餐廚垃圾油水分離工藝條件優(yōu)化試驗(yàn)研究

謝偉雪，張永合，王 維，劉玉英

(蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730021)

0 引言

隨著居民生活消費(fèi)的提高和城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，餐廚垃圾產(chǎn)出量逐漸增多，屬于有機(jī)濕垃圾，極易腐爛變質(zhì)，散發(fā)惡臭，傳播細(xì)菌和病毒，對(duì)環(huán)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(yǎng)殖場(chǎng)喂豬，導(dǎo)致動(dòng)物和人類(lèi)疾病的互相感染。少量的餐廚垃圾未經(jīng)處理直接排入下水道，造成水污染和出現(xiàn)地溝油重回餐桌的現(xiàn)象。同時(shí)餐廚垃圾含有可降解利用的高有機(jī)物、高含水率、高油、高鹽分等，還含有蛋白質(zhì)、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(jià)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(dòng)物飼料、好氧堆肥制備有機(jī)肥料、厭氧發(fā)酵制備生物能源等。楊國(guó)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(wèi)生安全和人民身體健康同時(shí)，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(jī)物，將其變廢為寶，可以降低餐廚垃圾對(duì)環(huán)境的污染，提高城市環(huán)境的質(zhì)量，保證食品安全，實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾減量化、無(wú)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(shí)現(xiàn)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(duì)象，首先對(duì)餐廚垃圾進(jìn)行預(yù)處理和原料的測(cè)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(shí)間和工業(yè)鹽用量對(duì)油水分離的效果和條件，最后通過(guò)正交試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)所用的餐廚垃圾來(lái)自蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院金谷苑食堂，所用試劑有磷酸、工業(yè)鹽、去離子水等，磷酸為分析純。

主要儀器：彩屏混凝試驗(yàn)攪拌儀器MY3000-6M(武漢市梅宇儀器有限公司)、電熱鼓風(fēng)干燥箱(鄭州紅焱儀器設(shè)備有限公司)，溫度控制器、pHSJ-5型pH計(jì)(上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司)、電子天平、島津AP225WD分析天平(萬(wàn)分之一)、篩子一套等。

1.2 餐廚垃圾的預(yù)處理

將取來(lái)的新鮮半固態(tài)餐廚垃圾手工分揀去除骨頭、魚(yú)刺、筷子等，進(jìn)行過(guò)濾分離固態(tài)物質(zhì)和油水，分離后的油水手工再過(guò)20目篩子去除辣椒、花椒等殘?jiān)?，裝入瓶中備用。

1.3 餐廚油含量的測(cè)定

實(shí)驗(yàn)采用磷酸脫膠水洗法進(jìn)行油水分離：在油水中加入10%～40%的水，加熱到70～85 ℃，開(kāi)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(yè)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(jìn)行稱(chēng)重。含油量的計(jì)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(zhì)量g；

V——為所取油水的體積L。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

單因素法：本研究首先采用單因素法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，主要考察原液加水量、pH值、加熱溫度、攪拌時(shí)間和工業(yè)鹽用量5個(gè)因素對(duì)油水分離效果的影響，為后續(xù)正交試驗(yàn)法提供合理的數(shù)據(jù)范圍。5個(gè)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(shí)間為15、20、25和30 min，工業(yè)鹽用量為原液的0.5%、1.0%、1.5%和2.0%。

正交試驗(yàn)法：本研究依據(jù)單因素法得到的數(shù)據(jù)結(jié)果，篩選出原液加水量、pH值、工業(yè)鹽用量、加熱溫度4因素，相應(yīng)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(yè)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(yàn)表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 原液加水量對(duì)分離油量的影響

加熱溫度85 ℃，調(diào)節(jié)油水pH值2.0，攪拌時(shí)間30 min，工業(yè)鹽用量2.0%，原液加水量分別為10%、20%、30%和40%時(shí)，采用1.2中處理方法得到分離油量，結(jié)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(shí)，含油量為196.02 g/L。加水量從10%增加到20%到30%時(shí)，含油量有明顯的減小。加水量從30%增加到40%時(shí)，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(jié)果表明，原液加水量對(duì)油水中含油產(chǎn)率影響是比較最顯著的，油水分離過(guò)程主要以含油率為目標(biāo)產(chǎn)物，就需在保證含油產(chǎn)率的同時(shí)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(duì)分離油量影響

