廚余垃圾高溫濕熱水解預處理條件優(yōu)化

劉伊 彭燦 吳然 丁寧

摘要：為研究高溫濕熱水解預處理條件對廚余垃圾厭氧發(fā)酵效果的影響，選取不同溫度100℃、150℃、200℃、加水量（20%、40%、60%）、反應時間（20 min、60 min、120 min）設計了三因素三水平正交實驗，并以有機質（ VS/TS）、化學需氧量（SCOD）、還原性糖、氨氮、粗脂肪、粗蛋白作為考量指標進行了實驗，結果顯示：溫度為150℃、加水量為40%，高溫加熱20 min為反應的最佳條件。選擇合理的高溫濕熱水解預處理條件對廚余垃圾后續(xù)處理效果影響顯著。

關鍵詞：廚余垃圾;正交試驗;濕熱法

中圖分類號：X705

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）4-0074-04

1 引言

隨著我國城市化進程的加快和人民生活水平的提高，城市垃圾的產量逐年增長，其中廚余垃圾的年產量約6000萬t，占城市固體廢棄物總量的60%左右[1]。有研究表明[2]，廚余垃圾含有大量的病菌和有害物質，若處置不當會對環(huán)境造成嚴重污染，對人體的健康也會產生不良影響。廚余垃圾的無害化和資源化處理是當今亟待解決的環(huán)境問題。廚余垃圾的主要組分是米和面粉類食物殘余、動植物油、蔬菜、肉骨等，化學組分主要是有機物，且含有少量的鈣、鎂、鉀和鐵等微量元素[3]，通常含水率和有機質較高，且易酸化氧化。采用傳統(tǒng)的城市固體廢棄物處置方法如填埋、好氧堆肥和焚燒等處理廚余垃圾均會造成資源和能源浪費，且會對環(huán)境造成二次污染[4]。厭氧發(fā)酵技術是利用廚余垃圾含有大量有機質的特點，在微生物的作用下產生新型的生物清潔能源，其反應裝置密閉，有效避免了二次污染，是高效處理廚余垃圾，實現(xiàn)廚余垃圾減量化、資源化和無害化的有效途徑之一。但由于廚余垃圾有機質含量及有害成分較高，很大程度上抑制了厭氧發(fā)酵處理中水解酸化過程的反應速率，降低了產氣率和產氣效率，不利于長期穩(wěn)定運行[5]。

高溫濕熱水解預處理是將廚余垃圾置于密閉的環(huán)境中，通過高溫加熱，消除有毒有害物質的同時降低廚余垃圾中油脂的含量，提高溶解性有機質，進而提高廚余垃圾的可生物降解性和產氣率。王攀等[6]研究表明，經(jīng)高溫濕熱預處理后，廚余垃圾的日產氣量、累計產氣量以及TS和VS的去除率明顯升高;朱金龍等[7]研究發(fā)現(xiàn)，在150℃、40%加水量、處理60 min的濕熱水解條件下，餐廚廢棄物液相可浮油達到最高（67.7 mL/kg）;LAI等[8-10]發(fā)現(xiàn)高溫濕熱處理技術可顯著影響廢棄物中蛋白質、碳水化合物及油脂的物理化學性質。

目前，關于高溫濕熱方法預處理廚余垃圾及對餐廚垃圾進行厭氧發(fā)酵的研究已有相關文獻報道，但針對高溫濕熱處理后，將廚余垃圾固液相分離探究固液相物質轉化規(guī)律的研究鮮少有報道。因此，本研究采用高溫濕熱水解預處理方法，通過改變溫度、時間、加水量，優(yōu)選最佳預處理條件，并以化學需氧量（SCOD）、有機質（VS/TS）、還原性糖、氨氮、粗蛋白和粗脂肪作為評價指標，對廚余垃圾處理前后的主要營養(yǎng)組分進行分析。最后，探究最佳預處理條件下廚余垃圾固液兩相物質轉化規(guī)律，充分提高廚余垃圾的資源利用率和生物潛能。

