辛梓弘，韓崗亭，刁偉霞

(欽覃(上海)環(huán)境工程有限公司，上海 200232)

引 言

餐廚垃圾[1]包含餐飲垃圾和廚余垃圾，是餐館、飯店、單位食堂等的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，家庭日常生活中丟棄的果蔬及食品下腳料、剩余飯菜、瓜果皮等易腐有機垃圾。餐廚垃圾約占城市生活垃圾總量的37%～62%[2]，是城市生活垃圾的重要組成部分。我國餐廚垃圾產(chǎn)生量巨大，2019 年產(chǎn)生量約1.21億t/a[3]。隨著城市生活垃圾分類的持續(xù)推進，餐廚垃圾產(chǎn)生量呈快速增加趨勢[4]，由此帶來的環(huán)境問題和社會問題將更加突出，餐廚垃圾出路問題亟需解決。

餐廚垃圾處置基本原則是：資源化、無害化和減量化[1]，是在減量化和無害化基礎上的資源化利用。如何降低餐廚垃圾對人類和環(huán)境的危害，減少資源浪費，實現(xiàn)資源最大化，選擇最優(yōu)的解決方案是處理餐廚垃圾的最終目標[5]。本文基于城市生活垃圾源頭分類的基礎，從資源利用率、環(huán)境影響角度分別對比分析了幾種常規(guī)餐廚垃圾資源化工藝的綜合效益，在此基礎上提出了針對不同來源餐廚垃圾的資源化綜合利用路徑。為城市餐廚垃圾治理提供多元化的綜合解決方案，為城市管理政策制定者和決策者提供依據(jù)和技術支撐。

1 餐廚垃圾的特性及處理工藝

1.1 餐廚垃圾特性

1.1.1 成分及組成

城市餐廚垃圾主要由蔬菜根莖葉、剩飯菜、果皮屑、食物殘渣、動物內(nèi)臟、蛋殼、茶葉等組成。地域、人群、季節(jié)和餐飲習慣的不同，導致餐廚垃圾的組成略有差異，但大致成分一致：含水率40%～86%，含鹽量 0.2%～1.2%，有機質(zhì)44%～78%，粗蛋白11%～16%，粗脂肪5%～19%[6]。

1.1.2 危害性

餐廚垃圾高含水率和易腐爛變質(zhì)的特點，為其收集、儲存、運輸、處理造成不便和困難[7]。存儲不當或處理不及時，腐爛變質(zhì)會導致臭氣排放、污水橫流、孳生細菌和病原微生物[8]，造成環(huán)境污染和疾病傳播；處理不當會造成環(huán)境污染、影響市容衛(wèi)生、排放溫室氣體、浪費資源、危害食品安全和生物健康[8～10]。

1.1.3 資源性

餐廚垃圾營養(yǎng)豐富且均衡，其中：蛋白質(zhì)4.4%～21.8%、脂類6.4%～ 28.1%、C 47.95%～53.9%、N 0.76%～4.99%，同時還含有少量營養(yǎng)元素：P、K、Na、Ca和Fe 等[11]，是優(yōu)質(zhì)的堆肥和飼料加工原料，可以制備動物飼料、肥料和各種生物質(zhì)能源，是放錯位置的資源[12-13]。

1.2 資源化利用技術及特點

目前，餐廚垃圾處理技術主要有：破碎直排、填埋、焚燒、厭氧發(fā)酵、堆肥、飼料化、生物柴油、昆蟲養(yǎng)殖等[14～16]；主流資源化利用技術在我國的應用比例為：厭氧發(fā)酵74.3%、好氧堆肥13.5%和飼料化12.2%[3]。

1.2.1 厭氧發(fā)酵

厭氧發(fā)酵[17]，是指餐廚垃圾在厭氧環(huán)境下通過微生物的代謝活動被穩(wěn)定化，同時釋放出CH4和CO2的過程。根據(jù)厭氧發(fā)酵對象固體含量分為：濕式厭氧(<15%)、干式厭氧(≥15%)[18]。濕式厭氧工藝相對成熟、應用多，我國多數(shù)沼氣化工程均采用濕式厭氧工藝[19]；干式厭氧技術存在諸多難點，應用相對較少[20]。

