解读中国厨余垃圾处理技术现状及特点

1.1粉碎直排

粉碎直排法在欧美家庭厨房有一定的应用，其中粉碎直排设备在美国家庭安装率超过95%。粉碎直排法具有工艺简单、处理成本低等特点，常用于处理少量厨房厨余垃圾，适合人口分散的地区使用。粉碎直排法降低了城市生活垃圾的产量，并给城市市政污水处理增加了有机碳源，但该方法会加重城市管网的压力，降低厨余垃圾的资源化率；厨余垃圾中的油脂在下水管道中容易凝结堆积成块，引发管网堵塞；此外，粉碎直排法需用大量水进行冲洗粉碎后的厨余垃圾，造成水资源浪费，其不适合缺水地区的应用。先前我国少量社区也尝试引入了该项处理技术,但其与我国下水管道管网的匹配度低，若改造下水道管网则会增加高昂的投入成本。虽然粉碎直排法目前不适合中国厨余垃圾的处理，但中国应当鼓励与支持其在部分水资源充分、排水管网适宜和污水处理设施完善的地区进行试点探索。若粉碎直排法的试点应用效果较好，则可在后续的城市管网与污水处理设施的修建与升级改造中，考虑粉碎直排法的排放需求，补充中国厨余垃圾可选择的处理技术。

1.2填埋

焚烧法主要有两种处理方式：第一种是直接将厨余垃圾与其它生活垃圾混合燃烧处理，这种处理方式产生的热量未能得到回收利用；第二种是采用热电站法，将厨余垃圾燃烧的热量回收利用为热能和电能，实现厨余垃圾的资源化。但厨余垃圾含水量较高，其热值仅为2100kJ/kg左右，需要添加如煤炭等辅助燃料，会增加额外资源的消耗和碳排放。2011年，世界首个厨余垃圾焚烧发电厂在英国投产运行，尽管其每天可将12万t厨余垃圾转化为150万kW·h的电能，但是其较高的运行成本也使得厨余垃圾焚烧发电技术难以推广应用。因此，焚烧法也不是厨余垃圾合适的处理方法。

1.4饲料

厨余垃圾中含有大量蛋白质和油脂，是优质的动物饲料原料。以往我国约80%的厨余垃圾未经处理被直接用来饲养动物，极易造成病原体通过食物链传播疾病，现在我国已禁止将厨余垃圾直接用作动物饲料，厨余垃圾需经过消毒、加工处理和生物转化过程，才可用作饲料资源。

近些年,用厨余垃圾来养殖昆虫逐渐受到人们的关注,其中黑水虻养殖的应用最为广泛。黑水虻具有易成活、适应性强、处理量大、营养价值高和生态安全性高等优点,是比较适合处理厨余垃圾的昆虫.昆虫养殖法可快速降解厨余垃圾,避免了厨余垃圾滋生苍蝇、病菌和臭气污染等问题,最终成虫经过筛分、烘干处理可得到优质昆虫蛋白和虫沙。昆虫蛋白后续可以将其加工为动物蛋白饲料或转化为生物柴油,虫沙可加工为有机肥料.此外,黑水虻还可以与堆肥工艺相结合,促进厨余垃圾的资源化处理.Liu等采用黑水虻促进厨余垃圾的好氧堆肥过程,结果表明黑水虻可以缩短堆肥周期,可将堆肥产物的发芽指数由41%提高至71%.因此,昆虫养殖是厨余垃圾适合的资源化处理技术。目前昆虫养殖法还存在昆虫育种技术不成熟、最终产品缺乏风险评估等不足,并且厨余垃圾中过高的盐分和油分不利于昆虫生长,因此该技术尚未得到大规模推广应用.

