餐廚垃圾制備生物柴油工藝研究

譚燕宏

（營(yíng)口職業(yè)技術(shù)學(xué)院環(huán)境化學(xué)工程系，遼寧 營(yíng)口 115000）

柴油作為一種重要的動(dòng)力燃料在各國(guó)燃料結(jié)構(gòu)中占有較高的份額。隨著世界范圍內(nèi)車(chē)輛柴油化趨勢(shì)的加快，未來(lái)柴油的需求量會(huì)逐步提升。而石油資源的日益枯竭和人們環(huán)保意識(shí)的提高，大大促進(jìn)了全世界加快柴油替代燃料的開(kāi)發(fā)步伐。生物柴油是指以動(dòng)植物油脂為原料，經(jīng)過(guò)反應(yīng)而得到的既可作為礦物燃料替代品，又可作為礦物燃料添加劑的物質(zhì)，與石化柴油相比，它可以使二氧化硫等硫化物的排放量減少約30％，使一氧化碳等溫室氣體的排放量減少60％。

1 餐廚垃圾加工生物柴油發(fā)展優(yōu)勢(shì)

作為石化柴油的替代燃料，生物柴油其本身即為燃油，可直接用于現(xiàn)有的柴油機(jī)，同時(shí)它也可以作為添加劑，與石化柴油以一定比例調(diào)和成柴油-生物柴油混合燃料。利用餐廚垃圾加工生物柴油發(fā)展優(yōu)勢(shì)明顯，前景可觀。

1.1 生產(chǎn)技術(shù)成熟

生物柴油于1988年誕生，是由德國(guó)聶爾公司首創(chuàng)，以菜籽油為原料，提煉而成的潔凈燃油。突出的環(huán)保性和可再生性，引起了世界發(fā)達(dá)國(guó)家，尤其是資源貧乏國(guó)家的高度重視。以動(dòng)植物油脂為原料生產(chǎn)生物柴油技術(shù)主要有酸-堿兩步法、分離反應(yīng)法、完全酸催化法等工藝。餐廚垃圾粗加工提煉的垃圾油，其成分和植物油非常接近，可作為生物柴油的半成品原料直接用于生產(chǎn)。

1.2 管理技術(shù)成熟

在餐廚垃圾加工生產(chǎn)生物柴油管理方面，世界許多國(guó)家和地區(qū)技術(shù)成熟。以香港為例，采用三聯(lián)單進(jìn)行管理。餐飲業(yè)者保存一聯(lián)，收集商保存一聯(lián)，香港環(huán)保署的垃圾集中處理站保存一聯(lián)；收集商到飯店收集餐廚垃圾時(shí)，要在飯店的一聯(lián)上簽署，何時(shí)收集、收集多少等數(shù)據(jù)；然后將收集起來(lái)的餐廚垃圾運(yùn)送到環(huán)保署指定的隔油池，垃圾處理商稱(chēng)重后，將總質(zhì)量一聯(lián)給運(yùn)輸商作為環(huán)保署給運(yùn)輸商付費(fèi)的依據(jù)，處理商將匯總起來(lái)的餐廚垃圾的總量作為環(huán)保署付費(fèi)的依據(jù)；同時(shí)，環(huán)保署將收到的各個(gè)餐館排放的餐廚垃圾的量作為向餐館收費(fèi)的依據(jù)。

1.3 生產(chǎn)原料潛力巨大

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)餐飲企業(yè)餐廚垃圾的年產(chǎn)生量不低于6 000萬(wàn)t，如北京、上海等大城市日產(chǎn)生餐廚垃圾1 000 t左右，雖然我國(guó)目前餐廚垃圾資源化程度低，但餐廚垃圾資源化潛力巨大。同時(shí)餐廚垃圾加工生物柴油利潤(rùn)豐厚，利用餐廚垃圾加工制造的生物柴油的價(jià)格比普通柴油要便宜許多，有很大的利潤(rùn)空間。我國(guó)相關(guān)部門(mén)也先后出臺(tái)對(duì)以餐廚垃圾等為原料加工生物柴油的積極政策，如政府給予貼息貸款、特許經(jīng)營(yíng)等，鼓勵(lì)企業(yè)投資，為促進(jìn)餐廚垃圾無(wú)害化、資源化處理提供良好的社會(huì)環(huán)境。

2 餐廚垃圾加工生物柴油生產(chǎn)工藝

2.1 堿催化酯交換反應(yīng)

堿催化酯交換反應(yīng)具有速率快、轉(zhuǎn)化率高等優(yōu)點(diǎn)，是目前生物柴油生產(chǎn)最常用的方法之一。在均相堿催化劑中以甲醇鹽應(yīng)用最為廣泛，因?yàn)榧状见}作催化劑操作容易、價(jià)格低、活性高、反應(yīng)時(shí)間短、反應(yīng)所需溫度低、催化劑用量少，且反應(yīng)后通過(guò)中和水洗易除去。工藝為：通過(guò)對(duì)廢棄油脂的預(yù)處理，使其中的水分、顏色都得到控制。通過(guò)脫色、脫酸的廢棄油脂與適量的甲醇和NaOH，在60℃下反應(yīng)40 min，所得生物柴油產(chǎn)率為85.8％。該工藝的不足之處在于后續(xù)工序需要有甲醇回收裝置以收集過(guò)量的甲醇，能耗增大，產(chǎn)品分離難且反應(yīng)副產(chǎn)物和廢液處理較難。

