餐厨垃圾湿热处理的影响因素

餐厨垃圾因其含水率高、营养成分含量高、极易腐败变质[1]，需要进行单独处理和处置。湿热工艺是一种新型有效的餐厨垃圾资源化处理方法，它是在含水环境中对餐厨垃圾进行有控制的加热，改善垃圾结构和性能的物理化学过程，与其他方法相比，在实现资源化的同时，它更容易实现消毒灭菌。20世纪末，日本和新加坡公司提出有机垃圾加热实现饲料化，清华紫光集团曾利用湿热工艺处理粪便，这些是湿热工艺的雏形。但是关于餐厨垃圾湿热处理的机理及工艺应用尚鲜见报道。为了系统研究餐厨垃圾湿热反应机理，指导工艺应用，本研究针对温度、加热时间、加水率等湿热处理的影响因素进行了试验研究，确定出适宜的工艺参数组合，并着重探讨了各因素对处理产物各项理化指标的影响机理，为构建系统的餐厨垃圾湿热工艺提供技术依据。 
1实验方法 
1.1实验材料 
餐厨垃圾采自清华大学学生十食堂，其pH为6.58，含水率为79.01%，溶解性化学需氧量(SCOD)为24.93g/L，有机质含量为90.21%，总能为19.46MJ/kg，还原糖含量为15.24%。其中，有机质含量、总能、还原糖含量均以垃圾干基重量计。 
1.2实验仪器与流程 
主要实验仪器包括：DZF-25型真空干燥箱(郑州长城科工贸有限公司)，LG10-3A型离心脱水机(北京医用离心机厂)，W-O系列恒温油浴加热装置(上海申顺生物科技有限公司)，1L不锈钢湿热反应器。实验流程如图1所示。 


1—湿热处理装置；2—离心脱水机；3—油水分离器；4—干燥装置；5—储油槽；6—储水槽 
图1餐厨垃圾湿热处理实验流程简图 
1.3实验步骤 
在每次实验开始之前，必须用二次去离子水将湿热反应器洗3遍，之后加入待处理的餐厨垃圾样品600g于反应器中，加盖密封，加热到规定温度，作为零点开始计时，保温达到规定时间，卸压，取样。所取样品一部分进行离心脱水，得油水混合物，测定pH值和液相指标，离心脱水后的固体进行真空干燥，测定固相指标；另一部分湿热处理后样品直接进行真空干燥，测定样品总指标。各指标测定方法见表1。 
表1各指标测定方法 


1.4实验方案 
1)工艺实验方案 
本试验采用密闭反应器，有水存在，反应器内的压力为该温度下水的饱和蒸汽压，所以压力和温度可作为一个因素来进行探讨。以温度(H)、加热时间(t)、加水率(加水率与垃圾重量百分比)为影响参数，按U24(63)均匀设计表进行试验，因素、水平安排见表2，具体试验安排见表3所示。 
表2因素、水平安排表 


2)机理实验方案 
为了进一步研究各因素对餐厨垃圾湿热反应的影响机理，根据工艺实验结果及工艺传热要求，确定机理实验方案如下：固定加水率为50%，温度选取100、120、140、160、180℃共5个水平，加热时间选取20、40、60、80、100min共5个水平作完全试验，分析不同温度、不同加热时间的湿热反应产物的pH值、SCOD、还原糖含量、总能、有机质含量、持水率的变化，探讨温度、加热时间的影响规律。 
2结果与讨论 
2.1最佳工艺参数组合的确定 
均匀设计工艺实验数据见表3。 
表3U24(63)均匀设计工艺实验数据表 


数据表明，在均匀设计实验条件下，120℃、加热80min、加水30%时，还原糖含量、有机质含量、总能均为最高值，说明此时产物的营养价值最高。 
2.2因素影响显著性分析 由表4可见，各因素对处理产物还原糖含量、有机质含量的影响显著性从高到低的顺序为：温度、加热时间、加水率。对总能影响较显著的因素为加水率和温度。 
2.3湿热反应中水的行为研究 
在湿热反应中水分主要起两方面的作用：一是为各物质的化学反应提供溶液环境；二是加快传质、传热速度。表3数据表明，湿热反应中加水率大于30%时，对有机物的化学反应有利。变化垃圾加水率，做加热曲线如图2。曲线斜率即为该时刻加热速度，对比不同加水率的加热曲线斜率发现：初期，加水率增加，加热速度加快；当加水率大于50%之后，加热速度不再有明显提高，所以加水率以50%为宜。 


图2不同加水率条件下餐厨垃圾的加热曲线 
2.4温度和加热时间对产物pH值的影响 
湿热处理产物的pH值变化表征产物中有机酸含量的变化。如图3所示，随着温度的升高，pH值呈大体下降趋势，说明温度上升有利于油脂、蛋白质等物质水解产生有机酸[2]。初期，随着温度的升高，不同加热时间处理产物pH值呈现为不同的变化规律，此时各种有机物热水解反应的程度不同，产生的有机酸的量呈现不同的变化规律。温度高于160℃时，不同加热时间的pH值变化趋势基本相似，说明此时，加热时间对生成有机酸的影响不再明显。 


