靳晨曦,孫士強,盛維杰,楊殿海,馬亞東,賀文智,李光明*

中國廚余垃圾處理技術(shù)及資源化方案選擇

靳晨曦1,孫士強1,盛維杰1,楊殿海1,馬亞東2,賀文智1,李光明1*

(1.同濟大學環(huán)境科學與工程學院,上海 200092；2.上海壹柯環(huán)境科技有限公司,上海 200062)

介紹了中國廚余垃圾的產(chǎn)量及特征,分析了廚余垃圾粉碎直排、填埋、焚燒、飼料、昆蟲養(yǎng)殖、堆肥、轉(zhuǎn)換能源和高值化利用處理技術(shù)的現(xiàn)狀及優(yōu)缺點,表明廚余垃圾資源化處理是未來的發(fā)展趨勢,其中飼料化應(yīng)是未來值得提倡的資源化技術(shù)之一.此外,對比了厭氧消化和好氧堆肥兩大主流資源化模式的特點,厭氧消化和好氧堆肥分別適用于集中大規(guī)模處理和分散式、中小規(guī)模、源頭減量處理的應(yīng)用場景.最后,提出了適合中國廚余垃圾資源化的廢棄油脂煉制生物柴油+厭氧消化產(chǎn)甲烷+沼渣好氧堆肥組合工藝方案,為廚余垃圾的高效資源化處理提供一定參考.

廚余垃圾；廢物處理；資源利用；厭氧消化；堆肥

廚余垃圾是城市生活垃圾的一種,是居民社區(qū)、食品生產(chǎn)加工業(yè)和餐飲業(yè)在生活或生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的有機廢棄物[1].根據(jù)2019年12月中國住建部發(fā)布的《生活垃圾分類標志》規(guī)定,垃圾分類產(chǎn)生的濕垃圾、餐廚垃圾或廚余垃圾被統(tǒng)一稱為廚余垃圾,其包括家庭廚余垃圾、餐廚垃圾和其他廚余垃圾(農(nóng)貿(mào)市場等)[2].根據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織(FAO)統(tǒng)計,全球約有1/3的食物被浪費在生產(chǎn)、流通和消費過程中,其中大部分都被當做廚余垃圾處理,每年的廢物產(chǎn)生量高達13億t[3].世界廚余垃圾的產(chǎn)量連年增長,有學者預(yù)測從2005～2025年,全球廚余垃圾產(chǎn)量將會增加44%[4],其中中國廚余垃圾的產(chǎn)量位居世界首位[5].2009～2019年中國城市生活垃圾和廚余垃圾產(chǎn)量連年增長,2019年中國城市生活垃圾和廚余垃圾產(chǎn)量分別為2.42[6]和1.21億t/a[5],并且廚余垃圾在城市生活垃圾中占比高達50%～60%[7].2019年5月,中國開始在16個城市開展“無廢城市”試點建設(shè)工作[8],廚余垃圾的資源化和無害化越來越被重視.2019年中國大力推行垃圾分類政策之后,中國廚余垃圾的分出量急劇增加[9].2020年6月,上海濕垃圾分出量達到9632.1t/d,同比增加38.50%[10].因此,中國廚余垃圾急需適宜的無害化、資源化和規(guī)?；幚砑夹g(shù).

廚余垃圾具有含水率高、有機質(zhì)高、含鹽量高、含油量高和易腐爛等特點[11],若處理不及時則易產(chǎn)生惡臭,并會滋生病原體微生物[12],引發(fā)環(huán)境污染問題.中國廚余垃圾的組分構(gòu)成、營養(yǎng)成分和元素組成特征如表1所示.中國廚余垃圾主要由蔬菜、果皮、食物殘渣、碎骨、蛋殼、貝類、果殼和果核等組成,其含水量高達74.94%～87.07%,且含有大量糖類、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等有機物,具有較好的可生化降解性.中國廚余垃圾較高的N含量導致其C/N較低(10～20),若采用生物法處理廚余垃圾,則需考慮將廚余垃圾與其他高C/N的有機廢棄物進行協(xié)同處理[13].此外,中國獨特豐富的飲食習慣導致中國廚余垃圾具有高脂質(zhì)(17.02%～31.80%)、高鹽分(0.50%～5.00%)和高辣椒素(0%～2.50%)的特點.因此,在中國廚余垃圾的資源處理過程中,應(yīng)考慮高油、高鹽和高辣椒素的影響[14].

目前,廚余垃圾通常與城市生活垃圾一起進行垃圾填埋和焚燒處置,隨之帶來垃圾滲濾液污染、二噁英和溫室氣體排放等二次污染問題[15].世界上越來越多的國家開始禁止廚余垃圾進入垃圾填埋場,并將廚余垃圾從生活垃圾中分出,進而提高干垃圾焚燒發(fā)電的效率[5].廚余垃圾具有較高的回收利用價值,其資源化回收逐漸成為最受歡迎的處理模式.

中國實行垃圾分類管理政策后,廚余垃圾的分出量劇增,從而導致中國廚余垃圾處理能力不足.目前,中國急需擴充廚余垃圾處理能力,同時也面臨不同處理技術(shù)的選擇問題.因此,有必要對中國廚余垃圾處理技術(shù)的現(xiàn)狀和適用性進行詳細回顧,并對適宜的資源化處理技術(shù)進行對比分析,進而指導中國廚余垃圾資源化方案的選擇.本文分析了中國廚余垃圾處理技術(shù)的現(xiàn)狀及優(yōu)缺點,對比了厭氧消化和好氧堆肥兩大主流資源化技術(shù)的特點,并明確了其應(yīng)用場景,最后提出了適合中國廚余垃圾資源化的組合技術(shù)方案,為廚余垃圾的高效資源化處理提供一定參考.

