常燕青 朱麗可 張樂樂 常中龍 于 強(qiáng) 吳海鎖

(1.維爾利環(huán)保科技集團(tuán)股份有限公司，江蘇 常州 213125； 2.常州金源機(jī)械設(shè)備有限公司，江蘇 常州 213126；3.江蘇省固體廢棄物處理環(huán)保裝備工程技術(shù)研究中心，江蘇 常州 213126；4.北京起重運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)研究院，北京 100007； 5.江蘇環(huán)保產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院股份公司，江蘇 南京 210036)

餐廚垃圾主要是指從事餐飲服務(wù)、單位供餐、食品生產(chǎn)加工等活動(dòng)的單位和個(gè)人在生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)過程中所產(chǎn)生的食物殘余、食品加工廢料和廢棄食用油脂等。

全世界餐廚垃圾產(chǎn)生量約占市政固體廢棄物總量的30%～50%[1]。中國(guó)主要城市實(shí)際每年平均產(chǎn)生餐廚垃圾不低于9 000萬t，而大中型城市如北京、上海的餐廚垃圾產(chǎn)量尤為驚人，其中北京平均產(chǎn)生餐廚垃圾約1 050 t/d，上海平均產(chǎn)量約1 300 t/d，未來仍將不斷遞增[1,2]。面對(duì)如此龐大的處理需求，我國(guó)的餐廚垃圾處理行業(yè)卻發(fā)展緩慢，近些年垃圾分類大力推進(jìn)，但餐廚垃圾的產(chǎn)能缺口仍然巨大。根據(jù)E20研究院測(cè)算，2016年，我國(guó)餐廚垃圾合法收運(yùn)處理率僅達(dá)到10%(以城市生活垃圾產(chǎn)生量為基準(zhǔn)測(cè)算)。未經(jīng)妥善處理的餐飲垃圾大量流入小作坊，成為地溝油提煉的原料，嚴(yán)重威脅我國(guó)的食品健康；與生活垃圾混合處置的廚余、菜場(chǎng)垃圾不斷增加生活垃圾填埋場(chǎng)的負(fù)荷；大量亂排、偷排的餐廚垃圾加劇了“垃圾圍城”。因此，餐廚垃圾的收運(yùn)管理和高效資源化成為我國(guó)當(dāng)前迫切需要解決的問題。

1 餐廚垃圾組分特性

餐廚垃圾的組分和性質(zhì)會(huì)隨季節(jié)、產(chǎn)生群體的飲食和生活習(xí)慣的不同有明顯差異，同時(shí)餐廚垃圾的存放和收集方式的不同也會(huì)影響餐廚垃圾的組分。這導(dǎo)致了我國(guó)餐廚垃圾的組分比較復(fù)雜。通常包括食物殘?jiān)⒐穷^、塑料、木頭、織物和金屬等。其中，食物殘?jiān)?、骨頭和塑料占比較大，木頭、織物和金屬等雜物較少。餐廚垃圾成分分析見表1[3]，餐廚垃圾整體含水率較高，約為75%～85%。脂肪和蛋白占比較大，有機(jī)質(zhì)含量高，約占干質(zhì)量的80%～93%。油脂含量豐富，約占2%～3%，后續(xù)油脂經(jīng)回收提取可產(chǎn)生較高的經(jīng)濟(jì)效益。餐廚垃圾的鹽分含量也較高，約占0.3%～1%，且易腐爛變臭、滋生蚊蠅、傳播病菌，對(duì)人類和環(huán)境造成不利影響。因此，餐廚垃圾具有資源和危害的雙重特點(diǎn)。