餐廚垃圾富含有機質(zhì)，具有良好的產(chǎn)CH4能力，CH4作為清潔能源而被廣泛應用；厭氧消化殘余物——沼液、沼渣的利用是決定厭氧發(fā)酵資源化利用率的關鍵因素[21-22]。而沼液常用處理方式：①作為廢水處理后排放，②灌溉還田[21]。沼液中含有大量的養(yǎng)分、N、K，可以作為肥料使用，替代化肥，減少環(huán)境影響[23]。孫天姿等[24]以沼液為營養(yǎng)基質(zhì)制成液態(tài)菌肥并用于水稻和冬小麥種植試驗，發(fā)現(xiàn)：施用后土壤中N、P的含量顯著增加，可溶性全鹽和 Cl-含量有輕微積累現(xiàn)象。沼渣處理方式有：①作為肥料或土壤改良劑回用，②填埋或焚燒[21，25]。沼渣含有大量有機質(zhì)和豐富的有機氮、P、K及微量元素，是優(yōu)質(zhì)的堆肥原料，進一步腐熟后可作為有機肥料施用[26～28]。李剛等[27]對餐廚垃圾濕式厭氧發(fā)酵的沼渣進行研究，得出：沼渣有較高的營養(yǎng)成分和較低的重金屬，具有良好的資源化利用潛力；其腐殖質(zhì)含量低、發(fā)芽率低，不能直接施用于土壤，建議進一步腐熟后使用。姜蒙[28]通過對餐廚垃圾干式厭氧發(fā)酵沼渣進行研究，得出：有機質(zhì)含量一般、重金屬含量低、具有植物毒性。Garcia 等[29]認為堆肥過程會降解轉(zhuǎn)化影響種子發(fā)芽的毒性物質(zhì)，從而減少對種子發(fā)芽的限制。鄭葦?shù)萚30]對廚余垃圾厭氧發(fā)酵殘余物采用脫水+堆肥+篩分工藝處理，產(chǎn)品基本滿足有機肥料和綠化用有機基質(zhì)要求。王洋[31]對餐廚垃圾厭氧發(fā)酵沼渣進行研究發(fā)現(xiàn)：沼渣中的營養(yǎng)物質(zhì)和重金屬含量均符合有機肥標準，沼渣無機復混肥對小白菜的生長與品質(zhì)均有促進作用。

厭氧發(fā)酵是一種集能源、環(huán)保于一體的處理工藝，沼氣應用前景廣闊，沼液和沼渣中的高鹽分，限制了其土地利用[32]。沼渣具有重金屬含量低、較高的植物毒性、較低的腐殖質(zhì)等特點，但通過進一步堆肥會減小其生物毒性、提高腐熟度[27-28]。厭氧發(fā)酵工藝復雜、投資大、運行維護要求高，適用于餐廚垃圾大規(guī)模集中處置[11]，處理過程中注重環(huán)境保護；考慮到高油高鹽對厭氧發(fā)酵的抑制作用，宜進行提油除鹽預處理[33-34]。

1.2.2 堆肥

堆肥[35]是指在人工控制條件下，利用微生物作用將生物質(zhì)廢物轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的腐殖質(zhì)的過程，按需氧程度，可分為好氧堆肥和厭氧堆肥。厭氧堆肥因周期長、分解不充分、環(huán)境問題突出等原因，而應用較少；好氧堆肥因具有處理量大、操作簡單、無害化和資源化程度高、資金投入少和運維成本低等特點，被廣泛應用[35]。

餐廚垃圾中總碳、總氮、氨氮、總磷含量(干基)分別為 24.64%、2.57%、0.102%、1.15%[36]，是優(yōu)質(zhì)的堆肥原料。高含水率、高有機質(zhì)、低C/N的特點，決定了其單獨堆肥的可行性差，宜與其它物料聯(lián)合堆肥[37-38]。薛晶晶等[39]將廚余垃圾與園林廢物按照2∶1比例協(xié)同處理，發(fā)酵溫度可高達63.4 ℃，21d可達到完全腐熟；有助于銨態(tài)氮向有機氮和硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化，減少氮損失，提高堆肥品質(zhì)和價值。孟小春[40]以餐廚垃圾與城市污水污泥為原料堆肥，采用二次發(fā)酵工藝堆肥，產(chǎn)物符合國家肥料標準。鄒德勛等[37]將菌糠和廚余垃圾進行聯(lián)合好氧堆肥，結果表明菌糠可促進廚余垃圾的好氧堆肥，可降低混合堆料產(chǎn)生的臭氣量，并得到發(fā)芽指數(shù)為55.6%的一次堆肥產(chǎn)品。周營[41]利用源頭分類后的廚余垃圾堆肥得到符合NY525-2012標準的有機肥；與無機肥共同制得復混肥利于小白菜生長，還改善了土壤環(huán)境。

