劉伊 彭燦 吳然 丁寧

摘要：為研究高溫濕熱水解預(yù)處理條件對廚余垃圾厭氧發(fā)酵效果的影響，選取不同溫度100℃、150℃、200℃、加水量（20%、40%、60%）、反應(yīng)時間（20 min、60 min、120 min）設(shè)計了三因素三水平正交實驗，并以有機(jī)質(zhì)（ VS/TS）、化學(xué)需氧量（SCOD）、還原性糖、氨氮、粗脂肪、粗蛋白作為考量指標(biāo)進(jìn)行了實驗，結(jié)果顯示：溫度為150℃、加水量為40%，高溫加熱20 min為反應(yīng)的最佳條件。選擇合理的高溫濕熱水解預(yù)處理條件對廚余垃圾后續(xù)處理效果影響顯著。

關(guān)鍵詞：廚余垃圾;正交試驗;濕熱法

中圖分類號：X705

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）4-0074-04

1 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的加快和人民生活水平的提高，城市垃圾的產(chǎn)量逐年增長，其中廚余垃圾的年產(chǎn)量約6000萬t，占城市固體廢棄物總量的60%左右[1]。有研究表明[2]，廚余垃圾含有大量的病菌和有害物質(zhì)，若處置不當(dāng)會對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，對人體的健康也會產(chǎn)生不良影響。廚余垃圾的無害化和資源化處理是當(dāng)今亟待解決的環(huán)境問題。廚余垃圾的主要組分是米和面粉類食物殘余、動植物油、蔬菜、肉骨等，化學(xué)組分主要是有機(jī)物，且含有少量的鈣、鎂、鉀和鐵等微量元素[3]，通常含水率和有機(jī)質(zhì)較高，且易酸化氧化。采用傳統(tǒng)的城市固體廢棄物處置方法如填埋、好氧堆肥和焚燒等處理廚余垃圾均會造成資源和能源浪費(fèi)，且會對環(huán)境造成二次污染[4]。厭氧發(fā)酵技術(shù)是利用廚余垃圾含有大量有機(jī)質(zhì)的特點(diǎn)，在微生物的作用下產(chǎn)生新型的生物清潔能源，其反應(yīng)裝置密閉，有效避免了二次污染，是高效處理廚余垃圾，實現(xiàn)廚余垃圾減量化、資源化和無害化的有效途徑之一。但由于廚余垃圾有機(jī)質(zhì)含量及有害成分較高，很大程度上抑制了厭氧發(fā)酵處理中水解酸化過程的反應(yīng)速率，降低了產(chǎn)氣率和產(chǎn)氣效率，不利于長期穩(wěn)定運(yùn)行[5]。

高溫濕熱水解預(yù)處理是將廚余垃圾置于密閉的環(huán)境中，通過高溫加熱，消除有毒有害物質(zhì)的同時降低廚余垃圾中油脂的含量，提高溶解性有機(jī)質(zhì)，進(jìn)而提高廚余垃圾的可生物降解性和產(chǎn)氣率。王攀等[6]研究表明，經(jīng)高溫濕熱預(yù)處理后，廚余垃圾的日產(chǎn)氣量、累計產(chǎn)氣量以及TS和VS的去除率明顯升高;朱金龍等[7]研究發(fā)現(xiàn)，在150℃、40%加水量、處理60 min的濕熱水解條件下，餐廚廢棄物液相可浮油達(dá)到最高（67.7 mL/kg）;LAI等[8-10]發(fā)現(xiàn)高溫濕熱處理技術(shù)可顯著影響廢棄物中蛋白質(zhì)、碳水化合物及油脂的物理化學(xué)性質(zhì)。

目前，關(guān)于高溫濕熱方法預(yù)處理廚余垃圾及對餐廚垃圾進(jìn)行厭氧發(fā)酵的研究已有相關(guān)文獻(xiàn)報道，但針對高溫濕熱處理后，將廚余垃圾固液相分離探究固液相物質(zhì)轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究鮮少有報道。因此，本研究采用高溫濕熱水解預(yù)處理方法，通過改變溫度、時間、加水量，優(yōu)選最佳預(yù)處理條件，并以化學(xué)需氧量（SCOD）、有機(jī)質(zhì)（VS/TS）、還原性糖、氨氮、粗蛋白和粗脂肪作為評價指標(biāo)，對廚余垃圾處理前后的主要營養(yǎng)組分進(jìn)行分析。最后，探究最佳預(yù)處理條件下廚余垃圾固液兩相物質(zhì)轉(zhuǎn)化規(guī)律，充分提高廚余垃圾的資源利用率和生物潛能。