1.6堆肥

好氧堆肥根据过程温度的变化,可分为“升温阶段-高温阶段-降温阶段-腐熟阶段”4个阶段,每个阶段进行不同的生化反应,最终将厨余垃圾转化为腐殖质。厨余垃圾中含有较多的有机质,且具有易腐化变质的特征,比较符合好氧堆肥工艺的物料要求。

好氧堆肥过程是否成功，主要取决于堆肥物料的组成和堆肥条件参数。厨余垃圾堆肥过程中采用合适的曝气量、含水率、物料粒度、孔隙率、pH值或与其他有机废物进行共堆肥,都有利于好氧堆肥的进行。邹德勋等将菌糠和厨余垃圾进行联合好氧堆肥,结果表明菌糠可促进厨余垃圾的好氧堆肥，可降低混合堆料产生的臭气量,并得到发芽指数为55.6%的一次堆肥产品。好氧堆肥产品的质量受原料成分的影响较大,厨余垃圾中的油脂会在堆肥表面形成一层隔绝氧气的油膜,不利于好氧堆肥过程；厨余垃圾中盐分含量较高，长期使用高盐厨余垃圾堆肥产生的肥料会导致土地的盐碱化。Li等分析了厨余垃圾中高糖、高盐、高油脂和高纤维组分与好氧发酵效率之间的关系，研究表明不同成分的厨余垃圾的理化性质和水解酶活性存在显著差异,高油和高盐组分不利于厨余垃圾的好氧堆肥过程,堆肥之前应对厨余垃圾进行脱油和脱盐预处理。Gao等采用激发-发射矩阵光谱和傅里叶变换红外光谱分析手段研究了畜禽粪便和秸秆废物堆肥原料的腐殖酸形成机理，结果表明秸秆废物腐殖化产物的芳构化速率明显高于牲畜粪便腐殖化产物，这可能与堆肥原料成分不同有关。

此外，传统堆肥过程存在的堆肥周期长、占地面积大、氮素损失多、臭气和渗滤液的二次污染等问题,限制了其工业应用与推广。目前，国内外学者已经开始关注厨余垃圾好氧堆肥的提速、提质和源头减量研究。

Zhou等采用小型家庭快速堆肥机对厨余垃圾进行4d好氧发酵后，得到了发芽指数为89.7%、pH值为5.57、电导率为1984μS/cm的腐熟堆产品。王新杰等采用超高温好氧发酵技术处理餐厨垃圾，堆体内90℃以上的温度持续21d，具有良好的杀菌效果。Xin等采用具有智能温度、气体流量控制系统的新型生物干化腐熟反应器来处理厨余垃圾，在通风频率为开10min/关20min、翻转频率为3次/d、智能加热的条件下，15d就可获得发芽指数为94.28%的腐熟产物。

未来,厨余垃圾好氧堆肥应加强机械式堆肥、覆盖膜式堆肥和腐殖质产品应用的研究。

厨余垃圾可以通过厌氧消化获得清洁能源甲烷.有机物厌氧消化过程如图1所示，厨余垃圾在厌氧菌的作用下经过“水解-酸化-产乙酸产甲烷”4个发酵阶段。有机质先水解氨基酸、长链脂肪酸等小分子化合物，再进入酸化阶段产生丙酸、丁酸等多种有机酸，有机酸再转化为乙酸和氢气，最终乙酸和氢气在产甲烷阶段转化为甲烷，完成厨余垃圾的资源化过程。Kastner等采用厌氧消化法处理食品工业的有机废弃物，得到了甲烷含量约为60%的沼气，且沼气产率高达670L/kgVS(搅拌式反应器)和550L/kgVS(流化床反应器)。厌氧消化的产气量与发酵条件、底物性质和工艺流程密切相关，采取共消化和预处理技术可提高甲烷产量。罗娟等研究了甘蔗叶对厨余垃圾厌氧消化的影响，结果表明甘蔗叶可以提高厨余垃圾的甲烷产量。郝鑫等研究了秸秆、污泥与厨余垃圾共消化的协同效果，结果表明“餐厨+污泥+秸秆”3种物料共消化的产气量为373mL/gVS,3种底物共消化的产气量明显高于两种底物。刘研萍等发现高温水解预处理可以促进厨余垃圾的水解，提高厌氧体系中的VFAs和SCOD含量,进而提高了甲烷产率。

氢气通常采用能耗较高的电解法或以煤、石油及天然气等矿物燃料为原料制取,而以厨余垃圾为原料生产氢气过程的能耗较低,是传统制氢工艺的替代方案之一。厨余垃圾生产氢气的主要工艺有厌氧消化产氢气和光合细菌产氢气,产氢效果主要与产氢菌、发酵工艺条件和产氢抑制因子有关.袁雨珍等研究了pH值对厨余垃圾厌氧消化产氢的影响,结果表明厨余垃圾厌氧产氢的合适pH值为9,此时氢气产量为72.9mL/g。

