餐厨垃圾处理技术现状与发展

伍建军 梁灿钦 林锦权

(1.东莞市环境科学研究所，广东东莞 523009;2.东莞市机动车排气污染监督管理所，广东东莞 523009)

餐厨垃圾是指居民日常生活以及食品加工、饮食服务、单位供餐等活动中产生的剩饭剩菜等垃圾和废弃食用油脂，餐厨垃圾不仅来自大型食堂、餐饮酒店等相对集中源，而且还来源于千万家庭，其产生量巨大，按月产生系数为1吨/万人估算，全国13.4亿人口，餐厨垃圾月产生量预计达到13.4万吨。如果不加处理，餐厨垃圾极易变质、腐烂、发酵，滋生蚊蝇，产生大量毒素及散发恶臭气体，从而污染水体和大气。

餐厨垃圾作为城市有机生活垃圾的主要成分［1］，因其高水分、高油脂、高盐分以及易腐发臭、易生物降解等特点［2］，不宜直接填埋和焚烧。当前餐厨垃圾处理主要以资源化为导向，经多年的探索和发展，出现了饲料化、好氧堆肥化和厌氧发酵能源化等技术工艺。本文对餐厨垃圾处理工艺的研究进展进行了综述，分析了各种技术存在的优缺点，并就当前技术存在的短板，提出了今后改进和发展的方向。

1 餐厨垃圾饲料化

餐厨垃圾饲料化是目前国内常用的处理方法之一。餐厨垃圾饲料化有物理和生物两种途径:①物理途径——直接将厨余垃圾脱水后进行干燥消毒，粉碎后制成饲料;②生物途径——利用微生物菌体将厨余垃圾进行发酵，并通过微生物不断地生长繁殖和新陈代谢，使发酵体积累有用的菌体、酶和中间体，而后将这些发酵体烘干后制成蛋白饲料。

针对餐厨垃圾饲料化的工序，研究人员开展了不同方向的研究，其中，以生物学研究内容居多，如龚仁等［3］对热带假丝酵母、黑曲霉、枯草芽孢杆菌、解脂假丝酵母在经处理后的餐厨垃圾上混合发酵进行了研究，在最佳试验工艺条件下，所得生物蛋白饲料粗蛋白、粗脂肪、灰分、粗纤维、水分含量分别为28.57%、2.16%、1.27%、2.09%、15.73%，且有酒香味，适口性好。而王孝强等人［4］探讨了餐厨垃圾乳酸发酵残渣制取饲料蛋白的可行性，Plack-ett-Burman试验研究表明，残渣中残留的乳酸菌和乳酸盐对酵母发酵无影响，影响残渣酵母发酵的因素是酸性环境，酵母发酵前发酵底物无须灭菌。尿素最佳添加量为2.5%，最佳条件下发酵饲料中的真蛋白含量可高达31.1%，与餐厨垃圾乳酸发酵残渣中真蛋白含量 (14.7%)相比，提高了1倍。

餐厨垃圾饲料化属于较为成熟的工艺，但由于餐厨垃圾除了含有丰富营养外，还有很多如牙签、纸巾、砂砾、铁丝、牙签、塑料等杂质，以及影响饲料品质的油分、盐分等成分，因此如何提高饲料质量是餐厨垃圾饲料化的关键。针对上述问题，笔者建议:一是将餐厨垃圾进行源头精确分类，禁止牙签、纸巾、砂砾、铁丝、牙签、塑料等杂质混入餐厨垃圾中，但这涉及到人的行为习惯和个人修养问题，需要持续宣传和实践;二是开发餐厨垃圾油水分离装置，高效去除餐厨垃圾油分，并实行油分的资源化;而盐分问题，一方面可以采用水冲洗的方式，使餐厨垃圾淡化，亦可以只将餐厨垃圾饲料产品作为普通饲料的添加剂使用，但此举的市场消纳量有限。

