国内餐厨垃圾提油技术综述

谭业琴

（甘肃驰奈生物能源系统有限公司，兰州 730000）

餐厨垃圾主要是由固渣、水分和油脂等构成的多元混合体系，其中油脂含量因地域分布、经济水平、饮食生活习惯等不同而呈现一定的差异，餐厨垃圾油脂含量一般为4.5%～7.0%[1]，经折算，1 t 餐厨垃圾约含油脂0.045～0.070 t，油脂回收是目前国内餐厨垃圾处理工艺不可或缺的一道工序。一方面，这些油脂是生产生物柴油、日用化工原料等产品的优质原料，具有很高的资源化利用价值。另一方面，餐厨垃圾油脂若不进行有效分离和回收，会对后续处理过程产生不利影响，如造成管道和设备堵塞、抑制微生物活性等，若对固液分离后的高含油废水进行厌氧消化，会造成发酵罐表面出现泡沫和浮渣层，且油脂包裹在微生物表面会阻碍产甲烷过程的进行，甚至导致厌氧污泥的流失，对整个生化处理造成不良影响。高含油的固渣进行堆肥会直接导致肥料品质低劣，而若进行饲料化转化，则面临着油脂发酵产生黄曲霉素等致癌物质的风险[2]。因此，餐厨垃圾的高效提油至关重要，油脂回收利用既是实现餐厨垃圾资源化处理、提升餐厨垃圾处理项目经济效益的有效途径之一，也是践行节能减排、发展循环经济的重要抓手。

1 餐厨垃圾提油的理论基础

餐厨垃圾中，油脂成分主要为动植物油脂，其存在形式一般为可浮油、分散油、乳化油、溶解油和固相内部油脂五种[1]。其中，粒径最大的为可浮油，一般大于100 μm，静置后较快上浮至水面形成油膜或油层，一般采用重力分离；其次为粒径在10～100 μm的分散油，以细小油珠悬浮在水中；再次为粒径小于10 μm 的乳化油，一般为0.1～2.0 μm，必须经过破乳转化成浮油，再进行分离；最后是粒径一般小到几纳米的溶于水的溶解油，分离较难；固相内部油脂多包含于垃圾固相中，很难直接分离[1-3]。有研究表明，我国餐厨垃圾原料中浮油含量仅为0.2%，而固相内部油脂含量高达5.8%[1]。为提高油脂回收率，餐厨垃圾提油前有必要经过一定的预处理，使固相内部油脂浸出转移至液相。餐厨垃圾提油的主要对象为可浮油和固相内部油脂，此两部分油脂的回收率是衡量油水混合物提油性能的重要指标。

在餐厨垃圾重力提油过程中，油滴上浮速度较小，位于层流区，可采用斯托克斯定律进行分析[2]，其计算公式如式（1）所示。

式中：v为油滴上浮速度，m/s；ρw、ρo分别为水和油的密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；d为油滴直径，m；μ为动力黏度，Pa·s。

由式（1）可知，欲提高油滴在水中的上浮速度，应从三方面着手：一是增大油滴直径；二是增加油水密度差；三是降低水的动力黏度[2-4]。目前，市面上几乎所有的提油、除油技术原理均是在此理论基础上展开。

2 国内餐厨垃圾提油的主要技术

目前，国内餐厨垃圾提油技术可概括为三大类，即物理分离、化学分离、物理化学分离[4]。国内在餐厨垃圾提油方面应用较多的主要为重力分离、离心分离和物理化学分离。

2.1 物理分离

2.1.1 重力分离

重力分离是最简单的一种物理提油方法，主要利用油水密度差来实现油水的分层与分离。其主要去除废水中粒径大于60 μm 的分散油和可浮油，对乳化液和溶解油的去除效果较差。常用的设备是平流式隔油池、斜板隔油池，两者提油效率分别为60%～70%和70%～80%，该方法运行费用低、不耗药剂，但存在设备占地面积大及臭味散发的问题，且提油效率不高，一般作为初步提油工艺。改进的重力分离法是在隔油池或油水分离器内增设加热功能，设备外壁四周辅以伴热保温措施，使池内物料温度升至70～80 ℃，加热2 h，有助于动物油脂加热融化破乳，同时温度升高使布朗运动加剧，增加了油滴的碰撞频次，可极大促进油滴的上浮聚集，提升油脂回收率。

