廚余垃圾資源化處理技術研究進展

席 爽，周小娟，龍思杰

(中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430014)

1 引言

隨著城市化進展的加快，廚余垃圾產(chǎn)量逐漸增加，約占生活垃圾總量的45%～65%[1～4]。廚余垃圾指家庭日常生活中丟棄的果蔬及食物下腳料、剩菜剩飯、瓜果皮等有機垃圾，此外，菜場垃圾也是廚余垃圾的主要來源。由于國內垃圾分類處于起步階段，廚余垃圾較傳統(tǒng)的餐廚廢棄物成分更為復雜。廚余垃圾的生產(chǎn)源不同對其組成影響較大。一般居民家庭與餐飲行業(yè)生產(chǎn)的廚余垃圾中的主要成分是大米以及面食類碳水化合物殘余，以及各種蔬菜、肉類、動物骨骼、動植物油類以及調味用的無機鹽類[5]。廚余垃圾與餐廚廢棄物的性質較為相近，但由于以生料為主，相對鹽分、油脂含量要低[6]。

廚余垃圾的含固率在20%～30%，有機質含量很高，可生化性較好[7～10]。由于上述基本理化性質，廚余垃圾極易變質，且在收集、運輸和儲存過程會產(chǎn)生滲濾液、惡臭和有毒氣體，可能會造成二次污染。此外，其中的病原體、寄生蟲和蟲卵也對居民身體健康造成隱患。

綜上所述，廚余垃圾有三大特點。首先，廚余垃圾含水率高，因此需要單獨收集運輸，無法與其余固體廢棄物混合運輸，收運成本很高。其次，廚余垃圾易滋生蚊蠅和病原體，不宜長期存放，收運周期短。最后，廚余垃圾中有機組分高，具有較高的等比熱值，有較高的資源化再利用的潛力[9,11～15]。因此，廚余垃圾及其衍生二次污染物的妥善收集與處置十分必要。

廚余垃圾是生活垃圾的重要組成部分，由于生活垃圾分類政策不夠完善，廚余垃圾在早期常與其他生活垃圾混合在一起，給生活垃圾的分揀以及后續(xù)處理帶來了較大了困擾[5]。近年來，我國逐步建立起基于垃圾分類投放、分類收集、分類運輸和分類處理的垃圾處理系統(tǒng)。基于以上背景，廚余垃圾處理廠作為與垃圾分類相銜接的終端處理設施，在全國范圍內得到了廣泛的應用。廚余垃圾處理技術種類繁多，常見的包含好氧堆肥技術、飼料化技術、厭氧發(fā)酵技術、壓榨焚燒技術、填埋技術等[16～19]。填埋或焚燒處理廚余垃圾過程中會帶來嚴重的二次污染。例如廚余垃圾是填埋場滲濾液產(chǎn)生的主要來源，廚余垃圾降解過程中會產(chǎn)生大量惡臭氣體。廚余垃圾所占比例是影響生活垃圾焚燒飛灰中氯(特別是可溶氯)含量的重要因素[16]，高濃度的氯則會造成嚴重的二次污染。因此，進一步開發(fā)更高效且無二次污染的廚余垃圾處理技術，將有效提高廚余垃圾的無害化率。

綜上所述，本文采用文獻計量學的分析結果作為基本數(shù)據(jù)，對1997～2020年，廚余垃圾相關的國內外研究情況進行了梳理[20～22]。文獻計量學分析中使用了Citespace[23,24]、Histcite[25]和VOSViewer[26,27]軟件。根據(jù)以上結果，進一步地綜述了國內外廚余垃圾處理技術的研究進展，并對相關發(fā)展趨勢進行展望[28]。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究以Web of Science TM (WoS)數(shù)據(jù)庫核心數(shù)據(jù)集為數(shù)據(jù)源，以“food waste”“kitchen waste”“food garbage”和“kitchen garbage”為主題詞，檢索時間跨度為1997～2021年，經(jīng)過篩選，共獲得有效文獻37611篇。同樣，以CNKI數(shù)據(jù)庫文獻為數(shù)據(jù)源，以“廚余垃圾”和“餐廚垃圾”為主題詞，在1997～2021年期間共搜索到有效文獻13200篇。

