胡世梯，姚 賽，易志剛，李 娟，彭 星

(1.湖南仁和環(huán)保科技有限公司，長沙 410005；2.湖南仁和環(huán)境股份有限公司，長沙 410005)

引 言

隨著人口增長和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，2021年中國餐廚垃圾產(chǎn)生量超過1.2億噸[1]。餐廚垃圾處理主要分兩種方式：好氧處理和厭氧處理，其中70%以上的餐廚垃圾處理項(xiàng)目采用厭氧處理[2]。然而，厭氧過程產(chǎn)生大量的沼液、沼渣，為餐廚垃圾的處理帶來了極大的挑戰(zhàn)[3]。餐廚垃圾厭氧沼渣作為濕垃圾的一種，通過現(xiàn)有處理設(shè)施對其進(jìn)行填埋或焚燒，表現(xiàn)出能耗高、碳排放大、資源化利用效率低的困境[4]。因此，如何有效地實(shí)現(xiàn)餐廚沼渣資源化利用是全社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。

目前，國內(nèi)關(guān)于沼渣的研究文獻(xiàn)較多，但餐廚(廚余)沼渣的研究文獻(xiàn)還很不夠，從知網(wǎng)中僅檢索出29個(gè)結(jié)果。此外，知網(wǎng)不乏一些與沼渣相關(guān)的綜述文章，但這些文章選用的角度是“沼渣”、“禽畜糞便沼渣”、“有機(jī)廢棄物沼渣”、“沼渣有機(jī)肥”等的資源化利用，還未發(fā)現(xiàn)1篇餐廚垃圾或廚余垃圾沼渣資源化利用的綜述文章[5～7]。因此，對餐廚垃圾沼渣進(jìn)行綜述很有必要。本文首次對餐廚垃圾厭氧沼渣處理及資源化利用研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，闡明了餐廚沼渣的特點(diǎn)，分析了餐廚沼渣的處理現(xiàn)狀及處理方式，重點(diǎn)討論了餐廚沼渣資源化利用技術(shù)研究進(jìn)展，比較了不同處理和利用方式的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，總結(jié)并展望了餐廚沼渣未來的資源化路徑，為產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供參考。

1 我國餐廚垃圾沼渣現(xiàn)狀

1.1 特點(diǎn)

餐廚沼渣本質(zhì)上是異質(zhì)性的，其特征高度依賴于厭氧類型、原材料和操作條件等[8]。餐廚垃圾處理工程多采用離心脫水分離沼液沼渣，得到的餐廚沼渣含水率高，通常為75%～85%(2021年數(shù)據(jù))[9]。餐廚沼渣的pH為7.3 ～ 8.9(2012年～2022年數(shù)據(jù))，在厭氧消化過程中，由于碳酸銨的形成、揮發(fā)性脂肪酸的降解和多價(jià)離子的還原，pH變得更加呈堿性[10]。一般地，大型處理廠的餐廚垃圾含鹽量為1.26～2.62wt%(2017年數(shù)據(jù))，經(jīng)過厭氧消化后殘余物中含鹽量基本與初始物料保持一致，經(jīng)過脫水后的餐廚沼渣鹽含量高達(dá)2%，餐廚沼渣直接施入土壤存在土壤鹽堿化的風(fēng)險(xiǎn)[11]。

1.2 現(xiàn)狀

按濕垃圾處理工藝，每100t餐廚垃圾經(jīng)厭氧消化后，將產(chǎn)生20～30t高含水率的沼渣[15]。雖然餐廚沼渣具有豐富的營養(yǎng)條件、資源化利用潛力巨大，但由于其具有污染環(huán)境和攜帶致病菌的風(fēng)險(xiǎn)，我國大部分餐廚沼渣采用了填埋和焚燒兩種最終處理方式[16]。餐廚沼渣資源化利用率低，也取決于資源化利用標(biāo)準(zhǔn)比較模糊?！墩臃省?NY/T 2596-2014)涉及沼渣的肥料化,僅適用于以農(nóng)業(yè)有機(jī)物為原料得到的沼渣,不適用于餐廚沼渣[17]。近期,NY/T 2596-2022《沼肥》將代替NY/T 2596-2014《沼肥》,將餐廚沼渣納入新標(biāo)準(zhǔn)沼肥原料的呼聲很高。2021年頒布的《有機(jī)肥料NY/T 525-2021》首次提出，經(jīng)分類和陳化后的廚余廢棄物，進(jìn)行安全性評價(jià)合格后方可作有機(jī)肥原料，但并未明確禁止廚余沼渣作有機(jī)肥原料，模棱兩可[18]。此外，餐廚沼渣制肥僅在小范圍的垃圾處理廠使用，沼渣須通過高溫殺滅病原微生物、腐熟陳化后用作肥料，僅限生產(chǎn)用于周邊農(nóng)田施用的非商品肥。

