用親油疏水性質(zhì)的聚結(jié)材料吸附油粒，濾料表面形成油膜，增至一定厚度后，大油珠上浮到水面[5]。粗?；牧嫌袩o機和有機兩類，常用的親油性材料有聚烯系球體、蠟狀球、聚丙烯系發(fā)泡體等，可將粒徑5～l0 μm 的油珠與水分離，且能減少出水中COD，不消耗化學(xué)試劑[5]。此技術(shù)可用于提取分散油和乳化油，但不適用于懸浮物濃度高且富含動物油脂的餐廚垃圾提油，因動植物油脂黏度較高，長期運行會使聚結(jié)材料堵塞，導(dǎo)致提油效率低下。

2.1.4 膜分離

膜分離法是以選擇透過性膜為分離介質(zhì)，攔截餐廚垃圾中的乳化油和分散油。濾膜可分為微濾膜、超濾膜、納濾膜和反滲透膜，其中超濾膜在油水分離方面應(yīng)用最多，常被制成空心纖維管過濾器使用。膜分離技術(shù)提油效率較高，但極易出現(xiàn)膜堵塞而使膜通量降低，且膜的使用壽命短，運行費用高[5]。有機膜存在化學(xué)穩(wěn)定性差、膜壽命短以及不耐高溫、酸堿及有機溶劑等缺點，如聚丙烯腈膜、聚砜膜、醋酸纖維素膜等。無機膜與有機膜相比，具有耐高溫、耐酸堿、耐有機溶劑、機械強度高、膜壽命長、截油率高和運行穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點[4]，目前應(yīng)用較多的無機膜為陶瓷膜。復(fù)合膜兼具有機膜和無機膜的優(yōu)點，使用復(fù)合膜是目前膜分離領(lǐng)域的熱點課題之一。

2.1.5 超聲波分離

超聲波分離是利用頻率高于20 000 Hz 的高頻機械波進行油水分離的方法。油水混合液在超聲波的照射下產(chǎn)生機械振動、空化及熱作用，使油滴和水滴一起持續(xù)不斷振動，各顆粒相互碰撞、聚集，油滴體積逐漸增大然后凝聚上浮，從而達到油水分離的效果[4]。超聲波分離適用于乳化油分離，油水分離效果與超聲波頻率、聲強、照射時間、溫度等顯著相關(guān)，在添加破乳劑后能產(chǎn)生協(xié)同作用，進一步提高油水分離效率[5]，但該技術(shù)因裝置不成熟還未實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。

2.2 化學(xué)分離

2.2.1 絮凝分離

絮凝分離是在餐廚垃圾物料中投入一定比例的絮凝劑，形成親油性絮體吸附和凝聚油珠微粒，最終實現(xiàn)油水分離。影響絮凝沉淀效果的因素主要有水溫、pH、堿度和懸浮物濃度等。絮凝劑的選擇至關(guān)重要，絮凝劑主要分為無機高分子絮凝劑、有機高分子絮凝劑和復(fù)合絮凝劑三大類[4]。無機高分子絮凝劑通常指聚合氯化鋁、聚合硫酸鐵、聚合氯化鐵等鐵鹽或鋁鹽及其聚合物。有機高分子混凝劑以聚丙烯酞胺應(yīng)用最為普遍，其常作為助凝劑與其他混凝劑一起使用。目前，在餐廚垃圾處理領(lǐng)域，應(yīng)用最多的是聚丙烯酰胺（PAM）和聚合氯化鋁（PAC）。

絮凝分離在提油方面的致命缺點為被分離的油難以回收利用，且對pH 要求嚴格，一般應(yīng)控制在中性偏堿范圍，而餐廚垃圾原料的pH 一般為3.0～4.5，故在絮凝沉淀前需要加堿調(diào)節(jié)pH，工序較復(fù)雜，絮凝沉淀后固渣需要進一步脫水，若將脫水固渣用于堆肥、做飼料等生化處理，可能會因含大量的化學(xué)藥劑而阻礙微生物的生命活動，最終影響產(chǎn)品品質(zhì)，此外，裝置占地面積大、藥耗量大，處理每噸餐廚垃圾的藥劑成本高（30～60 元），且污泥產(chǎn)生量大，易造成二次污染，所以該工藝很少應(yīng)用在餐廚垃圾處理項目的油脂回收中。

2.2.2 電解分離

電解分離是將餐廚垃圾混合物置于高壓電場中，利用陰極和陽極產(chǎn)生氫和氧的微細氣泡，將乳狀液中的油滴黏附而上浮至水面，實現(xiàn)油水分離。電解氣浮法產(chǎn)生的氣泡遠小于散氣氣浮法和溶氣氣浮法，且不產(chǎn)生紊流，不僅起到氣浮分離的作用，還兼具氧化還原、脫色和殺菌的作用，主要適用于乳化油和溶解油的提取。但該法一般不單獨使用，而是作為其他油水分離方法的后端工序，因為處理含水量較高的乳狀液時會產(chǎn)生電擊穿現(xiàn)象[4]。電解分離提油效率高，但存在電極鈍化、電耗大、裝置復(fù)雜以及原料要求特殊等顯著缺點，一定程度上限制了技術(shù)應(yīng)用[4-5]，目前該方法在餐廚垃圾提油過程中應(yīng)用較少。

