摘要：设计JS-ST湿热水解处理温度、时间的试验，研究JS-ST湿热水解参数对餐厨废弃物固相油脂浸出效果及厌氧消化产气潜力的影响。结果表明，餐厨废弃物经过JS-ST湿热水解处理后，固相油脂浸出效果及厌氧消化产气率明显提高。在180℃，处理30min的湿热水解条件下，餐厨废弃物的可浮油含量达到最高，单位餐厨废弃物（非干基）可浮油含量达到了18.78mL/kg；随着温度的升高和加热时间的延长，餐厨废弃物的固相油脂的浸出量呈上升趋势，当温度达到180℃、加热时间达到30min时最佳；经过JS-ST湿热水解处理并油水分离后的餐厨废弃物厌氧消化的产气率比未经JS-ST湿热水解处理后的餐厨废弃物的产气率提高了7.7%。试验结果表明JS-ST湿热水解处理对餐厨废弃物厌氧消化反应产气率有显著的提高。
关键词：JS-ST；湿热水解；厌氧消化；产气潜力；产气率；餐厨废弃物；
中图分类号：X705文章标识码：A 文章编号：1672-2310（2015）11-005-013
Effect of Kitchen WasteSolid-phase Oil Leaching and Impact on Biogas Production Potential of Anaerobic Digestion from JS-ST Hydrothermal Treatment
Chai Jianzhong，Xi Shifeng，BaiYujuan
（Qinghai Jieshen Environment and Energy Industry Co.， Ltd.， Xining 810007）
Abstract： Design the test of JS-ST hydrothermaltreatment temperatureand time， research JS-ST parameters on effect of kitchenwastesolid-phase oil leachingand impact on biogas production potential of anaerobic digestion. The results showed that kitchen waste after JS-ST hydrothermal treatment， the effect of kitchen waste solid-phase oil leachingand biogas production of anaerobic digestion has improved significantly.Underthe hydrothermaltreatmentconditions that when treatment temperature is 180℃ andtreatment time is 30min， the content of floatable oil from kitchen wastecan be reached the highest， unit kitchen waste （non-dry basis） content of floatable oil can be reached 18.78mL/kg； with increasing treatmenttemperature and prolongingtreatment time， the amount of kitchen waste solid-phase oil leachingshows an up-trend， the best treatment conditionsis temperature 180℃ andtime30min； the biogas production rate of kitchen wasteanaerobic digestionafter JS-ST hydrothermal treatmentand oil-water separated is higher than the without JS-ST hydrothermal treatment and oil-water separated， increased by 7.7%. The results showed that biogas production rate of kitchen waste anaerobic digestion afterJS-ST hydrothermaltreatmenthasimprovedsignificantly.