表1 我國(guó)部分城市餐廚垃圾的營(yíng)養(yǎng)成分特性[3] %

2 餐廚垃圾處理現(xiàn)狀

餐廚垃圾處理現(xiàn)狀面臨兩個(gè)問題：一是常規(guī)生活垃圾處理設(shè)施能力不足或面臨沖擊；二是傳統(tǒng)的處置方式存在食品安全隱患，易導(dǎo)致泔水豬和地溝油現(xiàn)象。自2016年開始，5批共100個(gè)餐廚垃圾資源化利用試點(diǎn)城市中，共有47個(gè)示范城市通過驗(yàn)收，全國(guó)已投運(yùn)、在建和籌建的餐廚廢棄物處理廠有將近200座。但我國(guó)每年僅有不到20%的餐廚垃圾得到資源化無害化處理，目前餐廚處理能力仍存在較大缺口。建成的項(xiàng)目中，以200 t/d以下的中小規(guī)模處理設(shè)施為主，大多采用BOT模式進(jìn)行運(yùn)營(yíng)，主體采用了厭氧消化產(chǎn)沼技術(shù)。

3 餐廚垃圾處理技術(shù)

目前餐廚垃圾的主要處理技術(shù)路線包括厭氧發(fā)酵技術(shù)、昆蟲生物轉(zhuǎn)化技術(shù)、好氧堆肥技術(shù)以及焚燒和填埋技術(shù)四大類，其中厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼技術(shù)比重最高，超過80%。

3.1 厭氧發(fā)酵技術(shù)

厭氧發(fā)酵技術(shù)是指在厭氧條件下，利用兼性微生物及厭氧微生物自身的新陳代謝作用將餐廚垃圾中的有機(jī)質(zhì)進(jìn)行分解，產(chǎn)生甲烷、氫氣和二氧化碳。厭氧產(chǎn)生的沼氣可用于加熱鍋爐或者用于發(fā)電機(jī)發(fā)電，厭氧消化罐中產(chǎn)出的沼渣可以進(jìn)行二次發(fā)酵制肥處理。因此，厭氧發(fā)酵技術(shù)的資源化程度較高。通常厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣中甲烷含量為55%～65%[4]。根據(jù)常州某餐廚垃圾處理工程經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)處理能力為200 t/d餐廚垃圾時(shí)，1 t餐廚垃圾大概產(chǎn)60 N·m3～70 N·m3的沼氣，沼氣產(chǎn)量約13 000(N·m3)/d。產(chǎn)生的沼氣可用于發(fā)電或者燒鍋爐產(chǎn)蒸汽供項(xiàng)目生產(chǎn)使用，余電上網(wǎng)。根據(jù)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，1 N·m3的沼氣大概可轉(zhuǎn)化電量1.8 kW，1 N·m3的沼氣大概可轉(zhuǎn)化蒸汽5.82 kg。因此厭氧發(fā)酵技術(shù)所產(chǎn)生的副產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)效益較高，是目前應(yīng)用比較廣泛且比較成熟的餐廚垃圾處理技術(shù)。

但是厭氧發(fā)酵技術(shù)受溫度、pH值、C/N比和有毒物質(zhì)濃度等因素影響較大。同時(shí)餐廚垃圾物料的高鹽分、高油脂以及前期混入的無機(jī)雜物過多等，都會(huì)影響厭氧發(fā)酵的效果。李軼等[5]研究了不同溫度、不同初始pH值對(duì)餐廚垃圾和牛糞混合厭氧發(fā)酵的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，溫度為50 ℃時(shí)，初始pH值為7時(shí)，厭氧發(fā)酵效果最佳，其單位產(chǎn)氣量(以VS計(jì))可達(dá)600 mL/g～700 mL/g，甲烷體積分?jǐn)?shù)最高可達(dá)62%，有機(jī)物去除率可達(dá)67%。劉研萍等[6]研究了鹽分對(duì)餐廚垃圾厭氧發(fā)酵的影響，結(jié)果表明，Na+濃度越高對(duì)餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)氣性能的抑制越嚴(yán)重。當(dāng)Na+濃度從5 g/L升至10 g/L時(shí)，累積產(chǎn)氣量從對(duì)照累積產(chǎn)氣量的51%降至1%，隨著Na+濃度的升高，產(chǎn)甲烷菌數(shù)量有所下降。因此，厭氧發(fā)酵技術(shù)對(duì)原始物料的要求較高，對(duì)運(yùn)行條件要求嚴(yán)苛，易導(dǎo)致厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣率低下和反應(yīng)不徹底等問題。

