餐廚垃圾熱水解資源化技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

吳坤麗 王玉忠 王潤沛 蔣良楷

（1 杭州坤靈環(huán)境技術(shù)有限公司 浙江杭州 310000 2 杭州蕭山環(huán)城生物能源有限公司 浙江杭州 310000）

引言

隨著我國農(nóng)業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，以生態(tài)和環(huán)境保護為理念的有機農(nóng)業(yè)逐漸得到重視。有機農(nóng)業(yè)是指采用有機肥或有機飼料代替在生產(chǎn)活動中使用的化肥、農(nóng)藥、生長調(diào)節(jié)劑或飼料添加劑來完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動。有機農(nóng)業(yè)在上世紀90 年代開始在我國得到重視和推廣，目前發(fā)展仍以種植業(yè)為主。我國農(nóng)業(yè)土壤中有機質(zhì)主要來源于微生物體及其代謝或合成產(chǎn)物、動植物殘體和傳統(tǒng)有機肥料的施用輸入，除東北黑土地區(qū)土壤有機質(zhì)含量較高之外，華中、華南一帶水田有機質(zhì)含量為3.5%～1.5%，而華北、西北大部分地區(qū)的土壤有機質(zhì)含量僅有1%左右[1]。傳統(tǒng)的有機肥以畜禽糞便和作物秸稈作為有機輸入源，不僅會帶來農(nóng)業(yè)面源污染，且因肥積制技術(shù)費工費時并沒有被廣泛接受。我國的土壤有機質(zhì)來源輸入遠不能滿足如今有機農(nóng)業(yè)的發(fā)展需求，因此探尋新型穩(wěn)定的農(nóng)業(yè)有機輸入源對我國有機農(nóng)業(yè)發(fā)展能起到極大的推動作用。

而隨著經(jīng)濟和人口的不斷發(fā)展，飲食生產(chǎn)活動中產(chǎn)生的餐廚垃圾產(chǎn)量也在不斷上升。根據(jù)中國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部在2012 發(fā)布的《餐廚垃圾處理技術(shù)規(guī)范》（CJJ 184-2012）中對餐廚垃圾的定義，餐廚垃圾為餐飲垃圾和廚余垃圾的總稱。其中餐飲垃圾為餐館、飯店、單位食堂等飲食剩余物以及后廚的果蔬、肉食、油脂、面點等的加工過程廢棄物；廚余垃圾為家庭日常生活中丟棄的果蔬及食物下腳料、剩飯剩菜、瓜果皮等易腐有機垃圾[2]。從資源循環(huán)的角度來看，餐廚等有機垃圾作為一種新的農(nóng)業(yè)有機輸入源具有很大的潛力。

1 餐廚垃圾的組分、理化特性及成分

隨著垃圾分類工作的持續(xù)推進，餐廚垃圾實行單獨投放、統(tǒng)一收運、集中處置的管理模式，但在進行收運過程中還是免不了會帶上少量的一次性木筷、餐巾紙、塑料袋等其他生活垃圾。

圖1 展示了我國餐廚垃圾普遍組分含量分布，餐廚垃圾中食物殘渣的組分占比高達82.6%，其次是油脂10.5%、骨頭5.2%、木頭1%和紙張0.8%，還會混有少量塑料（0.7%）、金屬（0.1%）、織物（0.1%）等雜質(zhì)。餐廚垃圾經(jīng)過收運后一般會通過篩選的方式剔除大件異物之后經(jīng)分選、破碎、制漿等步驟將垃圾中的塑料、金屬等雜物有效分離，形成較均質(zhì)的餐廚垃圾原液。

表1 綜合了我國北部及中、東部部分城市的餐廚垃圾的基本理化特性。由于不同城市因經(jīng)濟發(fā)展和人口不同影響及地域飲食習慣的差異，餐廚理化特性波動范圍較大，平均水平約為含水率79.2%，含固率20.4%，干基中有機質(zhì)88.2%，鹽分1.7%，pH3.8～7.2 左右。餐廚垃圾中含有大量動植物油脂可用于生物柴油的生產(chǎn)，經(jīng)過除砂后進行三相分離提油回收，產(chǎn)生的固相部分可用于堆肥發(fā)酵生產(chǎn)有機固肥，剩下的有機漿液常規(guī)用作厭氧消化產(chǎn)甲烷。

