盛維杰 靳晨曦 李光明 楊殿海

同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

0 引言

廚余垃圾是指居民日常生活和學(xué)校、公司等單位供餐，以及餐廳服務(wù)等活動中產(chǎn)生的垃圾，包括剩菜、剩飯、菜葉、碎骨、果殼瓜皮等固體廢棄物[1]，在生活垃圾中占比達到49.4%～64.5%[2]。廚余垃圾具有高油脂、高含水率、高有機質(zhì)和高鹽分“四高”屬性，并且含有多種微量元素，易腐敗和滋生細菌[3]。隨著上海、北京接連頒布垃圾分類條例，廚余垃圾被大量分出。根據(jù)2020年11月3日北京市召開《北京市生活垃圾管理條例》實施情況新聞發(fā)布會的介紹，10月份廚余垃圾分出量從條例實施前的每日309 t增長至每日3 946 t，增長了11.7倍，其它垃圾減量明顯，達每日1.6萬t，同比上年下降32%。目前，上海與北京將生活垃圾分別劃分為“干垃圾、濕垃圾、有害垃圾、可回收物”和“廚余垃圾、可回收物、有害垃圾、其它垃圾”，其中上海所劃分出的濕垃圾即為廚余垃圾，也是兩地民眾進行垃圾分類時最為頭痛的一種垃圾。一方面由于兩地均規(guī)定廚余垃圾必須與濕垃圾袋分別投放，而脫袋過程中經(jīng)常會產(chǎn)生滲濾液和臭味，導(dǎo)致環(huán)境污染。另一方面小區(qū)需要安排專人監(jiān)管廚余垃圾的投放，防止混合投放現(xiàn)象的發(fā)生，增加了人力成本。因此，原位處理廚余垃圾，減輕居民投放負擔(dān)已成為研究熱點。根據(jù)商務(wù)部的數(shù)據(jù)測算，2020年我國的廚余垃圾產(chǎn)生量將達到1.18億萬t[4]，而其中的有機質(zhì)成分如粗脂肪、粗蛋白等均可以通過技術(shù)手段加以利用，從而不僅達到減量化的目標(biāo)，還能將廚余垃圾資源化，從而保護環(huán)境，節(jié)約能源。但是如何在資源化利用的同時，將水、鹽分等物質(zhì)分離出來，如何保證處理后的物質(zhì)能夠達到使用標(biāo)準(zhǔn)，可以安全利用，沼渣等廢棄物和臭氣如何處理，成為廚余垃圾處理技術(shù)中的關(guān)鍵問題。

本文介紹了幾種常用的廚余垃圾處理技術(shù)，并以好氧堆肥技術(shù)為例，總結(jié)與該技術(shù)相關(guān)的研究進展，最后對好氧堆肥技術(shù)的發(fā)展前景進行展望。

1 廚余垃圾處理方式現(xiàn)狀

廚余垃圾由于具有“危害性”和“資源性”的雙重屬性[5]，且在垃圾分類的大背景下廚余垃圾的收集量增加明顯，因此越來越多的研究者探究如何及時高效地處理廚余垃圾，充分利用其資源屬性來創(chuàng)造環(huán)境和經(jīng)濟價值。表1對列出的主要處理方法的優(yōu)缺點進行了分析。

目前，我國處理廚余垃圾的主要方式是將廚余垃圾與其它生活垃圾混合進行焚燒或者填埋?！吨袊y(tǒng)計年鑒（2020）》數(shù)據(jù)顯示，2019年我國城市生活垃圾利用焚燒或者填埋進行處理的比例分別為50.47%、45.59%。焚燒法可以回收焚燒垃圾產(chǎn)生的能量，并將其轉(zhuǎn)化為電能，但是由于廚余垃圾本身含水率高，熱值低，燃燒不充分，易生成二噁英等有毒物質(zhì)，造成二次污染[6][7]。填埋法處理量大，費用較低，但是該方法需要占用大量的土地資源，且由于廚余垃圾在填埋過程中處于相對封閉的環(huán)境，易導(dǎo)致厭氧發(fā)酵，生成甲烷和臭氣，存在安全和健康隱患[8]，在發(fā)酵過程中還會生成大量垃圾滲濾液滲入地下，造成二次污染[9]。由于焚燒和填埋的危害較大，世界上越來越多的地區(qū)禁止使用這兩種方法處理垃圾。例如，歐洲頒布了垃圾掩埋法令，法令中指出要將進入填埋場的有機垃圾的比例降低到35%，德國則禁止所有垃圾填埋場處理任何可生物降解的廢物[10]。廚余垃圾遠離垃圾填埋場不僅有益于環(huán)境，而且還促進了其它資源化技術(shù)的發(fā)展。

