顧廣發(fā)，李 勇，任維琰，邱德斌

（蘇州科技學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215011）

餐廚垃圾資源化技術(shù)研究探討*

顧廣發(fā)，李 勇，任維琰，邱德斌

（蘇州科技學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215011）

介紹了餐廚垃圾傳統(tǒng)處理方法的不足，以生物柴油技術(shù)、飼料化技術(shù)、好氧堆肥技術(shù)、厭氧發(fā)酵技術(shù)等資源化技術(shù)為例，探討目前國(guó)內(nèi)外資源化處理方法的研究進(jìn)展及各種資源化方式的優(yōu)缺點(diǎn)。根據(jù)目前發(fā)展現(xiàn)狀，提出了未來餐廚垃圾處理的研究方向。

餐廚垃圾；資源化；飼料；堆肥；發(fā)酵

餐廚垃圾俗稱“泔腳”，是城市生活垃圾中有機(jī)相的主要來源，產(chǎn)生于企事業(yè)單位、學(xué)校、農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)、超市以及餐飲服務(wù)行業(yè)［1］。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活質(zhì)量的提高，餐廚垃圾產(chǎn)生量也在逐年增加。以北京、上海、廣州等大城市為例，其餐廚垃圾日產(chǎn)生量均超過了1 000 t［2］。餐廚垃圾主要包括米和面粉類食物殘余、蔬菜、植物油、動(dòng)物油、肉骨、魚刺等。其特點(diǎn)是有機(jī)物含量高，易腐發(fā)臭，油脂、鹽分含量高等。餐廚垃圾的產(chǎn)生量和復(fù)雜成分增加了其處理難度。

1 傳統(tǒng)處理方法與不足

①餐廚垃圾直接作為牲畜的飼料，一些病原微生物進(jìn)入牲畜體內(nèi)，當(dāng)人們攝入了這些帶有病菌的牲畜時(shí)就容易感染疾病。②與其他生活垃圾混合衛(wèi)生填埋，容易產(chǎn)生惡臭、大量滲瀝液和沼氣，造成二次污染。③不經(jīng)處理直接排入下水管道，易堵塞排水管道，降低排水能力。

2 資源化研究

餐廚垃圾由于其自身的特點(diǎn)，不適合傳統(tǒng)的垃圾處理方法，目前餐廚垃圾處理方式主要以資源化為導(dǎo)向［3］，因此筆者總結(jié)了近年來國(guó)內(nèi)外餐廚垃圾資源化處理的主要研究方法，目的在于為餐廚垃圾的資源化處理提供科學(xué)依據(jù)。

2.1 生物柴油

生物柴油是指以動(dòng)植物油脂為原料，通過酯交換生產(chǎn)的柴油，也稱之為再生燃油。而地溝油可通過酸-堿兩步法、分離反應(yīng)法、完全催化法等工藝制得生物油。傳統(tǒng)的生物柴油生產(chǎn)工藝流程見圖1。

圖1 餐廚垃圾制生物柴油的工藝流程

生物柴油具有良好的環(huán)保性，使用生物柴油可使SO2等硫化物的排放量減少約30%，溫室氣體（如CO2）減少60%［4］。我國(guó)目前生物柴油生產(chǎn)專利達(dá)30多種。清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系和蘇州市潔凈廢植物油回收有限公司合作研究餐廚垃圾處理技術(shù)，其成果于2008年被蘇州餐廚垃圾處理廠用于提取生物柴油。生物柴油可作為石化柴油的替代燃料，是一種優(yōu)質(zhì)的可再生替代能源，直接用于現(xiàn)有的柴油機(jī)。生物柴油技術(shù)將成為餐廚垃圾處理發(fā)展的一個(gè)方向。

2.2 飼料化

餐廚垃圾中含有大量的有機(jī)營(yíng)養(yǎng)成分，其飼料化具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。出于安全衛(wèi)生考慮禁止將餐廚垃圾直接作為動(dòng)物飼料，必須經(jīng)過處理，消除病毒污染后制成飼料進(jìn)行利用。飼料化可分為生物法和物理法。