表1 我國餐廚垃圾基本理化特性

表2 綜合了我國北部及中、東部部分城市的餐廚垃圾中有機質(zhì)的主要成分，大致分為碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)和粗纖維四類，其含量平均水平分別為38.8%～68.6%、3.0%～37.7%、10.6%～25.6%和2.6%～7.4%。餐廚垃圾中按主要元素按含量大到小分別是碳（22.5%～61.3%）＞氮（2.19%～3.9%）＞硫（0.5%～0.55%）[8]，此外還有0.65%的磷（以五氧化二磷計）和1.27%的鉀（以氧化鉀計）[7]。此外還含有少量的微量元素[9]：鈣（干基）0.07%～2.44%，鎂（干基）0.03%～0.16%，和鐵、鎳、錳等三種含量分別為3.17～766、0.19～2、0.96～110mg/kg。餐廚中各種有機質(zhì)成分含量大多與食物結(jié)構(gòu)相類似，以碳水為主，其次是脂肪、蛋白質(zhì)和多種微量元素。脂肪和蛋白質(zhì)在肉禽蛋奶及豆類中含量較高，鈣鎂鐵等在甲殼類海鮮、動物骨頭、動物內(nèi)臟中含量較高，錳鎳等則多來源于糧食和蔬果。

表2 餐廚垃圾中有機質(zhì)的主要成分含量

2 餐廚垃圾的農(nóng)業(yè)資源化利用價值

我國的餐廚垃圾由于地域不同、飲食習慣差異等因素，其基本理化特性及元素成分也不盡相同，但總體來看都具有含水率高、高有機、高油脂及高鹽分的特點。餐廚垃圾的有機質(zhì)（干基）含量能達到80%以上，且有機成分復(fù)雜多樣，同時含有較豐富的氮元素及磷、鉀、鈣、鎂、硫、鐵、鎳、錳等多種中微量元素，這些元素大多來源于各種食物，同時可作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中作物所需要的營養(yǎng)物質(zhì)及元素需求。尤其是餐廚垃圾中富含的有機質(zhì)成分，在改善我國土壤環(huán)境污染能夠起到重要作用[10][11]。餐廚垃圾經(jīng)過無害化資源化工藝處理后完全具有投入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的利用價值，且能最大程度地實現(xiàn)減量化、無害化、資源化利用。在《“十三五”全國城鎮(zhèn)生活垃圾無害化處理設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》[12]中便有鼓勵使用餐廚垃圾經(jīng)過無害化、資源化處理后生產(chǎn)有機肥料及土壤改良劑等農(nóng)資產(chǎn)品。

從表3 可以看出，餐廚垃圾的相關(guān)肥料養(yǎng)分指標項基本能達到標準要求，且其要求的重金屬指標項含量遠低于標準的要求限值，且其含有的遠高于標準要求的有機質(zhì)含量以及鈣鎂硫等中微量元素亦為其肥料化產(chǎn)品增添了附加產(chǎn)品價值。

表3 《有機肥料》NY 525-2012中對有機肥料產(chǎn)品的指標要求[13]與常規(guī)數(shù)值對比

據(jù)調(diào)查，“十二五” 期間，全國餐廚垃圾產(chǎn)生量達10 萬噸/日，預(yù)計“十三五”末到“十四五”初全國餐廚垃圾產(chǎn)生量將達到20 萬噸/日[14]。以餐廚垃圾含固率20.4%，干基中有機質(zhì)88.2%含量來算的話，全國由餐廚垃圾產(chǎn)生的有機質(zhì)資源約有3.59 萬噸/日，年產(chǎn)量能夠達到約1310 萬噸。從資源的角度來看，餐廚垃圾對有機農(nóng)業(yè)來說是一個巨大的有機資源寶庫，而缺的只是能夠高效打開這座寶庫的一把鑰匙。

3 餐廚垃圾農(nóng)業(yè)資源化利用處理工藝

餐廚垃圾因其復(fù)雜的元素組成和豐富的有機質(zhì)含量，有著非常大的農(nóng)業(yè)資源化價值。但想要將這份價值最大程度釋放出來達到高效資源化利用的目的，還需要依靠一定的工藝技術(shù)。我國目前對餐廚垃圾穩(wěn)定化、無害化、資源化處理技術(shù)主要有好氧堆肥、厭氧發(fā)酵及熱水解技術(shù)等。

