餐廚垃圾（food waste）是餐飲垃圾和廚余垃圾的總稱。餐飲垃圾主要來源于餐館、飯店、單位食堂等的飲食剩余物，以及后廚的果蔬、肉食、油脂和面點等的加工過程廢棄物。廚余垃圾主要來源于家庭日常生活中丟棄的果蔬及食物下腳料、剩菜剩飯、瓜果皮等易腐有機(jī)垃圾[1]。從化學(xué)組成成分來看，餐廚垃圾雖具水分和鹽分含量高、處理難度大的問題，但糖類、蛋白質(zhì)和脂肪等有機(jī)物含量豐富，還含有少量的氮、磷和鉀等微量元素[2]，利用價值高[3-4]，同時，重金屬等污染物含量低，后續(xù)資源化利用危害小。目前，常規(guī)的焚燒、衛(wèi)生填埋、生態(tài)飼料、厭氧消化、好氧堆肥和蚯蚓堆肥等餐廚垃圾處理方式，通常存在處理時間長、資源化利用效率和附加值低等不足。隨著國內(nèi)垃圾分類工作的持續(xù)推進(jìn)，采用具有高附加值的餐廚垃圾資源化綜合利用技術(shù)是推進(jìn)垃圾分類可持續(xù)開展的必然途徑[5]。文章針對中國餐廚垃圾資源化利用現(xiàn)狀，闡述餐廚垃圾厭氧發(fā)酵和生物質(zhì)熱解炭化技術(shù)，展望生物炭在園林綠化中的應(yīng)用前景，同時提出餐廚垃圾厭氧發(fā)酵耦合熱解炭化能夠?qū)崿F(xiàn)對能量和沼渣的充分利用，是未來餐廚垃圾資源化綜合利用的重要方向。

1 餐廚垃圾厭氧發(fā)酵現(xiàn)狀

國內(nèi)垃圾分類后，厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼發(fā)電正在成為餐廚垃圾資源化利用的主流發(fā)展方向[6]。垃圾厭氧發(fā)酵技術(shù)成熟，有成套處理設(shè)備與工藝，自動化程度高，消化過程運(yùn)行穩(wěn)定，對環(huán)境污染小，并能產(chǎn)出清潔能源。餐廚垃圾厭氧發(fā)酵主要包括水解、酸化、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷[7-9]四個步驟。與發(fā)達(dá)國家相比，中國餐廚垃圾厭氧發(fā)酵技術(shù)仍處在較低水平，主要是餐廚垃圾高固體含量、高油脂和高鹽分的特性，導(dǎo)致甲烷產(chǎn)量低。研究表明，對餐廚垃圾進(jìn)行預(yù)處理，可以提高沼氣產(chǎn)率。

常見的預(yù)處理方法有物理法（機(jī)械研磨、超聲、高壓滅菌、微波、熱處理等）、化學(xué)法（酸化）、生物法（增溶作用）及不同方法的組合。Deepanraj等[10]采用高壓滅菌、微波和超聲預(yù)處理技術(shù)，研究不同預(yù)處理技術(shù)對禽糞和餐廚垃圾混厭氧發(fā)酵沼氣產(chǎn)率的影響，結(jié)果表明，這三種預(yù)處理技術(shù)對沼氣的累積產(chǎn)量分別增加了4.67%、6.43%和10.12%。此外，將園林廢棄物與餐廚垃圾共發(fā)酵，可以提高甲烷產(chǎn)率。陳麗琴[11]研究校園綠化中廢棄的草坪草與餐廚垃圾共發(fā)酵體系，認(rèn)為草料可平衡發(fā)酵底物營養(yǎng)元素和C/N比，提高厭氧消化系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)餐廚垃圾和草坪草的配比為3∶7時，沼氣產(chǎn)率提高了1.44倍。Chen等[12]用園林中植物枝葉作為底物，與餐廚垃圾和剩余污泥共發(fā)酵，結(jié)果表明，適量的園林廢棄物有助于厭氧發(fā)酵體系中有機(jī)物的降解，同時還可以改善消化系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并優(yōu)化揮發(fā)性脂肪酸的組成結(jié)構(gòu)，從而提高甲烷產(chǎn)率。除甲烷產(chǎn)量低之外，目前，國內(nèi)餐廚垃圾厭氧發(fā)酵存在的最大問題是厭氧發(fā)酵殘余物沼渣處理難度大，這已經(jīng)成為垃圾分類可持續(xù)發(fā)展的一個重要制約因素。新興的生物炭技術(shù)，為餐廚垃圾厭氧發(fā)酵殘余物沼渣資源化利用提供了新的途徑。

