厨余垃圾资源化处理技术研究进展

席 爽，周小娟，龙思杰

(中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北 武汉 430014)

1 引言

随着城市化进展的加快，厨余垃圾产量逐渐增加，约占生活垃圾总量的45%～65%[1～4]。厨余垃圾指家庭日常生活中丢弃的果蔬及食物下脚料、剩菜剩饭、瓜果皮等有机垃圾，此外，菜场垃圾也是厨余垃圾的主要来源。由于国内垃圾分类处于起步阶段，厨余垃圾较传统的餐厨废弃物成分更为复杂。厨余垃圾的生产源不同对其组成影响较大。一般居民家庭与餐饮行业生产的厨余垃圾中的主要成分是大米以及面食类碳水化合物残余，以及各种蔬菜、肉类、动物骨骼、动植物油类以及调味用的无机盐类[5]。厨余垃圾与餐厨废弃物的性质较为相近，但由于以生料为主，相对盐分、油脂含量要低[6]。

厨余垃圾的含固率在20%～30%，有机质含量很高，可生化性较好[7～10]。由于上述基本理化性质，厨余垃圾极易变质，且在收集、运输和储存过程会产生渗滤液、恶臭和有毒气体，可能会造成二次污染。此外，其中的病原体、寄生虫和虫卵也对居民身体健康造成隐患。

综上所述，厨余垃圾有三大特点。首先，厨余垃圾含水率高，因此需要单独收集运输，无法与其余固体废弃物混合运输，收运成本很高。其次，厨余垃圾易滋生蚊蝇和病原体，不宜长期存放，收运周期短。最后，厨余垃圾中有机组分高，具有较高的等比热值，有较高的资源化再利用的潜力[9,11～15]。因此，厨余垃圾及其衍生二次污染物的妥善收集与处置十分必要。

厨余垃圾是生活垃圾的重要组成部分，由于生活垃圾分类政策不够完善，厨余垃圾在早期常与其他生活垃圾混合在一起，给生活垃圾的分拣以及后续处理带来了较大了困扰[5]。近年来，我国逐步建立起基于垃圾分类投放、分类收集、分类运输和分类处理的垃圾处理系统。基于以上背景，厨余垃圾处理厂作为与垃圾分类相衔接的终端处理设施，在全国范围内得到了广泛的应用。厨余垃圾处理技术种类繁多，常见的包含好氧堆肥技术、饲料化技术、厌氧发酵技术、压榨焚烧技术、填埋技术等[16～19]。填埋或焚烧处理厨余垃圾过程中会带来严重的二次污染。例如厨余垃圾是填埋场渗滤液产生的主要来源，厨余垃圾降解过程中会产生大量恶臭气体。厨余垃圾所占比例是影响生活垃圾焚烧飞灰中氯(特别是可溶氯)含量的重要因素[16]，高浓度的氯则会造成严重的二次污染。因此，进一步开发更高效且无二次污染的厨余垃圾处理技术，将有效提高厨余垃圾的无害化率。

综上所述，本文采用文献计量学的分析结果作为基本数据，对1997～2020年，厨余垃圾相关的国内外研究情况进行了梳理[20～22]。文献计量学分析中使用了Citespace[23,24]、Histcite[25]和VOSViewer[26,27]软件。根据以上结果，进一步地综述了国内外厨余垃圾处理技术的研究进展，并对相关发展趋势进行展望[28]。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本研究以Web of Science TM (WoS)数据库核心数据集为数据源，以“food waste”“kitchen waste”“food garbage”和“kitchen garbage”为主题词，检索时间跨度为1997～2021年，经过筛选，共获得有效文献37611篇。同样，以CNKI数据库文献为数据源，以“厨余垃圾”和“餐厨垃圾”为主题词，在1997～2021年期间共搜索到有效文献13200篇。

2.2 研究方法

本研究运用Histcite、Citespace和VOSViewer软件对选取的1997～2021年厨余垃圾资源化处理技术相关的文献进行关键词汇总分析。以期获得国内外研究中，厨余垃圾处理技术的发展情况及热点。基于上述分析结果，最终对厨余垃圾资源化处理技术研究进行综述并提出了展望。

3 结果分析

3.1 国内外研究情况对比

文献数量随年限的变化曲线反映了相关主题研究热度的变化情况(图1)，一般说来年文献数量越多，该年度相关研究主题热度越高[21,24,26]。SCI数据库中，年发表文献数量从1997年的125篇稳定增加到2021年的5647篇。其中，1998年出现了第一篇来自中国的SCI论文。中国发表SCI论文数量分别在2003和2008年突破10篇和50篇，这一数据和CNKI数据库比较一致。在CNKI数据库中，2003年第一次出现相关文献，共计89篇。在2008年，年文献数量则从2007年的112篇激增至410篇。上述数据可发现，世界范围内，文献数量从1997年至2021年稳步增长。国内的厨余垃圾研究则起步相对较晚，主要是从2003年开始，且在2008年开始出现了较高的热度。

