易腐垃圾的特點及資源化利用技術

李鵬昊， 姜銘北， 姚燕來， 王衛平， 朱鳳香， 朱為靜， 洪磊東， 洪春來*

(1.浙江省農業科學院 環境資源與土壤肥料研究所， 浙江 杭州 310021；2.淳安縣農業技術推廣中心， 浙江 淳安 311700；3.浙江工業大學， 浙江 杭州 310014)

隨著城市化進程的推進和居民收入的提高，居民生活垃圾產生量也在逐年增大。2019年，我國196個大、中城市生活垃圾產生量為23 560.2萬t，較2018年增加15%[1]。據統計，世界易腐垃圾占生活垃圾的比例約為43%[2]。2015年出臺的《杭州市生活垃圾管理條例》指出，易腐垃圾指餐飲經營者、單位食堂等生產過程中產生的餐廚廢棄物，居民家庭生活中產生的廚余垃圾和集貿市場產生的有機垃圾等。易腐垃圾極易變質、腐爛、發酵，在收集、運輸和處理過程中會產生惡臭氣體和大量滲濾液，滋生蚊蟲的同時也會對環境造成污染[3-4]。易腐垃圾來源復雜，常含有各種細菌和病原菌，易成為傳染疾病的媒介[5-6]。過去常把易腐垃圾與其他垃圾一起進行填埋、焚燒。易腐垃圾含水量高，在填埋過程中產生的滲濾液易通過地表徑流及滲透作用對地表水及地下水造成污染[7-8]。易腐垃圾熱值較低[9-10]，焚燒處理需加輔料助燃，燃燒不充分時會產生氣態污染物，如二噁英、氯化氫等[11]。填埋、焚燒處理不僅影響環境，而且造成資源浪費。隨著國家對環境問題的重視，我國已經出臺一系列關于垃圾分類及垃圾處理的相關政策法規。將分類后得到的易腐垃圾進行資源化應用是當下急需解決的問題。為此，通過查閱文獻對易腐垃圾資源化技術的研究進展總結如下。

1 易腐垃圾的特點

易腐垃圾的物質組成比較復雜，地區飲食習慣、人口數量及經濟水平的不同，所產生易腐垃圾也會有較大的差異[12-13]。總體上易腐垃圾含有豐富的有機物，有機物含量(干重計)一般為88.6%～96.6%[14]，還含有較多的營養元素[15]，這為資源化利用提供了物質基礎。目前，生活垃圾分類的執行效果較差，易腐垃圾常混有一次性餐筷、骨頭、塑料包裝、貝殼、易拉罐等不易腐雜質，在資源化利用之前需再次進行雜質的分選。易腐垃圾含有大量的水分，我國易腐垃圾含水量可接近80%[16]。易腐垃圾還具有高油、高鹽的特征，油脂含量可達11.5%[17]，含鹽量可達2%～5%[18]。易腐垃圾資源化主要是微生物參與的分解和合成過程，不易腐雜質等因素均會影響微生物的活性，實際工作中往往需要通過分選來提高其資源化效率。

2 易腐垃圾的資源化利用技術

2.1 好氧堆肥

好氧堆肥指好氧微生物通過自身生命活動進行氧化分解和生物合成的過程。堆肥過程可將一些不穩定的物質轉變為較穩定的物質，減少垃圾中的揮發性有機物，減輕臭味，也使廢棄物的物理性狀得到改善[19]。堆肥關鍵在于微生物的正常繁衍、旺盛生長和優勢菌種的合理更替，需要對易腐垃圾的pH、含水量、溫度、氧氣供給量和碳氮比進行調整。好氧堆肥具有工藝簡單(圖1)，產品可用作農業生產的優點[20-21]。