表1 中國廚余垃圾的特征

注:wt%為重量百分數(shù),①基于濕重,②基于干重.

1 廚余垃圾處理技術(shù)

1.1 粉碎直排

粉碎直排法在歐美家庭廚房有一定的應(yīng)用,其中粉碎直排設(shè)備在美國家庭安裝率超過95%[30].粉碎直排法具有工藝簡單、處理成本低等特點,常用于處理少量廚房廚余垃圾,適合人口分散的地區(qū)使用.粉碎直排法降低了城市生活垃圾的產(chǎn)量,并給城市市政污水處理增加了有機碳源[31],但該方法會加重城市管網(wǎng)的壓力,降低廚余垃圾的資源化率;廚余垃圾中的油脂在下水管道中容易凝結(jié)堆積成塊,引發(fā)管網(wǎng)堵塞;此外,粉碎直排法需用大量水進行沖洗粉碎后的廚余垃圾,造成水資源浪費,其不適合缺水地區(qū)的應(yīng)用.先前我國少量社區(qū)也嘗試引入了該項處理技術(shù),但其與我國下水管道管網(wǎng)的匹配度低,若改造下水道管網(wǎng)則會增加高昂的投入成本.雖然粉碎直排法目前不適合中國廚余垃圾的處理,但中國應(yīng)當鼓勵與支持其在部分水資源充分、排水管網(wǎng)適宜和污水處理設(shè)施完善的地區(qū)進行試點探索.若粉碎直排法的試點應(yīng)用效果較好,則可在后續(xù)的城市管網(wǎng)與污水處理設(shè)施的修建與升級改造中,考慮粉碎直排法的排放需求,補充中國廚余垃圾可選擇的處理技術(shù).

1.2 填埋

填埋法因其成本較低、簡單方便,在早期的廚余垃圾處理中應(yīng)用較多.但廚余垃圾的水分含量較高,廚余垃圾填埋場極易產(chǎn)生大量的垃圾滲濾液,這些垃圾滲濾液后續(xù)的處理成本較高,若處理不當則將會對地下、地表水系造成污染,嚴重危害生態(tài)環(huán)境.此外,垃圾填埋場產(chǎn)生的填埋氣排放至大氣中會加劇全球變暖[32].在中國無填埋氣收集措施的生活垃圾填埋場中,溫室氣體排放量高達641～998kg CO2- eq/t城市生活垃圾[33],雖然垃圾填埋場填埋氣的收集利用越來越多,但其回收成本高、回收不完全等缺點導致越來越多的國家出臺法令禁止易腐有機垃圾進入垃圾填埋場.1999年,歐盟出臺的垃圾填埋法令明確規(guī)定了減少有機垃圾進入垃圾填埋場的三階段目標,規(guī)劃到2020年,歐盟進入垃圾填埋場的有機垃圾總量相比1995年減少65%[34],韓國、德國和美國20多個州也開始禁止所有可生物降解廢物進入垃圾填埋場[35-36].此外,垃圾填埋場占地面積較大,該方法的初衷是達到垃圾的減量減容化,不能實現(xiàn)廚余垃圾的資源化,所以其不是廚余垃圾合適的處理方式.

1.3 焚燒

焚燒法主要有兩種處理方式:第一種是直接將廚余垃圾與其它生活垃圾混合燃燒處理,這種處理方式產(chǎn)生的熱量未能得到回收利用;第二種是采用熱電站法,將廚余垃圾燃燒的熱量回收利用為熱能和電能,實現(xiàn)廚余垃圾的資源化[30].但廚余垃圾含水量較高,其熱值僅為2100kJ/kg左右[37],需要添加如煤炭等輔助燃料,會增加額外資源的消耗和碳排放.2011年,世界首個廚余垃圾焚燒發(fā)電廠在英國投產(chǎn)運行,盡管其每天可將12萬t廚余垃圾轉(zhuǎn)化為150萬kW·h的電能,但是其較高的運行成本也使得廚余垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)難以推廣應(yīng)用[38].因此,焚燒法也不是廚余垃圾合適的處理方法.

