校园餐厨垃圾处理处置方法

支　琴，　吕淑彬，　姚仁忠

(上海交通大学, 上海 200240)



校园餐厨垃圾处理处置方法

支琴，吕淑彬，姚仁忠

(上海交通大学, 上海 200240)

摘要餐厨垃圾是我国生活垃圾的主要成分，分离处理既可解决生活垃圾处理量大、含水率高等问题，又可提高其内含有机物资源化效率。针对校园餐厨垃圾产量大、产生时间集中、组分相对单一的特性，在比较现有餐厨垃圾处理技术基础上，认为集中规模化处置，如堆肥和厌氧消化等，是校园餐厨垃圾处理的可行方法。厌氧消化产沼发电可对接可持续发展校园的建设，但需要注意沼气贮气罐的安全问题；就地堆肥则需要注意脱盐和脱水，特别要外接良好的堆肥市场。为保证餐厨垃圾后续处理工艺的正常运行，破碎、脱水和脱油是必要的预处理单元，其中热干燥-压滤脱水脱油可满足处理需求。

关键词校园餐厨垃圾; 脱水脱油预处理; 厌氧消化; 好氧堆肥

Campus Food Waste Disposal Methods

ZHIQin，LÜShubin，YAORenzhong

(Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

AbstractFood waste is a major part of domestic garbage. Source separation of food waste can reduce difficulties in huge workload and high moisture in the treatment of domestic garbage, and improve reusability of organic resources. We review current techniques of food waste treatment for unique characteristics of high output, concentrated production and simple component of campus food waste. We believe that centralized large-scale treatment is a suitable method for campus food waste reuse such as anaerobic digestion and aerobic composting. Anaerobic digestion can generate biogas and power to help sustainable development of campus despite that safety of biogas tank needs to be considered. The dewatering and desalting process should be performed in local composting. To treat campus food waste, three pre-processing units, grind, dewatering, and deoiling, are necessary.

Keywordscampus food waste; dehydration and deoiling pretreatment; anaerobic digestion; aerobic composting

餐厨垃圾是指除居民日常生活以外的食品加工、饮食服务、单位供餐等活动产生的厨余垃圾和废弃食用油脂[1]，我国年产量超过0.9亿t[2]，且以每年约10%的比例递增。餐厨垃圾主要由粮食、蔬菜、植物油、动物油、肉骨以及少量废餐具、牙签和餐纸等组成，具有明显的两面性，即污染性和资源性。一方面，由于餐厨垃圾含丰富有机物，经适当处理可制作成动物饲料、有机肥料和生物能源；另一方面，餐厨垃圾又极易腐败发酵、滋生有害生物，又是地沟油生产的主要原料[3]。如何在无害化的基础上实现有序收集，采用高效合理的餐厨垃圾处理技术，尽量减少其污染性提高资源化率，达到社会效益、经济效益和环境效益的有效统一，是政府和全社会普遍关切的问题。

高校作为一个相对独立，而人数又非常集中的场所，餐厨垃圾产量恒定可控。据统计[4]，2013年全国普通高等学校在校人数2468.0726万人，如果按每人每天约0.1kg餐厨废弃物计算，一年至少在95万t以上。针对校园餐厨垃圾主要依靠混合处理的现状，选择合适的无害化和资源化处理途径，是降低环境影响的重要出路。本文在分析餐厨垃圾现有处理技术基础上，结合校园餐厨垃圾特点，探讨合适的校园餐厨垃圾源头减量、分类处理方法，期望对校园厨余垃圾的处理提供参考。

1餐厨垃圾处理现状

根据反映介质餐厨垃圾现有处理方法主要分为两大类[5]： 非生物处理和生物处理。传统的餐厨垃圾处理方式主要采用非生物处理，如焚烧、填埋、机械粉碎等，也有直接粉碎进入污水管网与市政污水混合处理，或者进入市政垃圾收运系统与垃圾混合填埋。现代的餐厨垃圾处理方法大部分采用生物处理，如以厌氧消化产气、焚烧产热发电为代表的能源化处理手段，以获取餐厨垃圾有机物用于后续利用，以及好氧堆肥、饲料化等资源化处理技术的应用。

