餐廚垃圾處理技術現狀與發展

伍建軍 梁燦欽 林錦權

(1.東莞市環境科學研究所，廣東東莞 523009;2.東莞市機動車排氣污染監督管理所，廣東東莞 523009)

餐廚垃圾是指居民日常生活以及食品加工、飲食服務、單位供餐等活動中產生的剩飯剩菜等垃圾和廢棄食用油脂，餐廚垃圾不僅來自大型食堂、餐飲酒店等相對集中源，而且還來源于千萬家庭，其產生量巨大，按月產生系數為1噸/萬人估算，全國13.4億人口，餐廚垃圾月產生量預計達到13.4萬噸。如果不加處理，餐廚垃圾極易變質、腐爛、發酵，滋生蚊蠅，產生大量毒素及散發惡臭氣體，從而污染水體和大氣。

餐廚垃圾作為城市有機生活垃圾的主要成分［1］，因其高水分、高油脂、高鹽分以及易腐發臭、易生物降解等特點［2］，不宜直接填埋和焚燒。當前餐廚垃圾處理主要以資源化為導向，經多年的探索和發展，出現了飼料化、好氧堆肥化和厭氧發酵能源化等技術工藝。本文對餐廚垃圾處理工藝的研究進展進行了綜述，分析了各種技術存在的優缺點，并就當前技術存在的短板，提出了今后改進和發展的方向。

1 餐廚垃圾飼料化

餐廚垃圾飼料化是目前國內常用的處理方法之一。餐廚垃圾飼料化有物理和生物兩種途徑:①物理途徑——直接將廚余垃圾脫水后進行干燥消毒，粉碎后制成飼料;②生物途徑——利用微生物菌體將廚余垃圾進行發酵，并通過微生物不斷地生長繁殖和新陳代謝，使發酵體積累有用的菌體、酶和中間體，而后將這些發酵體烘干后制成蛋白飼料。

針對餐廚垃圾飼料化的工序，研究人員開展了不同方向的研究，其中，以生物學研究內容居多，如龔仁等［3］對熱帶假絲酵母、黑曲霉、枯草芽孢桿菌、解脂假絲酵母在經處理后的餐廚垃圾上混合發酵進行了研究，在最佳試驗工藝條件下，所得生物蛋白飼料粗蛋白、粗脂肪、灰分、粗纖維、水分含量分別為28.57%、2.16%、1.27%、2.09%、15.73%，且有酒香味，適口性好。而王孝強等人［4］探討了餐廚垃圾乳酸發酵殘渣制取飼料蛋白的可行性，Plack-ett-Burman試驗研究表明，殘渣中殘留的乳酸菌和乳酸鹽對酵母發酵無影響，影響殘渣酵母發酵的因素是酸性環境，酵母發酵前發酵底物無須滅菌。尿素最佳添加量為2.5%，最佳條件下發酵飼料中的真蛋白含量可高達31.1%，與餐廚垃圾乳酸發酵殘渣中真蛋白含量 (14.7%)相比，提高了1倍。

餐廚垃圾飼料化屬于較為成熟的工藝，但由于餐廚垃圾除了含有豐富營養外，還有很多如牙簽、紙巾、砂礫、鐵絲、牙簽、塑料等雜質，以及影響飼料品質的油分、鹽分等成分，因此如何提高飼料質量是餐廚垃圾飼料化的關鍵。針對上述問題，筆者建議:一是將餐廚垃圾進行源頭精確分類，禁止牙簽、紙巾、砂礫、鐵絲、牙簽、塑料等雜質混入餐廚垃圾中，但這涉及到人的行為習慣和個人修養問題，需要持續宣傳和實踐;二是開發餐廚垃圾油水分離裝置，高效去除餐廚垃圾油分，并實行油分的資源化;而鹽分問題，一方面可以采用水沖洗的方式，使餐廚垃圾淡化，亦可以只將餐廚垃圾飼料產品作為普通飼料的添加劑使用，但此舉的市場消納量有限。

