城郊區果蔬垃圾處理及資源化利用技術研究現狀

秦 玉，李慧莉，徐圣君，鄭效旭，侯德印

（1深圳市北林苑景觀及建筑規劃設計院有限公司，廣東 深圳 518038；2蘭州理工大學土木工程學院，蘭州 730050；3中國科學院生態環境研究中心，北京 100085；4中國科學院生態環境研究中心（義烏）長三角中心，浙江 義烏 322000）

0 引言

隨著農業產業結構的不斷調整及人們膳食結構的不斷變化，果蔬種植業迅速發展，由此造成果蔬垃圾產量劇增[1-2]。果蔬垃圾指水果蔬菜在生產、運輸、儲存和銷售過程中所產生的可生物降解的有機垃圾[3]。據估計，世界上每年有1/3的糧食在到達消費者之前就被浪費了，這種浪費現象在中國、菲律賓、印度、意大利、日本和美國尤為嚴重[4-6]。有研究表明果蔬行業產生的垃圾占總食品垃圾的60%，僅日本產生的果蔬垃圾就約1000萬t/年，印度產生的果蔬垃圾也超過5400萬t/年[7-8]，中國產生的果蔬垃圾更是高達1億t/年[9]。果蔬垃圾產量的增多提高了由于銷售損失而產生的市場運營成本，甚至導致通貨膨脹，此現象引起人們的極大關注[10-11]。

果蔬垃圾含水率通常在90%以上，揮發性固體占總固體的(VS/TS)80%以上，其中纖維素、木質素、糖類和半纖維素所占比例大約分別為9.0%、5.0%、75.0%，氮含量為3.0%～4.0%，總磷含量為0.3%～0.5%，鉀含量為1.8%～5.3%[12-13]。在微生物作用下，果蔬垃圾中有機物會發生腐敗產生強烈惡臭和有害的氨氣、硫化氫等氣體，影響空氣質量。與一般生活垃圾不同，果蔬垃圾，尤其是其濾液中有農藥殘留，經自然分解后可能具有更大的毒性，這些有毒物質可通過水體、土壤等介質進入食物鏈中，危害人體健康。因此，需要采取更為有效的技術手段對果蔬垃圾進行處理，發揮其在再利用、再循環和再回收方面的潛力，實現“減量化、無害化、資源化”的目標[3]。本研究概括了果蔬垃圾常規處理技術及新型資源化利用技術，以期為研究高效且經濟環保的果蔬垃圾處理模式提供借鑒。

1 果蔬垃圾常規處理技術

1.1 熱處理

熱處理技術分為焚燒與熱解。果蔬垃圾焚燒是指其可燃組分在高溫作用下與空氣中的氧發生劇烈反應，在釋放熱量的同時轉化為煙氣、底渣和飛灰等。果蔬垃圾經過焚燒后，體積一般可減少80%～90%，有的甚至可達到95%以上。與此同時有害物質被分解，產生的煙氣可用于發電等，固體殘渣可直接填埋[14-15]。20世紀90年代開始焚燒技術在發達國家已逐步應用起來，主要焚燒方式有層狀焚燒、流化床焚燒、旋轉焚燒，國內外很多地區采用焚燒技術來處理果蔬垃圾，如新加坡、日本、瑞士等地。但果蔬垃圾含水率較高，直接焚燒效果不佳，且焚燒易產生二次污染，特別是二噁英，作為一級致癌物，二噁英還具有生殖毒性和遺傳毒性。德國、荷蘭、比利時等歐洲國家相繼頒布了《焚燒爐禁建令》，日本到2000年7月也已有4600座垃圾焚燒設施被停止使用。因此，焚燒難以成為果蔬垃圾處理的主流方式[16]。