2 生物炭

生物炭是由生物質(zhì)在缺氧情況下，經(jīng)高溫產(chǎn)生的一類穩(wěn)定、高度芳香化、富含碳素的固態(tài)物質(zhì)。按制備方法不同，生物炭主要包括高溫裂解生物炭（pyrochar）和水熱生物炭（以下簡稱水熱炭，hydrochar）。裂解生物炭是含碳有機(jī)生物質(zhì)在低氧或缺氧條件下經(jīng)高溫?zé)峤猓ǎ?00℃）形成的穩(wěn)定富碳產(chǎn)物。水熱炭是以生物質(zhì)為原料，在150℃～350℃和自生壓力條件下，經(jīng)水熱反應(yīng)得到的以碳為主體、含氧官能團(tuán)豐富、熱值高的黑色固體產(chǎn)物。

2.1 高溫裂解生物炭

餐廚垃圾可以通過高溫?zé)崃呀馍缮锾?。錢鵬等[13]將餐廚垃圾在450℃～600℃下熱解制成生物炭，生物炭產(chǎn)率為31%，熱值為17.119 MJ·kg-1。Alghashm等[14]以餐廚垃圾厭氧發(fā)酵殘余物沼渣為研究對象，采用限氧熱解法，在400℃～900℃的溫度范圍內(nèi)，制備沼渣生物炭，對其表面特性和吸附性能與肥效進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，900℃熱解溫度條件下制備的生物炭對磷和毒死蜱吸附容量分別達(dá)到12.28 mg·g-1和39.18 mg·g-1。盆栽試驗表明，餐廚垃圾厭氧發(fā)酵殘余物沼渣制備的生物炭施入土壤，可以提高土壤肥效，促進(jìn)農(nóng)作物的生長。Monlau等[15]報道的一種沼渣熱解炭化回轉(zhuǎn)窯爐是一種外熱式反應(yīng)爐（圖1），通過夾套內(nèi)的熱煙氣加熱窯壁，物料隨著帶有傾角的回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)動，從窯頭緩慢移動至窯尾。在移動過程中，沼渣不斷與窯壁接觸，獲得熱解能源。Tripathi等報道[16]，在生物炭制備過程中，還可以添加催化劑提高生物炭的產(chǎn)率和品質(zhì)，常見的催化劑包括Na2CO3、KCl、FeCl3、CaO、ZnO和Al2O3等。園林廢棄物與餐廚垃圾共同熱解炭化也可以提高生物炭的性能。Zhang等[17]用廈門本地的園林廢棄物茅草枝條與餐廚垃圾共同熱解制備生物炭，提高了生物炭對重金屬離子Cu2+、Zn2+和Mn2+的吸附能力，并認(rèn)為，園林廢棄物中木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)在熱解炭化過程中會導(dǎo)致兩種混合物的生物炭產(chǎn)生特定的吸附位點，改善生物炭表面官能團(tuán)結(jié)構(gòu)。