2.2 研究方法

本研究運用Histcite、Citespace和VOSViewer軟件對選取的1997～2021年廚余垃圾資源化處理技術相關的文獻進行關鍵詞匯總分析。以期獲得國內外研究中，廚余垃圾處理技術的發(fā)展情況及熱點。基于上述分析結果，最終對廚余垃圾資源化處理技術研究進行綜述并提出了展望。

3 結果分析

3.1 國內外研究情況對比

文獻數(shù)量隨年限的變化曲線反映了相關主題研究熱度的變化情況(圖1)，一般說來年文獻數(shù)量越多，該年度相關研究主題熱度越高[21,24,26]。SCI數(shù)據(jù)庫中，年發(fā)表文獻數(shù)量從1997年的125篇穩(wěn)定增加到2021年的5647篇。其中，1998年出現(xiàn)了第一篇來自中國的SCI論文。中國發(fā)表SCI論文數(shù)量分別在2003和2008年突破10篇和50篇，這一數(shù)據(jù)和CNKI數(shù)據(jù)庫比較一致。在CNKI數(shù)據(jù)庫中，2003年第一次出現(xiàn)相關文獻，共計89篇。在2008年，年文獻數(shù)量則從2007年的112篇激增至410篇。上述數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，世界范圍內，文獻數(shù)量從1997年至2021年穩(wěn)步增長。國內的廚余垃圾研究則起步相對較晚，主要是從2003年開始，且在2008年開始出現(xiàn)了較高的熱度。

圖1 廚余垃圾相關文章發(fā)表數(shù)量趨勢

圖2顯示了Citespace和VOSViewer軟件總結出來的SCI數(shù)據(jù)庫中相關論文的主要關鍵詞。可以發(fā)現(xiàn)，生物質、厭氧發(fā)酵、分解、甲烷、生物制氫、好氧堆肥是出現(xiàn)頻次最好的主要關鍵詞。結果說明厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷、生物制氫和好氧發(fā)酵還是廚余垃圾相關研究的最主要的技術。上述結果與廚余垃圾處置行業(yè)的主要工藝是一致的。例如，干式厭氧與濕式厭氧發(fā)酵技術是目前廚余垃圾處置最常用的技術[16]。此外，共發(fā)酵和污泥在兩個結果中均出現(xiàn)了，說明廚余垃圾-污泥的共發(fā)酵技術也是厭氧發(fā)酵技術中的研究熱點之一。廚余垃圾和污泥或其他固廢的共發(fā)酵有利于對發(fā)酵物的理化性質進行靶向調理，例如可以將發(fā)酵物的碳氮比、鹽分和含水率等指標調控至最優(yōu)范圍[2]。

圖2 SCI數(shù)據(jù)庫中主要關鍵詞

圖3顯示了采用HistCite軟件分析CNKI數(shù)據(jù)庫論文后得到的出現(xiàn)頻次最高的前15個關鍵詞。結果顯示了多個不同于國際主流的關鍵詞，體現(xiàn)出了國內關于廚余垃圾研究的特色。首先，國內更為重視廚余垃圾從生活垃圾中高效分類的研究，這一方面是由于國內的廚余垃圾與生活垃圾經(jīng)常混合存放，另一方面也是基于國家對于生活垃圾分類的基本要求。其次，國內重視地溝油的三相分離和管理研究，這與國內大量油水混合的餐飲習慣密切相關。第三，除了國外報道的主流廚余垃圾處置技術外，黑水虻生物代謝技術處理生物炭在國內也逐漸成為主流技術之一。事實上，該技術已經(jīng)在武漢等地形成了產(chǎn)業(yè)化規(guī)模。黑水虻生物代謝技術等新興技術為廚余垃圾資源化處置提出了新的思路，但是，實際項目運行情況來看，臭氣等二次污染控制水平需要進一步提高。

