餐厨垃圾热水解资源化技术在农业领域的应用

吴坤丽 王玉忠 王润沛 蒋良楷

（1 杭州坤灵环境技术有限公司 浙江杭州 310000 2 杭州萧山环城生物能源有限公司 浙江杭州 310000）

引言

随着我国农业技术的不断发展，以生态和环境保护为理念的有机农业逐渐得到重视。有机农业是指采用有机肥或有机饲料代替在生产活动中使用的化肥、农药、生长调节剂或饲料添加剂来完成农业生产活动。有机农业在上世纪90 年代开始在我国得到重视和推广，目前发展仍以种植业为主。我国农业土壤中有机质主要来源于微生物体及其代谢或合成产物、动植物残体和传统有机肥料的施用输入，除东北黑土地区土壤有机质含量较高之外，华中、华南一带水田有机质含量为3.5%～1.5%，而华北、西北大部分地区的土壤有机质含量仅有1%左右[1]。传统的有机肥以畜禽粪便和作物秸秆作为有机输入源，不仅会带来农业面源污染，且因肥积制技术费工费时并没有被广泛接受。我国的土壤有机质来源输入远不能满足如今有机农业的发展需求，因此探寻新型稳定的农业有机输入源对我国有机农业发展能起到极大的推动作用。

而随着经济和人口的不断发展，饮食生产活动中产生的餐厨垃圾产量也在不断上升。根据中国住房和城乡建设部在2012 发布的《餐厨垃圾处理技术规范》（CJJ 184-2012）中对餐厨垃圾的定义，餐厨垃圾为餐饮垃圾和厨余垃圾的总称。其中餐饮垃圾为餐馆、饭店、单位食堂等饮食剩余物以及后厨的果蔬、肉食、油脂、面点等的加工过程废弃物；厨余垃圾为家庭日常生活中丢弃的果蔬及食物下脚料、剩饭剩菜、瓜果皮等易腐有机垃圾[2]。从资源循环的角度来看，餐厨等有机垃圾作为一种新的农业有机输入源具有很大的潜力。

1 餐厨垃圾的组分、理化特性及成分

随着垃圾分类工作的持续推进，餐厨垃圾实行单独投放、统一收运、集中处置的管理模式，但在进行收运过程中还是免不了会带上少量的一次性木筷、餐巾纸、塑料袋等其他生活垃圾。

图1 展示了我国餐厨垃圾普遍组分含量分布，餐厨垃圾中食物残渣的组分占比高达82.6%，其次是油脂10.5%、骨头5.2%、木头1%和纸张0.8%，还会混有少量塑料（0.7%）、金属（0.1%）、织物（0.1%）等杂质。餐厨垃圾经过收运后一般会通过筛选的方式剔除大件异物之后经分选、破碎、制浆等步骤将垃圾中的塑料、金属等杂物有效分离，形成较均质的餐厨垃圾原液。

表1 综合了我国北部及中、东部部分城市的餐厨垃圾的基本理化特性。由于不同城市因经济发展和人口不同影响及地域饮食习惯的差异，餐厨理化特性波动范围较大，平均水平约为含水率79.2%，含固率20.4%，干基中有机质88.2%，盐分1.7%，pH3.8～7.2 左右。餐厨垃圾中含有大量动植物油脂可用于生物柴油的生产，经过除砂后进行三相分离提油回收，产生的固相部分可用于堆肥发酵生产有机固肥，剩下的有机浆液常规用作厌氧消化产甲烷。

表1 我国餐厨垃圾基本理化特性

表2 综合了我国北部及中、东部部分城市的餐厨垃圾中有机质的主要成分，大致分为碳水化合物、脂肪、蛋白质和粗纤维四类，其含量平均水平分别为38.8%～68.6%、3.0%～37.7%、10.6%～25.6%和2.6%～7.4%。餐厨垃圾中按主要元素按含量大到小分别是碳（22.5%～61.3%）＞氮（2.19%～3.9%）＞硫（0.5%～0.55%）[8]，此外还有0.65%的磷（以五氧化二磷计）和1.27%的钾（以氧化钾计）[7]。此外还含有少量的微量元素[9]：钙（干基）0.07%～2.44%，镁（干基）0.03%～0.16%，和铁、镍、锰等三种含量分别为3.17～766、0.19～2、0.96～110mg/kg。餐厨中各种有机质成分含量大多与食物结构相类似，以碳水为主，其次是脂肪、蛋白质和多种微量元素。脂肪和蛋白质在肉禽蛋奶及豆类中含量较高，钙镁铁等在甲壳类海鲜、动物骨头、动物内脏中含量较高，锰镍等则多来源于粮食和蔬果。