圖1 易腐垃圾好氧堆肥的工藝流程

易腐垃圾常含有大量雜質，需預先對原料進行分選。研究[22]發現，源頭分類得到的垃圾比機械分離得到的垃圾更適合用來堆肥，前者不僅降低了重金屬的含量，而且一些營養元素含量也沒有太大變化。好氧堆肥過程中產生的氨氣、硫化氫等臭氣，危及周圍環境與人類健康。氨氣的產生還會造成肥料中氮元素的流失，從而降低產品的應用效果。通過控制堆肥過程中的通風條件，可以控制易腐垃圾好氧堆肥過程中揮發性硫化物和氨氣的產生[23]。通過添加除臭劑也可以有效控制臭氣，木屑、木本泥炭、浮石和多數復合微生物除臭劑對氨氣、硫化氫、總臭氣濃度的去除率達90%[24]。劉卓[25]的研究發現，利用生物過濾器可高效地去除堆肥過程中產生的氨氣，氨氣去除率達95%。

2.2 昆蟲養殖

易腐垃圾昆蟲養殖是近年新出現的資源化方式，這個方式通過昆蟲將易腐垃圾轉化為可利用的營養物質(圖2)。易腐垃圾經過轉化后的蟲糞可用作肥料，同時昆蟲還可以用作飼料。目前,昆蟲養殖處理易腐垃圾的研究主要有黑水虻、蚯蚓、蠅蛆和黃粉蟲等。其中，有關黑水虻養殖轉化易腐垃圾的研究較多[26]。黑水虻幼蟲具有較高的蛋白轉化能力，1 g黑水虻卵的幼蟲18 d可轉化形成2.4 g蛋白[27]。黑水虻成蟲富含鈣質和昆蟲油脂，適用于水產類的養殖。黑水虻含有抗菌肽[28-29]，可以一定程度替代抗生素，提高家畜的免疫力。通過黑水虻養殖得到的蟲糞有機肥與微生物相結合可以活化土壤，有效改良土壤組分。其有機質含量也要優于農家肥，并且還含有一些特殊的抗菌多肽、生物酵素和功能有機分子等。黑水虻富含脂肪，還可用于生產生物柴油[30]。高含鹽量易腐垃圾昆蟲養殖，得到的蟲糞產品含鹽量也較高，后續需要脫鹽處理。昆蟲養殖對環境要求高，需為昆蟲提供較優的環境條件，如溫度、濕度和光照等[31]，在我國中北部地區推廣時會遇到一定的限制。

圖2 易腐垃圾昆蟲養殖的技術路線

2.3 陽光房堆肥

易腐垃圾陽光房堆肥技術是近年新興的一種堆肥技術。該技術通過引入太陽能作為輔助能量來進行好氧堆肥，實現了就地資源化和無害化(圖3)。陽光房堆肥技術具有投資、運行和維護成本低，易于管理的優點，在部分農村地區深受歡迎。陽光房堆肥技術存在的問題是保溫效果不穩定，不同季節差異大，在冬季低溫下無法正常運行[32]；部分陽光房設計缺乏科學性，缺乏必要的破碎、曝氣、廢水處理設施，導致產品腐熟度低，并造成了環境的污染，亟須改造和提升。

圖3 易腐垃圾陽光房堆肥的工藝流程

2.4 一體化發酵

一體化發酵技術國內起步較晚[33]，是將易腐垃圾置于一個集進出料、曝氣、攪拌和除臭功能于一體的反應器中進行好氧發酵的一種堆肥方式[34]。一體化發酵反應器整個堆肥過程由程序自動化控制，在封閉環境下進行，易于控制廢氣，受天氣影響小[35]。一體化發酵設備發展起步晚，目前技術還不夠成熟[36]，資源化效率尚有進一步提升的空間(圖4)。劉澤龍等[37]針對立式反應器的供氧方式，分別進行連續供氧和間歇供氧研究，結果發現，連續供氧能有效提高堆肥的效率。周營[38]的研究發現，在堆肥過程中接種適量含有米曲霉、地衣芽孢桿菌、解脂假絲酵母、綠色木霉和褐球固氮菌的微生物復合菌劑能提高易腐垃圾的腐熟度，減少堆肥氮素的損失。

