餐廚垃圾濕熱處理的影響因素

餐廚垃圾因其含水率高、營養成分含量高、極易腐敗變質[1]，需要進行單獨處理和處置。濕熱工藝是一種新型有效的餐廚垃圾資源化處理方法，它是在含水環境中對餐廚垃圾進行有控制的加熱，改善垃圾結構和性能的物理化學過程，與其他方法相比，在實現資源化的同時，它更容易實現消毒滅菌。20世紀末，日本和新加坡公司提出有機垃圾加熱實現飼料化，清華紫光集團曾利用濕熱工藝處理糞便，這些是濕熱工藝的雛形。但是關于餐廚垃圾濕熱處理的機理及工藝應用尚鮮見報道。為了系統研究餐廚垃圾濕熱反應機理，指導工藝應用，本研究針對溫度、加熱時間、加水率等濕熱處理的影響因素進行了試驗研究，確定出適宜的工藝參數組合，并著重探討了各因素對處理產物各項理化指標的影響機理，為構建系統的餐廚垃圾濕熱工藝提供技術依據。 
1實驗方法 
1.1實驗材料 
餐廚垃圾采自清華大學學生十食堂，其pH為6.58，含水率為79.01%，溶解性化學需氧量(SCOD)為24.93g/L，有機質含量為90.21%，總能為19.46MJ/kg，還原糖含量為15.24%。其中，有機質含量、總能、還原糖含量均以垃圾干基重量計。 
1.2實驗儀器與流程 
主要實驗儀器包括：DZF-25型真空干燥箱(鄭州長城科工貿有限公司)，LG10-3A型離心脫水機(北京醫用離心機廠)，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不銹鋼濕熱反應器。實驗流程如圖1所示。 


1—濕熱處理裝置；2—離心脫水機；3—油水分離器；4—干燥裝置；5—儲油槽；6—儲水槽 
圖1餐廚垃圾濕熱處理實驗流程簡圖 
1.3實驗步驟 
在每次實驗開始之前，必須用二次去離子水將濕熱反應器洗3遍，之后加入待處理的餐廚垃圾樣品600g于反應器中，加蓋密封，加熱到規定溫度，作為零點開始計時，保溫達到規定時間，卸壓，取樣。所取樣品一部分進行離心脫水，得油水混合物，測定pH值和液相指標，離心脫水后的固體進行真空干燥，測定固相指標；另一部分濕熱處理后樣品直接進行真空干燥，測定樣品總指標。各指標測定方法見表1。 
表1各指標測定方法 


1.4實驗方案 
1)工藝實驗方案 
本試驗采用密閉反應器，有水存在，反應器內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因素來進行探討。以溫度(H)、加熱時間(t)、加水率(加水率與垃圾重量百分比)為影響參數，按U24(63)均勻設計表進行試驗，因素、水平安排見表2，具體試驗安排見表3所示。 
表2因素、水平安排表 


2)機理實驗方案 
為了進一步研究各因素對餐廚垃圾濕熱反應的影響機理，根據工藝實驗結果及工藝傳熱要求，確定機理實驗方案如下：固定加水率為50%，溫度選取100、120、140、160、180℃共5個水平，加熱時間選取20、40、60、80、100min共5個水平作完全試驗，分析不同溫度、不同加熱時間的濕熱反應產物的pH值、SCOD、還原糖含量、總能、有機質含量、持水率的變化，探討溫度、加熱時間的影響規律。 
2結果與討論 
2.1最佳工藝參數組合的確定 
均勻設計工藝實驗數據見表3。 
表3U24(63)均勻設計工藝實驗數據表 


