張 強(qiáng)，稽 冶，冀 偉

（長(zhǎng)春理工大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022）

餐廚垃圾，是指家庭、學(xué)校、食堂以及餐飲行業(yè)的食物廢料和殘余，是城市生活垃圾的重要組成部分。據(jù)報(bào)道，北京每天產(chǎn)生生活垃圾10000噸左右，其中剩飯剩菜等餐廚垃圾就達(dá)1600噸以上；上海150家左右飯店和近3萬家餐飲企業(yè)，每天產(chǎn)生的剩飯剩菜約 1300噸。餐廚垃圾不僅來自餐飲酒店、食堂等，還來自普通的家庭，按月產(chǎn)生 1噸/萬人估算，全國13.4 億人口每月將有13.4萬噸餐廚垃圾產(chǎn)生。由于餐廚垃圾水分和有機(jī)物含量較高，所以含有大量沙門氏菌、金黃色葡萄球菌等致病微生物，另外還會(huì)滋生蒼蠅、蚊子等害蟲，若不及時(shí)處理，還可能產(chǎn)生二英等有毒有害物質(zhì)，危害人們的生活和環(huán)境[1-2]。

目前，餐廚垃圾在國內(nèi)絕大多數(shù)城市存在著管理無序、任意處置等問題。大部分飯店、食堂等排放數(shù)量較大且較集中的餐廚垃圾往往被郊區(qū)的養(yǎng)豬戶等收集，導(dǎo)致垃圾豬和地溝油現(xiàn)象屢禁不止，嚴(yán)重威脅著消費(fèi)者的食品安全和身體健康。

餐廚垃圾具有含水量高、有機(jī)物含量高、油脂含量高、營養(yǎng)元素豐富等特點(diǎn)，有很大的回收利用價(jià)值。利用餐廚垃圾作為原料生產(chǎn)能源，既可以獲得清潔能源，又能減少污染物排放，已經(jīng)成為國內(nèi)外餐廚垃圾處理利用的主要方向。本文主要對(duì)利用餐廚垃圾生產(chǎn)生物柴油、甲烷、氫氣以及燃料酒精的進(jìn)展情況進(jìn)行綜述。

1 餐廚垃圾組成

餐廚垃圾是一類高有機(jī)質(zhì)、高含水率的資源型廢棄物，并且油脂含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它有機(jī)垃圾，主要成分為米飯、蔬菜、肉類和骨頭。潘麗愛等[3]分析了吉林大學(xué)某餐廳餐廚垃圾的理化性質(zhì)，該餐廚垃圾pH值為6.8，呈微酸性，其中水分、蛋白質(zhì)、脂肪、糖類含量分別為73.03%、12.16%、6.23%、4.16%。馬鴻志等[4]對(duì)北京某食堂垃圾組成進(jìn)行了測(cè)定，其中水分約占 83%，淀粉、蛋白質(zhì)和脂肪含量分別為46.1%、15.6%和18.1%（干基含量）。另外餐廚垃圾的組成成分具有明顯的地域特性和時(shí)空差異，如韓國的餐廚垃圾鹽含量相對(duì)較高，一般為1%～3%。中國早、中、晚三餐所產(chǎn)生的餐廚垃圾在理化性質(zhì)上也不同，早餐中餐廚垃圾總固體含量（TS），揮發(fā)性固體含量（VS），VS/TS比值和脂肪含量明顯低于午餐和晚餐的餐廚垃圾，而Na+，Ca2+和Cl?含量較高。

2 餐廚垃圾處理現(xiàn)狀

隨著城市人口增加和人民生活水平的不斷提高，餐廚垃圾產(chǎn)量也在逐年增長(zhǎng)，由此而帶來的環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重。目前國內(nèi)外主要采用的處理方法有焚燒、填埋以及堆肥處理等[5]。

