城市餐廚垃圾處理技術現狀與展望

杜志勇

(北京固廢處理有限公司，北京100125)

0 引言

隨著國家環保要求的不斷提高，餐廚垃圾“三化”處理已經成為城市治理的焦點之一，我國年產餐廚垃圾約9 000萬t[1]。其產生量會隨著人們生活水平的不斷提高而增加，餐廚垃圾具有典型的“四高”特征，由于處理設備相對落后，導致處理效率和處理效果不盡人意[2]。近年來，政府對餐廚垃圾處理技術和設備的不斷重視和大量投入，促使餐廚垃圾處理設備的創新實現一定突破。處理設備亦呈現多元化趨勢，根據地域資源和飲食文化等特征差異，餐廚垃圾處理主要分為焚燒和衛生填埋、飼料化處理、堆肥處理和厭氧消化等，不同技術的處理設備也有所不同，自動化和一體化程度各有差異[3]。本文對國內外餐廚垃圾處理設備研究進展進行綜述，對該類垃圾不同處理設備的參數、特點和存在的問題進行闡述，并進一步提出發展方向，為未來餐廚垃圾處理及設備研發提供理論依據。

1 基本特性

餐廚垃圾一般來自食品加工業和餐飲服務業，該類垃圾除含有部分生活垃圾外，主要含較高的油脂、無機鹽、水分和營養物質，如不及時處理極易腐爛產生臭味，并滋生蚊蠅、細菌傳播疾病。這將對環境保護和健康衛生均造成一定隱患[4]。餐廚垃圾含有豐富的碳水化合物，根據北控集團對部分城市餐廚垃圾的分析，基本物質成分如表1所示[5]。

表1 餐廚垃圾基本成分

注：有機質和平均含固率以干基計；油脂、鹽分以濕基計

餐廚垃圾可作為資源回用，實現有機廢棄物的減量化、資源化和無害化處理，對污染防控和資源再利用具有重要意義。同時，餐廚垃圾的處理要實現產業

化及規模化也離不開相關設備的輔助。

2 處理工藝

餐廚垃圾處理技術根據微生物參與程度大致可分為非生物處理和生物處理，非生物處理主要包括填埋、焚燒、破碎直排和飼料化處理等；生物處理主要包括堆肥處理、厭氧消化等具有微生物生化環節的處理方式。

2.1衛生填埋和焚燒

衛生填埋是將餐廚垃圾與生活垃圾等混合后進行填埋，通過厭氧發酵將餐廚垃圾轉變成甲烷、水和二氧化碳等，該方式可將餐廚垃圾完全處理、處理規模較大且成本較低[6]。但填埋后會產生大量污染性氣體和滲瀝液，處理不當容易造成二次污染，同時會占用大量土地、產生的惡臭氣味難以控制，餐廚垃圾填埋法與現今垃圾資源化、無害化處理理念不符。隨著更加科學有效的處理方式出現，該方法在一些國家和地區已經限制或停止使用，在一定程度上提高了資源利用效率。

焚燒法是將餐廚垃圾進行一定的預處理，經篩選并降低垃圾水分后混合一定燃料進行燃燒或與垃圾焚燒廠協同處置。該方式使餐廚垃圾中的有機可燃成分徹底氧化為灰燼，極大減小垃圾的體積，土地占用量小，實現了垃圾的減量化。但由于餐廚垃圾含水率高，容易造成焚燒不充分、爐內溫度不符合要求而產生一定的污染性氣體，由于餐廚垃圾高含水率、低熱值特性，需要添加一定助燃劑，不符合規模化處理的經濟性要求，因此該方式在國內外利用均不廣泛[7]。

2.2破碎直排法

破碎直排法在國外起步較早且較為成熟，可有效處理較分散的家庭產生的少量餐廚垃圾，該方法直接將餐廚垃圾置于攪拌器或剪切破碎器中破碎，破碎后的物料通過城市污水管網直接排放。但破碎的垃圾進入市政管網容易腐爛變質成為污泥，淤塞管道并有大量臭氣逸散，餐廚垃圾中包含的高油、高鹽成分會對污水處理系統造成較大影響。該方式在日本起步較早，一些破碎設備配置有除臭器，可有效對餐廚垃圾中的多種臭味進行處理[8]。由于我國垃圾處理模式和理念的不同，破碎直排法在我國使用范圍還不廣泛。

2.3飼料化

餐廚垃圾中含有大量的營養物質且容易獲得，因此將餐廚垃圾進一步加工成動物飼料成為資源循環利用的方式之一。餐廚垃圾飼料化一般分為高溫處置法、生物處理法和直接作為動物飼料。

高溫處置法一般是將餐廚垃圾經過高溫、滅菌處理后用作動物飼料配合或代替玉米、豆粕等喂養動物，該方法存在動物源性飼料的同源性污染風險，主要是一些病原菌并不能被高溫殺死。同時，餐廚垃圾中存在的塑料等制品也會被動物食入，導致動物發生病變，人類作為食物鏈頂端，在食用肉食的過程中攝入一定量有害物質，危害人類健康。

