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湿热处理是近年来开发的一种新型有效的垃圾处理技术[1]，它可以改变垃圾营养结构和物理加工性能，对餐厨垃圾资源化非常有利，但同时也会影响垃圾脱出液的水质、水量，从而对后续的废水处理产生影响。目前国内外关于湿热处理对餐厨垃圾脱出液影响的研究尚鲜见报道，为此考察了单位餐厨垃圾脱水量以及脱出液水质随温度、加热时间的变化规律，探讨了餐厨垃圾湿热处理对脱出液的影响及其机理，以期为优化餐厨废水的处理、处置工艺和构建系统的餐厨废水资源化处理技术提供理论依据。
1试验部分
1.1试验材料
餐厨垃圾采自清华大学学生食堂，其理化性能指标见表1。
表1餐厨垃圾理化指标 
1.2试验仪器与流程
主要试验仪器或装置：1000mL不锈钢反应器，W-O系列恒温油浴加热装置，LG10-3A型离心脱水机，pHS-25型酸度计。试验流程如图1所示。 2结果与分析
2.1湿热处理对脱水量的影响
餐厨垃圾中的水分主要以游离水、间隙水、毛细管结合水、表面吸附水、内部水等5种形式存在，其中游离水以连续相存在于垃圾固体颗粒外围，通过过滤即可去除；间隙水存在于固体颗粒之间，只存在较弱的范德华力，可通过压滤脱除；而毛细管结合水、表面吸附水、内部水与固体颗粒结合较紧密，需要较高的能量方可脱除[2、3]。餐厨垃圾脱水主要是利用外力使垃圾中水分的存在形式发生转化，然后进行固液分离的过程(如图2所示)。可见，单位餐厨垃圾脱水量主要取决于垃圾的游离水含量。单位垃圾脱水量随加热时间的变化结果显示，在湿热处理初期，淀粉颗粒吸水膨胀、蛋白质胶粒水合及水与氨基酸侧链上的氨基、果胶物质未酯化的羧基形成氢键等，使部分游离水进入固相而成为其他形式的水，造成单位垃圾脱水量呈下降趋势。继续加热，则有机物开始溶解、液化甚至水解[4]，垃圾分子移动性(即分子的旋转移动和平动移动性的总度量，用Mm表示)增强，单位垃圾脱水量开始上升，且温度越高则上升趋势越明显。例如，100、120、140℃下加热40min后单位垃圾脱水率才开始上升，最高分别可达16.3%、21.9%和25.7%；而160、180℃下单位垃圾脱水率开始上升时的加热时间仅为20min，且最高分别可达42.1%和45.9%。与原垃圾(单位垃圾脱水率为29.1%)相比，100～140℃条件下的单位垃圾脱水率较低；160℃下加热60min后单位垃圾脱水率为29.5%，继续升温和(或)延长加热时间可使单位垃圾脱水率高于原垃圾。
图2餐厨垃圾中水分的转化
2.2湿热处理对脱出液pH值的影响
在污水的生物处理中好氧微生物生长的最适pH值为6.5～8.5，当pH<4.5时真菌占优势，会引起污泥膨胀[5]。垃圾脱出液的pH值变化(表征了产物中有机酸含量的变化)对微生物的生命活动将产生影响，会间接影响对脱出液的处理效率。试验结果表明，随着温度的升高则pH值大体呈下降趋势，说明温度上升有利于垃圾中油脂、蛋白质等水解产生有机酸。当温度<160℃时不同加热时间下的脱出液pH值呈现出不同的变化规律，说明有机物热水解反应的程度不同，导致产生有机酸的量也不同；当温度>160℃后不同加热时间下的pH值变化趋势相似，说明加热时间对生成有机酸的影响不再明显。经湿热处理后，除100℃下加热100min时的pH值(为6.54)尚在好氧微生物生长的适宜pH值范围内外，其余湿热处理的均低于6.5。所以，脱出液在进行生物处理前需调节pH。2.3湿热处理对脱出液SCOD的影响
试验结果表明，随着温度的升高和加热时间的延长则SCOD值大体呈上升趋势，其原因为：随着温度的升高则部分有机物的溶解度、液化程度也升高；大分子微溶性淀粉、蛋白质、脂肪等水解为小分子可溶性还原糖、氨基酸、脂肪酸等[6]，这种转化有利于动植物的吸收和消化。餐厨垃圾脱出液有机物含量很高(SCOD>10000mg/L)，180℃下加热100min后可达211400mg/L，经过浓缩、生化稳定等工序处理后可制成液态有机肥料。
2.4湿热处理对脱出液SS的影响
在湿热处理过程中餐厨垃圾脱出液的SS浓度随加热时间呈下降趋势，且温度越高，SS浓度下降速率越快。SS的损失主要由三方面原因造成：①部分有机物溶解、液化和水解，由固相转入液相；②少量挥发性有机物的挥发；③部分有机物水解生成二氧化碳或氨气等进入气相。
2.5湿热处理对脱出液中氮的影响
