餐廚垃圾廢棄油脂分離的工藝參數優化研究

曹飛，陳冬，許威，邵頌友

（江蘇雋諾環保工程技術有限公司，江蘇 南京 210012）

現如今，餐廚垃圾的主流處置方式為厭氧發酵資源化技術[1-3]，因國內餐廚垃圾存在一定含量的不可微生物降解成分，需采用預處理工藝獲取有機漿液作為厭氧消化底物，有效分離去除餐廚垃圾中較難或不具備生物降解組分，同時需盡量降低有機漿液中廢棄油脂、鹽分濃度對厭氧工藝運行產生的負面影響[4-6]。

通過對餐廚垃圾厭氧發酵機理與試驗研究的資料查閱與分析[7-8]，餐廚垃圾中廢棄油脂具備厭氧消化產甲烷潛力大的特點，但存在過高脂肪含量將降低厭氧消化效率，高油脂濃度將顯著延長厭氧發酵啟動階段的時間，廖家林[9]明確了厭氧消化工段發生“酸化及現象與進罐有機漿液中油脂率水平較高有著直接的關系。黃建欽等[10]研究表明，添加外源脂肪酶、表面活性劑的預處理方式可以提升含油脂漿液的產沼性能，但實際運行操作困難及成本費用較高，難以工程化實踐，而行業普遍認為餐廚垃圾制備的有機漿液中低油脂濃度更有利于厭氧消化過程的穩定運行[11-13]，此外，對餐廚垃圾廢棄油脂的出路分析，不難發現餐廚廢棄油脂的回收經濟價值呈現逐漸升高的趨勢，其后端的再生利用需求量在不斷增大[14]，為此，工程上餐廚制備有機漿液的含油脂率應盡可能的降低，既可以實現餐廚廢棄油脂的回收高值再利用，同時明顯降低對餐廚有機漿液厭氧消化工藝穩定運行帶來的不利影響。

本文選取某餐廚垃圾處理廠預處理的餐廚垃圾為研究對象，以油脂得率為目標，通過三因素正交試驗的設計與實施，獲取較高水平的油脂得率，為餐廚垃圾預處理工程投入運行后提供最優化的指導參數。

1 試驗思路

1.1 餐廚垃圾預處理工程工藝流程

本文選取的研究對象為投產的餐廚垃圾預處理清洗脫漿工藝生產線，該生產線由水洗單元、除雜單元、加熱單元及分離單元等組成，其主體工藝流程如下圖1 所示。

圖1 某餐廚垃圾預處理工程工藝流程簡圖

1.2 試驗控制參數篩選

油脂分離工段是餐廚垃圾預處理工程工藝系統的重要組成部分，在工藝系統中存在較多的運行控制環節可影響油脂分離效果。在試驗中，選取顯著影響油脂分離的工藝核心運行參數進行控制研究[15]，所選控制參數如表1 所示。

表1 餐廚垃圾油脂分離核心控制參數表

1.3 研究方法

1.3.1 主體研究

試驗不同運行控制參數條件下，系統廢棄油脂得率指標。

通過統計生產線分離單元產出的廢棄油脂量，結合系統處理對象的總量與油脂率，摸索系統運行參數即清洗次數n、運行溫度T 及停留時間t 對分離單元油脂得率指標的影響。

1.3.2 輔助研究

在主體研究的基礎上，同步檢測系統排出的“粗渣廢物”、“細渣廢物”的產出量及油脂率，結合系統處理對象的總量與油脂率，計算排出固體廢物的油脂損失率指標，分析其對于系統油脂得率指標的響應關系。

本文以餐廚垃圾預處理工程分離單元處的油脂得率為表觀指標，其較高值作為目標值，采用“3 因素3 水平”正交試驗確定最優化的運行參數，為餐廚垃圾預處理工程油脂高水平分離提供運行指導參數。

2 試驗部分

2.1 材料獲取

2.1.1 取樣點及測試參數

本試驗采樣分析及統計數據包括餐廚垃圾原料、粗渣廢物、細渣廢物、分離單元進料漿液、分離廢棄油脂、取樣位置及分析參數，試驗對象的獲取點位及物化分析名錄如圖2 所示。

圖2 試驗對象的獲取點位及物化分析名錄

2.1.2 試驗周期

本次試驗在具備投產的某餐廚垃圾處理廠內進行，生產線設計產能200 t/d，試驗周期確定為生產連續帶料的30 d，取樣點位如圖2 所示。

2.2 試驗設計

2.2.1 工藝條件設置

試驗以清洗次數n、運行溫度T 與停留時間t 為影響因素，分離單元廢棄油脂得率作為響應值，加熱單元的運行溫度T 與停留時間t 則參考國內其他餐廚垃圾預處理工程案例的實際運行參數[16]，根據Box-Behnken中心組合設計三因素三水平試驗方案，具體設計如下表2 所示。