2 無害化處理和資源化利用方式

餐廚沼渣可通過不同的方式實(shí)現(xiàn)無害化處理和資源化利用，最直接的方式是土地利用，我國最常用的方式為填埋和焚燒[19]。此外，近年來好氧堆肥和熱化學(xué)處理成為餐廚沼渣資源利用的研究趨勢[20]。下圖列舉了餐廚沼渣處理和資源化方式以及產(chǎn)生相應(yīng)產(chǎn)品的途徑。

圖 餐廚沼渣無害化處理及資源化利用方式Fig. Methods of innocuous disposal and resource utilization of kitchen waste biogas residue

2.1 填埋

“衛(wèi)生填埋”的概念是由美國20世紀(jì)30年代最早提出，具有技術(shù)成熟、處理量大、投資和運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，是我國運(yùn)用最廣泛的垃圾處理技術(shù)[21]。然而，填埋場具有土地占用大、環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)大、場地復(fù)墾困難等挑戰(zhàn)，目前歐洲各國已全面禁止可生化降解垃圾進(jìn)入填埋場[22]。多年來，我國餐廚沼渣經(jīng)脫水至60%以下可填埋，隨著國家全面控制垃圾填埋量，沼渣將被限制或禁止填埋[23]。

2.2 焚燒

焚燒是一種最直接的固體廢棄物處置方法，是我國生活垃圾主要處理方式之一，焚燒可對餐廚沼渣進(jìn)行徹底減量化，直接將生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為熱能或電能[24]。沼渣含水率高，進(jìn)入焚燒爐之前必須干化，在120℃烘干24h后，餐廚沼渣的熱值大約為23MJ/kg[16]。用含水率低、熱值高的原料與沼渣混合焚燒，是提高餐廚沼渣能源轉(zhuǎn)化效率、降低有害氣體排放的有效途徑。Wei[25]等人將餐廚沼渣與生活垃圾共燃燒，1∶9實(shí)驗(yàn)組綜合燃燒指數(shù)增長32.9%，隨升溫速率增加，燃燒指數(shù)呈指數(shù)增長。

2.3 土地利用

餐廚沼渣含豐富的氮、磷、鉀等營養(yǎng)，經(jīng)脫水除雜、堆漚和腐熟陳化后，生產(chǎn)非商品化的肥料、土壤調(diào)理劑，用于近距離的農(nóng)田施肥[26]。但餐廚垃圾由眾多原料組成，生成的沼渣存在致病風(fēng)險(xiǎn)，土地利用模式未獲大規(guī)模推廣[27]。一些餐廚項(xiàng)目遠(yuǎn)離城區(qū)，配套了農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園、牲畜養(yǎng)殖廠等，沼渣通過除雜、堆肥腐熟后施入土壤，實(shí)現(xiàn)了所謂的“零排放”，但并未解決餐廚行業(yè)沼渣的出路[28]。少量文獻(xiàn)研究了未脫水的餐廚沼液沼渣混合物施入土壤后營養(yǎng)物質(zhì)歸趨、氣體排放和植物生長的情況，但未發(fā)現(xiàn)單獨(dú)記載餐廚沼渣土地利用的文獻(xiàn)[29]。

2.4 堆肥

沼渣含有未降解有機(jī)質(zhì)，施入土壤后會(huì)繼續(xù)發(fā)酵，對植物造成傷害，餐廚沼渣通過好氧堆肥可完全腐熟，臭味極大降低，生成有機(jī)肥[30]。好氧堆肥最適宜水分約40%～60%，C/N比為25∶1～30∶1，蓬松的結(jié)構(gòu)有助于空氣進(jìn)入原料內(nèi)部促進(jìn)好氧進(jìn)程[31]。然而，餐廚沼渣含水率高、C/N低、結(jié)構(gòu)致密，直接堆肥達(dá)不到腐熟標(biāo)準(zhǔn)。低含水率、高C/N物質(zhì)(木屑、麩皮)可將餐廚沼渣的水分和C/N調(diào)節(jié)到最適宜條件，高孔隙度、大比表面積的支撐性物質(zhì)(鋸木片、樹葉)可作膨脹劑使堆體透氣性升高，共堆肥是另一種能有效調(diào)節(jié)堆體特性的方式，將餐廚沼渣與其他原料(秸稈、園林垃圾、牛糞)共堆肥可顯著改善堆肥條件[32]。表 1總結(jié)了不同添加物質(zhì)對餐廚沼渣好氧堆肥的影響。

