我國家庭廚余垃圾與餐廚垃圾理化性質對比分析＊
——源頭分類的影響

楊 娜，王 巧，呂 凡，余波平，徐期勇，何品晶

（1.深圳市環境科學研究院，廣東 深圳 518001；2.同濟大學固體廢物處理與資源化研究所，上海 200092；3.北京大學深圳研究生院，廣東 深圳 518055；4.廣東省環境保護污水高質化利用工程技術研發中心，廣東 深圳 518001）

0 引言

近年來，在“無廢城市”建設、固體廢物污染環境防治法修訂實施等重大政策的推動下，我國生活垃圾分類進入“強制時代”［1］。廚余垃圾，是生活垃圾中的主要組成部分，占比高達40%～60%［2-3］，兼具資源性與污染性［4］，其能否得到有效處理是決定生活垃圾源頭減量和資源化利用效果的關鍵。按照產生地點不同，廚余垃圾可分為餐廚垃圾和家庭廚余垃圾等［5］，前者產自餐館、食堂等商業端，經過多年的探索現已基本形成較成熟的管理模式；后者產自居民家庭生活端，是2019 年生活垃圾強制分類制度實施后新出現的一類有機廢物。隨著我國居民生活水平提高，家庭廚余垃圾產生量將持續增加［6］。同時，生活垃圾分類工作的深入推進也會促進家庭廚余垃圾分類收集率逐步提升。以北京和上海為例，北京市實施《北京市生活垃圾管理條例》后，家庭廚余垃圾分出率由1.41% 提高至20% 左右［7］；上海市實施垃圾分類兩年后，濕垃圾分出量增長89%［8］。家庭廚余垃圾分出量大幅增加后，對其進行分類收運和處理迫在眉睫，但目前尚未形成成熟的管理模式。家庭廚余垃圾的理化性質不僅決定了各管理環節的物質和能源投入，而且影響著處理工藝參數選擇及衍生污染特性［9］，對合理選擇處理技術和管理模式至關重要。

我國家庭廚余垃圾分類處于初期階段，其理化性質的研究資料積累有限［10］，研究集中在上海、北京、重慶、江蘇、浙江等垃圾分類推進較快的地區。由于各地不同時期的垃圾分類要求和實際效果存在差異，文獻中對廚余垃圾的定義、采樣地點和分析方法等也不盡相同，迄今缺乏對家庭廚余垃圾理化性質的全面認識。隨著上海、深圳等城市生活垃圾強制分類效果逐漸顯現，有條件對源頭分類的家庭廚余垃圾進行采樣分析，獲取其理化性質的一手資料。

自2010 年開展餐廚廢棄物資源化利用和無害化處理試點工作［11］以來，我國主要城市已基本建立餐廚垃圾單獨收運、處理體系［12］，為城市管理者和研究者構建家庭廚余垃圾管理模式提供了參考。然而，餐廚垃圾以用餐過程中產生的“餐后垃圾”為主，“熟料”含量較多；家庭廚余垃圾以備餐過程中產生的“餐前垃圾”為主，“生料”含量較多。研究者普遍認為兩者產生地點和產生方式的不同使其理化性質存在一定差異［1，13］，餐廚垃圾在處理技術和管理路徑方面的相關經驗可能不完全適用于家庭廚余垃圾。王小銘等［10］通過文獻調研發現，廚余垃圾與餐廚垃圾的理化特性接近，區別僅在于廚余垃圾的部分指標跨度范圍更大，但也指出得出這一結論的原因可能在于廚余垃圾理化性質數據稀缺、餐廚和廚余垃圾界定不清等。目前，對家庭廚余垃圾和餐廚垃圾理化性質的系統對比研究仍不足。

本研究對深圳已實施源頭分類的家庭廚余垃圾進行跟蹤采樣，分析其理化性質變化趨勢；結合對文獻數據的全面調研和甄別分析，探討源頭分類與否對家庭廚余垃圾理化性質的影響，并對比家庭廚余垃圾和餐廚垃圾理化性質指標的異同點，為家庭廚余垃圾處理技術選型和管理模式決策提供理論支撐。