2.2 水熱生物炭

1.沼渣熱解炭化回轉(zhuǎn)窯爐

2.厭氧發(fā)酵耦合炭化技術(shù)與24h運(yùn)行能量平衡圖

與其他餐廚垃圾熱化學(xué)及生物轉(zhuǎn)化技術(shù)相比，水熱炭化反應(yīng)在水中進(jìn)行，原料無需干燥，能耗低，因此，高含水率的餐廚垃圾制備水熱生物炭具有明顯優(yōu)勢。金桃[18]等用餐廚垃圾作為碳源，經(jīng)水熱炭化過程，在180℃下制備出熱值為30.18 MJ/kg的水熱生物炭，其中炭轉(zhuǎn)化率為54.08%。Li[19]等用餐廚垃圾制備水熱生物炭并研究其燃燒特性，結(jié)果表明，餐廚垃圾中脂質(zhì)含量越高，水熱生物炭的著火點和活化能越低，熱值越高。水熱炭化是放熱過程，在水熱炭化過程中，生物質(zhì)發(fā)生水解、脫水、脫羧、聚合和芳構(gòu)化反應(yīng)[20]。通常，水熱生物炭的炭產(chǎn)率高于熱解生物炭[21]，且含有更多含氧官能團(tuán)，但比表面積較小[22]。水熱生物炭的產(chǎn)率與熱解溫度有關(guān)。在一定溫度范圍內(nèi)，水熱炭的炭含量隨著溫度升高而升高，但水熱炭產(chǎn)率和比表面積隨之相應(yīng)降低[23]。雖然，水熱炭化技術(shù)在高含水率餐廚垃圾資源化利用方面展現(xiàn)了很好的應(yīng)用前景，然而，餐廚垃圾水熱炭化技術(shù)發(fā)展與挑戰(zhàn)并存，未來應(yīng)著力在餐廚垃圾水熱炭化條件優(yōu)化、水熱炭化機(jī)理以及生物炭改性擴(kuò)大不同領(lǐng)域應(yīng)用方面開展深入研究。

3 厭氧發(fā)酵耦合熱解炭化

Monlau等[15]報道了一種厭氧發(fā)酵耦合熱解炭化技術(shù)（Coupling Anaerobic Digestion and Pyrolysis Process ），用于制備生物炭及高熱值副產(chǎn)物，從而提高厭氧發(fā)酵能量利用效率并實現(xiàn)沼渣高效資源化利用（圖2）。該技術(shù)先將廢棄生物質(zhì)通過厭氧發(fā)酵后產(chǎn)生沼氣用于發(fā)電，發(fā)酵過程產(chǎn)生的余熱用來烘干沼渣，然后沼渣經(jīng)500℃高溫炭化生成生物炭、生物油和合成氣。厭氧發(fā)酵耦合炭化技術(shù)中產(chǎn)生的生物油和合成氣也可以作為燃料發(fā)電，比單獨(dú)使用厭氧發(fā)酵體系的發(fā)電量增加42%。此外，在厭氧發(fā)酵過程中加入生物炭，可以緩解葡萄糖厭氧消化的酸化[24]，促進(jìn)微生物生長代謝[25]，吸附重金屬和氨氮[26]，從而提高甲烷產(chǎn)率。耦合炭化形成的生物炭不僅可以作為厭氧發(fā)酵調(diào)理劑，還可以生產(chǎn)高熱值的生物煤燃料[27]；作為吸附劑或活化劑載體去除重金屬及有機(jī)污染物[28-29]；作為土壤改良劑，同時提高土壤保水保肥能力[30]；用作超級電容或微生物燃料電池的高性能電極材料[31]。