图1 厨余垃圾相关文章发表数量趋势

图2显示了Citespace和VOSViewer软件总结出来的SCI数据库中相关论文的主要关键词。可以发现，生物质、厌氧发酵、分解、甲烷、生物制氢、好氧堆肥是出现频次最好的主要关键词。结果说明厌氧发酵产甲烷、生物制氢和好氧发酵还是厨余垃圾相关研究的最主要的技术。上述结果与厨余垃圾处置行业的主要工艺是一致的。例如，干式厌氧与湿式厌氧发酵技术是目前厨余垃圾处置最常用的技术[16]。此外，共发酵和污泥在两个结果中均出现了，说明厨余垃圾-污泥的共发酵技术也是厌氧发酵技术中的研究热点之一。厨余垃圾和污泥或其他固废的共发酵有利于对发酵物的理化性质进行靶向调理，例如可以将发酵物的碳氮比、盐分和含水率等指标调控至最优范围[2]。

图2 SCI数据库中主要关键词

图3显示了采用HistCite软件分析CNKI数据库论文后得到的出现频次最高的前15个关键词。结果显示了多个不同于国际主流的关键词，体现出了国内关于厨余垃圾研究的特色。首先，国内更为重视厨余垃圾从生活垃圾中高效分类的研究，这一方面是由于国内的厨余垃圾与生活垃圾经常混合存放，另一方面也是基于国家对于生活垃圾分类的基本要求。其次，国内重视地沟油的三相分离和管理研究，这与国内大量油水混合的餐饮习惯密切相关。第三，除了国外报道的主流厨余垃圾处置技术外，黑水虻生物代谢技术处理生物炭在国内也逐渐成为主流技术之一。事实上，该技术已经在武汉等地形成了产业化规模。黑水虻生物代谢技术等新兴技术为厨余垃圾资源化处置提出了新的思路，但是，实际项目运行情况来看，臭气等二次污染控制水平需要进一步提高。

图3 CNKI文献中主要主题出现频次

3.2 厨余垃圾分类收集技术概述

发达国家有着比我国更长的垃圾分类历史和更丰富的实践经验[29]。由于经济水平和饮食习惯的不一样，各国的厨余垃圾分类方式各具特色。总的说来可以总结为3种分类模式，包括日本、美国和德国3种模式。

日本对厨余垃圾收集处置的总体思路是在源头降低厨余垃圾含水率，低含水率的厨余垃圾进入焚烧或者堆肥处理系统。此外，日本也有家庭厨余垃圾处理机，将厨余垃圾粉碎之后进行干燥，形成干燥粉末后进行后续加工后转化成有机肥料。总的来说，日本已形成良好的厨余垃圾资源循环再利用产业链[30]。

美国主要采取家庭厨余垃圾处理机进行厨余垃圾收集处理。但不同于日本，他们通过在水池安装厨余垃圾处理机，将厨余垃圾粉碎后直接排入下水道。但是，由于固体颗粒和油脂极易在排水管道形成堆积堵塞，美国学者目前正在寻求更好的替代技术[31]。

德国主要依靠对居民进行分类知识宣传教育实现厨余垃圾分类收运。具体说来，在居民小区中设置棕色垃圾桶，由居民将厨余垃圾和园林垃圾自行打包分类投递。最终由第三方的公共垃圾处理运营商负责收集与处置[32]。

国内厨余垃圾的分类收集问题更加棘手，一是由于我国厨余垃圾含水率更高，热值较低且易生物降解[31]，其次由于我国厨余垃圾占生活垃圾比例(远高于全球其他国家的厨余垃圾占比(29%～50%)[34]，最后，我国生活垃圾分类收集启动较晚，居民的“垃圾分类”意识尚不够普及。但是，由于我国对厨余垃圾采取集中处置的方式，且我国生活污水排放管道尺寸较小，不适用于排放粉碎厨余垃圾。因此，我国的厨余垃圾主要采取类似于德国模式的源头分类收运方式，分类收集后进入集中的处理设施。生活垃圾经源头分类除去厨余垃圾后，其焚烧特性也得到了极大的提升，焚烧过程中二恶英的生成得到大幅降低[35]。此外，厨余垃圾的分离也可极大的缓解生活垃圾终端处理设施的压力。