Keywords： JS-ST； hydrothermal； anaerobic digestion； biogas production potential； biogas productionrate； kitchen waste；
引言
有机废物就是指在生产、生活和其他活动中产生的丧失原有利用价值或者虽未丧失利用价值但被抛弃或者放弃的固态、液态或者气态的有机类物品和物质。其中有机固体废弃物占了相当大的比例，在我国餐厨废弃物的数量亦十分客观。
我国餐饮行业日益发展，餐饮企业不断增加，每天产生巨量的餐厨废弃物。据北京市发展改革委统计：北京市每天产生1200吨餐厨废弃物。清华大学环境系固体废物污染控制及资源化研究所的统计数据显示：我国城市每年产生餐厨废弃物不低于6000万吨。餐厨废弃物营养丰富，是宝贵的可再生资源，具有很大的回收利用价值[1]。对餐厨废弃物进行合理利用可以实现废物资源化，在一定程度上是解决我国物资、能源紧缺问题的有效途径。
餐厨废弃物主要成分包括米和面粉类食物残余、蔬菜、动植物油、肉骨等，从化学组成上，有淀粉、纤维素、蛋白质、脂类和无机盐[2][3]。餐厨废弃物的固体含量通常为20%左右，含水率高（65%-95%）[4]，脱水性能差，热值为2100-3100kJ/kg[5]，和生活垃圾一起焚烧，达不到垃圾焚烧发电的发热要求的热值5000kJ/kg。 据统计，每吨餐厨废弃物可以提炼出20-80kg废油脂，经过集中加工处理，可以制成脂肪酸甲酯类物质，即生物柴油[6]。生物制柴油是将餐厨废弃物粗加工提炼出垃圾油，其成分和植物油非常接近，可作为生物柴油的半成品原料直接用于生产。国内实验表明，用垃圾油为原料与甲醇进行酯交换反应，用浓硫酸作催化剂，可以制备生物柴油，基本符合美国的生物柴油质量标准[7]。
目前，全球每年产生的城市生活垃圾约为500亿吨，餐厨废弃物占其中的10-20%[8]，餐厨废弃物营养元素丰富，C/N较低，含有大量的微生物菌种等，具有很高的产甲烷能力[9]，如果能将其中的有机质转化为生物质沼气，不仅解决了餐厨废弃物的出路，实现其减量化，而且可以替代石油、天然气等部分不可再生能源，实现社会、经济及环境协调统一可持续发展。因此近20年来，国内外的研究人员对餐厨垃圾厌氧发酵技术进行了大量的试验，如曹萍等[10]采用高温好氧法对厨房垃圾进行了处理；Hazel等[11]研究了对餐厨垃圾实施新型的预处理方法来提高厌氧发酵效率；王星等[12]研究了使用添加剂对餐厨垃圾厌氧发酵发酵过程的影响等，这些研究大多工艺条件复杂或因运行成本较高或因浓度低，不适合餐厨废弃物的处理。
鉴于此，我们采用JS-ST湿热水解处理方法，研究不同湿热水解温度、时间等处理条件对餐厨废弃固相油脂浸出以及对厌氧消化产气率的影响。通过确定最佳JS-ST最佳湿热处理条件，提高餐厨废弃物油水分离效果及厌氧消化的产气率。
餐厨废弃物取自青海洁神环境能源产业有限公司餐厨废弃物处理厂输送螺旋末端，手工分拣骨头、筷子、纸盒等大块杂物，破碎至2-5mm，置于4℃冰箱中储存备用。其组份如下表：
试验因素和水平的选择是基于前期的研究成果，最大限度改变餐厨废弃物理化性质的温度和时间范围。
选取80℃、100℃、120℃、140℃、160℃、180℃、200℃共7个温度水平，10min、20 min、30 min、40 min、50 min、60 min共6个加热水平时间进行42组实验。在每次实验开始前，需用纯净水将JS-ST装置清洗3遍，之后加入待处理的餐厨废弃物10.3g于反应器中，然后将JS-ST装置进行密闭，将钠溶液水槽的温度加热至实验温度，维持钠溶液水槽的温度处于实验温度，然后将装有餐厨废弃物的小型JS-ST装置放入钠溶液水槽。加热到规定的温度，作为0点计时，保温到规定时间后，然后取一部分经JS-ST装置处理后的样品利用离心脱水机在3000r/min离心脱水15min，得油水混合物，取油水混合物再经过油水分离器进行油水分离，测定油含量。所得含油量占总含油量的总百分比即为油脂的分离率。
将最佳JS-ST湿热水解处理条件下的餐厨废弃物与普通条件（80℃，时间为30min）处理后的餐厨废弃物放入小型厌氧反应罐中进行厌氧消化，分别测定第5日、第10日、第15日、第20日、第25日、第30日、第40日、第50日、第60日的产气率。
测定方法
采用玻璃电极法测定pH；采用烘干法测定总固体（TS），70℃烘干24h；水中油的测定采用索氏提取法[13]；沼气产量采用饱和NaCl溶液排水集气法[14]。
结果与讨论
2.1 JS-ST装置湿热水解处理参数对餐厨废弃物油水分离的影响