然而，餐廚垃圾飼料化雖然工藝簡單、產品附加值高，并深受國內環保公司的青睞。但由于存在“霉菌毒素、同源病毒”等風險問題［5］，西方部分國家曾頒布法律禁止將餐廚垃圾用作飼料。鑒于安全方面考慮，本著緩解和降低風險的目的，國內也亟需出臺餐廚垃圾飼料化工藝的規范和標準。

2 餐廚垃圾堆肥化

餐廚垃圾堆肥化也是一個微生物的轉化過程，即利用微生物對餐廚垃圾中的有機質實現降解的過程，最終生成穩定的富含腐殖質的有機肥料。從養分分析，餐廚垃圾含有較高的有機質、低碳氮比，是一種極易降解腐熟的物料。但餐廚垃圾堆肥也受到物料自身特性的影響，體現為含水率高、容重高、鹽分高 (即“三高”)的特點?；凇叭摺碧攸c，科學家們對餐廚垃圾堆肥工藝進行了許多有針對性的優化研究。

調理劑及物料配比方面，鄒德勛等［6］分別使用玉米秸稈與菌糠作為餐廚垃圾的堆肥調理劑，進行堆肥1次發酵對比試驗，研究表明，菌糠是一種優于玉米秸稈的良好調理劑，餐廚垃圾與菌糠混合堆肥時升溫速度快、高溫期持續時間長，混合堆料在堆肥過程中散發臭氣較少，1次堆肥處理后發芽指數較高 (55.6%)，基本實現腐熟。謝煒平等［7］利用自制好氧消化反應裝置對3組不同初始含水率的物料進行了小規模模擬試驗，試驗表明，物料配比m餐廚垃圾/m鋸末粉=3∶1(即含水率約為55%)時為最佳值，最佳條件下，物料水溶性C/N最終可降至7.19，接近腐熟程度，而且最終含水率均可降至25%左右。通風量方面，孟瀟等［8］探討了通風量對餐廚垃圾好氧堆肥的影響，研究表明，通風量對堆料溫度和含水率的影響比較明顯，堆肥初期以2 L/min、高溫階段后以4 L/min為適宜通風量。綜合因素方面，任連海等［9］選用3組臥式反應器進行了4因素3水平完全和正交堆肥試驗，研究表明，環境溫度、通風量、初始含水率和填料量等不同影響因素對餐廚垃圾好氧堆肥過程均具有顯著影響，其顯著性順序表現為含水率＞環境溫度＞填料量＞通風量。

此外，在除鹽分方面，梁彥杰等［10］利用水洗方式對餐廚垃圾進行堆肥預處理研究，試驗表明，除鹽最佳工藝條件為溫度25℃ ，攪拌時間10 min。m(水)/m(餐廚垃圾=2，餐廚垃圾堆肥含鹽率可由(1.8±0.02)%降至(0.57±0.05)%;離心脫水最佳工藝條件為脫水時間6 min，離心速度4 000 r/min，餐廚垃圾含水率由95.10%降至72.86%。以上證明了餐廚垃圾水洗去油脫鹽可行，但也存在產生大量廢水的不足。

餐廚垃圾堆肥技術發展到現在已經較為成熟，但由于油分、鹽分及其他雜質成分在餐廚垃圾堆肥產品中的殘留，導致堆肥產品的利用價值降低，對作物甚至土壤存在不同程度的負面影響，從而也間接影響到堆肥產品的出路。因此，如何提高餐廚垃圾堆肥品質，如何培育堆肥產品綠色利用市場，以及明確產品消化途徑和消化主體是當前迫切需要解決的問題。然而，結合當前技術和管理發展趨勢，筆者認為技術上應該能夠做到逐步提高餐廚垃圾堆肥產品的質量，至于產品的出路，在前期階段還是應依賴政府的推動甚至需要財政的補貼，到后期逐步實現各方利益的平衡，形成一個健康的綠色產品市場。

3 餐廚垃圾厭氧發酵

餐廚垃圾的厭氧發酵是密閉厭氧的條件下，利用厭氧微生物將餐廚垃圾有機部分降解，其中一部分碳元素物質轉換為甲烷和二氧化碳。與其它技術相比，餐廚厭氧發酵技術優勢明顯，該處理反應不受供氧限制，機械能損失少;可以產生具有利用價值的甲烷，發酵后沼液、沼渣可以利用;反應在密閉容器中進行，不易產生臭氣等污染物，對環境影響較小。

