“双碳”目标下餐厨垃圾资源化技术及其碳排放分析

李亚林，刘 蕾，关明玥，孙 猛，黄文宝，韩欣宏

(河南工程学院 环境与生物工程学院，河南 郑州 451191)

1 研究背景

本研究对近年来的餐厨垃圾资源处理技术进行归纳分析，重点探讨了不同技术在使用过程中的碳排放情况，以期为“双碳”目标下餐厨垃圾处理提供一定参考。

2 国内外餐厨垃圾碳排放研究现状

2.1 国外餐厨垃圾碳排放研究现状

近年来，国外不少学者对餐厨垃圾资源化处理过程中的碳排放开展了研究，早期研究多采用生命周期评价的方法进行。2012年，瑞典的Bernstad等[6]对25种餐厨垃圾处理技术(包括填埋、热处理、堆肥等传统处理技术)的替代方案进行了综合分析，以生命周期评价的方法比较了不同方案对全球变暖的影响，证实了通过焚烧回收的潜在能源、堆肥过程中的气体排放、生物肥料和化肥储存及填埋过程中的碳排放均与全球变暖高度相关，但还有一些关键参数没有被考虑到。英国学者Evans[7]同样以生命周期方法计算了餐厨垃圾焚烧、填埋、堆肥等处理技术的碳排放量，结论为餐厨垃圾焚烧会降低热值和能量回收效果，增大碳排放量。然而，以广域生命周期评价方法进行的理论分析与实际工程处理的数据仍存在较大差距，故一些学者陆续在研究中将生命周期评价与特定工艺或系统进行整合分析，获得了更为精准的数据。2017年，Maalouf等[8]开发了一种采用生命周期清单方法的模型，将固体废物和废水管理过程整合到一个单一框架下，并测试了发展中经济体典型的有机食品含量高的废物的情景，研究了厨余垃圾处理系统(FWD)政策的碳足迹，发现FWD政策可以减少近42%的碳排放量。2018年，Havukainen等[9]使用现有沼气厂的生命周期评估(LCA)方法计算有机肥料中磷和氮的碳足迹，量化了使用有机肥料的环境效益，发现与矿物肥料生产中的温室气体排放量相比，有机肥生产中的温室气体排放量平均减少78%，磷平均减少41%。2021年，Priyadharsini等[10]利用餐厨垃圾提炼乙醇，研究将这种生物乙醇与石油基柴油按一定比例混合后作为燃料燃烧时的碳排放，发现这种燃料在生物乙醇与石油基柴油体积比1∶3进行混合时制动热效率最优。

2.2 国内餐厨垃圾碳排放研究现状

我国餐厨垃圾碳排放研究起步较晚，目前完成的主要研究成果均是采用生命周期方法对餐厨垃圾碳排放进行的分析。2016年，张丹等[11]以北京市为例研究了城市餐厨垃圾整个生命周期碳排放量碳足迹，发现在处理阶段，碳排放占餐厨垃圾总碳足迹的比例为13.68%。2017年，郝晓地等[12]研究了不同餐厨垃圾的处置方式全生命周期碳排放情况，发现厌氧产沼在资源利用和减排上具有明显优势，另外餐厨垃圾与污泥联合厌氧消化比单独处置能量转化效率更高。2020年，朱强等[13]使用全生命周期和碳足迹计算方法对全国30所高校食堂餐厨垃圾的碳足迹进行了研究，结果发现我国高校食物浪费问题非常严重，其中原料制造阶段的碳足迹在全生命周期中所占比例最大，为82%。2021年，Zhang等[14]基于Slacks的测量方法，结合数据包络分析(SBM-DEA)模型，对餐厨垃圾厌氧处理过程进行评价和优化，建立厌氧消化过程中沼气产量和CO2排放量评价模型，并将所提出的方法用于实际的厌氧消化过程。然而，现阶段相关研究主要在已有的规模化技术或模式上对餐厨垃圾碳排放进行评价和分析，而对于新型餐厨垃圾资源化处理技术的碳足迹分析却很少见。

