城郊区果蔬垃圾处理及资源化利用技术研究现状

秦 玉，李慧莉，徐圣君，郑效旭，侯德印

（1深圳市北林苑景观及建筑规划设计院有限公司，广东 深圳 518038；2兰州理工大学土木工程学院，兰州 730050；3中国科学院生态环境研究中心，北京 100085；4中国科学院生态环境研究中心（义乌）长三角中心，浙江 义乌 322000）

0 引言

随着农业产业结构的不断调整及人们膳食结构的不断变化，果蔬种植业迅速发展，由此造成果蔬垃圾产量剧增[1-2]。果蔬垃圾指水果蔬菜在生产、运输、储存和销售过程中所产生的可生物降解的有机垃圾[3]。据估计，世界上每年有1/3的粮食在到达消费者之前就被浪费了，这种浪费现象在中国、菲律宾、印度、意大利、日本和美国尤为严重[4-6]。有研究表明果蔬行业产生的垃圾占总食品垃圾的60%，仅日本产生的果蔬垃圾就约1000万t/年，印度产生的果蔬垃圾也超过5400万t/年[7-8]，中国产生的果蔬垃圾更是高达1亿t/年[9]。果蔬垃圾产量的增多提高了由于销售损失而产生的市场运营成本，甚至导致通货膨胀，此现象引起人们的极大关注[10-11]。

果蔬垃圾含水率通常在90%以上，挥发性固体占总固体的(VS/TS)80%以上，其中纤维素、木质素、糖类和半纤维素所占比例大约分别为9.0%、5.0%、75.0%，氮含量为3.0%～4.0%，总磷含量为0.3%～0.5%，钾含量为1.8%～5.3%[12-13]。在微生物作用下，果蔬垃圾中有机物会发生腐败产生强烈恶臭和有害的氨气、硫化氢等气体，影响空气质量。与一般生活垃圾不同，果蔬垃圾，尤其是其滤液中有农药残留，经自然分解后可能具有更大的毒性，这些有毒物质可通过水体、土壤等介质进入食物链中，危害人体健康。因此，需要采取更为有效的技术手段对果蔬垃圾进行处理，发挥其在再利用、再循环和再回收方面的潜力，实现“减量化、无害化、资源化”的目标[3]。本研究概括了果蔬垃圾常规处理技术及新型资源化利用技术，以期为研究高效且经济环保的果蔬垃圾处理模式提供借鉴。

1 果蔬垃圾常规处理技术

1.1 热处理

热处理技术分为焚烧与热解。果蔬垃圾焚烧是指其可燃组分在高温作用下与空气中的氧发生剧烈反应，在释放热量的同时转化为烟气、底渣和飞灰等。果蔬垃圾经过焚烧后，体积一般可减少80%～90%，有的甚至可达到95%以上。与此同时有害物质被分解，产生的烟气可用于发电等，固体残渣可直接填埋[14-15]。20世纪90年代开始焚烧技术在发达国家已逐步应用起来，主要焚烧方式有层状焚烧、流化床焚烧、旋转焚烧，国内外很多地区采用焚烧技术来处理果蔬垃圾，如新加坡、日本、瑞士等地。但果蔬垃圾含水率较高，直接焚烧效果不佳，且焚烧易产生二次污染，特别是二噁英，作为一级致癌物，二噁英还具有生殖毒性和遗传毒性。德国、荷兰、比利时等欧洲国家相继颁布了《焚烧炉禁建令》，日本到2000年7月也已有4600座垃圾焚烧设施被停止使用。因此，焚烧难以成为果蔬垃圾处理的主流方式[16]。

热解技术是将垃圾中有机物在无氧或缺氧状态下加热，使之分解为可燃性气体、可燃油和炭黑。该过程所产生的气体、固体和液体都可回收处理，且相对焚烧而言成本较低。由于具有技术设备成熟、可行性高的优点，热解技术在欧美和日本等一些发达国家被广泛研究。中国对热解技术也有一定研究，如佛山南海市的垃圾热解气化焚烧发电厂就采用2台美国Basic抛式炉排热解气化焚烧炉，单台处理量为200 t/天[17]。热解作为一种有前景的果蔬垃圾处理技术仍需深入研究。