1 研究方法

1.1 采樣及測試方法

按照CJ/T 313—2009 生活垃圾采樣和分析方法，對深圳某垃圾分類示范小區的家庭廚余垃圾進行采樣和分析，采樣時間為2021 年1—9 月（原計劃采樣12 個月，但因疫情管控，2021 年10—12 月未能按計劃完成采樣工作），每月采樣1次，共計9 次。小區居民將家庭廚余垃圾破袋后投放到專用垃圾桶，采樣點為家庭廚余垃圾收集桶，將當日產生的垃圾倒在干凈的水泥地上，用鐵鍬將垃圾混合均勻后堆成堆體，采用四分法縮分得到樣品3 kg。采集后的樣品送往實驗室測試理化性質指標。對原始樣品測定物理組分和含水率指標后，將烘干樣品分級破碎研磨至0.5 mm 以下，采用四分法縮分至200 g 后裝袋備用。物理組成和含水率無平行樣，其余指標測3 個平行樣。

物理組成采用重量法測定，人工分揀為植物類、動物類、塑料類、紙類和難降解類等5 類，分別稱量各組分質量。含水率采用105 ℃干燥失重法測定。有機質含量用VS/TS 代表，TS、VS 分別采用烘干稱重法測定。pH 使用pH 計（FiveEasy Plus，Mettler Toledo，Switzerland）測定。C、H、O、N、S 有機元素含量使用元素分析儀（2400 Series II，PerkinElmer，USA）測定。金屬元素通過電感耦合等離子體質譜儀（Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry，ICP-MS；iCAP RQ，ThermoFisher，USA）測量，測量前需對固體樣品進行微波消解，使用10 mL 的鹽酸、硝酸和氫氟酸（體積比3 ∶1 ∶1）將固體在微波消解儀（Ethos Easy，Milestone，Italy）中消解，之后的液體樣品過0.45 μm 濾膜并通過ICP-MS 進行檢測。含鹽量用Na+含量折算為NaCl 的干基百分比表征。

1.2 文獻調研方法

在中國知網以“廚余垃圾”“家庭廚余垃圾”“餐廚垃圾”“易腐垃圾”“有機垃圾”等為關鍵詞進行文獻檢索，發現文獻中對餐廚垃圾和廚余垃圾的定義混淆，尤其是2019 年生活垃圾強制分類制度實施之前，很多研究所指的廚余垃圾實際采樣地點為餐館、食堂。根據GB/T 19095—2019 生活垃圾分類標志，按照文獻中的樣品采集位置和采樣方法對家庭廚余垃圾和餐廚垃圾作明確界定，即將居民家庭生活中產生的易腐有機垃圾歸為家庭廚余垃圾，將餐館、食堂等餐飲密集場所產生的食物廢棄物歸為餐廚垃圾。為確保數據準確性，只分析一手測試結果，剔除二次引用數據。根據上述原則，分別篩選出涉及家庭廚余垃圾和餐廚垃圾性質的文獻17 篇和40 篇。將文獻中提及的垃圾性質按照物理組成、雜質含量、含水率、密度、pH、含鹽量（折算為NaCl 含量）、有機元素含量（C、H、O、N、S）、C/N、有機質含量、生物質（碳水化合物、脂肪、蛋白質）、重金屬（Pb、Cd、Hg、Cr、As）等作統計分析。考慮到不同文獻對理化性質的表征方式存在差異，本研究對表征指標和單位進行統一換算；對于一篇文獻中出現多個數據（不同采樣點或采樣時間）的，取其平均值。

1.3 統計分析方法

使用Excel 軟件對數據進行統計學差異性分析，首先利用F-檢驗雙樣本方差分析判斷數據組方差差異，根據方差分析結果選擇t-檢驗：雙樣本等方差假設或雙樣本異方差假設，得出數據均值之間的差異性是否顯著，置信度為95%。

