典型餐廚垃圾處理實用技術(shù)探討★

常燕青 朱麗可 張樂樂 常中龍 于 強 吳海鎖

(1.維爾利環(huán)保科技集團股份有限公司，江蘇 常州 213125； 2.常州金源機械設備有限公司，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.北京起重運輸機械設計研究院，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、單位供餐、食品生產(chǎn)加工等活動的單位和個人在生產(chǎn)、經(jīng)營過程中所產(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]。中國主要城市實際每年平均產(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]。面對如此龐大的處理需求，我國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，但餐廚垃圾的產(chǎn)能缺口仍然巨大。根據(jù)E20研究院測算，2016年，我國餐廚垃圾合法收運處理率僅達到10%(以城市生活垃圾產(chǎn)生量為基準測算)。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，嚴重威脅我國的食品健康；與生活垃圾混合處置的廚余、菜場垃圾不斷增加生活垃圾填埋場的負荷；大量亂排、偷排的餐廚垃圾加劇了“垃圾圍城”。因此，餐廚垃圾的收運管理和高效資源化成為我國當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)會隨季節(jié)、產(chǎn)生群體的飲食和生活習慣的不同有明顯差異，同時餐廚垃圾的存放和收集方式的不同也會影響餐廚垃圾的組分。這導致了我國餐廚垃圾的組分比較復雜。通常包括食物殘渣、骨頭、塑料、木頭、織物和金屬等。其中，食物殘渣、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。

表1 我國部分城市餐廚垃圾的營養(yǎng)成分特性[3] %

2 餐廚垃圾處理現(xiàn)狀

餐廚垃圾處理現(xiàn)狀面臨兩個問題：一是常規(guī)生活垃圾處理設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，易導致泔水豬和地溝油現(xiàn)象。自2016年開始，5批共100個餐廚垃圾資源化利用試點城市中，共有47個示范城市通過驗收，全國已投運、在建和籌建的餐廚廢棄物處理廠有將近200座。但我國每年僅有不到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。建成的項目中，以200 t/d以下的中小規(guī)模處理設施為主，大多采用BOT模式進行運營，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質(zhì)進行分解，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)電機發(fā)電，厭氧消化罐中產(chǎn)出的沼渣可以進行二次發(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，當處理能力為200 t/d餐廚垃圾時，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)蒸汽供項目生產(chǎn)使用，余電上網(wǎng)。根據(jù)項目經(jīng)驗，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)濟效益較高，是目前應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。同時餐廚垃圾物料的高鹽分、高油脂以及前期混入的無機雜物過多等，都會影響厭氧發(fā)酵的效果。李軼等[5]研究了不同溫度、不同初始pH值對餐廚垃圾和牛糞混合厭氧發(fā)酵的影響。試驗結(jié)果表明，溫度為50 ℃時，初始pH值為7時，厭氧發(fā)酵效果最佳，其單位產(chǎn)氣量(以VS計)可達600 mL/g～700 mL/g，甲烷體積分數(shù)最高可達62%，有機物去除率可達67%。劉研萍等[6]研究了鹽分對餐廚垃圾厭氧發(fā)酵的影響，結(jié)果表明，Na+濃度越高對餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)氣性能的抑制越嚴重。當Na+濃度從5 g/L升至10 g/L時，累積產(chǎn)氣量從對照累積產(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)對原始物料的要求較高，對運行條件要求嚴苛，易導致厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣率低下和反應不徹底等問題。

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)憑借操作簡單、能耗低、效率高、產(chǎn)品附加值高等優(yōu)勢，近幾年受到越來越多的關(guān)注。我國是飼料添加劑魚粉的最大進口國，每年進口魚粉作為大宗動物源蛋白約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，價格日漸攀升，極大地限制了國內(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內(nèi)相關(guān)養(yǎng)殖行業(yè)對國際魚粉的依賴，有效解決當前有機固渣資源浪費的問題，實現(xiàn)有機固渣的減量化和無害化。研究表明，黑水虻可實現(xiàn)餐廚垃圾60%～75%的減量[7]，家蠅在中試規(guī)模下可實現(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)勢在于吃食范圍廣、吃食量大、生長發(fā)育周期適中、抗逆性強、耐油耐鹽、生態(tài)安全性高、幼蟲營養(yǎng)價值豐富等，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、有機酸、功能性酶等，對石蛙、甲魚、南美白對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。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。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，可見黑水虻促進了錦鯉的生長、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凡納濱對蝦幼蝦生長性能、體組成、血清生化指標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、特定生長率和存活率均呈升高趨勢；當使用黑水虻幼蟲粉替代魚粉比例為20%時，蝦血清總抗氧化能力以及過氧化物酶、過氧化氫酶活性達到最高。因此，黑水虻幼蟲粉替代飼料中部分魚粉可促進凡納濱對蝦幼蝦的生長性能。以上研究均表明黑水虻作為一種新興水產(chǎn)動物飼料，不僅有利于節(jié)約成本，還可起到積極的功能性作用，市場潛力巨大。