原液加水量40%，調(diào)節(jié)油水pH值2.0，攪拌時(shí)間30 min，工業(yè)鹽用量2.0%，加熱溫度分別為70 ℃、75 ℃、80 ℃和85 ℃時(shí)，采用1.2中處理方法得到分離油量，結(jié)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(shí)，油量從188.68 g/L增加到241.8 g/L。結(jié)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?yàn)橛退泻械矸?，升高溫度有利于淀粉的溶解，從而使得油從淀粉等物質(zhì)中釋放出來(lái)，有利于油水的分層。根據(jù)加熱溫度和設(shè)備的特點(diǎn)，加熱溫度選擇75～85 ℃。

2.3 油水pH值對(duì)分離油量的影響

原液加水量40%，加熱溫度為80℃，攪拌時(shí)間30 min，工業(yè)鹽用量2.0%，調(diào)節(jié)油水pH值分別為1.0、2.0、3.0和4.0時(shí)，采用1.2小節(jié)中處理方法得到油量，結(jié)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(shí)，油量增加了8.70 g/L，pH值從1.0增加到3.0時(shí)，油量增加了6.57 g/L，pH值從1.0增加到4.0時(shí)，油量減少了22.35 g/L。結(jié)果表明，pH值為2.0～3.0時(shí)，分離出油量較大。根據(jù)酸的特點(diǎn)，pH值選擇1.0～3.0。

2.4 攪拌時(shí)間對(duì)分離油量的影響

原液加水量40%，加熱溫度為80 ℃，調(diào)節(jié)油水pH值3.0，工業(yè)鹽用量2.0%，攪拌時(shí)間分別為15、20、25和30 min時(shí)，采用1.2中處理方法得到油量，結(jié)果如圖4。

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

2.5 工業(yè)鹽用量對(duì)分離油量的影響

原液加水量40%，加熱溫度為80 ℃，調(diào)節(jié)油水pH值3.0，攪拌時(shí)間20 min，工業(yè)鹽用量分別為0.5%、1%、1.5%和2%時(shí)，采用1.2中處理方法得到油量，結(jié)果如圖5。

由圖5可以看出，含油量隨工業(yè)鹽用量的變化而變化。工業(yè)鹽用量從1.0%增加到2.0%時(shí)，含油量呈現(xiàn)遞增過(guò)程，增加了41.15 g/L。結(jié)果表明，工業(yè)鹽用量選擇1.0%～2.0%。

2.6 正交試驗(yàn)法對(duì)油水分離中油量工藝的選擇

根據(jù)2.1～2.5單因素法影響因素的結(jié)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(yè)鹽用量、加熱溫度4因素及相應(yīng)的3水平。考察4因素3水平，選擇L9(34)正交表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，見(jiàn)表1～2。

表1 試驗(yàn)因素水平表

表2 L9 (34) 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表及其結(jié)果

通過(guò)正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，4個(gè)影響因素對(duì)餐廚垃圾中油水分離的主次順序?yàn)锽>A>D>C，即pH值>加水量>加熱溫度>工業(yè)鹽用量，pH值對(duì)餐廚垃圾中油水分離的影響最大，由正交試驗(yàn)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(yè)鹽用量為2.0%，加熱溫度為80 ℃。

以正交試驗(yàn)優(yōu)選出的最佳油水分離工藝方案A3B3C3D2進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，為了減少誤差平行做實(shí)驗(yàn)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(jié)論

(1)單因素法實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)間選擇20 min，工業(yè)鹽用量選擇1.0%～2.0%。

(2)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，4因素對(duì)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(yè)鹽用量。pH值和加水量對(duì)油水分離效果影響較大，為主要影響因素。加熱溫度和工業(yè)鹽用量對(duì)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(yōu)化為加水量40%，pH值3.0，工業(yè)鹽用量2.0%，加熱溫度80 ℃，攪拌時(shí)間20 min。在此條件下，可以分離出234.93 g/L的油量。