然而，餐厨垃圾饲料化虽然工艺简单、产品附加值高，并深受国内环保公司的青睐。但由于存在“霉菌毒素、同源病毒”等风险问题［5］，西方部分国家曾颁布法律禁止将餐厨垃圾用作饲料。鉴于安全方面考虑，本着缓解和降低风险的目的，国内也亟需出台餐厨垃圾饲料化工艺的规范和标准。

2 餐厨垃圾堆肥化

餐厨垃圾堆肥化也是一个微生物的转化过程，即利用微生物对餐厨垃圾中的有机质实现降解的过程，最终生成稳定的富含腐殖质的有机肥料。从养分分析，餐厨垃圾含有较高的有机质、低碳氮比，是一种极易降解腐熟的物料。但餐厨垃圾堆肥也受到物料自身特性的影响，体现为含水率高、容重高、盐分高 (即“三高”)的特点。基于“三高”特点，科学家们对餐厨垃圾堆肥工艺进行了许多有针对性的优化研究。

调理剂及物料配比方面，邹德勋等［6］分别使用玉米秸秆与菌糠作为餐厨垃圾的堆肥调理剂，进行堆肥1次发酵对比试验，研究表明，菌糠是一种优于玉米秸秆的良好调理剂，餐厨垃圾与菌糠混合堆肥时升温速度快、高温期持续时间长，混合堆料在堆肥过程中散发臭气较少，1次堆肥处理后发芽指数较高 (55.6%)，基本实现腐熟。谢炜平等［7］利用自制好氧消化反应装置对3组不同初始含水率的物料进行了小规模模拟试验，试验表明，物料配比m餐厨垃圾/m锯末粉=3∶1(即含水率约为55%)时为最佳值，最佳条件下，物料水溶性C/N最终可降至7.19，接近腐熟程度，而且最终含水率均可降至25%左右。通风量方面，孟潇等［8］探讨了通风量对餐厨垃圾好氧堆肥的影响，研究表明，通风量对堆料温度和含水率的影响比较明显，堆肥初期以2 L/min、高温阶段后以4 L/min为适宜通风量。综合因素方面，任连海等［9］选用3组卧式反应器进行了4因素3水平完全和正交堆肥试验，研究表明，环境温度、通风量、初始含水率和填料量等不同影响因素对餐厨垃圾好氧堆肥过程均具有显著影响，其显著性顺序表现为含水率＞环境温度＞填料量＞通风量。

此外，在除盐分方面，梁彦杰等［10］利用水洗方式对餐厨垃圾进行堆肥预处理研究，试验表明，除盐最佳工艺条件为温度25℃ ，搅拌时间10 min。m(水)/m(餐厨垃圾=2，餐厨垃圾堆肥含盐率可由(1.8±0.02)%降至(0.57±0.05)%;离心脱水最佳工艺条件为脱水时间6 min，离心速度4 000 r/min，餐厨垃圾含水率由95.10%降至72.86%。以上证明了餐厨垃圾水洗去油脱盐可行，但也存在产生大量废水的不足。

餐厨垃圾堆肥技术发展到现在已经较为成熟，但由于油分、盐分及其他杂质成分在餐厨垃圾堆肥产品中的残留，导致堆肥产品的利用价值降低，对作物甚至土壤存在不同程度的负面影响，从而也间接影响到堆肥产品的出路。因此，如何提高餐厨垃圾堆肥品质，如何培育堆肥产品绿色利用市场，以及明确产品消化途径和消化主体是当前迫切需要解决的问题。然而，结合当前技术和管理发展趋势，笔者认为技术上应该能够做到逐步提高餐厨垃圾堆肥产品的质量，至于产品的出路，在前期阶段还是应依赖政府的推动甚至需要财政的补贴，到后期逐步实现各方利益的平衡，形成一个健康的绿色产品市场。