熱解技術是將垃圾中有機物在無氧或缺氧狀態下加熱，使之分解為可燃性氣體、可燃油和炭黑。該過程所產生的氣體、固體和液體都可回收處理，且相對焚燒而言成本較低。由于具有技術設備成熟、可行性高的優點，熱解技術在歐美和日本等一些發達國家被廣泛研究。中國對熱解技術也有一定研究，如佛山南海市的垃圾熱解氣化焚燒發電廠就采用2臺美國Basic拋式爐排熱解氣化焚燒爐，單臺處理量為200 t/天[17]。熱解作為一種有前景的果蔬垃圾處理技術仍需深入研究。

1.2 填埋

果蔬垃圾填埋分為傳統填埋與衛生填埋。傳統填埋是在自然條件下，利用坑、塘、洼地將垃圾集中露天堆放，不加掩蓋，是一種早期填埋方式。由于其難以滿足當地環保與衛生需求，現已被絕大多數國家和地區摒棄。

衛生填埋則是對垃圾填埋廠按照環境工程技術標準進行建設，采用防滲、覆蓋、沼氣收集及利用等方法，使垃圾在自然狀態下利用自身成分，經物理、化學、生物降解分解產生沼氣、滲濾液，最終達到穩定狀態的處理技術[18]。垃圾填埋廠產生的填埋氣成分復雜，其中揮發性有機物(VOCs)含量占1%左右，是填埋場惡臭氣體的主要成分，其組成與含量受季節、時間、技術等因素影響。夏秋季溫度較高且果蔬垃圾產量較多，VOCs含量也較大；且隨著填埋齡的增加，填埋場VOCs濃度呈現先增加后降低的趨勢，填埋時間為5～7年時VOCs濃度達到最大值；同時不同的填埋技術也會導致VOCs濃度出現變化，相較于土覆蓋處理技術，采用膜覆蓋技術的填埋過程產生的VOCs較少[19]。除填埋氣外，果蔬垃圾的高含水率使其產生的滲濾液較多，大大增加填埋場運行成本，且會占用大量的填埋庫容資源，無法滿足“無害化、減量化、資源化”的處理要求。因此，填埋一般僅作為果蔬垃圾剩余物的最終處置方式[20]。

1.3 好氧堆肥

好氧堆肥堆體溫度一般為55～65℃，亦稱作高溫堆肥，是一種在氧氣充足的條件下，利用好氧菌對廢物進行吸收、氧化以及分解，并通過高溫殺死其中病原體的技術，其產生的溫室氣體和滲濾液較少，是國內外果蔬垃圾處理技術的一大研究熱點[21-22]。

常見好氧堆肥技術包括直接堆肥和蚯蚓堆肥。直接堆肥是將果蔬垃圾放置在特定地點，通過自然產生的微生物和空氣來降解其中有機物的過程。堆肥方式主要有地下窯藏式、地下開放式、地上密閉式和地上開放式等，其中地上密閉式堆肥效果最佳[23]。

蚯蚓堆肥，是指將蚯蚓引入到果蔬垃圾中進行的堆肥過程。蚯蚓在堆肥過程中參與有機物的降解，有利于總碳含量的下降。同時蚯蚓含有粘液、酶和含氮排泄物，且其活動會使微生物活性和固氮細菌濃度增加，使產品中氮含量增加[24]。一般而言，蚯蚓堆肥采用混合系統進行，其中基質和床層材料混合在一起。而新鮮的果蔬垃圾中含有許多水分，蚯蚓無法存活，因此應將基質和床層材料很好地分離，從而避免果蔬垃圾產生的水分對蚯蚓的危害[25]。此外，復合微生物群落在蚯蚓堆肥過程中起著關鍵作用，接種合適的微生物菌株可以增強蚯蚓堆肥效果[26]。剩余活性污泥(EAS)作為污水處理過程的主要副產物，由數量和多樣性較大的微生物組成，如各種固氮菌和聚磷菌，可對果蔬垃圾蚯蚓堆肥起到一定促進作用[27]。Li等[28]采用一種基質和床室分開的新型蚯蚓反應器，在添加和不添加EAS的情況下，分別處理了香蕉皮、卷心菜、萵苣、胡蘿卜和馬鈴薯5種果蔬垃圾。結果發現EAS促進了蚯蚓的生長和產繭，提高了蚯蚓的分解效率。此外，脫氫酶活性變化表明，除胡蘿卜外，EAS提高了所有處理過程的微生物活性。添加EAS后，果蔬垃圾的有機質含量、總碳含量和C/N比均顯著降低，堆肥產品中氮、磷含量也有所提高。