生物法［5］是利用微生物菌體處理餐廚垃圾，利用微生物的生長(zhǎng)繁殖和新陳代謝，積累有用的菌體、酶和中間體，經(jīng)烘干后制成蛋白飼料。高鳳彩等［6］對(duì)有機(jī)生活垃圾發(fā)酵底物提取蛋白質(zhì)進(jìn)行了研究，可得到淡黃色氨基酸晶體，提取率達(dá)80%以上，產(chǎn)品可作為飼料添加劑使用。

物理法是直接將餐廚垃圾脫水后進(jìn)行干燥消毒，粉碎后制成飼料，其工藝流程見圖2。脫水方法分為常規(guī)高溫脫水、發(fā)酵脫水、油炸脫水［7］。目前西寧市餐廚垃圾處理廠就采用高溫脫水方法進(jìn)行脫水飼料化。物理法相對(duì)生物法工藝簡(jiǎn)單，成本低，但存在較大的食物安全隱患。利用該法制得脫水飼料的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量（59次平行試驗(yàn)的平均值） 見表 1［8］。

表1 餐廚垃圾物理法制得脫水飼料的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量（n=59）%

2.3 好氧堆肥

好氧堆肥技術(shù)是一種將傳統(tǒng)好氧堆肥技術(shù)與外加生物菌種強(qiáng)化作用結(jié)合起來的堆肥技術(shù)，堆肥產(chǎn)品可作為復(fù)合肥料使用。

餐廚垃圾中C/N較低，合理調(diào)節(jié)C/N將提高餐廚垃圾發(fā)酵效率和有機(jī)肥的肥效。席北斗等［9］對(duì)廚余垃圾蓬松劑技術(shù)研究表明，添加鋸末、樹葉、秸稈和干馬糞等蓬松劑后，堆料所能達(dá)到的高溫及其停留時(shí)間、好氧速率和產(chǎn)CO2能力均明顯優(yōu)于對(duì)照組，并能很好地控制出口H2S含量，特別是添加干馬糞和鋸末可明顯改善堆料孔隙率，吸收多余水分，加速氧和有機(jī)物的傳輸速率，改善好氧堆肥微環(huán)境。

我國(guó)餐廚垃圾具有油脂、鹽分含量高等特點(diǎn)。高油脂、高鹽分含量的餐廚垃圾在堆肥時(shí)會(huì)抑制微生物的活性，降低堆肥效率，且堆肥易造成土壤酸化和損害作物根部，長(zhǎng)期使用還會(huì)導(dǎo)致土壤的鹽堿化［10］。在堆肥的使用過程中可通過水洗脫鹽降低鹽分含量，也可添加一定量的無機(jī)肥以抑制返鹽。重金屬的含量也會(huì)影響堆肥效果，并且可造成土壤重金屬污染。

因此，好氧堆肥雖然處理工藝簡(jiǎn)單，但肥效差、占地面積大、處理時(shí)間長(zhǎng)，以及產(chǎn)生大量臭氣，應(yīng)用該法時(shí)應(yīng)綜合考慮各方面因素的影響。

2.4 厭氧發(fā)酵

厭氧發(fā)酵是在特定的厭氧環(huán)境下，利用微生物將餐廚垃圾有機(jī)質(zhì)分解，回收氫氣和甲烷。

2.4.1 生物制氫

目前我國(guó)研究較多的是生物制氫，生物制氫是利用微生物產(chǎn)氫及發(fā)酵產(chǎn)氫。氫氣具有清潔無污染、能量密度高等特點(diǎn)，被認(rèn)為是21世紀(jì)最具應(yīng)用價(jià)值的可再生能源之一［11］。發(fā)酵細(xì)菌產(chǎn)氫氣比光合細(xì)菌更簡(jiǎn)單可行。生物制氫選擇接種產(chǎn)氫微生物，在發(fā)酵過程中添加一定的添加劑抑制產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)。J.J.Lay等［12］從活性污泥中獲取微生物，對(duì)不同化學(xué)組成的餐廚垃圾：糖類（米和馬鈴薯）、酯類（肥肉和雞皮）、蛋白質(zhì)（雞蛋和瘦肉）進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)氫，得出糖類垃圾的產(chǎn)氫能力大概是其他2類的20倍。張振宏等［13］研究了剩余污泥、礦化污泥、礦化垃圾、顆粒污泥4種接種物對(duì)產(chǎn)氫的影響，單獨(dú)一種接種污泥情況下，氫氣濃度和產(chǎn)生量均最大的是剩余污泥，分別為47.1%、100 mL/g。曹先艷等［14］研究了添加劑對(duì)餐廚垃圾發(fā)酵產(chǎn)氫的影響，以表面活性劑與偏硅酸鈉的混合物作為添加劑，試驗(yàn)結(jié)果表明添加劑能抑制產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)，且接種污泥無需預(yù)處理即可提高產(chǎn)氫量，5 g（干質(zhì)量） 餐廚垃圾投加1.75 g添加劑時(shí)產(chǎn)氫量達(dá)到114.5 mL/g。