1.2 填埋

果蔬垃圾填埋分为传统填埋与卫生填埋。传统填埋是在自然条件下，利用坑、塘、洼地将垃圾集中露天堆放，不加掩盖，是一种早期填埋方式。由于其难以满足当地环保与卫生需求，现已被绝大多数国家和地区摒弃。

卫生填埋则是对垃圾填埋厂按照环境工程技术标准进行建设，采用防渗、覆盖、沼气收集及利用等方法，使垃圾在自然状态下利用自身成分，经物理、化学、生物降解分解产生沼气、渗滤液，最终达到稳定状态的处理技术[18]。垃圾填埋厂产生的填埋气成分复杂，其中挥发性有机物(VOCs)含量占1%左右，是填埋场恶臭气体的主要成分，其组成与含量受季节、时间、技术等因素影响。夏秋季温度较高且果蔬垃圾产量较多，VOCs含量也较大；且随着填埋龄的增加，填埋场VOCs浓度呈现先增加后降低的趋势，填埋时间为5～7年时VOCs浓度达到最大值；同时不同的填埋技术也会导致VOCs浓度出现变化，相较于土覆盖处理技术，采用膜覆盖技术的填埋过程产生的VOCs较少[19]。除填埋气外，果蔬垃圾的高含水率使其产生的渗滤液较多，大大增加填埋场运行成本，且会占用大量的填埋库容资源，无法满足“无害化、减量化、资源化”的处理要求。因此，填埋一般仅作为果蔬垃圾剩余物的最终处置方式[20]。

1.3 好氧堆肥

好氧堆肥堆体温度一般为55～65℃，亦称作高温堆肥，是一种在氧气充足的条件下，利用好氧菌对废物进行吸收、氧化以及分解，并通过高温杀死其中病原体的技术，其产生的温室气体和渗滤液较少，是国内外果蔬垃圾处理技术的一大研究热点[21-22]。

常见好氧堆肥技术包括直接堆肥和蚯蚓堆肥。直接堆肥是将果蔬垃圾放置在特定地点，通过自然产生的微生物和空气来降解其中有机物的过程。堆肥方式主要有地下窑藏式、地下开放式、地上密闭式和地上开放式等，其中地上密闭式堆肥效果最佳[23]。

蚯蚓堆肥，是指将蚯蚓引入到果蔬垃圾中进行的堆肥过程。蚯蚓在堆肥过程中参与有机物的降解，有利于总碳含量的下降。同时蚯蚓含有粘液、酶和含氮排泄物，且其活动会使微生物活性和固氮细菌浓度增加，使产品中氮含量增加[24]。一般而言，蚯蚓堆肥采用混合系统进行，其中基质和床层材料混合在一起。而新鲜的果蔬垃圾中含有许多水分，蚯蚓无法存活，因此应将基质和床层材料很好地分离，从而避免果蔬垃圾产生的水分对蚯蚓的危害[25]。此外，复合微生物群落在蚯蚓堆肥过程中起着关键作用，接种合适的微生物菌株可以增强蚯蚓堆肥效果[26]。剩余活性污泥(EAS)作为污水处理过程的主要副产物，由数量和多样性较大的微生物组成，如各种固氮菌和聚磷菌，可对果蔬垃圾蚯蚓堆肥起到一定促进作用[27]。Li等[28]采用一种基质和床室分开的新型蚯蚓反应器，在添加和不添加EAS的情况下，分别处理了香蕉皮、卷心菜、莴苣、胡萝卜和马铃薯5种果蔬垃圾。结果发现EAS促进了蚯蚓的生长和产茧，提高了蚯蚓的分解效率。此外，脱氢酶活性变化表明，除胡萝卜外，EAS提高了所有处理过程的微生物活性。添加EAS后，果蔬垃圾的有机质含量、总碳含量和C/N比均显著降低，堆肥产品中氮、磷含量也有所提高。

