餐厨垃圾资源化技术研究探讨*

顾广发，李 勇，任维琰，邱德斌

（苏州科技学院环境科学与工程学院，江苏 苏州 215011）

餐厨垃圾资源化技术研究探讨*

顾广发，李 勇，任维琰，邱德斌

（苏州科技学院环境科学与工程学院，江苏 苏州 215011）

介绍了餐厨垃圾传统处理方法的不足，以生物柴油技术、饲料化技术、好氧堆肥技术、厌氧发酵技术等资源化技术为例，探讨目前国内外资源化处理方法的研究进展及各种资源化方式的优缺点。根据目前发展现状，提出了未来餐厨垃圾处理的研究方向。

餐厨垃圾；资源化；饲料；堆肥；发酵

餐厨垃圾俗称“泔脚”，是城市生活垃圾中有机相的主要来源，产生于企事业单位、学校、农贸市场、超市以及餐饮服务行业［1］。随着经济的发展，人民生活质量的提高，餐厨垃圾产生量也在逐年增加。以北京、上海、广州等大城市为例，其餐厨垃圾日产生量均超过了1 000 t［2］。餐厨垃圾主要包括米和面粉类食物残余、蔬菜、植物油、动物油、肉骨、鱼刺等。其特点是有机物含量高，易腐发臭，油脂、盐分含量高等。餐厨垃圾的产生量和复杂成分增加了其处理难度。

1 传统处理方法与不足

①餐厨垃圾直接作为牲畜的饲料，一些病原微生物进入牲畜体内，当人们摄入了这些带有病菌的牲畜时就容易感染疾病。②与其他生活垃圾混合卫生填埋，容易产生恶臭、大量渗沥液和沼气，造成二次污染。③不经处理直接排入下水管道，易堵塞排水管道，降低排水能力。

2 资源化研究

餐厨垃圾由于其自身的特点，不适合传统的垃圾处理方法，目前餐厨垃圾处理方式主要以资源化为导向［3］，因此笔者总结了近年来国内外餐厨垃圾资源化处理的主要研究方法，目的在于为餐厨垃圾的资源化处理提供科学依据。

2.1 生物柴油

生物柴油是指以动植物油脂为原料，通过酯交换生产的柴油，也称之为再生燃油。而地沟油可通过酸-碱两步法、分离反应法、完全催化法等工艺制得生物油。传统的生物柴油生产工艺流程见图1。

图1 餐厨垃圾制生物柴油的工艺流程

生物柴油具有良好的环保性，使用生物柴油可使SO2等硫化物的排放量减少约30%，温室气体（如CO2）减少60%［4］。我国目前生物柴油生产专利达30多种。清华大学环境科学与工程系和苏州市洁净废植物油回收有限公司合作研究餐厨垃圾处理技术，其成果于2008年被苏州餐厨垃圾处理厂用于提取生物柴油。生物柴油可作为石化柴油的替代燃料，是一种优质的可再生替代能源，直接用于现有的柴油机。生物柴油技术将成为餐厨垃圾处理发展的一个方向。

2.2 饲料化

餐厨垃圾中含有大量的有机营养成分，其饲料化具有相当的优势。出于安全卫生考虑禁止将餐厨垃圾直接作为动物饲料，必须经过处理，消除病毒污染后制成饲料进行利用。饲料化可分为生物法和物理法。

生物法［5］是利用微生物菌体处理餐厨垃圾，利用微生物的生长繁殖和新陈代谢，积累有用的菌体、酶和中间体，经烘干后制成蛋白饲料。高凤彩等［6］对有机生活垃圾发酵底物提取蛋白质进行了研究，可得到淡黄色氨基酸晶体，提取率达80%以上，产品可作为饲料添加剂使用。

物理法是直接将餐厨垃圾脱水后进行干燥消毒，粉碎后制成饲料，其工艺流程见图2。脱水方法分为常规高温脱水、发酵脱水、油炸脱水［7］。目前西宁市餐厨垃圾处理厂就采用高温脱水方法进行脱水饲料化。物理法相对生物法工艺简单，成本低，但存在较大的食物安全隐患。利用该法制得脱水饲料的营养物质含量（59次平行试验的平均值） 见表 1［8］。