表1 不同添加物對餐廚沼渣好氧堆肥的影響Tab.1 Effects of different additives on for aerobic composting of kitchen waste biogas residue

續(xù)表1

2.5 熱化學(xué)轉(zhuǎn)化

生物質(zhì)的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化是指生物質(zhì)在一定的溫度和條件下，發(fā)生汽化、炭化、熱解和催化液化，以生產(chǎn)氣態(tài)燃料、液態(tài)燃料、固態(tài)燃料和化學(xué)物質(zhì)的技術(shù)，包括熱解、氣化和水熱處理[38]。餐廚垃圾是各種生物質(zhì)混合成的有機(jī)垃圾，厭氧消化后沼渣中含有殘余的有機(jī)質(zhì)[39]。熱化學(xué)轉(zhuǎn)化是將餐廚沼渣中有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為高價(jià)值能源和資源的重要手段，表 2介紹了幾種主要的餐廚沼渣熱化學(xué)處理方法。

表2 餐廚沼渣幾種主要的熱化學(xué)處理方法Tab.2 Thermochemical treatment methods for kitchen waste biogas residue

2.5.1 熱解

熱解可將生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)化為功能性生物炭，附帶生成的熱解氣和生物油具有作為高價(jià)值燃料的潛力[43]。在無氧條件下，餐廚沼渣通過高溫?zé)峤猱a(chǎn)生生物炭，比表面積大、活性位點(diǎn)多，可用作吸附劑和催化劑[44]。不同的反應(yīng)條件使餐廚沼渣生物炭產(chǎn)生不同的特性，獲得不同的功能[45]。Peng[46]等人研究了餐廚沼渣在300～900℃熱解制備的生物炭對水中磷的吸附能力，其中700℃熱解制備的生物炭吸附效果最高，達(dá)到100.7 mg-P/g-char。Liu[47]等人將餐廚沼渣在800℃反應(yīng)2h，產(chǎn)物再用HCl去除灰分，獲得的生物炭用作催化劑，可高效地催化過硫酸鹽降解偶氮染料，0.5 g/L生物炭在1.5nM 過硫酸鹽存在下，去除92%活性紅染料X-3B(1g/L)。此外，餐廚沼渣制備的鐵摻雜石墨生物炭，具有活化過硫酸銨獲得高效降解苯并a芘的能力[48]。

生物油是熱解的必然產(chǎn)物，具有潛在的能量價(jià)值或化學(xué)品回收價(jià)值，生物油或稱凝析物，是冷凝水和其他各組化合物的復(fù)雜混合物，成分可分為酚類、碳?xì)浠衔锖秃袡C(jī)物[38]。餐廚沼渣通過500℃熱解得到的生物油的熱值約為13.5MJ/kg，含有大量的活性含氧成分酸和酯，被認(rèn)為是不良的燃料；酯在生物油中占主導(dǎo)地位，研究液體燃料成分，可提高其在燃燒過程中的能量效率[49]。此外，生物油可視為生物化學(xué)品生產(chǎn)的原材料，如苯酚生產(chǎn)[50]。

2.5.2 氣化

氣化可將原料轉(zhuǎn)化成孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)的焦炭，產(chǎn)生高熱值的合成氣，顯著提高合成氣中H2含量及燃料轉(zhuǎn)化率，是生物質(zhì)高效潔凈利用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[51]。餐廚沼渣通過高溫蒸汽氣化可產(chǎn)生熱值很高的合成氣,主要成分有H2、CH4和CO。Nakajima[52]等人比較同等溫度700～1000℃下餐廚沼渣熱解、蒸汽氣化生成氣體的熱化學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)900℃氬氣蒸汽氣化沼渣的氣體產(chǎn)量比熱解高得多，氣化沼渣比熱解生成的合成氣的熱值高出40%，氣化過程中溫度越高，合成氣中H2含量顯著提高、CH4降低。生物質(zhì)的蒸汽氣化是產(chǎn)生H2的一種替代方法，Akarsu[53]等人采用兩步法研究餐廚沼渣合成氣中H2的產(chǎn)量，先將沼渣在200℃下生成水熱炭，再通過850℃氮?dú)夥諊羝麣饣疅崽浚玫降腍2產(chǎn)量高達(dá)57～59 mol/kg。

