餐厨垃圾油脂分离技术研究及应用

靳俊平，宋玉山，张瑞清，刘淑玲，王 琦，高 波

（中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300074）

基于第3批试点城市的实施，国内餐厨垃圾处理行业发展较快。目前，厌氧消化已经逐渐成为餐厨垃圾处理技术的重要发展方向。但是，餐厨垃圾中的油脂类物质阻碍厌氧消化，主要体现在以下3个方面：在厌氧系统内部不断累积，影响产甲烷菌的活性和系统的稳定性；油脂包裹支撑介质，干扰微生物生命活动；油脂黏附器壁造成管路堵塞等［1-3］。另一方面，餐厨垃圾中的油脂又是理想的生物油燃料和日用化工原料，回收利用价值较高。

1 餐厨垃圾性质及含油量分析

根据国内饮食习惯，分区域对餐厨垃圾的含油率进行总结分析，分析样本分别选取以下6个城市：重庆市主城区［4］、福州市城区［5］、南京大学食堂［6］、清华大学紫荆食堂淮扬菜系餐厅［7］、兰州城区［8］、天津市滨海新区［9］。

1.1 国内餐厨垃圾共同点

1）含水率高：76%～88.5%。

2）游离态脂肪比重大。

3）易腐性：有机物含量高，在温度较高的条件下很快腐败发臭，导致新的污染。

4）携带有病毒、致病菌和病原微生物。如不经处理而直接利用，会造成病菌的传播、感染等不良后果。

5）含有较高的潜在生物能：如能有效处理，可实现资源的回收再利用，有利于降低能源的消耗。

6）与城市生活垃圾相比，其化学构成简单，有毒有害物质少，善加利用可实现“变废为宝”。

1.2 各地餐厨垃圾不同点

不同区域餐厨垃圾的理化特性见图1。

从图1看出：液态含油率、含水率重庆市的最高，兰州市的最低。其主要原因是重庆市饮食以火锅为主，吃火锅剩余大量火锅底油，且其中有大量液态油；而兰州市饮食以面食和羊肉为主，餐厨垃圾中水分和含油量均较小。清华大学紫荆食堂由于取样单一，液态含油率也较高，但没有普遍意义。餐厨垃圾中粗脂肪的含量为17.02%～27.61%，最低的是重庆市，最高的是福州市和兰州市。

2 餐厨垃圾油脂分离原理及处理技术

2.1 餐厨垃圾油脂分离原理

餐厨垃圾属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、固相内部油脂等5种形式存在［10］。其中：①可浮油滴径较大，静置后能较快上浮，以连续相油膜的形式飘浮于液相表面。②分散油以滴径大于l μm的微小油珠悬浮分散在水相中。③乳化油粒径大小为0.5～15 μm；溶解油以分子状态分散于水中，与水形成均相体系，分离较难。④固相内部油脂多以固态与垃圾固相结合，几乎不能直接分离。

对于餐厨垃圾油脂分离方法按原理可分为物理法（沉降、机械、离心、粗粒化、隔油池等）、物理化学法（湿热、浮选等）。

2.2 餐厨垃圾油脂分离处理技术

2.2.1 滤液加热-隔油池

滤液是指餐厨垃圾在有孔接料斗、输送螺旋内通过挤压沥水产生的液体。滤液通过管道进入隔油池，隔油池中有加热措施。为增加油脂分离效率，隔油池常为多级。也可以在隔油池中增加气浮功能，通过微泡把油滴带到液面。

此种方式可分离餐厨垃圾中的可浮油。对于餐厨垃圾中的溶解油、固相内部油脂则不能分离。此种方法对滤液的含渣量有要求，浮渣对油脂分离影响较大。相比其他分离方式，此种方式能耗最低。

2.2.2 滤液加热-离心

滤液被收集到沉淀池中，通过加热器把滤液加热，然后定量均匀流入卧式离心机，进行固液分离；把分离出的高含油脂液体再次加热，然后进入立式离心机进行油水分离。最后得到纯度较高的油脂。

此种方式可分离餐厨垃圾中的可浮油、分散油。对于餐厨垃圾中的溶解油、固相内部油脂则不能分离。由于离心机的高速旋转，高流速对含油废水会造成严重的二次乳化［11］。

2.2.3 浆料-平流沉淀池

浆料是指将餐厨垃圾粉碎制成含固率为10%左右的物料。制成浆的浆料进入平流沉淀池，浆料在流动过程中，油滴会上浮到液面。

由于浆料含固率较高，油滴和浆料难以分离，此种方式效果较差。

2.2.4 浆料湿热-离心

湿热法是近年来开发的一种新型有效的餐厨垃圾处理技术，该法在含水环境中对餐厨垃圾进行加热，可以改变垃圾的营养结构及物理性能，有利于餐厨垃圾的资源化。

将餐厨垃圾进行粉碎制浆，将含固率为10%左右的浆料泵入蒸煮釜进行湿热处理。宁娜［12］通过对湿热-离心法进行研究指出：随着温度升高和加热时间延长，餐厨垃圾脱油性能呈上升趋势；120℃下湿热处理80 min，餐厨垃圾固相内部油脂液化浸出效果最佳，最佳离心转速为2 500 r/min时，餐厨垃圾废油脂分离回收率最高。