作為一個新興的產(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)設備自動化程度低、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和經(jīng)濟效益。

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餐廚垃圾中的有機質(zhì)進行生物降解，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、通風情況以及溫度都對堆肥效果有重大的影響。韓濤等[12]進行了餐廚垃圾高效好氧堆肥工藝優(yōu)化實驗，以有機物降解率為試驗指標探討通風量、環(huán)境溫度、含水率、粒徑等4個因素對堆肥效果的影響。結(jié)果表明：4個因素對有機物降解的影響顯著性順序為環(huán)境溫度>含水率>粒徑>通風量，同時得出最佳堆肥方案為環(huán)境溫度40 ℃、含水率50%、粒徑30 mm、通風量4 L/min。當前環(huán)境下好氧堆肥技術(shù)較為成熟，且堆肥可以產(chǎn)生有機肥料，實現(xiàn)廢物資源化利用的同時改善了當前大量使用化肥導致的土壤退化等問題，具有極好的應用價值。

當前餐廚垃圾堆肥效率低下、臭氣污染嚴重、生產(chǎn)的有機肥經(jīng)濟效益低下等問題極大地限制了堆肥技術(shù)的推廣與應用。因此，提高堆肥技術(shù)的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)經(jīng)濟性顯得極其重要。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后達到城市生活垃圾好氧靜態(tài)堆肥處理標準要求(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NH3的釋放量僅為餐廚垃圾+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]證實堆肥前添加生物炭可減少溫室氣體氨氣的排放，提高有機肥氮元素含量。

綜合來看，餐廚垃圾的堆肥技術(shù)已經(jīng)取得了一些進展，但是未來還有很大的進步空間。同時，還缺少餐廚垃圾制備有機肥料的國家標準，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、提油等預處理后，剩余的固渣也會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 ℃的高溫對餐廚垃圾中的可燃物組分進行氧化分解，從而實現(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行對餐廚垃圾進行單獨收運、處理的城市，將餐廚垃圾和其他生活垃圾混合收運并填埋。但是餐廚垃圾在填埋過程中會產(chǎn)生大量高濃度有機污染物，增大了后續(xù)滲濾液處理負荷和難度，同時對周邊的土壤、地下水和空氣造成一定程度的危害。隨著人們對生活健康關(guān)注度的提高以及國家政策的不斷完善，焚燒和填埋在未來將會逐漸退出餐廚垃圾處理市場。

4 結(jié)論和展望

餐廚垃圾作為一種資源性廢棄物，對其中的資源和能源進行回收受到了廣泛的關(guān)注。加之全球呼吁碳減排落實行動，我國“十四五”又是碳達峰、碳中和的關(guān)鍵期、窗口期，這進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、合理處理的問題，各界學者開展了大量的基礎(chǔ)與應用研究。飼料化技術(shù)由于同源性污染問題嚴重，且對設備和技術(shù)要求較高難以實現(xiàn)大規(guī)模應用。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，但難以實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，未來還需不斷加大研發(fā)力度，推進昆蟲生物轉(zhuǎn)化進一步發(fā)展；厭氧消化及好氧堆肥等技術(shù)較為成熟，但在工業(yè)化利用過程中設備運行的穩(wěn)定性及其廢水和臭氣的控制問題仍需研究；焚燒和填埋由于對資源浪費嚴重的問題未來將逐漸退出餐廚垃圾的市場。

在我國目前碳減排、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用方向。我國的餐廚垃圾處理市場理論空間巨大，在巨大的市場空間面前，企業(yè)應持續(xù)探尋正規(guī)化處置的盈利模式，而政府也應當出臺相應的配套政策，在鼓勵正規(guī)化處置、提高處理補貼的同時，對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。