餐廚垃圾濕熱處理的影響因素

餐廚垃圾因其含水率高、營養(yǎng)成分含量高、極易腐敗變質(zhì)[1]，需要進(jìn)行單獨(dú)處理和處置。濕熱工藝是一種新型有效的餐廚垃圾資源化處理方法，它是在含水環(huán)境中對(duì)餐廚垃圾進(jìn)行有控制的加熱，改善垃圾結(jié)構(gòu)和性能的物理化學(xué)過程，與其他方法相比，在實(shí)現(xiàn)資源化的同時(shí)，它更容易實(shí)現(xiàn)消毒滅菌。20世紀(jì)末，日本和新加坡公司提出有機(jī)垃圾加熱實(shí)現(xiàn)飼料化，清華紫光集團(tuán)曾利用濕熱工藝處理糞便，這些是濕熱工藝的雛形。但是關(guān)于餐廚垃圾濕熱處理的機(jī)理及工藝應(yīng)用尚鮮見報(bào)道。為了系統(tǒng)研究餐廚垃圾濕熱反應(yīng)機(jī)理，指導(dǎo)工藝應(yīng)用，本研究針對(duì)溫度、加熱時(shí)間、加水率等濕熱處理的影響因素進(jìn)行了試驗(yàn)研究，確定出適宜的工藝參數(shù)組合，并著重探討了各因素對(duì)處理產(chǎn)物各項(xiàng)理化指標(biāo)的影響機(jī)理，為構(gòu)建系統(tǒng)的餐廚垃圾濕熱工藝提供技術(shù)依據(jù)。 
1實(shí)驗(yàn)方法 
1.1實(shí)驗(yàn)材料 
餐廚垃圾采自清華大學(xué)學(xué)生十食堂，其pH為6.58，含水率為79.01%，溶解性化學(xué)需氧量(SCOD)為24.93g/L，有機(jī)質(zhì)含量為90.21%，總能為19.46MJ/kg，還原糖含量為15.24%。其中，有機(jī)質(zhì)含量、總能、還原糖含量均以垃圾干基重量計(jì)。 
1.2實(shí)驗(yàn)儀器與流程 
主要實(shí)驗(yàn)儀器包括：DZF-25型真空干燥箱(鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司)，LG10-3A型離心脫水機(jī)(北京醫(yī)用離心機(jī)廠)，W-O系列恒溫油浴加熱裝置(上海申順生物科技有限公司)，1L不銹鋼濕熱反應(yīng)器。實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。 


1—濕熱處理裝置；2—離心脫水機(jī)；3—油水分離器；4—干燥裝置；5—儲(chǔ)油槽；6—儲(chǔ)水槽 
圖1餐廚垃圾濕熱處理實(shí)驗(yàn)流程簡(jiǎn)圖 
1.3實(shí)驗(yàn)步驟 
在每次實(shí)驗(yàn)開始之前，必須用二次去離子水將濕熱反應(yīng)器洗3遍，之后加入待處理的餐廚垃圾樣品600g于反應(yīng)器中，加蓋密封，加熱到規(guī)定溫度，作為零點(diǎn)開始計(jì)時(shí)，保溫達(dá)到規(guī)定時(shí)間，卸壓，取樣。所取樣品一部分進(jìn)行離心脫水，得油水混合物，測(cè)定pH值和液相指標(biāo)，離心脫水后的固體進(jìn)行真空干燥，測(cè)定固相指標(biāo)；另一部分濕熱處理后樣品直接進(jìn)行真空干燥，測(cè)定樣品總指標(biāo)。各指標(biāo)測(cè)定方法見表1。 
表1各指標(biāo)測(cè)定方法 


1.4實(shí)驗(yàn)方案 
1)工藝實(shí)驗(yàn)方案 
本試驗(yàn)采用密閉反應(yīng)器，有水存在，反應(yīng)器內(nèi)的壓力為該溫度下水的飽和蒸汽壓，所以壓力和溫度可作為一個(gè)因素來進(jìn)行探討。以溫度(H)、加熱時(shí)間(t)、加水率(加水率與垃圾重量百分比)為影響參數(shù)，按U24(63)均勻設(shè)計(jì)表進(jìn)行試驗(yàn)，因素、水平安排見表2，具體試驗(yàn)安排見表3所示。 
表2因素、水平安排表 


