黃欣怡，張珺婷，王凡，賀文智，李光明

（同濟大學環(huán)境科學與工程學院，污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海 200092）

綜述與專論

餐廚垃圾資源化利用及其過程污染控制研究進展

黃欣怡，張珺婷，王凡，賀文智，李光明

（同濟大學環(huán)境科學與工程學院，污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海 200092）

餐廚垃圾年產生量大、成分復雜，傳統(tǒng)的焚燒、填埋處理方式易引發(fā)一系列環(huán)境問題，同時，餐廚垃圾又具有有機質含量高、營養(yǎng)元素豐富的特點，其資源化利用可實現價值再生，符合可持續(xù)發(fā)展的要求，因而成為國內外學者的研究熱點。本文從產品利用方向的角度綜述了幾類餐廚垃圾資源化利用技術的研究進展，包括能源化利用方向的餐廚垃圾制生物柴油、甲烷、氫、燃料乙醇技術，農業(yè)化利用方向的餐廚垃圾制動物飼料、有機肥料技術，工業(yè)化利用方向的餐廚垃圾制還原糖、炭材料、乳酸技術；介紹了餐廚垃圾資源化過程中產生的惡臭氣體、廢水污染問題以及污染控制相關研究進展。最后指出，對微生物厭氧反應機制的深入研究有利于實現相關技術在工業(yè)生產規(guī)模的優(yōu)化，廚垃圾資源化工藝過程的污染控制需要進一步得到關注。

餐廚垃圾；資源化利用；惡臭污染；廢水處理；污染控制

餐廚垃圾主要指食物加工和飲食消費過程中產生的廢棄物，包括廚余垃圾和廢棄食用油脂。隨著城市化進程的推進，我國餐廚垃圾產生量逐年上升，目前已超過 5000萬噸/年［1］。傳統(tǒng)的餐廚垃圾處置方式易引發(fā)一系列環(huán)境問題，例如與其他城市生活垃圾共同焚燒，低熱值會產生二英等有毒有害氣體；衛(wèi)生填埋導致滲濾液生化處理難度提高、土壤鹽堿化；未經消毒處理的餐廚垃圾直接用于喂豬易引發(fā)人畜共患疾病等。

餐廚垃圾本質上來源于食物，其有機質含量高、營養(yǎng)豐富，適合進行資源化再利用。目前較典型的餐廚垃圾資源化工藝有生物厭氧發(fā)酵生產甲烷、好氧堆肥、生產生物質能源、飼料化等［2］。同時，餐廚垃圾資源化過程中還存在的惡臭物質、污水排放等環(huán)境污染問題也開始受到研究者關注。

1　餐廚垃圾資源化利用

餐廚垃圾含水率一般高于80%，含油率（濕重）在2%～10%之間、含鹽率（濕重）在0.5%～3%之間［3］。餐廚垃圾中的干物質以有機物為主，主要組分包括蛋白質、糖類、油脂和纖維類等。干物質中糖類和蛋白質含量超過60%，油脂的含量在15%～30%，木質纖維素類物質含量少于5%。其中，脂肪、碳水化合物、蛋白質都具有較高的產甲烷潛力和飼料化價值；油脂可作為提煉生物柴油的基礎；豐富的氮、磷、鉀、鈣等元素基本達到作為飼料喂養(yǎng)牲畜的要求（Ca≥0.48%，P≥0.42%，K≥0.18%）。此外，餐廚垃圾的碳氮比（C/N）一般在10～30之間，符合厭氧消化和堆肥要求的C/N（分別為20～25和20～30）［1］。以上特性為餐廚垃圾的資源化利用提供了有利條件。

現有的餐廚垃圾資源化工藝根據產品利用方向不同可分為3類：第一類包括餐廚垃圾制生物柴油、甲烷、燃料乙醇、氫氣，產品作為可再生能源利用；第二類包括餐廚垃圾制飼料、堆肥，產品用于農業(yè)生產；第三類包括餐廚垃圾制還原糖、炭材料、乳酸，產品用于工業(yè)生產。

