餐廚垃圾資源化利用技術(shù)探析

蘇東民，李 晉，陳 彬

(1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450052;2.河南工業(yè)大學(xué)，河南 鄭州 450001)

0 前言

餐廚垃圾是指飯店、賓館、企事業(yè)單位食堂、家庭等在加工、消費食物過程中形成的殘羹剩飯、過期食品、下腳料、廢料等廢棄物［1］。隨著我國城市化進程的加快和人口集中化程度的提高，城市生活垃圾產(chǎn)生量持續(xù)增加，其中餐廚垃圾是最主要的一種，約占城市生活垃圾的50%以上［2］。目前，餐廚垃圾造成的污染也已經(jīng)成為城市環(huán)境污染的主要問題［3］，嚴重威脅人們的正常生活和身體健康。如餐廚垃圾在儲存、轉(zhuǎn)運過程中由于腐爛變質(zhì)而散發(fā)出難聞的異味，對環(huán)境造成污染;腐敗變質(zhì)的泔水含有多種毒素，不但會污染各種飼料，若流入底下管網(wǎng)將污染地下水;泔水裸露存放孳生的大量蚊蠅、鼠蟲也不可避免地成為傳播疾病的媒介。

但是，由于餐廚垃圾具有水分、有機物、油脂及鹽分含量高，易腐爛、營養(yǎng)元素豐富等特點，且隨著人們生活水平的提高，餐廚垃圾中有機營養(yǎng)成分含量呈遞增趨勢，這類垃圾也具有很高的開發(fā)利用價值。

目前，餐廚垃圾的處理問題已經(jīng)引起全世界各國政府的高度重視和人們的廣泛關(guān)注。在國外，發(fā)達國家對餐廚垃圾的管理與處理處置技術(shù)已相對成熟，而國內(nèi)對于餐廚垃圾資源化處理尚處在起步階段。本文通過介紹餐廚垃圾的特點，分析國內(nèi)外常用的餐廚垃圾處理技術(shù)，以期通過對比為餐廚垃圾資源化處理提供技術(shù)參考。

1 餐廚垃圾的基本特點

1.1 理化特性

餐廚垃圾的主要來源是餐飲行業(yè)、企事業(yè)單位的食堂及家庭［4］，其理化特點是高水分、高鹽分和高有機質(zhì)含量。易龍生［5］等分析了某大學(xué)食堂餐廚垃圾的理化性質(zhì)，結(jié)果表明:餐廚垃圾的主要成分為米飯、蔬菜、肉類和骨頭，含量最高的米飯大約為38.3%～55.4%(濕基)，蔬菜和肉類成分的含量會隨著季節(jié)而變化，夏秋季節(jié)蔬菜含量較冬春季節(jié)略高，而肉類含量較低，這可能與人們的飲食習(xí)慣有關(guān)。潘愛麗等［6］的研究表明:吉林大學(xué)餐廳的餐廚垃圾主要營養(yǎng)成分為水分、蛋白質(zhì)、脂肪、糖類和鹽分，其中水分含量最高，其次為蛋白質(zhì)。

另外，餐廚垃圾的組成成分具有明顯的時空差異性。如李榮平等［7］測定了北京化工大學(xué)餐廳早、中、晚餐的餐廚垃圾的特征，總體來說此餐廚垃圾富含碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪。同時研究發(fā)現(xiàn):三餐所產(chǎn)生餐廚垃圾的理化特性存在明顯差異，早餐餐廚垃圾中揮發(fā)性固體含量(VS)與總固體物含量TS比值和脂肪含量明顯低于其它兩餐，而Na+、Ca2+的濃度均高于中、晚餐，因此午餐和晚餐餐廚垃圾具有更好的厭氧消化效果。

1.2 危害性

餐廚垃圾由于其高水分、高鹽分和高有機質(zhì)含量等特點，細菌、酵母菌等活菌含量非常高，極易變質(zhì)、腐爛、發(fā)酸發(fā)臭，滋生蚊蠅、鼠、蟑螂等害蟲［8］，進而產(chǎn)生惡臭氣味及大量毒素，不但嚴重干擾人們正常的生活，還會污染水體和大氣，危害人體健康。目前，餐廚垃圾尚未進入規(guī)范的處理渠道，運輸車輛多為三輪貨運摩托，易發(fā)生外濺和傾灑，嚴重影響市容市貌。