表2 餐厨垃圾中有机质的主要成分含量

2 餐厨垃圾的农业资源化利用价值

我国的餐厨垃圾由于地域不同、饮食习惯差异等因素，其基本理化特性及元素成分也不尽相同，但总体来看都具有含水率高、高有机、高油脂及高盐分的特点。餐厨垃圾的有机质（干基）含量能达到80%以上，且有机成分复杂多样，同时含有较丰富的氮元素及磷、钾、钙、镁、硫、铁、镍、锰等多种中微量元素，这些元素大多来源于各种食物，同时可作为农业生产中作物所需要的营养物质及元素需求。尤其是餐厨垃圾中富含的有机质成分，在改善我国土壤环境污染能够起到重要作用[10][11]。餐厨垃圾经过无害化资源化工艺处理后完全具有投入到农业生产中的利用价值，且能最大程度地实现减量化、无害化、资源化利用。在《“十三五”全国城镇生活垃圾无害化处理设施建设规划》[12]中便有鼓励使用餐厨垃圾经过无害化、资源化处理后生产有机肥料及土壤改良剂等农资产品。

从表3 可以看出，餐厨垃圾的相关肥料养分指标项基本能达到标准要求，且其要求的重金属指标项含量远低于标准的要求限值，且其含有的远高于标准要求的有机质含量以及钙镁硫等中微量元素亦为其肥料化产品增添了附加产品价值。

表3 《有机肥料》NY 525-2012中对有机肥料产品的指标要求[13]与常规数值对比

据调查，“十二五” 期间，全国餐厨垃圾产生量达10 万吨/日，预计“十三五”末到“十四五”初全国餐厨垃圾产生量将达到20 万吨/日[14]。以餐厨垃圾含固率20.4%，干基中有机质88.2%含量来算的话，全国由餐厨垃圾产生的有机质资源约有3.59 万吨/日，年产量能够达到约1310 万吨。从资源的角度来看，餐厨垃圾对有机农业来说是一个巨大的有机资源宝库，而缺的只是能够高效打开这座宝库的一把钥匙。

3 餐厨垃圾农业资源化利用处理工艺

餐厨垃圾因其复杂的元素组成和丰富的有机质含量，有着非常大的农业资源化价值。但想要将这份价值最大程度释放出来达到高效资源化利用的目的，还需要依靠一定的工艺技术。我国目前对餐厨垃圾稳定化、无害化、资源化处理技术主要有好氧堆肥、厌氧发酵及热水解技术等。

3.1 好氧堆肥

好氧堆肥是指在通气的条件下，利用专性或兼性好氧微生物的生理代谢功能把餐厨垃圾中难分解、大分子的有机质转化为小分子有机质，并最终得到稳定的腐殖质作为有机肥料的过程。在好氧堆肥的过程中，有机废物中的可溶性小分子有机物质透过微生物的细胞壁和细胞膜而为微生物所吸收和利用。其中的不溶性大分子有机物则先附着在微生物的体外，由微生物所分泌的胞外酶分解成可溶性小分子物质，再输入其细胞内为微生物所利用。微生物通过自身的生命活动-氧化还原和生物合成过程，把一部分被吸收的有机物氧化成简单的无机物并放出微生物生长活动所需要的能量，把另一部分有机物转化合成新的细胞物质，使微生物生长繁殖产生更多的细胞体，而未能降解的残留有机物部分转化为腐殖质。好氧堆肥技术最终将有机废物进行矿质化和腐殖化，同时利用堆积时所产生的高温（60-70℃）来杀死原材料中所带来的部分病菌、虫卵和杂草种子，达到无害化的目的[15]。