餐廚垃圾的厭氧發酵由傳統而簡單的沼氣池發展起來，經過多年的改進和摸索，目前發展成為兩大塊主流技術:一是高自動化程度的集成化餐廚垃圾處理技術;另一個是餐廚垃圾厭氧發酵制氫高新技術。

3.1 厭氧產甲烷

目前，國內外關于厭氧發酵產氣研究的文獻報道屢見不鮮，研究者主要從物料配比、接種、預處理、鹽度等因子對厭氧產甲烷的影響進行了深入的研究和探討。

不同物料產氣方面，Jae Kyong Cho等人［11］研究發現熟肉食品、纖維素 (對照)、熟米飯、蔬菜、混合餐廚垃圾的沼氣產率分別為482 mL/g、356 mL/g、294 mL/g、277 mL/g、472 mL/g，碳素甲烷轉化率分別為82%、92%、72%、73%、86%。酸化相TS降解率達到87% ～90%，VS的甲烷轉化率達到90%。Wang等人［12］在體積為2.2 L的容器內進行餐廚垃圾的厭氧產氣試驗，產生的滲濾液回流入反應容器，接種物為餐廚垃圾的厭氧降解殘留物。研究發現在接種物用量為30%，pH調節為中性時，試驗未能達到甲烷化階段，而接種物為70%時，甲烷產率為300.7 mg/L干物質。厭氧接種方面，馬磊等人［13］研究了6種不同接種量對餐廚垃圾高溫厭氧消化的影響，結果表明，添加接種物不僅可以提高消化系統的緩沖能力，而且縮短系統產甲烷細菌的積累周期，有利于產氣高峰提前，同時對餐廚垃圾的降解有一定的促進作用。其中，在消化物總量600 g條件下，480 g餐廚垃圾接種120 g接種物產氣效果最佳。工藝創新方面，清華大學徐衣顯等［14］人應用連續半干式厭氧消化技術對餐廚垃圾進行了實驗室規模的快速啟動試驗。研究表明，反應器啟動29 d以后，系統pH穩定在6.9～7.6，平均產氣速率18.0 L/d，反應器啟動55 d以后，平均產氣速率為18.9 L/d，平均產氣效率973.2 mL/g(以VS計)，反應器有機負荷率達到3.0 g/(L·d)。

鹽分控制及過程優化方面，彭緒亞等［15］對高鹽分餐廚垃圾濕式厭氧發酵進行了研究，試驗表明，發酵液鹽分濃度不斷累積，由最初的0.084%增長至0.69%，并且還在繼續增加;進料有機負荷控制在3 kg/(m3·d)時，反應器運行良好，發酵液COD穩定在2 620 mg/L左右，VFA濃度保持在880 mg/L以下，產氣量81 L/d，甲烷含量60%左右。從而摸索出了一套適合高鹽分餐廚垃圾的濕式厭氧消化工藝。馬磊等人［16］研究了礦物材料預處理對餐廚垃圾高溫厭氧消化過程的影響，結果表明，在同等條件下，添加礦物材料可以有效促進餐廚垃圾的水解，其中輕燒MgO有效地緩解了餐廚垃圾由于酸化引起的pH值下降，使產氣高峰期較早來到;而在總產氣量上添加白云石粉的促進作用顯著，膨潤土次之，說明添加礦物材料降低了消化液中鈉離子的濃度，可減輕對產甲烷細菌的抑制作用。

厭氧發酵產沼氣是一項較為成熟的技術，可以將餐廚垃圾轉化為能源，沼渣沼液可以肥料化利用，而且目前開發的工藝裝備自動化水平高，但也存在工藝流程長，配套設施多，投資成本高等現實的制約因素。從未來發展考慮，需要在技術設備的優化組合，高度集成方面下苦功夫，總體上，餐廚垃圾厭氧發酵產沼氣是未來重點發展和投資的方向之一。