2.2 酸催化酯交換法

酸催化酯交換過(guò)程一般使用硫酸、鹽酸、磷酸、有機(jī)磺酸、固體超強(qiáng)酸等進(jìn)行催化。對(duì)于游離脂肪酸和水分含量高的油脂游離酸較易催化酯化反應(yīng)，且酯化反應(yīng)速率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于酯交換速率。通常采用兩步法處理原油酸值較高的情況，第一步先用酸催化酯化反應(yīng)，待酸值降到一定程度后，干燥除水，再進(jìn)行第二步的堿催化轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)。酸催化酯交換法的缺點(diǎn)是在生產(chǎn)中會(huì)造成生物柴油分離困難，并產(chǎn)生酸性廢水。

2.3 脂肪酶催化酯交換反應(yīng)

酶催化法是以脂肪酶為催化劑，動(dòng)植物油脂與醇發(fā)生酯交換反應(yīng)生成脂肪酸酯的過(guò)程。酶催化法存在制備工藝簡(jiǎn)單、原料適用性廣、反應(yīng)條件溫和、醇用量小、產(chǎn)物易回收、不腐蝕設(shè)備、不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。但脂肪酶作為催化劑還有一定局限性，底物降低酶的活性，對(duì)其有抑制作用；酶的價(jià)格昂貴，壽命短；脂肪酶在有機(jī)溶劑中不易分散，存在聚集作用，催化效率較低，直接造成生產(chǎn)成本居高不下。

2.4 超臨界甲醇流體法

超臨界甲醇流體法就是處于超臨界狀態(tài)下的甲醇與動(dòng)植物的油脂發(fā)生酯交換反應(yīng)生成脂肪酸甲酯的工藝。研究發(fā)現(xiàn)在超臨界處理過(guò)程，甲醇可以在無(wú)催化劑情況下與菜籽油發(fā)生酯交換反應(yīng)。在反應(yīng)壓為20 MPa、溫度為300℃、甲醇與菜籽油物質(zhì)的量比為42∶1，以及反應(yīng)時(shí)間控制在15 min的條件下，脂肪酸甲酯收率靠近100％。相比于傳統(tǒng)的酸、堿催化法和酶催化法等技術(shù)，超臨界酯交換反應(yīng)不需要催化劑，反應(yīng)速率快和產(chǎn)物分離簡(jiǎn)單，具有明顯優(yōu)勢(shì)；但仍然存在反應(yīng)溫度、壓力條件不夠溫和，對(duì)設(shè)備要求較高及操作費(fèi)用高等缺點(diǎn)。

2.5 加氫工藝法

直接加氫脫氧工藝是在 240～450 ℃，4～15 MPa，催化劑作用對(duì)油脂的深度加氫過(guò)程，羧基中的氧原子和氫結(jié)合成水分子，而自身還原成烴，同時(shí)生成水和丙烷等。與酯交換工藝相比，加氫工藝具有原料適應(yīng)性強(qiáng)，可利用現(xiàn)有煉廠加氫技術(shù)與設(shè)備直接加氫脫氧，工藝比較簡(jiǎn)單，產(chǎn)物具有高的十六烷值等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)加氫工藝得到的綠色柴油是優(yōu)質(zhì)的柴油調(diào)和組分，沸程范圍接近典型的石化柴油，但得到的柴油組分中主要是長(zhǎng)鏈的正構(gòu)烷烴，使得產(chǎn)品的濁點(diǎn)較高，低溫流動(dòng)性差，產(chǎn)品在高緯度地區(qū)環(huán)境下使用受到抑制，一般只能作為高十六烷值柴油添加組分。

3 餐廚垃圾制備生物柴油問(wèn)題及對(duì)策

3.1 問(wèn)題

生物柴油企業(yè)以餐廚垃圾作為生物原料，餐廚垃圾的收運(yùn)管理已成為其資源化處理的關(guān)鍵。從各個(gè)城市管理方式看，特許經(jīng)營(yíng)以及政府主導(dǎo)、公眾參與、公司化運(yùn)作等模式都實(shí)行過(guò)，但多年來(lái)層層轉(zhuǎn)包最終使得廢棄油脂管理形同虛設(shè)，廢棄油脂回流餐桌時(shí)有發(fā)生；餐館—收運(yùn)戶(hù)—餐廚垃圾加工點(diǎn)已形成一個(gè)完整的地下利益鏈條。政府管理部門(mén)及正規(guī)企業(yè)的介入，使餐館及收運(yùn)戶(hù)、加工點(diǎn)的利益受損，尤其是餐館由原來(lái)的餐廚垃圾賺錢(qián)，變成了餐廚垃圾賠錢(qián)，餐館、收運(yùn)戶(hù)、加工點(diǎn)以各種方式逃脫監(jiān)管，三者之間的交易由明變暗，餐廚垃圾“經(jīng)營(yíng)”變得更加隱蔽，給政府監(jiān)管帶來(lái)更大困難。

3.2 對(duì)策

加強(qiáng)餐廚垃圾收運(yùn)管理可以采用政府引導(dǎo)、統(tǒng)一管理、集中收運(yùn)、定點(diǎn)處置、社會(huì)參與、市場(chǎng)化運(yùn)作等手段。采取靈活策略應(yīng)結(jié)合實(shí)際，規(guī)范餐廚垃圾的收運(yùn)、處理。餐廚垃圾特別是廢食用油脂資源的合理化利用，對(duì)防止廢食用油脂再次進(jìn)入食物鏈和促進(jìn)生物柴油的發(fā)展都十分有利。