餐廚垃圾好氧堆肥符合循環(huán)經(jīng)濟的理念，通過堆肥回收利用餐廚垃圾中的營養(yǎng)物質(zhì)，既避免了傳統(tǒng)處理方法造成的環(huán)境污染，又改善了土壤，還提高了資源化利用率[42-43]?？紤]堆肥占地面積大、減少產(chǎn)品運輸過程中環(huán)境影響，宜就地分散處理，以減少肥料的運輸[44]。高油、高鹽，會抑制微生物的生長代謝，導致堆肥期增長、腐熟度低，影響堆肥效率和品質(zhì)，堆肥前進行脫油和脫鹽預處理十分重要[45-46]；《餐廚垃圾處理技術規(guī)范》(CJJ 184-2012)也明確規(guī)定：餐廚垃圾采用好氧堆肥方式處理時，應對餐廚垃圾進行脫油預處理。堆肥占地面積大，堆肥過程中的環(huán)境衛(wèi)生問題突出，餐廚垃圾堆肥宜選在郊區(qū)人口密度相對低的區(qū)域，餐廚垃圾與農(nóng)業(yè)廢棄物、園林廢棄物聯(lián)合堆肥[29，44]。

1.2.3 飼料化

餐廚垃圾飼料化技術主要是通過破碎壓榨、烘干去濕、殺毒滅菌、生物轉(zhuǎn)化等技術和手段，將餐廚垃圾轉(zhuǎn)化成動物飼料，實現(xiàn)餐廚垃圾的資源化[47]。處理方法主要有干熱法、微生物發(fā)酵和飼養(yǎng)昆蟲等[48]。黑水虻、蚯蚓飼養(yǎng)適用于中小規(guī)模處理；干熱法技術成熟，可大規(guī)模應用，高溫能有效殺死病原微生物及寄生蟲，從而達到無害化；飼料化可以最大限度的利用有機質(zhì)，回收利用率高達80%～95%[49]。

在歐盟，飼料成本占生豬養(yǎng)殖總成本的 55%～72%，占家禽養(yǎng)殖總成本的 55%～75%[50]。食品廢棄物的營養(yǎng)成分高且營養(yǎng)均衡，其中：粗蛋白 19.2%、粗脂肪21.5%、碳水化合物 38.6%，加工成飼料可替代玉米、大豆等常規(guī)飼料，大大降低養(yǎng)殖業(yè)的飼養(yǎng)成本，緩解糧食壓力[51]。王宇卓等[52]探索了濕熱法工藝處理廚余垃圾，實現(xiàn)飼料化；韓端丹等[53]研究了餐廚垃圾固態(tài)發(fā)酵處理制備飼料的方法，并篩選出適合固態(tài)發(fā)酵的一種霉菌。陳金鐘等[54]采用多菌種混合發(fā)酵處理泔腳和秸稈制得飼料(蛋白>25%、粗纖維<18%、水分<10%)。郝東青等[55]采用高溫蒸煮手段處理廚余垃圾，制得粗蛋白含量大于20%的蛋白飼料；肖云等[56]利用自制復合菌劑對廚余垃圾進行發(fā)酵，得到粗蛋白含量28.35%的生物飼料；Shabani 等[57]對魚罐頭加工副產(chǎn)物進行發(fā)酵制作飼料，提高了雞肉品質(zhì)；從利澤等[58]用固態(tài)發(fā)酵法處理泔腳制蛋白飼料中有毒成分得到降解或轉(zhuǎn)化。餐廚垃圾中的鹽分含量高，飼料化后會危害畜禽的健康[59-60]。李峰等[59]研究發(fā)現(xiàn)，當飼喂雛雞的飼料中食鹽含量達0.7%，飼喂成年雞的飼料中食鹽含量達1% 時，雞會出現(xiàn)輕度中毒現(xiàn)象；于海榮等[60]發(fā)現(xiàn)，隨著鹽濃度的增高及喂養(yǎng)時間的延長，高血壓形成率逐漸增高。