3.2 厭氧制氫氣

隨著對厭氧發酵的深入研究，科研人員不滿足于現狀，轉而對厭氧發酵的中間產物——氫氣日益引起了他們的關注，有文獻報道表明，接種物、基質種類、pH值、反應溫度等因素對厭氧制氫均有顯著的影響。

Sang-Hyoun Kim等人［17］研究了餐廚垃圾與污泥的聯合厭氧消化。試驗研究發現餐廚垃圾產氫潛力明顯優于污泥，兩者的比產氫指數分別為121.6 mL/g，32.6 mL/g，餐廚垃圾與污泥的用量比為87%:13%，VS濃度3%時，達到最大比產氣指數122.9 mL/g。

同濟大學研究人員分別開展了溫度和污泥接種［18－19］對餐廚垃圾厭氧發酵產氫的影響。結果表明，接種厭氧污泥在未經高溫馴化 (50℃)時直接進行高溫厭氧發酵產氫，產氫效果不佳。中溫 (35℃)馴化1 d后進行產氫實驗，與在室溫 (25℃)條件下所獲氫氣產率無明顯差別。但中溫條件下體系的反應速率較室溫更快，二者根據Gompertz方程得到的產氫速率分別為每克VS15.6 mL/h和4.8 mL/h，同時反應的停滯時間比室溫條件下縮短了9.7 h.餐廚垃圾產氫前后液相指標監測結果表明，酸化過程是反應的限速步驟而非水解過程，因此，餐廚垃圾厭氧發酵產氫過程應控制在中溫 (35℃)下進行比較合理。此外，在不同污泥接種試驗發現，在不添加緩沖劑時，不同污泥接種餐廚垃圾厭氧發酵平均產氫量依次為厭氧污泥＞河底淤泥 ＞壓濾污泥 ＞曝氣污泥，接種厭氧污泥的餐廚垃圾平均產氫量最高，達10.11 mL(以每克揮發性固體 (VS)計);而添加緩沖劑時，4種污泥接種餐廚垃圾厭氧發酵平均產氫量依次為厭氧污泥＞曝氣污泥＞壓濾污泥＞河底淤泥，接種厭氧污泥的餐廚垃圾平均產氫量也最高，為33.72 mL，且體系pH得以緩沖。

厭氧制氫是從厭氧產沼氣衍生發展而來，目前只處于理論階段，實際上，制氫氣只是產沼氣的一個環節，沼氣本身就含少量氫氣，因此，基于氫氣是清潔能源，無污染的能源，科學家們就提出厭氧制氫的概念，厭氧制氫氣不是百分之百的產氫氣，而是，在原來產沼氣的基礎上，通過調控工藝條件和過程，實現氫氣產率的最大化。雖然如此，產氫氣也是未來發展的一個方向，通過增加產氫氣單元，有利于餐廚垃圾的高值化利用，餐廚垃圾高效產氫在能源短缺的今天顯得尤為重要。

4 結語

餐廚垃圾處理方法各有特點，也各有短板，如何揚長避短，發揮技術的優勢是今后推進技術發展與應用的關鍵。未來發展需要解決包括源頭減量和純化、副產品出路、技術進一步完善和集成等重要問題。那么，解決這些問題的總體措施就需要從宣傳著手，告別不良飲食習慣，持續灌輸餐廚垃圾源頭細分類的方法;提倡采用多元的處理工藝和模式，把餐廚垃圾加工成附加值高的不同副產品，實現餐廚垃圾多樣化處理同時，也減少了副產品的市場風險。在技術層面，應在前期研究的基礎上，以改良傳統工藝為主，結合我國實際，加強厭氧制沼氣和好氧堆肥技術 (包括菌種的分離和馴化、菌種活性、效率、穩定性和抗逆性的提高等方面)的基礎研究，繼續加大對餐廚垃圾大型沼氣和堆肥工程方面的研發力度，加強與國內外同行專家的交流及合作，研發一批低成本、低運行費，安全可靠、自動化水平高的，具有自主知識產權的餐廚垃圾處理工藝及成套設備。

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