中國餐廚廢油的產(chǎn)生現(xiàn)狀與資源化技術(shù)分析
為了摸清中國餐廚廢油現(xiàn)狀，消除環(huán)境污染，保障人民飲食安全，通過跟蹤調(diào)查，研究了中國城市餐廚廢油的產(chǎn)生現(xiàn)狀、危害，并對目前現(xiàn)有餐廚廢油資源化技術(shù)進行了系統(tǒng)分析。分析結(jié)果表明，中國餐廚廢油產(chǎn)生量大面廣，容易造成較為嚴重的環(huán)境風險和健康威脅，F(xiàn)有餐廚廢油資源化技術(shù)主要包括生產(chǎn)生物柴油技術(shù)、生產(chǎn)硬脂酸和油酸技術(shù)、生產(chǎn)肥皂或洗衣粉技術(shù)、生產(chǎn)潤滑油技術(shù)、生產(chǎn)混凝土制品脫模劑技術(shù)等。
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，化學組成主要為脂肪酸甘油酯。其中，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，這類廢油在三種廢油中衛(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餐桌，嚴重威脅居民健康。尤其是在夏季大排檔和路邊攤等餐飲點存在較大監(jiān)管難度，摻加了廢油產(chǎn)品的食用油容易進入食物鏈。因此，在充分研究中國餐廚廢油產(chǎn)生現(xiàn)狀及其環(huán)境風險和健康風險的基礎(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，實行資源利用，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。
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中國餐廚廢油產(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)濟水平和餐飲習慣的地區(qū)略有區(qū)別。2006年我國全國城市餐飲業(yè)零售額超過1萬億元，2017年全國城市餐飲業(yè)零售額達到39643.7億元，而且平均每年以10.7%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0.1kg計算，2015年末全國城鎮(zhèn)人口7.21億，加之外來人口，增長約20%-40%，城鎮(zhèn)人口總計可達約9.3億，則全國城鎮(zhèn)年產(chǎn)餐廚垃圾4000多萬噸，餐廚廢油400多萬噸，加上肉聯(lián)廠下腳料及動物內(nèi)臟提煉的動物脂肪和廚房抽油煙機集油槽收集的廢油，餐廚廢油的產(chǎn)生量仍會增加10%左右。目前，北京市每天產(chǎn)生的餐廚垃圾約2500噸、餐廚廢油約300噸，其中地溝油約100噸、煎炸廢油和泔水油共約200噸。蘇州市1000多家大型飯店餐廳及1000多家企、事業(yè)食堂，每天餐廚垃圾產(chǎn)生量400t/d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)取樣對三種餐廚廢油成分進行測定，部分指標平均值如表1所示。
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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)在如下幾個方面：
01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。
02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。
03造成食品安全問題
由于餐廚廢油經(jīng)過反復(fù)高溫煎炸，容易生成苯并芘、反式脂肪酸等對人體有害的物質(zhì)，廢油在空氣中長期曝露，容易氧化酸敗，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。
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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。
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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,色素和其它雜質(zhì)混合在少量的肥皂中,產(chǎn)生一深棕色的分離層,在分離操作時將其從酯層分離掉。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)過程如圖1所示。
圖1廢油酯酯交換反應(yīng)過程
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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)提取分離后大量地應(yīng)用于日用化工、紡織、醫(yī)藥、化學、建材、食品等行業(yè)中。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。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如圖2所示。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25min。皂化過程中，皂化溫度保持在100℃，皂化時間為4h，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。
圖2利用餐廚廢油生產(chǎn)硬脂酸和油酸工藝流程
03
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)方程式如圖3所示。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3皂化反應(yīng)過程
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;而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。采用均相皂化法，產(chǎn)物中溶劑的分離和回收較困難;而采用非均相皂化法，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1h，此時皂化反應(yīng)加快，再加入2/4的堿液，反應(yīng)2h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。當皂粒或皂膠形成后，鹽析2次，靜置沉淀1d,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。
鄧琪等人研究表明，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4h，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%。
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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4所示。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粘度增大，不斷補充基礎(chǔ)油，使體系的粘度下降，以便反應(yīng)能夠正常進行;(2)反應(yīng)進行大約2.5～3h,體系的粘度不再變化，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)升溫倒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4潤滑脂的制備工藝
劉偉等人研究發(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。
05
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，F(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粘,新混凝土結(jié)構(gòu)面層的氣泡一旦接觸到粘稠的油膜,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。王益民等人研究發(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)20min,加入少量脂肪醇聚乙烯醚,攪拌15min,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，改脫模劑穩(wěn)定性好,脫模性能好,對鋼模無銹蝕危害。
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結(jié)論
(1)中國餐廚廢油產(chǎn)生量大面廣，具有較為嚴重的環(huán)境風險和健康隱患。
(2)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。
(3)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)、生產(chǎn)硬脂酸和油酸技術(shù)、生產(chǎn)肥皂或洗衣粉技術(shù)、生產(chǎn)潤滑油技術(shù)、生產(chǎn)混凝土制品脫模劑技術(shù)等。
作者簡介
任連海，男，河北滄州人，北京工商大學環(huán)境系教授，博士生導師，系主任。國家住建部環(huán)衛(wèi)標準專家技術(shù)委員會委員，中國城市環(huán)境衛(wèi)生協(xié)會餐廚垃圾專業(yè)委員會主任委員，中國國際咨詢工程公司資源與環(huán)境領(lǐng)域第二屆專家技術(shù)委員會委員，北京市污染場地修復(fù)專家評審委員會委員，北京市市容環(huán)境衛(wèi)生協(xié)會專家顧問，中國固廢網(wǎng)餐廚垃圾領(lǐng)域首席專家。
多年來一直致力于有機質(zhì)固體廢物的無害化與資源化處理技術(shù)研究，尤其是餐廚垃圾、廚余垃圾和餐廚廢油處理和處置技術(shù)領(lǐng)域，熟悉國內(nèi)外研究前沿、垃圾特點、處理處置技術(shù)及管理政策，具有較豐富的工程經(jīng)驗。目前已發(fā)表學術(shù)論文60余篇，出版學術(shù)著作6部，主持編制國家標準3項，主持國家級、省部級研究課題、企業(yè)合作項目40余項。
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