利用資源化技術(shù)處理廚余垃圾不僅可以解決環(huán)境污染問題，還能實現(xiàn)資源的循環(huán)利用。廚余垃圾的資源化技術(shù)主要包含好氧堆肥、厭氧消化、飼料化法、昆蟲養(yǎng)殖法和生產(chǎn)高附加值化學(xué)品法等方法。飼料化法是通過微生物發(fā)酵將廚余垃圾轉(zhuǎn)化為含有豐富蛋白質(zhì)的飼料，并將其用于畜禽養(yǎng)殖[11]。該方法可以對廚余垃圾進行減量化和資源化處理，但是飼料中可能含有口蹄疫病毒、豬瘟病毒等，同時還存在蛋白質(zhì)同源污染的風(fēng)險[12]。歐盟已規(guī)定為了避免疾病，廚余垃圾不可作為動物飼料。昆蟲養(yǎng)殖技術(shù)利用黑水虻、美洲大蠊等昆蟲來處理廚余垃圾，該方法減容率高，可以控制惡臭氣體的產(chǎn)生，養(yǎng)殖后的昆蟲還可以用于制作飼料[13]。但是黑水虻、美洲大蠊本身就是一些病毒的攜帶者，如美洲大蠊會攜帶手足口病的病原體，而在制作成飼料的過程中消毒滅菌手段是否完善、飼料是否符合我國飼料使用規(guī)范則需要相關(guān)部門的監(jiān)督。生產(chǎn)高附加值化學(xué)品技術(shù)能夠從廚余垃圾中制得乙醇、乳酸、生物柴油等能源[14-16]，但是該技術(shù)還不太成熟，大多處于實驗室研究階段，缺乏工業(yè)應(yīng)用。

厭氧消化和好氧堆肥在我國被廣泛用于實現(xiàn)廚余垃圾的資源化處理[17]。厭氧消化適用于大型集中處理項目，該方法利用厭氧微生物將廚余垃圾中的有機質(zhì)分解為小分子物質(zhì)以達到減量化的效果[9]，雖然可以得到甲烷、氫氣等清潔能源，但是在發(fā)酵過程中會產(chǎn)生濃烈的刺激性氣味和大量含有高濃度氨氮的沼液，而且發(fā)酵過后的沼渣量大，含水率高，難以處理，基本都需要依托生活垃圾焚燒發(fā)電廠和填埋場進行后續(xù)處理[5]。好氧堆肥法主要用來處理小規(guī)模、分散住戶產(chǎn)生的廚余垃圾，該方法可將有機垃圾轉(zhuǎn)化為有機肥料或者土壤調(diào)節(jié)劑，具有操作簡便、可控程度高、成本低、臭氣和滲濾液產(chǎn)生量小的優(yōu)點[17]。2020年7月，中國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部修訂了《商用有機肥料（征求意見稿）》（NY 525-2012）標(biāo)準(zhǔn)，首次將廚余垃圾作為商用有機肥料的評價原料，因此利用好氧堆肥法將廚余垃圾轉(zhuǎn)化為有機肥要比以往有更好的應(yīng)用前景和盈利能力。好氧堆肥法雖然存在著諸多優(yōu)點，但是由于其堆肥過程中的參數(shù)較難控制，堆肥形式種類較多，因此如何探究參數(shù)控制條件、選擇合適的堆肥形式以將廚余垃圾轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)，是目前研究工作中的重點。

2 廚余垃圾好氧堆肥技術(shù)

