我國餐廚廢油的產(chǎn)生現(xiàn)狀、危害及資源化技術(shù)

任連海

(北京工商大學(xué)食品學(xué)院，北京 100048)

我國餐廚廢油的產(chǎn)生現(xiàn)狀、危害及資源化技術(shù)

任連海

(北京工商大學(xué)食品學(xué)院，北京 100048)

餐廚廢油包括煎炸廢油、泔水油和地溝油等源自于餐飲業(yè)的廢油脂，成分主要是烹調(diào)用植物油和食品中動物油脂，化學(xué)組成主要為脂肪酸甘油酯.煎炸廢油來自于餐飲業(yè)的煎炸工序，由于反復(fù)高溫煎炸，容易產(chǎn)生具有致癌作用的脂肪酸類聚合物，這類廢油產(chǎn)生源相對集中，容易收集.泔水油主要是指從餐廚垃圾中分離回收的廢油，這類廢油是植物油和動物油的混合物，主要來自餐廚垃圾處理廠，容易收集和集中管理.地溝油是從下水道或飯店隔油池中獲取的廢油脂.地溝油中含有大量污水中的飄浮物、飯店沖洗碗筷使用的表面活性劑等，并極易酸敗變質(zhì)、滋生霉菌，產(chǎn)生致癌物，這類廢油在3種廢油中衛(wèi)生狀況最差，一般由小商販私下收集后賣給加工商.

餐廚廢油具有鮮明的廢物和資源的二重性，需要進行無害化處理和資源利用.在目前管理體系相對不完善的形勢下，由于利益驅(qū)使，餐廚廢油極易被不法商販加工為食用油重新回到居民餐桌，嚴重威脅居民健康.因此，在充分研究我國餐廚廢油產(chǎn)生現(xiàn)狀及其環(huán)境風(fēng)險和健康風(fēng)險的基礎(chǔ)上，通過法律手段、行政手段、經(jīng)濟手段相結(jié)合，正確引導(dǎo)餐廚廢油物流路徑，控制廢油出口，并采用合理可行的工藝技術(shù)，將餐廚廢油深加工為高附加值的化工原料，從而消除環(huán)境污染，實現(xiàn)資源利用，對于保障人民身體健康，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟具有重要意義.

1 我國餐廚廢油產(chǎn)生現(xiàn)狀

改革開放以來，我國國民經(jīng)濟長足進步，城市人口迅速增長，人民生活水準不斷提高，城市餐飲業(yè)日益繁榮，使餐廚廢油的產(chǎn)生量空前增長.

研究表明，餐廚廢油的產(chǎn)生量約為餐廚垃圾產(chǎn)生量的10%～20%，不同經(jīng)濟水平和餐飲習(xí)慣的地區(qū)略有區(qū)別.2009年我國城市住宿與餐飲業(yè)零售額達到17 998億元，其中餐飲業(yè)約12 598億元，而且平均每年以20.8%的速度增長.這筆消費中，約20%～30%為餐廚垃圾和餐廚廢油付了帳.以城市人口平均每人每天產(chǎn)生餐廚垃圾0.1 kg計算，2009年末全國城鎮(zhèn)人口6.22億，加之外來人口，城鎮(zhèn)人口可達約8.1億，則全國城鎮(zhèn)年產(chǎn)餐廚垃圾3 000多萬噸，餐廚廢油300多萬噸.目前，北京市每天產(chǎn)生的餐廚垃圾約2 500噸，泔水油約300噸，其中地溝油約150噸，煎炸廢油和泔水油共約150噸.蘇州市1 000多家大型飯店餐廳及1 000多家企、事業(yè)食堂，每天餐廚垃圾產(chǎn)生量400噸以上，餐廚廢油約60噸，其中地溝油約30噸，煎炸廢油約15噸，泔水油約15噸.

在江蘇省蘇州市吳中區(qū)取樣對3種餐廚廢油成分進行測定，部分指標平均值如表1.