好氧堆肥技术能够实现餐厨垃圾40%的减量化，其生成稳定的有机肥富含腐殖质及氮磷钾等元素能有效地实现餐厨垃圾的稳定化和资源化利用。但由于餐厨垃圾含水率高且易腐，颗粒机械稳定性差，在好氧堆肥处理过程中需要添加大量的填充物和填充剂调节空隙率和含水率，会造成附加成本高，设备效率低的问题[16]。且在好氧堆肥的物质转化过程中会产生氨、硫等臭气污染，造成了二次污染问题。好氧过程中微生物的呼吸作用和利用也会造成餐厨垃圾中的部分有机资源损耗。且好氧堆肥的处理周期较长，一般需要20-30 天左右。

3.2 厌氧发酵

厌氧发酵是指在特定无氧的条件下，利用厌氧菌的生理代谢功能把餐厨垃圾中富含的大分子有机质转化为小分子有机物或者无机物质。厌氧发酵最终产物不仅有腐殖质类有机物、二氧化碳和甲烷,还有氨、硫化氢和其他有机酸等还原性物质。厌氧发酵原理在很多传统种类有机肥的制作中都有应用，如厩肥、沤肥、沼气肥等。

餐厨垃圾最常见的资源化处理方式是厌氧产沼气，又称为厌氧消化。厌氧消化技术分为水解液化、产氢产酸、产甲烷三个阶段。在厌氧消化过程中，固体有机物并不能被微生物直接利用，必须在好氧或厌氧微生物分泌的胞外酶、表面酶的作用下分解转化成小分子有机物才能进一步被产酸菌利用转化成小分子有机酸，再进一步由产甲烷菌分解成甲烷和二氧化碳[17]。厌氧发酵产沼气能有效实现餐厨垃圾的生物质能回收，但对于餐厨垃圾进行农业资源化利用而言效率并不算高。在厌氧过程中，餐厨垃圾中部分有机质被厌氧菌消耗，部分被固定为高分子、难降解的胞外聚合物（EPS）[18]，造成了有机资源的消耗。厌氧产物会出现沼液的养分低、而沼渣有重金属累积等的问题，餐厨垃圾进行厌氧消化产生的沼液和沼渣还需要经过浓缩、去除重金属等复杂的处理才能作为标准有机肥生产进行农业资源化利用[19]，这相对延长了餐厨垃圾进行农业利用的碳循环路，很难有效、最大限度发挥餐厨垃圾因本身物质基础组成而具有的农业资源化利用价值。

3.3 热水解技术

热水解技术是指在温度和压力的环境下，反应容器中一些难降解、大分子有机物质发生水解反应分解成小分子有机物质。热水解的温度范围在40℃～180℃之间，温度低于100℃的为低温热水解，温度高于100℃的称为高温热水解，目前大部分热水解技术研究都集中在100℃以上的高温热水解。热水解分为固体物质溶解液化和有机物水解两个过程，在温度和压力的作用下一些固体有机物质结构被破坏从而释放出结构里的毛细水、表面吸附水和内部的结合水等，使固体有机物质达到液化的效果，同时里面的有机分子如蛋白质、碳水化合物和脂类等会发生水解反应，转化为易溶的小分子物质如氨基酸、单糖和小分子脂肪酸，使餐厨垃圾中有机物充分溶解和释放[20]。卓杨[21]等在对高含固有机污泥热水解的研究中发现，在热水解处理后水解液的组分主要是溶解态的蛋白质及溶解态的碳水化合物，其中VSS（挥发性悬浮固体）的水解率达到43.35%。其中蛋白质、碳水化合物的水解率为54.36%和65.12%，不溶态有机磷、不溶态有机氮和不溶态有机磷水解率分别为50.03%、54.23%和30.52%。溶解后的碳氮磷硫等元素多以单糖、挥发性有机酸、氨基酸、磷酸盐等易溶态物质形式存在。陈姝桦[22]在研究中发现不溶态有机物在高温热水解处理90 分钟后水解率便可达到53.76%。