1.1混合处理

餐厨垃圾经粉碎机粉碎，进入油脂分离装置，碎料排入下水道，油脂收集送往相关加工厂利用，该技术已在美国等发达国家得到了应用[6]，即混合式处理模式见图1。

图1　混合处理模式Fig.1　Mixed processing method

排入市政下水管网的碎料与城市污水合并进入城市污水处理厂集中处理，充分发挥了餐厨垃圾高有机质特点，有利于调节市政污水的碳、氮、磷比例。我国目前合流制收集的低碳市政污水化学需氧量(Chemical Oxygen Demand, COD)在100mg/L左右，高浓度餐厨垃圾可补充碳源，有效调节污水生物处理所需的营养物。按中国的水电价格核算，食物垃圾粉碎进入下水道的运行费用不高，含粉碎电动机瞬时耗电及水，三口之家每月开支增量约在10元左右。但该法也存在内在缺陷： 餐厨垃圾粉碎过程噪音大，设备容易卡死，直排过程产生污水和臭气，滋生病菌、蚊蝇，导致疾病传播；粉碎和冲入下水道过程需大量水，浪费水资源并增加城市供水负担；餐厨垃圾高油脂易形成油污凝结，从而引起污水收集管堵塞，在我国现行的下水道设计标准下，该方法几乎不可行，需要基础设施建设的配合。

餐厨垃圾混入其他生活垃圾进行填埋处理，是目前我国很多地方实施的方案。一般混合收集的生活垃圾中，餐厨垃圾量占到一半以上，造成所填埋垃圾呈现“二高二低”特点，即高含水率、高有机质、低品质和低热值。此类垃圾填埋后降解速率过快，释放大量填埋气，使填埋场成为重要的温室气体源，过快的沉降以及填埋气积累等问题也给填埋场的安全管理带来了重大危害。很多国家禁止餐厨垃圾填埋，如韩国，在2005年全面禁止厨余垃圾填埋，欧盟的填埋指令(Council Directive 199931EC)要求进场垃圾有机质含量<5%，这些规定都使得餐厨垃圾逐渐被禁止进入填埋场。就我国而言，实现餐厨垃圾源头分离分流，实现单独处理，是降低填埋场无库容可用压力，提高餐厨垃圾的资源化和填埋场运行寿命的唯一途径。

1.2能源化处理

能源化处理主要包括厌氧消化和焚烧产热发电两类。餐厨垃圾有机物主要为粗脂肪、粗纤维、粗蛋白和还原糖。通过厌氧微生物分解作用，除降解难度较大的纤维素外，其他物质都可以被产酸菌和产CH4菌分解转化为CH4，再通过燃烧发电等实现厌氧转化。餐厨垃圾中主要成分是脂肪、碳水化合物和蛋白质，在标准温度、标准压力下CH4的理论产量分别为0.99L/g、0.42L/g、0.63L/g，脂肪的产CH4潜能比碳水化合物和蛋白质要高。Kyoung等[7]对餐厨垃圾CH4潜能进行了实验研究，发现餐厨垃圾中肉食、纤维素、米饭、卷心菜和混合废物的CH4潜能分别为482、356、294、277、472mL/gvs，在最优条件下，其产量可占理论化学计量CH4产量的0.82、0.92、0.72、0.73、0.86，说明厌氧体系条件合适，餐厨垃圾中约86%的碳可已转化为CH4。

为提高餐厨垃圾在厌氧体系中的碳转化率，进行了大量餐厨垃圾厌氧消化工艺的研究，包括低固体或液态发酵，高固体或半固体厌氧消化，单相、两相发酵工艺等。有研究表明[8]单独的餐厨垃圾不足以提供厌氧消化所需的微生物，当餐厨垃圾接种30%污泥(体积比)，在55℃高温下，产气率最高。肖本益等[9]认为： 物料浓度在15～25gvs/L，第二相厌氧消化温度控制在35～37℃，餐厨垃圾CH4产量能达到450mL/gvs，产气中CH4浓度高达70%。但发酵过程需考虑酸化影响，由于餐厨垃圾中含有大量由长链脂肪酸与甘油以醚键连接而形成的聚合物脂肪，而长链脂肪酸的降解又因乙酸和氢气积累而受到抑制，从而造成挥发性脂肪酸(VFAs)积累。Kang等[10]发现： 发酵初期产生的VFAs将引起系统pH值急剧下降，抑制甲烷化。即使初始pH在中性范围、接种率30%条件下，餐厨垃圾也不易快速达到甲烷化。这反过来又积累大量的长链脂肪酸，进一步抑制微生物生长，而长链脂肪酸毒性比挥发性脂肪酸要大，酸化后恢复非常困难。因此，减少和避免酸抑制的产生，是保证厌氧发酵稳定运行的关键，而调配底物物料合适C/N比和提高接种率是一种可行的方法[11]。选择合适的物料配比是实现厌氧发酵稳定运行的关键。