堆肥要求成品含水量為15%～25%，含水量較少的堆肥可能沒有完全穩定，而如果堆肥太潮濕，那么堆肥產品孔隙中就會充滿水，限制生物體獲得氧氣；其次，pH接近中性時微生物活性最強，因此堆肥產品最佳酸堿度為pH 6.5～7.5；C/N對堆肥處理效果的影響也較大，理想的堆肥原料初始C/N應為35:1左右，而成熟堆肥的應在15:1～25:1之間[29]。由于果蔬垃圾含水率較高，且易混入各種雜物如塑料袋、碎石等，影響堆肥處理效果。另外，水分蒸發會帶走熱量，使堆體溫度升高速度較慢，降低堆肥處理效率。為了保證好氧堆肥的處理效果，前期應采用脫水壓榨與挑揀裝置將雜物去除并將脫水率降至40%～50%，同時添加一定量的調節劑來調節C/N，采取通氣、翻堆或加入膨松劑的方法來保持堆體處于好氧狀態，克服堆料互相粘連的難題，并可在初始狀態下加入成熟堆肥作為微生物接種劑以加速微生物群落演替和保持微生物多樣性，同時還可減少堆肥產生的溫室氣體，增加空氣流動并調節堆肥基質濕度，縮短堆肥周期，從而進一步提高堆肥處理效果[30]。Yang等[31]將成熟堆肥（占堆肥原料總濕重的10%）混合到堆肥原料中進行實驗，發現NH3、CH4和N2O排放分別減少了58.0%、44.8%和73.6%，溫室氣體排放總量減少了69.2%。

1.4 厭氧消化

厭氧消化通常用于污水處理廠中污泥的處理，若將其應用在果蔬垃圾處理中也存在巨大潛力[32-34]。厭氧消化是指在無氧或厭氧條件下，微生物分解果蔬垃圾生物質中的有機成分，使有機物分解并趨于穩定，在產生沼氣的同時合成微生物細胞物質。處理后的沼氣可用于供熱、發電、生產壓縮液化天然氣等，而富含氮的消化液可用作肥料[35]。

厭氧消化的效果通常與反應器有機負荷率(OLR)、固體停留時間(SRT)、水力停留時間(HRT)等工藝參數有關。此外，厭氧消化中產甲烷菌比水解產酸菌對高揮發性脂肪酸(VFAs)濃度下的pH降低更敏感，且果蔬垃圾屬易降解物質，因此，過高的OLR可能會導致水解和產酸速率高于產甲烷速率，導致果蔬垃圾厭氧消化過程發生不可逆酸化，降低處理效果。而在厭氧消化前采取適當的預處理有助于提高其最終處理效果。裴占江等[36]采用堿化和高壓滅菌聯合對厭氧消化進行預處理，與對照組相比，COD和VS降解率分別提高58%和23%，沼氣產率增加47%；VFA從2865 mg/L增加到17600 mg/L，提高了6倍，厭氧消化后VFA降解了15000 mg/L，而對照組僅為2300 mg/L。

厭氧消化技術有單相與兩相之分，由于果蔬垃圾中糖分和半纖維素含量較高，而單相厭氧消化過程中有機負荷過高會導致VFAs積累，抑制產甲烷菌活性，影響處理效果。采用兩相厭氧消化工藝處理果蔬垃圾具有對揮發性有機酸的積累、對pH下降的緩沖、總水力停留時間和反應時間短、負荷高、甲烷產量高的優點[37]。除單相與兩相厭氧消化技術外，共消化技術也可用作果蔬垃圾的處理，常見的共消化基質有畜禽糞便、餐廚垃圾、剩余污泥。與這些基質共消化減少了消化過程中的停留時間，加速了消化進程，增加了消化中的氮、磷和鉀的養分含量，不僅改善了消化產品的品質，剩余物還田還可以減少固體廢棄物的污染，提高土壤肥力[38]。