生物法主要將餐廚垃圾脫水后，植入一定量假絲酵母、毛霉和米曲霉等益生菌對其進行發酵處理，調制烘干后制成蛋白飼料[9]。由于該方式仍不能從根本上解決同源性污染問題，導致餐廚垃圾飼料化發展狀況不佳。雖然我國法律明確規定，未經高溫殺菌消毒的餐廚垃圾不得作為動物飼料，但我國仍有80%左右的餐廚垃圾未經處理直接飼養牲畜[6]。美國、加拿大、歐盟等國家已明令禁止未經處理的餐廚垃圾直接喂豬，從一定渠道上預防了因餐廚垃圾作為動物飼料引起的人畜交叉感染風險。

2.4堆制有機肥

餐廚垃圾中含有大量可降解有機物，在人為干預的條件下，通過好氧菌等微生物將其降解為腐殖酸等用作植物肥料，一般將餐廚垃圾堆肥分為好氧堆肥和蚯蚓堆肥。

好氧堆肥工藝目前已經較為成熟，自動化和一體化程度較高，在機械控制下可在較短周期內完成有機質的腐熟過程，實現垃圾減量化和資源化。同時，該工藝適用于大、小規模的餐廚垃圾堆肥處理，處理效率高，對空間、氣候條件要求較低。李小健等[10]發現餐廚垃圾經好氧堆肥處理后，減容率可達53%以上，營養成分不低于6%，符合有機肥國家的相關標準。但該方法對餐廚垃圾的預處理要求較高，一般不易達到預期的堆肥效果，需要添加一定量秸稈等進行調節。

蚯蚓堆肥是通過蚯蚓自身的酶系統，將餐廚垃圾中的有機物等轉化為蚯蚓生存所需的營養物質并產生蚯蚓糞便作為肥料。該方法需在一定溫濕度、pH值和通風情況下，為蚯蚓生存提供適宜環境，可有效降低餐廚垃圾中的重金屬污染和碳氮比。曹瑞琪[11]研究表明，蚯蚓糞種植綠豆可明顯改善豆苗的生長，提高作物產量，改善土壤結構。

堆肥化可有效對餐廚垃圾循環利用實現資源化及減量化，增加土壤營養元素的多元化等。但餐廚垃圾堆肥因素不好控制，導致堆肥效果不理想。同時，餐廚垃圾含有一定的重金屬和鹽分，導致土壤存在一定的鹽堿化風險，在堆肥過程中會產生一定的氨氣、硫化氫、甲烷等有害氣體，如控制不當會造成一定的環境污染[12]。

2.5厭氧消化

厭氧消化是在低氧或絕氧條件下，利用餐廚垃圾在在微生物的作用下分解有機物并產生甲烷和二氧化碳的過程[13]。該方法適用于餐廚垃圾水分高、鹽分高和油脂高的特點，通過預處理、酸化、產沼等厭氧階段產生揮發性脂肪酸(VFA)、甲烷和氫氣等資源，實現石油等不可再生資源的減量消耗[14]。厭氧消化一直是餐廚垃圾處理的重點研究方向之一，具有一定的經濟性，但是厭氧發酵過程易酸化，發酵性能不穩定，機理較為復雜，受環境影響較大[15]。

2.6裂解產油

餐廚垃圾含有大量的有機質和油脂，此類物質經過一定條件的催化裂解可轉化為生物柴油[16]。其熱值可以作為礦物柴油的部分替代品，但是餐廚垃圾具有高酸度特性，在一定程度上阻止皂化反應，從而進一步增大催化劑的消耗，造成成本上升，但研究具有經濟性的生物柴油儼然在一定階段仍是研究的熱點。

2.7不同工藝比較

通過對餐廚垃圾不同處理工藝的分析，總結各工藝的優點和缺點，具體如表2所示。

3 處理設備

根據生產生活的處理要求，將餐廚垃圾進一步機械化處理以實現廢棄能源的資源化利用和減量化處理，餐廚垃圾處理設備通常分為小型餐廚垃圾處理設備和大型餐廚垃圾處理設備。

3.1小型處理設備

小型設備一般為處理量較小的機器，結構較為緊湊、處理環節較少，與催化劑進行混合，使餐廚垃圾快速降解。小型設備適用于就地處理新鮮餐廚垃圾，減少運輸時間和距離，具有占地面積小、運行成本低、易于操作和自動化程度較高的優點。小型餐廚垃圾處理設備在歐美等發達國家使用較早，早在1999年，美國Georgia大學進行了利用密封式容器處理餐廚垃圾的研究，主要產物堆肥用于庭院綠化等[17]。日本的餐廚垃圾一般在規定的時間內投入指定的生化處理機中，運用深層液體透析發酵和固體發酵相結合的工藝生產固體活性生物復合劑[18]。松下公司研制的餐廚垃圾處理機，利用熱空氣風干技術壓縮餐廚垃圾體積，從而節省占地，受到廣大民眾的喜愛[19]。