1.4 飼料

廚余垃圾中含有大量蛋白質(zhì)和油脂,是優(yōu)質(zhì)的動物飼料原料.以往,我國約80%的廚余垃圾未經(jīng)處理被直接用來飼養(yǎng)動物,極易造成病原體通過食物鏈傳播疾病,現(xiàn)在我國已禁止將廚余垃圾直接用作動物飼料[39],廚余垃圾需經(jīng)過消毒、加工處理和生物轉(zhuǎn)化過程,才可用作飼料資源.目前,廚余垃圾飼料資源化的方式有兩種:高溫消毒制法和生物處理制法.廚余垃圾被加工成蛋白含量20%～30%的動物飼料,可以替代玉米、大豆等糧食原料,節(jié)省大量資源[40].郝東青等[41]采用蒸煮等高溫手段處理廚余垃圾,可得到粗蛋白含量大于20%的高營養(yǎng)蛋白飼料.肖云等[42]利用自制復合菌劑(黑曲霉:啤酒酵母:枯草芽孢桿菌=1:1:1)處理廚余垃圾,可得到粗蛋白含量28.35%的生物飼料.此外,廚余垃圾的飼料化過程中,其含有的如口蹄疫病毒、豬瘟病毒等病原體很難被完全滅活,存在同源性污染的風險[43].研究表明,用同源性廚余垃圾飼料飼養(yǎng)動物的患病風險最高[39]. 1985年英國爆發(fā)的瘋牛病,就是因為喂食含有牛羊動物骨肉粉的飼料而引發(fā)的同源性污染事件[44]. 2002年歐盟出臺的第1774/2002號條例中明令禁止使用同源性動物蛋白飼養(yǎng)同種動物,禁止使用廚余垃圾飼養(yǎng)除毛皮動物之外的農(nóng)場動物[45].我國現(xiàn)行的《餐廚垃圾處理技術(shù)規(guī)范》(CJJ 184-2012)規(guī)定[46],餐廚垃圾飼料化處理必須進行病原菌滅殺工藝;對于含有動物蛋白成分的餐廚垃圾,其飼料化工藝應(yīng)設(shè)置生物轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié),并且禁止生產(chǎn)反芻動物飼料.由此可見,廚余垃圾的飼料化應(yīng)用還存在部分風險與阻力,但隨著廚余垃圾飼料化風險評估的不斷完善,政府逐步放開廚余垃圾飼料化的政策.2021年9月,歐盟頒布新法令解除了動物性飼料喂養(yǎng)供人類食用牲口的禁令,允許將加工動物蛋白用于豬和家禽的飼料中,但仍禁止用于飼養(yǎng)牛、羊等反芻動物[47].目前,養(yǎng)殖業(yè)對動物飼料的需求量不斷增加,豆粨、魚粉等蛋白原料逐漸出現(xiàn)供應(yīng)短缺和價格上漲的情況,給養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展帶來一定壓力[48].據(jù)法國養(yǎng)豬協(xié)會統(tǒng)計,生豬養(yǎng)殖的70%成本為飼料成本[47],廚余垃圾生產(chǎn)的飼料可大大降低養(yǎng)殖業(yè)的飼養(yǎng)成本.總之,廚余垃圾的飼料化不僅可獲得較高價值的動物蛋白,提高廚余垃圾資源化產(chǎn)品的附加值,還解決了廚余垃圾的環(huán)境問題,具有較好的應(yīng)用前景.未來,廚余垃圾應(yīng)通過生物轉(zhuǎn)化、固態(tài)發(fā)酵等技術(shù)來轉(zhuǎn)化蛋白飼料,加強對蛋白飼料的安全風險評估,避免同源性污染問題;中國政府需要建立相關(guān)的法律法規(guī)和標準許可,明確廚余垃圾動物飼料的應(yīng)用范圍,禁止采用廚余垃圾生產(chǎn)反芻動物飼料.

1.5 昆蟲養(yǎng)殖

近些年,用廚余垃圾來養(yǎng)殖昆蟲逐漸受到人們的關(guān)注,其中黑水虻養(yǎng)殖的應(yīng)用最為廣泛[43].黑水虻具有易成活、適應(yīng)性強、處理量大、營養(yǎng)價值高和生態(tài)安全性高等優(yōu)點,是比較適合處理廚余垃圾的昆蟲[49].昆蟲養(yǎng)殖法可快速降解廚余垃圾,避免了廚余垃圾滋生蒼蠅、病菌和臭氣污染等問題,最終成蟲經(jīng)過篩分、烘干處理可得到優(yōu)質(zhì)昆蟲蛋白和蟲沙.昆蟲蛋白后續(xù)可以將其加工為動物蛋白飼料[50]或轉(zhuǎn)化為生物柴油[51],蟲沙可加工為有機肥料.此外,黑水虻還可以與堆肥工藝相結(jié)合,促進廚余垃圾的資源化處理.Liu等[52]采用黑水虻促進廚余垃圾的好氧堆肥過程,結(jié)果表明黑水虻可以縮短堆肥周期,可將堆肥產(chǎn)物的發(fā)芽指數(shù)由40.95%提高至70.69%.因此,昆蟲養(yǎng)殖是廚余垃圾適合的資源化處理技術(shù).目前昆蟲養(yǎng)殖法還存在昆蟲育種技術(shù)不成熟、最終產(chǎn)品缺乏風險評估等不足,并且廚余垃圾中過高的鹽分和油分不利于昆蟲生長,因此該技術(shù)尚未得到大規(guī)模推廣應(yīng)用.

1.6 堆肥

1.6.1 好氧堆肥 好氧堆肥根據(jù)過程溫度的變化,可分為“升溫階段-高溫階段-降溫階段-腐熟階段”4個階段,每個階段進行不同的生化反應(yīng),最終將廚余垃圾轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)[39].廚余垃圾中含有較多的有機質(zhì),且具有易腐化變質(zhì)的特征,比較符合好氧堆肥工藝的物料要求.藍俞靜等[53]采用好氧堆肥法處理廚余垃圾,得到了滿足NY 525-2011標準[54]的有機肥料.周瑩等[55]利用廚余垃圾堆肥產(chǎn)物與無機肥共同制得復混肥,該復混肥不僅利于小白菜生長,還有利于土壤環(huán)境的改善.許文江等[56]采用二步堆肥法對廚余垃圾的快速堆肥及施肥降污技術(shù)進行了研究,得到的有機肥可促進絲瓜增產(chǎn),并且可降低農(nóng)田中的N、P淋失.