1.5 小結

表1對比了填埋、熱處理、好氧堆肥和厭氧消化4種果蔬垃圾常規處理技術的優缺點，并從減量化、無害化、資源化角度進行了分級評估。除以上4種果蔬垃圾常規處理方式外，有些地區采取將果蔬垃圾粉碎后排入市政污水管網與污水一同進入污水處理廠進行處理，這種方法雖易于操作，但國內下水系統在設計時未將果蔬垃圾的處理納入設計條件范圍，容易造成管道堵塞，無法在全國推廣。其次，果蔬垃圾進入市政污水收集系統后，將集中排入城市污水處理廠，其高有機質、高鹽等性質不僅加重了污水處理廠的運行負荷，也會對環境造成影響。

2 果蔬垃圾資源化利用技術

果蔬垃圾可通過一定處理方式或提取技術產生在工業、農業、藥業等領域具有較大應用價值的物質。隨意丟棄不僅會導致環境衛生狀況的迫害，還會造成可利用的生物質和營養物質的損失。國內外對新型果蔬垃圾資源化利用技術的研究正逐漸成為熱點[39-40]。

2.1 新型發酵技術

常規發酵技術將果蔬垃圾進行減量化與無害化處理后通過填埋或焚燒進行最終處置，并未發揮其潛在價值。新型發酵技術可提取果蔬垃圾中有價值物質，并制造飼料、生物燃料、生物塑料、酶和胞外多糖等，實現果蔬垃圾合理化處置與資源化利用雙重目標。

2.1.1 飼料 各種研究表明果蔬垃圾中含有許多化學成分和營養物質，是潛在的畜牧業飼料資源。利用微生物發酵技術將果蔬垃圾制成飼料可以對其營養成分進行更好的利用[41-42]。張麗芝等[43]發現葡萄皮渣中不僅存在著大量脂肪、纖維素、蛋白質和無機鹽等可利用營養成分，而且其較低的pH有利于抑制微生物的有害發酵，從而使飼料生產效率更高。同時，從果蔬垃圾中制備飼料具有成本效益，因其銷售價格低于市場飼料的特點而更有競爭力[44]。但果蔬垃圾制備飼料也存在一定的局限性。果蔬垃圾的成分因季節而異，一些果蔬垃圾的低蛋白質含量和高難消化化合物含量并不適合制備飼料，因此還需在實際制備飼料時不斷調整配方與技術工藝。

2.1.2 生物燃料 生物燃料指由生物質組成或萃取的固體、液體或氣體燃料，是可再生能源開發利用的重要方向。甘蔗渣、葡萄和蘋果渣等這些富含碳水化合物的果蔬垃圾具有生產生物燃料的能力，其主要是通過厭氧、好氧發酵等過程轉變成生物甲烷、生物氫、生物乙醇和生物丁醇等。

生物甲烷主要是通過厭氧發酵產生。在適當的溫度和pH下，多種兼性菌和厭氧菌將果蔬垃圾中的脂類、蛋白質和碳水化合物等水解代謝成氫、二氧化碳和低分子有機酸等，然后產甲烷菌再將這些物質轉化為生物甲烷[45]。在厭氧發酵前進行研磨、超聲、酸、堿、微生物或酶等適當的預處理，有助于縮短處理周期并提高生物甲烷產量。Rodriguez-Valderrama等[46]利用果蔬垃圾和玉米秸稈生產生物甲烷時，當通過堿性或酸性預處理對底物進行處理后，能被微生物利用的可溶性有機物增加，甲烷生成量增加。此外，Mi-Sun等[47]采用果蔬垃圾與畜禽糞便共底物發酵時，由于不同來源廢物基質的建立以及不同營養物質的加入使反應效率提高，顯著改善了厭氧發酵性能。可見，厭氧共發酵不僅有助于穩定發酵過程，還可以提高生物甲烷產量。利用生物甲烷生產的合成氣（一種主要由氫氣和一氧化碳組成的氣體）可用作生產化學品、合成燃料的原料，也可以進一步加工為生物氫用作生物燃料[48]。目前關于果蔬垃圾發酵生產生物乙醇的研究較少，利用果蔬垃圾生產生物乙醇時，果蔬垃圾組成對生物乙醇的產率有很大影響，木質纖維素含量高的果蔬垃圾產生的生物乙醇量更高。提高生物乙醇轉化率的關鍵因素是水解和糖化，通常采用酸、堿、熱和酶等手段對原料進行預處理，以增加纖維組分的消化率，提高產生物乙醇的效率[49]。生物丁醇具有能量密度高、揮發性低、腐蝕性小、穩定性較高的優點，目前利用果蔬垃圾中木質纖維素生產生物丁醇的研究正在進行中[50]。