2 結果與討論

2.1 家庭廚余垃圾理化性質

深圳某垃圾分類示范小區的家庭廚余垃圾2021 年連續9 個月的采樣分析結果見圖1。

圖1 源頭分類的家庭廚余垃圾理化性質隨時間變化Figure 1 Variation of physical-chemical characteristics of source-segregated household food waste(HFW)with time

家庭廚余垃圾的5 類物理組分中，植物類含量為83.0%±4.2%，動物類為4.4%±3.2%，難降解類（主要是骨頭、貝殼等食物殘渣）為11.3%±2.7%，紙類（主要是廚房用紙和餐巾紙）為1.04%±0.83%，塑料類（主要是食物包裝袋）為0.24%±0.37%。植物類、動物類和難降解類均為食物殘渣，合計占比高達98.7%±0.7%，說明該示范小區的家庭廚余垃圾投放準確度較高。然而，根據《深圳市生活垃圾分類投放指引（2020 年版）》，骨頭、貝殼等難降解食物殘渣不屬于家庭廚余垃圾，其存在會損壞家庭廚余垃圾處理機械設備、降低生物降解效率、影響產物的純凈度，后續生活垃圾分類工作中應加強對居民的宣傳教育，引導居民將其投入其他垃圾桶。含水率、有機質和有機元素C、H 的數據變化范圍較小，變異系數（標準差與平均值之比）低于10%；pH、含鹽量和有機元素O、N、S 的數據變化范圍略大，變異系數范圍為10%～20%。總的來說，各項指標9 次采樣測試結果未發現明顯的變化趨勢，一方面是由于該小區的家庭廚余垃圾分類純凈度已相對較高，雜質含量趨于穩定，食品殘渣的組成和性質主要與家庭飲食結構有關；另一方面，深圳市季節氣候變化不明顯，家庭飲食結構變化不大。

2.2 源頭分類對家庭廚余垃圾理化性質的影響

將本研究實測的家庭廚余垃圾各項理化性質取均值，與文獻調研結果一同列入表1。

表1 本研究實測與文獻中家庭廚余垃圾理化性質Table 1 Overview of the physical-chemical characteristics of HFW in this study and reviewed publications

根據不同采樣方式，可以將家庭廚余垃圾分為兩類：一類是源頭分類的家庭廚余垃圾，采樣時未與其他垃圾混合，包括入戶采樣、在實施源頭分類的小區廚余垃圾收集點采樣、在分類收集的廚余垃圾處理設施采樣（表1 中序號1～12）；另一類是從混合收集的生活垃圾中分揀獲得，采樣點為生活垃圾收集點、轉運站和末端處理設施（表1 中序號13～18）。將表1 中的家庭廚余垃圾性質數據按照兩種采樣方式分別進行統計分析，結果如圖2 所示。其中，本研究的實測數據不納入統計，單獨表征。

圖2 不同來源的家庭廚余垃圾與餐廚垃圾理化性質對比分析Figure 2 Comparison of the physical-chemical characteristics between HFW and restaurant food waste（RFW）of different sources

家庭廚余垃圾中的雜質含量受采樣方式的影響較大。從混合垃圾中分揀采樣的家庭廚余垃圾的雜質含量最低，為2.31%～7.20%，原因在于樣品經過研究人員的人工分揀，其中的雜質被最大程度剔除。2019 年之前源頭分類采樣的家庭廚余垃圾雜質含量為19.40%～31.10%，明顯高于混合垃圾分揀采樣的結果，原因在于這一時期我國生活垃圾分類工作處于試點階段，家庭廚余垃圾源頭分類主要靠居民自覺，分類準確度較低。2020 年后，隨著上海、北京、深圳等城市陸續建立強制分類制度，居民參與垃圾分類的積極性和準確度顯著提高，雜質含量大幅下降為2.90%～12.60%，與混合垃圾分揀采樣的結果相當或略高。與之相關的，代表深圳強制分類制度實施后家庭廚余垃圾有機質含量的本研究實測數據為90.6%，顯著高于2019 年之前的數據范圍（75.2%～85.0%）。