3.3 厨余垃圾处理技术概述

3.3.1 美国餐厨垃圾处理现状

美国每年产生约2600万t厨余垃圾，占生活垃圾总量的11.4%。美国采取垃圾处理收费制度，收费标准基于家庭垃圾的产生量，家庭垃圾产量多，收费就相应的高。因此采用堆肥方式处理家庭产生的厨余垃圾非常普及。同时有部分厨余垃圾被采用就地破碎直排的方式排入下水道。由于对同源性的担忧，美国政府扩大了动物饲料禁用范围，将原来对动物脑和脊髓组织的禁用范围从牛扩大到了狗、猫、猪和家禽饲料[4]。

3.3.2 欧盟餐厨垃圾处理现状

欧盟国家已经明令禁止填埋厨余垃圾。2003年起，动物副产品条例禁止在饲料生产中使用同类动物的任何部位，禁止向毛皮类动物以外的牲畜喂厨房泔水。用厨余垃圾原料作饲料在动物食品安全中存在重大的同源性隐患。基于以上原因，欧洲国家在厨余垃圾处理中摈弃了饲料化技术，主要采用厌氧生物制气技术[36]。

3.3.3 国内厨余垃圾处理现状

我国现阶段生活垃圾分类的准确率较低，厨余垃圾分类的效果不理想，含有较多的杂质，给后端处理增加了难度。因此，预处理成为厨余垃圾处理过程中非常重要的一环[16]。例如，厌氧发酵过程中水解速率是整个反应过程的决速步，利用预处理技术改善厨余垃圾的表面性质，可以规避水解过程中的不利因素，提高难降解有机质的能力，能有效提高厨余垃圾处理效率。目前常用的厨余垃圾预处理方法包括物理法、化学法、生物法及复合预处理技术。物理法通过改变厨余垃圾的颗粒尺寸和细胞结构、增大厨余垃圾和微生物酶的接触面积来加速水解反应，包括热预处理、破碎、超声波和高压挤压等。化学法通过引入酸、碱，通过水解作用改变厨余垃圾性质。生物法通过淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶和脂肪酶催化的生化反应促进厨余垃圾水解。复合预处理指的是利用多种预处理方法，以达到更好的处理效果[3,37,38]。

预处理之后则主要通过厌氧发酵技术处理厨余垃圾，包括湿式和干式发酵，干式厌氧发酵是指反应器进料的总固体量高于15%的发酵技术[39]。干式厌氧发酵技术对原料预处理要求低、沼液产量低、耗能少、产气率较高[40]。但由于其高有机负荷运行,容易发生底物浓度过高，水解酸化速率过快，挥发性脂肪酸的迅速积累，系统pH值降低，从而抑制产甲烷菌活性，导致厌氧发酵体系酸化失稳等问题[41]。湿式厌氧发酵则是进料总固体量低于15%的发酵技术，相对干式技术来说，产甲烷菌活性更高，不易发生酸化失稳问题。

4 结论与讨论

本文进行了厨余垃圾处理技术科学研究的文献计量学分析，并结合结果进行了技术探讨。国外的科学研究主要聚焦在传统的厌氧发酵、好氧堆肥以及多原料的混合发酵技术。上述技术也是国内用于厨余垃圾的最传统的技术。国内学者则较国外的研究热点之外，还关注了垃圾分类、地沟油和黑水虻相关的研究。垃圾分类和地沟油是比较符合我国实际情况和需求的特色研究领域，黑水虻生物降解技术则是厨余垃圾资源化方面的新技术。然而，以黑水虻生物降解为首的新兴厨余垃圾资源化技术在实际应用过程中，应进一步提高二次污染的控制水平。厨余垃圾分类主要包括源头分类的日本模式、家庭处理的美国模式和社区分类的德国模式。由于我国集中处置厨余垃圾，且污水排放系统管道尺寸不足，国内的厨余垃圾分类更接近德国模式，以分类宣传和居民自行分类投放为核心。餐厨垃圾处理方面，美国主要以家庭堆肥或粉碎直排为主，而欧盟和中国还是更多的采取预处理后的厌氧发酵技术。由于国内厨余垃圾成分更为复杂且杂质含量高，预处理对于中国厨余垃圾处置非常重要。

综合上述结论可以发现，我国厨余垃圾领域亟待进一步研究的课题主要集中在3个方面。第一，如何提高居民生活垃圾分类意识，提高生活垃圾中厨余垃圾的分选效率，降低厨余垃圾中的杂质比率，是厨余垃圾分类中亟待解决的问题。第二，在目前厨余垃圾杂质率较高的现状下，开发更加高效可行的预处理技术，是破除现有技术瓶颈的核心方向。第三，如何控制黑水虻生物处置技术中的二次污染，是厨余垃圾新兴资源化处置的后续程序中亟待解决的问题。