表1 餐廚廢油部分指標Tab.1 Property of waste cooking oil

2 餐廚廢油的危害

餐廚廢油主要組成元素為C、H和O，屬于大分子疏水性有機物.由于經(jīng)過反復(fù)高溫煎炸，油脂中的小分子營養(yǎng)物大部分已揮發(fā)或聚合成大分子熱穩(wěn)定性物質(zhì)，可生化性能較低，且含有一定量的苯并芘等致癌物，進入環(huán)境或被人體攝入，將造成嚴重的環(huán)境污染和健康威脅.具體表現(xiàn)在幾個方面:1)污染水體.餐廚廢油是重要的營養(yǎng)性水體污染物之一，進入水體會造成水質(zhì)惡化和富營養(yǎng)化，并使污水處理廠生物處理單元處理效率顯著降低.2)散發(fā)臭氣.餐廚廢油，尤其是地溝油，在空氣中曝露時間很長，發(fā)生氧化酸敗，散發(fā)揮發(fā)性脂肪酸類惡臭氣體，嚴重影響環(huán)境，是引發(fā)公眾強烈反應(yīng)的主要原因之一.3)造成食品安全問題.由于餐廚廢油容易氧化酸敗變質(zhì)，產(chǎn)生大量毒素.在物流過程中容易混入有毒有害物質(zhì)，滋生黃曲霉等細菌，產(chǎn)生具有強致癌作用的黃曲霉素等，一旦處理不當，重新進入食品鏈，將會嚴重影響人類健康，甚至可能造成重大食品安全事故.

3 餐廚廢油資源化技術(shù)現(xiàn)狀分析

目前，國內(nèi)外關(guān)于餐廚廢油資源化處理技術(shù)的報道較多，主要包括利用餐廚廢油作為化工原料生產(chǎn)生物柴油、硬脂酸和油酸、肥皂、潤滑油、混凝土制品脫模劑等產(chǎn)品的工藝技術(shù)，這些技術(shù)在實際中均有應(yīng)用，并取得了一定的效果.

3.1 生物柴油生產(chǎn)技術(shù)

利用餐廚廢油脂生產(chǎn)生物柴油，常用的生產(chǎn)方法為預(yù)酯化－二步酯交換－酯蒸餾工藝.其流程為:經(jīng)預(yù)處理的油脂與甲醇一起，加入硫酸作催化劑，在60℃常壓下進行酯交換反應(yīng)，生成脂肪酸甲酯(即生物柴油).由于化學(xué)平衡的關(guān)系，在一步法中油脂到甲酯的轉(zhuǎn)化率僅達到96%.為超脫這種化學(xué)平衡，通常采用二步反應(yīng)，即通過一個特殊設(shè)計的分離器連續(xù)地除去初反應(yīng)中生成的甘油，使酯交換反應(yīng)繼續(xù)進行，可獲得高達99%以上的轉(zhuǎn)化率.第二步，加入少量NaOH進行中和，去除多余的酸.由于堿催化劑的作用生成了肥皂、色素和其他雜質(zhì)混合在少量的肥皂中，產(chǎn)生深棕色的分離層，在分離操作時將其從酯層分離掉［1］.通過這種精制作用可以高轉(zhuǎn)化率獲得淺色的脂肪酸甲酯.這里面最重要的一步反應(yīng)是酯交換，反應(yīng)式為:

3.2 硬脂酸和油酸生產(chǎn)工藝

餐飲廢油中含有大量硬脂酸和油酸，經(jīng)工業(yè)提取分離后應(yīng)用于日用化工、紡織、醫(yī)藥、化學(xué)、建材、食品等行業(yè)中［2］.其生產(chǎn)工藝主要是通過對油脂水解后，分離出各種脂肪酸(主要為硬脂酸、油酸).其中油脂水解的方式大致分為常壓下皂化分離和高壓酸化分離2種類型，混合脂肪酸的分離方式大致分為冷凍壓榨法、表面活性劑法、精餾法等［3］.這幾種方法雖然工藝成熟，但生產(chǎn)條件設(shè)備投資要求都較高，生產(chǎn)周期長，有一定污染，產(chǎn)品質(zhì)量差，未見推廣生產(chǎn).郭濤等人借鑒上述經(jīng)驗，探索出一套在常溫常壓下能同時生產(chǎn)硬脂酸和油酸的工藝［4］，如圖1.其中，脫色過程中，白土最好分3次加入，溫度控制在120℃為宜，時間不超過25 min.皂化過程中，皂化溫度保持在100℃，皂化時間為4 h，且氫氧化鈉質(zhì)量分數(shù)為8%時效果較佳.混合脂肪酸精制中pH值為8時，Pb(OH)2沉淀相對較少，最終硬脂酸純度達到83%.其特點是油酸分離比較徹底，避免了常規(guī)工藝中利用熔點不同分離不徹底的弊端，產(chǎn)品品質(zhì)較好.