文獻中源頭分類采樣的家庭廚余垃圾含水率為76.8%±5.0%，與本研究實測數據（76.6%）接近，顯著高于混合垃圾分揀采樣含水率65.5%±4.0%（P=0.004 7，雙尾）。原因在于后者在生活垃圾混合投放和貯存過程中，發生了水分由家庭廚余垃圾向紙類等其他組分的遷移，不能代表家庭廚余垃圾源頭產生時的含水率狀態[30-31]。

文獻中源頭分類采樣的家庭廚余垃圾pH 為4.17～6.00，本研究實測數據（4.76）和混合垃圾分揀采樣數據（4.20）均在該范圍內。文獻中源頭分類采樣的家庭廚余垃圾含鹽量（以干基計）為0.80%～1.61%，本研究實測數據（以干基計）為1.90%，混合垃圾分揀采樣（以干基計）為1.04%。看不出源頭分類對pH 和含鹽量的顯著影響，但由于數據量過少（只有1～3 個），仍需更多研究探討。受飲食習慣和采樣季節等因素影響，不同研究文獻的家庭廚余垃圾有機元素含量波動范圍較大，源頭分類對有機元素含量和C/N 沒有顯著影響（P＞0.28，雙尾）。

文獻中源頭分類采樣的家庭廚余垃圾中Pb、Cd、Hg、Cr、As 濃度（以干基計）分別為0.85～4.16、0.15～0.65、0.05～0.14、1.18～44.17、0.98～4.39 mg/kg；混合垃圾分揀采樣的濃度（以干基計）分別為30.00、0.16～0.41、0.02～0.54、10.30～25.00、1.33 mg/kg。Zhang 等［32］對生活垃圾焚燒廠和堆肥廠的入廠垃圾進行人工分揀，將剔除塑料、紙類、木材、織物、金屬、建筑殘渣、玻璃后的剩余物歸類為廚余垃圾，經原子吸收光譜法測試發現其Pb、Cd、Hg、Cr、As濃度（以干基計）分別為94.00～168.00、1.40～2.60、0.49～1.40、118.00～231.00、14.00～26.00 mg/kg。可見，表1 中經源頭分類的家庭廚余垃圾重金屬濃度顯著低于Zhang 等［32］的研究結果，說明源頭分類能有效降低生活垃圾中其他組分中的重金屬向家庭廚余垃圾的遷移污染，從而大幅降低家庭廚余垃圾的重金屬濃度。源頭分類采樣與混合垃圾分揀采樣的家庭廚余垃圾重金屬含量未見顯著不同：一是由于混合垃圾分揀采樣的數據點采集自生活垃圾收集點［24］和中轉站［26］，在生活垃圾管理流程中靠近產生端，各垃圾組分混合時間較短，重金屬遷移現象不明顯；二是調研收集到的文獻數據量偏少，且各研究文獻的采樣時間、地點和分析方法存在差異，統計學差異難以體現。

綜上，源頭分類采樣的家庭廚余垃圾性質能代表其產生時的實際狀態，可以用作家庭廚余垃圾管理系統設計的基礎數據。

2.3 家庭廚余垃圾與餐廚垃圾理化性質對比分析

對本研究實測的和文獻中源頭分類采樣的家庭廚余垃圾理化性質數據進行匯總統計，結果見表2。本研究調研的40篇與餐廚垃圾性質相關的研究文獻可以分為兩大類：一類是對某地區餐廚垃圾特性總體情況的調查分析，需要對多個餐館、食堂或餐廚垃圾收集點的多次采樣分析；另一類是餐廚垃圾處理技術研發過程中的原料性質分析，通常只進行一次采樣，并通過手工分揀出骨頭、塑料、紙巾等雜質以確保樣品純凈度。對兩類文獻的數據結果進行差異性分析，未發現顯著差異（P＞0.05）。因此，對文獻中的餐廚垃圾理化性質數據不做區分，統計結果見表2。