1.1 能源化利用

化石燃料作為全球能源的主要供應源，存在排放溫室氣體加速全球變暖的環(huán)境影響及潛在的短缺危機。利用有機廢棄物生產可再生能源是目前世界各國普遍重視的研究領域。餐廚垃圾中所含大量油脂可作為原料生產生物柴油，典型工藝如圖1（a）所示，而厭氧生物技術可用于從有機物中制備氫、甲烷以及燃料乙醇等，典型工藝如圖1（b）所示。

圖1　典型餐廚垃圾能源化工藝

1.1.1 餐廚垃圾制生物柴油

利用動植物油脂與醇進行酯交換反應，得到脂肪酸單烷基酯（以脂肪酸甲酯為典型），即為生物柴油的主要成分。據統(tǒng)計，每噸餐廚垃圾可以提煉出20～80kg廢油脂進行加工生產生物柴油［4］。

餐廚垃圾中的油脂經過烹炸會產生不利于酯交換反應的化學物質如自由脂肪酸和各種聚合物，在實際操作中需根據不用的原料性質選用酸或堿催化劑保證酯交換反應的進行［5］，因此目前的工藝優(yōu)化研究主要關注催化過程副反應的控制以提高反應效率和產品質量穩(wěn)定性。超臨界甲醇法和生物酶法［6］可以避免使用化學催化劑腐蝕性帶來的危害，但超臨界法所需條件較嚴苛，難以實現大規(guī)模工業(yè)化，而生物酶法目前仍處于實驗室研究階段，產品尚未實現商業(yè)化。此外，學術界對于餐廚垃圾生產新能源過程中的生物學、熱力學、熱化學機理闡述較少，也是研究的瓶頸［7］。

目前，餐廚垃圾酯交換法生產生物柴油已實現工業(yè)化生產，但市場供需關系不穩(wěn)定，生產規(guī)模較小。據報道，我國規(guī)劃于2020年實現生物燃料消費量占到全部交通燃料的15%左右［8］，此生物柴油產業(yè)發(fā)展的契機必會帶動餐廚垃圾能源化的發(fā)展。

1.1.2 餐廚垃圾制甲烷

生物厭氧消化產甲烷是發(fā)展最為成熟的餐廚垃圾資源化方法，通過消化過程的優(yōu)化提高產氣率是目前研究的熱點，對溫度、基質性質（揮發(fā)性脂肪酸含量、pH、C/N、長鏈脂肪酸含量、微量金屬元素含量、含水率、含鹽量）、預處理過程的控制都會對產氣結果造成影響［9］。

據研究報道，在一般厭氧發(fā)酵過程中，pH為6.8～7.2最適宜產甲烷菌生長［10］；無機礦物對 Na+的吸附作用能促進餐廚垃圾厭氧消化過程［11］；中溫（30～40℃）和高溫（50～60℃）區(qū)間消化的生化速率和產氣率最高［12］，高溫消化對寄生蟲卵的殺滅率更高［13］，但也會提高能耗成本；對餐廚垃圾和接種污泥進行適當的預處理有利于提高產氣

率［14］；消化過程中產生的高濃度氨對產甲烷菌活動具有抑制作用［15］；餐廚垃圾因其來源不同產生的理化性質差異也會影響消化過程［16］。也有學者關注餐廚垃圾與其他垃圾聯合進行厭氧發(fā)酵的研究。如餐廚垃圾與污泥［17-18］、果蔬垃圾［19］、污泥/糞肥［20］、填埋場滲濾液［21］等聯合發(fā)酵，認為在一定原料配比下，餐廚垃圾與其他原料共消化能達到更高的產氣率。

以甲烷燃料為代表的新能源將在未來的能源市場占據重要地位，以餐廚垃圾為原料生產甲烷的工藝在技術上已趨于成熟，預期經濟效益高。目前對于餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產甲烷過程條件控制優(yōu)化的實驗多停留在“控制參數-觀察結果”的層面，缺乏深層的反應機制研究。同時，實驗室規(guī)模的研究具有“單批次、小規(guī)模、條件可精控”的特點，與實際餐廚垃圾處理廠“連續(xù)型、大規(guī)模、條件粗控”的特點不同，無法準確模擬處理廠的原料消化表現［22］。因此，深度研究反應機制、對消化過程進行模型化研究有助于實現實際生產規(guī)模的工藝優(yōu)化。

