优化餐厨垃圾乳化液深度去油方案

邓蒙轩， 周爱娟， 万 方， 岳秀萍*

(1.太原理工大学环境科学与工程学院， 太原 030024； 2.太原理工大学经济管理学院， 太原 030024)

全中国餐厨垃圾的年产生量已经超过6 000万吨，其主要组分包括淀粉、纤维素、油脂等可再利用的能源物质，故餐厨垃圾资源化利用成为近年来的研究热点。目前中国餐厨垃圾处理技术除传统的焚烧、填埋之外，可对餐厨垃圾进行资源化利用的主要有厌氧制沼、好氧堆肥等[1-3]。对餐厨垃圾进行资源化处理(如好氧堆肥)过程中所产生的具有高化学需氧量(chemical oxygen demand，COD)、低含油率的乳化液[4]，直接排入城市污水处理厂会对其造成巨大冲击。

同时，污水处理厂进水普遍存在进水碳氮低[一般为(3～4)∶1]的问题，为响应国家对污水厂提标改造的要求，在污水处理中的生物脱氮阶段常需投加外加碳源。近些年随着废弃物资源化的进行，出现了许多低成本替代性碳源的研究，如秸秆、餐厨垃圾、污泥发酵液等[5-7]。Zhang等[8]试图将预处理后的餐厨垃圾作为生物脱氮中的外加碳源，发现餐厨垃圾发酵液在生物脱氮过程中与乙酸钠有着相近的脱氮效果，在与葡萄糖对比脱氮效果时，其表现远高于葡萄糖。然而，在直接利用上述餐厨垃圾乳化液作为污水处理厂碳源投加时，发现易导致污泥上浮等问题。由于此种废水为水包油型乳化液，油粒稳定分散在水中，需要对其进行药物破乳、混凝沉淀处理去油后作为碳源投加。

研究采用聚合硫酸铁(polyferric sulfate， PFS)混凝破乳法和酸热破乳法对上述餐厨垃圾乳化液进行去油处理，重点考察餐厨垃圾乳化液去油率，以期为餐厨垃圾乳化液在实际工程应用当中提供方法指导，对技术工程化、以废制污有着重要的意义。

1 材料与方法

1.1 化学试剂

聚合硫酸铁(天津市鼎盛鑫化工有限公司，分析纯)、乙醚(国药集团化学试剂有限公司，分析纯)、硝酸钾(国药集团化学试剂有限公司)、浓硫酸(国药集团化学试剂有限公司，分析纯)、浓盐酸(国药集团化学试剂有限公司，分析纯)。

1.2 实验材料

餐厨垃圾乳化液由某环境公司提供，主要为经过堆肥处理后餐厨垃圾乳化液(无明显浮油)。保存于4 ℃的冰箱。其特征见表1。

表1 餐厨乳化液特征Table 1 The characteristics of kitchen waste emulsion

1.3 实验方法

1.3.1 单因素试验设计

单因素实验分别探究PFS投加量、混凝转速及反应时间对除油效果的影响。分别对不同PFS投加量(600、900、1 200、1 500、1 800 mg·L-1)、不同转速(100、150、200、250、300、350 r·min-1)及不同混凝反应时间(0、10、20、30、40、50 min)对餐厨乳化液去油条件进行优化。

1.3.2 酸热法试验设计

取70 mL餐厨垃圾乳化液置于反应釜内胆中，加入不同比例的浓硫酸，置于160 ℃烘箱加热2 h，考察不同加酸量(0.5‰、0.6‰、0.7‰、1‰、2‰)对餐厨乳化液去油效果的影响。

1.3.3 响应曲面试验设计

利用Design Expert 8.0中的Box-Behnken Design方法结合单因素试验结果[9]，对实验方案进行设计，PFS投加量(A)、混凝反应转速(B)、混凝反应时间(C)作为自变量，以餐厨乳化液油脂去除率(Y)为响应值，进行响应曲面优化试验[10]。并对试验数据进行回归分析，获得二元多次回归模型，该模型通过最小二乘法拟合的方程为

(1)

式(1)中:A0、Ai、Aii、Aij为方程系数;xi、xj(i≠j)为自变量编码值。响应曲面试验设计因素与水平见表2。

表2 响应面试验设计因素与水平Table 2 Factors and levels in response surface test design

1.3.4 反硝化验证实验

为降低试验误差，以上所有试验组均设置3个平行组。

1.3.5 指标检测方法

含油率测定采用索氏提取法； 化学需氧量(COD)测定采用重铬酸钾法；蛋白质含量测定采用改良型BCA(bicinchoninic acid)法蛋白质浓度测定试剂盒；硝态氮含量测定采用麝香草酚分光光度法；亚硝态氮含量测定采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法；氨氮含量测定采用纳氏试剂光度法；固体悬浮物(suspended solids，SS)测定采用重量法。