2.4.2 厭氧甲烷化

餐廚垃圾厭氧甲烷化可分為產(chǎn)酸階段和產(chǎn)甲烷階段。最終將復(fù)雜大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳。甲烷又稱沼氣，是一種清潔能源，燃燒不帶來二次污染，并且在工業(yè)和發(fā)電行業(yè)應(yīng)用較多。

餐廚垃圾厭氧甲烷化過程中缺少足夠的活性微生物，導(dǎo)致厭氧消化速率低，無機(jī)化率不理想。與污泥聯(lián)合發(fā)酵將充分利用污泥中豐富的微生物和餐廚垃圾中大量的有機(jī)組分，達(dá)到資源最大利用。影響厭氧甲烷化的因素主要有pH、含水率、接種率、有機(jī)負(fù)荷、顆粒粒度等。厭氧發(fā)酵階段pH是一個(gè)先降低后上升的過程。產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)最適宜pH為6.8～7.2，一般要求厭氧發(fā)酵的原液pH為6～8［15］。餐廚垃圾中鹽分含量較高會(huì)抑制厭氧發(fā)酵，王星等［16］研究了各種礦物材料對(duì)含鹽餐廚垃圾厭氧發(fā)酵的影響，發(fā)現(xiàn)膨潤(rùn)土對(duì)發(fā)酵促進(jìn)作用較大，因?yàn)榕驖?rùn)土對(duì)Na+有良好的吸附性，并且釋放大量的Ca2+、Mg2+改變細(xì)胞通透性，增強(qiáng)吸收養(yǎng)分的能力。

2.4.3 兩階段發(fā)酵產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷

用有機(jī)廢物產(chǎn)氫通常伴隨著有機(jī)酸的產(chǎn)生，這些有機(jī)酸是產(chǎn)甲烷的基礎(chǔ)。因此，產(chǎn)甲烷被認(rèn)為是產(chǎn)氫后的合適的單元。氫氣和甲烷的產(chǎn)生量取決于食品廢物的組成。與蛋白質(zhì)或脂類相比，碳水化合物通過生物氫發(fā)酵產(chǎn)生氫的量最大［12，17］。因此，食物垃圾中高碳水化合物的組成有利于產(chǎn)氫。最近，產(chǎn)氫產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷相結(jié)合的兩階段工藝已受到越來越多的關(guān)注［18］。通過兩階段發(fā)酵能夠更好地從可再生有機(jī)物中回收能量，實(shí)現(xiàn)資源化、無害化、減量化。第一階段接種熱處理（70～100℃，15～120 min） 是接種期間殺死產(chǎn)甲烷菌一般的做法［19-20］。對(duì)于第二階段乙酸轉(zhuǎn)化為甲烷普遍認(rèn)為有2個(gè)機(jī)理，機(jī)理一為乙酸分解型產(chǎn)甲烷，涉及乙酸鹽的分裂脫羧，乙酸甲基主要轉(zhuǎn)換為甲烷，而羧基轉(zhuǎn)化為二氧化碳。機(jī)制二稱為乙酸氧化路徑，乙酸通過一個(gè)有機(jī)體（桿狀細(xì)菌［AOR］） 被氧化為CO2和H2，而隨后通過第二有機(jī)體（氫氣-氧化甲烷菌）用氫氣將二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲烷。

C.F.Chu等［21］對(duì)兩階段發(fā)酵微生物群落特性研究表明：高溫條件下產(chǎn)氫可以殺死廢物中病菌；在第二階段采用高溫發(fā)酵相對(duì)于中溫發(fā)酵，有機(jī)物發(fā)酵效果更好，脂肪酸等有機(jī)物去除率高；梭狀芽孢桿菌Z6是主要的高溫產(chǎn)氫細(xì)菌。