好氧堆肥是指在高溫有氧的條件下，利用微生物的分解作用使垃圾穩(wěn)定化、減量化的過程。堆肥穩(wěn)定后的產(chǎn)品中含有豐富的氮磷鉀和腐殖質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)，可用于田間施肥或者制作動物飼料。但該方法對廚余垃圾的品質(zhì)、堆肥形式以及堆肥過程中的參數(shù)控制等要求較高，若堆肥過程中的溫度、碳氮比（C/N）等參數(shù)控制不當(dāng)，會導(dǎo)致堆肥時間過長和產(chǎn)品質(zhì)量不達標(biāo)，無法進一步利用。

表1 廚余垃圾處理技術(shù)的優(yōu)缺點比較

近年來，對廚余垃圾好氧堆肥過程中腐殖質(zhì)形成機理的研究正在增多，學(xué)者們希望通過研究將廚余垃圾定向轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)，從而減少堆肥天數(shù)，提高堆肥產(chǎn)品質(zhì)量，達到快速腐熟的效果。

下文將從參數(shù)控制、堆肥形式和腐殖質(zhì)形成機理研究三個方面分別闡述該研究進展對廚余垃圾好氧堆肥的影響。

2.1 參數(shù)控制研究進展

廚余垃圾好氧堆肥技術(shù)對參數(shù)控制的要求較高，往往僅溫度不同，堆肥的效果差別就會很大。下面從含水率、粒徑、碳氮比、添加劑、溫度、通風(fēng)供氧和攪拌翻堆等方面分別進行闡述。

2.1.1 含水率

在堆肥過程中，含水率能夠直接影響微生物新陳代謝活動所需的水溶性有機物含量[18]，同時含水率的變化可以調(diào)節(jié)堆體溫度[19][20]，因此含水率被認為是廚余垃圾好氧堆肥最重要的影響因素之一[21]。有研究表明，含水率對其它物理參數(shù)如孔隙率、堆體密度、透氣性和導(dǎo)熱系數(shù)等的影響最為顯著[22]，因此學(xué)者們對于堆肥的最佳含水率進行了諸多研究。KUMAR等[23]通過比較不同含水率條件下的園林垃圾和廚余垃圾混合堆肥的實驗結(jié)果時，發(fā)現(xiàn)當(dāng)碳氮比為19.6時，堆肥的最佳含水率是60%。在此條件下，基質(zhì)在12 d內(nèi)可有效分解，總揮發(fā)性固體減少33%。IQBAL等[24]發(fā)現(xiàn)生物降解不同堆肥混合物的最優(yōu)含水率為50%～70%。LIANG等[18]在研究污水廠污泥堆肥過程中含水率與微生物活性的關(guān)系時發(fā)現(xiàn)，50%的含水率是微生物有大于1.0 mg/(g·h)的氧氣攝取率的最低值，表明了含水率是影響微生物活性的重要因素。因此，應(yīng)加強好氧堆體中水分的在線監(jiān)測與實時調(diào)控技術(shù)的研究。

2.1.2 粒徑

有機物的比表面積與降解速率成正比[25]，因此粒徑對廚余垃圾好氧堆肥的周期長短和堆肥效果有重要影響。粒徑過大時，微生物難以與內(nèi)部垃圾顆粒接觸，堆肥速率較慢。若粒徑過小，則堆體間隙較小，氧氣不容易進入內(nèi)部，容易造成內(nèi)部的厭氧狀態(tài)，影響堆肥效果。一般控制粒徑在2～60 mm為宜[26]。ZHANG等[27]研究添加甘蔗渣或者葡萄渣影響園林廢棄物堆肥效果時發(fā)現(xiàn)，甘蔗渣和葡萄渣聯(lián)合使用能夠促進堆肥產(chǎn)品中0.25～2.00 mm顆粒的形成，有效改善粗糙度指數(shù)，并且粒徑能夠決定最終堆肥產(chǎn)品中的持水量和氣/水交換。郭倩倩等[28]以稻草為輔料對食堂餐廚垃圾進行堆肥處理，發(fā)現(xiàn)輔料粒徑小于5 mm批次的堆肥產(chǎn)物外觀要明顯優(yōu)于5～10 mm批次的外觀，且小于5 mm粒徑物料在翻堆過程中易混合均勻，堆肥產(chǎn)品造粒容易，有助于后續(xù)加工處理。因此，在堆肥前應(yīng)對廚余垃圾進行破碎預(yù)處理，以保證廚余垃圾處于合適的粒徑范圍內(nèi)，提高堆肥效率。

