易腐垃圾處理技術(shù)及其效果研究進展

蒯偉，徐艷，李厚禹，張春雪，成衛(wèi)民，鄭向群

（1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護科研監(jiān)測所，天津 300191；2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，武漢 430070）

2017 年3 月30 日，國家發(fā)展改革委、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布《生活垃圾分類制度實施方案》，將生活垃圾分為有害垃圾、可回收垃圾、易腐垃圾和其他垃圾四類[1]。實際上，濕垃圾、有機垃圾、餐廚垃圾都屬于易腐垃圾的范疇，在《杭州市生活垃圾管理條例》中，“餐廚垃圾”則被改名為“易腐垃圾”[2]。故本文針對以餐廚垃圾為主的易腐爛、含大量有機質(zhì)的易腐垃圾進行探討。研究表明，全球生產(chǎn)的食物中30%～50%未被利用而直接丟棄，成為易腐垃圾的主要來源[3]。在我國，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，居民生活水平大幅提升，生活垃圾中易腐垃圾所占比例也越來越高。據(jù)統(tǒng)計，以餐廚垃圾和家庭廚余垃圾為主的易腐垃圾占生活垃圾總產(chǎn)量的45%左右[4]。與生活垃圾相比，易腐垃圾含有更為豐富的營養(yǎng)元素和有機物質(zhì)，具有很大的資源化利用價值。然而由于其具有的高含水率和高易腐性等特點[5]，易腐垃圾極易腐敗變質(zhì)，散發(fā)惡臭，傳播細(xì)菌和病毒，給環(huán)境帶來巨大的污染，甚至危及人體健康[6]。

2016 年6 月，國家發(fā)展改革委、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《垃圾強制分類制度方案》征求意見稿[7]中明確到2020 年底生活垃圾回收利用率要在35%以上，其中易腐垃圾的回收利用是促使生活垃圾回收率達到目標(biāo)值的主要措施之一。因此，應(yīng)對易腐垃圾進行合理和有效的管理，使其成為寶貴的資源，最大程度利用易腐垃圾，同時減少其對環(huán)境的影響[8]。故在垃圾分類措施實行的背景下，如何根據(jù)易腐垃圾的特性選擇最佳的處置技術(shù)，從而最大程度資源化利用易腐垃圾是我國亟需解決的問題。鑒于此，本文針對現(xiàn)有易腐垃圾處理處置技術(shù)及其處理效果進行概述和分析，歸納現(xiàn)有易腐垃圾處理技術(shù)的原理、處理效果以及不足，為易腐垃圾處理工藝選擇與改進提供理論支持。

1 易腐垃圾的來源及特征

易腐垃圾是指易腐爛、含有機質(zhì)的生活垃圾，其與《生活垃圾分類標(biāo)志》國家標(biāo)準(zhǔn)中廚余垃圾的定義一致。因此，餐廚垃圾、家庭廚余垃圾及其他廚余垃圾均屬于易腐垃圾的范疇[9]。其中，家庭廚余垃圾來源分散且數(shù)量龐大，難以管理，且含水率高，脂肪、蛋白質(zhì)等有機物含量高，熱值相對較低[10]。而餐廚垃圾是易腐垃圾的主要組成部分，其成分復(fù)雜且產(chǎn)量較高，占城市固體廢棄物總量的36.5%～76.0%[11]。2010年我國餐廚垃圾的總產(chǎn)量約為9 000 萬t，據(jù)估算，2020 年我國餐廚垃圾的總產(chǎn)量達到12 000 萬t[12]。其他廚余垃圾則含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，如總糖、脂肪和纖維素等[13]。易腐垃圾中豐富的營養(yǎng)物質(zhì)是其能被資源化利用的重要依據(jù)。易腐垃圾的特點如表1所示。