1.7.3乙醇

1.7.4生物柴油

厨余垃圾可通过水热液化技术或发酵技术生产乳酸和还原性糖,通过水热碳化技术生产功能炭材料。三种高附加值产品均可用作化工原料,实现厨余垃圾的高值化利用。

乳酸又叫2-羟基丙酸,其合成的聚乳酸主要用来生产新型生物可降解塑料,该塑料在环保、医药等领域具有较高的应用价值。厨余垃圾可通过发酵技术转化为乳酸,进而合成聚乳酸。姜华等采用开放式乳酸发酵技术处理食物垃圾,可得到36.29g/L的乳酸。此外,厨余垃圾还可采用水热液化处理生产乳酸,同时会伴生乙酸。有研究表明,水热液化技术有机酸的产率较低,且生成的乳酸有向乙酸转化的趋势。Goto等采用兔粮作为城市有机固废的模型物质,通过水热液化技术可从兔粮中得到产率为3.2%的乳酸和2.6%的乙酸。目前,厨余垃圾产乳酸的研究集中在工艺开发和菌株培养上,技术尚不完善,后续可多加强菌株筛选改造和高效产乳酸反应器等方面的研究。厨余垃圾转化乳酸,既可实现厨余垃圾的资源化利用,制得的乳酸还可生产可降塑料,有利于解决白色污染问题。所以,厨余垃圾产乳酸也具有良好的应用前景。

厨余垃圾中淀粉和纤维素的水解产物葡萄糖是乙醇等物质的前驱体,具有较高的工业利用价值。目前,厨余垃圾可通过水热法、酶促法和酸解法来生产还原性糖。Nagamori等采用水热法处理淀粉产葡萄糖,淀粉在473K的温度下反应30min,可获得产率为630g/kg炭基的葡萄糖。陈梦等研究表明厨余垃圾在220U/g糖化酶、55.8℃、起始pH值为5.24的反应条件下,得到了68.02g/L的还原性糖。Vavouraki等研究了酸解法对厨余垃圾水解产糖的促进作用,表明采用1.12%的盐酸对厨余垃圾预处理94min,可将可溶性糖的产率提高至548mgeq.Glu/g。此外,在超临界条件下,厨余垃圾中的纤维素可水解为葡萄糖、果糖等还原性糖。目前厨余垃圾生产还原性糖工艺的产糖量低、发展不成熟,后续可以加强产糖过程中不同组分的影响、选择性促进和有害组分去除的研究,糖类的后续分离提纯研究也至关重要。

生物炭是生物质在高温缺氧环境下缓慢分解得到的一种富含碳元素的碳基材料,其表面含有大量的活性氧官能团,可对其改性为新型功能材料。厨余垃圾可通过水热碳化和热解技术生产炭材料,所得生物炭材料可用于水质净化、吸附污染物、负载药物、催化剂和改良土壤等用途。厨余垃圾生产炭材料可视为二氧化碳的封存过程,可减少21%的碳排放。张新旺等采用高温热解方法和共沉淀法处理厨余垃圾,获得了对水中亚甲基蓝具有较好吸附效果的磁性生物质炭材料。金桃等以水热碳化方法处理厨余垃圾,得到了热值及灰分均达到一级精煤标准的生物煤。吴倩芳等以厨余垃圾作为原料,采用水热碳化方法制得了铁/炭纳米复合材料.虽然厨余垃圾水热法制备生物炭的转化效果较好,但是水热法存在反应复杂、副产物较多和反应精准控制不足等缺点,且得到的生物炭为导电性较差的非晶态碳材料,限制了炭材料产品的应用范围。未来可加强热解制生物炭的工艺优化和生物炭产品的性能改进,扩大生物炭材料的应用领域。