2.1.3 碳氮比（C/N）

廚余垃圾中有機質(zhì)含量較高，C/N比較低[29][30]，一般認為合適的C/N比在25～30∶1之間[31]。藍俞靜等[25]在對不同C/N比的餐廚垃圾堆肥時，發(fā)現(xiàn)C/N比在25∶1左右的試驗組C/N比先下降后平緩變化，較適合餐廚垃圾進行堆肥，而其他試驗組均先上升再下降，達到穩(wěn)定的時間較長。但是近年來，也有研究人員發(fā)現(xiàn)較低的C/N比也有其優(yōu)勢。HUANG等[32]比較了初始C/N比為15和30的堆肥過程，發(fā)現(xiàn)低C/N比可以減少添加劑量，但是堆肥周期要比高C/N比處理組長14 d以上。ZHU[33]在對豬糞堆肥時也發(fā)現(xiàn)C/N比為20時，每噸豬糞所需稻草比C/N比為25時減少了172 kg，但是氮損失更高，堆肥時間更長。張紅玉等[34]通過改變廚余垃圾和玉米秸稈的比例調(diào)整C/N比為15～21，堆肥30 d后發(fā)現(xiàn)C/N比為17～19的處理組高溫持續(xù)時間長達6～8 d，而C/N比為21的處理組高溫持續(xù)時間僅維持3 d，無法達到無害化處理的要求。目前，調(diào)整堆肥中C/N比的主要方法為添加秸稈、鋸末等添加劑，過程中難以降解，未來需要尋找更加合適的可降解碳源。

2.1.4 添加劑

添加劑根據(jù)作用的不同可分為接種劑、調(diào)理劑、膨脹劑、營養(yǎng)調(diào)節(jié)劑等[35]，傳統(tǒng)好氧堆肥工藝有腐熟慢、堆肥周期長、養(yǎng)分損失率高等問題[29]，而各國學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)，在堆肥過程中加入添加劑可以加快反應(yīng)速率，縮短堆肥進程，保留營養(yǎng)成分[36]。

由于微生物的比表面積大，繁殖快，能夠分解廚余垃圾中的有機質(zhì)，因此微生物接種劑是目前堆肥過程中加入的較為普遍的一種添加劑[19]。周營等[37]研究了米曲霉（CICC21737）、地衣芽孢桿菌（CICC21686）、解脂假絲酵母（GIM3.30）、綠色木霉（GIM3.432）、褐球固氮菌（GIM2.187）這五種菌的復(fù)配比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)添加質(zhì)量比為1.5:1:1.2:2:1時，堆肥過程中的高溫期時間長，溫度高，含水率下降幅度較大，蛋白質(zhì)、脂肪、有機質(zhì)等分解速率均較快。且當(dāng)接種量為6‰時，微生物的強化功能效果最明顯，對廚余垃圾特異性組分的脂肪降解率達76.2%，且氮的損失率僅為11.8%。試驗結(jié)果說明，接種微生物菌劑有利于分解有機質(zhì)，增加堆肥產(chǎn)品的腐熟度，影響不同堆肥時期微生物的群落組成。BOLTA等[38]在堆肥過程中接種微生物，發(fā)現(xiàn)微生物能夠加速堆肥升溫，2 d后溫度已高達70℃，有機質(zhì)的礦化程度和堆肥的效率也隨之提高。

