廚余垃圾工業化產沼工藝各階段固態殘余物營養特性研究＊

陳 平，張美蘭，梁 晶

（1.上海市園林科學規劃研究院，城市困難立地生態園林國家林業和草原局重點實驗室，上海 200232；2.國家林業和草原局城市困難立地綠化造林國家創新聯盟，上海 200232；3.上海城市困難立地綠化工程技術研究中心，上海 200232；4.上海老港廢棄物處置有限公司，上海 201302）

1 引言

隨著垃圾分類政策的逐步實施，廚余垃圾（濕垃圾）的分出量與日俱增。據報道，上海市實施垃圾分類1a后，濕垃圾分出量同比增長38.5%；北京市實施垃圾分類半年后，家庭廚余垃圾分出量增長了11.7 倍。由于臭氣和溫室氣體排放量很少，減量化、無害化、集約化和資源化程度高，厭氧發酵技術（產沼工程）已成為主流的廚余垃圾處理工藝，使用占比達到80%以上［1］。

根據GB/T 19095—2019生活垃圾分類標志，廚余垃圾又被細分為家庭廚余垃圾、餐廚垃圾和其他廚余垃圾［2］。但大部分的廚余垃圾經過分選、粉碎、厭氧發酵等產沼工藝后，產生大量沼氣和固態殘余物［3］，其中主要的固態殘余物為三相分離固渣、廚余分離機固渣、濕式沼渣和干式沼渣。三相分離固渣是餐廚垃圾經過分揀、精分制漿、除砂除渣后進入三相分離器，離心去除油相和水相后殘余的固相物質。濕式沼渣為餐廚垃圾濕式厭氧發酵后離心脫水獲得的脫水沼渣。廚余分離機固渣是家庭廚余垃圾和其他廚余垃圾經過分揀、粉碎，通過分離機得到的固渣。該固渣經過有機料坑混合后，進入干式厭氧發酵罐進一步的腐化，經脫水后獲得固態殘余物即為干式沼渣（圖1）。

圖1 4種廚余垃圾固態殘余物來源示意Figure1 The sources schematic of four solid residues of food waste

廚余垃圾固態殘余物資源化利用已成為大勢所趨，目前常見的處置方式一般分為填埋或焚燒、加工制飼料、堆肥等［4］。填埋或焚燒方法具有流程簡單、成本低等優點，但其未利用廚余垃圾中的有機物質，不符合資源化利用的原則［5］。加工成飼料的方法，因存在同源性污染等問題而發展受阻［6］。好氧堆肥法存在資源化較徹底、產物安全性高等優點，但缺點為投資高、占地面積大等［7］。同時，制備飼料蛋白技術、能源化利用技術、制備中鏈脂肪酸技術等新興技術也受到越來越多的關注。然而廚余垃圾固態殘余物的組分復雜，且其性質和產生量受地域、季節、飲食習慣以及存放、收運體系影響較大。相關研究主要集中在沼渣的利用，但是對資源化過程中其他殘余物的研究較少，尤其對4種廚余垃圾固態殘余物組分分析的研究更鮮有報道。本研究針對上海實行垃圾分類后，廚余垃圾資源化處置過程中產生的4種主要固態殘余物進行研究，基于廚余垃圾土地資源化后的用途，參考NY 525—2012有機肥料、GB/T 33891—2017綠化用有機基質等標準［8-9］，選取pH、電導率（Electronical Con?ductivity，EC）、有機質、全氮、全鉀、全磷、含水率、發芽指數等指標進行動態監測，以期為上海廚余垃圾全流程資源化利用提供基礎數據及理論依據。

2 材料與方法

2.1 供試材料

廚余垃圾固態殘余物包括廚余分離機固渣、三相分離固渣、濕式沼渣和干式沼渣，均采自上海老港生物能源再利用中心。

2.2 實驗方法

4種供試材料樣品監測的時間為2020年6—9月，每種供試材料樣品均檢測10次。樣品pH、有機質、全氮、全磷、全鉀和發芽指數的測定參考NY 525—2012［8］；樣品含水率的測定參考GB/T 8576—2010復混肥料中游離水含量的測定真空烘箱法［10］；樣品EC的測定參考GB/T 33891—2017［9］。

2.3 數據處理

采用Microsoft Excel 2010與Origin 8.5 軟件對數據進行整理和統計分析，利用Circos軟件與R語言（R version 3.6.1）進行繪圖。