2.1.3 酶和胞外多糖 酶是在溫和條件下，作為特定化學反應的活性和選擇性催化劑的蛋白質，在食品、化妝品、制藥、紡織、化工和燃料等領域有著重要應用。由于原材料和制造成本較高等問題，市場上售賣的酶價格普遍較高。利用果蔬垃圾生產酶如淀粉酶（芒果、香蕉、木薯）、果膠酶（菠蘿、橘子皮、葡萄）、蛋白酶（石榴、芒果、馬鈴薯）等是降低成本的一個不錯選擇。果蔬垃圾酶生產工藝分為深層發酵和固態發酵2類。其中固態發酵是在沒有自由液相的情況下，在固體和潮濕的基質上培養微生物。果蔬垃圾可為微生物提供一個與自然棲息地相似的環境，適合進行固態發酵[51]。

微生物胞外多糖是一種多功能的多糖，由于其獨特的物理和流變特性，已廣泛應用于不同領域。工業化生產這些胞外多糖的首選底物是葡萄糖和蔗糖。不僅生產成本昂貴，而且合成過程通常受到過量碳源的影響，同時受到氮或氧的限制。已有研究表明，可利用果蔬垃圾作為碳源來降低微生物胞外多糖生產成本。優化反應條件和對產生這些多糖的不同菌株進行遺傳操作有助于提高果蔬垃圾發酵產胞外多糖效率[52]。

2.1.4 生物塑料 塑料因降解率低及碳足跡高而成為環境中最豐富和持久的污染物之一，開發生物可降解塑料具有重要意義。生物塑料在塑料市場的增長主要受高制造成本限制，利用果蔬垃圾作為原料將有助于降低生產成本。聚乳酸(PLA)和聚羥基烷酸鹽(PHAs)是目前最重要的合成生物塑料。聚乳酸在骨固定材料、藥物輸送和組織工程等領域具有重要應用，但PLA脆性大、結晶度不好、氣體阻隔性差，需通過與其他聚合物共混來改善其性能。果蔬垃圾因具有高纖維含量可與PLA共混，如富含纖維（約60%）的西番蓮果皮可作為PLA的共混基質[53]。聚羥基烷酸鹽(PHAs)是僅次于聚乳酸的第二大類合成生物塑料。可通過物理共混改善PHAs的結晶度高、強度低、硬而脆、加工熱穩定性差的性能。利用果蔬垃圾作為原料，將混合微生物培養物用于PHAs生產，不僅可改善其性能，還可在彌補由于碳源不足而導致生產率較低的同時實現低成本操作[54]。