2.1 焚燒

目前，大多數(shù)垃圾管理不嚴(yán)格的地區(qū)，通常將餐廚垃圾與生活垃圾混在一起進(jìn)行焚燒處理，這樣可使垃圾減量90%以上。而一些技術(shù)發(fā)達(dá)或垃圾管理嚴(yán)格的地區(qū)，往往會(huì)建立垃圾焚燒廠，通過垃圾焚燒產(chǎn)生的熱量進(jìn)行發(fā)電。但由于餐廚垃圾含水量高，通常水分含量高達(dá) 90%左右，發(fā)熱量 2100～3100 kJ/kg。熱值較低，燃燒時(shí)需要添加輔助燃料。另外和其它垃圾一起進(jìn)行焚燒，往往不能滿足垃圾焚燒發(fā)電的熱量要求，從而造成投資大，同時(shí)尾氣處理也是一個(gè)難題，焚燒過程會(huì)產(chǎn)生大量的有害氣體，造成環(huán)境污染[6]。

2.2 填埋

填埋處理是一種簡(jiǎn)單而且普遍的垃圾處理方法，很適合填埋場(chǎng)氣體利用技術(shù)。但由于餐廚垃圾含水量較高，導(dǎo)致滲透液增多，造成處理成本升高。尤其混合排放的生活垃圾不僅難以進(jìn)行分離和資源化利用，而且會(huì)造成二次環(huán)境污染，給填埋處理等帶來了很大困難和弊端，而且這種處理方式也會(huì)造成餐廚垃圾中營養(yǎng)物質(zhì)大量損失，最終產(chǎn)生大量沼氣，沼氣對(duì)全球變暖的影響約為二氧化碳的25倍[7]。因此填埋處理不僅局限了垃圾資源的綜合回收利用，而且占用大量土地，污染環(huán)境。對(duì)餐廚垃圾實(shí)施源頭預(yù)處理是其資源化利用的重要保障。

目前隨著人們對(duì)餐廚垃圾利用逐步深入，垃圾填埋處理已經(jīng)呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，很多國家已經(jīng)禁止餐廚垃圾進(jìn)行填埋處理。

2.3 堆肥

堆肥是在人工控制的條件下，使有機(jī)固體廢物進(jìn)行生物穩(wěn)定作用的過程。餐廚垃圾有機(jī)物含量高，營養(yǎng)豐富，碳氮比比較低，非常適用于作堆肥原料。但由于餐廚垃圾具有鹽分高、含水率高、容重高、的特點(diǎn)，科研人員對(duì)餐廚垃圾堆肥工藝進(jìn)行了細(xì)致的研究。目前餐廚垃圾堆肥技術(shù)已經(jīng)較為成熟，但由于油分、鹽分及其它雜質(zhì)在餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品中的殘留，導(dǎo)致肥料質(zhì)量不高，另外對(duì)土壤也存在不同程度的負(fù)面影響[8]。

雖然國內(nèi)一些城市相繼建立了餐廚垃圾堆肥處理廠，但堆肥過程中場(chǎng)地占用、除臭技術(shù)、污水排放等硬件條件和工藝技術(shù)都需要極大的經(jīng)費(fèi)投入，大大抬高了堆肥產(chǎn)品的成本。

縱觀目前餐廚垃圾處理現(xiàn)狀，一是由于國家缺乏規(guī)范化管理，餐廚垃圾與其它生活垃圾混合排放，阻礙了餐廚垃圾資源化處理的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。二是餐廚垃圾資源化處理技術(shù)比較落后，處理過程局限而單一。鑒于餐廚垃圾具有含水量高、有機(jī)物含量高、營養(yǎng)元素豐富等特點(diǎn)，利用餐廚垃圾作為原料獲取各種有效能源，將會(huì)成為未來國內(nèi)外餐廚垃圾處理利用的主要方向[9]。