3 結果與分析

3.1 廚余垃圾固態殘余物基本特性

圖2所示為4種廚余垃圾固態殘余產物的基本特性。由外到內分為4種顏色的圓環，分別為廚余分離機固渣、干式沼渣、三相分離固渣和濕式沼渣。在10次監測結果中，廚余分離機固渣、干式沼渣、三相分離固渣和濕式沼渣的總鉀、總磷、總氮和EC具有較大的波動（柱形圖起伏較大）；而所有樣品的含水率、有機質、pH和發芽指數波動較小（柱形圖起伏較小），說明每次檢測的數據差異較小，樣品各批次間性狀比較穩定。

圖2 廚余垃圾固態殘余產物基本特性動態監測Figure 2 Dynamic monitoring of the basic characteristics of solid residual products of food waste

3.1.1 三相分離固渣

三相分離固渣是餐廚垃圾三相分離后產生的固相物質。三相分離固渣的pH變化范圍為4.2 ～5.4 ，中位值為4.5 ，呈酸性，總體波動較小，監測表明三相分離固渣的pH穩定性較高（圖3）。相較于其他固態殘余物，三相分離固渣的pH最低，這可能與餐廚垃圾的組分有關。餐廚垃圾中含有大量油脂，油脂中的不飽和脂肪酸的雙鍵容易被氧化，形成過氧化物，過氧化物繼續分解生成低級醛等。同時在霉菌或酯酶的作用下，油脂易被水解成低級脂肪酸，進一步氧化成低級的酮類物質、脂肪酸等［11］。脂肪酸呈酸性，故導致三相分離固渣的pH低下。EC是表示水溶性鹽的指標，水溶性鹽是植物迅速利用無機營養物質的一個重要指標，是判定鹽類離子是否限制作物生長的因素。三相分離固渣的EC變化范圍為7.2 ～14.5 mS/cm，遠遠大于3.5 mS/cm［9］，未達到直接用于土壤的標準。

有機質的變化范圍為62.0%～85.4%，遠高于有機肥料的要求（≥45%）［12］，具有很高的資源化潛力。此外，氮是組成蛋白質和核酸的重要成分，是作物生長發育和生命活動的基礎，也是葉綠素的組成部分，并且多數植物只能從土壤中獲得氮素［13］，圖3顯示三相分離固渣全氮的變化范圍為23.1 ～48.6 g/kg。可見，三相分離固渣的全氮含量可提高土壤的氮含量，進而提升土壤的肥力。

圖3 三相分離固渣理化特性Figure 3 The physical and chemical properties of three-phase separation solid slag

三相分離固渣含水率的變化范圍為54.8%～82.0%，含水率極高，且相對穩定，這可能是由于取樣時間集中在6—9月，原料差異相對較小所致。但其發芽指數均為0，這可能與其只是經過物理離心分離所得的產物，未經過發酵有關，說明三相分離固渣對植物生長具有較強的抑制作用［14］，植物種子極難發芽。全磷的變化范圍為9.0 ～22.0 g/kg，全鉀的變化范圍為2.6 ～7.3 g/kg，具有一定的波動性，這可能和原料的來源不同有關。相較于其他固態殘余物，三相分離固渣的全磷和全鉀含量最低。其總養分（氮磷鉀含量）的變化范圍為3.7%～7.3%，中位數為5.1%，基本高于NY/T 525—2012中5%的要求，在總養分含量上大部分批次的檢測指標符合有機肥料的要求。

3.1.2 廚余分離機固渣

廚余分離機固渣是家庭廚余垃圾和其他廚余垃圾經分離機蝶形篩篩分后的固渣。由圖4可知，廚余分離機固渣的pH變化范圍為5.5 ～8.1 ，中位值為6.0 ，總體呈酸性，波動較大。分離機固渣的EC變化范圍為2.5 ～12.3 mS/cm，波動較大，中位數為8.1 mS/cm，遠遠大于3.5 mS/cm［9］，也未達到直接用于土壤的標準。

圖4 廚余分離機固渣理化特性Figure 4 The physical and chemical properties of solid residue of food waste separator

有機質的變化范圍為53.7%～108.0%，中位數為87.1%，遠遠高于有機肥料的要求（≥45%），說明分離機固渣的有機質含量較高，可進一步處理后用于土壤培肥、土壤改良等領域。含水率的變化范圍為32.7%～8 2.1%，中位值為7 6.2%，含水率極高。發芽指數的變化范圍為0～54.2%，中位數為0，說明分離機固渣對植物具有較強的抑制作用，植物種子基本不能發芽。