堆肥要求成品含水量为15%～25%，含水量较少的堆肥可能没有完全稳定，而如果堆肥太潮湿，那么堆肥产品孔隙中就会充满水，限制生物体获得氧气；其次，pH接近中性时微生物活性最强，因此堆肥产品最佳酸碱度为pH 6.5～7.5；C/N对堆肥处理效果的影响也较大，理想的堆肥原料初始C/N应为35:1左右，而成熟堆肥的应在15:1～25:1之间[29]。由于果蔬垃圾含水率较高，且易混入各种杂物如塑料袋、碎石等，影响堆肥处理效果。另外，水分蒸发会带走热量，使堆体温度升高速度较慢，降低堆肥处理效率。为了保证好氧堆肥的处理效果，前期应采用脱水压榨与挑拣装置将杂物去除并将脱水率降至40%～50%，同时添加一定量的调节剂来调节C/N，采取通气、翻堆或加入膨松剂的方法来保持堆体处于好氧状态，克服堆料互相粘连的难题，并可在初始状态下加入成熟堆肥作为微生物接种剂以加速微生物群落演替和保持微生物多样性，同时还可减少堆肥产生的温室气体，增加空气流动并调节堆肥基质湿度，缩短堆肥周期，从而进一步提高堆肥处理效果[30]。Yang等[31]将成熟堆肥（占堆肥原料总湿重的10%）混合到堆肥原料中进行实验，发现NH3、CH4和N2O排放分别减少了58.0%、44.8%和73.6%，温室气体排放总量减少了69.2%。

1.4 厌氧消化

厌氧消化通常用于污水处理厂中污泥的处理，若将其应用在果蔬垃圾处理中也存在巨大潜力[32-34]。厌氧消化是指在无氧或厌氧条件下，微生物分解果蔬垃圾生物质中的有机成分，使有机物分解并趋于稳定，在产生沼气的同时合成微生物细胞物质。处理后的沼气可用于供热、发电、生产压缩液化天然气等，而富含氮的消化液可用作肥料[35]。

厌氧消化的效果通常与反应器有机负荷率(OLR)、固体停留时间(SRT)、水力停留时间(HRT)等工艺参数有关。此外，厌氧消化中产甲烷菌比水解产酸菌对高挥发性脂肪酸(VFAs)浓度下的pH降低更敏感，且果蔬垃圾属易降解物质，因此，过高的OLR可能会导致水解和产酸速率高于产甲烷速率，导致果蔬垃圾厌氧消化过程发生不可逆酸化，降低处理效果。而在厌氧消化前采取适当的预处理有助于提高其最终处理效果。裴占江等[36]采用碱化和高压灭菌联合对厌氧消化进行预处理，与对照组相比，COD和VS降解率分别提高58%和23%，沼气产率增加47%；VFA从2865 mg/L增加到17600 mg/L，提高了6倍，厌氧消化后VFA降解了15000 mg/L，而对照组仅为2300 mg/L。

厌氧消化技术有单相与两相之分，由于果蔬垃圾中糖分和半纤维素含量较高，而单相厌氧消化过程中有机负荷过高会导致VFAs积累，抑制产甲烷菌活性，影响处理效果。采用两相厌氧消化工艺处理果蔬垃圾具有对挥发性有机酸的积累、对pH下降的缓冲、总水力停留时间和反应时间短、负荷高、甲烷产量高的优点[37]。除单相与两相厌氧消化技术外，共消化技术也可用作果蔬垃圾的处理，常见的共消化基质有畜禽粪便、餐厨垃圾、剩余污泥。与这些基质共消化减少了消化过程中的停留时间，加速了消化进程，增加了消化中的氮、磷和钾的养分含量，不仅改善了消化产品的品质，剩余物还田还可以减少固体废弃物的污染，提高土壤肥力[38]。