垃圾中的油脂主要以可浮油、分散油、乳化油、分解油以及含油固体等5中形式存在；其中可浮油粒径较大，静置后能较快上浮。可浮油是处理餐厨废弃物可生化途径的重要影响因素。含油固体中的油脂多以固态与垃圾固相结合，主要以动物脂肪为主，脱除较难。
餐厨废弃物中的可浮油含量的多少直接关系脱油性能。餐厨废弃物可浮油含量随着加热时间的变化而变化。如图1所示。可浮油含量随着加热时间的延长呈上升趋势，并且温度越高，含油固体分解，浸出油脂含量增加，可浮油含量增加越快。当试验温度为180℃、加热时间为30min时，可浮油含量最高，单位餐厨垃圾（非干基）可浮油含量达到了18.78mL/kg，继续加热，可浮油含量开始降低，这说明固相油脂已经完全浸出；固相油脂的浸出效果达到最佳。
2.2 JS-ST装置湿热水解处理对餐厨废弃物厌氧消化产气率的影响
餐厨废弃物经过JS-ST装置湿热水解处理后，能将大分子不溶性有机物水解成可溶性物质，再进一步酸化形成小分子有机酸，VFA是餐厨废弃物水解酸化的重要产物，也是厌氧发酵过程的重要中间产物，直接影响产甲烷潜力。湿热水解作用增加了大分子有机物的水解程度，使其降解产物的小分子有机酸含量提高；小分子有机酸对大分子生物质降解反应具有一定的催化效应。由图2可知，经过JS-ST湿热水解后，厌氧消化产气率提高显著，厌氧反应25天后，厌氧消化产气率达到最高，随着厌氧消化时间的延长，产气率没有明显的变化；经过JS-ST湿热水解后餐厨废弃物厌氧消化产气率比未经JS-ST处理的餐厨废弃物厌氧消化产气率提高了7.7%左右。
2.3反应机理分析
有机物的水解反应类型主要有：卤代烃的水解、芳磺酸的水解、腈的水解、羧酸衍生物的水解、油脂的水解、糖的水解及核酸的水解等类型[15]。餐厨废弃物中有机物质丰富，含有淀粉、纤维素、蛋白质、脂类等，通过对餐厨废弃物进行湿热水解处理，可以将这些有机物有效的转化成液相小分子有机质，为固相油脂的浸出和提高产气率提供有力帮助。
2.3.1湿热水解对固相油脂浸出的影响
在湿热水解条件下，通过高温高压的作用改变餐厨废弃物的理化性质，水的密度、离子积、粘度及介电常数发生急剧变化，分子间的氢键作用减弱导致对有机物的溶解度明显增强。餐厨废弃物中固相油脂的浸出是油与水两相接触的反应，湿热条件下极大增大了油水的互溶性，使油脂获得更多反应所需的O?、HO?、HO_2?等关键自由基。主要反应模型如下[16][17]： 固相油脂经过湿热水解后生成脂肪酸和甘油，脂肪酸可与糖类发生酯化反应进一步促进脂肪的水解；另一方面，湿热水解后固相油脂中的游离油脂与水分间的扩散作用增强[18]，加速游离脂肪形成可浮油[19]，导致固相油脂浸出。从图1可以看出，当试验温度为180℃、加热时间为30min时，可浮油含量最高，比80℃时提高了约2倍，效果明显。
2.3.2湿热水解对厌氧消化产气潜力的影响
在对餐厨废弃物进行湿热水解处理后，可浮油脱出量有显著提高。国外专家研究发现[20]，大量的长链脂肪酸会吸附在细胞表面闲置营养物质向细胞的转运，从而抑制微生物的生长繁殖，影响后续餐厨废弃物的生化效率，因此在进入厌氧消化之前需将餐厨油脂进行有效分离。从图2可以看出：经过JS-ST湿热水解后餐厨废弃物厌氧消化产气率比未经JS-ST湿热水解处理的餐厨废弃物厌氧消化产气率提高了7.7%左右。通过餐厨废弃物湿热水解处理前后理化性质的变化来分析，主要有两方面的因素：一、降低了餐厨废弃物中的固相油脂，浸出的可浮油进行了有效的分离，减轻了油脂对微生物菌生化反应的影响。二、餐厨废弃物在湿热环境中，液相中有机碳的含量不断增加，大分子有机物（如淀粉、纤维素、脂肪、碳水化合物等）不断溶解到液相中，生成水溶性单糖、有机酸等，为餐厨废弃物厌氧发酵过程中的微生物菌群提供了均质化程度高、可生化性强及种类丰富全面的营养基质。淀粉及纤维素的水解反应的机理如下：
餐厨废弃物经湿热水解后，有机物产物的组分趋于稳定，主要表现为单糖和挥发性脂肪酸，其中，糖类物质是微生物生命活动的重要能源物质，同时经研究[21]，发酵过程中的挥发性脂肪酸包括主要成分为乙酸、丙酸、丁酸等，这些都是产甲烷菌群所必须的营养物质。
结论
JS-ST装置湿热水解处理参数对餐厨废弃物固相油脂浸出效果明显；
JS-ST装置湿热水解处理对餐厨废弃物厌氧消化产气率影响较明显；
餐厨废弃物的固相油脂浸出随着温度的持续上升和加热时间的延长呈上升趋势。80～140℃加热30min，可浮油含量持续增加，160℃加热30min后油可浮油含量不再增加，180℃加热30min，可浮油含量达到最高，可浮油含量达到18.78mL/kg；继续加热或延长加热时间，可浮油含量没有明显变化，所以餐厨废弃物固相油脂浸出最佳条件JS-ST装置湿热水解条件为：180℃，加热时间为30min。