好氧堆肥過程是否成功,主要取決于堆肥物料的組成和堆肥條件參數(shù).廚余垃圾堆肥過程中采用合適的曝氣量、含水率、物料粒度、孔隙率、pH值或與其他有機廢物進行共堆肥,都有利于好氧堆肥的進行.鄒德勛等[57]將菌糠和廚余垃圾進行聯(lián)合好氧堆肥,結(jié)果表明菌糠可促進廚余垃圾的好氧堆肥,可降低混合堆料產(chǎn)生的臭氣量,并得到發(fā)芽指數(shù)為55.6%的一次堆肥產(chǎn)品.好氧堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量受原料成分的影響較大,廚余垃圾中的油脂會在堆肥表面形成一層隔絕氧氣的油膜,不利于好氧堆肥過程;廚余垃圾中鹽分含量較高,長期使用高鹽廚余垃圾堆肥產(chǎn)生的肥料會導致土地的鹽堿化[58].Li等[59]分析了廚余垃圾中高糖、高鹽、高油脂和高纖維組分與好氧發(fā)酵效率之間的關(guān)系,研究表明不同成分的廚余垃圾的理化性質(zhì)和水解酶活性存在顯著差異,高油和高鹽組分不利于廚余垃圾的好氧堆肥過程,堆肥之前應(yīng)對廚余垃圾進行脫油和脫鹽預(yù)處理.Gao等[60]采用激發(fā)-發(fā)射矩陣光譜和傅里葉變換紅外光譜分析手段研究了畜禽糞便和秸稈廢物堆肥原料的腐殖酸形成機理,結(jié)果表明秸稈廢物腐殖化產(chǎn)物的芳構(gòu)化速率明顯高于牲畜糞便腐殖化產(chǎn)物,這可能與堆肥原料成分不同有關(guān).此外,傳統(tǒng)堆肥過程存在的堆肥周期長、占地面積大、氮素損失多、臭氣和滲濾液的二次污染等問題,限制了其工業(yè)應(yīng)用與推廣[58].目前,國內(nèi)外學者已經(jīng)開始關(guān)注廚余垃圾好氧堆肥的提速、提質(zhì)和源頭減量研究.Zhou等[61]采用小型家庭快速堆肥機對廚余垃圾進行4d好氧發(fā)酵后,得到了發(fā)芽指數(shù)為89.7%、pH值為5.57、電導率為1984μS/cm的腐熟堆產(chǎn)品.王新杰等[62]采用超高溫好氧發(fā)酵技術(shù)處理餐廚垃圾,堆體內(nèi)90℃以上的溫度持續(xù)21d,具有良好的殺菌效果.Xin等[63]采用具有智能溫度、氣體流量控制系統(tǒng)的新型生物干化腐熟反應(yīng)器來處理廚余垃圾,在通風頻率為開10min/關(guān)20min、翻轉(zhuǎn)頻率為3次/d、智能加熱的條件下,15d就可獲得發(fā)芽指數(shù)為94.28%的腐熟產(chǎn)物.未來,廚余垃圾好氧堆肥應(yīng)加強機械式堆肥、覆蓋膜式堆肥和腐殖質(zhì)產(chǎn)品應(yīng)用的研究.

1.6.2 蚯蚓堆肥 蚯蚓堆肥是蚯蚓吞食廚余垃圾與土壤的混合有機物,在蚯蚓砂囊研磨和體內(nèi)消化酶的共同作用下,混合物被分解成小分子物質(zhì),完成降解的過程.蚯蚓可吸收這些營養(yǎng)物質(zhì)用于自身的生長,實現(xiàn)廚余垃圾向蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化,完成了廚余垃圾的資源化過程.蚯蚓堆肥法可以避免臭氣的產(chǎn)生,蚯蚓本身富含蛋白質(zhì),可用作加工蛋白質(zhì)飼料和醫(yī)用藥材等.早在1991年,法國Lavoulte市成功投產(chǎn)了世界上第一座城市垃圾蚯蚓處理廠,其處理量可達20～30t/d,處理成本僅為360法郎/t[64].曹瑞琪等[65]評估了蚯蚓堆肥法處理廚余垃圾的肥料化資源化效果,結(jié)果表明采用蚯蚓堆肥產(chǎn)物作為肥料的綠豆長勢最好,證明了蚯蚓對廚余垃圾堆肥產(chǎn)物的肥力提升有較大幫助.武佳韻等[66]研究了廚余垃圾與菌渣混合物的蚯蚓堆肥效果,結(jié)果表明蚓糞肥是一種優(yōu)質(zhì)的有機肥,其肥效高于牛糞組.由于廚余垃圾含有不利于蚯蚓的存活與生長的油脂和鹽分,蚯蚓在廚余垃圾處理過程中的處理能力容易退化,蚯蚓種類也不夠豐富,因此蚯蚓堆肥法具有一定的局限性.未來,需要加強對蚯蚓品種和適應(yīng)性條件的研究.