1.5 小结

表1对比了填埋、热处理、好氧堆肥和厌氧消化4种果蔬垃圾常规处理技术的优缺点，并从减量化、无害化、资源化角度进行了分级评估。除以上4种果蔬垃圾常规处理方式外，有些地区采取将果蔬垃圾粉碎后排入市政污水管网与污水一同进入污水处理厂进行处理，这种方法虽易于操作，但国内下水系统在设计时未将果蔬垃圾的处理纳入设计条件范围，容易造成管道堵塞，无法在全国推广。其次，果蔬垃圾进入市政污水收集系统后，将集中排入城市污水处理厂，其高有机质、高盐等性质不仅加重了污水处理厂的运行负荷，也会对环境造成影响。

2 果蔬垃圾资源化利用技术

果蔬垃圾可通过一定处理方式或提取技术产生在工业、农业、药业等领域具有较大应用价值的物质。随意丢弃不仅会导致环境卫生状况的迫害，还会造成可利用的生物质和营养物质的损失。国内外对新型果蔬垃圾资源化利用技术的研究正逐渐成为热点[39-40]。

2.1 新型发酵技术

常规发酵技术将果蔬垃圾进行减量化与无害化处理后通过填埋或焚烧进行最终处置，并未发挥其潜在价值。新型发酵技术可提取果蔬垃圾中有价值物质，并制造饲料、生物燃料、生物塑料、酶和胞外多糖等，实现果蔬垃圾合理化处置与资源化利用双重目标。

2.1.1 饲料 各种研究表明果蔬垃圾中含有许多化学成分和营养物质，是潜在的畜牧业饲料资源。利用微生物发酵技术将果蔬垃圾制成饲料可以对其营养成分进行更好的利用[41-42]。张丽芝等[43]发现葡萄皮渣中不仅存在着大量脂肪、纤维素、蛋白质和无机盐等可利用营养成分，而且其较低的pH有利于抑制微生物的有害发酵，从而使饲料生产效率更高。同时，从果蔬垃圾中制备饲料具有成本效益，因其销售价格低于市场饲料的特点而更有竞争力[44]。但果蔬垃圾制备饲料也存在一定的局限性。果蔬垃圾的成分因季节而异，一些果蔬垃圾的低蛋白质含量和高难消化化合物含量并不适合制备饲料，因此还需在实际制备饲料时不断调整配方与技术工艺。

2.1.2 生物燃料 生物燃料指由生物质组成或萃取的固体、液体或气体燃料，是可再生能源开发利用的重要方向。甘蔗渣、葡萄和苹果渣等这些富含碳水化合物的果蔬垃圾具有生产生物燃料的能力，其主要是通过厌氧、好氧发酵等过程转变成生物甲烷、生物氢、生物乙醇和生物丁醇等。

生物甲烷主要是通过厌氧发酵产生。在适当的温度和pH下，多种兼性菌和厌氧菌将果蔬垃圾中的脂类、蛋白质和碳水化合物等水解代谢成氢、二氧化碳和低分子有机酸等，然后产甲烷菌再将这些物质转化为生物甲烷[45]。在厌氧发酵前进行研磨、超声、酸、碱、微生物或酶等适当的预处理，有助于缩短处理周期并提高生物甲烷产量。Rodriguez-Valderrama等[46]利用果蔬垃圾和玉米秸秆生产生物甲烷时，当通过碱性或酸性预处理对底物进行处理后，能被微生物利用的可溶性有机物增加，甲烷生成量增加。此外，Mi-Sun等[47]采用果蔬垃圾与畜禽粪便共底物发酵时，由于不同来源废物基质的建立以及不同营养物质的加入使反应效率提高，显著改善了厌氧发酵性能。可见，厌氧共发酵不仅有助于稳定发酵过程，还可以提高生物甲烷产量。利用生物甲烷生产的合成气（一种主要由氢气和一氧化碳组成的气体）可用作生产化学品、合成燃料的原料，也可以进一步加工为生物氢用作生物燃料[48]。目前关于果蔬垃圾发酵生产生物乙醇的研究较少，利用果蔬垃圾生产生物乙醇时，果蔬垃圾组成对生物乙醇的产率有很大影响，木质纤维素含量高的果蔬垃圾产生的生物乙醇量更高。提高生物乙醇转化率的关键因素是水解和糖化，通常采用酸、碱、热和酶等手段对原料进行预处理，以增加纤维组分的消化率，提高产生物乙醇的效率[49]。生物丁醇具有能量密度高、挥发性低、腐蚀性小、稳定性较高的优点，目前利用果蔬垃圾中木质纤维素生产生物丁醇的研究正在进行中[50]。