此种方法，不仅可以分离可浮油，还可以分离餐厨垃圾内部固态油脂，大大提高了油脂提取效率。存在问题是，湿热分离油脂消耗大量的热量。如果加热时间控制不好，使部分可浮油转变为乳化油，增加了油脂的分离回收难度［13］。

2.3 提高餐厨垃圾油脂分离效率的措施

2.3.1 提高液相油脂分离回收效率的途径

对于上浮油、分散油、乳化油、溶解油等液相油脂，可通过研究油水分离原理，探讨提高油脂分离回收效率的途径。

在油水分离装置内，一般流速都比较低，油滴流态处于Re<1，处于层流区，油滴的上升速度可按Stokes定律计算：

式中：u为油滴上浮速度，m/s；pw、p0分别为水和油的密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；d为油滴直径，m；μ为动力黏度，Pa·s。

由Stokes定律可知，油在水中的上升速度与油滴直径的平方、水与油的密度差成正比，而与水的绝对黏度成反比。即油滴直径越大，水与油的密度差越大，油滴在水中的上升速度越快；水的绝对黏度越小，油滴的上浮速度也越快。因此，增大油粒直径、增大水与油的密度差、降低水的绝对粘度，是提高油滴在水中上升速度的3个有效途径。

1）采用粗粒化材料增大油粒直径。粗粒化床层材料表面具有亲油疏水性质。一般来讲，油、固表面接触角应小于90°，接触角越小，亲油润湿性能越好。当油水混合液流经该多孔材料时，由于该多孔材料床层内形成了许多直径小而又互相弯曲的孔道，油水混合液在这些孔道中不断改变流动方向和速度，因而增加了油滴之间的碰撞机会，促使其聚结成较大的油滴。当不断聚集的细小油滴聚合成较大的油滴时，其Stokes力就会大于表面黏力。该油滴受Stokes力的驱动，脱离多孔材料向上浮升，直至最终浮出水面。

2）增大水与油的密度差。由于随着温度的升高，水的密度变化不大，而油的密度则大大降低。因此，提高油水混合物的温度，对油与水的分离是有益的。

3）降低水的绝对黏度。提高油水混合液的温度，有利于降低水的绝对黏度。针对上述理论分析，通过实验研究，摸索实际工程中餐厨垃圾脱出液中废油的最佳分离回收条件。

2.3.2 提高垃圾固相内部油脂分离回收效率的途径

垃圾固相内部油脂含于垃圾固相细胞内或其他微观结构中，传统方法难以分离。为了提高这部分油脂的回收效率，可行的方法为先将这部分油脂从固相内部浸出，进入液相，然后利用油水分离的方法分离出来。

3 餐厨垃圾油脂分离技术的比较

餐厨垃圾成分复杂，是由固形物、水和油脂等组成的多元多相体系，传统的油水分离方式难以奏效。表1对以上几种技术措施进行比较。

表1 餐厨垃圾油脂分离技术的比较

4 结论

1）通过对国内不同地区餐厨垃圾理化性质进行分析，提出4种典型的餐厨垃圾油脂分离技术：滤液加热-隔油池、滤液加热-离心、浆料-平流沉淀池、浆料湿热-离心。

2）国内不同地区餐厨垃圾性质差异较大，在选择油脂分离工艺时，需要针对具体餐厨垃圾的理化性质，进行技术经济比选。通过对4种油脂分离技术进行比较，建议重庆等西南地区采取滤液提油或者隔油池提油，而福州和兰州地区采取湿热提油。

3）餐厨垃圾油脂分离技术尚未完全成熟，需要进行更加深入的研究，以指导规模化生产。

［1］韩子兴，侯天明.废水中油类的理化性状及含量测定技术［J］.化工环保，2000，20（6）：38-43.

［2］Begum M，Rai V R，Lokesh S.Effect of mycoflora on the physico-chemical characteristics of oil obtained from the infected sunflower，toria and sesame seeds［J］.Food Sci Tech Mys，2003，40 （6）：626-628.

［3］Arnold P.Used cooking oil turned into diesel fue［J］.Bio Cycle，2002，43（5）：42-43.

［4］重庆市主城区餐厨垃圾产量调查及理化性质分析报告［R］.重庆大学，2007.

［5］福州市餐厨垃圾成分调查分析报告［R］.福建师范大学，2011.

［6］王巧玲.餐厨垃圾厌氧发酵过程的影响因素研究［D］.南京：南京大学，2012.

［7］任连海，聂永丰.餐厨废油高效分离回收工艺研究［J］.城市管理技术，2009 （4）：52-55.

［8］兰州市餐厨垃圾资源化处理项目可行性研究报告［R］.中国市政工程西北设计研究院有限公司，2007.

［9］天津市滨海新区餐厨垃圾产量调查及理化性质分析报告［R］.天津大学，2012.

［10］任连海，金宜英，刘建国，等.餐厨垃圾固相油脂液化及分离回收的影响因素［J］.清华大学学报，2009，49（3）：387-390.

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［13］阚建全.食品化学［M］.北京：中国农业大学出版社，2003.