3 餐廚垃圾生產(chǎn)生物柴油

生物柴油是指利用動(dòng)植物油脂為原料，通過酯交換反應(yīng)生成的脂肪酸甲酯等低碳酯類物質(zhì)，也稱為可再生燃油。生物柴油是含氧量極高的復(fù)雜有機(jī)成分的混合物，這些混合物主要是一些分子量大的有機(jī)物，幾乎包括所有種類的含氧有機(jī)物，如：醚、酯、醛、酮、酚、有機(jī)酸、醇等?，F(xiàn)在生物柴油已經(jīng)在一些發(fā)達(dá)國家成為了傳統(tǒng)柴油的有效補(bǔ)充，通過與傳統(tǒng)柴油混合，發(fā)揮著節(jié)約資源、降低污染物等積極作用。

利用餐廚垃圾生產(chǎn)生物柴油價(jià)格便宜，而且具有良好的環(huán)保性，使用過程中可使SO2的排放減少約30%，而溫室氣體CO2可減少60%左右[10]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每噸餐廚垃圾可以提煉出20～80 kg廢油脂，經(jīng)過加工后可制成生物柴油。餐廚垃圾提煉垃圾油后，采用硫酸作為催化劑，與甲醇發(fā)生酯交換反應(yīng)，經(jīng)過靜置沉淀后，蒸發(fā)去除甲醇并干燥，即制得生物柴油成品[11]。工藝流程見圖1。

2007年清華大學(xué)和蘇州市潔凈廢植物油回收有限公司合作。采用濕熱水解技術(shù)和生物處理相結(jié)合工藝，在常壓條件下，利用專用的催化劑一步法生產(chǎn)生物柴油，使餐廚垃圾得到100%資源化利用，無二次污染。項(xiàng)目完全投產(chǎn)后，預(yù)計(jì)年產(chǎn)蛋白飼料添加劑4200噸，可節(jié)省耕地8400畝；年產(chǎn)生物柴油5200噸；年可利用沼氣發(fā)電140萬千瓦時(shí)；全年可減排污水2.15萬噸，減少COD排量約1000噸[12]。

青島天人公司承擔(dān)的“城市餐廚廢棄物資源化利用和無害化處理”項(xiàng)目，預(yù)計(jì)2012年完成后每年可處理餐廚垃圾超過15萬噸，生產(chǎn)生物柴油2000噸，減少溫室氣體排放超過10萬噸。

目前，利用餐廚垃圾生產(chǎn)生物柴油的方法還有超臨界甲醇法和生物酶法。超臨界甲醇法不需要使用催化劑，酯交換反應(yīng)迅速，幾分鐘內(nèi)即可完成，而且沒有副產(chǎn)物產(chǎn)生。生物酶法則是加入酶作為催化劑，反應(yīng)效率高，對(duì)環(huán)境友好，無污染[13]。

生物柴油是一種優(yōu)質(zhì)能源，可直接用于現(xiàn)有柴油機(jī)。生物柴油技術(shù)將成為餐廚垃圾處理發(fā)展的重要方向。但目前餐廚垃圾作為生物柴油的原料，統(tǒng)一收集遇到很大的困難，主要因?yàn)椴宛^、收運(yùn)戶和餐廚垃圾加工點(diǎn)已形成一個(gè)完整的地下利益鏈，他們之間互惠互利，從而想盡各種辦法逃脫監(jiān)管，餐廚垃圾的收集已制約了其資源化的應(yīng)用。另外，生物柴油雖然具有很大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，但仍需國家政策扶持，通過減稅或免稅才能使它與石化柴油競(jìng)爭(zhēng)。

4 餐廚垃圾生產(chǎn)甲烷

餐廚垃圾的厭氧發(fā)酵是利用厭氧微生物將餐廚垃圾有機(jī)物降解，轉(zhuǎn)換為甲烷和二氧化碳。厭氧發(fā)酵在密閉容器中進(jìn)行，反應(yīng)不受供氧限制，而且不易產(chǎn)生臭氣等污染物，對(duì)環(huán)境友好。但多菌群、多層次的厭氧發(fā)酵過程構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜的體系，反應(yīng)影響因素較多。目前，國內(nèi)外關(guān)于厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷研究的報(bào)道很多，研究者主要從溫度、鹽度、物料配比、接種等因素對(duì)厭氧產(chǎn)甲烷的影響方面進(jìn)行了廣泛深入的探討[14]，具體見表1。