3 餐厨垃圾资源化技术及碳排放分析

3.1 焚烧发电

随着科技的不断发展，将餐厨垃圾焚烧后用于发电的方式逐渐被广泛使用。焚烧处理是在高温条件下使餐厨垃圾内部所含有机物充分燃烧，将其转化为无机物，其中也不乏将有毒有害的有机物转化为无害的无机物或气体。由于餐厨垃圾热值高，焚烧过程会产生大量的热量，可以用于发电厂的能源供应。目前，我国垃圾焚烧厂一般将餐厨垃圾与其他垃圾混合收集处理，能够实现餐厨垃圾的大规模处置。程蓓[15]分别对餐厨废弃物焚烧发电、利用柴油机发电、利用沼气发电等几种形式及其应用进行了介绍，同时对这些发电方法的特点进行了相关分析，发现餐厨垃圾经过一定的预处理后，其焚烧发电效率为30%左右，焚烧1 t餐厨垃圾可发电407 kW·h。

餐厨垃圾中含有生物源碳，焚烧过程中产生的CO2会参与大气碳循环[16]，并不会对生态圈的碳浓度产生净影响；同时餐厨垃圾中的生物源碳可以通过焚烧替代传统化石燃料发电或供热所带来的碳排放，抑或替代填埋方式处理垃圾所带来的CH4排放，从而实现碳减排。在焚烧发电过程中，化石燃料导致的CO2排放可以并入焚烧发电温室气体的排放总量中。廖凌娟等[17]针对这一过程进行研究发现，垃圾焚烧发电因为较大程度地实现了资源转化，其碳减排量最高可达38%，通过垃圾焚烧来减碳，实现垃圾废弃物资源转化将成为更适用的碳减排方法。综合来看，虽然餐厨垃圾的焚烧发电会造成一定程度的附加碳排放，但焚烧过程可以向外输出热量、回收电能，即使利用余热进行发电具有一定局限性，但通过采用一些新型技术比如电热联产等，便可克服上述不足，达到良好的碳减排效果。

3.2 饲料化

餐厨垃圾饲料化技术是利用物理法、化学法和生物法将餐厨垃圾转化成蛋白饲料的一种废物资源化处理工艺。根据处理手段和转化方式的不同，该类技术可分为3种：脱水制蛋白饲料、微生物发酵制蛋白饲料和昆虫过腹化制蛋白饲料。

脱水制蛋白饲料工艺流程分为4步：先将餐厨垃圾干燥脱去其中水分，再高温杀菌，然后进行粉碎处理，最后制成各种动物饲料的原料或者作为添加物投入饲料中。宋文涛[18]对国内外餐厨垃圾饲料化现状和水产养殖方面的论述，证明了餐厨垃圾制成干饲料可以用作鱼饲料，并可以通过添加一些动植物蛋白来补充粗蛋白。该技术虽具有操作简单、投资少、易于管理、能源消耗少等优点，但餐厨垃圾携带大量病原微生物，很难将其全部消除，故制成的饲料可能会随动物食物链进入人体，存在同源污染的安全隐患[19]。

微生物发酵制蛋白饲料是指餐厨垃圾经过预处理后，蛋白大分子有机物分解生成活性高、吸收能力强的小分子蛋白，后续经过深度加工处理制成优质蛋白饲料[20]。庄禧懿等[21]用枯草芽孢杆菌、酵母对餐厨垃圾进行发酵，生产出了一种生物饲料，其中富含多种酶和大量有益微生物，在将餐厨垃圾资源化的同时减少了对环境的污染。用该技术制得的蛋白饲料品质优良、价格实惠，在一定程度上能够抑制有害病菌，具有一定的环保效果，但受技术水平的限制，该技术产出不稳定，效率较低，难以大规模推行。

昆虫过腹化制蛋白饲料是将餐厨垃圾用于养殖昆虫，昆虫在代谢过程中会产生粪便，虫粪可以作为一种有机肥料。另外，昆虫能够大量繁殖幼虫，幼虫体内含丰富的蛋白质，是一种优质生物蛋白原材料[22]。该技术在餐厨垃圾饲料化过程中具有良好的生态环境效益，是今后餐厨垃圾饲料化技术新的发展方向。