表2 家庭廚余垃圾與餐廚垃圾理化性質Table 2 Physical-chemical characteristics of HFW and RFW

餐廚垃圾雜質含量數據全部來自垃圾特性調查類文獻，沒有手工分揀雜質環節，可以反映餐廚垃圾產生端的實際情況。文獻數據統計結果為12.1%±5.7%，與家庭廚余垃圾沒有顯著差異（P=0.37，雙尾），在生物處理前均需通過預處理去除雜質。

餐廚垃圾的含水率為80.2%±5.7%，略高于家庭廚余垃圾（76.7%±4.8%），差異不明顯（P=0.09，雙尾）。餐廚垃圾的密度為（0.92±0.17）t/m3，顯著高于家庭廚余垃圾（0.38±0.16）t/m3，（P=0.000 29，雙尾）。雖然兩者的含水率差異不大，但密度卻顯著不同，原因在于餐廚垃圾中的水分以自由水為主，外觀形態接近流質；而家庭廚余垃圾一般呈結構疏松的固態［13］，水分以物質內部的間隙水為主，鮮見流動液體。這一特點決定其適合不同的收運方式，餐廚垃圾通常用桶裝收集、罐車密封運輸；家庭廚余垃圾可以用袋裝或桶裝收集、桶換桶直運或無泄漏船型車等多種方式運輸。此外，兩者的水分脫除方式也不同，餐廚垃圾通常用三相分離機實現水、油、固分離；家庭廚余垃圾則需要用壓榨設備去除水分。

餐廚垃圾的含鹽量（以干基計）為3.89%±2.00%，顯著高于家庭廚余垃圾（以干基計）1.34%±0.51%（P=0.043，雙尾）。鹽分對生物處理過程的影響表現為Na+的“低促高抑”作用［33］，即當Na+濃度較低時，是微生物生長的必需元素，可以促進酶反應；但隨著濃度升高逐漸表現為毒性作用。多項研究表明［34-36］，當厭氧消化液的Na+濃度達到5～10 g/L 時，對厭氧消化反應表現出較強的抑制作用。按照濕式中溫厭氧消化工程實踐有機負荷（以VS 計）2.3～2.7 kg/（m3·d）推算［37］，以餐廚垃圾和家庭廚余垃圾為反應物的厭氧消化反應器內的Na+濃度分別為0.039～0.046 g/L 和0.015～0.017 g/L，未達到抑制限值。由于家庭廚余垃圾含固率高，一般認為采用干式厭氧發酵或堆肥處理的資源化利用效率更高。研究發現，當堆肥物料含鹽量（以NaCl 計）高于1.5%［38］，干式厭氧發酵物料含鹽量（以NaCl 計）高于4%［39］時，會顯著抑制微生物生長，進而影響甲烷產量、堆肥產品腐熟度和滅菌效果等。這兩種處理方式中，家庭廚余垃圾中的鹽分不會被額外添加的水分稀釋，相當于反應物料NaCl 濃度為0.31%（濕基），亦低于抑制限值。綜上，家庭廚余垃圾和餐廚垃圾中的鹽分不會對生物處理的反應過程產生明顯抑制作用。但需注意評估肥料產品中的鹽分對施用土壤的長期影響［40］。郭全忠等［41］研究發現，對菜田土壤長期（5 a 以上）施用豬糞沼液沼渣，會造成土壤中鹽分的快速累積，存在促進土壤次生鹽漬化的潛在風險。