经过JS-ST装置湿热水解处理餐厨废弃物，餐厨废弃物厌氧消化产气率比未经JS-ST处理的产气率提高了约7.7%，能达到70L/kg；所以餐厨废弃物经JS-ST装置湿热水解处理后能显著提高厌氧消化产气率。
参考文献：
[1]李小卉.餐厨废弃物的危害及综合治理对策[J].太原科技，2006，11（11）：24-25
[2]任连海，田媛.城市典型固体废弃物资源化工程[M]. 北京：化学工业出版社，2009，236-273
[3]袁玉玉，曹先艳，牛冬杰，等.餐厨废弃物特性及处理技术环境[J].卫生工程，2006，14（6）：46-49
[4] 黄文雄，刘畅.餐厨垃圾处理现状与发展趋势[J].建设科技，2008（3）：90-92
[5] 王向会，李广魏，孟虹，等.国内外餐厨废弃物处理状况概述[J].环境卫生工程，2005，13（2）：41-43
[6] 谢炜平，邹原，梁彦杰，等.餐厨废弃物资源化技术现状及研究进展[J].环境卫生工程，2008（2）：43-45，48
[7]符太军，纪威，姚亚光，等.生物柴油的制取及其在柴油机上的试验研究[J].拖拉机与农用运输车，2006（1）：53-54，58.
[8]解强，边炳鑫，赵由才.城市固体废弃物能源化利用技术[M].北京：化学工业出版社，2004
[9] Lay J. J. Analysis of environmental factors affecting methane production from high-solids organic waste. Water Science and Technology[J]，1997， 36（6～7）：493～500
[10]曹萍，陈绍伟.高温好氧处理厨余的工艺研究.环境卫生工程[J]，1996，（4）：14～19
[11]Hazel B.G.，Kazunori T.，Hideki S.，et al. Biological solubilization and mineralization as novel approach for the pretreatment of food waste. Chemosphere[J].2005，58：57：63
[12]王星，王德汉，马磊.膨润土的添加用量对餐厨垃圾厌氧消化过程的影响.农业环境科学学报[J]，2007，26（1）：330～334
[13]中华人名共和国卫生部.食物中不溶性膳食纤维的测定方法.中华人民共和国国家标准：GB/T 12394―1990
[14]任南琪，王爱杰.厌氧生物技术原理与应用[M]. 北京：化学工业出版社，2004
[15]苏秀芳，林强，徐静.有机化合物的水解反应及研究进展.南宁师范高等专科学校学报[J]，2006，23（2）：101～104
[16]Emanuel N.M. The Oxidation of Hydrocarbons in the Liquid Phase，1st ed. Pergamon：New York，1965
[17]Emanuel N.M. The Oxidation of Hydrocarbons in the Liquid Phase，1st ed. Plenum：New York，1967
[18]REN Lianhai，NieYongfeng，Liu Jianguo，et al. Impact of hydrothermal process on the dewaterability and degrease performance of restaurant garbage[J].Environmental Science，2006，27（9）：1906～1911
[19]王宇卓，任连海，聂永丰.采用正交试验优化湿热水解法处理厨余垃圾的工艺条件.环境污染治理技术与设备[J]，2005，6（10）：53～57
[20]ZONT Z，ALVES M，FLOTATS X，et al. Modelling inhibitory effects of long chain fatty acids in the Anaerobic Digestion process[J]. Water Research，2013，47（3）：1369～1380
[21]张众磊，胡翔，张列宇，席北斗，李晓光，夏训峰，曾凤.粪便、餐厨及芦苇混合厌氧消化过程中餐厨含量的影响研究.农业环境科学学报[J]，2011，30（6）：1221～1228