D.W.Liu等［22］對(duì)生活垃圾的兩級(jí)發(fā)酵做了研究，將一級(jí)發(fā)酵的發(fā)酵液回流入二級(jí)發(fā)酵罐，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)H2產(chǎn)生量為43 mL/g，CH4產(chǎn)生量為500 mL/g，甲烷產(chǎn)生量比一次發(fā)酵提高了21%。并對(duì)產(chǎn)氫階段的pH進(jìn)行研究表明最佳范圍為 5.0～5.5。S.K.Han 等［23］對(duì)餐廚垃圾進(jìn)行兩階段法產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷的可行性研究，利用流化床反應(yīng)器（產(chǎn)氫氣） 和UASB反應(yīng)器（產(chǎn)甲烷） 研究發(fā)現(xiàn)，揮發(fā)性固體給料在11.9 kg/（m3·d） 時(shí)，VS去除率達(dá)到72.5%。去除的VS有28.2%轉(zhuǎn)化為H2，氫氣產(chǎn)生量為 3.63 m3/（m3·d）；去除的 VS 中69.9%轉(zhuǎn)化為CH4，甲烷產(chǎn)生量為1.75 m3/（m3·d）。

兩階段發(fā)酵產(chǎn)生物氣相對(duì)生物制氫和發(fā)酵甲烷化，資源化、無害化、減量化效果更好，隨著技術(shù)水平的提高，必將成為餐廚垃圾處理的重要方法。

3 展望

針對(duì)餐廚垃圾的資源性，國(guó)家與地方應(yīng)制定相應(yīng)的回收政策，禁止餐廚垃圾不法外流。并采取合適的餐廚垃圾處理處置方式，使其變廢為寶。

無論是好氧堆肥、飼料化、生物柴油還是厭氧發(fā)酵，都存在各自的優(yōu)點(diǎn)與不足。單獨(dú)的飼料化、生物柴油、產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷已不能滿足資源完全回收的目的，應(yīng)將多種資源化方式結(jié)合，在回收生物柴油后再利用發(fā)酵回收生物氣，將發(fā)酵后的發(fā)酵殘?jiān)圃祜暳弦呀?jīng)成為未來的發(fā)展方向。目前蘇州餐廚垃圾處理廠已經(jīng)將生物柴油、生物氣、飼料共同回收運(yùn)用于生產(chǎn)，并取得良好的效果。生物柴油、飼料化技術(shù)已經(jīng)非常成熟，厭氧發(fā)酵條件控制將成為研究重點(diǎn)，特別是兩階段發(fā)酵條件的控制及流程的改進(jìn)。

［1］馬磊，王德漢，謝錫龍，等.餐廚垃圾的高溫厭氧消化處理研究［J］.環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2009，3（8）：1509-1512.

［2］王星，王德漢，李俊飛，等.餐廚垃圾的厭氧消化技術(shù)現(xiàn)狀分析［J］.中國(guó)沼氣，2006，24（2）：35-39.

［3］王星，王德漢，張玉帥，等.國(guó)內(nèi)外餐廚垃圾的生物處理及資源化技術(shù)進(jìn)展［J］.環(huán)境衛(wèi)生工程，2005，13（2）：25-29.

［4］張?zhí)瘢y南．生物柴油的環(huán)境效益與社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益［J］．能源環(huán)境保護(hù)，2005，19 （2）：l6-19．

［5］謝煒平，梁彥杰，何德文，等．餐廚垃圾資源化技術(shù)現(xiàn)狀及研究進(jìn)展［J］．環(huán)境衛(wèi)生工程，2008，l6（2）：43-45，48．

［6］高鳳彩，張學(xué)才.有機(jī)生活垃圾發(fā)酵底物提取蛋白質(zhì)的研究［J］.安慶師范學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2001，7（1）：31-33.

［7］ Aizpuru A，Khammar N，Malhautier L.Biofiltration for the Treatment of Complex Mixtures of VOC-Influence of the Packing Material［J］.Acta Biotechnol，2003 （2/3）：211-213.

［8］ Tomoyuki Kawashima.The Use of Food Waste as a Protein Source for Animal Feed-Current Status and Technological Development in Japan［C］.FAOExpert Consultation and Workshop on Protein Sourse for the Animal Feed Industry.Bangkok，Thailand.2002.