餐廚垃圾厭氧產(chǎn)甲烷是一種切實(shí)可行的資源化和環(huán)保新技術(shù)，從而受到各國政府的高度重視。德國是歐盟重要的沼氣生產(chǎn)國，主要采用中溫與高濃度相結(jié)合的液態(tài)發(fā)酵熱電聯(lián)供技術(shù)。英國利用人和動(dòng)物的有機(jī)廢物作為原料，厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的甲烷可以替代英國 25%的煤氣[20]。2009年我國重慶將餐廚垃圾中的油脂加工成燃料，剩余部分利用厭氧發(fā)酵后產(chǎn)生的沼氣發(fā)電，年產(chǎn)沼氣達(dá)到1400萬立方米，發(fā)電3300萬千瓦時(shí)。

表1 各種因素對(duì)餐廚垃圾產(chǎn)甲烷的影響

湖北陳家沖垃圾沼氣發(fā)電工程每天發(fā)電3.84萬度，消耗沼氣2.16萬立方米。每噸垃圾完全降解能產(chǎn)生200立方米沼氣，發(fā)電廠一天發(fā)電量所需沼氣理論上可由108噸垃圾完全降解所產(chǎn)生。如按一戶居民每月平均用電150度計(jì)算，每天發(fā)電量能供應(yīng)7600余戶居民同時(shí)使用。

我國人口眾多，能源問題備受關(guān)注?？傮w上，餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣是未來重點(diǎn)發(fā)展和投資的方向之一。隨著厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣技術(shù)日益成熟，不僅可以將餐廚垃圾轉(zhuǎn)化為能源，而且剩余的沼渣沼液可以作為肥料。 但也存在工藝流程長(zhǎng)，配套設(shè)施多，投資成本高等制約因素[21]。今后應(yīng)加強(qiáng)厭氧發(fā)酵設(shè)備以及利用沼氣提純甲烷的技術(shù)研究。另外也應(yīng)重視餐廚垃圾甲烷發(fā)酵與燃料電池組合系統(tǒng)的開發(fā)以及高寒地區(qū)沼氣發(fā)電工程能量綜合利用技術(shù)等。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，應(yīng)在技術(shù)設(shè)備優(yōu)化組合，高度集成等方面繼續(xù)努力。

5 餐廚垃圾生產(chǎn)氫氣

實(shí)際上，制氫氣只是產(chǎn)沼氣的一個(gè)環(huán)節(jié)。隨著對(duì)厭氧發(fā)酵的深入研究，厭氧發(fā)酵的中間產(chǎn)物——?dú)錃馊找嬉鹆巳藗兊年P(guān)注。氫氣具有清潔無污染、能量密度高等特點(diǎn)，被認(rèn)為是最具應(yīng)用價(jià)值的可再生能源之一。傳統(tǒng)利用化學(xué)方法生產(chǎn)氫氣，不但能耗大而且成本很高。而利用餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫成本低，還可實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾處理的減量化和資源化，因此被認(rèn)為具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。發(fā)酵產(chǎn)氫的微生物主要有4 大類，分別為腸桿菌屬、梭菌屬、埃希氏腸桿菌屬和桿菌屬。在發(fā)酵過程中通過有機(jī)物的脫氫來實(shí)現(xiàn)代謝過程的順利進(jìn)行。有文獻(xiàn)報(bào)道表明，接種物、反應(yīng)溫度、金屬離子、基質(zhì)種類、pH 值等因素對(duì)厭氧制氫均有顯著的影響[22-23]。