數據表明，在均勻設計實驗條件下，120℃、加熱80min、加水30%時，還原糖含量、有機質含量、總能均為最高值，說明此時產物的營養價值最高。 
2.2因素影響顯著性分析 由表4可見，各因素對處理產物還原糖含量、有機質含量的影響顯著性從高到低的順序為：溫度、加熱時間、加水率。對總能影響較顯著的因素為加水率和溫度。 
2.3濕熱反應中水的行為研究 
在濕熱反應中水分主要起兩方面的作用：一是為各物質的化學反應提供溶液環境；二是加快傳質、傳熱速度。表3數據表明，濕熱反應中加水率大于30%時，對有機物的化學反應有利。變化垃圾加水率，做加熱曲線如圖2。曲線斜率即為該時刻加熱速度，對比不同加水率的加熱曲線斜率發現：初期，加水率增加，加熱速度加快；當加水率大于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溫度和加熱時間對產物pH值的影響 
濕熱處理產物的pH值變化表征產物中有機酸含量的變化。如圖3所示，隨著溫度的升高，pH值呈大體下降趨勢，說明溫度上升有利于油脂、蛋白質等物質水解產生有機酸[2]。初期，隨著溫度的升高，不同加熱時間處理產物pH值呈現為不同的變化規律，此時各種有機物熱水解反應的程度不同，產生的有機酸的量呈現不同的變化規律。溫度高于160℃時，不同加熱時間的pH值變化趨勢基本相似，說明此時，加熱時間對生成有機酸的影響不再明顯。 


圖3產物pH值隨溫度的變化 
2.5溫度和加熱時間對產物SCOD的影響 
產物SCOD表征產物中溶解性有機物的濃度。動植物對有機物的吸收以溶解態為主，SCOD的變化可表征產物的消化性能[3]。實驗中濕熱處理產物的SCOD隨溫度和加熱時間的變化見圖4。隨著溫度的升高和加熱時間的延長，SCOD大體呈上升趨勢。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、脂肪等會水解為小分子可溶性還原糖、氨基酸、脂肪酸等[4]，這種轉化有利于動植物的吸收和消化。 
2.6溫度和加熱時間對產物還原糖含量的影響 
處理產物中的還原糖主要來自垃圾中碳水化合 

圖4產物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移到動物體液中去，故產物中的還原糖含量對產物飼料化極為重要。產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，當溫度高于140℃、加熱超過40min時，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反應而生成其他類物質。其中比較重要的是還原糖與氨基酸之間的Maillard反應。開鏈形式的還原糖的羰基碳遭受氨基氮上孤對電子的親核進攻，失去水和閉環形成具有香味的物質——葡基胺，還原糖含量降低，而且氨基酸有所損失，造成營養價值降低[2，5，6]。故為了防止濕熱過程中營養價值的降低，反應溫度應控制在140℃以下。 

圖5還原糖含量隨加熱時間變化曲線 
2.7溫度和加熱時間對產物營養的影響 
有機質含量是表征有機肥料持久性肥力的重要指標，總能是表征飼料營養價值的重要指標之一。本實驗產物的有機質含量和產物總能隨加熱時間的變化見圖6、圖7。產物中有機質含量始終保持在86%以上，且隨溫度和加熱時間變化不顯著。產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，雖然部分有機物水解進入液相或氣相而損失，但對產物總體營養價值影響不顯著。 

圖6產物有機質含量隨加熱時間變化曲線 

圖7產物總能隨加熱時間變化曲線 
2.8溫度和加熱時間對產物持水率的影響 
對于固體物質，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。產物持水率隨加熱時間變化曲線見圖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，產物脫水性能變差。繼續加熱，持水率開始下降，脫水性能增強。不同溫度條件下產物持水率開始下降的時間不同，溫度越高，下降越早。例如180℃條件下，加熱20min后產物持水率開始下降；而100℃條件下，在加熱40min后持水率才開始下降。 3結論 
1)以產物的營養價值和傳熱效果為評價指標，餐廚垃圾濕熱工藝適宜的工藝參數為：溫度120℃、加熱時間80min、加水率50%。 
2)各因素對餐廚垃圾濕熱處理產物的pH值、SCOD、還原糖含量、有機質含量的影響顯著性從高到低的順序為：溫度、加熱時間、加水率。對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間的延長，垃圾中蛋白質、脂類水解產生有機酸，造成產物的pH值呈下降趨勢；部分有機物溶解、液化，造成可溶性有機物含量增多；因垃圾中的碳水化合物液化、水解，與原垃圾相比，產物還原糖含量有所升高；有機質、總能等營養指標變化不顯著；持水率呈下降趨勢，說明濕熱處理一定程度上可增強產物脫水性能。 
參考文獻　(References) 
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