1.7 轉(zhuǎn)化能源

1.7.1 甲烷 廚余垃圾可以通過厭氧消化獲得清潔能源甲烷.有機物厭氧消化過程如圖1所示,廚余垃圾在厭氧菌的作用下經(jīng)過“水解-酸化-產(chǎn)乙酸-產(chǎn)甲烷”4個發(fā)酵階段[67].有機質(zhì)先水解氨基酸、長鏈脂肪酸等小分子化合物,再進入酸化階段產(chǎn)生丙酸、丁酸等多種有機酸,有機酸再轉(zhuǎn)化為乙酸和氫氣,最終乙酸和氫氣在產(chǎn)甲烷階段轉(zhuǎn)化為甲烷,完成廚余垃圾的資源化過程.Kastner等[68]采用厭氧消化法處理食品工業(yè)的有機廢棄物,得到了甲烷含量約為60%的沼氣,且沼氣產(chǎn)率高達670L/kg VS(攪拌式反應(yīng)器)和550L/kg VS(流化床反應(yīng)器).厭氧消化的產(chǎn)氣量與發(fā)酵條件、底物性質(zhì)和工藝流程密切相關(guān),采取共消化和預(yù)處理技術(shù)可提高甲烷產(chǎn)量.羅娟等[69]研究了甘蔗葉對廚余垃圾厭氧消化的影響,結(jié)果表明甘蔗葉可以提高廚余垃圾的甲烷產(chǎn)量.郝鑫等[70]研究了秸稈、污泥與廚余垃圾共消化的協(xié)同效果,結(jié)果表明“餐廚+污泥+秸稈”3種物料共消化的產(chǎn)氣量為373mL/g VS,3種底物共消化的產(chǎn)氣量明顯高于兩種底物.劉研萍等[71]發(fā)現(xiàn)高溫水解預(yù)處理可以促進廚余垃圾的水解,提高厭氧體系中的VFAs和SCOD含量,進而提高了甲烷產(chǎn)率.

廚余垃圾厭氧消化過程清潔且污染小,實現(xiàn)廚余垃圾減量化和無害化的同時,還獲得清潔能源和沼渣肥料,符合綠色可持續(xù)發(fā)展理念.目前,我國已建成較多大型廚余垃圾厭氧消化處理廠.2020年6月,全球最大的城市有機垃圾綜合處理項目——廣州東部固體資源再生中心生物質(zhì)綜合處理廠建成投產(chǎn),該項目采用“預(yù)處理+共消化+綜合利用”的厭氧工藝,總處理能力為2040t/d(餐飲垃圾400t/d+廚余垃圾600t/d+動物固廢40t/d+糞污1000t/d),最終可獲得電能1億度/a、生物柴油10萬t/a、有機肥料14.6萬t/a,實現(xiàn)了廚余垃圾的高效資源化[5].因此,厭氧消化是廚余垃圾較合適的資源化處理技術(shù).

1.7.2 氫氣 氫氣通常采用能耗較高的電解法或以煤、石油及天然氣等礦物燃料為原料制取,而以廚余垃圾為原料生產(chǎn)氫氣過程的能耗較低,是傳統(tǒng)制氫工藝的替代方案之一.廚余垃圾生產(chǎn)氫氣的主要工藝有厭氧消化產(chǎn)氫氣和光合細菌產(chǎn)氫氣,產(chǎn)氫效果主要與產(chǎn)氫菌、發(fā)酵工藝條件和產(chǎn)氫抑制因子有關(guān)[72].袁雨珍等[73]研究了pH值對廚余垃圾厭氧消化產(chǎn)氫的影響,結(jié)果表明廚余垃圾厭氧產(chǎn)氫的合適pH值為9,此時氫氣產(chǎn)量為72.9mL/g.目前廚余垃圾生產(chǎn)氫氣技術(shù)尚不成熟,難以連續(xù)、高效、穩(wěn)定地運行,其研究大部分處于實驗室階段,部分達到中試試驗水平.未來的研究應(yīng)該集中在工藝優(yōu)化、產(chǎn)氫菌株豐度的維持和高效厭氧反應(yīng)器的開發(fā),實現(xiàn)其連續(xù)、高效和穩(wěn)定地運行.總之,廚余垃圾產(chǎn)氫氣有較好的應(yīng)用前景.

圖1 有機物厭氧消化過程

1.7.3 乙醇 乙醇作為優(yōu)質(zhì)的清潔燃料,通常由玉米、木薯等糧食作物發(fā)酵獲得.目前,乙醇汽油已經(jīng)開始普及推廣.隨著世界糧食危機問題的出現(xiàn),采用糧食作物生產(chǎn)乙醇的合理性存在較大爭議.廚余垃圾中含有大量的淀粉、纖維素等生產(chǎn)乙醇所需的有機物,采用廚余垃圾產(chǎn)乙醇豐富了乙醇生產(chǎn)的原料來源.廚余垃圾生產(chǎn)乙醇一般經(jīng)過“預(yù)處理-水解-發(fā)酵-蒸餾-脫水”等工序[11],預(yù)處理過程破壞淀粉、纖維素等多糖的結(jié)構(gòu),水解處理則將大分子多糖轉(zhuǎn)化為較小的還原糖類,還原糖經(jīng)過微生物發(fā)酵轉(zhuǎn)化為粗品乙醇,最后再經(jīng)過蒸餾、脫水處理就可獲得高純度乙醇產(chǎn)品.劉愛民等[74]以校園廚余垃圾為原料進行了混合菌發(fā)酵制備乙醇燃料的研究,結(jié)果表明廚余垃圾在含量15%的啤酒酵母作用下持續(xù)發(fā)酵5d,可得到含量為6.67%的乙醇產(chǎn)品.日本研發(fā)了以廚余垃圾和廢紙為原料的生物乙醇發(fā)生裝置,發(fā)酵底物在酵母和酶的作用下,僅需3～4d就可以將1t垃圾轉(zhuǎn)化為60L乙醇燃料,發(fā)酵殘渣還可繼續(xù)產(chǎn)甲烷,具有較好的推廣前景[75].