林明[24]以產(chǎn)氫菌株 B49為對(duì)象對(duì)細(xì)菌乙醇發(fā)酵的非生物因子（pH值、氣相、金屬離子和發(fā)酵底物）和生物因子（發(fā)酵產(chǎn)物和種群關(guān)系）進(jìn)行了研究。認(rèn)為細(xì)菌乙醇型發(fā)酵菌群可以在低pH值（4.0左右）穩(wěn)定產(chǎn)氫；適宜質(zhì)量濃度的Fe2+、Ni+、Mg2+對(duì)B49 的生長(zhǎng)和產(chǎn)氫有明顯的促進(jìn)作用，影響程度為 Fe2+＞ Ni+＞ Mg2+。

Okamot O M[25]分別以米飯、卷心菜、胡蘿卜為底物對(duì)產(chǎn)氫過程進(jìn)行了研究，結(jié)果表明米飯、卷心菜、胡蘿卜的產(chǎn)氫率分別為 19～96 mL/g、44.9～70.7 mL/g、26.3～61.7 mL/g 。比蛋白質(zhì)、脂肪類固體廢物具有更高的產(chǎn)氫能力。

曹先艷等[26]通過批式試驗(yàn)探討了溫度對(duì)餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的影響。結(jié)果表明，接種厭氧污泥在未經(jīng)高溫馴化（50 ℃）時(shí)直接進(jìn)行高溫厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫效果不佳。中溫（35 ℃）馴化1天后進(jìn)行產(chǎn)氫實(shí)驗(yàn)，二者氫氣的最大體積分?jǐn)?shù)分別是 36.8%和37.2%。但中溫條件下體系的反應(yīng)速率較室溫更快，二者產(chǎn)氫速率分別為每克15.6 mL/h和4.8 mL/h。試驗(yàn)結(jié)果也表明，酸化過程是反應(yīng)的限速步驟。因此，建議餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫應(yīng)在中溫（35 ℃）條件下進(jìn)行。

張振宏等[27]分別采用礦化污泥、剩余污泥、礦化垃圾、顆粒污泥作為接種物對(duì)產(chǎn)氫性能進(jìn)行了研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，在單獨(dú)接種一種污泥情況下，剩余污泥的氫氣濃度和產(chǎn)生量分別為 47.1%和 100 mL/g，高于其它3種污泥。

很多因素對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫有顯著的影響，如何提高餐廚垃圾的產(chǎn)氫量、產(chǎn)氫的濃度以及產(chǎn)氫速率是餐廚垃圾厭氧發(fā)酵制氫產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。目前對(duì)餐廚垃圾厭氧產(chǎn)氫過程的研究尚不深入， 所有實(shí)驗(yàn)都停留在小試階段。雖然厭氧產(chǎn)氫過程可行，但影響因素復(fù)雜多變，其中產(chǎn)氫菌的產(chǎn)氫能力不高成為限制該技術(shù)發(fā)展的重要因素。

6 餐廚垃圾生產(chǎn)燃料酒精

當(dāng)前我國的酒精生產(chǎn)主要以玉米、稻谷、小麥等糧食作物為原料。從資源有效利用和降低生產(chǎn)成本方面考慮，利用含豐富淀粉及纖維素類的廢棄物作為原料無疑更具有優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前已有利用農(nóng)業(yè)廢棄物如農(nóng)作物的秸稈、玉米渣以及廢棄的甜菜葉莖等進(jìn)行酒精生產(chǎn)的研究，而利用餐廚垃圾生產(chǎn)燃料酒精報(bào)道很少。餐廚垃圾含有豐富的淀粉，另外還含有脂肪、纖維素、蛋白質(zhì)等物質(zhì)，這些都是酒精極好的發(fā)酵原料。

馬鴻志等[4]利用運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌對(duì)餐廚垃圾發(fā)酵生產(chǎn)燃料酒精進(jìn)行了研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，糖化酶和蛋白酶對(duì)于酒精發(fā)酵影響顯著，當(dāng)同時(shí)添加100 U/g 蛋白酶和100 U/g 糖化酶時(shí)，酒精產(chǎn)量達(dá)到最大值53 g/L，酒精轉(zhuǎn)化率為44%。另外發(fā)酵過程中不用添加其它酶和營養(yǎng)物，說明餐廚垃圾自身所含的豐富營養(yǎng)完全可以滿足細(xì)菌生長(zhǎng)的需要。