調(diào)理劑和膨松劑主要用于調(diào)節(jié)含水率，增加堆肥孔隙度，常用的有鋸末、秸稈等[21]。堆肥過程中水分過高會導(dǎo)致堆體透氣性不足而呈現(xiàn)厭氧狀態(tài)，水分過低則會妨礙微生物增殖，延長好氧發(fā)酵時間。李赟等[39]研究了不同輔料對廚余垃圾堆肥過程中的腐熟度和臭氣排放的影響，發(fā)現(xiàn)添加調(diào)理劑和膨松劑能夠縮短堆肥時間至15 d，提高腐熟度，并且添加鋸末可以大量地吸收H2S，菌糠則對于固氮的作用效果最好。

營養(yǎng)調(diào)節(jié)劑如起爆劑能夠利用蛋白質(zhì)、糖類等物質(zhì)“喚醒”微生物，加強微生物活性，達到快速“起爆”的效果[29]。蔡盡忠等[40]以葡萄糖作為起爆劑，結(jié)合微生物菌劑對蔬菜廢棄物進行了好氧堆肥。研究表明，添加起爆劑和微生物菌劑能夠顯著提高堆肥溫度，加長高溫天數(shù)，C/N比和含水率降幅均優(yōu)于其他對照組，發(fā)芽指數(shù)達到了96.7%，表明堆體已經(jīng)完全腐熟。

添加劑對于廚余垃圾的堆肥效果影響較大，無添加劑的堆肥成功率低，且耗時較長，內(nèi)部容易形成厭氧區(qū)。因此，需要尋找廉價且高效的添加劑以提升堆肥效果。

2.1.5 溫度

溫度是好氧堆肥過程中的重要控制參數(shù)，堆肥過程一般會經(jīng)過低溫期（10～20℃）、中溫期（20～40℃）和高溫期（50～60℃）[41]，這三個階段分別會有不同的微生物成為優(yōu)勢菌群，而高溫期對應(yīng)的高溫菌分解有機物的速率最快，一般溫度達到50～65℃時即可認為已處于高溫期，在此溫度下，只需5～6 d便可完全消滅病原菌，從而達到無害化[29]。SALAMA等[42]也指出溫度在50～55℃之間有利于垃圾的分解，且能保證堆肥產(chǎn)品的衛(wèi)生。但是溫度過高（超過70℃）時會導(dǎo)致微生物失活，因此需要對堆肥期間的溫度進行控制[20]。在實際堆肥時一般會通過外加熱源或者改變通風(fēng)量、翻堆等操作來控制堆體溫度[43]。LIN[44]用總大腸菌群作為病原菌的指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度大約為65℃時，總大腸菌群迅速下降，但是當(dāng)溫度升高到76℃時，下降率最低。YU等[45]在對廚余垃圾進行堆肥時，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度保持在50℃左右時，固有微生物能夠更加容易利用有機物進行新陳代謝。呂凡等[46]研究了餐廚垃圾的高溫好氧消化工藝，發(fā)現(xiàn)55～65℃時堆體的減重速率隨著溫度的升高而加倍。席北斗等[47]通過改變堆肥初始溫度為40℃、55℃、65℃時，發(fā)現(xiàn)40℃的試驗組堆體溫度上升最快，堆肥的效率最高。溫度是好氧堆肥效果與成本控制的關(guān)鍵因素，合適的溫度和升溫方式能在縮短堆肥周期的基礎(chǔ)上達到更加經(jīng)濟環(huán)保的效果。

