易腐垃圾的特点及资源化利用技术

李鹏昊， 姜铭北， 姚燕来， 王卫平， 朱凤香， 朱为静， 洪磊东， 洪春来*

(1.浙江省农业科学院 环境资源与土壤肥料研究所， 浙江 杭州 310021；2.淳安县农业技术推广中心， 浙江 淳安 311700；3.浙江工业大学， 浙江 杭州 310014)

随着城市化进程的推进和居民收入的提高，居民生活垃圾产生量也在逐年增大。2019年，我国196个大、中城市生活垃圾产生量为23 560.2万t，较2018年增加15%[1]。据统计，世界易腐垃圾占生活垃圾的比例约为43%[2]。2015年出台的《杭州市生活垃圾管理条例》指出，易腐垃圾指餐饮经营者、单位食堂等生产过程中产生的餐厨废弃物，居民家庭生活中产生的厨余垃圾和集贸市场产生的有机垃圾等。易腐垃圾极易变质、腐烂、发酵，在收集、运输和处理过程中会产生恶臭气体和大量渗滤液，滋生蚊虫的同时也会对环境造成污染[3-4]。易腐垃圾来源复杂，常含有各种细菌和病原菌，易成为传染疾病的媒介[5-6]。过去常把易腐垃圾与其他垃圾一起进行填埋、焚烧。易腐垃圾含水量高，在填埋过程中产生的渗滤液易通过地表径流及渗透作用对地表水及地下水造成污染[7-8]。易腐垃圾热值较低[9-10]，焚烧处理需加辅料助燃，燃烧不充分时会产生气态污染物，如二噁英、氯化氢等[11]。填埋、焚烧处理不仅影响环境，而且造成资源浪费。随着国家对环境问题的重视，我国已经出台一系列关于垃圾分类及垃圾处理的相关政策法规。将分类后得到的易腐垃圾进行资源化应用是当下急需解决的问题。为此，通过查阅文献对易腐垃圾资源化技术的研究进展总结如下。

1 易腐垃圾的特点

易腐垃圾的物质组成比较复杂，地区饮食习惯、人口数量及经济水平的不同，所产生易腐垃圾也会有较大的差异[12-13]。总体上易腐垃圾含有丰富的有机物，有机物含量(干重计)一般为88.6%～96.6%[14]，还含有较多的营养元素[15]，这为资源化利用提供了物质基础。目前，生活垃圾分类的执行效果较差，易腐垃圾常混有一次性餐筷、骨头、塑料包装、贝壳、易拉罐等不易腐杂质，在资源化利用之前需再次进行杂质的分选。易腐垃圾含有大量的水分，我国易腐垃圾含水量可接近80%[16]。易腐垃圾还具有高油、高盐的特征，油脂含量可达11.5%[17]，含盐量可达2%～5%[18]。易腐垃圾资源化主要是微生物参与的分解和合成过程，不易腐杂质等因素均会影响微生物的活性，实际工作中往往需要通过分选来提高其资源化效率。

2 易腐垃圾的资源化利用技术

2.1 好氧堆肥

好氧堆肥指好氧微生物通过自身生命活动进行氧化分解和生物合成的过程。堆肥过程可将一些不稳定的物质转变为较稳定的物质，减少垃圾中的挥发性有机物，减轻臭味，也使废弃物的物理性状得到改善[19]。堆肥关键在于微生物的正常繁衍、旺盛生长和优势菌种的合理更替，需要对易腐垃圾的pH、含水量、温度、氧气供给量和碳氮比进行调整。好氧堆肥具有工艺简单(图1)，产品可用作农业生产的优点[20-21]。