2.1.3 酶和胞外多糖 酶是在温和条件下，作为特定化学反应的活性和选择性催化剂的蛋白质，在食品、化妆品、制药、纺织、化工和燃料等领域有着重要应用。由于原材料和制造成本较高等问题，市场上售卖的酶价格普遍较高。利用果蔬垃圾生产酶如淀粉酶（芒果、香蕉、木薯）、果胶酶（菠萝、橘子皮、葡萄）、蛋白酶（石榴、芒果、马铃薯）等是降低成本的一个不错选择。果蔬垃圾酶生产工艺分为深层发酵和固态发酵2类。其中固态发酵是在没有自由液相的情况下，在固体和潮湿的基质上培养微生物。果蔬垃圾可为微生物提供一个与自然栖息地相似的环境，适合进行固态发酵[51]。

微生物胞外多糖是一种多功能的多糖，由于其独特的物理和流变特性，已广泛应用于不同领域。工业化生产这些胞外多糖的首选底物是葡萄糖和蔗糖。不仅生产成本昂贵，而且合成过程通常受到过量碳源的影响，同时受到氮或氧的限制。已有研究表明，可利用果蔬垃圾作为碳源来降低微生物胞外多糖生产成本。优化反应条件和对产生这些多糖的不同菌株进行遗传操作有助于提高果蔬垃圾发酵产胞外多糖效率[52]。

2.1.4 生物塑料 塑料因降解率低及碳足迹高而成为环境中最丰富和持久的污染物之一，开发生物可降解塑料具有重要意义。生物塑料在塑料市场的增长主要受高制造成本限制，利用果蔬垃圾作为原料将有助于降低生产成本。聚乳酸(PLA)和聚羟基烷酸盐(PHAs)是目前最重要的合成生物塑料。聚乳酸在骨固定材料、药物输送和组织工程等领域具有重要应用，但PLA脆性大、结晶度不好、气体阻隔性差，需通过与其他聚合物共混来改善其性能。果蔬垃圾因具有高纤维含量可与PLA共混，如富含纤维（约60%）的西番莲果皮可作为PLA的共混基质[53]。聚羟基烷酸盐(PHAs)是仅次于聚乳酸的第二大类合成生物塑料。可通过物理共混改善PHAs的结晶度高、强度低、硬而脆、加工热稳定性差的性能。利用果蔬垃圾作为原料，将混合微生物培养物用于PHAs生产，不仅可改善其性能，还可在弥补由于碳源不足而导致生产率较低的同时实现低成本操作[54]。