奚立民等[28]獲得了一株同時(shí)具有淀粉酶和纖維素酶活性的新霉菌Rhizopusoryzae TZY1。利用該菌株與釀酒酵母進(jìn)行餐廚垃圾共發(fā)酵，發(fā)酵后淀粉的利用率在88%以上，纖維素的利用率在84%左右。該方法可以避免由于酶失活而使酒精產(chǎn)率降低的問題，并且不需外加糖化酶類，節(jié)約了成本，具有良好的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景。

晏輝等[29]以餐廚垃圾為原料，應(yīng)用同步糖化發(fā)酵的方法制取燃料酒精，在適宜的酒精發(fā)酵條件范圍內(nèi)，酒精產(chǎn)量最高為15.3 mL/100g 有機(jī)垃圾，有效地回收了餐廚垃圾中有用的物質(zhì)和能源，實(shí)現(xiàn)了餐廚垃圾資源化的目的。

尹瑋等[30]以餐廚垃圾酒糟離心液和麩皮為基礎(chǔ)培養(yǎng)基，經(jīng)黑曲霉發(fā)酵制取糖化酶。當(dāng)氯化鈣添加量為 0.2% 時(shí)，所產(chǎn)糖化酶的酶活最為 3404.44 U/mL，并且表明自制糖化酶可替代工業(yè)糖化酶應(yīng)用于餐廚垃圾酒精發(fā)酵中，這不僅可以降低糖化酶和餐廚垃圾酒精生產(chǎn)成本，同時(shí)也可減少酒糟離心液對(duì)環(huán)境的污染。

另外安徽科聚環(huán)保新能源有限公司將餐廚垃圾酶解后還原糖濃度可達(dá)18%g/g，發(fā)酵酒精的濃度達(dá) 8%～10%g/g。該酒精經(jīng)過濃縮和純化，可作為燃料酒精的原料。

利用餐廚垃圾發(fā)酵生產(chǎn)酒精，不僅可以解決城市垃圾中排放量越來越大且難以處理的環(huán)境污染問題，還可以有效地實(shí)現(xiàn)其減量化、無害化與資源化，另外對(duì)擴(kuò)大酒精生產(chǎn)原料來源，降低酒精生產(chǎn)成本將具有積極意義。

7 結(jié) 論

餐廚垃圾這種易腐有機(jī)物屬于資源型廢棄物，利用餐廚垃圾獲得各種生物能源，各有特點(diǎn)，也各有利弊，如何揚(yáng)長(zhǎng)避短，是餐廚垃圾能夠產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。

（1）政府應(yīng)制定完善的相關(guān)政策法規(guī)，加強(qiáng)引導(dǎo)和宣傳作用，從源頭上減少餐廚垃圾的產(chǎn)生。另外對(duì)餐廚垃圾處理企業(yè)在垃圾收運(yùn)、產(chǎn)品銷售等環(huán)節(jié)應(yīng)實(shí)行政策優(yōu)惠。

（2）加快實(shí)施餐廚垃圾的分類收集。利用餐廚垃圾獲取各種生物能源，都必須盡可能減少餐廚垃圾中異物的含量，也就是要加快實(shí)施餐廚垃圾的分類收集。同時(shí)我們也應(yīng)該提高垃圾分類收集的質(zhì)量，加快垃圾處理設(shè)備的開發(fā)與研制工作。

（3）單一的餐廚垃圾能源化難以滿足資源完全回收利用的目的，應(yīng)提倡采用多元的處理工藝和模式。將多種資源化方式相結(jié)合，把餐廚垃圾加工成高附加值的不同產(chǎn)品，這樣在實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾多樣化處理的同時(shí)，也減少了副產(chǎn)品的市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)。

總之，應(yīng)根據(jù)具體地區(qū)餐廚垃圾的特點(diǎn)，選擇合適的處理工藝，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益、社會(huì)效益的統(tǒng)一。

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