餐廚垃圾能源化研究進展

張 強，稽 冶，冀 偉

（長春理工大學生命科學技術學院，吉林 長春 130022）

餐廚垃圾，是指家庭、學校、食堂以及餐飲行業(yè)的食物廢料和殘余，是城市生活垃圾的重要組成部分。據(jù)報道，北京每天產生生活垃圾10000噸左右，其中剩飯剩菜等餐廚垃圾就達1600噸以上；上海150家左右飯店和近3萬家餐飲企業(yè)，每天產生的剩飯剩菜約 1300噸。餐廚垃圾不僅來自餐飲酒店、食堂等，還來自普通的家庭，按月產生 1噸/萬人估算，全國13.4 億人口每月將有13.4萬噸餐廚垃圾產生。由于餐廚垃圾水分和有機物含量較高，所以含有大量沙門氏菌、金黃色葡萄球菌等致病微生物，另外還會滋生蒼蠅、蚊子等害蟲，若不及時處理，還可能產生二英等有毒有害物質，危害人們的生活和環(huán)境[1-2]。

目前，餐廚垃圾在國內絕大多數(shù)城市存在著管理無序、任意處置等問題。大部分飯店、食堂等排放數(shù)量較大且較集中的餐廚垃圾往往被郊區(qū)的養(yǎng)豬戶等收集，導致垃圾豬和地溝油現(xiàn)象屢禁不止，嚴重威脅著消費者的食品安全和身體健康。

餐廚垃圾具有含水量高、有機物含量高、油脂含量高、營養(yǎng)元素豐富等特點，有很大的回收利用價值。利用餐廚垃圾作為原料生產能源，既可以獲得清潔能源，又能減少污染物排放，已經成為國內外餐廚垃圾處理利用的主要方向。本文主要對利用餐廚垃圾生產生物柴油、甲烷、氫氣以及燃料酒精的進展情況進行綜述。

1 餐廚垃圾組成

餐廚垃圾是一類高有機質、高含水率的資源型廢棄物，并且油脂含量遠遠高于其它有機垃圾，主要成分為米飯、蔬菜、肉類和骨頭。潘麗愛等[3]分析了吉林大學某餐廳餐廚垃圾的理化性質，該餐廚垃圾pH值為6.8，呈微酸性，其中水分、蛋白質、脂肪、糖類含量分別為73.03%、12.16%、6.23%、4.16%。馬鴻志等[4]對北京某食堂垃圾組成進行了測定，其中水分約占 83%，淀粉、蛋白質和脂肪含量分別為46.1%、15.6%和18.1%（干基含量）。另外餐廚垃圾的組成成分具有明顯的地域特性和時空差異，如韓國的餐廚垃圾鹽含量相對較高，一般為1%～3%。中國早、中、晚三餐所產生的餐廚垃圾在理化性質上也不同，早餐中餐廚垃圾總固體含量（TS），揮發(fā)性固體含量（VS），VS/TS比值和脂肪含量明顯低于午餐和晚餐的餐廚垃圾，而Na+，Ca2+和Cl?含量較高。

2 餐廚垃圾處理現(xiàn)狀

隨著城市人口增加和人民生活水平的不斷提高，餐廚垃圾產量也在逐年增長，由此而帶來的環(huán)境污染問題日益嚴重。目前國內外主要采用的處理方法有焚燒、填埋以及堆肥處理等[5]。

2.1 焚燒

目前，大多數(shù)垃圾管理不嚴格的地區(qū)，通常將餐廚垃圾與生活垃圾混在一起進行焚燒處理，這樣可使垃圾減量90%以上。而一些技術發(fā)達或垃圾管理嚴格的地區(qū)，往往會建立垃圾焚燒廠，通過垃圾焚燒產生的熱量進行發(fā)電。但由于餐廚垃圾含水量高，通常水分含量高達 90%左右，發(fā)熱量 2100～3100 kJ/kg。熱值較低，燃燒時需要添加輔助燃料。另外和其它垃圾一起進行焚燒，往往不能滿足垃圾焚燒發(fā)電的熱量要求，從而造成投資大，同時尾氣處理也是一個難題，焚燒過程會產生大量的有害氣體，造成環(huán)境污染[6]。