3.1 好氧堆肥

好氧堆肥是指在通氣的條件下，利用專性或兼性好氧微生物的生理代謝功能把餐廚垃圾中難分解、大分子的有機質(zhì)轉(zhuǎn)化為小分子有機質(zhì)，并最終得到穩(wěn)定的腐殖質(zhì)作為有機肥料的過程。在好氧堆肥的過程中，有機廢物中的可溶性小分子有機物質(zhì)透過微生物的細胞壁和細胞膜而為微生物所吸收和利用。其中的不溶性大分子有機物則先附著在微生物的體外，由微生物所分泌的胞外酶分解成可溶性小分子物質(zhì)，再輸入其細胞內(nèi)為微生物所利用。微生物通過自身的生命活動-氧化還原和生物合成過程，把一部分被吸收的有機物氧化成簡單的無機物并放出微生物生長活動所需要的能量，把另一部分有機物轉(zhuǎn)化合成新的細胞物質(zhì)，使微生物生長繁殖產(chǎn)生更多的細胞體，而未能降解的殘留有機物部分轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)。好氧堆肥技術(shù)最終將有機廢物進行礦質(zhì)化和腐殖化，同時利用堆積時所產(chǎn)生的高溫（60-70℃）來殺死原材料中所帶來的部分病菌、蟲卵和雜草種子，達到無害化的目的[15]。

好氧堆肥技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)餐廚垃圾40%的減量化，其生成穩(wěn)定的有機肥富含腐殖質(zhì)及氮磷鉀等元素能有效地實現(xiàn)餐廚垃圾的穩(wěn)定化和資源化利用。但由于餐廚垃圾含水率高且易腐，顆粒機械穩(wěn)定性差，在好氧堆肥處理過程中需要添加大量的填充物和填充劑調(diào)節(jié)空隙率和含水率，會造成附加成本高，設(shè)備效率低的問題[16]。且在好氧堆肥的物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中會產(chǎn)生氨、硫等臭氣污染，造成了二次污染問題。好氧過程中微生物的呼吸作用和利用也會造成餐廚垃圾中的部分有機資源損耗。且好氧堆肥的處理周期較長，一般需要20-30 天左右。

3.2 厭氧發(fā)酵

厭氧發(fā)酵是指在特定無氧的條件下，利用厭氧菌的生理代謝功能把餐廚垃圾中富含的大分子有機質(zhì)轉(zhuǎn)化為小分子有機物或者無機物質(zhì)。厭氧發(fā)酵最終產(chǎn)物不僅有腐殖質(zhì)類有機物、二氧化碳和甲烷,還有氨、硫化氫和其他有機酸等還原性物質(zhì)。厭氧發(fā)酵原理在很多傳統(tǒng)種類有機肥的制作中都有應(yīng)用，如廄肥、漚肥、沼氣肥等。

餐廚垃圾最常見的資源化處理方式是厭氧產(chǎn)沼氣，又稱為厭氧消化。厭氧消化技術(shù)分為水解液化、產(chǎn)氫產(chǎn)酸、產(chǎn)甲烷三個階段。在厭氧消化過程中，固體有機物并不能被微生物直接利用，必須在好氧或厭氧微生物分泌的胞外酶、表面酶的作用下分解轉(zhuǎn)化成小分子有機物才能進一步被產(chǎn)酸菌利用轉(zhuǎn)化成小分子有機酸，再進一步由產(chǎn)甲烷菌分解成甲烷和二氧化碳[17]。厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣能有效實現(xiàn)餐廚垃圾的生物質(zhì)能回收，但對于餐廚垃圾進行農(nóng)業(yè)資源化利用而言效率并不算高。在厭氧過程中，餐廚垃圾中部分有機質(zhì)被厭氧菌消耗，部分被固定為高分子、難降解的胞外聚合物（EPS）[18]，造成了有機資源的消耗。厭氧產(chǎn)物會出現(xiàn)沼液的養(yǎng)分低、而沼渣有重金屬累積等的問題，餐廚垃圾進行厭氧消化產(chǎn)生的沼液和沼渣還需要經(jīng)過濃縮、去除重金屬等復(fù)雜的處理才能作為標準有機肥生產(chǎn)進行農(nóng)業(yè)資源化利用[19]，這相對延長了餐廚垃圾進行農(nóng)業(yè)利用的碳循環(huán)路，很難有效、最大限度發(fā)揮餐廚垃圾因本身物質(zhì)基礎(chǔ)組成而具有的農(nóng)業(yè)資源化利用價值。