2 结果与讨论

2.1 单因素试验结果

2.1.1 PFS投加量对餐厨乳化液去油效果的影响

加入破乳剂PFS后，溶解性化学需氧量(soluble chemical oxygen demand，SCOD)含量见图1(a)，可知，随着PFS投加量的增加，SCOD含量先降低后增加，其最大去除率不超过19.5%，剩余可利用的SCOD含量达21 983 mg·L-1，故发生混凝作用后，餐厨垃圾废水中仍有大部分碳源可以被利用。悬浮物(SS)的去除率为11.8%～52.6%，这是由于投加PFS后餐厨垃圾乳化液中一部分固体悬浮物脱稳凝聚导致。

由图1(b)可知，随着PFS投加量的增加，餐厨垃圾乳化液油脂去除率有明显增加，从投加量为900 mg·L-1开始餐厨垃圾乳化液油脂去除率均达到100%，餐厨乳化液内悬浮的油脂颗粒脱稳，利用PFS提供的质子中和乳化液油粒双电子层，从而破坏油水界面膜的稳定性，最终脱稳形成大油粒浮于表面[12]。具体效果见图2。明显可见左侧离心管内餐厨垃圾废水混凝静置后，凝固于液面上层的固体油脂。

图1 聚合硫酸铁投加量对溶解性化学需氧量浓度、固体悬浮物浓度和油脂去除率的影响Fig.1 Effect of PFS dosage on SCOD concentration andSS concentration and oil removal rate

图2 餐厨垃圾废水破乳前后效果对比Fig.2 Effect comparison of food residue emulsion before andafter demulsification

2.1.2 混凝转速对餐厨乳化液去油效果的影响

图3 混凝转速对溶解性化学需氧量浓度、固体悬浮物浓度和油脂去除率的影响Fig.3 Effect of coagulation speed on SCOD concentration andSS concentration and oil removal rate

图3为混凝转速对溶解性化学需氧量浓度、固体悬浮物浓度和油脂去除率的影响，由图3(a)可知，随着混凝转速的增加，SCOD的含量先减小后增大，其中SCOD的最大去除率不超过15.3%，剩余可利用的SCOD含量达24 234 mg·L-1。SS的去除率为47.7%～59.6%，说明对SS的去除效果良好。由图3(b)可知，当混凝转速为150 r·min-1时，油脂去除率最大为100%。

2.1.3 混凝时间对餐厨乳化液去油效果的影响

图4为混凝时间对溶解性化学需氧量浓度、固体悬浮物浓度和油脂去除率的影响，由图4(a)可知，随着混凝时间的增加SCOD逐渐减小，其中SCOD的最大去除率不超过39.5%，剩余可利用SCOD达17 345 mg·L-1。SS的去除率在31.8%～60.4%之间，说明PFS对SS有着良好的去除效果。由图4(b)可知，当混凝时间为10 min时，油脂去除率最大为99.5%。

2.2 硫酸投加量对餐厨乳化液去油效果的影响

酸热法结合酸析法[13]使乳化液中油粒脱稳，并在160 ℃条件下加热分解餐厨垃圾乳化液中的油脂。加酸量的影响见图5。由图5(a)可知，随着加酸量的增加，SCOD先降低后增高，且SCOD的最大去除率不超过18.2%，剩余可利用SCOD达23 444 mg·L-1，SS的去除率为14.6%～45.7%。这是由于加热导致分子运动加剧，分子之间碰撞概率增加，连续相黏度降低，同时，硫酸提供的H+与餐厨垃圾乳化液中的阴离子结合，游离出油水界面并打破原系统的稳定性达到良好的破乳效果。由图5(b)可知，当加酸量为0.7‰时，油脂去除率最大为99.5%。

图4 混凝时间对溶解性化学需氧量浓度、固体悬浮物浓度和油脂去除率的影响Fig.4 Effect of coagulation time on SCOD concentration andSS concentration and oil removal rate

图5 加酸量对溶解性化学需氧量浓度、固体悬浮物浓度和油脂去除率的影响Fig.5 Effect of sulfuric acid dosage on SCOD concentrationand SS concentration and oil removal rate