［9］席北斗，劉鴻亮，孟偉，等.廚余垃圾堆肥蓬松劑技術(shù)研究［J］.安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2003，3（3）：41-45.

［10］梁彥杰，謝煒平，何德文，等．水洗-脫水預(yù)處理降低餐廚垃圾堆肥含鹽量的實(shí)驗(yàn)研究［J］．環(huán)境衛(wèi)生工程，2008，16（3）：44-47．

［11］楊浩萌，姚斌，范云六.木聚糖酶分子結(jié)構(gòu)與重要酶學(xué)性質(zhì)關(guān)系的研究進(jìn)展［J］.生物工程學(xué)報(bào)，2005，21（1）：6-11.

［12］ Lay JJ，F(xiàn)an K S，Chang J，et al.Influence of Chemical Nature of Organic Wastes on Their Conversion to Hydrogen by Heat-shock Digested Sludge［J］.Int JHydrogen Energy，2003，28 （12）：1361-1367.

［13］張振宏，趙嵐，曹先艷.微生物來源對(duì)餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)氫的影響［J］.有色冶金設(shè)計(jì)與研究，2009，30（2）：43-45，48.

［14］曹先艷，袁玉玉，趙由才，等.添加劑對(duì)餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的影響［J］.環(huán)境污染與防治，2007，29（6）：426-429.

［15］馬磊，王德漢，曾彩明.餐廚垃圾的干式厭氧消化處理技術(shù)初探［J］.中國(guó)沼氣，2007，25（1）：27-30.

［16］王星，王德漢，徐菲.礦物材料對(duì)餐廚垃圾厭氧消化的影響研究［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，26（2）：256-261.

［17］ Okamoto M，Miyanara T，Mizuno O，et al.Biological Hydrogen Potential of Materials Characteristic of the Organic Fraction of Municipal Solid Wastes［J］.Water Sci Technol，2000，41 （3）：25-32.

［18］ Chu CF，Li Y Y，Xu K Q，et al.A pH-and temperature-phased Twostage Process for Hydrogen and Methane Production from Food Waste［J］.Int J Hydrogen Energy，2008，33 （18）：4739-4746.

［19］ Lay JJ，Lee Y J，Noike T.Feasibility of Biological Hydrogen Production from Organic Fraction of Municipal Solid Waste［J］.Water Res，1999，33（11）：2579-2586.

［20］ Cheong DY，Hansen CL.Bacterial Stress Enrichment Enhances Anaerobic Hydrogen Production in Cattle Manure Sludge［J］.Appl Microbiol Biotechnol，2006，72 （4）：635-643.

［21］ Chu C F，Ebie Y，Xu K Q，et al.Characterization of Microbial Community in the Two-stage Process for Hydrogen and Methane Production from Food Waste［J］.Int JHydrogen Energy，2010，35 （15）：8253-8261.

［22］ Liu D W，Liu D P，Zeng R J，et al.Hydrogen and Methane Production from Household Solid Waste in the Two-stage Fermentation Process［J］.Water Res，2006，40 （11）：2230-2236.

［23］ Han S K，Shin H S.Performance of an Innovative Two-stage Process Converting Food Waste to Hydrogen and Methane［J］.JAir Waste Manage Assoc，2004，54 （2）：242-249.

Reclamation Technologies of Food Residue

Gu Guangfa,Li Yong,Ren Weiyan,Qiu Debin
（School of Environmental Science and Engineering,Suzhou University of Science and Technology,Suzhou Jiangsu 215011）

Deficienciesof food residue traditional treatment methodswere introduced.Taking bio-diesel technology,feedstuff technology,aerobic composting technology,and anaerobic fermentation technology as examples,research progress of food residue reclamation treatment technology at home and abroad was discussed,as well as advantages and disadvantages of various reclamation ways.According to the current developing situation,research direction of food residue treatment in the future was proposed.

food residue；reclamation；feedstuff；composting；fermentation

X705

A

1005－8206（2011） 03－0001－04

蘇州市環(huán)?？萍柬?xiàng)目（蘇環(huán)計(jì)字［2010］37號(hào)）

2011-02-21

顧廣發(fā)（1987—），碩士研究生，研究方向?yàn)槌鞘欣幚硖幹谩-mail：guguangzhi-000@163.com。

（責(zé)任編輯：劉冬梅）