作为主要营养物质，氮含量及其存在形式对餐厨垃圾脱出液的肥料化意义重大。加热初期，垃圾蛋白质因吸水而溶胀，原有圆球状的肽链因受热而造成副键断裂，使原来折叠部分的肽链变得松散，容易受到消化酶的作用，从而提高了蛋白质的消化率和必需氨基酸的生物有效性[7]。随后蛋白质开始溶解、液化，餐厨垃圾脱出液中有机氮浓度增加(如图3当温度达到180℃、加热时间为60min时脱出液中的有机氮浓度开始下降，而氨氮浓度上升，这表明湿热处理过程中除了蛋白质溶解外，还发生了化学反应。事实上，蛋白质在溶解的同时还发生了水解反应(先水解成多肽、二肽、氨基酸，再进一步水解为低分子有机酸、氨和二氧化碳[8])，造成垃圾营养成分向液相转移，这提高了餐厨废水的生化处理负荷，但也增加了硝化反应的电子受体数量，使其易于进一步分解氧化而生成亚硝酸盐氮和硝酸盐氮，增加了餐厨脱出液制备液态有机肥料的可行性。
2.6湿热处理对可浮油含量的影响
脱出液中的油脂含量及其存在形式对脱出液处理工艺具有重要影响，油脂的分离与回收效率很大程度上取决于其中的可浮油(即静置后能较快上浮到脱出液表面的油脂)含量。可浮油以连续相油膜的形式漂浮于水面，利用密度差即可分离回收[9]。试验结果表明，在湿热处理过程中可浮油含量呈上升趋势，并且温度越高，可浮油含量增长越快，100～120℃时可浮油含量随加热时间持续增加；140℃下加热60min后可浮油含量不再变化；160℃下加热80min时单位垃圾可浮油浸出量达到最大(为131.7mL/kg)，继续加热则可浮油含量开始下降，说明垃圾固相内部脂质已基本完全浸出，继续加热会促进脂质的化学变化(如脂质的水解)。另外，淀粉水解产生的葡萄糖可与脂肪酸发生酯化，有助于油脂与水分形成O/W型体系(水包油型体系，水为连续相)[7]，使部分可浮油转变为乳化油，增加了油脂的分离回收难度。
3结论
①随着温度的上升和加热时间的延长，餐厨垃圾脱出液pH值有所下降，整体呈弱酸性，在进行生物处理前需调节pH值；湿热处理使餐厨垃圾脱出液的SCOD值大幅上升，180℃下加热100min后达最高(为211400mg/L)；SS值随温度和加热时间呈下降趋势；在湿热处理初期有机氮浓度增加，180℃下加热时间>60min后有机氮开始向氨氮转化。
②湿热处理增大了餐厨垃圾脱出液制备液态有机肥的可行性。
③湿热处理使餐厨垃圾脱出液可浮油含量增加，有利于废油脂的分离与回收。
参考文献：
[1]Shanableh A, Jomaa S. Production and transformation of volatile fatty acids from sludge subjected to hydrothermal treatment[J ]. Water Science and Technology, 2001, 44(10) : 129 - 135.
[2]Tsang K R,Vesilind P A. Moisture distribution in sludges[J]. Water Science and Technology, 1990, 22 ( 12) : 135- 142.
[3]Kopp J ,Dichtl N. Influence of the free water content on the dewaterability of sewage sludges [J ]. Water Science and Technology, 2001, 44 (10) : 177 - 183.
[4]王治军,王伟. 污泥热水解过程中固体有机物的变化规律[J]. 中国给水排水, 2004, 20 (7) : 1 - 5.
[5]李旭东,杨芸. 废水处理技术及工程应用[M]. 北京:机械工业出版社, 2003.
[6 ] Quitain A T, Faisal M, Kang K, et al. Low-molecular-weight carboxylic acids produced from hydrothermal treat-ment of organic wastes [J]. J Hazard Mater, 2002, 93(2) : 209 - 220.
[7]阚建全. 食品化学[M ]. 北京:中国农业大学出版社,2003.
[8]王治军,王伟. 热水解污泥的厌氧消化试验研究[J ].中国给水排水, 2003, 19 (9) : 1 - 4.
[9]韩子兴,侯天明. 废水中油类的理化性状及含量测定技术[J ]. 化工环保, 2000, 20 (6) : 38 - 43.