3.3 肥皂和洗衣粉生產(chǎn)工藝

油脂的堿性水解稱作皂化.使用過量的堿，油脂可以完全水解并轉(zhuǎn)化成脂肪酸鹽和甘油［5］.皂化反應(yīng)是不可逆反應(yīng)，其反應(yīng)方程式如下.式中:R1、R2、R3分別代表3個碳原子數(shù)相同或者不同的烴基.

圖1 利用餐廚廢油生產(chǎn)硬脂酸和油酸工藝流程Fig.1 Produce process of stearic acid and oleic acid using waster edible oil

皂化方法有2種:一種為均相皂化，另一種為非均相皂化.均相皂化是先將廢油脂溶解于適當?shù)娜軇┲?如乙醇)，形成均相溶液，然后在堿觸媒的作用下水浴進行皂化反應(yīng)，最后加入飽和食鹽水，使固體塊狀皂化物析出;非均相皂化是在維持廢油脂原形的條件下，直接在堿觸媒的作用下進行水浴皂化反應(yīng)，最后加入飽和食鹽水，析出皂化物［6］.采用均相皂化法，產(chǎn)物中溶劑的分離和回收較困難;采用非均相皂化法，皂化反應(yīng)速度慢，反應(yīng)時間較長，但能直接得到固體皂化物，且皂化物的分離、干燥比較容易，因此一般非均相皂化應(yīng)用較多.

常用的非均相皂化工藝為:將一定量的脫色廢油脂加入反應(yīng)器，水浴加熱至100℃時將質(zhì)量分數(shù)為30%的氫氧化鈉溶液分3次加入到廢油脂中［m(NaOH)∶m(廢油脂)=1∶2］，邊加入邊緩慢攪拌，使油脂與堿液充分接觸.在皂化反應(yīng)開始時先加入1/4的堿液，攪拌至油脂呈乳化狀態(tài)分散在堿液中，時間約1 h，此時皂化反應(yīng)加快，再加入2/4的堿液，反應(yīng)2 h后，加入剩余堿液.反應(yīng)過程中要不斷攪拌，并控制pH值在9～10.當皂?；蛟砟z形成后，鹽析2次，靜置沉淀1 d，排出底部的黑水.皂基逐漸凝固析出，取出干燥后，可壓制成不同形狀的肥皂或配制洗衣粉.

鄧琪等［7］研究表明，餐廚廢油脂的非均相皂化反應(yīng)時間越長，溫度越高，用堿量越大，廢油脂的皂化度越高.但皂化時間過長和堿用量過大會使皂化物顏色加深，產(chǎn)物膠化.皂化反應(yīng)的較佳條件是:反應(yīng)時間4 h，反應(yīng)溫度100℃，堿液用量(NaOH與廢油脂質(zhì)量比)為1∶2，皂化用NaOH濃度為30%.

3.4 潤滑油生產(chǎn)工藝

利用餐廚廢油作為原料生產(chǎn)潤滑油的工藝如圖2.通常分為5個步驟:1)將餐廚廢油、一定量的水、LiOH和基礎(chǔ)油加入反應(yīng)器進行皂化.皂化溫度為110～120℃.其間反應(yīng)體系隨著金屬皂的生成黏度增大，不斷補充基礎(chǔ)油，使體系的黏度下降，以便反應(yīng)能夠正常進行;2)反應(yīng)進行大約2.5～3 h，體系的黏度不再變化，說明皂化反應(yīng)完成，可以開始脫水;3)當體系由乳白色變?yōu)榈S色，體系中不再有沸騰的水泡，說明水已蒸干，此時加入剩余的基礎(chǔ)油;4)升溫到190～200℃，體系成為熔膠狀態(tài).停止加熱，進行冷卻;5)冷卻方式對潤滑脂的結(jié)構(gòu)和性能有很大的影響，冷卻方式宜采用自然冷卻(即慢冷).冷卻至室溫后，用三輥磨進行研磨細碎后，形成潤滑油產(chǎn)品.