目前韓國、日本飼料化技術成熟，分別有45%、40%的食品廢棄物進行飼料化利用[61]。目前，飼料化的安全性問題是影響其在我國推廣的關鍵[62～64]。我國現(xiàn)行的《餐廚垃圾處理技術規(guī)范》(CJJ 184-2012)規(guī)定，餐廚垃圾飼料化處理必須進行病原菌滅殺工藝；對于含有動物蛋白成分的餐廚垃圾，其飼料化工藝應設置生物轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，并且禁止生產(chǎn)反芻動物飼料。根據(jù)《“十四五”城鎮(zhèn)生活垃圾分類和處理設施發(fā)展規(guī)劃》：“積極推廣廚余垃圾資源化利用技術，合理利用廚余垃圾生產(chǎn)生物柴油、沼氣、土壤改良劑、生物蛋白等產(chǎn)品?！边@為飼料化提供了良好的政策環(huán)境，前景廣闊，將成為餐廚垃圾的主要發(fā)展方向。飼料化工藝具有對原料要求高、回收利用率高的特點，具備推廣價值[61]，且與國家“十四五”規(guī)劃相符；餐廚垃圾含鹽量高危害畜禽健康，同源污染的問題，飼料化工藝對原料的選擇比較嚴苛，決定了飼料化工藝適合小規(guī)模處理[61-62，64]；餐廚垃圾宜腐敗變質(zhì)，不宜長距離運輸，宜在源頭就地處理?？紤]到食品安全問題，需要建立源頭分類、存儲、運輸、處理、銷售和使用環(huán)節(jié)的全程監(jiān)管和追溯體系[61]。

1.2.4 生物柴油

生物柴油是將餐廚垃圾中的油脂成分，通過酯交換反應或熱化學工藝制成可替代石化柴油的再生性柴油，具有比化石柴油更好的燃燒性、更高安全性和環(huán)保性，替代化石燃料，減少污染物和溫室氣體的排放[65]。利用廢油脂制備生物柴油的技術主要包括熱裂解法、酯交換法、酶催化法和超臨界甲醇法等，目前實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)較為成熟的方法是酯交換法，即酸堿催化法[66]。

CARMONA-CABELLO[67]用酸-堿結合的兩步法處理餐廚垃圾制取生物柴油，產(chǎn)率為 87.92%；鐘昌東[68]利用微波輔助直接制備生物柴油，最高酯化率為 65.11%；DEEPAYAN[69]將油、共溶劑和甲醇的混合物作為催化劑聯(lián)合微波輔助工藝，利用餐廚垃圾制取生物柴油，得到 FAMEs 產(chǎn)率為 96.89wt%。有學者以脂肪酶為催化劑制取生物柴油，CHEN[70]以廢油脂為原料，利用固定化脂肪酶在固定床反應器中合成生物柴油，最佳產(chǎn)率為 91.08%。WANG[71]運用水熱預處理的方法對餐廚垃圾制取生物柴油，生物柴油最大酯交換反應產(chǎn)率為 80.9%。YU[72]提出利用廚余垃圾厭氧發(fā)酵廢水培養(yǎng)藻類作為生物柴油生產(chǎn)的營養(yǎng)源，油脂產(chǎn)量達到20.27 mg/(L·d)。ZENG[73]以食品垃圾與小球藻混合培養(yǎng)，縮短40%產(chǎn)油脂的培養(yǎng)時間。

利用餐廚廢油脂制備生物柴油，既能降低餐廚垃圾后續(xù)處理的難度，還能提高資源化利用率、增加經(jīng)濟效益[33]。廢油脂制生物柴油，主要針對餐廚垃圾中的油脂部分進行回收，適合作為主工藝流程的預處理或補充，其余部分進一步處理。隨著碳減排壓力的增大，廢油脂制生物柴油市場前景廣闊[33，74]。

2 資源化路徑比選

分別從生態(tài)學、環(huán)境影響、回收利用率角度，對3種常規(guī)的資源化利用工藝分別進行對比。

2.1 單一工藝比較

2.1.1 生態(tài)學角度

從生態(tài)學角度提出了廢物處理與處置的優(yōu)先級別，依次為：預防或源頭減量、重復使用、循環(huán)利用、堆肥、處置[33，75]。依此原則，則生態(tài)學優(yōu)先順序依次為：飼料化、厭氧發(fā)酵、堆肥。

2.1.2 環(huán)境影響

從碳排放角度分析其對環(huán)境的影響，李歡等[76]從LCA角度對全生命周期的碳排放進行環(huán)境影響研究研究，得出：飼料化和厭氧發(fā)酵具有最好的碳減排效應；好氧堆肥存在溫室氣體泄漏的問題，排放較多的碳；當堆肥工藝運行良好，無 CH4和 N2O 排放時，好氧堆肥可產(chǎn)生碳減排效應。因此，碳減排效應排序依次為：飼料化>厭氧發(fā)酵>好氧堆肥。