表1 易腐垃圾的來源及特點Table 1 Sources and characteristics of perishable waste

2 易腐垃圾傳統(tǒng)處理技術(shù)及應(yīng)用

易腐垃圾的傳統(tǒng)處理技術(shù)主要通過物理或化學(xué)手段直接實現(xiàn)對易腐垃圾快速減量化處理，如填埋、焚燒和粉碎直排等。在我國，易腐垃圾往往與其他生活垃圾混合收集后進行填埋，從而實現(xiàn)易腐垃圾的快速減量化，該方式成本較低、操作簡單直接[17]。然而，由于易腐垃圾含水率高，會產(chǎn)生垃圾滲濾液，造成蚊蟲滋生、老鼠為患等后果，從而影響填埋場周圍的生態(tài)環(huán)境，對地下水和大氣造成二次污染。因此，國外對易腐垃圾填埋處理技術(shù)的使用進行一定程度的限制，如英國1999 年頒布填埋限額交易法案和實行填埋稅政策對易腐垃圾的填埋進行限制，德國從2005年開始要求填埋物中的總有機碳不得高于5%，禁止易腐垃圾未經(jīng)處理直接填埋，提倡改用其他更加環(huán)保、高效的處理技術(shù)提高易腐垃圾的回收和資源化利用率[18]。

垃圾焚燒被認(rèn)為是易腐垃圾減量和降低危害最快速的工藝[19]。早在20 世紀(jì)90 年代，我國便開始使用焚燒的方式處理易腐垃圾，夢燒處理技術(shù)具有處理量大、減容性好、產(chǎn)生的熱量可以用于發(fā)電等優(yōu)勢[20]。易腐垃圾往往與日常生活中所丟棄的包裝袋、餐巾紙等混合后進行焚燒，焚燒過后，混合垃圾減量化效果明顯，其體積約減小95%，質(zhì)量約減少75%[21]。在資源化利用方面，通常利用易腐垃圾焚燒過程所產(chǎn)生的熱值發(fā)電，與此同時，垃圾焚燒技術(shù)具有占地面積小的優(yōu)勢，焚燒所產(chǎn)生的熱量可用于供暖，適合在用地緊張且寒冷的地區(qū)推廣。但易腐垃圾含水率高，且焚燒所產(chǎn)熱值相對較低，使易腐垃圾焚燒發(fā)電的成本增加，不利于能源化利用[22]。此外，易腐垃圾的高含鹽量會使其在燃燒過程中產(chǎn)生二噁英等有毒氣體，污染大氣環(huán)境，進而損害人體健康。

粉碎直排是一種利用廚房配置的機械研磨裝置將餐廚垃圾粉碎后直接排入市政下水道管網(wǎng)的手段[23]。此類粉碎研磨裝置可以一定程度上解決下水道堵塞問題，避免餐廚垃圾隨意丟棄和轉(zhuǎn)運途中產(chǎn)生的二次污染。然而，其在易腐垃圾的資源化利用方面幾乎沒有優(yōu)勢，原因是我國易腐垃圾油脂含量高，極易在管道中凝結(jié)成塊，從而堵塞管網(wǎng)，滋生細(xì)菌，增加市政下水道管網(wǎng)的負(fù)荷[24]。鑒于此，粉碎直排處理技術(shù)僅適用于處理家庭廚余垃圾產(chǎn)量少的情況。同時，該技術(shù)也增加了污水處理的負(fù)擔(dān)，故未被廣泛推廣應(yīng)用。這也是雖然超過94%的美國家庭被允許安裝粉碎裝置，但累計安裝率卻僅占50%的原因[25]。在我國，雖然粉碎直排技術(shù)已引進多年，但考慮到其耗水耗電，成本較高，且會給下水道和污水處理帶來額外的負(fù)荷，因此使用量亦較少[26]。

綜上所述，傳統(tǒng)的處理技術(shù)雖然可以對大部分易腐垃圾進行有效的減量化處理，但是由于土地資源匱乏的局面不斷提升、易腐垃圾產(chǎn)量逐年上漲、環(huán)境整治力度不斷加強等原因，填埋、焚燒和粉碎直排等傳統(tǒng)處理技術(shù)已不再適用于當(dāng)前階段的易腐垃圾處理。而易腐垃圾中含有大量的有機成分，選用合適的技術(shù)進行處理和加工，可以將其轉(zhuǎn)化為新的資源進一步利用。