由于餐廚垃圾回收體制不完善、成本較高、工藝復(fù)雜，長期以來，我國的餐廚垃圾都是以飼養(yǎng)牲畜為主，部分被不法商販用于提煉潲水油［5］。由于餐廚垃圾含有多種細菌和病原菌，由此派生的“潲水油”極易產(chǎn)生致癌物質(zhì)——黃曲霉素，對人體健康造成嚴重危害［9］;而餐廚垃圾直接作為動物飼料存在很大食物鏈風(fēng)險，日本、韓國及歐盟等國已通過立法嚴禁使用動物源性蛋白飼料喂養(yǎng)同種動物［10］，我國農(nóng)業(yè)部出臺的《動物源性飼料產(chǎn)品安全衛(wèi)生管理辦法》也明文禁止使用動物源性飼料飼喂反芻動物。

1.3 資源性

與其他垃圾相比，餐廚垃圾具有高水分、高鹽分、高油脂和高有機質(zhì)含量等特點，營養(yǎng)元素豐富，具有很大的回收利用價值。餐廚垃圾經(jīng)過科學(xué)處理之后可用作有機肥料、動物飼料和生物能源等，由于我國餐廚垃圾產(chǎn)生量處于逐年增多的趨勢，因此科學(xué)合理地利用餐廚垃圾，將變廢為寶產(chǎn)生一批可觀的資源。研究表明，餐廚垃圾經(jīng)厭氧發(fā)酵過程產(chǎn)沼氣率大于435mL/g［11-13］，即在合適的厭氧發(fā)酵條件下，1 噸餐廚垃圾(濕基)可產(chǎn)生87m3沼氣，而1m3沼氣完全燃燒后能產(chǎn)生相當于0.7kg 無煙煤或0.7kg 汽油或0.8kg 煤油完全燃燒所產(chǎn)生的熱量［14］。

2 國內(nèi)外餐廚垃圾排放及處理狀況

2.1 國外現(xiàn)狀

據(jù)統(tǒng)計，美國在2010 年餐廚垃圾的排放量達到了0.34 億t［15］，餐廚垃圾已經(jīng)成為美國城市垃圾中僅次于紙張的第二大垃圾。目前美國應(yīng)用最廣泛的餐廚垃圾處理方式為填埋法［16］，而在填埋前餐廚垃圾通常需要進行前處理。不同的單位餐廚垃圾前處理的方式也有所不同，例如，美國90%以上家庭使用家庭食物垃圾處理機來進行前處理;餐廚垃圾產(chǎn)生量較大的單位設(shè)置垃圾粉碎機和油脂分離裝置，分離后的碎料排入下水道，油脂則送入相關(guān)加工廠(如制皂廠)加以利用;餐廚垃圾產(chǎn)生量較小的單位，則將其混入有機垃圾中進行處理。目前，美國各個州結(jié)合當?shù)氐木唧w情況，針對餐廚垃圾的處理出臺了不同的政策，厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣、好氧堆肥、蚯蚓堆肥等技術(shù)都有應(yīng)用［15］。

在日本，每年的餐廚垃圾排放量約為2 000 萬t，其主要來源是家庭，其次為飲食業(yè)和餐廚加工業(yè)。由于近年日本生物飼料化技術(shù)和生物氣發(fā)電技術(shù)的迅猛發(fā)展，日本的餐廚垃圾處理技術(shù)也呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的趨勢，許多著名的電器公司對此進行潛心研究并且取得了一定的成績。例如，日本精工公司于2000 年5 月成功地開發(fā)出使用磁控管處理食物垃圾的裝置［17］，這種裝置采用微波處理方式殺滅垃圾中細菌的同時將水分蒸干。

近年來韓國餐廚垃圾占城市垃圾的比例在30%左右［2］。韓國以往處理餐廚垃圾均采用填埋法，但是由此引發(fā)的滲濾液和氣味等問題使得這種方式不再可行。從2005 年起，韓國全國的填埋場不再接受餐廚垃圾;另外，由于韓國人喜食泡菜和醬等高鹽分的食物導(dǎo)致其餐廚垃圾中鹽分很高，不適宜進行堆肥處理;目前韓國餐廚垃圾的處理方式主要是厭氧發(fā)酵和生物反應(yīng)器好氧處理［18］。