1.7.4 生物柴油 生物柴油是動物油脂與醇類發(fā)生酯交換反應(yīng)所制得的脂肪酸單烷基酯.1981年,生物柴油的概念被南非科學家率先提出[11],與傳統(tǒng)的石化柴油相比,生物柴油具有較好的燃燒性能、較低的揮發(fā)性、較高的安全系數(shù)、較好的低溫啟動性和環(huán)境友好等優(yōu)點.生物柴油的生產(chǎn)工藝可以分為酸堿催化法、超臨界法和生物酶法,其中酸堿催化法較為成熟,其余兩種方法還停留在實驗室階段.目前,制備生物柴油的原料主要采用高成本的食用油脂,若利用餐廚廢棄油脂為原料制備生物柴油,可降低生物柴油的生產(chǎn)成本.此外,有研究表明廚余垃圾可直接轉(zhuǎn)化為生物柴油,如鐘昌東等[76]以廚余垃圾為原料,在微波的輔助下可獲得質(zhì)量分數(shù)為97.03%的脂肪酸甲酯產(chǎn)品,其中酯交換反應(yīng)轉(zhuǎn)化率為65.11%.目前,新型酯交換反應(yīng)器技術(shù)、催化加氫技術(shù)和催化裂解技術(shù)等制備生物柴油的新技術(shù)得到了較好發(fā)展,但這些技術(shù)還處于起步階段.未來,餐廚廢棄油脂制備生物柴油具有廣闊的應(yīng)用前景.

1.8 高值化利用

廚余垃圾可通過水熱液化技術(shù)或發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)乳酸和還原性糖,通過水熱碳化技術(shù)生產(chǎn)功能炭材料.三種高附加值產(chǎn)品均可用作化工原料,實現(xiàn)廚余垃圾的高值化利用.

1.8.1 乳酸 乳酸又叫2-羥基丙酸,其合成的聚乳酸主要用來生產(chǎn)新型生物可降解塑料,該塑料在環(huán)保、醫(yī)藥等領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用價值.廚余垃圾可通過發(fā)酵技術(shù)轉(zhuǎn)化為乳酸,進而合成聚乳酸.姜華等[77]采用開放式乳酸發(fā)酵技術(shù)處理食物垃圾,可得到36.29g/L的乳酸.此外,廚余垃圾還可采用水熱液化處理生產(chǎn)乳酸,同時會伴生乙酸.有研究表明,水熱液化技術(shù)有機酸的產(chǎn)率較低,且生成的乳酸有向乙酸轉(zhuǎn)化的趨勢.Goto等[78]采用兔糧作為城市有機固廢的模型物質(zhì),通過水熱液化技術(shù)可從兔糧中得到產(chǎn)率為3.2%的乳酸和2.6%的乙酸.目前,廚余垃圾產(chǎn)乳酸的研究集中在工藝開發(fā)和菌株培養(yǎng)上,技術(shù)尚不完善,后續(xù)可多加強菌株篩選改造和高效產(chǎn)乳酸反應(yīng)器等方面的研究.廚余垃圾轉(zhuǎn)化乳酸,既可實現(xiàn)廚余垃圾的資源化利用,制得的乳酸還可生產(chǎn)可降塑料,有利于解決白色污染問題.所以,廚余垃圾產(chǎn)乳酸也具有良好的應(yīng)用前景.

1.8.2 還原性糖 廚余垃圾中淀粉和纖維素的水解產(chǎn)物葡萄糖是乙醇等物質(zhì)的前驅(qū)體[79],具有較高的工業(yè)利用價值.目前,廚余垃圾可通過水熱法、酶促法和酸解法來生產(chǎn)還原性糖.Nagamori等[80]采用水熱法處理淀粉產(chǎn)葡萄糖,淀粉在473K的溫度下反應(yīng)30min,可獲得產(chǎn)率為630g/kg炭基的葡萄糖.陳夢等[81]研究表明廚余垃圾在220U/g糖化酶、55.8℃、起始pH值為5.24的反應(yīng)條件下,得到了68.02g/L的還原性糖.Vavouraki等[82]研究了酸解法對廚余垃圾水解產(chǎn)糖的促進作用,表明采用1.12%的鹽酸對廚余垃圾預(yù)處理94min,可將可溶性糖的產(chǎn)率提高至548mg eq.Glu/g.此外,在超臨界條件下,廚余垃圾中的纖維素可水解為葡萄糖、果糖等還原性糖[83].目前廚余垃圾生產(chǎn)還原性糖工藝的產(chǎn)糖量低、發(fā)展不成熟,后續(xù)可以加強產(chǎn)糖過程中不同組分的影響、選擇性促進和有害組分去除的研究,糖類的后續(xù)分離提純研究也至關(guān)重要.

1.8.3 炭材料 生物炭是生物質(zhì)在高溫缺氧環(huán)境下緩慢分解得到的一種富含碳元素的碳基材料[84],其表面含有大量的活性氧官能團,可對其改性為新型功能材料.廚余垃圾可通過水熱碳化和熱解技術(shù)生產(chǎn)炭材料,所得生物炭材料可用于水質(zhì)凈化、吸附污染物、負載藥物、催化劑和改良土壤等用途[85].廚余垃圾生產(chǎn)炭材料可視為二氧化碳的封存過程,可減少21%的碳排放[86].張新旺等[87]采用高溫熱解方法和共沉淀法處理廚余垃圾,獲得了對水中亞甲基藍具有較好吸附效果的磁性生物質(zhì)炭材料.金桃等[88]以水熱碳化方法處理廚余垃圾,得到了熱值及灰分均達到一級精煤標準的生物煤.吳倩芳等[89]以廚余垃圾作為原料,采用水熱碳化方法制得了鐵/炭納米復合材料.雖然廚余垃圾水熱法制備生物炭的轉(zhuǎn)化效果較好,但是水熱法存在反應(yīng)復雜、副產(chǎn)物較多和反應(yīng)精準控制不足等缺點,且得到的生物炭為導電性較差的非晶態(tài)碳材料,限制了炭材料產(chǎn)品的應(yīng)用范圍.未來可加強熱解制生物炭的工藝優(yōu)化和生物炭產(chǎn)品的性能改進,擴大生物炭材料的應(yīng)用領(lǐng)域.