3 易腐垃圾生物資源化利用技術(shù)及應(yīng)用

3.1 飼料化處理技術(shù)

飼料化處理技術(shù)是使用時間較早、技術(shù)成熟且普及程度范圍廣的生物資源化技術(shù)，其主要針對的是以餐廚垃圾為主的易腐垃圾。目前，飼料化處理技術(shù)以高溫脫水制干飼料和生物處理制蛋白為主要的生產(chǎn)模式。其中，高溫脫水有利于易腐垃圾中病菌和寄生蟲的滅活，而生物處理則是利用微生物本身及其發(fā)酵產(chǎn)生的蛋白分泌物生產(chǎn)蛋白飼料[27]。王孝強等[28]利用乳酸菌對易腐垃圾進行發(fā)酵，制成蛋白質(zhì)飼料，發(fā)現(xiàn)其蛋白含量最高可達31.1%。自20 世紀(jì)80 年代起，美國、日本等國家就開展了易腐垃圾無害化加工處理后用作飼料的研究[28]。目前，城市中較為成熟的飼料化方法是將制粒技術(shù)、擠壓膨化和干燥技術(shù)綜合利用，利用易腐垃圾被擠壓所產(chǎn)生的溫度殺滅潛在的病原菌，其相關(guān)配套設(shè)施已投入市場生產(chǎn)并運行使用[29]。此外，在我國和東南亞一些國家衍生出了一種新的飼料化技術(shù)，該技術(shù)是將蠅類幼蟲接種到易腐垃圾上，使幼蟲啃食易腐垃圾后快速生長，最終得到大量的昆蟲蛋白，其垃圾減量比例在70%以上[30]。然而，雖然飼料化處理技術(shù)具有操作簡單方便、資源化程度高的特點，但該技術(shù)要求產(chǎn)品干物質(zhì)中粗纖維含量＜18%，粗蛋白含量≥20%。相關(guān)研究表明，絕大部分的垃圾中粗蛋白含量低于20%，處理后的產(chǎn)品難以達到蛋白飼料的標(biāo)準(zhǔn)，同時存在同源污染的風(fēng)險，危害人體健康[31]。因此，未來飼料化處理技術(shù)的研究重點應(yīng)放在如何從根源上解決同源污染的問題及提升產(chǎn)品中蛋白的含量占比，有效解決我國蛋白質(zhì)飼料短缺的現(xiàn)狀。

3.2 厭氧發(fā)酵技術(shù)

厭氧發(fā)酵是指在無氧的條件下利用兼性厭氧微生物的代謝作用將易腐垃圾中的有機物分解為氫、甲烷和短鏈脂肪酸等小分子有機物及無機物的一種生物手段[32]。如圖1 所示，以易腐垃圾為底物的厭氧發(fā)酵工藝主要包括垃圾分類收集、預(yù)處理、厭氧發(fā)酵、固廢處理等步驟。按照厭氧發(fā)酵參數(shù)設(shè)置的不同，一般將厭氧發(fā)酵工藝分為干法、濕法、單相、多相、中溫、高溫、序批式和連續(xù)式厭氧發(fā)酵，各發(fā)酵工藝的效果對比如表2所示[33]。

表2 不同厭氧發(fā)酵工藝優(yōu)劣對比Table 2 Comparison of different anaerobic fermentation processes