2.2 填埋

填埋處理是一種簡單而且普遍的垃圾處理方法，很適合填埋場氣體利用技術。但由于餐廚垃圾含水量較高，導致滲透液增多，造成處理成本升高。尤其混合排放的生活垃圾不僅難以進行分離和資源化利用，而且會造成二次環(huán)境污染，給填埋處理等帶來了很大困難和弊端，而且這種處理方式也會造成餐廚垃圾中營養(yǎng)物質大量損失，最終產生大量沼氣，沼氣對全球變暖的影響約為二氧化碳的25倍[7]。因此填埋處理不僅局限了垃圾資源的綜合回收利用，而且占用大量土地，污染環(huán)境。對餐廚垃圾實施源頭預處理是其資源化利用的重要保障。

目前隨著人們對餐廚垃圾利用逐步深入，垃圾填埋處理已經呈現(xiàn)出下降的趨勢，很多國家已經禁止餐廚垃圾進行填埋處理。

2.3 堆肥

堆肥是在人工控制的條件下，使有機固體廢物進行生物穩(wěn)定作用的過程。餐廚垃圾有機物含量高，營養(yǎng)豐富，碳氮比比較低，非常適用于作堆肥原料。但由于餐廚垃圾具有鹽分高、含水率高、容重高、的特點，科研人員對餐廚垃圾堆肥工藝進行了細致的研究。目前餐廚垃圾堆肥技術已經較為成熟，但由于油分、鹽分及其它雜質在餐廚垃圾堆肥產品中的殘留，導致肥料質量不高，另外對土壤也存在不同程度的負面影響[8]。

雖然國內一些城市相繼建立了餐廚垃圾堆肥處理廠，但堆肥過程中場地占用、除臭技術、污水排放等硬件條件和工藝技術都需要極大的經費投入，大大抬高了堆肥產品的成本。

縱觀目前餐廚垃圾處理現(xiàn)狀，一是由于國家缺乏規(guī)范化管理，餐廚垃圾與其它生活垃圾混合排放，阻礙了餐廚垃圾資源化處理的產業(yè)化進程。二是餐廚垃圾資源化處理技術比較落后，處理過程局限而單一。鑒于餐廚垃圾具有含水量高、有機物含量高、營養(yǎng)元素豐富等特點，利用餐廚垃圾作為原料獲取各種有效能源，將會成為未來國內外餐廚垃圾處理利用的主要方向[9]。

3 餐廚垃圾生產生物柴油

生物柴油是指利用動植物油脂為原料，通過酯交換反應生成的脂肪酸甲酯等低碳酯類物質，也稱為可再生燃油。生物柴油是含氧量極高的復雜有機成分的混合物，這些混合物主要是一些分子量大的有機物，幾乎包括所有種類的含氧有機物，如：醚、酯、醛、酮、酚、有機酸、醇等。現(xiàn)在生物柴油已經在一些發(fā)達國家成為了傳統(tǒng)柴油的有效補充，通過與傳統(tǒng)柴油混合，發(fā)揮著節(jié)約資源、降低污染物等積極作用。

利用餐廚垃圾生產生物柴油價格便宜，而且具有良好的環(huán)保性，使用過程中可使SO2的排放減少約30%，而溫室氣體CO2可減少60%左右[10]。據(jù)統(tǒng)計，每噸餐廚垃圾可以提煉出20～80 kg廢油脂，經過加工后可制成生物柴油。餐廚垃圾提煉垃圾油后，采用硫酸作為催化劑，與甲醇發(fā)生酯交換反應，經過靜置沉淀后，蒸發(fā)去除甲醇并干燥，即制得生物柴油成品[11]。工藝流程見圖1。