2 實驗材料與方法

2.1 實驗材料

2.1.1 實驗原料

實驗原料取自北京工商大學(xué)東區(qū)食堂。首先將其中的衛(wèi)生紙、塑料包裝、泥土等少量雜質(zhì)去除，然后用粉碎機(jī)將廚余垃圾打成漿狀，最后將打碎的廚余垃圾混勻，置人密封的的塑料瓶內(nèi)，置于O℃冰箱貯存?zhèn)溆谩?/p>

2.1.2 試劑與儀器

儀器主要包括FA1604B電子分析天平（成都一科儀器設(shè)備有限公司），SC - 3610型低速離心機(jī)（科大創(chuàng)新股份有限公司中佳公司），W-O型升降恒溫油浴鍋（上海申順生物科技有限公司），B- 260恒溫水浴鍋（上海亞榮生化儀器廠），DHG- 9145A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海一恒科技有限公司），1000 mL不銹鋼濕熱反應(yīng)器，K9840自動凱氏定氮儀（濟(jì)南堃康醫(yī)療器械有限公司），HQ40D型COD檢測儀（美國HACH公司），SZF-06A粗脂肪測定儀（浙江托普儀器有限公司）。試劑主要包括：石油醚（分析純），硫酸（分析純），無水硫酸鈉（分析純），氯化鈉（化學(xué)純）和乙醚（化學(xué)純）。

2.2 實驗方法

2.2.1 高溫濕熱水解預(yù)處理試驗

試驗因素和水平的設(shè)計應(yīng)盡量保證反應(yīng)條件控制在適當(dāng)?shù)臏囟群蛪毫Ψ秶鷥?nèi)，避免有機(jī)物的流失和破壞，并降低原料中有毒有害物質(zhì)含量，提高沼氣的產(chǎn)生量。在研究大量文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上并基于前期實驗結(jié)果，采用正交實驗探究不同高溫濕熱預(yù)處理條件對廚余垃圾營養(yǎng)成分的影響。選取不同溫度（100℃、150℃、200℃）、加水量（20%、40%、60%）、反應(yīng)時間（20 min、60 min、120 min）設(shè)計三因素三水平正交實驗。

向500 mL油浴加熱的高溫濕熱水解裝置中加入200 g破碎后的廚余垃圾，按照正交實驗設(shè)計結(jié)果分別調(diào)節(jié)不同的溫度、加水量和反應(yīng)時間。處理后的樣品經(jīng)高速冷凍離心機(jī)以6000r/min的速度離心10 min，固、液相分離，液體經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后測定SCOD、還原糖、氨氮等的濃度，固體樣品烘干后測定粗脂肪、VS/TS、粗蛋白的含量。

2.2.2 測定方法

（1） VS/TS的測定：采用GB/T 6435- 2006標(biāo)準(zhǔn)方法[11]測定。

（2） SCOD的測定：采用連華科技COD快速測定儀測定。

（3）還原性糖的測定：采用3，5-二硝基水楊酸法[12]測定。

（4）粗脂肪的測定：采用GB/T 14771- 2008標(biāo)準(zhǔn)方法[13]測定。

（5）氨氮的測定：采用納氏比色法[14]測定。

（6）粗蛋白的測定：KDNl -凱氏定氮儀，采用GB6432標(biāo)準(zhǔn)凱氏定氮法[15]測定。

3 實驗結(jié)果及分析

實驗結(jié)果如表1所示，表格中所有數(shù)據(jù)表示樣品反應(yīng)后成分與反應(yīng)前成分的含量比值。

用SPSS軟件對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以看出時間對氨氮和SCOD的含量有顯著影響，對其它因素?zé)o顯著影響;溫度對氨氮含量有極顯著影響，對粗脂肪含量有顯著影響，而對其它因素?zé)o顯著影響;加水量對液相組分中氨氮含量有極顯著影響，對還原性糖有顯著影響，對其它因素?zé)o顯著影響，結(jié)果如表2所示。

2.2 時間對廚余垃圾中不同成分的影響

如圖1所示，時間對氨氮含量影響顯著（p<0.1），在20～60 min內(nèi)，隨時間增加氨氮含量增加。在60～120 min內(nèi)，氨氮含量增長趨于緩慢。這說明隨著加熱時間的增長，越來越多的有機(jī)物不斷溶解，生成大量游離的銨離子（NH4+）和游離氨（NH。）。等加熱到一定的時間，游離的銨離子（NH4+）和游離氨（NH。）被分解完全，變化不再明顯[16]。SCOD濃度在20～60 min內(nèi)趨于穩(wěn)定，在60～120 min內(nèi)呈上升趨勢，受時間變化影響顯著（p<0.1）。說明在一定的溫度內(nèi)，隨著加熱時間的增長，廚余垃圾中水溶性有機(jī)物濃度在不斷的升高。VS/TS、還原性糖、粗脂肪和粗蛋白含量沒有隨時間變化而產(chǎn)生顯著改變（p>0.1）。