圖3 CNKI文獻中主要主題出現(xiàn)頻次

3.2 廚余垃圾分類收集技術概述

發(fā)達國家有著比我國更長的垃圾分類歷史和更豐富的實踐經(jīng)驗[29]。由于經(jīng)濟水平和飲食習慣的不一樣，各國的廚余垃圾分類方式各具特色。總的說來可以總結為3種分類模式，包括日本、美國和德國3種模式。

日本對廚余垃圾收集處置的總體思路是在源頭降低廚余垃圾含水率，低含水率的廚余垃圾進入焚燒或者堆肥處理系統(tǒng)。此外，日本也有家庭廚余垃圾處理機，將廚余垃圾粉碎之后進行干燥，形成干燥粉末后進行后續(xù)加工后轉化成有機肥料。總的來說，日本已形成良好的廚余垃圾資源循環(huán)再利用產(chǎn)業(yè)鏈[30]。

美國主要采取家庭廚余垃圾處理機進行廚余垃圾收集處理。但不同于日本，他們通過在水池安裝廚余垃圾處理機，將廚余垃圾粉碎后直接排入下水道。但是，由于固體顆粒和油脂極易在排水管道形成堆積堵塞，美國學者目前正在尋求更好的替代技術[31]。

德國主要依靠對居民進行分類知識宣傳教育實現(xiàn)廚余垃圾分類收運。具體說來，在居民小區(qū)中設置棕色垃圾桶，由居民將廚余垃圾和園林垃圾自行打包分類投遞。最終由第三方的公共垃圾處理運營商負責收集與處置[32]。

國內廚余垃圾的分類收集問題更加棘手，一是由于我國廚余垃圾含水率更高，熱值較低且易生物降解[31]，其次由于我國廚余垃圾占生活垃圾比例(遠高于全球其他國家的廚余垃圾占比(29%～50%)[34]，最后，我國生活垃圾分類收集啟動較晚，居民的“垃圾分類”意識尚不夠普及。但是，由于我國對廚余垃圾采取集中處置的方式，且我國生活污水排放管道尺寸較小，不適用于排放粉碎廚余垃圾。因此，我國的廚余垃圾主要采取類似于德國模式的源頭分類收運方式，分類收集后進入集中的處理設施。生活垃圾經(jīng)源頭分類除去廚余垃圾后，其焚燒特性也得到了極大的提升，焚燒過程中二惡英的生成得到大幅降低[35]。此外，廚余垃圾的分離也可極大的緩解生活垃圾終端處理設施的壓力。

3.3 廚余垃圾處理技術概述

3.3.1 美國餐廚垃圾處理現(xiàn)狀

美國每年產(chǎn)生約2600萬t廚余垃圾，占生活垃圾總量的11.4%。美國采取垃圾處理收費制度，收費標準基于家庭垃圾的產(chǎn)生量，家庭垃圾產(chǎn)量多，收費就相應的高。因此采用堆肥方式處理家庭產(chǎn)生的廚余垃圾非常普及。同時有部分廚余垃圾被采用就地破碎直排的方式排入下水道。由于對同源性的擔憂，美國政府擴大了動物飼料禁用范圍，將原來對動物腦和脊髓組織的禁用范圍從牛擴大到了狗、貓、豬和家禽飼料[4]。

3.3.2 歐盟餐廚垃圾處理現(xiàn)狀

歐盟國家已經(jīng)明令禁止填埋廚余垃圾。2003年起，動物副產(chǎn)品條例禁止在飼料生產(chǎn)中使用同類動物的任何部位，禁止向毛皮類動物以外的牲畜喂廚房泔水。用廚余垃圾原料作飼料在動物食品安全中存在重大的同源性隱患。基于以上原因，歐洲國家在廚余垃圾處理中擯棄了飼料化技術，主要采用厭氧生物制氣技術[36]。