圖1 厭氧發(fā)酵工藝流程Figure 1 Anaerobic fermentation process

在我國重慶、唐山、南寧等地，厭氧發(fā)酵是處理易腐垃圾的主流技術(shù)[34]。在國外，瑞士Komogas 厭氧消化廠利用易腐垃圾厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣，其沼氣產(chǎn)量可達3 200 m3·d-1，同時將發(fā)酵后的腐殖質(zhì)作為肥料使用[35]。厭氧發(fā)酵具有良好的環(huán)境效益，如可再生能源的產(chǎn)生、養(yǎng)分的循環(huán)利用及減少易腐垃圾數(shù)量等[36]。該技術(shù)的特點是自動化程度高，人工成本較低，所得產(chǎn)品價值較高，且在國內(nèi)接受度普遍較高，綜合減量化比例可高達85%[37]。通過厭氧發(fā)酵技術(shù)對易腐垃圾進行資源化利用，其產(chǎn)生的沼氣用作發(fā)電，在一定程度上減輕了我國能源短缺的壓力，且經(jīng)濟效益較高。然而，由于我國地區(qū)差異及易腐垃圾高油高鹽的特性，厭氧發(fā)酵工藝也存在一些弊端，例如：①易腐垃圾高油脂、高鹽量的特點在發(fā)酵過程中嚴(yán)重影響微生物的生長，厭氧發(fā)酵達不到理想效果；②對資金要求較高，且工藝復(fù)雜、管理困難，難以保持穩(wěn)定運行。

此外，厭氧發(fā)酵技術(shù)對發(fā)酵條件的要求極為嚴(yán)格，尤其是對發(fā)酵菌種的選擇。然而，易腐垃圾高油高鹽的典型特征導(dǎo)致多數(shù)厭氧細(xì)菌發(fā)酵效率低甚至難以存活。同時，由于缺乏耐低溫厭氧菌種，厭氧發(fā)酵技術(shù)難以在我國寒冷地區(qū)推廣使用。因此，針對厭氧發(fā)酵技術(shù)的限制因素，篩選新型耐鹽與耐低溫厭氧菌是目前亟待解決的問題。

3.3 好氧堆肥技術(shù)

好氧堆肥是好氧微生物在有氧條件下，將易腐垃圾中的有機物轉(zhuǎn)化為無機物質(zhì)，同時釋放能量的過程[36]。而易腐垃圾有機質(zhì)含量豐富，營養(yǎng)元素全面，有利于微生物的生長繁殖，適宜利用好氧堆肥工藝進行處理。好氧堆肥技術(shù)主要包括傳統(tǒng)好氧堆肥與高溫好氧堆肥兩類。傳統(tǒng)好氧堆肥可利用易腐垃圾中土著微生物分解有機質(zhì)，此方式成本低、簡單易操作，但占地面積大。高溫好氧堆肥相較于傳統(tǒng)好氧堆肥，其減量化作用明顯，占地較小，堆肥產(chǎn)生的高溫有利于去除易腐垃圾中的病原微生物[38]。圖2 為以易腐垃圾為底物的好氧堆肥工藝流程。CHANG 等[39]對自制的易腐垃圾進行堆肥試驗，結(jié)果表明好氧堆肥發(fā)酵周期較短，能在4 d內(nèi)完成堆肥，實現(xiàn)對易腐垃圾的資源化利用。余培斌等[38]從腐熟后的易腐垃圾中篩選出了枯草芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌和地衣芽孢桿菌，制成復(fù)合菌劑用于易腐垃圾的好氧堆肥，結(jié)果表明該復(fù)合菌劑不僅縮短堆肥周期，且使易腐垃圾的降解率提高了31%。王春雨等[40]則利用罐式好氧發(fā)酵堆肥處理易腐垃圾，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)有效地改善了原生垃圾填埋現(xiàn)狀，減少90%需要填埋的易腐垃圾，在延長垃圾填埋場使用壽命的同時，也一定程度上實現(xiàn)了資源化、減量化、無害化的目標(biāo)。此外，在好氧堆肥的基礎(chǔ)上引入蚯蚓，利用其豐富的酶系統(tǒng)也可將易腐垃圾中的有機物質(zhì)進一步轉(zhuǎn)化為可直接利用的營養(yǎng)物質(zhì)，從而提高對易腐垃圾的資源化利用效率[41]。

圖2 高溫好氧堆肥工藝流程Figure 2 High-temperature aerobic composting process

通過好氧堆肥的方式可以獲得較穩(wěn)定、高肥效的腐殖質(zhì)，且操作簡單、發(fā)酵周期較短、對環(huán)境的污染小、便于機械化操作[42]。然而，國內(nèi)好氧堆肥多數(shù)采用條垛式或窄槽、淺槽堆肥的方式，對土地面積的需求較大，同時堆肥環(huán)境難以控制[43]。此外，易腐垃圾來源廣泛、發(fā)酵時間短、成分復(fù)雜，通過好氧堆肥生產(chǎn)的肥料中雜質(zhì)較多，產(chǎn)出的肥料品質(zhì)難以保障[37]。