3.2 昆蟲生物轉(zhuǎn)化技術(shù)

生物轉(zhuǎn)化技術(shù)是利用蠅蛆、黃粉蟲、黑水虻、蚯蚓等昆蟲處理餐廚垃圾，轉(zhuǎn)化為高營(yíng)養(yǎng)的昆蟲蛋白用于水產(chǎn)或畜禽飼料。昆蟲生物轉(zhuǎn)化技術(shù)憑借操作簡(jiǎn)單、能耗低、效率高、產(chǎn)品附加值高等優(yōu)勢(shì)，近幾年受到越來越多的關(guān)注。我國(guó)是飼料添加劑魚粉的最大進(jìn)口國(guó)，每年進(jìn)口魚粉作為大宗動(dòng)物源蛋白約200萬t～300萬t。隨著世界漁業(yè)資源的逐漸枯竭，魚粉的產(chǎn)量在逐漸減少，價(jià)格日漸攀升，極大地限制了國(guó)內(nèi)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展。因此，昆蟲生物轉(zhuǎn)化技術(shù)在很大程度上緩解了國(guó)內(nèi)相關(guān)養(yǎng)殖行業(yè)對(duì)國(guó)際魚粉的依賴，有效解決當(dāng)前有機(jī)固渣資源浪費(fèi)的問題，實(shí)現(xiàn)有機(jī)固渣的減量化和無害化。研究表明，黑水虻可實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾60%～75%的減量[7]，家蠅在中試規(guī)模下可實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾減量率64%[8]。

目前研究較多的是利用黑水虻處理餐廚垃圾，黑水虻的優(yōu)勢(shì)在于吃食范圍廣、吃食量大、生長(zhǎng)發(fā)育周期適中、抗逆性強(qiáng)、耐油耐鹽、生態(tài)安全性高、幼蟲營(yíng)養(yǎng)價(jià)值豐富等，完全發(fā)育的幼蟲蛋白質(zhì)含量約為40%～50%，干物質(zhì)中的脂肪含量約為35%，是餐廚垃圾處置領(lǐng)域極具產(chǎn)業(yè)化前景的昆蟲種類[9]。黑水虻幼蟲包括多種微生素、脂肪酸、有機(jī)酸、功能性酶等，對(duì)石蛙、甲魚、南美白對(duì)蝦等以食肉為主的高端養(yǎng)殖領(lǐng)域顯現(xiàn)出不可替代的優(yōu)勢(shì)。石洪玥等[10]研究了將黑水虻幼蟲活蟲和干蟲替代飼料投喂錦鯉，投喂30 d后比較各組錦鯉的血清和組織中抗氧化酶活性和非特異性免疫指標(biāo)。結(jié)果表明，活蟲組和干蟲組的AKP活力、肝胰臟T-SOD活力和T-AOC顯著高于對(duì)照組，各組間的AST活力、ACP活力、CAT活力、GSH-Px活力和溶菌酶活力差異不顯著，可見黑水虻促進(jìn)了錦鯉的生長(zhǎng)、抗氧化能力和非特異性免疫功能。胡俊茹等[11]研究了黑水虻幼蟲粉替代魚粉對(duì)凡納濱對(duì)蝦幼蝦生長(zhǎng)性能、體組成、血清生化指標(biāo)和抗氧化能力的影響。結(jié)果表明：黑水虻幼蟲粉替代魚粉后幼蝦的增重率、特定生長(zhǎng)率和存活率均呈升高趨勢(shì)；當(dāng)使用黑水虻幼蟲粉替代魚粉比例為20%時(shí)，蝦血清總抗氧化能力以及過氧化物酶、過氧化氫酶活性達(dá)到最高。因此，黑水虻幼蟲粉替代飼料中部分魚粉可促進(jìn)凡納濱對(duì)蝦幼蝦的生長(zhǎng)性能。以上研究均表明黑水虻作為一種新興水產(chǎn)動(dòng)物飼料，不僅有利于節(jié)約成本，還可起到積極的功能性作用，市場(chǎng)潛力巨大。