2007年清華大學和蘇州市潔凈廢植物油回收有限公司合作。采用濕熱水解技術和生物處理相結合工藝，在常壓條件下，利用專用的催化劑一步法生產生物柴油，使餐廚垃圾得到100%資源化利用，無二次污染。項目完全投產后，預計年產蛋白飼料添加劑4200噸，可節(jié)省耕地8400畝；年產生物柴油5200噸；年可利用沼氣發(fā)電140萬千瓦時；全年可減排污水2.15萬噸，減少COD排量約1000噸[12]。

青島天人公司承擔的“城市餐廚廢棄物資源化利用和無害化處理”項目，預計2012年完成后每年可處理餐廚垃圾超過15萬噸，生產生物柴油2000噸，減少溫室氣體排放超過10萬噸。

目前，利用餐廚垃圾生產生物柴油的方法還有超臨界甲醇法和生物酶法。超臨界甲醇法不需要使用催化劑，酯交換反應迅速，幾分鐘內即可完成，而且沒有副產物產生。生物酶法則是加入酶作為催化劑，反應效率高，對環(huán)境友好，無污染[13]。

生物柴油是一種優(yōu)質能源，可直接用于現(xiàn)有柴油機。生物柴油技術將成為餐廚垃圾處理發(fā)展的重要方向。但目前餐廚垃圾作為生物柴油的原料，統(tǒng)一收集遇到很大的困難，主要因為餐館、收運戶和餐廚垃圾加工點已形成一個完整的地下利益鏈，他們之間互惠互利，從而想盡各種辦法逃脫監(jiān)管，餐廚垃圾的收集已制約了其資源化的應用。另外，生物柴油雖然具有很大的經濟和環(huán)境效益，但仍需國家政策扶持，通過減稅或免稅才能使它與石化柴油競爭。

4 餐廚垃圾生產甲烷

餐廚垃圾的厭氧發(fā)酵是利用厭氧微生物將餐廚垃圾有機物降解，轉換為甲烷和二氧化碳。厭氧發(fā)酵在密閉容器中進行，反應不受供氧限制，而且不易產生臭氣等污染物，對環(huán)境友好。但多菌群、多層次的厭氧發(fā)酵過程構成了一個復雜的體系，反應影響因素較多。目前，國內外關于厭氧發(fā)酵產甲烷研究的報道很多，研究者主要從溫度、鹽度、物料配比、接種等因素對厭氧產甲烷的影響方面進行了廣泛深入的探討[14]，具體見表1。

餐廚垃圾厭氧產甲烷是一種切實可行的資源化和環(huán)保新技術，從而受到各國政府的高度重視。德國是歐盟重要的沼氣生產國，主要采用中溫與高濃度相結合的液態(tài)發(fā)酵熱電聯(lián)供技術。英國利用人和動物的有機廢物作為原料，厭氧發(fā)酵產生的甲烷可以替代英國 25%的煤氣[20]。2009年我國重慶將餐廚垃圾中的油脂加工成燃料，剩余部分利用厭氧發(fā)酵后產生的沼氣發(fā)電，年產沼氣達到1400萬立方米，發(fā)電3300萬千瓦時。

表1 各種因素對餐廚垃圾產甲烷的影響

湖北陳家沖垃圾沼氣發(fā)電工程每天發(fā)電3.84萬度，消耗沼氣2.16萬立方米。每噸垃圾完全降解能產生200立方米沼氣，發(fā)電廠一天發(fā)電量所需沼氣理論上可由108噸垃圾完全降解所產生。如按一戶居民每月平均用電150度計算，每天發(fā)電量能供應7600余戶居民同時使用。

我國人口眾多，能源問題備受關注。總體上，餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產沼氣是未來重點發(fā)展和投資的方向之一。隨著厭氧發(fā)酵生產沼氣技術日益成熟，不僅可以將餐廚垃圾轉化為能源，而且剩余的沼渣沼液可以作為肥料。 但也存在工藝流程長，配套設施多，投資成本高等制約因素[21]。今后應加強厭氧發(fā)酵設備以及利用沼氣提純甲烷的技術研究。另外也應重視餐廚垃圾甲烷發(fā)酵與燃料電池組合系統(tǒng)的開發(fā)以及高寒地區(qū)沼氣發(fā)電工程能量綜合利用技術等。從長遠來看，應在技術設備優(yōu)化組合，高度集成等方面繼續(xù)努力。