2.3 响应曲面优化

2.3.1 模拟方程的建立与显著性检验

Box-behnken design试验设计及结果见表3。通过表3中餐厨乳化液油脂去除率试验数据进行拟合，获得餐厨垃圾乳化液油脂去除率对编码自变量PFS投加量、混凝转速、混凝时间的二次多项回归方程为

Y=99.83+4.15x1+0.55x2+2.25x3+1.12x1x2-

(2)

对式(2)进行方差分析，见表4。方差分析可以

表3 Box-behnken design试验设计及结果Table 3 Box-behnken design arrangement andexperimental results

表4 方差分析结果Table 4 Variance analysis results

2.3.2 餐厨垃圾乳化液油脂去除率的响应曲面分析

利用Design Expert对表4进行回归分析，二次回归方程的响应曲面及等高线可用来评价PFS投加量、混凝转速、混凝时间对餐厨垃圾乳化液油脂去除率的交互作用，从而确定各因素的最佳范围。等高线的形状可以表明交互作用的强弱，椭圆形表明交互作显著，圆形表明交互作用不显著，此时可忽略该两因素的交互作用[14-15]。结果见图6～图8。

固定水平: C=0图6 聚合硫酸铁投加量和混凝转速对油脂去除率影响的响应面和等高线Fig.6 Response surface plot and its contour plot showing theeffect of PFS dosage and coagulation speed on oil removal rate

由图6可知，PFS投加量与混凝转速对餐厨垃圾乳化液油脂去除率的交互作用不显著(P=0.118 3)，从PFS投加量曲面斜率大于混凝转速曲面斜率可知PFS投加量对油脂去除率的影响大于混凝转速对油脂去除率的影响。

由图7可知，PFS投加量与混凝时间对餐厨垃圾乳化液油脂去除率的交互作用不显著(P=0.789 8)，PFS投加量对油脂去除率的影响大于混凝时间对油脂去除率的影响。

固定水平：B=0图7 聚合硫酸铁投加量和混凝时间对油脂去除率影响的响应面和等高线Fig.7 Response surface plot and its contour plot showing theeffect of PFS dosage and coagulation time on oil removal rate

固定水平：A=0图8 混凝转速和混凝时间对油脂去除率影响的响应面和等高线Fig.8 Response surface plot and its contour plotshowing the effect of coagulation speed andcoagulation time on oil removal rate

由图8可知，混凝转速与混凝时间对餐厨垃圾乳化液油脂去除率的交互作用不显著(P=0.132 7)，从混凝时间曲面斜率大于混凝转速的曲面斜率可知混凝时间对油脂去除率的影响大于混凝转速对油脂去除率的影响。

综合响应曲面图6(a)、图7(a)、图8(a)可知，PFS投加量对餐厨垃圾油脂去除率有显著的影响，混凝时间、混凝转速次之。通过对回归模型(2)的求解，最优条件为PFS投加量1 200.0 mg·L-1、混凝转速200.0 r·min-1、混凝时间12.7 min，油脂去除率可达99.6%。

2.4 反硝化验证效果

图9 以混凝前和混凝后餐厨垃圾乳化液分别为碳源(C/N为4∶1和5∶1)时硝态氮浓度变化 concentration using food residue emulsionbefore and after coagulation as carbon source (C/N ratio of 4∶1 and 5∶1)

同时，反硝化过程中COD变化结果表明，以除油前餐厨垃圾乳化液为碳源时的碳源利用率在C/N为4∶1时比C/N为5∶1时高7.5%，以除油后餐厨垃圾乳化液为碳源时的碳源利用率在C/N为4∶1时比C/N为5∶1高3.7%。说明较高的C/N比会导致生物增殖，碳源不能得到充分的利用。在以除油后餐厨垃圾废水为碳源，且C/N为4∶1时，碳源利用率比以除油前餐厨垃圾乳化液相比高7.7%，说明除油后的餐厨垃圾废水中的碳源更易被生物利用[16-17]。

3 结论

研究针对解决去除餐厨垃圾乳化液中的油脂方案，利用响应曲面分析方法，在单因素试验的基础上，对比了PFS混凝法与酸热法破乳后油脂去除效果，得到以下结论。

(1) PFS混凝法不论在单因素试验当中还是在响应曲面法的预测的最优条件(PFS投加量1 200.0 mg·L-1、混凝转速200.0 r·min-1、混凝时间12.7 min)下油脂去除率均高于酸热法最高99.5%的油脂去除率。

(2) PFS是成本较低且较为普遍的破乳剂，而混凝装置在污水处理厂的安装也较易实现，对污水处理厂来说具有大规模的实际应用的潜力，这对技术工程化，以废治污有着重要的意义。