目前我國小型的餐廚垃圾處理設備正處于快速發展階段，使用并不普遍，即使部分單位和家庭已經使用，但其設備存在自動化程度較低的問題，難以處理成分復雜的餐廚垃圾。隨著技術的不斷改進，小型設備的一體化程度正在被重視。張鵬[20]設計的重力分離式餐廚垃圾分選、壓縮一體化設備，不僅可對成分復雜的餐廚垃圾進行分選，還可實現油水分離和壓縮成型，最終加工為生物柴油和動物飼料，實現了餐廚垃圾處理設施的一體化，適用于小規模餐廚垃圾處理。張恩慧等[21]研制的雙相分段式制沼一體化裝置實現了厭氧過程的分層縱向布置，不僅為甲烷的產生提供最佳反應環境，實現不間斷產氣，還有效解決了占地問題，可進一步研究作為規模化生產的參考。王宇軒等[22]研制的餐廚垃圾干發酵滾動式質熱交換反應器，在干式厭氧發酵過程中，可有效解決微生物生長代謝不均勻問題，揮發性脂肪酸未對產氣和pH值造成一定影響，底物揮發性固體去除率高達68.74%，該研究對未來進行干式厭氧發酵具有突破性的指導和借鑒意義。韓濤等[23]研制的餐廚垃圾高效好氧堆肥小試裝置，使用餐廚垃圾與鋸末混合后高溫發酵，最高溫度可達60 ℃以上并保持6 d，所得有機肥料符合相關標準。

小型餐廚垃圾處理設備除具有上述特點外，還存在一定弊端，由于小型設備是對大型設備或系統的簡約版，一般工序不完整，除油工藝和微生物調節往往針對性不強，對后端物料的進一步處理存在制約。

3.2大型處理設備

大型設備多用于區域性餐廚垃圾的處理，更趨向于流水線作業或產業化，具有一定的規模性和處理環節的連貫性，但該類設備能耗較大、建設和運行成本高、污染防控難度較大。國外在20世紀80年代就開始在大中城市建設規模化處理工廠，對餐廚垃圾處理實行規范化、專業化管理。我國大型餐廚垃圾處理設備的發展較晚但速度較快，技術與發達國家相近。大型餐廚垃圾處理設備多用于好氧堆肥、厭氧消化等，工藝段較為全面，能實現餐廚垃圾的油水分離、脫水、篩分及堆肥過程的自動化和連續運行等，還可附帶化學加工行業，資源提取和利用率較高，有利于穩定產出蛋白飼料、有機肥和沼氣等產品。北京嘉博文生物科技有限公司和高安屯餐廚垃圾處理廠共建規模為400 td的BGB微生物資源循環處理站，實現了餐廚垃圾處理的產業化和資源循環利用[24]。北京環衛集團下屬的南宮餐廚垃圾處理廠，實現了規模化餐廚垃圾脫油、固液分離等堆肥原料的預處理，產生的廢水和氣體經浸化處理后可達標排放，成為餐廚垃圾大型處理的典型案例，同時各地方政府結合自身情況發展出了“西寧模式”“寧波模式”等，各類模式均對餐廚垃圾中的資源進行了回收利用[25]。

表2 各處理工藝優點和缺點對比

大型餐廚垃圾處理設備除建設和運行成本高外，需要餐廚垃圾的提供量具有一定的連續性，避免因餐廚垃圾處理量不足造成的停產或間接生產。同時大型設備服務面較廣，運輸成本高，餐廚垃圾在運輸過程中容易腐敗變質滋生病菌、產生廢氣和污水，其后續的處理會增加運營成本。

4 發展趨勢

針對不同餐廚垃圾處理設備的分析，著眼現有處理設備的缺陷和不足，餐廚垃圾處理設備的后續開發也在不斷改進，總體表現有以下3項發展趨勢。

(1)小型餐廚垃圾處理設備的序批式、一體化研發正引起重視。相比于大型處理設備，小型設備工藝簡單，很難滿足餐廚垃圾后續利用的預處理要求，通過在小型設備中添加油水分離、烘干、壓縮成型等結構，實現相應設備的一體化運行，可大幅提高餐廚垃圾的利用率。

(2)設備高度集約化，減少土地占用。針對目前土地資源緊張、設備占地大的矛盾，盡量實現各類型設備的立體化發展，同時改進工藝路線，實現占地面積減小的目的。

(3)實現自動化、智能化操作。隨著自控系統和感應技術的迅猛發展，餐廚垃圾處理設備根據物料條件和環境現狀，實現內部環境的自我調節，從而在節省人工的基礎上，提高處理效能，降低成本增大產出。

5 結束語

我國作為餐飲消費大國，餐廚垃圾的資源化、無害化處理水平關乎我國環境發展的千年大計。在當前科技不斷更新迭代的時代背景下，餐廚垃圾除以上提及的處理方法外，還會有新的理論、技術和設備產生。總之，餐廚垃圾處理需要做好收集、運輸、處理及回收利用之間的完整鏈接，各區域需根據自身情況，因地制宜的開發出合理的處置方式，引導群眾走向將“垃圾”變“資源”的思想路線。