无论采用何种饲料化技术，都能够有效提高餐厨垃圾资源化利用率并减少碳排放。一方面，在饲料化处理过程中直接或间接利用了餐厨垃圾内含的大量有机物等营养成分，大幅减少了餐厨垃圾有效成分的损失，在提高资源化利用率的同时间接减少了碳排放；另一方面，饲料化技术处理过程的耗能低，虽然在收集或处理阶段会造成一定的温室气体排放，但对总体碳减排起到了良好的效果，具有很好的环境效应。李欢等[23]通过比较我国餐厨垃圾的处理模式，从餐厨垃圾的碳排放和回收利用率角度出发，证明了相较于其他处理模式，饲料化模式的回收利用率最高且碳减排效应较为显著，其回收利用率可达80%～95%，以CO2当量计算饲料化模式的碳排放量为-112～-67 kg/t。

3.3 厌氧堆肥发酵

厌氧堆肥发酵技术是利用微生物的代谢功能对餐厨垃圾进行分解，该过程会将大部分可溶性有机碳转化为CH4和CO2，其中CH4含量为55%左右，并且CH4在燃烧过程中会再生成CO2。具体的碳排放情况如图1所示。

图1 厌氧堆肥发酵技术碳排放情况Fig.1 Carbon emission of anaerobic composting fermentation technology

该过程中的碳排放量可以通过建立评价模型进行估算。Zhang等[14]建立SBM-DEA模型，以沼气总进料量和液体沼气排放量为输入量、CH4总产量为理想输出量、CO2排放量为不理想输出量，测算了厌氧消化过程中的CO2排放量。虽然厌氧发酵过程会伴随着CH4和CO2的产生，但相比传统的填埋和堆肥，厌氧发酵能够使产生CH4等的温室气体排放量降低15.5%[24]。因此，厌氧发酵相比直接燃煤供能或者其他传统处理方法已经具备明显的碳减排优势。目前，厌氧发酵技术属于生物法处理处置餐厨垃圾中低碳化程度最高、减排潜力最大的方法。尽管餐厨垃圾厌氧发酵过程中产生的沼气为清洁能源，但生产过程的复杂性及厌氧工艺的不确定性，都可能会对环境产生不利影响。为了顺应“双碳”时代的发展，仍需要针对餐厨垃圾低碳化处理中的厌氧发酵技术进行优化改进。

3.4 炼制生物柴油

餐厨垃圾含有大量油脂且成分复杂多样，可以用来提炼生物柴油。生物柴油主要由脂肪酸甲酯组成，是一种无毒、可生物降解的燃料，可作为石油和天然气的替代品。

Varaujo等[25]研究了利用不同类型餐厨垃圾中油脂生产生物柴油的方法，发现KOH是与废食用油反应的最优催化剂，并评估了这种生物柴油的经济效益和可用性，发现与初榨油相比，即使存在预处理的额外费用，直接生产成本仍降低了45%。近年来国内开始对此进行研究，并在各地开展了试点工作，现阶段我国餐厨废弃油脂回收量将近300万t，其中用于炼制生物柴油的量约150万t，用于出口的量约90万t[26]。

餐厨垃圾制得的生物柴油的主要成分为不同链长度和不同饱和度的脂肪酸甲酯，故这种生物柴油在燃烧中表现出不同的碳排放特性，会产生NOx、CO、氯烃化合物和氯酚等多种有害物质，必须在后续减排过程中使氯烃化合物充分氧化和裂解，而充分燃尽则会产生大量CO2。针对这一问题，早在2013年，上海市就建立了新的餐厨垃圾废弃油脂封闭管理方法，从餐厨垃圾废弃油脂到生物柴油再到B5柴油形成闭环，全程严格把握监管，取得了良好的推广效果。

虽然餐厨垃圾制备生物柴油及后续使用过程中仍会排放出温室气体，但相关研究[27]表明，与其他燃料相比，从餐厨垃圾废弃煎炸油中提炼的生物柴油能让发动机具有更好的性能，且碳排放量更少。Lee等[28]评估了餐厨垃圾生产天然气和乳酸过程中的生命周期温室气体减排效益，发现餐厨垃圾生产的天然气生命周期温室气体排放量远低于化石燃料。生物柴油具有良好的环保性，使用生物柴油可使硫化物的排放量减少约30%，温室气体排放量减少60%，以餐厨垃圾为原料加工生物柴油具有多项发展优势[29]。