3 餐厨垃圾厌氧发酵

餐厨垃圾的厌氧发酵是密闭厌氧的条件下，利用厌氧微生物将餐厨垃圾有机部分降解，其中一部分碳元素物质转换为甲烷和二氧化碳。与其它技术相比，餐厨厌氧发酵技术优势明显，该处理反应不受供氧限制，机械能损失少;可以产生具有利用价值的甲烷，发酵后沼液、沼渣可以利用;反应在密闭容器中进行，不易产生臭气等污染物，对环境影响较小。

餐厨垃圾的厌氧发酵由传统而简单的沼气池发展起来，经过多年的改进和摸索，目前发展成为两大块主流技术:一是高自动化程度的集成化餐厨垃圾处理技术;另一个是餐厨垃圾厌氧发酵制氢高新技术。

3.1 厌氧产甲烷

目前，国内外关于厌氧发酵产气研究的文献报道屡见不鲜，研究者主要从物料配比、接种、预处理、盐度等因子对厌氧产甲烷的影响进行了深入的研究和探讨。

不同物料产气方面，Jae Kyong Cho等人［11］研究发现熟肉食品、纤维素 (对照)、熟米饭、蔬菜、混合餐厨垃圾的沼气产率分别为482 mL/g、356 mL/g、294 mL/g、277 mL/g、472 mL/g，碳素甲烷转化率分别为82%、92%、72%、73%、86%。酸化相TS降解率达到87% ～90%，VS的甲烷转化率达到90%。Wang等人［12］在体积为2.2 L的容器内进行餐厨垃圾的厌氧产气试验，产生的渗滤液回流入反应容器，接种物为餐厨垃圾的厌氧降解残留物。研究发现在接种物用量为30%，pH调节为中性时，试验未能达到甲烷化阶段，而接种物为70%时，甲烷产率为300.7 mg/L干物质。厌氧接种方面，马磊等人［13］研究了6种不同接种量对餐厨垃圾高温厌氧消化的影响，结果表明，添加接种物不仅可以提高消化系统的缓冲能力，而且缩短系统产甲烷细菌的积累周期，有利于产气高峰提前，同时对餐厨垃圾的降解有一定的促进作用。其中，在消化物总量600 g条件下，480 g餐厨垃圾接种120 g接种物产气效果最佳。工艺创新方面，清华大学徐衣显等［14］人应用连续半干式厌氧消化技术对餐厨垃圾进行了实验室规模的快速启动试验。研究表明，反应器启动29 d以后，系统pH稳定在6.9～7.6，平均产气速率18.0 L/d，反应器启动55 d以后，平均产气速率为18.9 L/d，平均产气效率973.2 mL/g(以VS计)，反应器有机负荷率达到3.0 g/(L·d)。

盐分控制及过程优化方面，彭绪亚等［15］对高盐分餐厨垃圾湿式厌氧发酵进行了研究，试验表明，发酵液盐分浓度不断累积，由最初的0.084%增长至0.69%，并且还在继续增加;进料有机负荷控制在3 kg/(m3·d)时，反应器运行良好，发酵液COD稳定在2 620 mg/L左右，VFA浓度保持在880 mg/L以下，产气量81 L/d，甲烷含量60%左右。从而摸索出了一套适合高盐分餐厨垃圾的湿式厌氧消化工艺。马磊等人［16］研究了矿物材料预处理对餐厨垃圾高温厌氧消化过程的影响，结果表明，在同等条件下，添加矿物材料可以有效促进餐厨垃圾的水解，其中轻烧MgO有效地缓解了餐厨垃圾由于酸化引起的pH值下降，使产气高峰期较早来到;而在总产气量上添加白云石粉的促进作用显著，膨润土次之，说明添加矿物材料降低了消化液中钠离子的浓度，可减轻对产甲烷细菌的抑制作用。

厌氧发酵产沼气是一项较为成熟的技术，可以将餐厨垃圾转化为能源，沼渣沼液可以肥料化利用，而且目前开发的工艺装备自动化水平高，但也存在工艺流程长，配套设施多，投资成本高等现实的制约因素。从未来发展考虑，需要在技术设备的优化组合，高度集成方面下苦功夫，总体上，餐厨垃圾厌氧发酵产沼气是未来重点发展和投资的方向之一。