2.3 溫度對廚余垃圾中不同成分的影響

如圖2所示，氨氮含量在100～150℃隨溫度升高趨于穩(wěn)定，在150～200℃隨溫度升高呈顯著上升趨勢，溫度對氨氮影響極為顯著（p<0.05）。這表明高溫會破壞廚余垃圾中的部分有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)，使其變成游離態(tài)的銨離子（NH4+）和游離氨（NH3）。

粗脂肪含量隨溫度升高持續(xù)緩慢降低，表現(xiàn)為顯著（p<0.1）。這表明高溫濕熱水解有利于廚余垃圾中油脂的分解，進(jìn)而降低原料中高濃度的油脂含量口7]。SCOD濃度受溫度影響變化為不顯著（p>0.1），但整體呈上升趨勢。SCOD上升一方面是因為隨著溫度的升高，廚余垃圾中部分有機(jī)物的溶解度和液化程度升高，導(dǎo)致溶進(jìn)水中的有機(jī)物的濃度升高;另一方面是由于廚余垃圾中的大分子微溶性糖類、蛋白質(zhì)、脂肪等物質(zhì)會水解為小分子可溶性的還原糖、氨基酸、脂肪酸等，這種高溫處理的改變有利于提高廚余垃圾中碳氮的含量[18]。粗蛋白含量受溫度影響變化較小，表現(xiàn)為不顯著（p>0.1），但整體呈下降趨勢。說明適度的加熱有助于蛋白質(zhì)的水解，提高蛋白質(zhì)的分解能力。VS/TS、還原性糖的含量并沒有隨溫度變化而發(fā)生顯著性改變（p>0.1）。

2.4 加水量對廚余垃圾不同成分的影響

如圖3所示，廚余垃圾液相組分中氨氮及還原性糖的含量隨加水量的增加而降低，其中氨氮含量降低明顯，表現(xiàn)為極顯著（p<0.05）。其主要原因可能是由于氨氮和還原性糖濃度在反應(yīng)過程中隨著水量的增加被稀釋。VS/TS、SCOD、粗脂肪和粗蛋白的含量并沒有隨加水量變化而發(fā)生顯著性改變（p>0.1）。

2.5 最優(yōu)處理工藝

用SPSS軟件對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，處理結(jié)果見表3。從表3中可以看出，對不同的廚余垃圾組成成分影響力較為突出的因素是溫度和時間，加水量僅對還原糖濃度有最大影響（c>b>a），所以應(yīng)選擇較少的加水量來減少資源的消耗，盡量避免廚余垃圾中營養(yǎng)成分的稀釋;對反應(yīng)溫度而言，既要保證足夠的溫度消滅廚余垃圾中的有毒有害物質(zhì)，在不影響厭氧發(fā)酵效率的情況下，又要盡量選擇較低的溫度，易于控制，降低能耗;對時間而言，由上述的圖1可以看出，VS/TS、還原性糖、粗蛋白等主要營養(yǎng)物質(zhì)并沒有隨時間的增長而發(fā)生顯著變化，因此為降低能耗，縮小經(jīng)濟(jì)成本，應(yīng)盡量縮短反應(yīng)時間。綜合考慮，最優(yōu)工藝處理條件為150℃、加水量40%、時間20 min，為正交實驗的第四組。在此工藝條件下處理廚余垃圾，既能降低一定的經(jīng)濟(jì)成本減少能源消耗，又能充分避免還原性糖、粗蛋白等營養(yǎng)成分的流失。

4 結(jié)論

（1）研究表明，高溫濕熱水解預(yù)處理技術(shù)可以在消除大部分有毒有害物質(zhì)的同時降低廚余垃圾中油脂的含量，提高大分子有機(jī)質(zhì)溶解性。實驗結(jié)果顯示，最佳預(yù)處理反應(yīng)條件為溫度150℃，加水量40%，時間20min，此工藝條件既能降低一定的經(jīng)濟(jì)成本，減少能源消耗，又能為后續(xù)厭氧處理提供較優(yōu)的原料成分。

（2）高溫濕熱水解預(yù)處理技術(shù)中，不同的溫度、時間、水分對廚余垃圾的組分影響都是不同的。綜合來看，其影響程度主次排序依次為溫度>時間>加水量。溫度對氨氮含量有極顯著影響，對粗脂肪含量有顯著影響;時間對氨氮、SCOD影響顯著;加水量對氨氮有極其顯著性影響，對還原性糖有顯著性影響。因此，合理地選擇高溫濕熱水解預(yù)處理條件對廚余垃圾后續(xù)進(jìn)行厭氧發(fā)酵十分必要。

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