2.5.3 水熱處理

餐廚沼渣成分復(fù)雜，水熱汽化和水熱液化處理餐廚沼渣的資源化利用難度大，還未有文獻(xiàn)專門研究；水熱碳化技術(shù)操作簡單，是將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高價(jià)值炭材料的有效途徑，廣泛用于餐廚沼渣的研究[54]。水熱碳化過程發(fā)生在一個(gè)封閉的水介質(zhì)中，在相對較低溫度(80～250℃)下完成反應(yīng)[55]。餐廚沼渣經(jīng)水熱碳化可獲得水熱炭，175～250℃下水熱炭的產(chǎn)率為43%～52%，其中200℃下反應(yīng)30min可獲得燃料特性最好的水熱炭，燃燒特性與褐煤類似[53]。研究發(fā)現(xiàn)，催化-共水熱碳化能顯著提高沼渣水熱炭的能源效率，將餐廚沼渣與園林垃圾按1∶1混合，0.5M HCl作催化劑，250℃反應(yīng)30min，獲得高熱值水熱炭；催化-共水熱碳化制備的水熱炭熱值到達(dá) 22.7 MJ/kg，比僅用餐廚沼渣的對照組(13.9 MJ/kg)增加63%，水熱處理液中固氮量增加2倍，磷保留量增加129倍[56]。此外，水熱碳化產(chǎn)生的水熱處理液可進(jìn)一步厭氧消化產(chǎn)沼，具有較大的營養(yǎng)回收前景[57]。

3 經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益分析

餐廚沼渣填埋和焚燒主要依靠城市現(xiàn)有設(shè)施，具有便利性，但這兩種方式的資源利用率較低。填埋處理餐廚沼渣的成本低，占用大量的土地，具有滲濾液泄露、臭氣耗散及致病菌傳播的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，對環(huán)境影響最大[58]。焚燒成本略低于填埋，沼渣含水率高導(dǎo)致運(yùn)輸費(fèi)用高，由于我國沼渣須經(jīng)脫水至60%以下方可填埋，因此烘干沼渣增加了填埋的成本，高含水率也會(huì)影響焚燒爐的熱效率，焚燒廠對沼渣進(jìn)廠的定價(jià)往往在常規(guī)生活垃圾的2倍以上，此外餐廚沼渣焚燒過程產(chǎn)生二惡英、多環(huán)芳烴、揮發(fā)性有毒有害氣體，產(chǎn)生的碳排放將加速全球變暖趨勢[59]。據(jù)悉，焚燒1kg沼渣將產(chǎn)生3.6～3.7kg碳排放，沼渣進(jìn)入焚燒爐將不利于《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》的實(shí)施[60]。

餐廚沼渣堆肥是一種對環(huán)境影響最小的處理方法，但周期長、需添加輔料和臭氣處理量大使得堆肥成本最高，市場接受度低也成為沼渣堆肥成本高的原因，然而堆肥被認(rèn)為是一種理想的、可持續(xù)的資源循環(huán)利用方式，可將碳固定在土壤中，實(shí)現(xiàn)“零排放”，餐廚沼渣堆肥值得大力推廣[32]。目前，熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)只存在于實(shí)驗(yàn)室研究階段，還無法對其處理成本及環(huán)境效益進(jìn)行有效計(jì)算。

4 結(jié) 論

熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)是當(dāng)前餐廚沼渣資源化利用的研究熱點(diǎn)，但該類研究大多處在實(shí)驗(yàn)室小試階段。熱解可將餐廚沼渣制備成具有吸附或催化功能的生物炭，生成的合成氣和生物油具有作為高價(jià)值燃料的潛力。今后如何尋找餐廚沼渣制備生物炭、水熱炭材料的產(chǎn)業(yè)化突破口，需要科研學(xué)者們的持續(xù)攻關(guān)。餐廚沼渣通過水熱碳化生成熱值較高的水熱炭燃料、合成氣和具有產(chǎn)沼潛力的水熱液，是一種多重資源化方法。此外，餐廚沼渣通過高溫蒸汽氣化可生成高熱值合成氣，優(yōu)化反應(yīng)條件可顯著提升H2的產(chǎn)生量。運(yùn)用蒸汽氣化技術(shù)處理餐廚沼渣，提高合成氣中H2的含量，具有生產(chǎn)利用氫能的前景。