3.2 厌氧制氢气

随着对厌氧发酵的深入研究，科研人员不满足于现状，转而对厌氧发酵的中间产物——氢气日益引起了他们的关注，有文献报道表明，接种物、基质种类、pH值、反应温度等因素对厌氧制氢均有显著的影响。

Sang-Hyoun Kim等人［17］研究了餐厨垃圾与污泥的联合厌氧消化。试验研究发现餐厨垃圾产氢潜力明显优于污泥，两者的比产氢指数分别为121.6 mL/g，32.6 mL/g，餐厨垃圾与污泥的用量比为87%:13%，VS浓度3%时，达到最大比产气指数122.9 mL/g。

同济大学研究人员分别开展了温度和污泥接种［18－19］对餐厨垃圾厌氧发酵产氢的影响。结果表明，接种厌氧污泥在未经高温驯化 (50℃)时直接进行高温厌氧发酵产氢，产氢效果不佳。中温 (35℃)驯化1 d后进行产氢实验，与在室温 (25℃)条件下所获氢气产率无明显差别。但中温条件下体系的反应速率较室温更快，二者根据Gompertz方程得到的产氢速率分别为每克VS15.6 mL/h和4.8 mL/h，同时反应的停滞时间比室温条件下缩短了9.7 h.餐厨垃圾产氢前后液相指标监测结果表明，酸化过程是反应的限速步骤而非水解过程，因此，餐厨垃圾厌氧发酵产氢过程应控制在中温 (35℃)下进行比较合理。此外，在不同污泥接种试验发现，在不添加缓冲剂时，不同污泥接种餐厨垃圾厌氧发酵平均产氢量依次为厌氧污泥＞河底淤泥 ＞压滤污泥 ＞曝气污泥，接种厌氧污泥的餐厨垃圾平均产氢量最高，达10.11 mL(以每克挥发性固体 (VS)计);而添加缓冲剂时，4种污泥接种餐厨垃圾厌氧发酵平均产氢量依次为厌氧污泥＞曝气污泥＞压滤污泥＞河底淤泥，接种厌氧污泥的餐厨垃圾平均产氢量也最高，为33.72 mL，且体系pH得以缓冲。

厌氧制氢是从厌氧产沼气衍生发展而来，目前只处于理论阶段，实际上，制氢气只是产沼气的一个环节，沼气本身就含少量氢气，因此，基于氢气是清洁能源，无污染的能源，科学家们就提出厌氧制氢的概念，厌氧制氢气不是百分之百的产氢气，而是，在原来产沼气的基础上，通过调控工艺条件和过程，实现氢气产率的最大化。虽然如此，产氢气也是未来发展的一个方向，通过增加产氢气单元，有利于餐厨垃圾的高值化利用，餐厨垃圾高效产氢在能源短缺的今天显得尤为重要。

4 结语

餐厨垃圾处理方法各有特点，也各有短板，如何扬长避短，发挥技术的优势是今后推进技术发展与应用的关键。未来发展需要解决包括源头减量和纯化、副产品出路、技术进一步完善和集成等重要问题。那么，解决这些问题的总体措施就需要从宣传着手，告别不良饮食习惯，持续灌输餐厨垃圾源头细分类的方法;提倡采用多元的处理工艺和模式，把餐厨垃圾加工成附加值高的不同副产品，实现餐厨垃圾多样化处理同时，也减少了副产品的市场风险。在技术层面，应在前期研究的基础上，以改良传统工艺为主，结合我国实际，加强厌氧制沼气和好氧堆肥技术 (包括菌种的分离和驯化、菌种活性、效率、稳定性和抗逆性的提高等方面)的基础研究，继续加大对餐厨垃圾大型沼气和堆肥工程方面的研发力度，加强与国内外同行专家的交流及合作，研发一批低成本、低运行费，安全可靠、自动化水平高的，具有自主知识产权的餐厨垃圾处理工艺及成套设备。

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