圖2 潤滑脂的制備工藝Fig.2 Produce process of lubricating oil

劉偉等［8］研究發(fā)現(xiàn)，由餐飲業(yè)廢油脂替代硬脂酸生產(chǎn)制備金屬皂作為潤滑脂的稠化劑是可行的，所得產(chǎn)品的滴點與市售的潤滑脂滴點相近.在制備復(fù)合鋰基潤滑脂時，加入草酸復(fù)合劑對提高鋰基潤滑脂的滴點最有效果.癸二酸復(fù)合劑對鋰－鈣基潤滑脂的滴點提高效果最好.

3.5 混凝土制品脫模劑生產(chǎn)技術(shù)

建筑業(yè)澆筑混凝土及預(yù)制混凝土構(gòu)件生產(chǎn)時，混凝土灌注使用模板、模具，混凝土硬化后應(yīng)能順利脫模，為克服模板和混凝土之間的粘結(jié)力，保證混凝土表面光潔，無脫落、粘模現(xiàn)象，在模板或模具表面上常常涂刷一層脫模劑.長期以來，國內(nèi)主要采用機油、廢機油、乳化礦物油，以及皂液、皂化動植物油下腳料等作為脫模劑.礦物油類脫模劑的使用易造成礦物油進入環(huán)境，造成污染;皂類、高分子吸水樹脂型礦物脫模劑成膜后，耐水性較差，脫模效果受到影響;用餐飲業(yè)廢油脂脫模劑可使制造成本大大降低，直接使用油脂涂刷模具，常常造成油膜過厚，形成浪費，附著在模板上的油脂較黏，新混凝土結(jié)構(gòu)面層的氣泡一旦接觸到黏稠的油膜，即使合理的振搗氣泡也很難沿模板上升排出，直接導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)蜂窩麻面.采用添加乳化劑的方法，實現(xiàn)脫模劑的自乳化，即在使用前與水適當混合即可成為相對穩(wěn)定的乳化液.乳化液涂刷模具可形成較薄的油膜從而實現(xiàn)節(jié)約，并能克服混凝土表面缺陷，因此研制環(huán)保高效混凝土制品脫模劑十分必要.王益民等［9］研究發(fā)現(xiàn)，常壓反應(yīng)釜加入白油精制的下腳料(主要成分是石油磺酸)，升溫至80℃，加石灰乳中和，反應(yīng)20 min，加入少量脂肪醇聚乙烯醚，攪拌15 min，即得乳化劑.將乳化劑按6% 比例與餐飲業(yè)廢油脂混合，即成為淺棕色透明油狀產(chǎn)品.使用時將其用水稀釋至8倍制成乳化液，即為混凝土制品脫模劑，該脫模劑穩(wěn)定性好，脫模性能好，對鋼模無銹蝕危害.

4 結(jié)論

我國餐廚廢油產(chǎn)生量大，具有嚴重的環(huán)境風(fēng)險和健康隱患.餐廚廢油具有鮮明的廢物和資源的二重性，需要進行無害化處理和資源化利用.目前國內(nèi)外餐廚廢油深加工技術(shù)較多，主要包括生產(chǎn)生物柴油技術(shù)、硬脂酸和油酸技術(shù)、肥皂或洗衣粉技術(shù)、潤滑油技術(shù)、混凝土制品脫模劑技術(shù)等.

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(責(zé)任編輯:葉紅波)

1671-1513(2011)06-0011-04

2011-11-05

環(huán)境保護部公益項目(201109035);北京市優(yōu)秀人才培養(yǎng)資助項目(2010D005003000004);中國城市典型固體廢棄物循環(huán)利用體系構(gòu)建及試點城市項目.

任連海，男，副教授，博士，主要從事固體廢棄物資源化處理技術(shù)方面的研究.