城市餐廚垃圾資源化處理的研究進(jìn)展

收稿日期：2024-03-05

基金項目：陜西省重點研發(fā)計劃“農(nóng)村有機易腐垃圾智能化處理與高效安全資源化利用技術(shù)研發(fā)”（2023-YBNY-271）；西安市社會發(fā)展科技創(chuàng)新示范項目“餐廚垃圾分散處理及資源化利用技術(shù)裝備研發(fā)與示范”（2023JH-SFKC-0003）；深圳市可持續(xù)發(fā)展科技專項“餐廚垃圾高效無害化與資源化處理技術(shù)研究及應(yīng)用”（KCXFZ20201221173004012：專2021N030）；西北工業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革研究項目“西北工業(yè)大學(xué)‘碳中和’研學(xué)特色體系課程建設(shè)——‘碳’索未來”（ST2023JGY07）。

作者簡介：謝斌（1998—），男，江西贛州人，碩士。研究方向：有機易腐垃圾資源化利用。

通信作者：孫然（1984—），女，河北石家莊人，博士，副研究員。研究方向：有機易腐垃圾資源化利用。

摘要：城市餐廚垃圾逐年增加，產(chǎn)生量大，組成復(fù)雜，同時含有豐富的有機物、蛋白質(zhì)和油脂等，具有非常廣闊的資源化利用前景。傳統(tǒng)的餐廚垃圾處理方式對生態(tài)環(huán)境和居民健康構(gòu)成潛在威脅，已不適應(yīng)當(dāng)前的發(fā)展環(huán)境。無害化、減量化和資源化是未來餐廚垃圾處置的發(fā)展方向。結(jié)合餐廚垃圾的組成與特性，分析傳統(tǒng)處理方式，并綜述餐廚垃圾資源化處理技術(shù)的研究進(jìn)展，以更好地實現(xiàn)資源化利用。

關(guān)鍵詞：餐廚垃圾；資源化；好氧堆肥；厭氧消化；飼料化；生物柴油

中圖分類號：X799.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）05-0-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.05.035

Research progress on the resource treatment of urban kitchen waste

XIE Bin1， YANG Tao1， LI Wenzhuo1， CAI Jialve1， SUN Ran1，2

（1. School of Chemistry and Chemical Engineering， Northwestern Polytechnical University， Xi’an 710129， China;

2. Shenzhen Research Institute of Northwestern Polytechnical University， Shenzhen 518063， China）

Abstract： Urban kitchen waste is increasing year by year， with a large amount of production and complex composition， as well as rich organic matter， protein， and oil， which has a very broad prospect for resource utilization. The traditional way of handling kitchen waste poses a potential threat to the ecological environment and the health of residents， and is no longer suitable for the current development environment. Harmlessness， reduction， and resource utilization are the future development directions for the disposal of kitchen waste. Based on the composition and characteristics of kitchen waste， the traditional treatment methods are analyzed， and the research progress of resource utilization technology for kitchen waste is summarized， in order to better achieve resource utilization.

Keywords： kitchen waste; resource utilization; aerobic composting; anaerobic digestion; feed conversion; biodiesel fuel

城市餐廚垃圾是指城市居民、學(xué)校餐館和企業(yè)工廠等在日常生活生產(chǎn)中產(chǎn)生的垃圾。餐廚垃圾中，碳水化合物、油脂和蛋白質(zhì)占比較高。如表1、表2所示，餐廚垃圾來源廣泛，組成復(fù)雜，含水率高[1]，不便于收集運輸和后續(xù)處理。若不及時處理，則極易腐敗變質(zhì)，滋生各類微生物，影響城市環(huán)境衛(wèi)生，危害城市居民健康。高含鹽量、高油脂量和高有機物量等又使得餐廚垃圾具有可資源化的性質(zhì)，好氧堆肥、厭氧消化、飼料化和生產(chǎn)生物柴油等處理技術(shù)則可將餐廚垃圾變廢為寶。餐廚垃圾作為城市生活垃圾的重要組成部分，在我國大中城市中占據(jù)較大的比例，其中上海市為72.49%，北京市為63.39%，廣州市為54.43%，蘭州市為55.99%，青島市為69.00%，沈陽市為60.97%[2]。我國餐廚垃圾產(chǎn)生量極大，目前，年產(chǎn)生量已經(jīng)超過1億t，每年仍以10%的速率增長。我國餐廚垃圾的處理能力僅為3.44萬t/d，無法滿足需求[3]。

1 餐廚垃圾傳統(tǒng)處理方式

餐廚垃圾的傳統(tǒng)處理工藝有填埋、焚燒和喂養(yǎng)禽畜等。這些處理方式雖然簡單快捷，但是很難保證餐廚垃圾的無害化，導(dǎo)致其資源化程度低。

1.1 填埋

通常由于未將餐廚垃圾與其他生活垃圾分揀開來，大多直接轉(zhuǎn)運至填埋場進(jìn)行簡單填埋。這種方式處理量大，操作簡單。餐廚垃圾含有大量有機物，填埋后通過厭氧發(fā)酵降解。餐廚垃圾含水量高，若填埋不合理或填埋場選址不當(dāng)，則易發(fā)生滲漏，造成附近土壤和地下水的污染。填埋還易產(chǎn)生甲烷和二氧化碳，存在安全隱患。衛(wèi)生填埋能避免滲漏等問題，但同樣需要占用大量土地，餐廚垃圾含有的大量有機物和油脂等資源得不到利用。