5 餐廚垃圾生產氫氣

實際上，制氫氣只是產沼氣的一個環(huán)節(jié)。隨著對厭氧發(fā)酵的深入研究，厭氧發(fā)酵的中間產物——氫氣日益引起了人們的關注。氫氣具有清潔無污染、能量密度高等特點，被認為是最具應用價值的可再生能源之一。傳統(tǒng)利用化學方法生產氫氣，不但能耗大而且成本很高。而利用餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產氫成本低，還可實現(xiàn)餐廚垃圾處理的減量化和資源化，因此被認為具有廣闊的發(fā)展和應用前景。發(fā)酵產氫的微生物主要有4 大類，分別為腸桿菌屬、梭菌屬、埃希氏腸桿菌屬和桿菌屬。在發(fā)酵過程中通過有機物的脫氫來實現(xiàn)代謝過程的順利進行。有文獻報道表明，接種物、反應溫度、金屬離子、基質種類、pH 值等因素對厭氧制氫均有顯著的影響[22-23]。

林明[24]以產氫菌株 B49為對象對細菌乙醇發(fā)酵的非生物因子（pH值、氣相、金屬離子和發(fā)酵底物）和生物因子（發(fā)酵產物和種群關系）進行了研究。認為細菌乙醇型發(fā)酵菌群可以在低pH值（4.0左右）穩(wěn)定產氫；適宜質量濃度的Fe2+、Ni+、Mg2+對B49 的生長和產氫有明顯的促進作用，影響程度為 Fe2+＞ Ni+＞ Mg2+。

Okamot O M[25]分別以米飯、卷心菜、胡蘿卜為底物對產氫過程進行了研究，結果表明米飯、卷心菜、胡蘿卜的產氫率分別為 19～96 mL/g、44.9～70.7 mL/g、26.3～61.7 mL/g 。比蛋白質、脂肪類固體廢物具有更高的產氫能力。

曹先艷等[26]通過批式試驗探討了溫度對餐廚垃圾厭氧發(fā)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(fā)酵產氫效果不佳。中溫（35 ℃）馴化1天后進行產氫實驗，二者氫氣的最大體積分數(shù)分別是 36.8%和37.2%。但中溫條件下體系的反應速率較室溫更快，二者產氫速率分別為每克15.6 mL/h和4.8 mL/h。試驗結果也表明，酸化過程是反應的限速步驟。因此，建議餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產氫應在中溫（35 ℃）條件下進行。

張振宏等[27]分別采用礦化污泥、剩余污泥、礦化垃圾、顆粒污泥作為接種物對產氫性能進行了研究，試驗結果表明，在單獨接種一種污泥情況下，剩余污泥的氫氣濃度和產生量分別為 47.1%和 100 mL/g，高于其它3種污泥。

很多因素對厭氧發(fā)酵產氫有顯著的影響，如何提高餐廚垃圾的產氫量、產氫的濃度以及產氫速率是餐廚垃圾厭氧發(fā)酵制氫產業(yè)化的關鍵。目前對餐廚垃圾厭氧產氫過程的研究尚不深入， 所有實驗都停留在小試階段。雖然厭氧產氫過程可行，但影響因素復雜多變，其中產氫菌的產氫能力不高成為限制該技術發(fā)展的重要因素。

6 餐廚垃圾生產燃料酒精

當前我國的酒精生產主要以玉米、稻谷、小麥等糧食作物為原料。從資源有效利用和降低生產成本方面考慮，利用含豐富淀粉及纖維素類的廢棄物作為原料無疑更具有優(yōu)勢。當前已有利用農業(yè)廢棄物如農作物的秸稈、玉米渣以及廢棄的甜菜葉莖等進行酒精生產的研究，而利用餐廚垃圾生產燃料酒精報道很少。餐廚垃圾含有豐富的淀粉，另外還含有脂肪、纖維素、蛋白質等物質，這些都是酒精極好的發(fā)酵原料。