有機質和生物質組成是關系廚余垃圾生物可利用性的關鍵指標。餐廚垃圾的有機質含量（以干基計）為90.1%±4.8%，顯著高于家庭廚余垃圾81.8%±5.7%（P=0.000 1，雙尾），主要原因在于其脂肪含量（21.6%±7.9%）比家庭廚余垃圾（12.3%±6.1%，P=0.022，雙尾）高近10 個百分點。餐廚垃圾中較高的脂肪濃度會對厭氧消化產生酸化抑制、阻礙沼氣溢出等負面影響［42-43］，同時脂肪中的油脂具有較高的轉化利用價值［44］，因此，餐廚垃圾處理設施通常會在預處理環節設置三相分離器提取油脂，油脂提取率約為3%～5%。家庭廚余垃圾預處理過程中的油脂提取環節需根據進料純度調整，工程實際中的提油率約為1.0%～1.5%，大部分案例受雜質含量較高的影響未設置提油環節。此外，餐廚垃圾和家庭廚余垃圾的碳水化合物、蛋白質含量和C/N 沒有顯著差異。有關C/N 的報道中，有大約2/3 的數據小于20，均值為20 左右，低于生物反應適宜范圍（好氧堆肥為20～30，厭氧消化為25～30）［45］，生物處理過程中易產生氨抑制，需添加輔料調節。

重金屬指標是反映廚余垃圾處理產品生物安全性的重要指標之一。家庭廚余垃圾經好氧堆肥處理后，大部分有機質和水分轉化流失，重金屬被濃縮，以減重率40%［46］測算，堆肥產品中的Pb、Cd、Hg、Cr、As 濃度（以干基計）分別為（1.96±1.68）、（0.29±0.25）、（0.07±0.05）、（14.44±17.93）、（1.73±1.63）mg/kg，均低于NY/T 525—2021 有機肥料中限量指標和GB 15618—2018 土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準中的篩選值下限；除Cd 之外，低于深圳市DB 4403/T 68—2020 土壤環境背景值。曹長明等［47］將重金屬濃度與本研究測算結果接近的廚余垃圾堆肥施用于蘋果園，發現短期（1 a）內不會造成土壤和蘋果中的重金屬污染。Chen 等［48］對生菜土壤連續施用3 a 禽畜糞污堆肥后，發現土壤中的Cd 濃度升高了32%。因此，堆肥產品使用者應注意控制施肥用量和時間，避免造成土壤中重金屬累積。關于餐廚垃圾性質的研究中鮮見對重金屬數據的報道。相關文獻研究結果顯示，餐廚垃圾的Hg 濃度為0.87 mg/kg，比家庭廚余垃圾高1 個數量級［49-50］，超過GB 13078—2017 飼料衛生標準中飼料原料濃度標準上限；其余重金屬濃度與家庭廚余垃圾相似。但由于數據量過少，該結論的可靠性有限，需更多研究探討。

有機元素含量決定了廚余垃圾的燃燒特性，是影響熱化學反應過程的重要指標。對比發現，餐廚垃圾與家庭廚余垃圾的C、H、O、N、S 元素含量沒有顯著差異，與美國數據（以干基計，分別為48.0%、6.4%、37.6%、2.6%、0.4%）［51］接近。

3 結論

1）本研究對源頭分類收集家庭廚余垃圾的實測結果顯示，其雜質含量較低、有機質含量較高，說明強制分類制度可提高家庭廚余垃圾分類準確率，減少雜質對各項理化性質指標的干擾，有利于后續資源化利用。

2）源頭分類采樣的家庭廚余垃圾含水率顯著高于混合垃圾分揀采樣的結果，說明對家庭廚余垃圾進行源頭分類收集能有效阻止其水分向其他組分遷移，從而提高其他組分的熱值和回收利用潛力。

3）家庭廚余垃圾的密度、含鹽量、有機質和脂肪含量顯著低于餐廚垃圾，其余指標無顯著差異。兩者的收集運輸和預處理環節應根據其性質特點分別設計；處理環節可根據工藝特點和技術參數要求進行調質后實現一定程度的協同；二次污染控制、產物利用和殘余物處置環節則需根據處理工藝決定是否能夠協同。

4）本研究總結了家庭廚余垃圾和餐廚垃圾的理化性質參數，可作為處理技術選型、污染潛力評估等工作的基礎數據。經測算，采用厭氧發酵和堆肥處理技術時，家庭廚余垃圾和餐廚垃圾的含鹽量均低于抑制限值，肥料產品中的重金屬亦低于各污染評價標準限值，但仍需關注堆肥產品長期施用于土壤造成的鹽分和重金屬累積效應。