餐厨垃圾油水分离工艺条件优化试验研究

谢伟雪，张永合，王 维，刘玉英

(兰州资源环境职业技术学院，甘肃 兰州 730021)

0 引言

随着居民生活消费的提高和城市化进程的快速发展，餐厨垃圾产出量逐渐增多，属于有机湿垃圾，极易腐烂变质，散发恶臭，传播细菌和病毒，对环境造成很大的影响。目前,大部分城市餐厨垃圾直接作为饲料供给养殖场喂猪，导致动物和人类疾病的互相感染。少量的餐厨垃圾未经处理直接排入下水道，造成水污染和出现地沟油重回餐桌的现象。同时餐厨垃圾含有可降解利用的高有机物、高含水率、高油、高盐分等，还含有蛋白质、纤维素、淀粉、脂肪和富含氮、磷、钾、钙及各种微量元素。因此餐厨垃圾属于较高的资源型废弃物，是一种高回收价值的重要资源和能源，如熊婷[1]在城市餐厨垃圾资源化处理必要性研究中指出可以利用餐厨垃圾高温处理制备动物饲料、好氧堆肥制备有机肥料、厌氧发酵制备生物能源等。杨国华[2]在地沟油回收利用工艺浅析中提到将地沟油水解为脂肪酸，可以有效处理能够避免地沟油重回餐桌，保证食品卫生安全和人民身体健康同时，还可以回收脂肪酸。

如能合理处理利用餐厨垃圾中油水、废水、废渣及其它有机物，将其变废为宝，可以降低餐厨垃圾对环境的污染，提高城市环境的质量，保证食品安全，实现餐厨垃圾减量化、无害化和资源化利用。因此，为了合理处理餐厨垃圾中的油水分离及实现餐厨垃圾的减量化和资源化利用，本文以食堂新鲜餐厨垃圾为研究对象，首先对餐厨垃圾进行预处理和原料的测定，然后采用单因素法，主要考察原液加水量、pH值、加热温度、搅拌时间和工业盐用量对油水分离的效果和条件，最后通过正交试验法L9(34)确定出餐厨垃圾油水分离的最佳工艺条件及含油量。

1 材料与方法

1.1 试剂与仪器

实验所用的餐厨垃圾来自兰州资源环境职业技术学院金谷苑食堂，所用试剂有磷酸、工业盐、去离子水等，磷酸为分析纯。

主要仪器：彩屏混凝试验搅拌仪器MY3000-6M(武汉市梅宇仪器有限公司)、电热鼓风干燥箱(郑州红焱仪器设备有限公司)，温度控制器、pHSJ-5型pH计(上海仪电科学仪器股份有限公司)、电子天平、岛津AP225WD分析天平(万分之一)、筛子一套等。

1.2 餐厨垃圾的预处理

将取来的新鲜半固态餐厨垃圾手工分拣去除骨头、鱼刺、筷子等，进行过滤分离固态物质和油水，分离后的油水手工再过20目筛子去除辣椒、花椒等残渣后，装入瓶中备用。

1.3 餐厨油含量的测定

实验采用磷酸脱胶水洗法进行油水分离：在油水中加入10%～40%的水，加热到70～85 ℃，开启搅拌，缓慢滴加磷酸使pH值为2～3，搅拌15～30 min，加入0.5%～2%的工业用盐，再搅拌20 min后，装入分液漏斗中静置分层。分层后得到的分离油进行称重。含油量的计算如下式：

C=m/V×100%

式中：C——为餐厨油水中所含油量g/L；

m——为餐厨油水中油的质量g；

V——为所取油水的体积L。

1.4 实验方法

单因素法：本研究首先采用单因素法进行实验，主要考察原液加水量、pH值、加热温度、搅拌时间和工业盐用量5个因素对油水分离效果的影响，为后续正交试验法提供合理的数据范围。5个因素的取值为：原液加水量为原液的10%、20%、30%和40%，pH值为1.0、2.0、3.0和4.0，加热温度为70 ℃、75 ℃、80 ℃和85 ℃，搅拌时间为15、20、25和30 min，工业盐用量为原液的0.5%、1.0%、1.5%和2.0%。

正交试验法：本研究依据单因素法得到的数据结果，筛选出原液加水量、pH值、工业盐用量、加热温度4因素，相应的3水平取值为：原液加水量为原液的30%、40%、50%，pH值为1.0、2.0、3.0，工业盐用量为原液的1.0%、1.5%、2.0%，加热温度为75 ℃、80 ℃、85 ℃。然后选用L9(34)正交试验表进行实验。

2 结果与讨论

2.1 原液加水量对分离油量的影响

加热温度85 ℃，调节油水pH值2.0，搅拌时间30 min，工业盐用量2.0%，原液加水量分别为10%、20%、30%和40%时，采用1.2中处理方法得到分离油量，结果如图1。