圖4 易腐垃圾一體化發酵技術的工藝流程

2.5 厭氧消化

厭氧消化是指在缺氧條件下，通過厭氧微生物的代謝活動把復雜的有機物迅速降解為沼氣的方法(圖5)。通過厭氧消化制備甲烷是目前將易腐垃圾資源化轉化為生物燃料的主要研究方向之一。厭氧消化是一種很好地將易腐垃圾資源化和無害化的方式，通過厭氧消化得到的沼氣可用作燃料，沼渣可用來加工肥料。與好氧堆肥相似，雜質影響易腐垃圾的厭氧消化，需對易腐垃圾進行預處理。厭氧消化是一個多階段的復雜生物轉化過程，在每一個階段都有各自的優勢菌種；因此，整個厭氧消化過程容易受反應條件的影響[39]，需對反應條件進行嚴格的控制。

圖5 易腐垃圾厭氧消化的工藝流程

厭氧共消化是一種廣泛應用、高沼氣產量的方式。共消化是將2種及以上的有機廢物混合后進行消化處理的方法，避免了一些單消化過程中出現的問題。厭氧共消化可提高整體反應進程的穩定性，提高沼氣的產量，沼渣養分含量高，適合加工做成肥料[40]。共消化存在運輸成本高的不足。研究[41]表明，污水污泥中含有大量活性細菌，有利促進厭氧消化過程中微生物群的繁殖，在易腐垃圾加污水污泥作為共基質后，沼氣產量提高了1.4倍。在消化之前對易腐垃圾進行預處理也能有效提高厭氧消化的效果。目前，相關研究大多停留在試驗階段，需在中試規模下進行進一步的探討。

3 小結與展望

易腐垃圾作為一種富含有機質及氮、磷、鉀等元素的固體廢棄物，如何將其肥料化和能源化的研究逐漸地受到了關注。隨著國家對環境問題的逐漸重視，亟須將易腐垃圾處理從傳統的焚燒和填埋方式向肥料化、飼料化、能源化方向過渡轉化。好氧堆肥是一種工藝簡單、發展時間較長的資源化技術。由于易腐垃圾存在有機質含量高的特點，好氧堆肥是一種適合用來處理易腐垃圾的方式。但易腐垃圾混有雜質，且油脂含量及鹽含量都比較高。如何對易腐垃圾進行脫油、降鹽預處理并提高發酵效率，都是需要解決的問題。一體化發酵技術利用設備實現垃圾分選、高溫好氧發酵等一體化，相對于好氧堆肥發酵技術，對易腐垃圾的處置效率更高，對周邊環境的二次污染影響更小，適宜小規模易腐垃圾的快速無害化處置。該處置工藝技術的運營維護成本較高，處置后的易腐垃圾尚未完全腐熟，后續仍需要采取腐熟化發酵工藝。昆蟲養殖是近年來發展的新技術，在將易腐垃圾無害化及資源化的同時，養殖的昆蟲也可以用來加工成動物飼料。目前，條件要求高、自動化水平低限制了昆蟲養殖的規模。此外，一些國家和地區禁止將昆蟲養殖得到的昆蟲蛋白作為牲畜飼料[42]，安全問題也需要得到關注。陽光房發酵技術是近年來開始實際應用的資源化方式，投資、運行和維護成本較低，易于管理，在部分農村地區受到了用戶的歡迎。由于陽光房發酵技術在設計、運營、管理上仍存在許多問題，導致物料腐熟程度低、臭味大、雜質含量高，嚴重制約了該處置技術的持續推廣應用，所以該工藝還有一定的改進空間。厭氧消化在將易腐垃圾減量化和無害化的同時還將易腐垃圾轉化為了可用作燃料的沼氣，但該處置工藝投資大，運營成本較高，厭氧消化效果仍有較大的提升空間。厭氧發酵后剩余的沼渣仍需要尋找資源化利用的出路。可見，厭氧消化需要與好氧堆肥、昆蟲養殖等工藝相結合才能完全實現易腐垃圾的資源化利用。

各種易腐垃圾資源化處置技術均有明顯優點和使用的局限性，各地需根據當地的實際情況選擇1種或2種適宜的工藝進行推廣應用，才能最終達到易腐垃圾高效、經濟、低碳的資源化處置利用效果。