图3产物pH值随温度的变化 
2.5温度和加热时间对产物SCOD的影响 
产物SCOD表征产物中溶解性有机物的浓度。动植物对有机物的吸收以溶解态为主，SCOD的变化可表征产物的消化性能[3]。实验中湿热处理产物的SCOD随温度和加热时间的变化见图4。随着温度的升高和加热时间的延长，SCOD大体呈上升趋势。这是由两方面原因造成的：一方面，随着温度的升高，部分有机物的溶解度、液化程度升高；另一方面，大分子微溶性淀粉、蛋白质、脂肪等会水解为小分子可溶性还原糖、氨基酸、脂肪酸等[4]，这种转化有利于动植物的吸收和消化。 
2.6温度和加热时间对产物还原糖含量的影响 
处理产物中的还原糖主要来自垃圾中碳水化合 

图4产物SCOD随温度变化曲线 
物的水解，它包括单糖、二糖和低聚糖等。动物体不能直接吸收多糖，碳水化合物必须水解为单糖才能被转移到动物体液中去，故产物中的还原糖含量对产物饲料化极为重要。产物还原糖含量随温度的变化见图5。加热初期，垃圾中的碳水化合物液化水解使还原糖含量增加，当温度高于140℃、加热超过40min时，还原糖含量开始下降，主要是由于还原糖参与了一系列化学反应而生成其他类物质。其中比较重要的是还原糖与氨基酸之间的Maillard反应。开链形式的还原糖的羰基碳遭受氨基氮上孤对电子的亲核进攻，失去水和闭环形成具有香味的物质——葡基胺，还原糖含量降低，而且氨基酸有所损失，造成营养价值降低[2，5，6]。故为了防止湿热过程中营养价值的降低，反应温度应控制在140℃以下。 

图5还原糖含量随加热时间变化曲线 
2.7温度和加热时间对产物营养的影响 
有机质含量是表征有机肥料持久性肥力的重要指标，总能是表征饲料营养价值的重要指标之一。本实验产物的有机质含量和产物总能随加热时间的变化见图6、图7。产物中有机质含量始终保持在86%以上，且随温度和加热时间变化不显著。产物总能变化幅度也不大，基本保持在20～30MJ/kg。综上所述，通过湿热处理，虽然部分有机物水解进入液相或气相而损失，但对产物总体营养价值影响不显著。 

图6产物有机质含量随加热时间变化曲线 

图7产物总能随加热时间变化曲线 
2.8温度和加热时间对产物持水率的影响 
对于固体物质，持水率是指将固体浸入水中24h后，其增重与其干重的百分比。总水量一定，固相持水率越低，游离水量越高，脱水性能越好。产物持水率随加热时间变化曲线见图8。加热初期，由于餐厨垃圾中的淀粉颗粒不断吸水膨胀，固相持水率上升，产物脱水性能变差。继续加热，持水率开始下降，脱水性能增强。不同温度条件下产物持水率开始下降的时间不同，温度越高，下降越早。例如180℃条件下，加热20min后产物持水率开始下降；而100℃条件下，在加热40min后持水率才开始下降。 3结论 
1)以产物的营养价值和传热效果为评价指标，餐厨垃圾湿热工艺适宜的工艺参数为：温度120℃、加热时间80min、加水率50%。 
2)各因素对餐厨垃圾湿热处理产物的pH值、SCOD、还原糖含量、有机质含量的影响显著性从高到低的顺序为：温度、加热时间、加水率。对总能影响较显著的因素为加水率和温度。 
3)随着温度的升高和加热时间的延长，垃圾中蛋白质、脂类水解产生有机酸，造成产物的pH值呈下降趋势；部分有机物溶解、液化，造成可溶性有机物含量增多；因垃圾中的碳水化合物液化、水解，与原垃圾相比，产物还原糖含量有所升高；有机质、总能等营养指标变化不显著；持水率呈下降趋势，说明湿热处理一定程度上可增强产物脱水性能。 
参考文献　(References) 
[ 1 ] ThereseM. Research competencies in the dietetics curricula[J ]. J ournal of the A m erican D ietetic A ssociation, 1997,97 (Supp l 2) : 102 106. 
[ 2 ] Henle T. M aillard reactions of food p ro teins: Chem ical,nut ritional and functional aspects [J ]. Nahrung-Food ,2001, 45 (3) : 149 149. 
[ 3 ] 王治军, 王伟, 夏州, 等. 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. 
WAN G Zh ijun, WAN GW ei, X IA Zhou, et al. Experimentalstudy on thermal hydro lysis and anaerobic digest ion of sewage sludge [J ]. Ch ina W ater and W astew ater, 2003,19 (9) : 1 4. ( in Chinese) 
[ 4 ] Shanableh A , Joma S. P roduction and transfo rmation of vo latile fatty acids from sludge subjected to hydro thermaltreatment [J ]. W ater S cience and T echnolog y , 2001,44 (10) : 129 135. 
[ 5 ] SlotM. Conditions of themaillard react ion: Modelling of the process [J ]. Inz y nieria Chem icz nai P rocesow a, 1997,18 (1) : 71 82. 
[ 6 ] M artins S, Jongen W M F, van Boekel M. A review of maillard reaction in food imp lications to k ineticmodeling [J ].T rend s in F ood S ci T echnol, 2000, 11 (9 10) : 364 373.