餐厨垃圾能源化的另外一种方式是焚烧。餐厨垃圾一般混合在生活垃圾后进入焚烧炉焚烧发电，其单独焚烧的研究较少。混合生活垃圾的发电量大约能达到300～350℃/t，但这里热值主要由不到30%的高热值物质贡献的(占15%左右的塑料和10%的纸类以及2%不到的布类等)，而餐厨垃圾虽然含较高有机物，但高含水率又使得热值偏低，在焚烧过程贡献较小；另外餐厨垃圾中高氯含量，达到1%左右，是二恶英等污染物的重要生成源。

1.3资源化处理

餐厨垃圾的资源化包括好氧消化制肥料和通过各种处理后的饲料化。

餐厨垃圾由于有机物含量高，C/N比低、营养元素全面，可利用好氧微生物的新陈代谢将内含有机物分解转化为堆肥[12]。但堆肥过程受操作条件影响较大，一般环境温度对堆肥过程影响最为显著，其次为含水率、固态颗粒的大小和通风量[13]。吕凡等[14]采用高温好氧工艺对餐厨垃圾进行堆肥小试，通过控制风量和物料投加，发现在55～65℃时可达到最大减量率，最佳参数范围如下： pH=6.0～6.8，含水率=45%～55%，COD与有机氨之比为19.1～22.1，其中餐厨垃圾与厨余投加混合比为2∶1～10∶1(干基质量比)，工艺最大处理负荷为 0.10kg·(kg·d)-1(每日投加量/反应物料容量)。曹萍等[15]发现，在通风量为0.2m3/h，处理量为0.6kg/d时，工艺能耗低，反应速度快，减重效果好。餐厨垃圾的高含水率和有机质，导致堆肥升温慢、容积效率较低、颗粒机械稳定性，为加速堆肥，席北斗等[16]通过添加蓬松剂技术，如锯末、树叶、秸杆和干马粪等促进其通风，发现添加蓬松剂后，堆料所能达到的高温及停留时间、好氧速率和产CO2能力均优于对照组。蓬松剂有利于加速氧和有机物传输速率，改善了好氧堆肥微环境。但餐厨垃圾的高油脂和盐分会影响微生物的活性，甚至造成毒害作用。Kwon等[17]甚至认为餐厨垃圾堆肥的有机物转化率低于城市生活垃圾转化率。He等[18]关注了餐厨垃圾好氧堆肥过程中温室气体排放，发现即使在强制通风下，堆肥堆体内仍存在缺氧和厌氧环境，释放部分CH4及N2O。总体来说，好氧堆肥工艺相对简单，良好品质的堆肥产品具有一定的农用价值。但堆肥前需先除杂，降低餐厨垃圾的玻璃和塑料袋等含量，同时需注意单纯餐厨垃圾堆肥出来的肥料可能，因高含盐量而导致土壤酸化和损害作物根系，需控制使用量。堆肥过程由于易造成局部缺氧而产生恶臭，利用机械化的标准操作流程，可有效避免该过程的发生，特别对于一些家庭和小型化的餐厨垃圾处理厂，发展餐厨垃圾装备化是其重要出路。

