厨余垃圾高温湿热水解预处理条件优化

刘伊 彭灿 吴然 丁宁

摘要：为研究高温湿热水解预处理条件对厨余垃圾厌氧发酵效果的影响，选取不同温度100℃、150℃、200℃、加水量（20%、40%、60%）、反应时间（20 min、60 min、120 min）设计了三因素三水平正交实验，并以有机质（ VS/TS）、化学需氧量（SCOD）、还原性糖、氨氮、粗脂肪、粗蛋白作为考量指标进行了实验，结果显示：温度为150℃、加水量为40%，高温加热20 min为反应的最佳条件。选择合理的高温湿热水解预处理条件对厨余垃圾后续处理效果影响显著。

关键词：厨余垃圾;正交试验;湿热法

中图分类号：X705

文献标识码：A

文章编号：1674-9944（2018）4-0074-04

1 引言

随着我国城市化进程的加快和人民生活水平的提高，城市垃圾的产量逐年增长，其中厨余垃圾的年产量约6000万t，占城市固体废弃物总量的60%左右[1]。有研究表明[2]，厨余垃圾含有大量的病菌和有害物质，若处置不当会对环境造成严重污染，对人体的健康也会产生不良影响。厨余垃圾的无害化和资源化处理是当今亟待解决的环境问题。厨余垃圾的主要组分是米和面粉类食物残余、动植物油、蔬菜、肉骨等，化学组分主要是有机物，且含有少量的钙、镁、钾和铁等微量元素[3]，通常含水率和有机质较高，且易酸化氧化。采用传统的城市固体废弃物处置方法如填埋、好氧堆肥和焚烧等处理厨余垃圾均会造成资源和能源浪费，且会对环境造成二次污染[4]。厌氧发酵技术是利用厨余垃圾含有大量有机质的特点，在微生物的作用下产生新型的生物清洁能源，其反应装置密闭，有效避免了二次污染，是高效处理厨余垃圾，实现厨余垃圾减量化、资源化和无害化的有效途径之一。但由于厨余垃圾有机质含量及有害成分较高，很大程度上抑制了厌氧发酵处理中水解酸化过程的反应速率，降低了产气率和产气效率，不利于长期稳定运行[5]。

高温湿热水解预处理是将厨余垃圾置于密闭的环境中，通过高温加热，消除有毒有害物质的同时降低厨余垃圾中油脂的含量，提高溶解性有机质，进而提高厨余垃圾的可生物降解性和产气率。王攀等[6]研究表明，经高温湿热预处理后，厨余垃圾的日产气量、累计产气量以及TS和VS的去除率明显升高;朱金龙等[7]研究发现，在150℃、40%加水量、处理60 min的湿热水解条件下，餐厨废弃物液相可浮油达到最高（67.7 mL/kg）;LAI等[8-10]发现高温湿热处理技术可显著影响废弃物中蛋白质、碳水化合物及油脂的物理化学性质。

目前，关于高温湿热方法预处理厨余垃圾及对餐厨垃圾进行厌氧发酵的研究已有相关文献报道，但针对高温湿热处理后，将厨余垃圾固液相分离探究固液相物质转化规律的研究鲜少有报道。因此，本研究采用高温湿热水解预处理方法，通过改变温度、时间、加水量，优选最佳预处理条件，并以化学需氧量（SCOD）、有机质（VS/TS）、还原性糖、氨氮、粗蛋白和粗脂肪作为评价指标，对厨余垃圾处理前后的主要营养组分进行分析。最后，探究最佳预处理条件下厨余垃圾固液两相物质转化规律，充分提高厨余垃圾的资源利用率和生物潜能。

2 实验材料与方法

2.1 实验材料

2.1.1 实验原料

实验原料取自北京工商大学东区食堂。首先将其中的卫生纸、塑料包装、泥土等少量杂质去除，然后用粉碎机将厨余垃圾打成浆状，最后将打碎的厨余垃圾混匀，置人密封的的塑料瓶内，置于O℃冰箱贮存备用。