作為一個(gè)新興的產(chǎn)業(yè)，昆蟲生物轉(zhuǎn)化餐廚垃圾還存在諸多問題，如生產(chǎn)設(shè)備自動(dòng)化程度低、環(huán)境控制成本高、產(chǎn)品銷路沒有相關(guān)政策的引導(dǎo)和支持等，這些問題一定程度上限制了昆蟲生物轉(zhuǎn)化餐廚垃圾的生產(chǎn)規(guī)模。未來隨著技術(shù)水平的不斷推進(jìn)以及政策的不斷完善，昆蟲生物轉(zhuǎn)化餐廚垃圾將具有廣闊的市場(chǎng)和經(jīng)濟(jì)效益。

3.3 好氧堆肥技術(shù)

好氧堆肥技術(shù)是利用好氧微生物在有氧條件下利用自身的代謝功能對(duì)餐廚垃圾中的有機(jī)質(zhì)進(jìn)行生物降解，最終形成穩(wěn)定的高肥力腐殖質(zhì)。在堆肥過程中，物料的含水率、粒徑、通風(fēng)情況以及溫度都對(duì)堆肥效果有重大的影響。韓濤等[12]進(jìn)行了餐廚垃圾高效好氧堆肥工藝優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，以有機(jī)物降解率為試驗(yàn)指標(biāo)探討通風(fēng)量、環(huán)境溫度、含水率、粒徑等4個(gè)因素對(duì)堆肥效果的影響。結(jié)果表明：4個(gè)因素對(duì)有機(jī)物降解的影響顯著性順序?yàn)榄h(huán)境溫度>含水率>粒徑>通風(fēng)量，同時(shí)得出最佳堆肥方案為環(huán)境溫度40 ℃、含水率50%、粒徑30 mm、通風(fēng)量4 L/min。當(dāng)前環(huán)境下好氧堆肥技術(shù)較為成熟，且堆肥可以產(chǎn)生有機(jī)肥料，實(shí)現(xiàn)廢物資源化利用的同時(shí)改善了當(dāng)前大量使用化肥導(dǎo)致的土壤退化等問題，具有極好的應(yīng)用價(jià)值。

當(dāng)前餐廚垃圾堆肥效率低下、臭氣污染嚴(yán)重、生產(chǎn)的有機(jī)肥經(jīng)濟(jì)效益低下等問題極大地限制了堆肥技術(shù)的推廣與應(yīng)用。因此，提高堆肥技術(shù)的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性顯得極其重要。鄒德勛等[13]研究發(fā)現(xiàn)餐廚垃圾+菌糠堆肥的升溫速度較快，高溫期持續(xù)9 d后達(dá)到城市生活垃圾好氧靜態(tài)堆肥處理標(biāo)準(zhǔn)要求(CJJT 52—93)；與常用的秸稈調(diào)理劑相比，餐廚垃圾+菌糠堆料在堆肥一次發(fā)酵結(jié)束后含水量下降率提高了3.66%，有機(jī)物降解率提高了6.7%，種子發(fā)芽指數(shù)提高了15.8%，其腐熟程度大大優(yōu)于餐廚垃圾+秸稈堆肥。其次，餐廚垃圾+菌糠堆肥過程N(yùn)H3的釋放量?jī)H為餐廚垃圾+秸稈釋放量的36.49%，臭味也明顯減少，說明菌糠具有一定的抑臭保氮作用。結(jié)果表明，菌糠調(diào)理劑優(yōu)于普通的秸稈調(diào)理劑。Vandecasteele等[14]證實(shí)堆肥前添加生物炭可減少溫室氣體氨氣的排放，提高有機(jī)肥氮元素含量。

綜合來看，餐廚垃圾的堆肥技術(shù)已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，但是未來還有很大的進(jìn)步空間。同時(shí)，還缺少餐廚垃圾制備有機(jī)肥料的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，亟需相關(guān)部門加快制定，為餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品提供出路。

3.4 焚燒和填埋技術(shù)

