城市餐厨垃圾处理技术现状与展望

杜志勇

(北京固废处理有限公司，北京100125)

0 引言

随着国家环保要求的不断提高，餐厨垃圾“三化”处理已经成为城市治理的焦点之一，我国年产餐厨垃圾约9 000万t[1]。其产生量会随着人们生活水平的不断提高而增加，餐厨垃圾具有典型的“四高”特征，由于处理设备相对落后，导致处理效率和处理效果不尽人意[2]。近年来，政府对餐厨垃圾处理技术和设备的不断重视和大量投入，促使餐厨垃圾处理设备的创新实现一定突破。处理设备亦呈现多元化趋势，根据地域资源和饮食文化等特征差异，餐厨垃圾处理主要分为焚烧和卫生填埋、饲料化处理、堆肥处理和厌氧消化等，不同技术的处理设备也有所不同，自动化和一体化程度各有差异[3]。本文对国内外餐厨垃圾处理设备研究进展进行综述，对该类垃圾不同处理设备的参数、特点和存在的问题进行阐述，并进一步提出发展方向，为未来餐厨垃圾处理及设备研发提供理论依据。

1 基本特性

餐厨垃圾一般来自食品加工业和餐饮服务业，该类垃圾除含有部分生活垃圾外，主要含较高的油脂、无机盐、水分和营养物质，如不及时处理极易腐烂产生臭味，并滋生蚊蝇、细菌传播疾病。这将对环境保护和健康卫生均造成一定隐患[4]。餐厨垃圾含有丰富的碳水化合物，根据北控集团对部分城市餐厨垃圾的分析，基本物质成分如表1所示[5]。

表1 餐厨垃圾基本成分

注：有机质和平均含固率以干基计；油脂、盐分以湿基计

餐厨垃圾可作为资源回用，实现有机废弃物的减量化、资源化和无害化处理，对污染防控和资源再利用具有重要意义。同时，餐厨垃圾的处理要实现产业

化及规模化也离不开相关设备的辅助。

2 处理工艺

餐厨垃圾处理技术根据微生物参与程度大致可分为非生物处理和生物处理，非生物处理主要包括填埋、焚烧、破碎直排和饲料化处理等；生物处理主要包括堆肥处理、厌氧消化等具有微生物生化环节的处理方式。

2.1卫生填埋和焚烧

卫生填埋是将餐厨垃圾与生活垃圾等混合后进行填埋，通过厌氧发酵将餐厨垃圾转变成甲烷、水和二氧化碳等，该方式可将餐厨垃圾完全处理、处理规模较大且成本较低[6]。但填埋后会产生大量污染性气体和渗沥液，处理不当容易造成二次污染，同时会占用大量土地、产生的恶臭气味难以控制，餐厨垃圾填埋法与现今垃圾资源化、无害化处理理念不符。随着更加科学有效的处理方式出现，该方法在一些国家和地区已经限制或停止使用，在一定程度上提高了资源利用效率。

焚烧法是将餐厨垃圾进行一定的预处理，经筛选并降低垃圾水分后混合一定燃料进行燃烧或与垃圾焚烧厂协同处置。该方式使餐厨垃圾中的有机可燃成分彻底氧化为灰烬，极大减小垃圾的体积，土地占用量小，实现了垃圾的减量化。但由于餐厨垃圾含水率高，容易造成焚烧不充分、炉内温度不符合要求而产生一定的污染性气体，由于餐厨垃圾高含水率、低热值特性，需要添加一定助燃剂，不符合规模化处理的经济性要求，因此该方式在国内外利用均不广泛[7]。

2.2破碎直排法

破碎直排法在国外起步较早且较为成熟，可有效处理较分散的家庭产生的少量餐厨垃圾，该方法直接将餐厨垃圾置于搅拌器或剪切破碎器中破碎，破碎后的物料通过城市污水管网直接排放。但破碎的垃圾进入市政管网容易腐烂变质成为污泥，淤塞管道并有大量臭气逸散，餐厨垃圾中包含的高油、高盐成分会对污水处理系统造成较大影响。该方式在日本起步较早，一些破碎设备配置有除臭器，可有效对餐厨垃圾中的多种臭味进行处理[8]。由于我国垃圾处理模式和理念的不同，破碎直排法在我国使用范围还不广泛。

2.3饲料化

餐厨垃圾中含有大量的营养物质且容易获得，因此将餐厨垃圾进一步加工成动物饲料成为资源循环利用的方式之一。餐厨垃圾饲料化一般分为高温处置法、生物处理法和直接作为动物饲料。

高温处置法一般是将餐厨垃圾经过高温、灭菌处理后用作动物饲料配合或代替玉米、豆粕等喂养动物，该方法存在动物源性饲料的同源性污染风险，主要是一些病原菌并不能被高温杀死。同时，餐厨垃圾中存在的塑料等制品也会被动物食入，导致动物发生病变，人类作为食物链顶端，在食用肉食的过程中摄入一定量有害物质，危害人类健康。