2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

跟其他國家相比，目前我國的餐廚垃圾排放量較高，可達每年9 000 萬t 以上。有報道指出［15］，我國餐廚垃圾在城市生活垃圾中比重較高，例如上海，餐廚垃圾在城市生活垃圾中比重高達59%;廣州和深圳略低，占57%。由此可見，餐廚垃圾已成為我國垃圾的主要來源之一，并且隨著餐飲零售業(yè)的快速發(fā)展，餐廚垃圾產(chǎn)生量也將如滾雪球般越滾越大［19-20］。

鑒于以上情況，近年來國內(nèi)一些大中型城市開始注重餐廚垃圾的收集和處理，并紛紛探索餐廚垃圾的資源化利用模式。例如北京、上海、蘇州、杭州等地都推出了相應(yīng)的管理辦法，并著手制定相關(guān)的技術(shù)標準。其中大連市制定了《大連市餐廚垃圾管理辦法》并與2014 年3 月1 日開始實施，規(guī)定餐廚垃圾的收集、運輸及處理實行特許經(jīng)營;餐飲企業(yè)應(yīng)將餐廚垃圾獨立存放，且不得交由無特許經(jīng)營權(quán)的企業(yè)和個人處理，特許經(jīng)營企業(yè)將上門收集，不收取任何費用，這些餐廚垃圾將被送到專業(yè)的無害化處理廠處理。

目前，我國的餐廚垃圾的主要處理方式為填埋和飼料化處理。城市近郊的農(nóng)民或者個體販運者通過大的餐飲營業(yè)點回收，然后運至城郊的小型飼養(yǎng)場，用以喂養(yǎng)家畜;普通居民產(chǎn)生的餐廚垃圾大部分都混入生活垃圾，作填埋處置。這兩種方法都會給環(huán)境帶來損害。利用餐廚垃圾來喂養(yǎng)家畜，會把餐廚垃圾中的細菌傳染給家畜，而家畜又會被人放到餐桌上食用，處于食物鏈頂端的人就會被傳染患病。不分類收集的餐廚垃圾直接填埋，由于其有機成分高，對填埋場的沖擊負荷很大，會污染地下和地表水體，形成病菌滋生地。

3 餐廚垃圾資源化利用技術(shù)的比較與分析

3.1 粉碎直排

粉碎直排屬于物理破碎法，是將餐廚垃圾在廚房中直接粉碎處理，然后排入市政下水管網(wǎng)的方法。此法是歐美等國家處理少量分散餐廚垃圾的主要方法，具有操作簡便、經(jīng)濟性強、儀器設(shè)備占地少等眾多優(yōu)點;但是粉碎直排法有可能造成下水管道堵塞、降低城市下水道的排水能力，同時容易產(chǎn)生污水和臭氣，進而滋生病菌和蚊蠅，導(dǎo)致疾病傳播。餐廚垃圾的高油脂含量等特性也不可避免會產(chǎn)生二次污染，增加城市污水處理廠的負荷［2，9］。

3.2 填埋處理

將餐廚垃圾與普通垃圾一起送入填埋場進行填埋處理是世界上很多國家普遍采用的一種處理方式。由于餐廚垃圾中可降解成分含量高、穩(wěn)定時間短，有利于填埋場地的恢復(fù)，且操作簡單易行，因此此方法的應(yīng)用非常普遍。但是隨著對餐廚垃圾資源性的認識越來越深刻，同時由于餐廚垃圾厭氧分解產(chǎn)生的沼氣和滲濾液會造成二次污染，因此餐廚垃圾的填埋率正呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，如韓國于2005年起規(guī)定所有填埋場將不再接收餐廚垃圾［2，9］。

3.3 焚燒

焚燒一般在特制的焚燒爐中進行，最終產(chǎn)生約5%的殘余物，可使餐廚垃圾的量大大減少，效率較高，產(chǎn)生的熱能可轉(zhuǎn)換成蒸汽或電能，實現(xiàn)能源的回收利用。但是由于餐廚垃圾含水量較高，因此焚燒時需要添加助燃劑，從而加大投資，經(jīng)濟性較差;另外焚燒產(chǎn)生的尾氣若處理不當會造成二次污染，因此餐廚垃圾焚燒工藝要求較為嚴格。