2 廚余垃圾資源化方案選擇

根據(jù)《中國統(tǒng)計年鑒》顯示,2019年我國城市生活垃圾填埋和焚燒處理占比分別為45.59%和50.47%[6].但兩種方法都存在環(huán)境污染、資源回收效率低等眾多問題.因此,越來越多的國家不鼓勵采用堆肥和焚燒來處理廚余垃圾,而資源化逐漸成為廚余垃圾最受歡迎的處理方式.目前,廚余垃圾資源化處理的主流技術(shù)為厭氧消化、好氧堆肥和飼料法,而其他如昆蟲飼養(yǎng)和高值化利用等資源化技術(shù),都因技術(shù)不成熟、成本較高和缺乏大規(guī)模、穩(wěn)定的工業(yè)應(yīng)用能力而無法得到廣泛推廣和應(yīng)用[90].目前,中國廚余垃圾資源化技術(shù)占比為厭氧消化(74.3%)、好氧堆肥(13.5%)和飼料(12.2%)[5].中國“十三五”全國城鎮(zhèn)生活垃圾無害化處理設(shè)施建設(shè)規(guī)劃中規(guī)定,鼓勵使用廚余垃圾生產(chǎn)油脂、沼氣、有機肥、土壤改良劑和飼料添加劑等產(chǎn)品,可按照當?shù)貜N余垃圾的生產(chǎn)規(guī)模和性質(zhì)來選擇成熟可靠的肥料化、飼料化(飼料添加劑)和能源化等處理工藝[90].中國“十四五”城鎮(zhèn)生活垃圾分類和處理設(shè)施發(fā)展規(guī)劃中規(guī)定,中國將繼續(xù)完善垃圾分類體系,并計劃到2025年底實現(xiàn)全國城市生活垃圾60%左右的資源化率.因此,未來中國將面臨廚余垃圾資源化方式的選擇問題.為了明確厭氧消化、好氧堆肥和飼料法的研究趨勢,本文采用文獻計量學研究趨勢分析方法,分析了Web of Science數(shù)據(jù)庫中2006～2020年中國廚余垃圾三大資源化處理的發(fā)文研究趨勢.由圖2可知,近15a來我國對廚余垃圾三大資源化處理技術(shù)的研究均呈上升趨勢,厭氧消化的研究占比和增速位居第一位,其次為好氧堆肥,而飼料法增長緩慢且占比較少.鑒于動物飼料的同源污染問題,目前飼料法還存在較多未知風險而不能大規(guī)模推廣應(yīng)用[91],但中國應(yīng)持續(xù)關(guān)注廚余垃圾飼料法的生物轉(zhuǎn)化和應(yīng)用風險評估研究,不斷完善廚余垃圾飼料法的相關(guān)法律法規(guī)和標準許可,未來飼料化應(yīng)是中國廚余垃圾資源化處理中值得提倡的技術(shù)之一.因此,目前中國在廚余垃圾資源化處理工業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)選擇應(yīng)多關(guān)注厭氧消化和好氧堆肥技術(shù).

圖2 基于Web of Science搜索結(jié)果中帶有關(guān)鍵詞的出版物數(shù)量

目前,中國最適合大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的資源化處理技術(shù)為厭氧消化和好氧堆肥[92-93].通過表2顯示的厭氧消化和好氧堆肥處理方案對比可知,厭氧消化和好氧堆肥均有良好的資源化屬性,并且在技術(shù)、經(jīng)濟上可互相補充.與厭氧消化相比,好氧堆肥更關(guān)注于縮短堆肥周期、提高產(chǎn)品腐質(zhì)化程度、減少臭氣和溫室氣體排放方面,其適合中小規(guī)模廚余垃圾的源頭減量和分散式處理[94].以往,中國對廚余垃圾堆肥生產(chǎn)的有機肥缺乏相應(yīng)國家標準,缺乏銷售和使用堆肥產(chǎn)物的有效市場,而2021年5月中華人民共和國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部頒布的有機肥料行業(yè)標準(NY/T 525-2021)將廚余垃圾和沼渣/液納入生產(chǎn)商品有機肥的評估類原料,這將極大推動了廚余垃圾好氧堆肥市場的發(fā)展[5].與好氧堆肥相比,厭氧消化具有低碳排放、二次污染少、運行成本低、溫室氣體排放低和全球變暖潛能值低等優(yōu)點,其適用于廚余垃圾的集中式、大規(guī)模處理[90].近年來,較多研究采用生命周期評價方法來研究廚余垃圾不同處理方式的影響,以期選擇更經(jīng)濟、環(huán)境影響小和高效的資源化處理方式.在環(huán)境保護和資源回收方面,厭氧消化和好氧堆肥優(yōu)于垃圾填埋、焚燒和氣化[95-96];與好氧堆肥相比,厭氧消化具有較低的溫室氣體排放量、較小的環(huán)境影響和較高的經(jīng)濟效益[97-98];而好氧堆肥因其工藝簡單、周期相對較短和投資成本低等優(yōu)點,成為廚余垃圾分散式、源頭減量等特定場景下合適的資源化處理技術(shù).因此,大型城市廚余垃圾的集中處理適合采用厭氧消化方案;而機關(guān)單位、社區(qū)、菜市場等小型場所和偏遠地區(qū)適合采用快速好氧堆肥機進行源頭減量;農(nóng)村地區(qū)適合采用低成本的覆蓋膜式靜態(tài)好氧堆肥.