3.3.3 國內廚余垃圾處理現(xiàn)狀

我國現(xiàn)階段生活垃圾分類的準確率較低，廚余垃圾分類的效果不理想，含有較多的雜質，給后端處理增加了難度。因此，預處理成為廚余垃圾處理過程中非常重要的一環(huán)[16]。例如，厭氧發(fā)酵過程中水解速率是整個反應過程的決速步，利用預處理技術改善廚余垃圾的表面性質，可以規(guī)避水解過程中的不利因素，提高難降解有機質的能力，能有效提高廚余垃圾處理效率。目前常用的廚余垃圾預處理方法包括物理法、化學法、生物法及復合預處理技術。物理法通過改變廚余垃圾的顆粒尺寸和細胞結構、增大廚余垃圾和微生物酶的接觸面積來加速水解反應，包括熱預處理、破碎、超聲波和高壓擠壓等。化學法通過引入酸、堿，通過水解作用改變廚余垃圾性質。生物法通過淀粉酶、蛋白酶、纖維素酶和脂肪酶催化的生化反應促進廚余垃圾水解。復合預處理指的是利用多種預處理方法，以達到更好的處理效果[3,37,38]。

預處理之后則主要通過厭氧發(fā)酵技術處理廚余垃圾，包括濕式和干式發(fā)酵，干式厭氧發(fā)酵是指反應器進料的總固體量高于15%的發(fā)酵技術[39]。干式厭氧發(fā)酵技術對原料預處理要求低、沼液產(chǎn)量低、耗能少、產(chǎn)氣率較高[40]。但由于其高有機負荷運行,容易發(fā)生底物濃度過高，水解酸化速率過快，揮發(fā)性脂肪酸的迅速積累，系統(tǒng)pH值降低，從而抑制產(chǎn)甲烷菌活性，導致厭氧發(fā)酵體系酸化失穩(wěn)等問題[41]。濕式厭氧發(fā)酵則是進料總固體量低于15%的發(fā)酵技術，相對干式技術來說，產(chǎn)甲烷菌活性更高，不易發(fā)生酸化失穩(wěn)問題。

4 結論與討論

本文進行了廚余垃圾處理技術科學研究的文獻計量學分析，并結合結果進行了技術探討。國外的科學研究主要聚焦在傳統(tǒng)的厭氧發(fā)酵、好氧堆肥以及多原料的混合發(fā)酵技術。上述技術也是國內用于廚余垃圾的最傳統(tǒng)的技術。國內學者則較國外的研究熱點之外，還關注了垃圾分類、地溝油和黑水虻相關的研究。垃圾分類和地溝油是比較符合我國實際情況和需求的特色研究領域，黑水虻生物降解技術則是廚余垃圾資源化方面的新技術。然而，以黑水虻生物降解為首的新興廚余垃圾資源化技術在實際應用過程中，應進一步提高二次污染的控制水平。廚余垃圾分類主要包括源頭分類的日本模式、家庭處理的美國模式和社區(qū)分類的德國模式。由于我國集中處置廚余垃圾，且污水排放系統(tǒng)管道尺寸不足，國內的廚余垃圾分類更接近德國模式，以分類宣傳和居民自行分類投放為核心。餐廚垃圾處理方面，美國主要以家庭堆肥或粉碎直排為主，而歐盟和中國還是更多的采取預處理后的厭氧發(fā)酵技術。由于國內廚余垃圾成分更為復雜且雜質含量高，預處理對于中國廚余垃圾處置非常重要。

綜合上述結論可以發(fā)現(xiàn)，我國廚余垃圾領域亟待進一步研究的課題主要集中在3個方面。第一，如何提高居民生活垃圾分類意識，提高生活垃圾中廚余垃圾的分選效率，降低廚余垃圾中的雜質比率，是廚余垃圾分類中亟待解決的問題。第二，在目前廚余垃圾雜質率較高的現(xiàn)狀下，開發(fā)更加高效可行的預處理技術，是破除現(xiàn)有技術瓶頸的核心方向。第三，如何控制黑水虻生物處置技術中的二次污染，是廚余垃圾新興資源化處置的后續(xù)程序中亟待解決的問題。