生物法主要将餐厨垃圾脱水后，植入一定量假丝酵母、毛霉和米曲霉等益生菌对其进行发酵处理，调制烘干后制成蛋白饲料[9]。由于该方式仍不能从根本上解决同源性污染问题，导致餐厨垃圾饲料化发展状况不佳。虽然我国法律明确规定，未经高温杀菌消毒的餐厨垃圾不得作为动物饲料，但我国仍有80%左右的餐厨垃圾未经处理直接饲养牲畜[6]。美国、加拿大、欧盟等国家已明令禁止未经处理的餐厨垃圾直接喂猪，从一定渠道上预防了因餐厨垃圾作为动物饲料引起的人畜交叉感染风险。

2.4堆制有机肥

餐厨垃圾中含有大量可降解有机物，在人为干预的条件下，通过好氧菌等微生物将其降解为腐殖酸等用作植物肥料，一般将餐厨垃圾堆肥分为好氧堆肥和蚯蚓堆肥。

好氧堆肥工艺目前已经较为成熟，自动化和一体化程度较高，在机械控制下可在较短周期内完成有机质的腐熟过程，实现垃圾减量化和资源化。同时，该工艺适用于大、小规模的餐厨垃圾堆肥处理，处理效率高，对空间、气候条件要求较低。李小健等[10]发现餐厨垃圾经好氧堆肥处理后，减容率可达53%以上，营养成分不低于6%，符合有机肥国家的相关标准。但该方法对餐厨垃圾的预处理要求较高，一般不易达到预期的堆肥效果，需要添加一定量秸秆等进行调节。

蚯蚓堆肥是通过蚯蚓自身的酶系统，将餐厨垃圾中的有机物等转化为蚯蚓生存所需的营养物质并产生蚯蚓粪便作为肥料。该方法需在一定温湿度、pH值和通风情况下，为蚯蚓生存提供适宜环境，可有效降低餐厨垃圾中的重金属污染和碳氮比。曹瑞琪[11]研究表明，蚯蚓粪种植绿豆可明显改善豆苗的生长，提高作物产量，改善土壤结构。

堆肥化可有效对餐厨垃圾循环利用实现资源化及减量化，增加土壤营养元素的多元化等。但餐厨垃圾堆肥因素不好控制，导致堆肥效果不理想。同时，餐厨垃圾含有一定的重金属和盐分，导致土壤存在一定的盐碱化风险，在堆肥过程中会产生一定的氨气、硫化氢、甲烷等有害气体，如控制不当会造成一定的环境污染[12]。

2.5厌氧消化

厌氧消化是在低氧或绝氧条件下，利用餐厨垃圾在在微生物的作用下分解有机物并产生甲烷和二氧化碳的过程[13]。该方法适用于餐厨垃圾水分高、盐分高和油脂高的特点，通过预处理、酸化、产沼等厌氧阶段产生挥发性脂肪酸(VFA)、甲烷和氢气等资源，实现石油等不可再生资源的减量消耗[14]。厌氧消化一直是餐厨垃圾处理的重点研究方向之一，具有一定的经济性，但是厌氧发酵过程易酸化，发酵性能不稳定，机理较为复杂，受环境影响较大[15]。

2.6裂解产油

餐厨垃圾含有大量的有机质和油脂，此类物质经过一定条件的催化裂解可转化为生物柴油[16]。其热值可以作为矿物柴油的部分替代品，但是餐厨垃圾具有高酸度特性，在一定程度上阻止皂化反应，从而进一步增大催化剂的消耗，造成成本上升，但研究具有经济性的生物柴油俨然在一定阶段仍是研究的热点。

2.7不同工艺比较

通过对餐厨垃圾不同处理工艺的分析，总结各工艺的优点和缺点，具体如表2所示。

3 处理设备

根据生产生活的处理要求，将餐厨垃圾进一步机械化处理以实现废弃能源的资源化利用和减量化处理，餐厨垃圾处理设备通常分为小型餐厨垃圾处理设备和大型餐厨垃圾处理设备。

3.1小型处理设备

小型设备一般为处理量较小的机器，结构较为紧凑、处理环节较少，与催化剂进行混合，使餐厨垃圾快速降解。小型设备适用于就地处理新鲜餐厨垃圾，减少运输时间和距离，具有占地面积小、运行成本低、易于操作和自动化程度较高的优点。小型餐厨垃圾处理设备在欧美等发达国家使用较早，早在1999年，美国Georgia大学进行了利用密封式容器处理餐厨垃圾的研究，主要产物堆肥用于庭院绿化等[17]。日本的餐厨垃圾一般在规定的时间内投入指定的生化处理机中，运用深层液体透析发酵和固体发酵相结合的工艺生产固体活性生物复合剂[18]。松下公司研制的餐厨垃圾处理机，利用热空气风干技术压缩餐厨垃圾体积，从而节省占地，受到广大民众的喜爱[19]。