3.4 好氧堆肥

好氧堆肥技術(shù)是在人工控制條件下，利用好氧微生物將有機物固體分解為可溶性有機物質(zhì)的過程，主要是通過微生物的新陳代謝實現(xiàn)整個堆肥過程。近年來發(fā)展起來的蚯蚓堆肥新技術(shù)也是利用好氧堆肥的原理進行的，蚯蚓吞食大量餐廚垃圾后通過各種轉(zhuǎn)化作用最終將其轉(zhuǎn)化為自身或其他生物可以利用的營養(yǎng)物質(zhì)。呂凡等［21］研究發(fā)現(xiàn)采用高溫好氧工藝對餐廚垃圾進行消化時，控制反應(yīng)溫度55～65 度可達到最大減量率，最佳參數(shù)為:pH6.0～6.8，含水量45%～55%，碳氮比為19.1～22.1，工藝最大負荷為0.10kg/kg/d。

好氧堆肥法處理餐廚垃圾的優(yōu)點為操作簡單，運行成本低，堆肥產(chǎn)品中較多的氮可用于農(nóng)業(yè)或動物飼料;缺點是需要將餐廚垃圾進行去除油脂處理，增加成本，同時堆肥過程中易產(chǎn)生惡臭氣味，對周邊環(huán)境造成污染。

3.5 飼料加工

餐廚垃圾作為飼料原料，由于其價格低廉、供應(yīng)量大、營養(yǎng)豐富，因此利潤空間較大，市場競爭力較強，目前餐廚垃圾飼料化的主要方式有:生物處理制飼料和高溫消毒制飼料。餐廚垃圾用作飼料加工的主要問題是安全問題，利用此飼料來喂養(yǎng)家畜，會把餐廚垃圾中的細菌傳染給家畜，而家畜又會被人放到餐桌上食用，處于食物鏈頂端的人就會被傳染患病。因此對飼料的消毒提出了很高的要求，相應(yīng)的設(shè)備和技術(shù)也需做相應(yīng)的調(diào)整，成本必將大大增加。

3.6 厭氧發(fā)酵

厭氧發(fā)酵技術(shù)是指在缺氧條件下，利用厭氧微生物的分解作用將有機物轉(zhuǎn)化為二氧化碳和甲烷，它是一種綠色環(huán)保的技術(shù)，不但可以通過微生物將餐廚垃圾降解，還可以回收餐廚垃圾中的生物質(zhì)能并將其轉(zhuǎn)化為能源氣體——甲烷，整個發(fā)酵過程大致可分為產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷兩個階段。由此產(chǎn)生的沼氣可作燃料、供熱及發(fā)電用，經(jīng)濟利用價值較高。厭氧發(fā)酵的整個工藝過程都在封閉環(huán)境中進行，因此不會對周圍的空氣造成污染;另外，厭氧發(fā)酵之后產(chǎn)生的沼渣經(jīng)過脫水后可以作為有機肥料使用，沼液經(jīng)凈化處理后排放，均不會產(chǎn)生二次污染。

目前的厭氧發(fā)酵技術(shù)主要采用厭氧活性污泥對有機質(zhì)進行高效降解，該技術(shù)易受多種參數(shù)的影響，例如有機質(zhì)的進料負荷、發(fā)酵溫度、C/N 比、氨氮、揮發(fā)性脂肪酸、長鏈脂肪酸、pH、物料粒徑和微量元素等，通過控制這些參數(shù)創(chuàng)造較適宜的厭氧發(fā)酵條件是保證厭氧發(fā)酵高效進行的前提條件。

表1 幾種餐廚垃圾處理方法及應(yīng)用對比

如表1 所示，李澄［22］對餐廚垃圾常用的幾種處理技術(shù)進行了對比，每種方法都有優(yōu)缺點，在實際應(yīng)用的時候應(yīng)根據(jù)現(xiàn)實情況的不同而進行選擇。總體來說，通過比較各工藝的處理效果發(fā)現(xiàn)，厭氧發(fā)酵是目前對環(huán)境產(chǎn)生二次污染較少的技術(shù)，同時該技術(shù)又具有清潔、資源利用高效化等優(yōu)點，因此成為目前餐廚垃圾處理技術(shù)的研究熱點。

4 結(jié)論

隨著我國城市化進程的加快和人口集中化程度的提高，對餐廚垃圾進行處理是必然要求。餐廚垃圾資源化利用有多種技術(shù)選擇，從目前存在的技術(shù)來講，厭氧發(fā)酵技術(shù)通過微生物的降解實現(xiàn)餐廚垃圾減容減量和回收利用，自動化程度高，容易控制惡臭散發(fā)，殘渣可作為肥料，有較高的環(huán)保價值和經(jīng)濟價值。因此，將其作為餐廚垃圾資源化利用方式具有廣闊的應(yīng)用前景，值得深入研究。

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