2 實驗材料與方法

2.1 實驗材料

2.1.1 實驗原料

實驗原料取自北京工商大學東區(qū)食堂。首先將其中的衛(wèi)生紙、塑料包裝、泥土等少量雜質去除，然后用粉碎機將廚余垃圾打成漿狀，最后將打碎的廚余垃圾混勻，置人密封的的塑料瓶內，置于O℃冰箱貯存?zhèn)溆谩?/p>

2.1.2 試劑與儀器

儀器主要包括FA1604B電子分析天平（成都一科儀器設備有限公司），SC - 3610型低速離心機（科大創(chuàng)新股份有限公司中佳公司），W-O型升降恒溫油浴鍋（上海申順生物科技有限公司），B- 260恒溫水浴鍋（上海亞榮生化儀器廠），DHG- 9145A型電熱恒溫鼓風干燥箱（上海一恒科技有限公司），1000 mL不銹鋼濕熱反應器，K9840自動凱氏定氮儀（濟南堃康醫(yī)療器械有限公司），HQ40D型COD檢測儀（美國HACH公司），SZF-06A粗脂肪測定儀（浙江托普儀器有限公司）。試劑主要包括：石油醚（分析純），硫酸（分析純），無水硫酸鈉（分析純），氯化鈉（化學純）和乙醚（化學純）。

2.2 實驗方法

2.2.1 高溫濕熱水解預處理試驗

試驗因素和水平的設計應盡量保證反應條件控制在適當?shù)臏囟群蛪毫Ψ秶鷥龋苊庥袡C物的流失和破壞，并降低原料中有毒有害物質含量，提高沼氣的產生量。在研究大量文獻資料的基礎上并基于前期實驗結果，采用正交實驗探究不同高溫濕熱預處理條件對廚余垃圾營養(yǎng)成分的影響。選取不同溫度（100℃、150℃、200℃）、加水量（20%、40%、60%）、反應時間（20 min、60 min、120 min）設計三因素三水平正交實驗。

向500 mL油浴加熱的高溫濕熱水解裝置中加入200 g破碎后的廚余垃圾，按照正交實驗設計結果分別調節(jié)不同的溫度、加水量和反應時間。處理后的樣品經(jīng)高速冷凍離心機以6000r/min的速度離心10 min，固、液相分離，液體經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后測定SCOD、還原糖、氨氮等的濃度，固體樣品烘干后測定粗脂肪、VS/TS、粗蛋白的含量。

2.2.2 測定方法

（1） VS/TS的測定：采用GB/T 6435- 2006標準方法[11]測定。

（2） SCOD的測定：采用連華科技COD快速測定儀測定。

（3）還原性糖的測定：采用3，5-二硝基水楊酸法[12]測定。

（4）粗脂肪的測定：采用GB/T 14771- 2008標準方法[13]測定。

（5）氨氮的測定：采用納氏比色法[14]測定。

（6）粗蛋白的測定：KDNl -凱氏定氮儀，采用GB6432標準凱氏定氮法[15]測定。

3 實驗結果及分析

實驗結果如表1所示，表格中所有數(shù)據(jù)表示樣品反應后成分與反應前成分的含量比值。

用SPSS軟件對實驗數(shù)據(jù)進行處理，可以看出時間對氨氮和SCOD的含量有顯著影響，對其它因素無顯著影響;溫度對氨氮含量有極顯著影響，對粗脂肪含量有顯著影響，而對其它因素無顯著影響;加水量對液相組分中氨氮含量有極顯著影響，對還原性糖有顯著影響，對其它因素無顯著影響，結果如表2所示。