2.3 物理化學(xué)分離

2.3.1 氣浮分離

使大量的微細氣泡吸附在油珠上，降低帶氣微粒的密度，使油滴隨氣泡一同上浮帶出水面，然后利用刮渣撇油裝置撇除表面浮油。一般氣浮前需要加入絮凝劑進行脫穩(wěn)、破乳，促使油滴凝聚，與氣泡黏附而上浮。該方法可脫除粒徑遠小于50 μm 的分散油和乳化油[4]，按照氣泡產(chǎn)生方式不同，氣浮分離分為散氣氣浮、溶氣氣浮和電解氣浮。該方法需要配備專門的氣浮池，配套供氣裝置、溶氣裝置和氣體釋放器等，浮油含渣量大，氣浮前一般需要加入藥劑，因而分離的油難以被回收利用。

2.3.2 吸附分離

吸附分離是利用多孔性介質(zhì)吸附油粒，多用于含油廢水的深度處理。目前，常用的吸附劑有活性炭、磺化煤、硅藻土、高分子聚合物等，其中活性炭應(yīng)用最多[4]?；钚蕴坎粌H對油有很好的吸附性能，能適應(yīng)餐廚垃圾原料酸性的條件，還能吸附廢水中的有機物，出水水質(zhì)較好，占地面積較小，但缺點是吸附的油脂難以回收，吸附容量有限，吸附劑再生困難，總體成本較高。

磁吸附分離是在磁場的作用下，磁性顆粒（鐵粉、磁鐵礦與赤鐵礦微粒等）與油粒發(fā)生磁絮凝，隨后加速下沉，實現(xiàn)廢水和磁性絮凝體分離，最后對磁性絮凝體進一步處理，以達到回收油脂的目的。磁吸附分離能耗較大，設(shè)備制造成本高，且磁種循環(huán)利用困難，因而應(yīng)用較少[5]。

2.3.3 濕熱水解

濕熱水解是指在高溫高壓條件下，對餐廚垃圾破碎制漿液中的生物體進行破壁水解、液化，改變其理化性質(zhì)，促進固相中的油脂浸出轉(zhuǎn)移至液相中，方便后續(xù)油脂回收。最佳的餐廚油脂液化浸出條件為：首先在160 ℃溫度下對餐廚垃圾漿液進行濕熱水解80 min[6]，使固相油脂液化浸出轉(zhuǎn)移至液相中，然后進行離心分離，離心轉(zhuǎn)速控制在2 500 r/min 時，單位垃圾可浮油浸出量達到最大值，油脂提取率為70%～80%[6]。此方法對可浮油和固相內(nèi)部油脂的提取率較高，且有消毒滅菌的作用。但是，該方法要求餐廚垃圾預(yù)處理必須采用破碎制漿工藝，需要配備內(nèi)置攪拌機的高溫高壓反應(yīng)釜，能耗較大，且提油不徹底，脫出液還需要進一步采取提油措施，工藝相對復(fù)雜。

2.4 小結(jié)

上述除油方法各有利弊，大多數(shù)停留在實驗室研究階段或僅適用于小處理規(guī)模，未實現(xiàn)大規(guī)模推廣應(yīng)用。每種方法都有其局限性，如提油設(shè)備復(fù)雜、運行能耗較高、藥劑消耗大、帶來二次污染等，故針對餐廚垃圾油脂的特性，綜合技術(shù)和經(jīng)濟考慮，餐廚垃圾提油可采用兩種技術(shù)路線。一是濕熱水解（120 ℃或160 ℃，水解80 min），然后進行離心分離提油，二是加熱處理（溫度維持在70～80 ℃，加熱2 h），撇除上浮油后，利用離心分離機進一步提油。這兩種技術(shù)的總提油率均可超過90%。

3 餐廚垃圾提油技術(shù)存在的問題

目前，國內(nèi)餐廚垃圾提油大多采用濕熱預(yù)處理+三相分離機或者加熱預(yù)處理+三相分離機的組合工藝，油脂回收率達到90%左右，油脂銷售或深加工成產(chǎn)品帶來的收益成為餐廚垃圾處理行業(yè)的主要經(jīng)濟收入來源之一，有效緩解了餐廚企業(yè)高度依賴政府補貼的困境，極大地促進了行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，但目前在油脂提取方面還普遍存在一些問題有待克服。

3.1 離心設(shè)備能耗高，噪聲大

目前廣泛應(yīng)用的提油設(shè)備為三相分離機，為了產(chǎn)生較大的離心力，促使油水徹底分離，分離機離心轉(zhuǎn)速必須控制在3 000 r/min 左右，這勢必會造成設(shè)備電耗的增長，據(jù)工程經(jīng)驗得出，處理1 t 餐廚垃圾消耗3～5 kW·h 電。離心機高速旋轉(zhuǎn)使得設(shè)備殼體和零配件的磨損較嚴重，尤其是過流、排渣等位置的磨損是影響離心機正常運行的主要因素，會直接導(dǎo)致三相分離機壽命縮短，增加了企業(yè)的設(shè)備更換和運維成本。此外，設(shè)備運轉(zhuǎn)帶來巨大的噪聲污染，現(xiàn)場工作環(huán)境惡劣，為了保障運行人員身心健康，必須對設(shè)備本身和生產(chǎn)車間進行吸聲降噪處理，這樣則額外增加了企業(yè)投入。