图1 易腐垃圾好氧堆肥的工艺流程

易腐垃圾常含有大量杂质，需预先对原料进行分选。研究[22]发现，源头分类得到的垃圾比机械分离得到的垃圾更适合用来堆肥，前者不仅降低了重金属的含量，而且一些营养元素含量也没有太大变化。好氧堆肥过程中产生的氨气、硫化氢等臭气，危及周围环境与人类健康。氨气的产生还会造成肥料中氮元素的流失，从而降低产品的应用效果。通过控制堆肥过程中的通风条件，可以控制易腐垃圾好氧堆肥过程中挥发性硫化物和氨气的产生[23]。通过添加除臭剂也可以有效控制臭气，木屑、木本泥炭、浮石和多数复合微生物除臭剂对氨气、硫化氢、总臭气浓度的去除率达90%[24]。刘卓[25]的研究发现，利用生物过滤器可高效地去除堆肥过程中产生的氨气，氨气去除率达95%。

2.2 昆虫养殖

易腐垃圾昆虫养殖是近年新出现的资源化方式，这个方式通过昆虫将易腐垃圾转化为可利用的营养物质(图2)。易腐垃圾经过转化后的虫粪可用作肥料，同时昆虫还可以用作饲料。目前,昆虫养殖处理易腐垃圾的研究主要有黑水虻、蚯蚓、蝇蛆和黄粉虫等。其中，有关黑水虻养殖转化易腐垃圾的研究较多[26]。黑水虻幼虫具有较高的蛋白转化能力，1 g黑水虻卵的幼虫18 d可转化形成2.4 g蛋白[27]。黑水虻成虫富含钙质和昆虫油脂，适用于水产类的养殖。黑水虻含有抗菌肽[28-29]，可以一定程度替代抗生素，提高家畜的免疫力。通过黑水虻养殖得到的虫粪有机肥与微生物相结合可以活化土壤，有效改良土壤组分。其有机质含量也要优于农家肥，并且还含有一些特殊的抗菌多肽、生物酵素和功能有机分子等。黑水虻富含脂肪，还可用于生产生物柴油[30]。高含盐量易腐垃圾昆虫养殖，得到的虫粪产品含盐量也较高，后续需要脱盐处理。昆虫养殖对环境要求高，需为昆虫提供较优的环境条件，如温度、湿度和光照等[31]，在我国中北部地区推广时会遇到一定的限制。

图2 易腐垃圾昆虫养殖的技术路线

2.3 阳光房堆肥

易腐垃圾阳光房堆肥技术是近年新兴的一种堆肥技术。该技术通过引入太阳能作为辅助能量来进行好氧堆肥，实现了就地资源化和无害化(图3)。阳光房堆肥技术具有投资、运行和维护成本低，易于管理的优点，在部分农村地区深受欢迎。阳光房堆肥技术存在的问题是保温效果不稳定，不同季节差异大，在冬季低温下无法正常运行[32]；部分阳光房设计缺乏科学性，缺乏必要的破碎、曝气、废水处理设施，导致产品腐熟度低，并造成了环境的污染，亟须改造和提升。

图3 易腐垃圾阳光房堆肥的工艺流程

2.4 一体化发酵

一体化发酵技术国内起步较晚[33]，是将易腐垃圾置于一个集进出料、曝气、搅拌和除臭功能于一体的反应器中进行好氧发酵的一种堆肥方式[34]。一体化发酵反应器整个堆肥过程由程序自动化控制，在封闭环境下进行，易于控制废气，受天气影响小[35]。一体化发酵设备发展起步晚，目前技术还不够成熟[36]，资源化效率尚有进一步提升的空间(图4)。刘泽龙等[37]针对立式反应器的供氧方式，分别进行连续供氧和间歇供氧研究，结果发现，连续供氧能有效提高堆肥的效率。周营[38]的研究发现，在堆肥过程中接种适量含有米曲霉、地衣芽孢杆菌、解脂假丝酵母、绿色木霉和褐球固氮菌的微生物复合菌剂能提高易腐垃圾的腐熟度，减少堆肥氮素的损失。