2.2 生物活性化合物提取技術

生物活性化合物可與蛋白質、DNA和其他生物分子相互作用，在促進健康和降低疾病風險方面對人類產生有益影響[55]。果蔬本身就是功能性食品，它們的莖、葉、果皮、果肉等都含有大量的生物活性化合物，如類胡蘿卜素（葉黃素和玉米黃質）、類黃酮（橙皮素、槲皮素、染料木黃酮和山奈酚）和酚酸等。這些生物活性化合物可以直接添加到食品中。例如，酚類化合物是果蔬垃圾中最受關注的生物活性化合物，它們起著抗炎、抗氧化、抗癌和心臟保護等作用。Machado等[56]發現葡萄酒副產品（葡萄渣、葡萄皮、葡萄莖、葡萄渣）中富含酚類化合物，可作為進一步提取的基質。除葡萄外，還有土豆、洋蔥、柑橘、石榴、芒果、香蕉和胡蘿卜等多種果蔬垃圾可作為酚類化合物的良好來源[57-58]。此外，Thomas等[59]發現花椰菜、卷心菜等蔬菜中存在硫代葡萄糖苷及其降解產物異硫氰酸鹽，這些化合物可減輕心血管疾病并預防一些癌癥如膀胱癌、結腸癌和肺癌等。硫代葡萄糖苷還可用于抗菌劑、食品功能化成分或作為膳食補充劑。

果蔬垃圾中此類化合物含量較多，對如何提取這些化合物的方法有很多，如酶輔助提取、加壓液相萃取、微波輔助萃取、超聲波輔助萃取等。Ricarte等[60]采用酶輔助提取方法，從向日葵廢棄物（花瓣和小花）中提取了類胡蘿卜素和酚類化合物。Syahariza等[61]采用加壓液相萃取法在乙醇濃度為80%的溶液中從苦瓜里提取出了抗氧化物質。Yu等[62]采用微波輔助提取法從無花果葉片中提取出了咖啡酰水楊酸、補骨脂酸葡萄糖苷、蘆丁、補骨脂素、柏木黃酮5種靶向生物活性化合物，提取率分別達到了9.7、5.9、4.7、15.6和3.5 mg/g。Sungpud等[63]采用超聲波輔助萃取從芒果皮中分離出了可直接作為乳狀食品、中性藥品和化妝品的生物酚類活性化合物。近年來隨著人們生活方式的改變，一些新的提取技術逐漸出現，例如納米乳液技術。納米乳液是粒徑在100 nm范圍內的微乳液，具有運動穩定性、液滴尺寸小（單位體積比表面積高）、光學透明的特點，可作為不同應用的輸送系統。因此基于納米乳液的傳遞系統在食品領域功能性化合物的有效傳遞方面具有較大應用前景，其在食品領域的各種應用包括包封難溶性化合物（天然保鮮劑、保健品、著色劑、香料）、結構修飾以及提高生物利用度、控制成分釋放、調節產品質地、防止成分降解等多種功能。因此，在果蔬垃圾中使用納米乳液技術，可使這些生物活性化合物的功能和結構特性得到提高[64]。

3 結論與展望

目前果蔬垃圾常規處理方式主要是熱處理、填埋、好氧堆肥和厭氧消化。熱處理技術方式簡單，減量化的效果較好，但所需的能耗高，且產生廢氣污染。填埋技術最為便捷，在成本上具有很大優勢，但因其對土地資源的危害而只能作為果蔬垃圾的終端處置方式。好氧堆肥與厭氧消化在資源化利用方面具有更大的潛力，但也面臨堆肥效果較差、缺乏成熟設備、投資較高的問題。

果蔬垃圾可通過新型發酵技術生產多種有價值物質，如飼料、生物燃料、生物塑料酶和胞外多糖等，未來的技術研究重點在于如何優化果蔬垃圾發酵技術，將其有利成分加以提取制造，并研究更高效且低能的分離技術來提取生物活性化合物，促進其價值化的實現。此外，由于果蔬垃圾總固體含量低，揮發性固體含量高，在消化過程中會迅速水解，導致快速酸化并抑制消化過程，因此應多研究果蔬垃圾與其他有機廢物的共消化，并研究能夠很好地適應果蔬垃圾的微生物，優化反應器設計，使反應以最佳條件進行。對于果蔬垃圾脫水廢液與生活污水混合處置而造成污水處理廠運行負荷較高的問題，應研究小型果蔬垃圾處理設備應用于農貿市場，將其產生的果蔬垃圾就地處理后達標排放，既方便各個市場的經營管理，也不會造成因運輸而帶來的環境影響及成本問題。