相比好氧堆肥和厌氧发酵两种传统的餐厨垃圾资源化处理工艺而言，热水解技术采用纯物理化学手段，处理过程并无微生物作用的过程，且设备条件要求低，工程建设简易，处理停留时间短，大大降低了场地的使用和成本。其高温热水解的高温高压条件达到了灭菌条件，足够有效地杀灭餐厨垃圾中的细菌、虫卵和杂草种子等，有效减少了餐厨垃圾传统资源化处理工艺中出现的环境问题以及微生物造成的有机资源损耗。热水解技术不仅能使餐厨垃圾达到“减量化、无害化、资源化”的处理效果，并且能促进餐厨垃圾的高效农业资源化利用。

4 餐厨垃圾热水解处理农业资源化应用

餐厨垃圾进行热水解处理后，产生的水解液中会含有丰富DOM（溶解性有机质）和氮磷钾硫等多种可溶性植物营养元素，在农业资源化利用上应用多样。

4.1 有机肥

传统的有机肥以人、禽畜粪便及秸秆等农业废物为有机原料，经过堆、沤等方式利用好氧或厌氧微生物发酵进行，有机肥加工生产的原理都是基于微生物的基础，但这种方式不仅费工费时，还会产生污水污泥、臭气及病原菌危害等一系列环境问题，且在生产过程中有机原料的营养成分会有很大的损失。以氮素为例，在粪尿有机肥的生产过程中，氮素的总损失达到了将近50%[23]，除此之外，还有磷、钾的流失以及有机质的损耗。

相比之下，餐厨垃圾水解液在生产过程中最大程度保留其丰富的有机成分且释放了其中难降解的氮磷钾养分。在对餐厨垃圾进行热水解处理后，以餐厨垃圾水解液为原料配以添加剂生产高效有机肥可有效地增加土壤有机质，改善土壤结构，增加其保水保肥能力，促进土壤微生物繁殖，提高农作物抗病、抗旱、耐涝的能力[24]。朱琳等[25]研究表明，长期施用餐厨有机肥可以显著提高土壤有机质、活性有机碳含和氮磷钾含量，并且有助于土壤团聚体的形成和稳定，从而改善土壤结构和土壤耕性。

4.2 土壤改良/修复

由于农业生产活动中农药、化肥的大量使用，土壤肥力流失、酸化盐碱化、重金属污染、毒性有机污染等农田土地污染的环境问题越发突出。餐厨垃圾通过热水解技术制备土壤改良剂或土壤修复剂能增加土壤持水量，增加土壤养分或修复土壤重金属污染及土壤有机污染[26]。餐厨水解液中的有机质含有丰富的活性官能团，且带负电荷，在进入土壤后能通过静电吸附、络合作用、配位交换、生物降解等方式在土壤中迁移转化，从而对土壤的肥力、结构和理化特性起到改善作用[27]。朱秋莲等[28]研究表明有机质的添加对盐碱地的改良有明显效果。闵涛等[29]研究表明溶解性有机质对镉污染土地有明显的强化作用。姜倩利[30]研究发现添加外源性的DOM（溶解性有机质）后，加快了土壤沉积物对抗生素土霉素的吸附作用。可见，餐厨水解液中在农田土壤改良及污染修复方面有很大的应用空间。

结语

2021 年7 月，国家发展改革委印发的《“十四五”循环经济发展规划》中明确指出，发展循环经济是我国经济社会发展的一项重大战略，大力发展循环经济，推进资源节约集约利用，构建资源循环型产业体系和废旧物资循环利用体系，对保障国家资源安全，推动实现碳达峰、碳中和，促进生态文明建设具有重大意义。资源循环已经成为当今各行业的发展热点，无论是环保、农业、制造业亦或是互联网都有涉及。

资源的高效利用和循环利用是循环经济的核心，而餐厨垃圾通过热水解技术进行高效的农业资源化利用恰好符合循环经济的发展核心和可持续发展理念。餐厨垃圾有机质含量高、微量元素丰富，具有极大的农业资源化利用价值，而热水解所具有的高效率、低成本的技术优势不仅能够实现垃圾的减量化、无害化、资源化，更能帮助改善我农业土壤有机质缺乏、农田污染等现状，推动我国的绿色有机农业发展，实现餐厨垃圾的高效资源循环利用。从耕地到餐桌，再从餐桌回到耕地，农业和生态环保相结合，热水解技术打通了这一可持续资源循环途径的重要一环。