1.1.3 餐廚垃圾制氫

氫氣作為餐廚垃圾生物厭氧發(fā)酵的產物之一，產生于厭氧發(fā)酵的酸化階段，鑒于生物制氫較傳統(tǒng)制氫方式能耗、價格低，越來越多學者開始關注厭氧酸化過程的氫氣產量，進行產氫或氫-甲烷聯產研究，以期實現能量收益最大化。

已有的關于微生物發(fā)酵產氫影響因素的報道中，以實驗室規(guī)模研究為主，研究接種物、反應溫度、金屬離子、基質種類等因素對制氫的影響［23-26］，但工藝仍處于起步階段，當前經濟效益較低。

1.1.4 餐廚垃圾制燃料乙醇

餐廚垃圾制備燃料乙醇工藝一般包括預處理、水解糖化、發(fā)酵、蒸餾、脫水等工序，其中水解糖化和發(fā)酵兩個關鍵過程得到了較多的研究。

在水解過程的優(yōu)化方面，劉愛民［27］、于紅艷［28］、蔣麗［29］等研究了底料含水率、糖化酶及纖維素酶用量、pH、溫度、時間等條件對酶水解反應的影響，得到優(yōu)化條件。在發(fā)酵過程的優(yōu)化方面，奚立民［30］、馬鴻志［31］等在菌株篩選、糖化酶和蛋白酶添加方面進行研究，閆凱［32］則通過基因工程等分子手段對菌株進行改造。此外，CEKMECELIOGLU等［33］利用動力學模擬方法研究餐廚垃圾水解、發(fā)酵過程的影響因素，結果顯示，無需添加額外營養(yǎng)素的餐廚垃圾即有較高的產乙醇能力。

餐廚垃圾制燃料乙醇所需的生物條件在小試規(guī)模得到大量的研究，但對于實際餐廚垃圾處理廠工藝應用過程問題研究較少。由于乙醇是重要的工業(yè)原料、燃料，以餐廚垃圾為原料生產乙醇能夠節(jié)約成本、減少資源浪費，具有良好的發(fā)展前景。同時，餐廚垃圾發(fā)酵廢渣也是值得關注的可資源化再生原料。

1.2 農業(yè)化利用

餐廚垃圾中的蛋白質可被提取作為原料生產飼料飼喂牲畜，也可經堆肥生產有機肥施用于農田，是食物取之于自然用之于自然的最好體現。

1.2.1 餐廚垃圾制動物飼料

我國是一個飼料蛋白嚴重短缺的大國，餐廚垃圾作為營養(yǎng)豐富的蛋白質廢棄物，其微生物發(fā)酵生產生物活性蛋白受到關注?，F有的研究多針對發(fā)酵菌種的開發(fā)培育和探索最佳工藝條件［34-37］。大部分研究為實驗室規(guī)模，餐廚垃圾底物來源清晰，對于工廠規(guī)模的蛋白質飼料生產過程優(yōu)化研究較少見。由于眾所周知的同源蛋白污染問題，目前國際上對于餐廚垃圾飼料化生產具有嚴格的限制，因此也有學者認為，餐廚垃圾雖營養(yǎng)價值高，對其進行規(guī)?；暳匣幚硎遣恢斏?、不符合科學發(fā)展觀的［38］。

由于餐廚垃圾生產動物飼料的不安全性難以解決，且目前沒有穩(wěn)定的市場供應關系，在一段時間內將不具有發(fā)展價值，本文僅作簡略介紹。

1.2.2 餐廚垃圾堆肥

餐廚垃圾堆肥的基本過程是在餐廚垃圾中加入一定比例的調理劑，通過好氧微生物群落將物料中的有機物氧化、分解、轉化為腐殖質，同時利用自然產生高溫滅火病原菌和寄生蟲卵、蒸發(fā)水分，再經處理后加工成合格的有機肥料。該法具有基質分解徹底、制堆周期短、可大規(guī)模機械處理等特點，已成功實現規(guī)模化生產運營，但由于餐廚垃圾基質易腐、理化性質不穩(wěn)定，實際生產過程中存在調理劑成本高的問題［39］。