2.1.2 试剂与仪器

儀器主要包括FA1604B电子分析天平（成都一科仪器设备有限公司），SC - 3610型低速离心机（科大创新股份有限公司中佳公司），W-O型升降恒温油浴锅（上海申顺生物科技有限公司），B- 260恒温水浴锅（上海亚荣生化仪器厂），DHG- 9145A型电热恒温鼓风干燥箱（上海一恒科技有限公司），1000 mL不锈钢湿热反应器，K9840自动凯氏定氮仪（济南堃康医疗器械有限公司），HQ40D型COD检测仪（美国HACH公司），SZF-06A粗脂肪测定仪（浙江托普仪器有限公司）。试剂主要包括：石油醚（分析纯），硫酸（分析纯），无水硫酸钠（分析纯），氯化钠（化学纯）和乙醚（化学纯）。

2.2 实验方法

2.2.1 高温湿热水解预处理试验

试验因素和水平的设计应尽量保证反应条件控制在适当的温度和压力范围内，避免有机物的流失和破坏，并降低原料中有毒有害物质含量，提高沼气的产生量。在研究大量文献资料的基础上并基于前期实验结果，采用正交实验探究不同高温湿热预处理条件对厨余垃圾营养成分的影响。选取不同温度（100℃、150℃、200℃）、加水量（20%、40%、60%）、反应时间（20 min、60 min、120 min）设计三因素三水平正交实验。

向500 mL油浴加热的高温湿热水解装置中加入200 g破碎后的厨余垃圾，按照正交实验设计结果分别调节不同的温度、加水量和反应时间。处理后的样品经高速冷冻离心机以6000r/min的速度离心10 min，固、液相分离，液体经0.45 μm滤膜过滤后测定SCOD、还原糖、氨氮等的浓度，固体样品烘干后测定粗脂肪、VS/TS、粗蛋白的含量。

2.2.2 测定方法

（1） VS/TS的测定：采用GB/T 6435- 2006标准方法[11]测定。

（2） SCOD的测定：采用连华科技COD快速测定仪测定。

（3）还原性糖的测定：采用3，5-二硝基水杨酸法[12]测定。

（4）粗脂肪的测定：采用GB/T 14771- 2008标准方法[13]测定。

（5）氨氮的测定：采用纳氏比色法[14]测定。

（6）粗蛋白的测定：KDNl -凯氏定氮仪，采用GB6432标准凯氏定氮法[15]测定。

3 实验结果及分析

实验结果如表1所示，表格中所有数据表示样品反应后成分与反应前成分的含量比值。

用SPSS软件对实验数据进行处理，可以看出时间对氨氮和SCOD的含量有显著影响，对其它因素无显著影响;温度对氨氮含量有极显著影响，对粗脂肪含量有显著影响，而对其它因素无显著影响;加水量对液相组分中氨氮含量有极显著影响，对还原性糖有显著影响，对其它因素无显著影响，结果如表2所示。

2.2 时间对厨余垃圾中不同成分的影响

如图1所示，时间对氨氮含量影响显著（p<0.1），在20～60 min内，随时间增加氨氮含量增加。在60～120 min内，氨氮含量增长趋于缓慢。这说明随着加热时间的增长，越来越多的有机物不断溶解，生成大量游离的铵离子（NH4+）和游离氨（NH。）。等加热到一定的时间，游离的铵离子（NH4+）和游离氨（NH。）被分解完全，变化不再明显[16]。SCOD浓度在20～60 min内趋于稳定，在60～120 min内呈上升趋势，受时间变化影响显著（p<0.1）。说明在一定的温度内，随着加热时间的增长，厨余垃圾中水溶性有机物浓度在不断的升高。VS/TS、还原性糖、粗脂肪和粗蛋白含量没有随时间变化而产生显著改变（p>0.1）。