2.2 生物活性化合物提取技术

生物活性化合物可与蛋白质、DNA和其他生物分子相互作用，在促进健康和降低疾病风险方面对人类产生有益影响[55]。果蔬本身就是功能性食品，它们的茎、叶、果皮、果肉等都含有大量的生物活性化合物，如类胡萝卜素（叶黄素和玉米黄质）、类黄酮（橙皮素、槲皮素、染料木黄酮和山奈酚）和酚酸等。这些生物活性化合物可以直接添加到食品中。例如，酚类化合物是果蔬垃圾中最受关注的生物活性化合物，它们起着抗炎、抗氧化、抗癌和心脏保护等作用。Machado等[56]发现葡萄酒副产品（葡萄渣、葡萄皮、葡萄茎、葡萄渣）中富含酚类化合物，可作为进一步提取的基质。除葡萄外，还有土豆、洋葱、柑橘、石榴、芒果、香蕉和胡萝卜等多种果蔬垃圾可作为酚类化合物的良好来源[57-58]。此外，Thomas等[59]发现花椰菜、卷心菜等蔬菜中存在硫代葡萄糖苷及其降解产物异硫氰酸盐，这些化合物可减轻心血管疾病并预防一些癌症如膀胱癌、结肠癌和肺癌等。硫代葡萄糖苷还可用于抗菌剂、食品功能化成分或作为膳食补充剂。

果蔬垃圾中此类化合物含量较多，对如何提取这些化合物的方法有很多，如酶辅助提取、加压液相萃取、微波辅助萃取、超声波辅助萃取等。Ricarte等[60]采用酶辅助提取方法，从向日葵废弃物（花瓣和小花）中提取了类胡萝卜素和酚类化合物。Syahariza等[61]采用加压液相萃取法在乙醇浓度为80%的溶液中从苦瓜里提取出了抗氧化物质。Yu等[62]采用微波辅助提取法从无花果叶片中提取出了咖啡酰水杨酸、补骨脂酸葡萄糖苷、芦丁、补骨脂素、柏木黄酮5种靶向生物活性化合物，提取率分别达到了9.7、5.9、4.7、15.6和3.5 mg/g。Sungpud等[63]采用超声波辅助萃取从芒果皮中分离出了可直接作为乳状食品、中性药品和化妆品的生物酚类活性化合物。近年来随着人们生活方式的改变，一些新的提取技术逐渐出现，例如纳米乳液技术。纳米乳液是粒径在100 nm范围内的微乳液，具有运动稳定性、液滴尺寸小（单位体积比表面积高）、光学透明的特点，可作为不同应用的输送系统。因此基于纳米乳液的传递系统在食品领域功能性化合物的有效传递方面具有较大应用前景，其在食品领域的各种应用包括包封难溶性化合物（天然保鲜剂、保健品、着色剂、香料）、结构修饰以及提高生物利用度、控制成分释放、调节产品质地、防止成分降解等多种功能。因此，在果蔬垃圾中使用纳米乳液技术，可使这些生物活性化合物的功能和结构特性得到提高[64]。

3 结论与展望

目前果蔬垃圾常规处理方式主要是热处理、填埋、好氧堆肥和厌氧消化。热处理技术方式简单，减量化的效果较好，但所需的能耗高，且产生废气污染。填埋技术最为便捷，在成本上具有很大优势，但因其对土地资源的危害而只能作为果蔬垃圾的终端处置方式。好氧堆肥与厌氧消化在资源化利用方面具有更大的潜力，但也面临堆肥效果较差、缺乏成熟设备、投资较高的问题。

果蔬垃圾可通过新型发酵技术生产多种有价值物质，如饲料、生物燃料、生物塑料酶和胞外多糖等，未来的技术研究重点在于如何优化果蔬垃圾发酵技术，将其有利成分加以提取制造，并研究更高效且低能的分离技术来提取生物活性化合物，促进其价值化的实现。此外，由于果蔬垃圾总固体含量低，挥发性固体含量高，在消化过程中会迅速水解，导致快速酸化并抑制消化过程，因此应多研究果蔬垃圾与其他有机废物的共消化，并研究能够很好地适应果蔬垃圾的微生物，优化反应器设计，使反应以最佳条件进行。对于果蔬垃圾脱水废液与生活污水混合处置而造成污水处理厂运行负荷较高的问题，应研究小型果蔬垃圾处理设备应用于农贸市场，将其产生的果蔬垃圾就地处理后达标排放，既方便各个市场的经营管理，也不会造成因运输而带来的环境影响及成本问题。