目前堆肥技術的研究多集中在堆肥過程條件控制、微生物培育及應用方面［40-41］。除了餐廚垃圾單一原料的堆肥研究，也有學者開始關注將餐廚垃圾與其他垃圾如果蔬垃圾、園林垃圾等聯合堆肥的研究［42-43］。此外，蚯蚓堆肥也是近年來發(fā)展起來的一項生物處理技術，通過在蚯蚓體內的研磨和生化作用，將有機物轉化為生物蛋白和優(yōu)質有機肥料［44-45］；但蚯蚓堆肥過程難以靈活控制，產品質量也難以保證，因此目前應用規(guī)模較小，僅適用于確定來源、性質較穩(wěn)定的餐廚垃圾處理。

作為餐廚垃圾資源化中較為成熟的技術代表，在其規(guī)?；\營的實踐中兼顧經濟與環(huán)境效益，是今后研究中值得關注的問題。

1.3 工業(yè)化利用

餐廚垃圾資源化產品還可用于工業(yè)生產，如糖類、炭材料、生物降解塑料。以上3種工藝仍處于實驗室研究階段，尚未有對于其經濟效益的分析，因此本文僅作簡略介紹。

1.3.1 餐廚垃圾產還原糖

餐廚垃圾因其含豐富的多糖組分如淀粉、木質纖維素等，可通過酶促、酸解、水熱法生產還原糖［46-47］。相比于發(fā)酵產甲烷和酒精等方式，餐廚垃圾資源化產糖只需完成水解過程，在機理上更為簡單，產物利用范圍廣，因此逐漸得到重視。生物酶水解法和水熱技術是目前研究餐廚垃圾產糖較有前景的方法，前者成本低廉、技術相對成熟、存在二次污染的問題，后者環(huán)保但能耗大。

1.3.2 餐廚垃圾制炭材料

生物質水熱炭化技術是在密閉的反應容器里，采用水溶液作為反應介質，通過加熱反應使生物質發(fā)生溶解和炭化［48］。采用餐廚垃圾為原料進行水熱炭化，可得到具有微觀結構的炭微球產物，在許多領域具有潛在應用價值。相比于其他資源化技術，水熱炭化法反應條件溫和、操作簡單、預處理成本低、保留了大量廢棄生物質中的氧、氮元素［49］。但基于餐廚垃圾組分復雜不穩(wěn)定，研發(fā)高效催化劑和優(yōu)化生產工藝是今后需關注的問題，此外，對炭材料的化學成分、微觀結構和對液相副產物的無害化處理也是今后的研究方向［49-50］。

1.3.3 餐廚垃圾產乳酸

1999年日本學者提出通過餐廚垃圾發(fā)酵生產乳酸、進而合成聚乳酸這種可生物降解塑料的技術。目前世界上研究的可降解塑料大體上有兩種類型：光降解塑料和生物降解塑料?，F有研究主要關注在高效乳酸菌的選育、發(fā)酵方式選擇以及發(fā)酵液中的乳酸提取與純化等方面［51-54］。

餐廚垃圾產乳酸技術對于餐廚垃圾的綜合利用和減少生產塑料產品的環(huán)境污染具有積極意義。今后研究方向在于利用分子生物學手段對菌種的改造、高效反應器的研制、餐廚垃圾同步糖化發(fā)酵動力學的研究［55-56］。

2　餐廚垃圾資源化過程污染及其控制

在餐廚垃圾資源化利用研究逐步發(fā)展的同時，其過程的污染情況漸漸受到關注。餐廚垃圾資源化利用過程污染包括惡臭污染及廢水污染兩類，其中惡臭污染來源于餐廚垃圾儲運過程中的自然腐敗以及資源化工藝中產生，廢水污染來源于餐廚垃圾儲運過程中的滲濾和資源化工藝廢水。由于餐廚垃圾成分復雜，其資源化過程產生的污染物也極難處理，已有學者開始研究餐廚垃圾資源化過程的污染控制。