3.3 熱水解技術(shù)

熱水解技術(shù)是指在溫度和壓力的環(huán)境下，反應(yīng)容器中一些難降解、大分子有機物質(zhì)發(fā)生水解反應(yīng)分解成小分子有機物質(zhì)。熱水解的溫度范圍在40℃～180℃之間，溫度低于100℃的為低溫熱水解，溫度高于100℃的稱為高溫熱水解，目前大部分熱水解技術(shù)研究都集中在100℃以上的高溫熱水解。熱水解分為固體物質(zhì)溶解液化和有機物水解兩個過程，在溫度和壓力的作用下一些固體有機物質(zhì)結(jié)構(gòu)被破壞從而釋放出結(jié)構(gòu)里的毛細水、表面吸附水和內(nèi)部的結(jié)合水等，使固體有機物質(zhì)達到液化的效果，同時里面的有機分子如蛋白質(zhì)、碳水化合物和脂類等會發(fā)生水解反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為易溶的小分子物質(zhì)如氨基酸、單糖和小分子脂肪酸，使餐廚垃圾中有機物充分溶解和釋放[20]。卓楊[21]等在對高含固有機污泥熱水解的研究中發(fā)現(xiàn)，在熱水解處理后水解液的組分主要是溶解態(tài)的蛋白質(zhì)及溶解態(tài)的碳水化合物，其中VSS（揮發(fā)性懸浮固體）的水解率達到43.35%。其中蛋白質(zhì)、碳水化合物的水解率為54.36%和65.12%，不溶態(tài)有機磷、不溶態(tài)有機氮和不溶態(tài)有機磷水解率分別為50.03%、54.23%和30.52%。溶解后的碳氮磷硫等元素多以單糖、揮發(fā)性有機酸、氨基酸、磷酸鹽等易溶態(tài)物質(zhì)形式存在。陳姝樺[22]在研究中發(fā)現(xiàn)不溶態(tài)有機物在高溫熱水解處理90 分鐘后水解率便可達到53.76%。

相比好氧堆肥和厭氧發(fā)酵兩種傳統(tǒng)的餐廚垃圾資源化處理工藝而言，熱水解技術(shù)采用純物理化學手段，處理過程并無微生物作用的過程，且設(shè)備條件要求低，工程建設(shè)簡易，處理停留時間短，大大降低了場地的使用和成本。其高溫熱水解的高溫高壓條件達到了滅菌條件，足夠有效地殺滅餐廚垃圾中的細菌、蟲卵和雜草種子等，有效減少了餐廚垃圾傳統(tǒng)資源化處理工藝中出現(xiàn)的環(huán)境問題以及微生物造成的有機資源損耗。熱水解技術(shù)不僅能使餐廚垃圾達到“減量化、無害化、資源化”的處理效果，并且能促進餐廚垃圾的高效農(nóng)業(yè)資源化利用。

4 餐廚垃圾熱水解處理農(nóng)業(yè)資源化應(yīng)用

餐廚垃圾進行熱水解處理后，產(chǎn)生的水解液中會含有豐富DOM（溶解性有機質(zhì)）和氮磷鉀硫等多種可溶性植物營養(yǎng)元素，在農(nóng)業(yè)資源化利用上應(yīng)用多樣。

4.1 有機肥

傳統(tǒng)的有機肥以人、禽畜糞便及秸稈等農(nóng)業(yè)廢物為有機原料，經(jīng)過堆、漚等方式利用好氧或厭氧微生物發(fā)酵進行，有機肥加工生產(chǎn)的原理都是基于微生物的基礎(chǔ)，但這種方式不僅費工費時，還會產(chǎn)生污水污泥、臭氣及病原菌危害等一系列環(huán)境問題，且在生產(chǎn)過程中有機原料的營養(yǎng)成分會有很大的損失。以氮素為例，在糞尿有機肥的生產(chǎn)過程中，氮素的總損失達到了將近50%[23]，除此之外，還有磷、鉀的流失以及有機質(zhì)的損耗。