2.2 時間對廚余垃圾中不同成分的影響

如圖1所示，時間對氨氮含量影響顯著（p<0.1），在20～60 min內，隨時間增加氨氮含量增加。在60～120 min內，氨氮含量增長趨于緩慢。這說明隨著加熱時間的增長，越來越多的有機物不斷溶解，生成大量游離的銨離子（NH4+）和游離氨（NH。）。等加熱到一定的時間，游離的銨離子（NH4+）和游離氨（NH。）被分解完全，變化不再明顯[16]。SCOD濃度在20～60 min內趨于穩(wěn)定，在60～120 min內呈上升趨勢，受時間變化影響顯著（p<0.1）。說明在一定的溫度內，隨著加熱時間的增長，廚余垃圾中水溶性有機物濃度在不斷的升高。VS/TS、還原性糖、粗脂肪和粗蛋白含量沒有隨時間變化而產生顯著改變（p>0.1）。

2.3 溫度對廚余垃圾中不同成分的影響

如圖2所示，氨氮含量在100～150℃隨溫度升高趨于穩(wěn)定，在150～200℃隨溫度升高呈顯著上升趨勢，溫度對氨氮影響極為顯著（p<0.05）。這表明高溫會破壞廚余垃圾中的部分有機質結構，使其變成游離態(tài)的銨離子（NH4+）和游離氨（NH3）。

粗脂肪含量隨溫度升高持續(xù)緩慢降低，表現(xiàn)為顯著（p<0.1）。這表明高溫濕熱水解有利于廚余垃圾中油脂的分解，進而降低原料中高濃度的油脂含量口7]。SCOD濃度受溫度影響變化為不顯著（p>0.1），但整體呈上升趨勢。SCOD上升一方面是因為隨著溫度的升高，廚余垃圾中部分有機物的溶解度和液化程度升高，導致溶進水中的有機物的濃度升高;另一方面是由于廚余垃圾中的大分子微溶性糖類、蛋白質、脂肪等物質會水解為小分子可溶性的還原糖、氨基酸、脂肪酸等，這種高溫處理的改變有利于提高廚余垃圾中碳氮的含量[18]。粗蛋白含量受溫度影響變化較小，表現(xiàn)為不顯著（p>0.1），但整體呈下降趨勢。說明適度的加熱有助于蛋白質的水解，提高蛋白質的分解能力。VS/TS、還原性糖的含量并沒有隨溫度變化而發(fā)生顯著性改變（p>0.1）。

2.4 加水量對廚余垃圾不同成分的影響

如圖3所示，廚余垃圾液相組分中氨氮及還原性糖的含量隨加水量的增加而降低，其中氨氮含量降低明顯，表現(xiàn)為極顯著（p<0.05）。其主要原因可能是由于氨氮和還原性糖濃度在反應過程中隨著水量的增加被稀釋。VS/TS、SCOD、粗脂肪和粗蛋白的含量并沒有隨加水量變化而發(fā)生顯著性改變（p>0.1）。

2.5 最優(yōu)處理工藝

用SPSS軟件對實驗數(shù)據(jù)進行極差分析，處理結果見表3。從表3中可以看出，對不同的廚余垃圾組成成分影響力較為突出的因素是溫度和時間，加水量僅對還原糖濃度有最大影響（c>b>a），所以應選擇較少的加水量來減少資源的消耗，盡量避免廚余垃圾中營養(yǎng)成分的稀釋;對反應溫度而言，既要保證足夠的溫度消滅廚余垃圾中的有毒有害物質，在不影響厭氧發(fā)酵效率的情況下，又要盡量選擇較低的溫度，易于控制，降低能耗;對時間而言，由上述的圖1可以看出，VS/TS、還原性糖、粗蛋白等主要營養(yǎng)物質并沒有隨時間的增長而發(fā)生顯著變化，因此為降低能耗，縮小經(jīng)濟成本，應盡量縮短反應時間。綜合考慮，最優(yōu)工藝處理條件為150℃、加水量40%、時間20 min，為正交實驗的第四組。在此工藝條件下處理廚余垃圾，既能降低一定的經(jīng)濟成本減少能源消耗，又能充分避免還原性糖、粗蛋白等營養(yǎng)成分的流失。