2.1.2 离心分离

离心分离是使装有含油物料的容器高速旋转或者通过设置螺旋结构使含油物料自身旋转，形成离心力场，使轻组分油分布在旋转器壁面，而水和固相等重组分分布在旋转器中心，实现相对彻底的油水分离（固体颗粒、油珠与废水之间存在密度差，受到的离心力也不同）[4]。根据产生离心力的方式不同，离心分离设备可分为水旋和器旋两类。前者常用的设备是水力旋流器，其特点是旋流器固定不动，而由沿切向高速进入旋流器内的水产生离心力。后者的代表设备为三相分离机，其特点是高速旋转的转鼓带动水产生离心力，使得餐厨垃圾中的油、水、固渣三相分离。国产的卧式三相分离机目前已广泛用于各城市大中小型餐厨垃圾处理项目的油脂回收中，且获得良好的经济效益。采用三相分离机进行油脂回收，一般将分离机转速控制3 000 r/min 左右，油脂含量可由4.5%～7.0%降至0.3%～0.5%，提油率超过90%，油脂含水率和渣率低，油脂纯度达到99%。离心分离虽然能耗较大，但提油率高、提油效果较稳定、固渣含水率低（小于70%）、不需要消耗药剂、占地面积小、自动清洗方便、设备运行维护简单，故其应用有日益增长的趋势。

2.1.3 聚结分离

聚结分离法又被称为粗粒化法，其利用亲油疏水性质的聚结材料吸附油粒，滤料表面形成油膜，增至一定厚度后，大油珠上浮到水面[5]。粗粒化材料有无机和有机两类，常用的亲油性材料有聚烯系球体、蜡状球、聚丙烯系发泡体等，可将粒径5～l0 μm 的油珠与水分离，且能减少出水中COD，不消耗化学试剂[5]。此技术可用于提取分散油和乳化油，但不适用于悬浮物浓度高且富含动物油脂的餐厨垃圾提油，因动植物油脂黏度较高，长期运行会使聚结材料堵塞，导致提油效率低下。

2.1.4 膜分离

膜分离法是以选择透过性膜为分离介质，拦截餐厨垃圾中的乳化油和分散油。滤膜可分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜，其中超滤膜在油水分离方面应用最多，常被制成空心纤维管过滤器使用。膜分离技术提油效率较高，但极易出现膜堵塞而使膜通量降低，且膜的使用寿命短，运行费用高[5]。有机膜存在化学稳定性差、膜寿命短以及不耐高温、酸碱及有机溶剂等缺点，如聚丙烯腈膜、聚砜膜、醋酸纤维素膜等。无机膜与有机膜相比，具有耐高温、耐酸碱、耐有机溶剂、机械强度高、膜寿命长、截油率高和运行稳定性好等诸多优点[4]，目前应用较多的无机膜为陶瓷膜。复合膜兼具有机膜和无机膜的优点，使用复合膜是目前膜分离领域的热点课题之一。

2.1.5 超声波分离

超声波分离是利用频率高于20 000 Hz 的高频机械波进行油水分离的方法。油水混合液在超声波的照射下产生机械振动、空化及热作用，使油滴和水滴一起持续不断振动，各颗粒相互碰撞、聚集，油滴体积逐渐增大然后凝聚上浮，从而达到油水分离的效果[4]。超声波分离适用于乳化油分离，油水分离效果与超声波频率、声强、照射时间、温度等显著相关，在添加破乳剂后能产生协同作用，进一步提高油水分离效率[5]，但该技术因装置不成熟还未实现工业化应用。

2.2 化学分离

2.2.1 絮凝分离

絮凝分离是在餐厨垃圾物料中投入一定比例的絮凝剂，形成亲油性絮体吸附和凝聚油珠微粒，最终实现油水分离。影响絮凝沉淀效果的因素主要有水温、pH、碱度和悬浮物浓度等。絮凝剂的选择至关重要，絮凝剂主要分为无机高分子絮凝剂、有机高分子絮凝剂和复合絮凝剂三大类[4]。无机高分子絮凝剂通常指聚合氯化铝、聚合硫酸铁、聚合氯化铁等铁盐或铝盐及其聚合物。有机高分子混凝剂以聚丙烯酞胺应用最为普遍，其常作为助凝剂与其他混凝剂一起使用。目前，在餐厨垃圾处理领域，应用最多的是聚丙烯酰胺（PAM）和聚合氯化铝（PAC）。

絮凝分离在提油方面的致命缺点为被分离的油难以回收利用，且对pH 要求严格，一般应控制在中性偏碱范围，而餐厨垃圾原料的pH 一般为3.0～4.5，故在絮凝沉淀前需要加碱调节pH，工序较复杂，絮凝沉淀后固渣需要进一步脱水，若将脱水固渣用于堆肥、做饲料等生化处理，可能会因含大量的化学药剂而阻碍微生物的生命活动，最终影响产品品质，此外，装置占地面积大、药耗量大，处理每吨餐厨垃圾的药剂成本高（30～60 元），且污泥产生量大，易造成二次污染，所以该工艺很少应用在餐厨垃圾处理项目的油脂回收中。