全氮的變化范圍為2.2 ～35.1 g/kg，中位值為21.7 g/kg。全磷的變化范圍為21.0 ～46.0 g/kg，全鉀的變化范圍為5.5 ～12.1 g/kg。總養分的變化范圍為3.7%～7.9%，中位數為6.0%，高于有機肥料中5%的要求。其營養成分具有一定的波動性，這可能和原料的來源不同有關。

3.1.3 濕式沼渣

由圖5可知，濕式沼渣的pH變化范圍為8.4 ～9.2 ，中位值為8.9 ，樣品呈堿性。其中部分樣品pH高于9，遠超甲烷菌的適宜范圍，這可能與餐廚垃圾厭氧發酵不完全有關［15］。濕式沼渣的EC變化范圍為4.3 ～9.6 mS/cm，波動較大，中位數為5.2 mS/cm，高于3.5 mS/cm［9］，樣品不能直接施用于土壤中。

圖5 濕式沼渣理化特性Figure5 The physical and chemical properties of wet biogas residue

有機質的變化范圍為24.2%～43.7%，中位數為36.7%，高于綠化用有機基質的要求（≥25%）［9］，說明濕式沼渣后續可用于土壤改良等領域。

含水率的變化范圍為60.9%～82.4%，中位值為77.6%，含水率極高。發芽指數的變化范圍為0～20.2%，中位數為4.7%，說明濕式沼渣對植物具有很強的抑制作用，植物種子基本不能發芽。

全氮的變化范圍為17.3 ～39.8 g/kg，中位值為19.5 g/kg。全磷的變化范圍為46.1 ～71.0 g/kg，全鉀的變化范圍為4.4 ～11.0 g/kg，具有較大的波動性，這可能和原料的來源不同有關。總養分的變化范圍為6.9%～1 0.0%，中位數為8.3%，遠高于有機肥 料中5%的要求。

3.1.4 干式沼渣

干式沼渣是廚余垃圾干式厭氧發酵產生的最終脫水固態殘余物［16］。干式沼渣的pH變化范圍為5.5 ～9.0 ，中位值為8.1 ，大部分樣品呈弱堿性。濕式沼渣和干式沼渣的pH較高，且與發芽指數具有較大的相關性。pH過高會破壞細胞的生理功能，可能導致細胞解體，同時會改變各種礦物質離子轉運及存在狀態，進而降低種子的發芽指數［17］。干式沼渣的EC變化范圍為1.1 ～7.2 mS/cm，波動較大，中位數為2.4 mS/cm，低于3.5 mS/cm，部分樣品達到GB/T 33891—2017的要求［9］。相較于濕式沼渣，其EC含量較低，這可能與其發酵的原料有關。干式沼渣理化特性各項指標變化如圖6所示。

圖6 干式沼渣理化特性Figure6 The physical and chemical properties of dry biogas residue

有機質的變化范圍為58.7%～116.2%，中位數為81.8%，遠高于有機肥料的要求（≥45%），說明干式沼渣的有機質含量較高，具有良好的資源化前景，后續可用于土壤培肥和改良等。含水率的變化范圍為56.2%～8 0.0%，中位值為6 6.1%，含水率較高。發芽指數的變化范圍為0～15.1%，中位數為0，說明干式沼渣對植物具有很強的抑制作用，植物種子基本不能發芽。

全氮的變化范圍為10.3 ～22.3 g/kg，中位值為15.6 g/kg。全磷的變化范圍為19.9 ～82.0 g/kg，全鉀的變化范圍為3.0 ～17.9 g/kg，具有較大的波動性，這可能和原料的來源不同有關。總養分的變化范圍為3.9%～9.6 3%，中位數為6.0%，高于有機肥料中5%的要求。