2)機(jī)理實(shí)驗(yàn)方案 
為了進(jìn)一步研究各因素對(duì)餐廚垃圾濕熱反應(yīng)的影響機(jī)理，根據(jù)工藝實(shí)驗(yàn)結(jié)果及工藝傳熱要求，確定機(jī)理實(shí)驗(yàn)方案如下：固定加水率為50%，溫度選取100、120、140、160、180℃共5個(gè)水平，加熱時(shí)間選取20、40、60、80、100min共5個(gè)水平作完全試驗(yàn)，分析不同溫度、不同加熱時(shí)間的濕熱反應(yīng)產(chǎn)物的pH值、SCOD、還原糖含量、總能、有機(jī)質(zhì)含量、持水率的變化，探討溫度、加熱時(shí)間的影響規(guī)律。 
2結(jié)果與討論 
2.1最佳工藝參數(shù)組合的確定 
均勻設(shè)計(jì)工藝實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。 
表3U24(63)均勻設(shè)計(jì)工藝實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表 


數(shù)據(jù)表明，在均勻設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)條件下，120℃、加熱80min、加水30%時(shí)，還原糖含量、有機(jī)質(zhì)含量、總能均為最高值，說明此時(shí)產(chǎn)物的營養(yǎng)價(jià)值最高。 
2.2因素影響顯著性分析 由表4可見，各因素對(duì)處理產(chǎn)物還原糖含量、有機(jī)質(zhì)含量的影響顯著性從高到低的順序?yàn)椋簻囟取⒓訜釙r(shí)間、加水率。對(duì)總能影響較顯著的因素為加水率和溫度。 
2.3濕熱反應(yīng)中水的行為研究 
在濕熱反應(yīng)中水分主要起兩方面的作用：一是為各物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)提供溶液環(huán)境；二是加快傳質(zhì)、傳熱速度。表3數(shù)據(jù)表明，濕熱反應(yīng)中加水率大于30%時(shí)，對(duì)有機(jī)物的化學(xué)反應(yīng)有利。變化垃圾加水率，做加熱曲線如圖2。曲線斜率即為該時(shí)刻加熱速度，對(duì)比不同加水率的加熱曲線斜率發(fā)現(xiàn)：初期，加水率增加，加熱速度加快；當(dāng)加水率大于50%之后，加熱速度不再有明顯提高，所以加水率以50%為宜。 


圖2不同加水率條件下餐廚垃圾的加熱曲線 
2.4溫度和加熱時(shí)間對(duì)產(chǎn)物pH值的影響 
濕熱處理產(chǎn)物的pH值變化表征產(chǎn)物中有機(jī)酸含量的變化。如圖3所示，隨著溫度的升高，pH值呈大體下降趨勢(shì)，說明溫度上升有利于油脂、蛋白質(zhì)等物質(zhì)水解產(chǎn)生有機(jī)酸[2]。初期，隨著溫度的升高，不同加熱時(shí)間處理產(chǎn)物pH值呈現(xiàn)為不同的變化規(guī)律，此時(shí)各種有機(jī)物熱水解反應(yīng)的程度不同，產(chǎn)生的有機(jī)酸的量呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。溫度高于160℃時(shí)，不同加熱時(shí)間的pH值變化趨勢(shì)基本相似，說明此時(shí)，加熱時(shí)間對(duì)生成有機(jī)酸的影響不再明顯。 


圖3產(chǎn)物pH值隨溫度的變化 
2.5溫度和加熱時(shí)間對(duì)產(chǎn)物SCOD的影響 
產(chǎn)物SCOD表征產(chǎn)物中溶解性有機(jī)物的濃度。動(dòng)植物對(duì)有機(jī)物的吸收以溶解態(tài)為主，SCOD的變化可表征產(chǎn)物的消化性能[3]。實(shí)驗(yàn)中濕熱處理產(chǎn)物的SCOD隨溫度和加熱時(shí)間的變化見圖4。隨著溫度的升高和加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，SCOD大體呈上升趨勢(shì)。這是由兩方面原因造成的：一方面，隨著溫度的升高，部分有機(jī)物的溶解度、液化程度升高；另一方面，大分子微溶性淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪等會(huì)水解為小分子可溶性還原糖、氨基酸、脂肪酸等[4]，這種轉(zhuǎn)化有利于動(dòng)植物的吸收和消化。 
2.6溫度和加熱時(shí)間對(duì)產(chǎn)物還原糖含量的影響 
處理產(chǎn)物中的還原糖主要來自垃圾中碳水化合 