目前我国小型的餐厨垃圾处理设备正处于快速发展阶段，使用并不普遍，即使部分单位和家庭已经使用，但其设备存在自动化程度较低的问题，难以处理成分复杂的餐厨垃圾。随着技术的不断改进，小型设备的一体化程度正在被重视。张鹏[20]设计的重力分离式餐厨垃圾分选、压缩一体化设备，不仅可对成分复杂的餐厨垃圾进行分选，还可实现油水分离和压缩成型，最终加工为生物柴油和动物饲料，实现了餐厨垃圾处理设施的一体化，适用于小规模餐厨垃圾处理。张恩慧等[21]研制的双相分段式制沼一体化装置实现了厌氧过程的分层纵向布置，不仅为甲烷的产生提供最佳反应环境，实现不间断产气，还有效解决了占地问题，可进一步研究作为规模化生产的参考。王宇轩等[22]研制的餐厨垃圾干发酵滚动式质热交换反应器，在干式厌氧发酵过程中，可有效解决微生物生长代谢不均匀问题，挥发性脂肪酸未对产气和pH值造成一定影响，底物挥发性固体去除率高达68.74%，该研究对未来进行干式厌氧发酵具有突破性的指导和借鉴意义。韩涛等[23]研制的餐厨垃圾高效好氧堆肥小试装置，使用餐厨垃圾与锯末混合后高温发酵，最高温度可达60 ℃以上并保持6 d，所得有机肥料符合相关标准。

小型餐厨垃圾处理设备除具有上述特点外，还存在一定弊端，由于小型设备是对大型设备或系统的简约版，一般工序不完整，除油工艺和微生物调节往往针对性不强，对后端物料的进一步处理存在制约。

3.2大型处理设备

大型设备多用于区域性餐厨垃圾的处理，更趋向于流水线作业或产业化，具有一定的规模性和处理环节的连贯性，但该类设备能耗较大、建设和运行成本高、污染防控难度较大。国外在20世纪80年代就开始在大中城市建设规模化处理工厂，对餐厨垃圾处理实行规范化、专业化管理。我国大型餐厨垃圾处理设备的发展较晚但速度较快，技术与发达国家相近。大型餐厨垃圾处理设备多用于好氧堆肥、厌氧消化等，工艺段较为全面，能实现餐厨垃圾的油水分离、脱水、筛分及堆肥过程的自动化和连续运行等，还可附带化学加工行业，资源提取和利用率较高，有利于稳定产出蛋白饲料、有机肥和沼气等产品。北京嘉博文生物科技有限公司和高安屯餐厨垃圾处理厂共建规模为400 td的BGB微生物资源循环处理站，实现了餐厨垃圾处理的产业化和资源循环利用[24]。北京环卫集团下属的南宫餐厨垃圾处理厂，实现了规模化餐厨垃圾脱油、固液分离等堆肥原料的预处理，产生的废水和气体经浸化处理后可达标排放，成为餐厨垃圾大型处理的典型案例，同时各地方政府结合自身情况发展出了“西宁模式”“宁波模式”等，各类模式均对餐厨垃圾中的资源进行了回收利用[25]。

表2 各处理工艺优点和缺点对比

大型餐厨垃圾处理设备除建设和运行成本高外，需要餐厨垃圾的提供量具有一定的连续性，避免因餐厨垃圾处理量不足造成的停产或间接生产。同时大型设备服务面较广，运输成本高，餐厨垃圾在运输过程中容易腐败变质滋生病菌、产生废气和污水，其后续的处理会增加运营成本。

4 发展趋势

针对不同餐厨垃圾处理设备的分析，着眼现有处理设备的缺陷和不足，餐厨垃圾处理设备的后续开发也在不断改进，总体表现有以下3项发展趋势。

(1)小型餐厨垃圾处理设备的序批式、一体化研发正引起重视。相比于大型处理设备，小型设备工艺简单，很难满足餐厨垃圾后续利用的预处理要求，通过在小型设备中添加油水分离、烘干、压缩成型等结构，实现相应设备的一体化运行，可大幅提高餐厨垃圾的利用率。

(2)设备高度集约化，减少土地占用。针对目前土地资源紧张、设备占地大的矛盾，尽量实现各类型设备的立体化发展，同时改进工艺路线，实现占地面积减小的目的。

(3)实现自动化、智能化操作。随着自控系统和感应技术的迅猛发展，餐厨垃圾处理设备根据物料条件和环境现状，实现内部环境的自我调节，从而在节省人工的基础上，提高处理效能，降低成本增大产出。

5 结束语

我国作为餐饮消费大国，餐厨垃圾的资源化、无害化处理水平关乎我国环境发展的千年大计。在当前科技不断更新迭代的时代背景下，餐厨垃圾除以上提及的处理方法外，还会有新的理论、技术和设备产生。总之，餐厨垃圾处理需要做好收集、运输、处理及回收利用之间的完整链接，各区域需根据自身情况，因地制宜的开发出合理的处置方式，引导群众走向将“垃圾”变“资源”的思想路线。