相比之下，餐廚垃圾水解液在生產(chǎn)過程中最大程度保留其豐富的有機成分且釋放了其中難降解的氮磷鉀養(yǎng)分。在對餐廚垃圾進行熱水解處理后，以餐廚垃圾水解液為原料配以添加劑生產(chǎn)高效有機肥可有效地增加土壤有機質(zhì)，改善土壤結(jié)構(gòu)，增加其保水保肥能力，促進土壤微生物繁殖，提高農(nóng)作物抗病、抗旱、耐澇的能力[24]。朱琳等[25]研究表明，長期施用餐廚有機肥可以顯著提高土壤有機質(zhì)、活性有機碳含和氮磷鉀含量，并且有助于土壤團聚體的形成和穩(wěn)定，從而改善土壤結(jié)構(gòu)和土壤耕性。

4.2 土壤改良/修復(fù)

由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中農(nóng)藥、化肥的大量使用，土壤肥力流失、酸化鹽堿化、重金屬污染、毒性有機污染等農(nóng)田土地污染的環(huán)境問題越發(fā)突出。餐廚垃圾通過熱水解技術(shù)制備土壤改良劑或土壤修復(fù)劑能增加土壤持水量，增加土壤養(yǎng)分或修復(fù)土壤重金屬污染及土壤有機污染[26]。餐廚水解液中的有機質(zhì)含有豐富的活性官能團，且?guī)ж撾姾?，在進入土壤后能通過靜電吸附、絡(luò)合作用、配位交換、生物降解等方式在土壤中遷移轉(zhuǎn)化，從而對土壤的肥力、結(jié)構(gòu)和理化特性起到改善作用[27]。朱秋蓮等[28]研究表明有機質(zhì)的添加對鹽堿地的改良有明顯效果。閔濤等[29]研究表明溶解性有機質(zhì)對鎘污染土地有明顯的強化作用。姜倩利[30]研究發(fā)現(xiàn)添加外源性的DOM（溶解性有機質(zhì)）后，加快了土壤沉積物對抗生素土霉素的吸附作用?？梢?，餐廚水解液中在農(nóng)田土壤改良及污染修復(fù)方面有很大的應(yīng)用空間。

結(jié)語

2021 年7 月，國家發(fā)展改革委印發(fā)的《“十四五”循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》中明確指出，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟是我國經(jīng)濟社會發(fā)展的一項重大戰(zhàn)略，大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，推進資源節(jié)約集約利用，構(gòu)建資源循環(huán)型產(chǎn)業(yè)體系和廢舊物資循環(huán)利用體系，對保障國家資源安全，推動實現(xiàn)碳達峰、碳中和，促進生態(tài)文明建設(shè)具有重大意義。資源循環(huán)已經(jīng)成為當今各行業(yè)的發(fā)展熱點，無論是環(huán)保、農(nóng)業(yè)、制造業(yè)亦或是互聯(lián)網(wǎng)都有涉及。

資源的高效利用和循環(huán)利用是循環(huán)經(jīng)濟的核心，而餐廚垃圾通過熱水解技術(shù)進行高效的農(nóng)業(yè)資源化利用恰好符合循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展核心和可持續(xù)發(fā)展理念。餐廚垃圾有機質(zhì)含量高、微量元素豐富，具有極大的農(nóng)業(yè)資源化利用價值，而熱水解所具有的高效率、低成本的技術(shù)優(yōu)勢不僅能夠?qū)崿F(xiàn)垃圾的減量化、無害化、資源化，更能幫助改善我農(nóng)業(yè)土壤有機質(zhì)缺乏、農(nóng)田污染等現(xiàn)狀，推動我國的綠色有機農(nóng)業(yè)發(fā)展，實現(xiàn)餐廚垃圾的高效資源循環(huán)利用。從耕地到餐桌，再從餐桌回到耕地，農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)保相結(jié)合，熱水解技術(shù)打通了這一可持續(xù)資源循環(huán)途徑的重要一環(huán)。