总体而言，上述4类餐厨垃圾资源化技术的运行要求较高，过程中不可避免都会产生碳排放。随着科技的发展和我国“双碳”目标的推动，更多的餐厨垃圾低碳转化方法将应运而生，其中碳源化技术有望实现餐厨垃圾在“双碳”背景下的增值化利用。

3.5 碳源化

餐厨垃圾碳源化是指将餐厨垃圾经过一定途径转化为碳源从而被再次利用，转化后的碳源一般伴随另一种高附加值产物，如葡萄糖、乳酸、乙醇等。常见的餐厨垃圾碳源化处理工艺为餐厨垃圾预处理—去除油脂成分—水解产酸—酸化液的提取与纯化。其中，水解产酸是该工艺流程的核心，此处理工艺能够将餐厨垃圾转化为高浓度、可生物降解的有机酸化液[30]，其通常可代替甲醇等有较大毒性的碳源作为污水处理厂生物脱氮除磷等工艺的碳源，或者作为附加碳源参与一些难降解有机物的共降解工艺[31]。

柯水洲等[32]对餐厨垃圾废水进行一定程度的预处理后，回收废水中的碳源，在发酵过程中考察了乳酸与挥发性脂肪酸的变化情况，同时也探究了预处理后的发酵酸化液作为碳源对反硝化脱氮的影响，证明该预处理提升了回收溶解性碳源的反硝化速率。此过程中，在一定程度上回收了餐厨垃圾中丰富的碳源并将其用于水解产酸，达到了餐厨垃圾资源化利用的效果。虽然发酵过程会产生少量CH4，但其水解产酸后的酸化液作为溶解性碳源用于污废水的反硝化脱氮处理工艺中，其碳源的增值转化及利用带来的效益能够抵消产生CH4和运输过程中碳排放的影响并有富余，碳中和效果明显。

与传统的餐厨垃圾厌氧产CH4工艺相比，餐厨垃圾碳源化处理工艺中，水解产酸的转化率远高于产CH4的效率，其间可能会有少量CH4产生，但其产生量也会受到挥发性脂肪酸产量的抑制，在一定程度上可以控制CH4排放。对水解产酸后的碳源进行二次利用，增加了餐厨垃圾碳源的附加值，该工艺碳的回收利用率高于运输过程中的碳排放率和CH4的排放效率，能够达到碳中和的目标。虽然餐厨垃圾的碳源化技术能够将其酸化液作为替代或者附属碳源，但目前该研究还不够全面，适用范围也存在一定局限。

3.6 碳组分回收制备功能性材料

为了充分实现餐厨垃圾中的碳组分利用，碳源化技术也有了新的转型。例如，通过一定的氧化激发技术可将餐厨垃圾中的碳组分释放出来，以释放出的碳源为主链，通过交联聚合接枝反应制备一种以餐厨垃圾为原料的高分子凝胶材料，此类凝胶材料具有良好的溶胀性、保水性及生物降解性。采用该方法制备功能性材料的具体流程及原理如图2所示。

图2 碳组分回收制备功能性材料流程及原理Fig.2 Process and schematic diagram of preparation of functional materials by carbon component recovery

利用餐厨垃圾制备高分子凝胶材料不可避免会在垃圾收集与运输过程中以CO2的形式排放小部分碳，但在凝胶材料的制备过程中，餐厨垃圾中的碳源可以通过一定途径转化或固定在凝胶高分子材料中，实现了碳的储存，没有以其他形式排放到环境中，减少了餐厨垃圾各种形式的碳排放。另外，以餐厨垃圾的碳源为主链制备的凝胶材料也实现了碳源的重复利用，凝胶材料可作为功能性材料被利用，未造成碳资源的浪费，为实现“双碳”目标提供了一种新思路。

4 结语

随着我国“双碳”目标的提出，各地各级部门的餐厨垃圾资源化利用政策不断出台，新的餐厨垃圾处理技术会得到进一步推广和应用。然而，能够达到高度碳减排甚至零排放的技术仍占少数，碳源化技术有望实现餐厨垃圾中碳源的充分利用。未来餐厨垃圾资源化利用研究应紧跟时代背景，在生产高附加值产品的同时减少资源化利用过程中的碳排放，推进实现我国碳达峰和碳中和的“双碳”目标。