圖4產(chǎn)物SCOD隨溫度變化曲線 
物的水解，它包括單糖、二糖和低聚糖等。動(dòng)物體不能直接吸收多糖，碳水化合物必須水解為單糖才能被轉(zhuǎn)移到動(dòng)物體液中去，故產(chǎn)物中的還原糖含量對(duì)產(chǎn)物飼料化極為重要。產(chǎn)物還原糖含量隨溫度的變化見圖5。加熱初期，垃圾中的碳水化合物液化水解使還原糖含量增加，當(dāng)溫度高于140℃、加熱超過40min時(shí)，還原糖含量開始下降，主要是由于還原糖參與了一系列化學(xué)反應(yīng)而生成其他類物質(zhì)。其中比較重要的是還原糖與氨基酸之間的Maillard反應(yīng)。開鏈形式的還原糖的羰基碳遭受氨基氮上孤對(duì)電子的親核進(jìn)攻，失去水和閉環(huán)形成具有香味的物質(zhì)——葡基胺，還原糖含量降低，而且氨基酸有所損失，造成營養(yǎng)價(jià)值降低[2，5，6]。故為了防止?jié)駸徇^程中營養(yǎng)價(jià)值的降低，反應(yīng)溫度應(yīng)控制在140℃以下。 

圖5還原糖含量隨加熱時(shí)間變化曲線 
2.7溫度和加熱時(shí)間對(duì)產(chǎn)物營養(yǎng)的影響 
有機(jī)質(zhì)含量是表征有機(jī)肥料持久性肥力的重要指標(biāo)，總能是表征飼料營養(yǎng)價(jià)值的重要指標(biāo)之一。本實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物的有機(jī)質(zhì)含量和產(chǎn)物總能隨加熱時(shí)間的變化見圖6、圖7。產(chǎn)物中有機(jī)質(zhì)含量始終保持在86%以上，且隨溫度和加熱時(shí)間變化不顯著。產(chǎn)物總能變化幅度也不大，基本保持在20～30MJ/kg。綜上所述，通過濕熱處理，雖然部分有機(jī)物水解進(jìn)入液相或氣相而損失，但對(duì)產(chǎn)物總體營養(yǎng)價(jià)值影響不顯著。 

圖6產(chǎn)物有機(jī)質(zhì)含量隨加熱時(shí)間變化曲線 

圖7產(chǎn)物總能隨加熱時(shí)間變化曲線 
2.8溫度和加熱時(shí)間對(duì)產(chǎn)物持水率的影響 
對(duì)于固體物質(zhì)，持水率是指將固體浸入水中24h后，其增重與其干重的百分比。總水量一定，固相持水率越低，游離水量越高，脫水性能越好。產(chǎn)物持水率隨加熱時(shí)間變化曲線見圖8。加熱初期，由于餐廚垃圾中的淀粉顆粒不斷吸水膨脹，固相持水率上升，產(chǎn)物脫水性能變差。繼續(xù)加熱，持水率開始下降，脫水性能增強(qiáng)。不同溫度條件下產(chǎn)物持水率開始下降的時(shí)間不同，溫度越高，下降越早。例如180℃條件下，加熱20min后產(chǎn)物持水率開始下降；而100℃條件下，在加熱40min后持水率才開始下降。 3結(jié)論 
1)以產(chǎn)物的營養(yǎng)價(jià)值和傳熱效果為評(píng)價(jià)指標(biāo)，餐廚垃圾濕熱工藝適宜的工藝參數(shù)為：溫度120℃、加熱時(shí)間80min、加水率50%。 
2)各因素對(duì)餐廚垃圾濕熱處理產(chǎn)物的pH值、SCOD、還原糖含量、有機(jī)質(zhì)含量的影響顯著性從高到低的順序?yàn)椋簻囟取⒓訜釙r(shí)間、加水率。對(duì)總能影響較顯著的因素為加水率和溫度。 
3)隨著溫度的升高和加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，垃圾中蛋白質(zhì)、脂類水解產(chǎn)生有機(jī)酸，造成產(chǎn)物的pH值呈下降趨勢(shì)；部分有機(jī)物溶解、液化，造成可溶性有機(jī)物含量增多；因垃圾中的碳水化合物液化、水解，與原垃圾相比，產(chǎn)物還原糖含量有所升高；有機(jī)質(zhì)、總能等營養(yǎng)指標(biāo)變化不顯著；持水率呈下降趨勢(shì)，說明濕熱處理一定程度上可增強(qiáng)產(chǎn)物脫水性能。 
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