2.2.2 电解分离

电解分离是将餐厨垃圾混合物置于高压电场中，利用阴极和阳极产生氢和氧的微细气泡，将乳状液中的油滴黏附而上浮至水面，实现油水分离。电解气浮法产生的气泡远小于散气气浮法和溶气气浮法，且不产生紊流，不仅起到气浮分离的作用，还兼具氧化还原、脱色和杀菌的作用，主要适用于乳化油和溶解油的提取。但该法一般不单独使用，而是作为其他油水分离方法的后端工序，因为处理含水量较高的乳状液时会产生电击穿现象[4]。电解分离提油效率高，但存在电极钝化、电耗大、装置复杂以及原料要求特殊等显著缺点，一定程度上限制了技术应用[4-5]，目前该方法在餐厨垃圾提油过程中应用较少。

2.3 物理化学分离

2.3.1 气浮分离

使大量的微细气泡吸附在油珠上，降低带气微粒的密度，使油滴随气泡一同上浮带出水面，然后利用刮渣撇油装置撇除表面浮油。一般气浮前需要加入絮凝剂进行脱稳、破乳，促使油滴凝聚，与气泡黏附而上浮。该方法可脱除粒径远小于50 μm 的分散油和乳化油[4]，按照气泡产生方式不同，气浮分离分为散气气浮、溶气气浮和电解气浮。该方法需要配备专门的气浮池，配套供气装置、溶气装置和气体释放器等，浮油含渣量大，气浮前一般需要加入药剂，因而分离的油难以被回收利用。

2.3.2 吸附分离

吸附分离是利用多孔性介质吸附油粒，多用于含油废水的深度处理。目前，常用的吸附剂有活性炭、磺化煤、硅藻土、高分子聚合物等，其中活性炭应用最多[4]。活性炭不仅对油有很好的吸附性能，能适应餐厨垃圾原料酸性的条件，还能吸附废水中的有机物，出水水质较好，占地面积较小，但缺点是吸附的油脂难以回收，吸附容量有限，吸附剂再生困难，总体成本较高。

磁吸附分离是在磁场的作用下，磁性颗粒（铁粉、磁铁矿与赤铁矿微粒等）与油粒发生磁絮凝，随后加速下沉，实现废水和磁性絮凝体分离，最后对磁性絮凝体进一步处理，以达到回收油脂的目的。磁吸附分离能耗较大，设备制造成本高，且磁种循环利用困难，因而应用较少[5]。

2.3.3 湿热水解

湿热水解是指在高温高压条件下，对餐厨垃圾破碎制浆液中的生物体进行破壁水解、液化，改变其理化性质，促进固相中的油脂浸出转移至液相中，方便后续油脂回收。最佳的餐厨油脂液化浸出条件为：首先在160 ℃温度下对餐厨垃圾浆液进行湿热水解80 min[6]，使固相油脂液化浸出转移至液相中，然后进行离心分离，离心转速控制在2 500 r/min 时，单位垃圾可浮油浸出量达到最大值，油脂提取率为70%～80%[6]。此方法对可浮油和固相内部油脂的提取率较高，且有消毒灭菌的作用。但是，该方法要求餐厨垃圾预处理必须采用破碎制浆工艺，需要配备内置搅拌机的高温高压反应釜，能耗较大，且提油不彻底，脱出液还需要进一步采取提油措施，工艺相对复杂。

2.4 小结

上述除油方法各有利弊，大多数停留在实验室研究阶段或仅适用于小处理规模，未实现大规模推广应用。每种方法都有其局限性，如提油设备复杂、运行能耗较高、药剂消耗大、带来二次污染等，故针对餐厨垃圾油脂的特性，综合技术和经济考虑，餐厨垃圾提油可采用两种技术路线。一是湿热水解（120 ℃或160 ℃，水解80 min），然后进行离心分离提油，二是加热处理（温度维持在70～80 ℃，加热2 h），撇除上浮油后，利用离心分离机进一步提油。这两种技术的总提油率均可超过90%。

3 餐厨垃圾提油技术存在的问题

目前，国内餐厨垃圾提油大多采用湿热预处理+三相分离机或者加热预处理+三相分离机的组合工艺，油脂回收率达到90%左右，油脂销售或深加工成产品带来的收益成为餐厨垃圾处理行业的主要经济收入来源之一，有效缓解了餐厨企业高度依赖政府补贴的困境，极大地促进了行业的可持续发展，但目前在油脂提取方面还普遍存在一些问题有待克服。