2.1.6 通風(fēng)供氧

通風(fēng)供氧是好氧堆肥的一個關(guān)鍵因素，因為堆肥過程與微生物種群動態(tài)直接相關(guān)[48]，LI等[49]和NAIR等[50]均發(fā)現(xiàn)與其它參數(shù)相比，通風(fēng)量對堆肥腐熟度的影響更為顯著。合適的通風(fēng)方式和通風(fēng)量會調(diào)節(jié)堆體溫度，使內(nèi)部污染氣體逸出[51]。GUO等[52]發(fā)現(xiàn)低曝氣量（＜0.2 L/(min·kgOM)）會導(dǎo)致堆體呈厭氧狀態(tài)，含水率和溫度顯著降低，氨氣生成量減少，同時還會影響微生物多樣性和堆肥的效率。研究證明，在堆肥過程中適宜的曝氣速率為0.2～0.6 L/(min·kgOM)，在此曝氣量下，氨氣量、C/N比的降低和堆肥產(chǎn)品的腐熟度得到了很大的改善[31]。通風(fēng)方式一般有自然通風(fēng)、被動通風(fēng)和強制通風(fēng)[53]。自然通風(fēng)和被動通風(fēng)多用于大型條垛堆肥方式，強制通風(fēng)則多用于容器式堆肥，在加快腐熟、縮短堆肥周期等方面優(yōu)于其它兩種方式[54]。LARNEY等[55]在對強制通風(fēng)技術(shù)和靜態(tài)通風(fēng)技術(shù)比較時，通過自由空域觀察到牛糞的物理性質(zhì)發(fā)生了較大的變化。杜龍龍等[56]的研究表明，廚余垃圾好氧堆肥的合適通風(fēng)速率為0.16 m3/h。李玉華等[57]認為一次腐熟應(yīng)該采用強制通風(fēng)，二次腐熟可進行自然通風(fēng)。因此，合適的通風(fēng)量和通風(fēng)方式是高效堆肥的保證，未來還需開發(fā)曝氣均勻的新型通風(fēng)裝置。

2.1.7 攪拌翻堆

由于廚余垃圾里油脂、糖分等占的比重較大，導(dǎo)致物料的黏性較大，透氣性不足，因此合適的攪拌、翻堆頻率可以促進物料和菌劑的混合均勻，改變堆體內(nèi)部的厭氧環(huán)境，加強好氧微生物的活性。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY525-2012中規(guī)定攪拌頻率為4～8 r/min[53]，王順利等[58]的研究表明3 h翻堆一次較為合適。但是攪拌翻堆頻率過快會使堆體內(nèi)部的溫度無法長久保持在較高溫度，影響微生物的穩(wěn)定性，加快氮素的流失[59]。

由此可見，廚余垃圾好氧堆肥過程中需要控制的參數(shù)較多，其中含水率、碳氮比、添加劑和通風(fēng)供氧對堆肥效果的影響最為顯著，且不同品質(zhì)的廚余垃圾需要調(diào)整不同的參數(shù)控制以滿足最優(yōu)降解條件。

2.2 堆肥形式

好氧堆肥技術(shù)一般分為條垛式堆肥、靜態(tài)強制通風(fēng)堆肥和密閉容器式堆肥[60]三種堆肥方式。表2為三種好氧堆肥方式的優(yōu)缺點比較。

2.2.1 條垛式堆肥

條垛式堆肥即將物料置于廠房內(nèi)或者露天進行堆肥，物料被堆放成條垛狀，利用自然通風(fēng)進行供氧，并在堆肥期間輔助以人工或者翻堆機進行翻堆，以促進堆體內(nèi)部氧氣與物料的充分混合。該方法工藝簡單，成本較低[61]，但是占地面積大，受天氣、環(huán)境的影響較大，在我國東北等低溫地區(qū)堆肥效果差。

2.2.2 靜態(tài)強制通風(fēng)堆肥

靜態(tài)強制通風(fēng)堆肥與條垛式堆肥相比多了一套強制通風(fēng)系統(tǒng)，該方法在堆體內(nèi)部布置通風(fēng)管道，利用該管道向內(nèi)部進行通風(fēng)供氧，既能促進內(nèi)部物料與氧氣的充分混合，防止生成厭氧區(qū)，也能控制堆體內(nèi)部溫度，以防溫度過高造成微生物活性降低。該方法與條垛式堆肥一樣都會受到環(huán)境溫度和天氣的影響。