2.3 温度对厨余垃圾中不同成分的影响

如图2所示，氨氮含量在100～150℃随温度升高趋于稳定，在150～200℃随温度升高呈显著上升趋势，温度对氨氮影响极为显著（p<0.05）。这表明高温会破坏厨余垃圾中的部分有机质结构，使其变成游离态的铵离子（NH4+）和游离氨（NH3）。

粗脂肪含量随温度升高持续缓慢降低，表现为显著（p<0.1）。这表明高温湿热水解有利于厨余垃圾中油脂的分解，进而降低原料中高浓度的油脂含量口7]。SCOD浓度受温度影响变化为不显著（p>0.1），但整体呈上升趋势。SCOD上升一方面是因为随着温度的升高，厨余垃圾中部分有机物的溶解度和液化程度升高，导致溶进水中的有机物的浓度升高;另一方面是由于厨余垃圾中的大分子微溶性糖类、蛋白质、脂肪等物质会水解为小分子可溶性的还原糖、氨基酸、脂肪酸等，这种高温处理的改变有利于提高厨余垃圾中碳氮的含量[18]。粗蛋白含量受温度影响变化较小，表现为不显著（p>0.1），但整体呈下降趋势。说明适度的加热有助于蛋白质的水解，提高蛋白质的分解能力。VS/TS、还原性糖的含量并没有随温度变化而发生显著性改变（p>0.1）。

2.4 加水量对厨余垃圾不同成分的影响

如图3所示，厨余垃圾液相组分中氨氮及还原性糖的含量随加水量的增加而降低，其中氨氮含量降低明显，表现为极显著（p<0.05）。其主要原因可能是由于氨氮和还原性糖浓度在反应过程中随着水量的增加被稀释。VS/TS、SCOD、粗脂肪和粗蛋白的含量并没有随加水量变化而发生显著性改变（p>0.1）。

2.5 最优处理工艺

用SPSS软件对实验数据进行极差分析，处理结果见表3。从表3中可以看出，对不同的厨余垃圾组成成分影响力较为突出的因素是温度和时间，加水量仅对还原糖浓度有最大影响（c>b>a），所以应选择较少的加水量来减少资源的消耗，尽量避免厨余垃圾中营养成分的稀释;对反应温度而言，既要保证足够的温度消灭厨余垃圾中的有毒有害物质，在不影响厌氧发酵效率的情况下，又要尽量选择较低的温度，易于控制，降低能耗;對时间而言，由上述的图1可以看出，VS/TS、还原性糖、粗蛋白等主要营养物质并没有随时间的增长而发生显著变化，因此为降低能耗，缩小经济成本，应尽量缩短反应时间。综合考虑，最优工艺处理条件为150℃、加水量40%、时间20 min，为正交实验的第四组。在此工艺条件下处理厨余垃圾，既能降低一定的经济成本减少能源消耗，又能充分避免还原性糖、粗蛋白等营养成分的流失。

4 结论

（1）研究表明，高温湿热水解预处理技术可以在消除大部分有毒有害物质的同时降低厨余垃圾中油脂的含量，提高大分子有机质溶解性。实验结果显示，最佳预处理反应条件为温度150℃，加水量40%，时间20min，此工艺条件既能降低一定的经济成本，减少能源消耗，又能为后续厌氧处理提供较优的原料成分。

（2）高温湿热水解预处理技术中，不同的温度、时间、水分对厨余垃圾的组分影响都是不同的。综合来看，其影响程度主次排序依次为温度>时间>加水量。温度对氨氮含量有极显著影响，对粗脂肪含量有显著影响;时间对氨氮、SCOD影响显著;加水量对氨氮有极其显著性影响，对还原性糖有显著性影响。因此，合理地选择高温湿热水解预处理条件对厨余垃圾后续进行厌氧发酵十分必要。

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