表1　餐廚垃圾及其資源化過程釋放惡臭物質相關研究

2.1 餐廚垃圾資源化過程惡臭污染及除臭技術

2.1.1 惡臭污染物

餐廚垃圾的自然腐敗及資源化工藝過程均會產對人體有害的惡臭污染物。研究表明，這兩種產生源產生的惡臭氣體組分相似，包括氨、硫化氫及多種揮發(fā)性有機化合物（VOCs），其中以含氧烴類、含硫化合物、萜烯類、氨為主［57-61］。相關研究見表1。

由于主要污染物中的氨、二甲二硫、甲硫醇、硫化氫等均屬于國家《惡臭污染物排放標準》中所規(guī)定的限制因子，易對從業(yè)人員產生健康威脅，因此，對于餐廚垃圾資源化利用過程惡臭污染物的產生機理、影響因素［67］、排放情況和污染控制的研究也逐漸受到關注。

在惡臭污染物產生機理研究方面，氨基酸及多肽的熱解、糖降解、Maillard反應、Strecker降解、硫胺素的熱降解、脂類自氧化降解被認為是食品生命周期內產生惡臭氣體（主要為 VOCs）的重要反應［68］。在排放情況實地研究中發(fā)現，厭氧生物技術處理廠的卸料區(qū)、分選區(qū)、前處理區(qū)（滅菌、油水分離）、好氧發(fā)酵倉、厭氧發(fā)酵區(qū)，堆肥技術處理廠的堆體區(qū)、出氣口是主要惡臭污染物產生源［66，69-70］。對于其他資源化工藝實地的惡臭產生情況研究較少。

2.1.2 惡臭污染物控制

在污染物排放控制方面，因餐廚垃圾資源化工藝中的污染物排放在各個工段都可能存在，可視為無組織排放，對于惡臭物質排放控制研究較少。

在污染物消除方面，常用的除臭技術有物理、化學和生物方法。一般認為物化方法能耗高，投資大，對于較大的惡臭處理空間（如廠區(qū)），生物法的應用較多。常用的生物除臭技術有生物過濾法、生物洗滌法、生物滴濾法和曝氣式生物法和天然植物液除臭法等［71-75］。也有在傳統(tǒng)除臭技術上進行創(chuàng)新改進的“化學洗滌-生物過濾”組合技術、改性沸石吸附技術［76］、芬頓法處理技術［77］等。另外，源頭控制也是解決餐廚垃圾惡臭問題的一個思路［78］。

餐廚垃圾處理廠所產生惡臭氣體相比于污水處理廠所產生的氣體，揮發(fā)性有機污染物濃度更高。但目前并沒有針對處理含較高濃度揮發(fā)性有機物的惡臭氣體的技術研究。餐廚垃圾及其資源化過程污染控制離不開資源化工藝調整和除臭技術發(fā)展兩方面。對于工藝試行過程中污染的考量是今后餐廚垃圾資源化技術研究中需要注意的方面，除臭技術的同步發(fā)展也是十分必要的。

2.2 廢水污染及處理技術

餐廚垃圾廢水通常來源于餐廚垃圾儲運過程的滲濾和餐廚垃圾處理廠產生的工藝廢水，從對餐廚垃圾廢水理化性質的研究報道可總結出，廢水根據其來源不同，理化指標有所差異，但 COD、TN、TP等指標均較高，pH呈中性至酸性。相比于一般城市生活垃圾產生的污水，餐廚垃圾廢水有機質濃度更高、可生化性更強、處理難度更大。目前用于餐廚垃圾廢水處理的技術有混凝法［79］、生物法，其中以生物厭氧技術為主流，也有學者提出用餐廚垃圾廢水處理后喂豬［80］、生產蛋白質飼料［53］的可能。相關研究見表2。