因此，鑒于好氧發(fā)酵技術(shù)對于土地面積的需求較大，此項技術(shù)更適合在土地相對富余的農(nóng)村地區(qū)推廣，而不適合在土地資源短缺的城市推廣使用。此外，針對好氧發(fā)酵堆肥產(chǎn)品質(zhì)量差的問題，可以結(jié)合垃圾分類措施對垃圾進行初步篩選，進而聯(lián)合預(yù)處理、多次發(fā)酵等手段改善堆肥質(zhì)量。

4 其他處理技術(shù)

易腐垃圾聯(lián)合生物處理技術(shù)是將兩種或多種生物處理過程組合起來，同時實現(xiàn)對兩種或兩種以上廢物的減量化、無害化和資源化利用，從而減少分支處理流程、提高廢棄物處理效率的技術(shù)手段。ZHANG等[44]發(fā)現(xiàn)將黑水與易腐垃圾復(fù)合發(fā)酵可以提高黑水中能量的回收率和易腐垃圾的利用率。李思宇等[45]在剩余污泥與易腐垃圾混合發(fā)酵的研究中指出，單獨的污泥發(fā)酵有機質(zhì)不足，單獨的易腐垃圾發(fā)酵有機質(zhì)過多，易導(dǎo)致發(fā)酵環(huán)境酸化。因此，污泥與易腐垃圾混合發(fā)酵可作為城市固廢垃圾資源化和集約化處理的新途徑。

熱解技術(shù)的出現(xiàn)為我國易腐垃圾的處理提供了新的思路，即在無氧或者缺氧的條件下對易腐垃圾進行加熱，將復(fù)雜的有機物質(zhì)分解為固體殘渣[46]。近年來，易腐垃圾的熱解研究日益活躍，有研究者利用熱解技術(shù)開發(fā)的裝備處理填埋場腐熟后的垃圾，可將易腐垃圾減量95%[21]。上海市采用的熱解炭化工藝將易腐垃圾脫水烘干后炭化為可燃燒炭，產(chǎn)炭率可以達到3%～10%[47]。黃云龍等[48]對易腐垃圾熱解產(chǎn)物進行分析，結(jié)果表明易腐垃圾熱解產(chǎn)生的氣體主要是一氧化碳和甲烷，固體產(chǎn)物為焦炭，液體產(chǎn)物為焦油，皆可作為燃料使用。易腐垃圾熱解技術(shù)有效避免了二次污染的產(chǎn)生，且產(chǎn)物極具利用價值，是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ奶幚砑夹g(shù)。

此外，ANTONOPOULOU 等[49]研究出易腐垃圾萃取液作為微生物燃料電池的底物發(fā)電技術(shù)。易腐垃圾中的生物質(zhì)可作為微生物燃料電池發(fā)電的理想基質(zhì)，極具應(yīng)用前景。

5 垃圾分類對易腐垃圾處理的影響

易腐垃圾通常與生活垃圾混合收集，含有玻璃、渣石等雜質(zhì)，甚至還含有重金屬等物質(zhì)[50]。這不僅增大了易腐垃圾的體積，而且增加了處理成本。同時，在垃圾清理頻率較低的農(nóng)村地區(qū)，易腐垃圾在炎熱的季節(jié)極易腐爛，長時間的堆積或運輸途中刺鼻氣味的散發(fā)將導(dǎo)致大氣污染，加劇環(huán)境問題，危害人體健康。而垃圾經(jīng)分類收集后，易腐垃圾被單獨分離出來，采用封閉式的收集桶進行收納，置于指定地點，便于后續(xù)處理?？梢罁?jù)不同地區(qū)和不同垃圾類型制定相應(yīng)的運輸模式[51]，由垃圾清運人員定時收集并運輸至垃圾處理廠。垃圾分類可在緩解垃圾處理廠處理壓力的同時，有效避免對環(huán)境和垃圾收集員健康造成的不良影響。