餐厨垃圾饲料化主要包括直接饲料化、预处理后的饲料化和生物法制备饲料。前者由于不能达到环境安全要求，北京和上海率先从2000年11月起禁止清运餐厨垃圾三轮车进城，2010年，国务院办公厅发布了关于加强地沟油整治和餐厨废弃物管理的意见(国办发〔2010〕36号)，明确禁止餐厨垃圾的非法收集直接饲料化和提取地沟油。而餐厨垃圾预处理后进行饲料化目前仍在探索中，其预处理方法包括高温干化灭菌、高温压榨、除盐等。应该说，如能保证良好预处理效果，后续饲料化仍不失为合适的出路。Nijmeh等[19]采用太阳能干化器处理食品废物制造饲料；郝东青等[20]采用分选、蒸煮、压榨、脱油工序，将餐厨垃圾通过生物法杀除病原菌，再经过烘干后制成蛋白饲料；也有用餐厨垃圾饲养特定生物提取动物蛋白，如耿土锁等[21]通过饲养蚯蚓，将餐厨垃圾转化为动物蛋白，相比直接作为动物饲料，环境安全性有了进一步提高。总的说来，餐厨饲料化过程可有效利用餐厨垃圾的营养成分，资源化程度较高，但是对于食物链的传递及可能的风险需要进一步研究。除了生物作用制备高附加值物质外，也有研究者通过水热反应，利用化工催化方式，将餐厨垃圾转化为低级脂肪酸，如甲酸、乙酸等。水热反应指在高温高压(一般温度为150～600℃，压力为2～50MPa)水中进行的含碳有机物的氧化反应。现有报道中，将不同组分餐厨垃圾水热氧化制备乙酸的收率可达到11%～13%，而且通过两步反应和添加碱性催化剂等，其产率仍然有提高空间。对于碳水化合物，则在KOH添加条件下，甲酸产率可达到75%以上，生成的甲酸、乙酸等物质可进一步生成环境友好型钙镁融雪剂[22]。

2校园餐厨垃圾处理的关键环节

校园餐厨垃圾是一种典型的单位垃圾，通过对部分高校餐厨垃圾进行监测分析发现校园餐厨垃圾富含有机物，固相部分其脂肪含量一般在16%，纤维素和蛋白质含量分别在0.9%、17%左右，还原糖含量则一般少于10%。液相成分主要是水和废油脂的混合物。与其他垃圾相比，校园餐厨垃圾的特性表现在[23]： ① 含水率高，一般在70%～95%，高含水率给后续处理造成重大危害；② 存在大量易腐有机物，其固相成分中有机质含量在90%以上，这些有机物是各种病原微生物及携带病原微生物蝇虫的良好繁殖场所，容易导致疾病传播；研究显示[24]： 餐厨垃圾在自然状态下放置24h，其细菌总数可达108个/g样品；③ 油类(1%～3%)和盐类物质含量偏高(0.8%～1.5%)，其中油脂主要为可浮油、分散油、乳化油、溶解油等，前三者可通过机械等分离方式得到去除，而溶解油则以分子状态分散于水中，与水形成均相体系，分离较难；钠盐含量大约在0.79%～0.99%，低于毒害畜禽的1.8%，可用于饲料化；④ 营养价值丰富，含有大量淀粉、纤维素、蛋白质、脂类等以及少量氮、磷、钾、钙、钠、镁、铁等微量元素，可作为动物饲料等；⑤ 组成相对较简单，有毒有害物质(如重金属等)含量少。

针对餐厨垃圾的组分特点和已有的工艺分析可以看出，餐厨垃圾处理需尽可能的利用所含的高有机物，将其转化为能源或资源。现有技术工艺研究很多，也有不少成熟的工艺，但对于餐厨垃圾的规模处理，其过程主要还是受制于预处理过程以及制备出产品后的出路问题。因此，我们认为需结合餐厨垃圾的特点，强化前段的破碎、脱水、脱油和杀菌处理，选择合适的后续工艺，通过试点示范来解决校园餐厨垃圾的出路。

2.1破碎和pH值调节

餐厨垃圾由于内含骨头、一次性筷子以及一些面巾纸，在进入装置前需通过破碎均质装置，从而提高后续工艺的流动性和连续性，但目前的破碎装置等受到腐蚀和卡壳等现象的困扰。收集到餐厨垃圾pH值一般都<7.0，pH值变化范围在4.4～5.2，呈酸性或弱酸性，主要是因为在闲置过程中易导致餐厨垃圾的快速厌氧酸化，形成部分酸积累，从而降低了系统的pH，这对于后续的堆肥以及厌氧消化而言，都需调节pH值至6.5～8.5范围。因此，减少收运和堆置时间，对于餐厨垃圾的处理处置和二次污染控制都具有重要作用。