馬鴻志等[4]利用運動發(fā)酵單胞菌對餐廚垃圾發(fā)酵生產燃料酒精進行了研究，試驗結果表明，糖化酶和蛋白酶對于酒精發(fā)酵影響顯著，當同時添加100 U/g 蛋白酶和100 U/g 糖化酶時，酒精產量達到最大值53 g/L，酒精轉化率為44%。另外發(fā)酵過程中不用添加其它酶和營養(yǎng)物，說明餐廚垃圾自身所含的豐富營養(yǎng)完全可以滿足細菌生長的需要。

奚立民等[28]獲得了一株同時具有淀粉酶和纖維素酶活性的新霉菌Rhizopusoryzae TZY1。利用該菌株與釀酒酵母進行餐廚垃圾共發(fā)酵，發(fā)酵后淀粉的利用率在88%以上，纖維素的利用率在84%左右。該方法可以避免由于酶失活而使酒精產率降低的問題，并且不需外加糖化酶類，節(jié)約了成本，具有良好的產業(yè)化應用前景。

晏輝等[29]以餐廚垃圾為原料，應用同步糖化發(fā)酵的方法制取燃料酒精，在適宜的酒精發(fā)酵條件范圍內，酒精產量最高為15.3 mL/100g 有機垃圾，有效地回收了餐廚垃圾中有用的物質和能源，實現(xiàn)了餐廚垃圾資源化的目的。

尹瑋等[30]以餐廚垃圾酒糟離心液和麩皮為基礎培養(yǎng)基，經黑曲霉發(fā)酵制取糖化酶。當氯化鈣添加量為 0.2% 時，所產糖化酶的酶活最為 3404.44 U/mL，并且表明自制糖化酶可替代工業(yè)糖化酶應用于餐廚垃圾酒精發(fā)酵中，這不僅可以降低糖化酶和餐廚垃圾酒精生產成本，同時也可減少酒糟離心液對環(huán)境的污染。

另外安徽科聚環(huán)保新能源有限公司將餐廚垃圾酶解后還原糖濃度可達18%g/g，發(fā)酵酒精的濃度達 8%～10%g/g。該酒精經過濃縮和純化，可作為燃料酒精的原料。

利用餐廚垃圾發(fā)酵生產酒精，不僅可以解決城市垃圾中排放量越來越大且難以處理的環(huán)境污染問題，還可以有效地實現(xiàn)其減量化、無害化與資源化，另外對擴大酒精生產原料來源，降低酒精生產成本將具有積極意義。

7 結 論

餐廚垃圾這種易腐有機物屬于資源型廢棄物，利用餐廚垃圾獲得各種生物能源，各有特點，也各有利弊，如何揚長避短，是餐廚垃圾能夠產業(yè)化的關鍵。

（1）政府應制定完善的相關政策法規(guī)，加強引導和宣傳作用，從源頭上減少餐廚垃圾的產生。另外對餐廚垃圾處理企業(yè)在垃圾收運、產品銷售等環(huán)節(jié)應實行政策優(yōu)惠。

（2）加快實施餐廚垃圾的分類收集。利用餐廚垃圾獲取各種生物能源，都必須盡可能減少餐廚垃圾中異物的含量，也就是要加快實施餐廚垃圾的分類收集。同時我們也應該提高垃圾分類收集的質量，加快垃圾處理設備的開發(fā)與研制工作。

（3）單一的餐廚垃圾能源化難以滿足資源完全回收利用的目的，應提倡采用多元的處理工藝和模式。將多種資源化方式相結合，把餐廚垃圾加工成高附加值的不同產品，這樣在實現(xiàn)餐廚垃圾多樣化處理的同時，也減少了副產品的市場風險。

總之，應根據(jù)具體地區(qū)餐廚垃圾的特點，選擇合適的處理工藝，以達到經濟效益、環(huán)境效益、社會效益的統(tǒng)一。

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