3.2 對后續(xù)廢水厭氧消化的影響有待研究

餐廚垃圾提油后，固液分離產(chǎn)生的廢水大多采用厭氧消化工藝進行處理，厭氧消化的適宜C/N 為20～30，而根據(jù)統(tǒng)計，我國餐廚垃圾C/N 一般為10～20，經(jīng)過提油，去除了含碳量高的油脂，進水C/N 降低是否會導(dǎo)致營養(yǎng)失調(diào)而影響消化過程還有待進一步研究[1]。另外，油脂的產(chǎn)沼氣潛力較好，一定的油脂含量有助于產(chǎn)甲烷菌的生長，有利于提高沼氣產(chǎn)量和沼氣中甲烷含量，若提油太徹底，一味追求高油脂回收率，是否對沼氣產(chǎn)量和沼氣品質(zhì)造成不良影響也是今后研究的方向之一。

3.3 油脂深加工產(chǎn)品未實現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用

目前，餐廚垃圾處理行業(yè)回收的油脂經(jīng)過過濾、脫膠、脫水與沉淀后，可以生產(chǎn)酯基生物柴油或烴基生物柴油，給車輛提供燃料。同時，少數(shù)被加工成微生物洗滌劑、肥皂、潤滑劑等化工原料。《B5 柴油》（GB 25199—2017）明確指出，B5 普通柴油（生物柴油和石油柴油的調(diào)合燃料）可直接作為車用燃料，但生物柴油具有原料來源復(fù)雜、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、氧化安定性和低溫流動性較差等缺點，產(chǎn)品在國內(nèi)仍未實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，故后期需要在產(chǎn)品優(yōu)化、高值安全利用方面加大技術(shù)創(chuàng)新，提高產(chǎn)品附加值和資源化利用水平。

4 未來應(yīng)用分析

餐廚垃圾含油量很高且存在形式復(fù)雜，僅依賴單一的提油技術(shù)很難達到預(yù)期效果，重力分離、離心分離等物理分離法可以對餐廚垃圾中的可浮油進行分離，但對乳化油和固相內(nèi)部油脂的分離效果甚微，故采用多種方法分級提油是未來發(fā)展趨勢。但工藝鏈的加長勢必會造成提油成本升高，建議對提油成本和油脂帶來的效益進行綜合測算，以篩選出最經(jīng)濟合理的提油工藝。

4.1 聯(lián)合使用多種方法分級提油

餐廚垃圾提油方法很多，但均有其局限性，在實際工程應(yīng)用中，建議聯(lián)合使用多種方法分級提油，例如，將重力分離、離心分離、聚結(jié)分離結(jié)合，或者將濕熱水解、離心分離、膜分離結(jié)合，實現(xiàn)技術(shù)互補，提高總體提油效率，減少后續(xù)餐廚廢水和固渣的油脂含量。

4.2 油脂加工產(chǎn)品多元化和應(yīng)用規(guī)?；?/h3>

國內(nèi)餐廚垃圾油脂資源化利用的主要去向是出口歐洲作為生物柴油原料，歐盟要求2020年生物燃料在交通領(lǐng)域的摻混比例達到10%，2030年達到14%，未來歐洲市場對生物柴油將持續(xù)保持供不應(yīng)求的趨勢。餐廚垃圾油脂制備生物柴油的技術(shù)已基本成熟，但產(chǎn)品在國內(nèi)還未實現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。在當(dāng)前國家碳中和背景下，生物柴油作為常規(guī)柴油的替代燃料，既能減少空氣污染，又能節(jié)約能源，這是一種值得大力推廣的資源化利用途徑。隨著餐廚垃圾產(chǎn)生量的日益增長和提油技術(shù)的逐漸成熟，油脂回收量將日趨增長，利用餐廚垃圾油脂加工微生物洗滌劑、肥皂、潤滑劑、聚氨酯保溫材料、生物塑料等化工原料將成為未來研究的熱點之一。

5 結(jié)論

目前，餐廚垃圾處理行業(yè)普遍采用的提油技術(shù)為濕熱水解+離心分離、加熱處理+離心分離，提油率高達90%，經(jīng)濟效益良好。餐廚垃圾處理項目當(dāng)前廣泛應(yīng)用三相分離機作為離心分離設(shè)備，但國產(chǎn)三相分離機存在能耗高、設(shè)備噪聲大、設(shè)備磨損嚴重等問題，設(shè)備性能需要進一步優(yōu)化。聯(lián)合使用多種技術(shù)分級提油是未來發(fā)展趨勢，可以提高油脂回收率。但是，工藝鏈的加長會造成提油成本升高，因此要綜合計算提油成本和油脂帶來的效益，篩選出最經(jīng)濟合理的提油工藝。