2.2脱水处理

脱水可有效降低餐厨垃圾含水率，减少垃圾体积，节约垃圾运输和后续处理成本，是餐厨垃圾快速减量的最直接手段。餐厨垃圾中包括大量易脱除的自由水和存在于胶体颗粒细隙和毛细管中的间歇水，也包括由淀粉、蛋白质等胶体颗粒表面张力作用而吸附的结合水，根据脱水的难易程度，宜对前者利用重力、离心力等机械方式去除，后者由于直接脱除较为困难，通过加热等方式脱除。常用的机械脱水主要采用螺旋挤压或离心等脱水技术，经处理后的含水率基本在75%以上，不能满足后续堆肥含水率〈60%和焚烧〉3350kJ/kg热值的要求，而且对于挤压和离心产生的污水需额外处理，不能完全达到餐厨垃圾预处理的目的。因此，人们开始探究湿热处理的方法。热干燥技术在餐厨垃圾脱水中得到应用。任连海等[25]发现： 湿热处理初期，垃圾脱水率下降，加热40min后，脱水率开始上升，且温度越高，上升越快，在180℃加热100min时达到最高；李永青等[26]考察了不同温度(60～100℃)对2种餐厨垃圾在热风干燥过程中水分变化规律，温度越高，所需时间越短。也有采用微波加热来干燥餐厨垃圾，实现内外同时高效加热及杀菌等功效。郭涛等[27]比较了蒸煮、酶解、挤压对餐厨垃圾水分去除作用，发现蒸煮可破坏垃圾内部组织结构，促使水存在形态发生变化，同时使固体大颗粒裂解成小颗粒，增大水分和热量传递比表面积，释放颗粒内部水，加速水分扩散而脱水，且在温度为160℃，时间控制30min时，脱水率达到43.4%。

2.3脱油脂

餐厨垃圾中油脂以悬浮油、乳化油、分散油和固相内部油脂为存在形式的植物油为主，与矿物油相比，其多为脂肪酸甘油三酯，极性更强，不易与水分离。重力分离是油脂分离的主要工艺，有研究者[26]发展了采用重力-气浮式油水分离联用技术，以高压蒸汽为热源，并将高压蒸汽用于气浮分离法所需的微气泡，从而提高了分离效率。任连海等[25]讨论了湿热处理对脱油性能的影响，发现餐厨垃圾脱油性能随温度上升和加热时间延长呈上升趋势，在100～120℃时加热20～100min，脱油性能持续增强；140℃加热60min后，脱油性能不再变化；160℃加热80min，脱油性能达到最佳，单位垃圾可浮油含量为131.7mL，继续升高温度或延长加热时间，则改变脂质化学组分，从而降低了油脂回收得率。郭涛等[27]也发现，随着脱水率的增加，餐厨垃圾在蒸煮后，其固相中油脂含量同步降低，当蒸煮锅在温度160℃，时间为30min时，固相中油脂含量为20.1%；当选用纤维素酶加量为5%(酶与原料的总质量比)，温度40℃，时间20min时，固相中脂肪含量最低达到15.8%，再加上30MPa挤压机联用，固相中油脂含量可降低到8.7%。因此，在脱油脂的过程中有效地加入热处理的方法，可大大提高效率。如采用湿热-重力法[28]和湿热-离心法[25]，相比之下，湿热-离心法对废油脂分离度更高，并随着温度升高和加热时间延长而提高脱油性能，发现在120℃下湿热处理80min，离心转速2500r/min时，餐厨垃圾固相内部油脂液化浸出效果最佳[29]。