此外，未經(jīng)垃圾分類而被收集來的垃圾雜質(zhì)較多，因此需要對其進行分選、脫水等前處理。這不僅增加了易腐垃圾的處理難度和成本，而且在預(yù)處理過程中還會導(dǎo)致易腐垃圾的流失，造成資源浪費[52]。未經(jīng)分類收集的易腐垃圾中可降解的有機部分與不可降解的玻璃瓶、易拉罐等混合[53]，可能使易腐垃圾資源化處理所得到的產(chǎn)品（如肥料、飼料等）中殘留抗生素、重金屬等，從而威脅環(huán)境安全，甚至危害人體健康。而垃圾經(jīng)分類收集后，可以減少處理前的分選等步驟，從而降低成本，提高易腐垃圾的處理效率，同時，飼料化處理技術(shù)所產(chǎn)生的“同源污染”等食品安全問題也可以得到有效解決。此外，分類后易腐垃圾中的重金屬、抗生素和有機污染物含量會大幅下降，經(jīng)過堆肥或飼料化所得到的肥料、飼料等農(nóng)用產(chǎn)品的品質(zhì)得到有力保障。

6 展望

本文對易腐垃圾的來源及特征進行了歸納分析，概述了焚燒、填埋、飼料化處理、粉碎直排、厭氧發(fā)酵、好氧堆肥等處理方法，同時總結(jié)了這些易腐垃圾處理技術(shù)的效果和優(yōu)劣，并就垃圾分類措施對易腐垃圾處理的影響給出了一些見解。最后，基于垃圾分類的大背景，指出了易腐垃圾處理在地區(qū)差異、技術(shù)適用性等方面存在的一些問題，基于此，引發(fā)了關(guān)于我國未來對易腐垃圾處理的一些思考和想法：

（1）易腐垃圾的資源化利用技術(shù)對微生物菌種有一定的要求，在寒冷地區(qū)采用厭氧發(fā)酵或好氧堆肥技術(shù)時，低溫會限制微生物菌種的活力，降低發(fā)酵效率。因此，篩選耐低溫發(fā)酵菌是易腐垃圾資源化處理技術(shù)在寒冷地區(qū)推廣的技術(shù)重點之一。

（2）易腐垃圾具有含水率高和含鹽量高的共性，因此無論是采用傳統(tǒng)的處理技術(shù)還是對其進行資源化處理，都需要進行脫水與脫鹽處理。后續(xù)研究的重點應(yīng)聚焦易腐垃圾前處理中脫水脫鹽技術(shù)的研發(fā)與優(yōu)化，并綜合考慮既高效又低耗的經(jīng)濟要求。

（3）農(nóng)村與城市的易腐垃圾處理技術(shù)選擇標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)因地制宜。農(nóng)村的地理位置偏遠(yuǎn)，交通不便，缺乏易腐垃圾處理廠，為避免易腐垃圾運輸過程中出現(xiàn)泄漏和減少運輸成本，相關(guān)部門應(yīng)加強農(nóng)村地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，充分評估易腐垃圾處理技術(shù)在不同地區(qū)的可行性，提高對易腐垃圾的利用效率。而在城市中，則應(yīng)開發(fā)方便、占地面積小的處理技術(shù)。通過有效的方式對易腐垃圾進行回收，同時加大垃圾分類政策的執(zhí)行力度，從源頭上控制易腐垃圾的質(zhì)量。

（4）易腐垃圾具有攜帶和傳播病毒的風(fēng)險。傳統(tǒng)垃圾處理方式在收集、運輸與處置過程中，極易滋生蚊蠅，為病毒的遷移擴散提供途徑，增加交叉感染的風(fēng)險，從而威脅人體健康。鑒于此，應(yīng)避免異位處理或遠(yuǎn)距離運輸易腐垃圾，加強易腐垃圾原位預(yù)處理技術(shù)研究，降低病毒傳播的風(fēng)險。