2.2.3 密閉容器式堆肥

密閉容器式堆肥即將廚余垃圾置入密閉容器中，加入調(diào)理劑、微生物菌劑等添加劑，并設(shè)置加熱、攪拌、曝氣等裝置，利用外加裝置改變堆體內(nèi)部溫度、水分、空氣等條件，使廚余垃圾能夠在適宜的工況條件下進行堆肥，該方法占地面積小，有機物的降解速率快，能夠顯著縮短堆肥周期，一般在5～15 d內(nèi)可以達到腐熟。該種堆肥方式存在著堆肥過程控制復(fù)雜、能源消耗量大等缺點。在18世紀(jì)末期，發(fā)達國家已經(jīng)開發(fā)出堆肥裝置用于處理有機垃圾。我國在19世紀(jì)80年代開始研發(fā)好氧堆肥裝置，但是尚未得到大規(guī)模應(yīng)用。韓國Geoen Tech公司與德國Rethmann公司合作開發(fā)了集裝箱堆肥法。反應(yīng)裝置由封閉集裝箱反應(yīng)器和多層生物過濾器組成,一般用20個以上的集裝箱并聯(lián),每個箱體容積為50 m3,堆肥周期15～20 d。

目前，好氧堆肥裝置正在向小型化、移動化、家庭化的方向發(fā)展，各國都有許多環(huán)保公司和科研人員制造家庭廚余垃圾堆肥裝置用來資源化處理廚余垃圾。英國設(shè)計師Ben Cullis Watson設(shè)計了一款名為TAIHI的垃圾桶，該垃圾桶采用雙筒設(shè)計，單筒容積為10 L，堆肥時間為12～14 d，用戶可以在一只桶進入發(fā)酵狀態(tài)后，將廚余垃圾裝入另一只桶中。在日本，家庭垃圾堆肥處理機和小容量垃圾系列處理機的市場迅速擴大,每年的增幅約50%,它與家用洗碗機、電磁加熱器被稱為日本家庭的“新三件”。國內(nèi)也有多家環(huán)保公司致力于研發(fā)家庭用廚余垃圾堆肥機，如浙江永爾佳環(huán)保科技有限公司研制的YEJ-050K型家用食物生物處理機每天可最多放入5 kg廚余垃圾，微生物在分解廚余垃圾的過程中產(chǎn)生5%顆粒狀有機肥和95%的氣體，該氣體可以通過內(nèi)部裝置凈化后排出。

由此可見，密閉容器式較其余兩種方式有占地面積小、堆肥周期短、堆肥產(chǎn)品質(zhì)量高等優(yōu)勢，并且目前市場上也已逐漸形成相關(guān)成熟產(chǎn)業(yè)。

2.3 腐殖質(zhì)形成機理

廚余垃圾好氧堆肥的本質(zhì)是有機垃圾在微生物的作用下轉(zhuǎn)化為更加穩(wěn)定的腐殖質(zhì)（humic sub‐stance，HS）的過程。腐殖質(zhì)是動物或植物的殘體在微生物的分解作用下形成的高分子有機物，但它不是由單一物質(zhì)構(gòu)成，而是由芳香族有機物和含氮化合物、醇羥基、羰基、羧基及少量的還原物質(zhì)形成的一種黑褐色酸性物質(zhì)[62-64]。按照HS功能的不同可將其分為胡敏酸（humic acid，HA）、富里酸（ful‐vic acid，F(xiàn)A）和胡敏素（humins，HU），其中HA和FA在HS中占據(jù)絕大多數(shù)，且HA在腐熟物料中占據(jù)優(yōu)勢[65]，因此判斷堆肥產(chǎn)品是否腐熟可以通過HA/FA（H/F，胡富比）來表示，H/F越高則代表腐殖化程度越高[66]。有研究表明，在好氧發(fā)酵的過程中，H/F呈增加的趨勢[67]。

關(guān)于腐殖質(zhì)的形成國內(nèi)外專家學(xué)者給出了不同的學(xué)說，包含木質(zhì)素學(xué)說、由木質(zhì)素學(xué)說演變而來的木質(zhì)素多酚學(xué)說、糖-胺縮合學(xué)說、微生物合成學(xué)說、細胞自溶學(xué)說、微生物多酚學(xué)說等學(xué)說[66]。