3.1 离心设备能耗高，噪声大

目前广泛应用的提油设备为三相分离机，为了产生较大的离心力，促使油水彻底分离，分离机离心转速必须控制在3 000 r/min 左右，这势必会造成设备电耗的增长，据工程经验得出，处理1 t 餐厨垃圾消耗3～5 kW·h 电。离心机高速旋转使得设备壳体和零配件的磨损较严重，尤其是过流、排渣等位置的磨损是影响离心机正常运行的主要因素，会直接导致三相分离机寿命缩短，增加了企业的设备更换和运维成本。此外，设备运转带来巨大的噪声污染，现场工作环境恶劣，为了保障运行人员身心健康，必须对设备本身和生产车间进行吸声降噪处理，这样则额外增加了企业投入。

3.2 对后续废水厌氧消化的影响有待研究

餐厨垃圾提油后，固液分离产生的废水大多采用厌氧消化工艺进行处理，厌氧消化的适宜C/N 为20～30，而根据统计，我国餐厨垃圾C/N 一般为10～20，经过提油，去除了含碳量高的油脂，进水C/N 降低是否会导致营养失调而影响消化过程还有待进一步研究[1]。另外，油脂的产沼气潜力较好，一定的油脂含量有助于产甲烷菌的生长，有利于提高沼气产量和沼气中甲烷含量，若提油太彻底，一味追求高油脂回收率，是否对沼气产量和沼气品质造成不良影响也是今后研究的方向之一。

3.3 油脂深加工产品未实现规模化应用

目前，餐厨垃圾处理行业回收的油脂经过过滤、脱胶、脱水与沉淀后，可以生产酯基生物柴油或烃基生物柴油，给车辆提供燃料。同时，少数被加工成微生物洗涤剂、肥皂、润滑剂等化工原料。《B5 柴油》（GB 25199—2017）明确指出，B5 普通柴油（生物柴油和石油柴油的调合燃料）可直接作为车用燃料，但生物柴油具有原料来源复杂、产品质量不稳定、氧化安定性和低温流动性较差等缺点，产品在国内仍未实现大规模应用，故后期需要在产品优化、高值安全利用方面加大技术创新，提高产品附加值和资源化利用水平。

4 未来应用分析

餐厨垃圾含油量很高且存在形式复杂，仅依赖单一的提油技术很难达到预期效果，重力分离、离心分离等物理分离法可以对餐厨垃圾中的可浮油进行分离，但对乳化油和固相内部油脂的分离效果甚微，故采用多种方法分级提油是未来发展趋势。但工艺链的加长势必会造成提油成本升高，建议对提油成本和油脂带来的效益进行综合测算，以筛选出最经济合理的提油工艺。

4.1 联合使用多种方法分级提油

餐厨垃圾提油方法很多，但均有其局限性，在实际工程应用中，建议联合使用多种方法分级提油，例如，将重力分离、离心分离、聚结分离结合，或者将湿热水解、离心分离、膜分离结合，实现技术互补，提高总体提油效率，减少后续餐厨废水和固渣的油脂含量。

4.2 油脂加工产品多元化和应用规模化

国内餐厨垃圾油脂资源化利用的主要去向是出口欧洲作为生物柴油原料，欧盟要求2020年生物燃料在交通领域的掺混比例达到10%，2030年达到14%，未来欧洲市场对生物柴油将持续保持供不应求的趋势。餐厨垃圾油脂制备生物柴油的技术已基本成熟，但产品在国内还未实现规模化应用。在当前国家碳中和背景下，生物柴油作为常规柴油的替代燃料，既能减少空气污染，又能节约能源，这是一种值得大力推广的资源化利用途径。随着餐厨垃圾产生量的日益增长和提油技术的逐渐成熟，油脂回收量将日趋增长，利用餐厨垃圾油脂加工微生物洗涤剂、肥皂、润滑剂、聚氨酯保温材料、生物塑料等化工原料将成为未来研究的热点之一。

5 结论

目前，餐厨垃圾处理行业普遍采用的提油技术为湿热水解+离心分离、加热处理+离心分离，提油率高达90%，经济效益良好。餐厨垃圾处理项目当前广泛应用三相分离机作为离心分离设备，但国产三相分离机存在能耗高、设备噪声大、设备磨损严重等问题，设备性能需要进一步优化。联合使用多种技术分级提油是未来发展趋势，可以提高油脂回收率。但是，工艺链的加长会造成提油成本升高，因此要综合计算提油成本和油脂带来的效益，筛选出最经济合理的提油工艺。