4 結論

（1）研究表明，高溫濕熱水解預處理技術可以在消除大部分有毒有害物質的同時降低廚余垃圾中油脂的含量，提高大分子有機質溶解性。實驗結果顯示，最佳預處理反應條件為溫度150℃，加水量40%，時間20min，此工藝條件既能降低一定的經(jīng)濟成本，減少能源消耗，又能為后續(xù)厭氧處理提供較優(yōu)的原料成分。

（2）高溫濕熱水解預處理技術中，不同的溫度、時間、水分對廚余垃圾的組分影響都是不同的。綜合來看，其影響程度主次排序依次為溫度>時間>加水量。溫度對氨氮含量有極顯著影響，對粗脂肪含量有顯著影響;時間對氨氮、SCOD影響顯著;加水量對氨氮有極其顯著性影響，對還原性糖有顯著性影響。因此，合理地選擇高溫濕熱水解預處理條件對廚余垃圾后續(xù)進行厭氧發(fā)酵十分必要。

參考文獻：

[1]任連海，聶永豐，劉建國，等.濕熱處理參數(shù)對餐廚垃圾脫水和脫油性能的影響[J].環(huán)境科學，2006，27（9）：1906～1911.

[2]王宇卓，任連海，聶永豐，采用正交實驗優(yōu)化濕熱法處理廚余垃圾的工藝條件[J].環(huán)境工程學報，2005，6（10）：53～57.

[3]王宇卓，聶永豐，任連海，濕熱法處理實現(xiàn)廚余垃圾飼料化的研究[J].環(huán)境工程學報，2005，6（9）：75～78.

[4]徐葳，馮磊，BERNHARD R，等.廚余垃圾厭氧消化制取甲烷的影響因素研究[J].可再生能源，2008，26（6）：66～71.

[5] Chen Ye， Cheng J J， Greamer K S.Inhibition of anaerobicdigestion process：A review [J]. Bioresource Technology， 2008，99（10） ：4044～4064.

[6]王攀，郭新愿，盧擎宇，等.濕熱預處理對餐廚垃圾高溫干式厭氧消化的影響[J].重慶大學學報，2016，39（02）：64～70.

[7]朱金龍，魏自民，賈璇，等，濕熱水解預處理對餐廚廢棄物液相物質轉化的影響[J].環(huán)境科學研究，2015，28（03）：440～446.

[8]LAI H M. Effects of hydrothermal treatment on the phusicochemical properties of pregelatinized rice flour[J]. Food Chem， 2001（72）：455～463.

[9]SARA M， WIM J，MARTINUS B A.Review of maillard reactionin food implications to kinetic modellin[J]. Treds in Food ScienceTechnology， 2001（11）：364～373.

[10]MEGUMI M， NAOFUMI M. Effect of heat- moisture treatedmaize starch on the properties of dough and bread [J]. Food ResInt， 2005（38）：369～376.

[11]ASSOCIATION A P H. Standard methods for the examinaationof water wastewater [S]. Washington DC： American PublicHealth Association， 1995.

[12]趙凱，許鵬舉，谷廣燁.3，5-二硝基水楊酸比色法測定還原糖含量的研究[J].食品科學，2008（8）：534～536.

[13]國家標準化管理委員會.食品中粗脂肪的測定：GB/T 14771-2008 [S].北京：國家質量監(jiān)督檢疫總局，2008.

[14]王文雷.納氏試劑比色法測定水體中氨氮影響因素的探討[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2009，25（1）：29～32.

[15]郁飛.試驗設計與數(shù)據(jù)處理[S].北京：中國標準出版社，1999.

[16]林鴻，水解特性及提高厭氧消化性能的研究[D].福州：福建師范大學，2016

[17]趙越，朱金龍，賈璇，等.濕熱水解預處理對餐廚廢棄物液相厭氧發(fā)酵產氫潛力的影響[J].環(huán)境工程學報，2016，10（05）：2609-2615.

[18]Mansur A， Whalley J.Applied General Equilibrium Anaysis[M]. Cambridge： Cambridge University Press， 1984.