現(xiàn)階段我國(guó)大部分城市的垃圾分類工作逐步開展，但仍存在大量餐廚垃圾混雜在生活垃圾中一同進(jìn)行焚燒或者填埋。部分餐廚垃圾處理企業(yè)將餐廚垃圾回收，經(jīng)分選、固液分離、提油等預(yù)處理后，剩余的固渣也會(huì)選擇就近焚燒或者填埋。因此，焚燒和填埋技術(shù)仍然是我國(guó)目前餐廚垃圾處理的主要技術(shù)之一。焚燒是通過900 ℃～1 000 ℃的高溫對(duì)餐廚垃圾中的可燃物組分進(jìn)行氧化分解，從而實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾的減量化。焚燒后殘余物質(zhì)量只有20%左右，體積為10%左右，減量化程度較高。但若餐廚垃圾未經(jīng)充分燃燒，會(huì)產(chǎn)生二噁英、二氧化硫、氯化氫和氮氧化物等有毒有害氣體，造成大氣的二次污染。

填埋法是一種操作較方便、成本較低的餐廚垃圾處理方式，主要適用于目前還未實(shí)行對(duì)餐廚垃圾進(jìn)行單獨(dú)收運(yùn)、處理的城市，將餐廚垃圾和其他生活垃圾混合收運(yùn)并填埋。但是餐廚垃圾在填埋過程中會(huì)產(chǎn)生大量高濃度有機(jī)污染物，增大了后續(xù)滲濾液處理負(fù)荷和難度，同時(shí)對(duì)周邊的土壤、地下水和空氣造成一定程度的危害。隨著人們對(duì)生活健康關(guān)注度的提高以及國(guó)家政策的不斷完善，焚燒和填埋在未來將會(huì)逐漸退出餐廚垃圾處理市場(chǎng)。

4 結(jié)論和展望

餐廚垃圾作為一種資源性廢棄物，對(duì)其中的資源和能源進(jìn)行回收受到了廣泛的關(guān)注。加之全球呼吁碳減排落實(shí)行動(dòng)，我國(guó)“十四五”又是碳達(dá)峰、碳中和的關(guān)鍵期、窗口期，這進(jìn)一步表明餐廚垃圾資源化處理處置的必要性。

圍繞餐廚垃圾科學(xué)、合理處理的問題，各界學(xué)者開展了大量的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究。飼料化技術(shù)由于同源性污染問題嚴(yán)重，且對(duì)設(shè)備和技術(shù)要求較高難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。目前餐廚垃圾高效資源化利用的技術(shù)主要是厭氧發(fā)酵、昆蟲生物轉(zhuǎn)化、好氧堆肥和焚燒填埋技術(shù)。昆蟲生物轉(zhuǎn)化技術(shù)是新興產(chǎn)業(yè)，能耗低、效率高、產(chǎn)品附加值高，但難以實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，未來還需不斷加大研發(fā)力度，推進(jìn)昆蟲生物轉(zhuǎn)化進(jìn)一步發(fā)展；厭氧消化及好氧堆肥等技術(shù)較為成熟，但在工業(yè)化利用過程中設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性及其廢水和臭氣的控制問題仍需研究；焚燒和填埋由于對(duì)資源浪費(fèi)嚴(yán)重的問題未來將逐漸退出餐廚垃圾的市場(chǎng)。

在我國(guó)目前碳減排、碳中和大戰(zhàn)略背景下，著眼于餐廚垃圾資源化，厭氧消化產(chǎn)沼氣、昆蟲生物轉(zhuǎn)化以及肥料化將是今后餐廚垃圾處置的三大主流應(yīng)用方向。我國(guó)的餐廚垃圾處理市場(chǎng)理論空間巨大，在巨大的市場(chǎng)空間面前，企業(yè)應(yīng)持續(xù)探尋正規(guī)化處置的盈利模式，而政府也應(yīng)當(dāng)出臺(tái)相應(yīng)的配套政策，在鼓勵(lì)正規(guī)化處置、提高處理補(bǔ)貼的同時(shí)，對(duì)非法處置行為加大監(jiān)管力度，不斷助力行業(yè)提速發(fā)展。