從上述研究中可發(fā)現，生物厭氧技術是餐廚垃圾廢水處理的重要方法。研究者以厭氧發(fā)酵為核心，設計不同的反應器、設置不同的發(fā)酵過程，以期達到廢水消化率的優(yōu)化。但研究也存在不足：餐廚垃圾廢水因其來源工段或工藝不同具有異質性，實驗室可通過精確的條件控制達到對某類特定廢水的最優(yōu)化處理效果，但最優(yōu)化條件難以推廣到其他來源的餐廚垃圾廢水。此外，反應器和反應過程的設計以提高消化效率為核心，對大型反應器設計的經濟成本考慮較少。

3　結語與展望

餐廚垃圾作為有機質、營養(yǎng)元素含量豐富的廢棄物，其可再生價值和資源化利用研究受到大量關注。餐廚垃圾制生物柴油，厭氧發(fā)酵產甲烷、氫氣、乳酸，制燃料乙醇，生產飼料，堆肥，資源化產糖，制炭材料等都在一定程度上實現了餐廚垃圾的“減量化、資源化、無害化”利用，但也存在各自的不足。

對于發(fā)展較為成熟、已實現工業(yè)化生產的生物厭氧發(fā)酵產甲烷技術、堆肥技術、制生物柴油技術，今后的研究方向為反應機理的深入研究、工業(yè)生產過程污染的控制和針對大規(guī)模生產以及市場需求的工藝改進。氫氣、燃料乙醇作為清潔可再生能源具有良好的發(fā)展前景，乳酸、還原糖、炭材料也將在相應的工業(yè)生產中發(fā)揮重要的作用。餐廚垃圾資源化產甲烷、乙醇、乳酸、還原糖、制飼料等都涉及生物厭氧發(fā)酵技術，對微生物厭氧反應機制的深入研究和對其過程的模擬，有利于對相關技術在工業(yè)規(guī)模實現優(yōu)化，也有利于對資源化過程的污染排放進行把控。

餐廚垃圾資源化工藝過程的污染控制需要進一步得到關注。除了在工廠生產排放的末端進行污染物處理，也應關注工藝過程中污染物發(fā)生源的控制。相比于資源化工藝研究的繁榮景象，其相應的污染排放和控制技術研究較少，現有的成功運營的餐廚垃圾處理廠仍存在惡臭、污水污染等問題，若污染控制未得到解決，將會阻礙資源化技術的市場應用。

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Research progress in resource utilization of kitchen waste and its process pollution control

HUANG Xinyi，ZHANG Junting，WANG Fan，HE Wenzhi，LI Guangming
（State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse，College of Environmental Science and Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China）

A large quantity of kitchen wastes were produced every year in China with complicated composition，which led to a series of environmental problems when disposed with traditional treatments like incineration or landfill.Besides，kitchen wastes were abundant of organic matters and nutrients，the recycling value of which made it a research hotspot in the world.In this article，three kinds of recycling technologies were reviewed from the perspective of utilization direction，including biodiesel，methane，hydrogen，ethanol production in energy production direction，animal feed，organic fertilizer production in agricultural direction，and reducing sugar，carbon material，lactic acid production in industrial utilization.Research progress of pollution control in utilization process was reviewed.According to the analysis of those technologies，further research on mechanism of bio-anaerobic process is the future research emphasis，for the sake of full scale optimization.Process pollution control of kitchen waste utilization needs further attention.

kitchen waste；resource utilization；odor pollution；effluent treatment；pollution control

X 799.3

A

1000-6613（2016）09-2945-07

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.09.042

2016-01-19；修改稿日期：2016-03-01。

2014年上海國際旅游度假區(qū)科技創(chuàng)新集成示范專項項目（14DZ1207300，14DZ1207304）。

黃欣怡（1991—），女，碩士研究生，研究方向為餐廚垃圾資源化過程環(huán)境風險。E-mail 2014xinyi@#edu.cn。聯系人：賀文智，教授。E-mail hithwz@163.com。聯系人：李光明，教授。E-mail ligm@#edu.cn。