表2 試驗組設計

2.2.2 檢測方法及數據統計

2.2.2.1 系統排出固體廢物產率測定

在試驗周期內，統計單車次餐廚垃圾稱重計量值，記錄每日生產線處理垃圾總量m0、產出的粗渣廢物量m1與細渣廢物量m2，則排出固體廢物產率ε 計算公式為：

ε粗渣=m1/m0×100%（濕基）

ε細渣=m2/m0×100%（濕基）

2.2.2.2 油脂含量測定

采用索式提取法進行測定。首先，將干燥的濾紙桶在分析天平上精密稱重，記錄重量m0，而后再將試樣裝入濾紙筒內并密封好，利用分析天平精密稱取m1（建議5～8 g）。然后將濾紙筒放入索式提取器內，連接已干燥至恒重的燒瓶，燒瓶重量m2，放置在水浴槽內加熱（80～85 ℃），提取器內加入低密度石油醚至完全浸沒濾紙筒且達到提取器容積的2/3 處，抽提時間10 h。最后取下燒瓶于（100±5）℃干燥至恒重，冷卻后稱重m3。試樣的油脂率η 計算公式為：

η=（m3-m2）/（m1-m0）×100%。

2.2.2.3 油脂得率計算

在試驗周期內，統計單車次餐廚垃圾稱重計量值，記錄每日生產線處理垃圾總量m0、產出的分離廢棄油脂量m3，則油脂產率δ 計算公式如下：

δ=m3/m0×100%（濕基）

2.2.2.4 試驗原則及采樣頻次

在試驗周期內，按照試驗因數與水平值單日確定原則，共計17 組試驗需17 日完成。采用同步采樣原則，單日固定試驗因數與水平值，依據圖2 所示取樣位置，確定餐廚垃圾原料處、系統排出固體廢物處的取樣頻次為單日3 個/點位，分離油脂取樣頻次為單日統計1 次，固體廢物采樣量不低于15 kg/個，間隔約2 h 取樣一次，記錄生產當日運行參數即水洗次數n、運行溫度T 及停留時間t 的具體數值。

3 試驗過程及數據分析

3.1 試驗過程

試驗過程主要完成餐廚垃圾原料、不同清洗次數有機漿液的取樣分析，統計進料量、加熱保溫的溫度與停留時間T、廢棄油脂及粗渣廢物、細渣廢物等數據。原料餐廚垃圾及預處理粗渣廢物概況如圖3 所示，不同清洗次數下的有機漿液概況如圖4 所示。

圖3 原料餐廚垃圾及預處理粗渣廢物概況

圖4 試驗不同清洗次數下的有機漿液概況

試驗過程系統分離油脂得率結果如表3 所示。

表3 試驗中系統分離油脂得率數據

3.2 系統分離油脂得率

響應面模型構建將影響餐廚垃圾預處理油脂分離的因子清洗次數、運行溫度、停留時間分別編碼為A、B、C，分離油脂得率（Y）為模型響應值。通過Design-Expert 軟件進行二階模型的回歸分析，其回歸方程為：Y= 81.28+ 1.67A+ 6.63B+ 0.175C- 1.00AB+0.250AC+0.400BC-1.39A2-2.69B2-0.640C2，同時基于操作條件考慮，餐廚垃圾分離油脂得率最優響應值為：清洗次數為2 次/單股料、運行溫度為85 ℃、保溫時間1.0 h。此模型顯著性檢驗P＜0.05，校正決定系數R2=0.953，說明模型變異系數只有4.70%，具有統計學意義。響應面模型油脂得率方差分析如表4 所示。

表4 分離油脂響應面模型方差分析

表4 顯示了分離油脂得率的3 個影響因子（清洗次數、運行溫度、停留時間）之間的相互效應。由圖5 可知：在停留時間為1.0 h 時，運行溫度對餐廚垃圾分離油脂的得率顯著（P＜0.05），清洗次數的增加有利于提高油脂得率，但是在清洗次數達到2 次以后則效果不在明顯。圖6 表明：在運行溫度在85 ℃時，清洗次數在2 次/原料時可獲得最高的分離油脂得率，停留時間對油脂得率差異不顯著（P＞0.05）。圖7 顯示：在清洗次數為2 次/原料時，運行溫度的升高對分離油脂得率的影響顯著（P＜0.05），幾乎成線性關系，而停留時間只是在溫度上升至一定水平后才有較為顯著的關系。

圖5 油脂得率Y=f（A，B，1.0）相應曲面

圖6 油脂得率Y=f（A，85，C）相應曲面

圖7 油脂得率Y=f（2，B，C）相應曲面

3.3 RSM 模型檢驗

為驗證RSM 模型與實際應用的吻合程度，本文在改變運行參數后進行實際檢測，將試驗結果與模型預測值進行比較。各組合運行參數模型檢驗結果如表5所示，可知優化工藝運行參數下餐廚垃圾分離油脂得率預測相對誤差不超過4%。

表5 餐廚垃圾粗油脂得率RSM 模型檢驗

4 結論

4.1 采用清洗次數2 次/原料、停留時間為1.0 h 及運行溫度85 ℃時，餐廚垃圾分離廢棄油脂得率最高。

4.2 當運行溫度控制在85 ℃時，停留時間對油脂得率的影響顯著，從工藝運行及節能角度出發，停留時間在1.0 h 可獲得較為合理的油脂得率。

4.3 綜合分析油脂得率的各影響因子，工藝方案與工程運行時可設計清洗次數2 次/原料，適當控制增加運行溫度后便于調節停留時間參數，以減小設備緩存容積，提升運行管理的有效性。