1.2 焚燒

對餐廚垃圾進(jìn)行高溫焚燒，使其含有的有機物等徹底氧化分解，產(chǎn)生的熱能可用于制熱和發(fā)電，能夠很好地達(dá)到減量化和無害化的要求。但是，餐廚垃圾含有大量水分，熱值低，通常需要進(jìn)行脫水處理或者加入輔助燃料，使其燃燒徹底，增大處理成本。水分蒸發(fā)易造成餐廚垃圾燃燒不充分，產(chǎn)生二噁英等有害氣體，造成二次污染。

1.3 喂養(yǎng)禽畜

城市餐廚垃圾含有豐富的有機物、蛋白質(zhì)和油脂等物質(zhì)，不少養(yǎng)殖戶會將各餐飲店、學(xué)校及工廠產(chǎn)生的餐廚垃圾直接喂養(yǎng)禽畜。餐廚垃圾通?；煊兴芰稀⑾礉崉┖徒饘俳z等垃圾，同時混有禽畜的肉、骨及各類內(nèi)臟等，若被同類禽畜食用，則容易造成同源性污染，造成喂養(yǎng)的禽畜感染病毒，傳染疾病，再通過生物鏈傳染給人類，引起人畜交叉感染等衛(wèi)生安全問題。我國多地已經(jīng)出臺相關(guān)法規(guī)，禁止直接用餐廚垃圾喂養(yǎng)禽畜。

2 餐廚垃圾資源化處理技術(shù)

傳統(tǒng)的餐廚垃圾處理技術(shù)資源化利用率不高，容易破壞生態(tài)環(huán)境，影響居民健康。近年來，我國對餐廚垃圾資源化處理越來越重視，出臺相關(guān)政策，建立餐廚垃圾管理制度。城市餐廚垃圾資源化處理不僅有助于改善環(huán)境，而且有利于資源回收利用，促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展。

2.1 好氧堆肥

餐廚垃圾含有大量的有機物和N、P、K等營養(yǎng)元素，具有比傳統(tǒng)肥料更豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，可用于制成有機肥或土壤改良劑，實現(xiàn)資源化利用。餐廚垃圾好氧堆肥是指在有氧條件下，借助微生物將餐廚垃圾含有的有機物質(zhì)分解成小分子物質(zhì)和二氧化碳等，在給微生物提供生存繁殖所需能量的同時，轉(zhuǎn)化成土壤改良所需的重要物質(zhì)——腐殖質(zhì)。餐廚垃圾中的各類蟲卵、寄生蟲和致病菌也會在好氧堆肥的高溫處理下被殺死，可減少環(huán)境污染和疾病的產(chǎn)生。餐廚垃圾好氧堆肥分成堆肥物料配比階段、一次高溫發(fā)酵階段和二次高溫腐熟階段，制備出資源化產(chǎn)品質(zhì)量占比高和養(yǎng)分含量達(dá)標(biāo)的有機肥。

2.2 厭氧消化

厭氧消化是指在無氧條件下，通過厭氧微生物將餐廚垃圾含有的有機物降解，再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化甲烷、二氧化碳和其他穩(wěn)定物質(zhì)，從而實現(xiàn)餐廚垃圾無害化、資源化。厭氧消化通?？煞譃?個階段，即水解、酸化、乙酸化和甲烷化。厭氧消化封閉式處理環(huán)境污染小，產(chǎn)品豐富，用途廣，資源化利用程度高，應(yīng)用前景廣闊。

2.2.1 制甲烷

甲烷是沼氣的主要成分，是一種清潔能源。餐廚垃圾含有大量有機物和高碳氮比，易在厭氧消化中酸化，造成體系不穩(wěn)定，影響甲烷產(chǎn)率。通常，利用接種物降低碳氮比，使體系穩(wěn)定，增加甲烷產(chǎn)量。周雨綺等[4]研究發(fā)現(xiàn)，在中溫條件下，污泥-餐廚垃圾聯(lián)合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫時，隨著污泥接種量的增加，甲烷產(chǎn)率先增后減，污泥接種量為30%，最有利于體系制備甲烷，甲烷產(chǎn)率最大。

2.2.2 制氫

氫氣是厭氧酸化階段的中間產(chǎn)物，是一種新型的清潔能源，熱值高。餐廚垃圾制備氫氣，受溫度、pH、氨氮含量和接種物等因素的影響。王勇等[5]以丁酸型厭氧發(fā)酵為基礎(chǔ)，利用餐廚垃圾制氫，溫度為55 ℃且初始pH為6.0時，產(chǎn)氫效果最佳，條件優(yōu)化可以有效提高餐廚垃圾產(chǎn)氫量。