2.1.3 回收利用率

資源能源回收率角度，李歡等[76]研究結果表明：飼料化具有最高的回收利用率(80%～95%)，最大限度地利用了廚余垃圾中有機質(zhì)；厭氧發(fā)酵的回收利用率(31%～42%)略高于好氧堆肥(29%～38%)。從回收利用率角度比較三者關系為：飼料化>厭氧發(fā)酵≈堆肥。

2.2 綜合利用路徑

綜合生態(tài)學、減碳效應、資源回收率，三種廚余垃圾資源化技術綜合效益優(yōu)先次序為：飼料化>厭氧發(fā)酵>好氧堆肥[33，75-76]。鄭葦[33]從經(jīng)濟效益角度研究得出：濕熱提油+厭氧發(fā)酵>全部厭氧發(fā)酵，可見，單一技術的綜合效益低，不能物盡其用。餐廚垃圾成分復雜，多種工藝的組合具有更高的資源回收率高、經(jīng)濟效益。

鑒于飼料化存在同源污染風險、健康風險、食品安全等問題，飼料化工藝適用于來源單一、成分穩(wěn)定、含鹽低的餐廚垃圾的中小規(guī)模就地分散處理，同時需建立收集、儲存、運輸、加工、銷售全程追溯管理制度和體系[61，64]。

厭氧發(fā)酵具有投資高、工藝復雜、運維成本高的特點，厭氧發(fā)酵針對復雜來源的餐廚垃圾均有良好處理效果，適用于廚余垃圾的集中式、大規(guī)模處理[16，32，77]。結合以上分析，餐廚垃圾最優(yōu)工藝組合為：“提油制備生物柴油+厭氧發(fā)酵+沼渣堆肥/沼液還田”。

好氧堆肥具有工藝簡單、投資少、占地大、資源化程度高、運行成本低、環(huán)境衛(wèi)生差、鄰避效應顯著等特點[35，41，78]，適合中小規(guī)模廚余垃圾的源頭減量和就地分散處理，尤其適用于城郊靠近農(nóng)村區(qū)域，有廣闊的堆肥產(chǎn)品市場。

油脂生產(chǎn)生物柴油，能夠?qū)崿F(xiàn)廢油脂的資源最大化、經(jīng)濟效益最大化；高油對厭氧發(fā)酵、好氧堆肥效率均有負面影響[33-34，45-46，74]。因此，餐廚垃圾提油預處理既能提高厭氧發(fā)酵、好氧堆肥效率，又能增加資源化利用。

3 結 論

通過以上分析，探索出不同來源餐廚垃圾的最佳資源化綜合利用模式，為城市餐廚垃圾治理提供多元化的思路和選擇，對我國城市餐廚垃圾管理具有重要意義。

(1)餐廚垃圾提油制生物柴油能實現(xiàn)廢油脂經(jīng)濟效益最大化，宜作為其他處理工藝的預處理，能實現(xiàn)廢油脂經(jīng)濟效益最大化，同時減少油脂對后續(xù)處理工藝的影響。

(2)針對來源和成分復雜的集中式餐廚垃圾廠，如城市餐廚垃圾集中處置廠，最優(yōu)工藝路徑為：提油制備生物柴油+厭氧發(fā)酵+沼渣堆肥/沼液還田，項目選址應考慮次生環(huán)境問題，同時還要考慮沼肥/沼液中含鹽量對土壤的影響。

(3)針對就地分散式餐廚垃圾的處理，如農(nóng)村區(qū)域的餐廚垃圾處理點，農(nóng)村區(qū)域有廣闊的肥料銷售市場，宜采用“提油制備生物柴油+好氧堆肥”工藝或“好氧堆肥”工藝，需要考慮堆肥產(chǎn)生的環(huán)境問題、鹽分對產(chǎn)品質(zhì)量和土壤的影響問題，也可與農(nóng)業(yè)廢棄物協(xié)同堆肥。

(4)針對來源單一、成分穩(wěn)定廚余垃圾，如食品加工廠廢料等，宜采用“提油制備生物柴油+飼料化”或“飼料化”工藝，此工藝適合在垃圾產(chǎn)生源就近建廠，以減少垃圾的運輸和由此引起的環(huán)境、腐爛等問題。飼料化工藝，需配套垃圾收集、儲存、運輸、加工、使用環(huán)節(jié)的全程追溯管理，確保食物安全。