4 餐廚垃圾厭氧發(fā)酵耦合炭化技術(shù)在園林綠化中的應(yīng)用展望

將餐廚垃圾厭氧發(fā)酵與生物質(zhì)炭化耦合，可為餐廚垃圾資源化利用可持續(xù)發(fā)展提供新的技術(shù)途徑?，F(xiàn)有的研究表明，生物炭用于園林綠化可以降低土壤容重，增加土壤孔隙度。生物炭的多孔結(jié)構(gòu)、持水能力以及留存的礦物元素也使其成為綠化土壤微生物的良好棲息環(huán)境，為土壤有益微生物特別是菌根真菌提供保護(hù)。在日本，生物炭基肥料經(jīng)常用于園林植物苗圃來達(dá)到改良土壤、保護(hù)接種菌根真菌的目的。Ogawa[32]報道了生物炭對黑松（ Pi nus thunbergii）生長的影響。通過將生物炭埋入黑松幼林土壤溝槽中，配施少量磷肥，一段時間后新根從生物炭中長出，松樹根以及生物炭中的紅菌根真菌（R h izopogon rubescens）數(shù)量顯著增加，黑松的發(fā)芽數(shù)量和針葉顏色得到大幅改善，認(rèn)為這是由于菌根數(shù)量的增加有利于黑松吸收土壤中的養(yǎng)分和水分。Zhang[33]等研究表明，施用20%的生物炭與0.7%的腐殖酸對觀賞植物箭羽竹芋（C alathea insignis）的生長促進(jìn)效果明顯，能夠顯著地改善箭羽竹芋枝條鮮重、根鮮重、株高、冠幅、葉數(shù)和根長。

土壤是園林植物賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，直接關(guān)系到綠地景觀質(zhì)量。近年來，隨著人類的社會活動加劇，城市綠地土壤退化、透氣性差和土壤肥力降低[34]，已經(jīng)影響了綠化植物的正常生長和發(fā)育。隨著中國低碳城市建設(shè)的發(fā)展, 低碳園林受到城市管理者和規(guī)劃人員的重視，但目前低碳園林具體的實施途徑還很有限。將園林綠化廢棄物與餐廚垃圾共同厭氧發(fā)酵，達(dá)到平衡營養(yǎng)元素、稀釋抑制產(chǎn)物或有害物質(zhì)，使消化過程高效穩(wěn)定進(jìn)行，并將餐廚垃圾厭氧發(fā)酵與生物質(zhì)炭化耦合，對于持續(xù)推進(jìn)垃圾分類工作，促進(jìn)餐廚垃圾和園林綠化廢棄物資源化利用，具有十分重要的意義和廣闊應(yīng)用前景。

5 結(jié)語

餐廚垃圾資源化綜合利用對于垃圾分類工作的持續(xù)推進(jìn)十分重要。本文圍繞餐廚垃圾資源化利用途徑，對國內(nèi)外餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼發(fā)電、熱解炭化及厭氧發(fā)酵耦合炭化技術(shù)進(jìn)行了綜述。中國餐廚垃圾含水量大，鹽分高，干物質(zhì)少，處理難度大；傳統(tǒng)餐廚垃圾處置方法，雖然操作簡單、成本低，但產(chǎn)品附加值低，資源化利用程度不高，易造成二次污染。作為未來餐廚垃圾資源化利用的主流發(fā)展技術(shù)，餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼發(fā)電還存在產(chǎn)甲烷率低、消化系統(tǒng)穩(wěn)定性差和大量殘余物沼渣利用難等問題，倡導(dǎo)餐廚垃圾與園林綠化廢棄物共發(fā)酵，發(fā)展餐廚垃圾厭氧發(fā)酵耦合炭化技術(shù)，對于餐廚垃圾高值化綜合利用具有十分重要的現(xiàn)實意義。隨著餐廚垃圾資源化處理技術(shù)水平的不斷提升與餐廚垃圾管理法規(guī)的日益完善，未來應(yīng)圍繞餐廚垃圾資源化利用，開展多種技術(shù)融合實踐與創(chuàng)新，加快推進(jìn)餐廚垃圾厭氧發(fā)酵耦合炭化技術(shù)和產(chǎn)品在園林綠化中的試驗示范，同步實行垃圾分類收運(yùn)與管理，最終實現(xiàn)餐廚垃圾高效資源化利用目標(biāo)，推進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)社會、低碳園林城市建設(shè)的快速發(fā)展。