2.2.3 制乙醇

將餐廚垃圾中淀粉、纖維素等碳水化合物通過水解還原成糖類，再通過酵母菌等微生物發(fā)酵將其轉(zhuǎn)化成生物燃料乙醇，是餐廚垃圾資源化的重要發(fā)展方向。餐廚垃圾制備乙醇需要經(jīng)歷4個階段，即預(yù)處理、水解、發(fā)酵和純化，而水解和發(fā)酵是制乙醇的關(guān)鍵步驟。劉愛民等[6]先利用根霉菌和枯草芽孢桿菌對餐廚垃圾進(jìn)行糖化，再接種啤酒酵母菌，通過發(fā)酵產(chǎn)燃料乙醇，其間通過探究接種菌落類型、接種量、含水率和發(fā)酵時間等影響因素，優(yōu)化發(fā)酵條件，獲得產(chǎn)率最高可達(dá)6.67%的燃料乙醇。

2.3 飼料化

隨著養(yǎng)殖業(yè)的蓬勃發(fā)展，飼料需求量不斷增加。餐廚垃圾含有大量的淀粉、油脂和蛋白質(zhì)，可代替玉米、大豆和魚粉等制作高蛋白飼料，實現(xiàn)資源回收利用。但是，餐廚垃圾可能含有多種病菌，容易引起同源性污染，餐廚垃圾飼料化必須執(zhí)行嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。餐廚垃圾飼料化工藝主要分為物理法和生物法。物理法是指對餐廚垃圾進(jìn)行脫水處理、高溫殺菌、干燥和粉碎等處理，關(guān)鍵在于高溫殺死病菌、蟲卵和寄生蟲等，但并不能完全避免同源性污染。生物法是利用微生物發(fā)酵、昆蟲養(yǎng)殖技術(shù)（黃粉蟲、黑水虻和蠅蛆等昆蟲）將餐廚垃圾轉(zhuǎn)化成高蛋白飼料。

2.4 生產(chǎn)生物柴油

生物柴油是一種環(huán)境友好且可再生的生物質(zhì)燃油，以動植物油脂為原料，通過酯交換技術(shù)產(chǎn)生脂肪酸單烷基酯。餐廚垃圾含有大量的廢油脂，其理化性質(zhì)和動植物油接近，經(jīng)預(yù)處理可作為生物柴油生產(chǎn)的原料。餐廚垃圾制備生物柴油，可以有效消納廢油脂，變廢為寶，帶來經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。先提煉廢油脂，再對其進(jìn)行預(yù)處理（除雜、脫酸、脫色和脫水）。酯交換法是目前最成熟的生物柴油生產(chǎn)技術(shù)，包括酸催化法、堿催化法和生物酶法等。酯交換法可用于處理餐廚垃圾，制取生物柴油，目前已經(jīng)實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，但仍面臨規(guī)模小、供需不穩(wěn)定和效益低等問題，而生物柴油優(yōu)勢突出，在能源緊缺的當(dāng)下成為研究熱點。

3 結(jié)語

目前，餐廚垃圾資源化處理依舊存在許多問題。一是垃圾收運體系與分類分揀系統(tǒng)不完善；二是好氧堆肥周期長，產(chǎn)品品質(zhì)受餐廚垃圾組分影響大；三是厭氧消化沼渣沼液處理困難；四是飼料化規(guī)模小，存在食品安全隱患；五是制取生物柴油的工業(yè)化規(guī)模小，經(jīng)濟效益低。要加大對餐廚垃圾資源化的研究，不斷完善資源化處理工藝，加強資源化與工業(yè)化生產(chǎn)，對餐廚垃圾進(jìn)行綜合回收利用。要不斷出臺餐廚垃圾資源化政策，完善監(jiān)督管理制度，實現(xiàn)城市餐廚垃圾資源化的全覆蓋。

參考文獻(xiàn)

1 劉奕清.餐廚垃圾綜合利用探討[J].皮革制作與環(huán)保科技，2021（21）：128-129.

2 劉偉建，趙高輝.城市生活垃圾資源化綜合處理技術(shù)研究和應(yīng)用進(jìn)展[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2019（34）：40-47.

3 祝曉燕，陳 婷，趙瑩瑩，等.我國餐廚垃圾資源化處理規(guī)模的影響因素統(tǒng)計學(xué)分析[J].環(huán)境工程，2021（3）：172-177.

4 周雨綺，許俊超，桌桂華，等.中溫條件下污泥接種量對污泥-餐廚垃圾聯(lián)合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫余物產(chǎn)甲烷的影響[J].環(huán)境工程，2021（6）：

144-149.

5 王 勇，任連海，趙 冰，等.初始pH和溫度對餐廚垃圾厭氧發(fā)酵制氫的影響[J].環(huán)境工程學(xué)報，2017（12）：6470-6476.

6 劉愛民，徐雙鎖，蔡 欣，等.餐廚垃圾混菌發(fā)酵制備燃料乙醇[J].環(huán)境工程學(xué)報，2013（2）：727-731.