表2 廚余垃圾厭氧消化與好氧堆肥處理方案對比[92]

圖3 廚余垃圾資源化組合工藝

綜合考慮經(jīng)濟、環(huán)境效益,圖3所示的廢棄油脂煉制生物柴油+厭氧消化產(chǎn)甲烷+沼渣好氧堆肥可能是中國廚余垃圾合適的資源化工藝.針對廚余垃圾厭氧消化過程存在的低C/N、營養(yǎng)元素不均衡、消化周期長、易酸化和氨氮累積等問題,該組合工藝的厭氧消化階段可采取預(yù)處理(機械研磨、超聲、微波、熱處理、凍融、高級氧化、酸處理、堿處理、微氧處理和酶處理等)、共消化(園林垃圾、污泥、畜禽糞便和農(nóng)業(yè)廢棄物等)、添加劑(生物炭、納米材料、礦物材料、營養(yǎng)元素和生物填料等)和兩相厭氧消化等手段[5,67,90,92],來提高廚余垃圾的可生化性和厭氧消化效率.針對廚余垃圾沼渣好氧堆肥過程存在的高含水率、低C/N、堆肥周期長和臭氣等問題,該組合工藝的好氧堆肥階段可采取添加膨松劑(木屑、秸稈和稻殼等)、共堆肥(園林垃圾、污泥、畜禽糞便和農(nóng)業(yè)廢棄物等)、添加劑(微生物菌劑、生物炭、沸石和可形成鳥糞石的鎂鹽、磷酸鹽等)、機械堆肥和覆蓋膜式堆肥等手段[58,63,94],來強化廚余垃圾厭氧沼渣的好氧堆肥過程.未來,在廚余垃圾資源化回收方案的選擇上,應(yīng)繼續(xù)引入生命周期評價方法來評估廚余垃圾資源化回收方案的合理性,進而選擇經(jīng)濟和環(huán)境效益雙高的資源化解決方案.

3 結(jié)論

3.1 我國廚余垃圾產(chǎn)量大,處理不當會對環(huán)境造成嚴重影響.通過對8種廚余垃圾處理方式的回顧分析,得出廚余垃圾的資源化處理(飼料、昆蟲養(yǎng)殖、堆肥、轉(zhuǎn)化能源和高值化利用)是未來的發(fā)展趨勢,其中飼料化應(yīng)是未來廚余垃圾資源化處理中值得提倡的技術(shù)之一.

3.2 厭氧消化和好氧堆肥作為工業(yè)應(yīng)用最廣的資源化技術(shù),分別適用于集中大規(guī)模處理和分散式、中小規(guī)模、源頭減量處理的應(yīng)用場景,其中厭氧消化技術(shù)具有較好的經(jīng)濟環(huán)境效益.

3.3 廢棄油脂煉制生物柴油+厭氧消化產(chǎn)甲烷+沼渣好氧堆肥的組合工藝可能是目前中國廚余垃圾合適的資源化處理工藝.

3.4 未來,應(yīng)引入生命周期評價方法來評估廚余垃圾資源化回收方案的合理性,指導選擇經(jīng)濟、環(huán)境效益較好的資源化解決方案.

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Food waste treatment technology and resource solution options in China.

JIN Chen-xi1, SUN Shi-qiang1, SHENG Wei-jie1, YANG Dian-hai1, MA Ya-dong2, HE Wen-zhi1, LI Guang-ming1*

(1.College of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China；2.Shanghai Ecoacell Environment Technology Co., Ltd., Shanghai 200062, China)., 2022,42(3)：1240～1251

This paper introduced the production and characteristics of food waste in China, and the current status, advantages and disadvantages of food waste treatment technologies including crushing and direct discharge, landfill, incineration, feed, insect farming, composting, energy conversion and high value utilization were analyzed. It was shown that the resource treatment of food waste was the future development trend, among which the feed method should be one of the resource treatment technologies to be promoted in the future. Besides, the characteristics of the two mainstream resource recovery modes, anaerobic digestion and composting, were compared. Anaerobic digestion and composting were suitable for centralised large scale treatment and decentralised, small to medium scale, source reduction treatment scenarios respectively. Finally, a combined technology solution of biodiesel from waste oil + methane production from anaerobic digestion + composting of digestate was proposed, which was suitable for the recycling of food waste in China, and provided some reference for the efficient resource treatment of food waste.

food waste；waste treatment；resource utilization；anaerobic digestion；composting

X705

A

1000-6923(2022)03-1240-12

靳晨曦(1992-),男,山東菏澤人,同濟大學博士研究生,主要從事固體廢棄物處理與資源化研究.發(fā)表論文6篇.

2021-08-09

國家重點研發(fā)計劃資助項目(2019YFC1906000)

*責任作者, 教授, ligm@#edu.cn