木質(zhì)素學(xué)說由WAKSMAN提出，他認為是植物殘體中的木質(zhì)素在土壤中聚合成腐殖質(zhì)，這些腐殖質(zhì)繼而被微生物解聚成為小分子物質(zhì)，最終被植物吸收利用[68]。KNONOVA提出微生物多酚學(xué)說，在他的觀點中動植物殘體被微生物降解生成酚類和氨基酸類，再轉(zhuǎn)化為醌類物質(zhì)，最終由化學(xué)氧化和聚合作用形成大分子腐殖質(zhì)[69]。木質(zhì)素多酚學(xué)說與其類似，但認為動植物殘體只是降解為酚類物質(zhì)，再轉(zhuǎn)化為醌類物質(zhì)，最終形成腐殖質(zhì)[70]。糖-胺縮合學(xué)說則認為在微生物酶的作用下，動植物殘體被分解形成糖類和氨基酸類物質(zhì)，再聚合為腐殖質(zhì)[71]。微生物合成學(xué)說認為腐殖質(zhì)在微生物的細胞內(nèi)合成，隨著微生物的死亡，這些腐殖質(zhì)從解體的細胞中被釋放進入土壤[72]。還有觀點認為動植物殘體和土壤中微生物的細胞死亡后產(chǎn)生自溶物質(zhì)，這些自溶物質(zhì)被土壤中的游離基捕獲，聚合形成腐殖質(zhì)[73]。

表2 不同好氧堆肥方式的優(yōu)缺點比較

以上觀點中木質(zhì)素學(xué)說和微生物多酚學(xué)說被大多數(shù)學(xué)者所認可，其主要區(qū)別在于腐殖質(zhì)的來源是木質(zhì)素還是植物殘體被微生物降解后的酚類物質(zhì)。由于腐殖質(zhì)的形成多發(fā)生于堆肥的腐熟時期[74]，因此腐殖質(zhì)形成機理的研究對于促進堆肥腐熟、提升堆肥產(chǎn)品質(zhì)量有著重要作用。

3 結(jié)論與展望

1）相比于傳統(tǒng)的焚燒和填埋處置方式，廚余垃圾資源化處理是未來的發(fā)展方向。與飼料化法、昆蟲養(yǎng)殖法和生產(chǎn)高附加值化學(xué)品法相比，好氧堆肥法具有技術(shù)成熟和應(yīng)用廣泛的優(yōu)點，所產(chǎn)出的肥料也有相關(guān)政策扶持，可以進行二次銷售。好氧堆肥技術(shù)比厭氧消化技術(shù)更加適合處理中小規(guī)模和分散式的廚余垃圾，其可以實現(xiàn)中國垃圾分類背景下廚余垃圾的高效就地處理，是極有前景的資源化處理技術(shù)之一。

2）廚余垃圾的好氧堆肥與工藝參數(shù)（含水率、粒徑、碳氮比、添加劑、溫度、通風(fēng)供氧和攪拌翻堆）、堆肥方式（條垛式堆肥、靜態(tài)強制通風(fēng)堆肥和密閉容器堆肥）密切相關(guān)，近些年的研究集中于高效添加劑、堆肥設(shè)備及腐殖質(zhì)的形成機理等方面。廚余垃圾好氧堆肥的處理速率與產(chǎn)品質(zhì)量的提升，是實現(xiàn)高效就地資源化處理廚余垃圾的關(guān)鍵。

3）好氧堆肥技術(shù)未來的發(fā)展首先需要政府加強對廚余垃圾的強制回收管理，提高回收率，確保好氧堆肥相關(guān)項目能夠持續(xù)發(fā)展。其次，我國應(yīng)重新考慮和制定對廚余垃圾處理的資金補貼政策，實現(xiàn)從資金投入和待遇補貼政策向綜合績效評價補貼政策的轉(zhuǎn)變，提升企業(yè)積極性，讓好氧堆肥產(chǎn)業(yè)進入長期健康發(fā)展模式。最后，研究者還需開發(fā)高效率的中小型好氧堆肥設(shè)備與能夠耐受我國特有的高油、高鹽廚余垃圾的微生物工程菌劑，并對腐殖化機理進行更深入的研究，以將廚余垃圾定向快速轉(zhuǎn)化為能被土地利用的腐殖質(zhì)，從而得到更優(yōu)質(zhì)的出料。