由图1可以看出，含油量随原液加水量的变化而变化，加水量为10%时，含油量为196.02 g/L。加水量从10%增加到20%到30%时，含油量有明显的减小。加水量从30%增加到40%时，含油量反而增大，含油量为231.33 g/L，含油量增加了80.13 g/L。结果表明，原液加水量对油水中含油产率影响是比较最显著的，油水分离过程主要以含油率为目标产物，就需在保证含油产率的同时控制其性能，因而选择合适的原液加水量很重要。原液加水量选择在40%。

2.2 加热温度对分离油量影响

原液加水量40%，调节油水pH值2.0，搅拌时间30 min，工业盐用量2.0%，加热温度分别为70 ℃、75 ℃、80 ℃和85 ℃时，采用1.2中处理方法得到分离油量，结果如图2。

由图2可以看出，含油量随加热温度的变化而变化，随着加热温度的升高提取油量增加。加热温度从70 ℃增加到85 ℃时，油量从188.68 g/L增加到241.8 g/L。结果表明，加热温度升高有利于油水的分离，增加油量。这可能是因为油水中含有淀粉，升高温度有利于淀粉的溶解，从而使得油从淀粉等物质中释放出来，有利于油水的分层。根据加热温度和设备的特点，加热温度选择75～85 ℃。

2.3 油水pH值对分离油量的影响

原液加水量40%，加热温度为80℃，搅拌时间30 min，工业盐用量2.0%，调节油水pH值分别为1.0、2.0、3.0和4.0时，采用1.2小节中处理方法得到油量，结果如图3。

由图3可以看出，含油量随pH值的变化而变化。pH值从1.0增加到2.0时，油量增加了8.70 g/L，pH值从1.0增加到3.0时，油量增加了6.57 g/L，pH值从1.0增加到4.0时，油量减少了22.35 g/L。结果表明，pH值为2.0～3.0时，分离出油量较大。根据酸的特点，pH值选择1.0～3.0。

2.4 搅拌时间对分离油量的影响

原液加水量40%，加热温度为80 ℃，调节油水pH值3.0，工业盐用量2.0%，搅拌时间分别为15、20、25和30 min时，采用1.2中处理方法得到油量，结果如图4。

由图4可以看出，含油量随搅拌时间的变化而变化。搅拌时间从15 min增加到20 min时，油量增加了46.15 g/L，搅拌时间20 min到25 min反而减少了33.80 g/L，搅拌时间20 min到30 min减少了36.52 g/L。结果表明，搅拌时间选择20 min。

2.5 工业盐用量对分离油量的影响

原液加水量40%，加热温度为80 ℃，调节油水pH值3.0，搅拌时间20 min，工业盐用量分别为0.5%、1%、1.5%和2%时，采用1.2中处理方法得到油量，结果如图5。

由图5可以看出，含油量随工业盐用量的变化而变化。工业盐用量从1.0%增加到2.0%时，含油量呈现递增过程，增加了41.15 g/L。结果表明，工业盐用量选择1.0%～2.0%。

2.6 正交试验法对油水分离中油量工艺的选择

根据2.1～2.5单因素法影响因素的结果分析，综合考虑具有特征性的因素，因此筛选出加水量、pH值、工业盐用量、加热温度4因素及相应的3水平。考察4因素3水平，选择L9(34)正交表进行实验分析，见表1～2。

表1 试验因素水平表

表2 L9 (34) 正交试验设计表及其结果

通过正交试验数据可以看出，4个影响因素对餐厨垃圾中油水分离的主次顺序为B>A>D>C，即pH值>加水量>加热温度>工业盐用量，pH值对餐厨垃圾中油水分离的影响最大，由正交试验分析可知，A3>A1>A2， B3>B1>B2，C3>C1>C2，D2>D1>D3，从而选出最佳油水分离工艺方案A3B3C3D2，即加水量40%，pH值为3.0，工业盐用量为2.0%，加热温度为80 ℃。

以正交试验优选出的最佳油水分离工艺方案A3B3C3D2进行验证实验，为了减少误差平行做实验2次。第1次分离出油量235.84 g/L，第2次分离出油量234.02 g/L。因此采用最佳油水分离工艺方案A3B3C3D2，可以分离得到油量为234.93 g/L。

3 结论

(1)单因素法实验结果表明，原液加水量选择40%，加热温度选择75～85℃，pH值选择1.0～3.0，搅拌时间选择20 min，工业盐用量选择1.0%～2.0%。

(2)正交实验结果表明，4因素对油水中油的分离影响因素由大到小依次为pH值、加水量、加热温度和工业盐用量。pH值和加水量对油水分离效果影响较大，为主要影响因素。加热温度和工业盐用量对油水分离效果影响较小，为次要因素。

(3)油水中油的最佳分离条件优化为加水量40%，pH值3.0，工业盐用量2.0%，加热温度80 ℃，搅拌时间20 min。在此条件下，可以分离出234.93 g/L的油量。