由圖7可知4種廚余垃圾固態殘余物的理化特性，廚余分離機固渣和三相分離固渣的pH低于濕式沼渣和干式沼渣。但是由于季節變化、設備調試等問題，各次取樣的結果差異較大，可能出現部分極端值。而中位數可降低極端值的影響，能更客觀地反映一組數據的集中趨勢。因此分析了4種廚余垃圾固態殘余物理化特性的中位數規律：pH為三相分離固渣＜廚余分離機固渣＜干式沼渣＜濕式沼渣；EC為干式沼渣＜濕式沼渣＜廚余分離機固渣＜三相分離固渣；有機質為濕式沼渣＜三相分離固渣＜干式沼渣＜廚余分離機固渣；含水率為干式沼渣＜三相分離固渣＜廚余分離機固渣＜濕式沼渣；全氮為干式沼渣＜濕式沼渣＜廚余分離機固渣＜三相分離固渣；全磷為三相分離固渣＜廚余分離機固渣＜干式沼渣＜濕式沼渣；全鉀為三相分離固渣＜干式沼渣＜濕式沼渣＜廚余分離機固渣；發芽指數為三相分離固渣＜廚余分離機固渣＜濕式沼渣＜干式沼渣。其中三相分離固渣和廚余分離機固渣屬于未發酵組分，其未經過生物穩定化處理，故三相分離固渣和廚余分離機固渣的pH和發芽指數均遠小于經過生物穩定化處理的濕式沼渣和干式沼渣。三相分離固渣和廚余分離機固渣的EC均遠大于經過生物穩定化處理的濕式沼渣和干式沼渣。這可能是由于三相分離固渣和廚余分離機固渣仍然屬于未發酵的廚余垃圾，極容易腐敗變質產生小分子物質及酸性物質，故pH較低，EC較高，同時腐敗產生的病菌也對種子萌發具有強烈的抑制作用［18］。

圖7 4種廚余垃圾固態殘余物的理化特性Figure 7 Physicochemical properties of four kinds of solid residues from food waste

3.2 廚余垃圾固態殘余物理化指標相關性分析

3.2.1 廚余分離機固渣與三相分離固渣

由圖8（a）可知，廚余分離機固渣的發芽指數與pH呈極顯著正相關（P＜0.01 ），pH與EC呈現極顯著的負相關（P＜0.01 ），發芽指數與EC呈現顯著負相關（P＜0.05 ）。發芽指數與其他因子的相關性強弱為：pH＞EC＞全鉀＞全氮＞有機質＞含水率＞全磷，發芽指數與pH的相關性最高。

三相分離固渣的發芽指數為0，故不列入相關性分析。由圖8（b）可知，三相分離固渣的EC與全氮呈現極顯著正相關（P＜0.01 ），EC與含水率呈現極顯著負相關（P＜0.01 ），全氮與含水率呈極顯著負相關（P＜0.01 ），EC與有機質呈顯著正相關（P＜0.05 ），全鉀與全氮呈顯著正相關（P＜0.05 ）。

圖8 4種廚余垃圾固態殘余物相關性分析Figure 8 Correlation analysis of four kinds of solid residues from food waste

廚余分離機固渣與三相分離機固渣均為未發酵的廚余垃圾，其未經過生物穩定化處理，組分穩定性較差，同時其未經過高溫發酵處理，故可能還帶有大量病菌等有害微生物［19］，對植物種子的發芽具有強烈的抑制作用。三相分離固渣未檢測到萌芽的種子，廚余分離機固渣也僅有20%的種子萌芽，說明三相分離固渣和廚余分離機固渣不能直接應用于土地種植，需要進一步的處理。

3.2.2 濕式沼渣與干式沼渣

由圖8（c）可知，濕式沼渣EC與全磷呈現極顯著負相關（P＜0.01 ），EC與全鉀呈現顯著負相關（P＜0.05 ），EC與pH呈現顯著負相關（P＜0.05 ）。發芽指數與其他因子的相關性強弱為：全磷＞pH＞EC＞全鉀＞有機質＞含水率＞全氮，發芽指數與pH和EC的相關性較高。

由圖8（d）可知，干式沼渣EC與全氮呈現極顯著正相關（P＜0.01 ），EC與pH呈現極顯著負相關（P＜0.01 ），全氮與pH呈現極顯著負相關（P＜0.01 ）。EC與發芽指數呈現顯著負相關（P＜0.05 ）。其發芽指數與其他因子的相關性強弱為：EC＞pH＞全氮＞全磷＞含水率＞有機質＞全鉀，發芽指數與pH和EC的相關性較高。

濕式沼渣和干式沼渣都屬于廚余垃圾經過發酵處理的產物，相比較未發酵的三相分離固渣和廚余分離機固渣，其發芽指數有所上升，濕式沼渣50%的種子可以萌芽，干式沼渣80%的種子可以萌芽，但是種子的長勢較弱，這可能是強堿和高鹽共同作用所致。高鹽容易造成種子的低水勢和離子毒害，過高的可溶性鹽濃度使種子難以吸收周圍的水分，胚中儲藏的養分難以利用，導致呼吸作用受到抑制，而強堿性則容易造成種子的滲透脅迫［20］。同時兩種殘余物的pH、EC和種子發芽指數的相關性較高，說明兩種殘余物的pH、EC可用于更快捷地指征其是否可以進行土地資源化利用。