3校园餐厨垃圾解决之道

分析校园餐厨垃圾的组分特点，并结合现有餐厨垃圾处理关键环节，校园作为相对独立的一个管理与运行实体，其餐厨垃圾的处理应充分将管理和技术进行融合，以“整体推进、条块结合、试点示范”的原则，在技术方法的选择与应用的同时，建立健全餐厨垃圾处理规范、实施有效的管理与运行体系，确保建成的设施设备安全、稳定、持续、正常运作。

(1) 规范实施、完善运行管理体系。餐厨垃圾的处理是一个连续过程，有效、规范地处理对校园环境的治理至关重要，因此，从学校层面来说必须建立长效的监管机制，健全安全运行管理体系，并通过数字化后勤管理的手段实现各处理点的数据采集、统计分析和有效调度。对各使用点而言，必须配备专门的操作人员，明确岗位职责，建立操作档案，并对接学校主管部门，建立对口联络机制。

(2) 统筹规划、分布式就地处理。校园餐厨垃圾产量大，包括校园内的各个餐厅、食堂与接待中心，单独收集校园餐厨垃圾保证了组分相对单一。根据餐厨垃圾产生点的规模和分布情况，可采用条块结合、选择性地进行分布式的就地处理。一方面是由于餐厨垃圾高含水率、高盐分、高有机物以及易腐败等特点，使得其处理过程首先需减少堆放和收运时间，降低在堆放和收运过程中造成的病菌、恶臭等二次污染风险；另一方面结合学校各餐厨垃圾点进行分布式配置，可有效降低处理成本和收运成本。

(3) 合理利用、资源化路径选择。能源化和资源化是校园餐厨垃圾的主要选项。从理论上分析，厌氧消化产气、高温好氧堆肥以及物料转化饲料化等三种途径都可有效利用餐厨垃圾有机组分，并避免餐厨垃圾一些致病菌等的影响。结合校园的特点从应用实际分析，厌氧消化产气存在较大的安全性风险，在实际运行中需尽量避免；餐厨垃圾饲料化的技术路线相对较长，技术相对复杂，是一个备选方案；脱水后的高温堆肥对于有苗圃等绿化需求的高校，是非常好的途径，但需发展规模化的机械设备，并将整个操作过程控制在一定范围内，减少环境污染。

(4) 因校制宜、有效减量技术应用。从餐厨垃圾减量化处理的整个流程来说，前段的脱水脱油脂一方面可大幅度地减少体积，迅速减量，另一方面减少含水率，调节生物活性对餐厨垃圾的储运和后续的集中处理都有作用。高含水率已成为制约收运和后续利用的重要因素，因此，在关键技术的选择过程中，就地干燥脱水技术的应用是其必要选项，大部分油脂可通过脱水同时得到分离，而气浮方式也是进一步脱油的重要保障；破碎除杂设施是提高餐厨垃圾均质度和接触面积的重要一环，从而有利于后续反应的顺利进行。

4结语

餐厨垃圾处理是现在的研究热点，尤其是餐厨垃圾的资源化利用方面。① 制定完善的相关政策法规。随着依法治国大政方略的实施，需进一步完善相关的政策法规，这是开展合理而科学的环保工作的基础。② 生物处理过程中的除臭技术。发酵过程中氨基酸等有机物经微生物的分解而产生臭味，虽然采用了电离、光解等技术，但要彻底解决还相当困难，因此如何高效、经济的解决除臭问题有待进一步的研究。③ 餐厨垃圾中盐分、油脂对堆肥品质的影响。堆肥的品质在一定程度上受到餐厨垃圾中油脂含量、盐分含量等因素影响，高盐分的堆肥产品将抑制植物的生长-如果长期使用还会导致土壤的盐碱化。因此如何降低盐分在堆肥产品中的含量以及其对植物的影响还有待进一步的研究。④ 加快实施厨余垃圾分类收集进程，着重提高分类收集的质量。无论是堆肥、厌氧消化、加工制饲料，还是制取生物柴油，为了提高处理效果以及产品的质量，都必须保证进料的纯度，尽可能减少异物含量。

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文献标识码A

中图分类号X 799.3

文章编号2095 - 0020(2016)01 -0056 - 07

作者简介：支琴(1979-)，女，助理研究员，主要研究方向为高校能源资源管理，E-mail： simonezhi@sjtu.edu.cn

收稿日期：2016 - 01 - 14