目前，中国最适合大规模工业应用的资源化处理技术为厌氧消化和好氧堆肥。通过表2显示的厌氧消化和好氧堆肥处理方案对比可知，厌氧消化和好氧堆肥均有良好的资源化属性，并且在技术、经济上可互相补充。与厌氧消化相比，好氧堆肥更关注于缩短堆肥周期、提高产品腐质化程度、减少臭气和温室气体排放方面，其适合中小规模厨余垃圾的源头减量和分散式处理。以往，中国对厨余垃圾堆肥生产的有机肥缺乏相应国家标准，缺乏销售和使用堆肥产物的有效市场，而2021年5月中华人民共和国农业农村部颁布的有机肥料行业标准(NY/T525-2021)将厨余垃圾和沼渣/液纳入生产商品有机肥的评估类原料，这将极大推动了厨余垃圾好氧堆肥市场的发展。与好氧堆肥相比，厌氧消化具有低碳排放、二次污染少、运行成本低、温室气体排放低和全球变暖潜能值低等优点，其适用于厨余垃圾的集中式、大规模处理。

近年来，较多研究采用生命周期评价方法来研究厨余垃圾不同处理方式的影响，以期选择更经济、环境影响小和高效的资源化处理方式。在环境保护和资源回收方面，厌氧消化和好氧堆肥优于垃圾填埋、焚烧和气化;与好氧堆肥相比，厌氧消化具有较低的温室气体排放量、较小的环境影响和较高的经济效益；而好氧堆肥因其工艺简单、周期相对较短和投资成本低等优点，成为厨余垃圾分散式、源头减量等特定场景下合适的资源化处理技术。因此，大型城市厨余垃圾的集中处理适合采用厌氧消化方案；而机关单位、社区、菜市场等小型场所和偏远地区适合采用快速好氧堆肥机进行源头减量；农村地区适合采用低成本的覆盖膜式静态好氧堆肥。

综合考虑经济、环境效益,图3所示的废弃油脂炼制生物柴油+厌氧消化产甲烷+沼渣好氧堆肥可能是中国厨余垃圾合适的资源化工艺。针对厨余垃圾厌氧消化过程存在的低C/N、营养元素不均衡、消化周期长、易酸化和氨氮累积等问题，该组合工艺的厌氧消化阶段可采取预处理(机械研磨、超声、微波、热处理、冻融、高级氧化、酸处理、碱处理、微氧处理和酶处理等)、共消化(园林垃圾、污泥、畜禽粪便和农业废弃物等)、添加剂(生物炭、纳米材料、矿物材料、营养元素和生物填料等)和两相厌氧消化等手段，来提高厨余垃圾的可生化性和厌氧消化效率。

针对厨余垃圾沼渣好氧堆肥过程存在的高含水率、低C/N、堆肥周期长和臭气等问题，该组合工艺的好氧堆肥阶段可采取添加膨松剂(木屑、秸秆和稻壳等)、共堆肥(园林垃圾、污泥、畜禽粪便和农业废弃物等)、添加剂(微生物菌剂、生物炭、沸石和可形成鸟粪石的镁盐、磷酸盐等)、机械堆肥和覆盖膜式堆肥等手段，来强化厨余垃圾厌氧沼渣的好氧堆肥过程。

未来,在厨余垃圾资源化回收方案的选择上，应继续引入生命周期评价方法来评估厨余垃圾资源化回收方案的合理性，进而选择经济和环境效益双高的资源化解决方案。

3.1 我国厨余垃圾产量大，处理不当会对环境造成严重影响。通过对8种厨余垃圾处理方式的回顾分析，得出厨余垃圾的资源化处理(饲料、昆虫养殖、堆肥、转化能源和高值化利用)是未来的发展趋势，其中饲料化应是未来厨余垃圾资源化处理中值得提倡的技术之一。

3.2 厌氧消化和好氧堆肥作为工业应用最广的资源化技术，分别适用于集中大规模处理和分散式、中小规模、源头减量处理的应用场景，其中厌氧消化技术具有较好的经济环境效益。

3.3 废弃油脂炼制生物柴油+厌氧消化产甲烷+沼渣好氧堆肥的组合工艺可能是目前中国厨余垃圾合适的资源化处理工艺。

3.4 未来，应引入生命周期评价方法来评估厨余垃圾资源化回收方案的合理性，指导选择经济、环境效益较好的资源化解决方案。