3.3 廚余垃圾固態殘余物處理技術分析

焚燒技術是垃圾減量、熱能利用的一種垃圾處理技術，并不能實現資源的循環利用，因此只有將無回收價值、具有較高熱能的垃圾進行焚燒處理才是科學、合理的［7］。廚余垃圾的4種固態殘余物具有較高的營養成分，但含水率高、熱值較低，因此不建議焚燒處理，應通過適當的處理后再進行資源化利用。

厭氧發酵技術可產生沼氣等能源物質。好氧發酵技術資源轉化率高、速度快、有機物降解率和發芽指數都比較高，可將物料進一步開發為有機肥或有機基質。熱解氣化技術，將殘余物在無氧或缺氧條件下，熱解生成小分子氣體、焦油和殘渣。人工飼養昆蟲處理技術（如黑水虻、美洲大蠊和黃粉蟲等）最大的優勢在于經濟效益和環境效益較高。飼養昆蟲，得到的蟲體、卵和糞便都可以實現資源化。黑水虻、美洲大蠊和黃粉蟲的蟲體都可以作為動物蛋白飼料，這既避免了直接飼料化導致的各種同源性問題，又充分解決了“人畜爭糧”的問題；美洲大蠊提取物具有抑制腫瘤、抗氧化、抗炎、促進修復、抑菌和調節免疫等功效［19］。制備工業原料如中鏈脂肪酸技術也有一定的應用前景。中鏈脂肪酸工業用途廣泛，可直接用作飼料添加劑、抗菌劑，還可作為高附加值產品的前體物質，包括香料、潤滑油、醫藥、生物燃料等領域。

廚余分離機固渣和三相分離固渣是廚余垃圾經篩分、粉碎等物理處理后的產物，未經過發酵等化學處理，因此可能含有多種病菌，且存在同源性污染問題，不能作為飼料或類似用途，建議可以采用厭氧發酵、好氧發酵進一步腐熟。同時其含有的淀粉、蛋白質、糖類、脂肪、纖維素等有機物，亦可用于人工飼養昆蟲、制備能源、制備飼料蛋白、制備工業原料等技術處理。濕式沼渣和干式沼渣，具有較高的營養成分，同時同源性污染問題極大降低，但由于發芽指數較低，因此建議可通過好氧發酵等技術，進一步腐熟以提高其發芽指數，制備有機肥或有機質介質，應用于農林土壤；或可采用熱解氣化技術、人工飼養昆蟲技術、能源化利用技術、制備中鏈脂肪酸技術等處理沼渣，亦或是多種技術協同處理。

4 結論

1）廚余垃圾各個固態殘余物的pH與全磷中位數均呈現為三相分離固渣＜廚余分離機固渣＜干式沼渣＜濕式沼渣；EC為干式沼渣＜濕式沼渣＜廚余分離機固渣＜三相分離固渣；有機質為濕式沼渣＜三相分離固渣＜干式沼渣＜廚余分離機固渣；含水率為干式沼渣＜三相分離固渣＜廚余分離機固渣＜濕式沼渣；全氮為干式沼渣＜濕式沼渣＜廚余分離機固渣＜三相分離固渣；全鉀為三相分離固渣＜干式沼渣＜濕式沼渣＜廚余分離機固渣；發芽指數為三相分離固渣＜廚余分離機固渣＜濕式沼渣＜干式沼渣。監測的結果表明：三相分離固渣和廚余分離機固渣的pH呈酸性，濕式沼渣和干式沼渣的pH呈堿性，若作為有機肥料或綠化用有機基質，pH、有機質和總養分基本符合要求，但含水率過高、發芽指數較低。

2）以發芽指數作為關鍵因子，可以得知：廚余分離機固渣的發芽指數與其他因子的相關性強弱為pH＞EC＞全鉀＞全氮＞有機質＞含水率＞全磷；濕式沼渣的發芽指數相關性為全磷＞pH＞EC＞全鉀＞有機質＞含水率＞全氮；干式沼渣的發芽指數相關性為EC＞pH＞全氮＞全磷＞含水率＞有機質＞全鉀。綜合而言，廚余垃圾固態殘余物的pH和EC與發芽指數之間的相關性較高。

3）廚余分離機固渣、三相分離固渣、濕式沼渣和干式沼渣建議采用厭氧發酵、好氧發酵、能源化利用技術、制備中鏈脂肪酸技術、熱解氣化處理、人工飼養昆蟲處理等方法，或多種技術相結合和協同處理。