图4 易腐垃圾一体化发酵技术的工艺流程

2.5 厌氧消化

厌氧消化是指在缺氧条件下，通过厌氧微生物的代谢活动把复杂的有机物迅速降解为沼气的方法(图5)。通过厌氧消化制备甲烷是目前将易腐垃圾资源化转化为生物燃料的主要研究方向之一。厌氧消化是一种很好地将易腐垃圾资源化和无害化的方式，通过厌氧消化得到的沼气可用作燃料，沼渣可用来加工肥料。与好氧堆肥相似，杂质影响易腐垃圾的厌氧消化，需对易腐垃圾进行预处理。厌氧消化是一个多阶段的复杂生物转化过程，在每一个阶段都有各自的优势菌种；因此，整个厌氧消化过程容易受反应条件的影响[39]，需对反应条件进行严格的控制。

图5 易腐垃圾厌氧消化的工艺流程

厌氧共消化是一种广泛应用、高沼气产量的方式。共消化是将2种及以上的有机废物混合后进行消化处理的方法，避免了一些单消化过程中出现的问题。厌氧共消化可提高整体反应进程的稳定性，提高沼气的产量，沼渣养分含量高，适合加工做成肥料[40]。共消化存在运输成本高的不足。研究[41]表明，污水污泥中含有大量活性细菌，有利促进厌氧消化过程中微生物群的繁殖，在易腐垃圾加污水污泥作为共基质后，沼气产量提高了1.4倍。在消化之前对易腐垃圾进行预处理也能有效提高厌氧消化的效果。目前，相关研究大多停留在试验阶段，需在中试规模下进行进一步的探讨。

3 小结与展望

易腐垃圾作为一种富含有机质及氮、磷、钾等元素的固体废弃物，如何将其肥料化和能源化的研究逐渐地受到了关注。随着国家对环境问题的逐渐重视，亟须将易腐垃圾处理从传统的焚烧和填埋方式向肥料化、饲料化、能源化方向过渡转化。好氧堆肥是一种工艺简单、发展时间较长的资源化技术。由于易腐垃圾存在有机质含量高的特点，好氧堆肥是一种适合用来处理易腐垃圾的方式。但易腐垃圾混有杂质，且油脂含量及盐含量都比较高。如何对易腐垃圾进行脱油、降盐预处理并提高发酵效率，都是需要解决的问题。一体化发酵技术利用设备实现垃圾分选、高温好氧发酵等一体化，相对于好氧堆肥发酵技术，对易腐垃圾的处置效率更高，对周边环境的二次污染影响更小，适宜小规模易腐垃圾的快速无害化处置。该处置工艺技术的运营维护成本较高，处置后的易腐垃圾尚未完全腐熟，后续仍需要采取腐熟化发酵工艺。昆虫养殖是近年来发展的新技术，在将易腐垃圾无害化及资源化的同时，养殖的昆虫也可以用来加工成动物饲料。目前，条件要求高、自动化水平低限制了昆虫养殖的规模。此外，一些国家和地区禁止将昆虫养殖得到的昆虫蛋白作为牲畜饲料[42]，安全问题也需要得到关注。阳光房发酵技术是近年来开始实际应用的资源化方式，投资、运行和维护成本较低，易于管理，在部分农村地区受到了用户的欢迎。由于阳光房发酵技术在设计、运营、管理上仍存在许多问题，导致物料腐熟程度低、臭味大、杂质含量高，严重制约了该处置技术的持续推广应用，所以该工艺还有一定的改进空间。厌氧消化在将易腐垃圾减量化和无害化的同时还将易腐垃圾转化为了可用作燃料的沼气，但该处置工艺投资大，运营成本较高，厌氧消化效果仍有较大的提升空间。厌氧发酵后剩余的沼渣仍需要寻找资源化利用的出路。可见，厌氧消化需要与好氧堆肥、昆虫养殖等工艺相结合才能完全实现易腐垃圾的资源化利用。

各种易腐垃圾资源化处置技术均有明显优点和使用的局限性，各地需根据当地的实际情况选择1种或2种适宜的工艺进行推广应用，才能最终达到易腐垃圾高效、经济、低碳的资源化处置利用效果。