表1 餐厨垃圾物理法制得脱水饲料的营养物质含量（n=59）%

2.3 好氧堆肥

好氧堆肥技术是一种将传统好氧堆肥技术与外加生物菌种强化作用结合起来的堆肥技术，堆肥产品可作为复合肥料使用。

餐厨垃圾中C/N较低，合理调节C/N将提高餐厨垃圾发酵效率和有机肥的肥效。席北斗等［9］对厨余垃圾蓬松剂技术研究表明，添加锯末、树叶、秸秆和干马粪等蓬松剂后，堆料所能达到的高温及其停留时间、好氧速率和产CO2能力均明显优于对照组，并能很好地控制出口H2S含量，特别是添加干马粪和锯末可明显改善堆料孔隙率，吸收多余水分，加速氧和有机物的传输速率，改善好氧堆肥微环境。

我国餐厨垃圾具有油脂、盐分含量高等特点。高油脂、高盐分含量的餐厨垃圾在堆肥时会抑制微生物的活性，降低堆肥效率，且堆肥易造成土壤酸化和损害作物根部，长期使用还会导致土壤的盐碱化［10］。在堆肥的使用过程中可通过水洗脱盐降低盐分含量，也可添加一定量的无机肥以抑制返盐。重金属的含量也会影响堆肥效果，并且可造成土壤重金属污染。

因此，好氧堆肥虽然处理工艺简单，但肥效差、占地面积大、处理时间长，以及产生大量臭气，应用该法时应综合考虑各方面因素的影响。

2.4 厌氧发酵

厌氧发酵是在特定的厌氧环境下，利用微生物将餐厨垃圾有机质分解，回收氢气和甲烷。

2.4.1 生物制氢

目前我国研究较多的是生物制氢，生物制氢是利用微生物产氢及发酵产氢。氢气具有清洁无污染、能量密度高等特点，被认为是21世纪最具应用价值的可再生能源之一［11］。发酵细菌产氢气比光合细菌更简单可行。生物制氢选择接种产氢微生物，在发酵过程中添加一定的添加剂抑制产甲烷菌的生长。J.J.Lay等［12］从活性污泥中获取微生物，对不同化学组成的餐厨垃圾：糖类（米和马铃薯）、酯类（肥肉和鸡皮）、蛋白质（鸡蛋和瘦肉）进行发酵产氢，得出糖类垃圾的产氢能力大概是其他2类的20倍。张振宏等［13］研究了剩余污泥、矿化污泥、矿化垃圾、颗粒污泥4种接种物对产氢的影响，单独一种接种污泥情况下，氢气浓度和产生量均最大的是剩余污泥，分别为47.1%、100 mL/g。曹先艳等［14］研究了添加剂对餐厨垃圾发酵产氢的影响，以表面活性剂与偏硅酸钠的混合物作为添加剂，试验结果表明添加剂能抑制产甲烷菌的生长，且接种污泥无需预处理即可提高产氢量，5 g（干质量） 餐厨垃圾投加1.75 g添加剂时产氢量达到114.5 mL/g。

2.4.2 厌氧甲烷化

餐厨垃圾厌氧甲烷化可分为产酸阶段和产甲烷阶段。最终将复杂大分子有机物转化为甲烷和二氧化碳。甲烷又称沼气，是一种清洁能源，燃烧不带来二次污染，并且在工业和发电行业应用较多。

餐厨垃圾厌氧甲烷化过程中缺少足够的活性微生物，导致厌氧消化速率低，无机化率不理想。与污泥联合发酵将充分利用污泥中丰富的微生物和餐厨垃圾中大量的有机组分，达到资源最大利用。影响厌氧甲烷化的因素主要有pH、含水率、接种率、有机负荷、颗粒粒度等。厌氧发酵阶段pH是一个先降低后上升的过程。产甲烷菌生长最适宜pH为6.8～7.2，一般要求厌氧发酵的原液pH为6～8［15］。餐厨垃圾中盐分含量较高会抑制厌氧发酵，王星等［16］研究了各种矿物材料对含盐餐厨垃圾厌氧发酵的影响，发现膨润土对发酵促进作用较大，因为膨润土对Na+有良好的吸附性，并且释放大量的Ca2+、Mg2+改变细胞通透性，增强吸收养分的能力。

2.4.3 两阶段发酵产氢产甲烷

用有机废物产氢通常伴随着有机酸的产生，这些有机酸是产甲烷的基础。因此，产甲烷被认为是产氢后的合适的单元。氢气和甲烷的产生量取决于食品废物的组成。与蛋白质或脂类相比，碳水化合物通过生物氢发酵产生氢的量最大［12，17］。因此，食物垃圾中高碳水化合物的组成有利于产氢。最近，产氢产酸和产甲烷相结合的两阶段工艺已受到越来越多的关注［18］。通过两阶段发酵能够更好地从可再生有机物中回收能量，实现资源化、无害化、减量化。第一阶段接种热处理（70～100℃，15～120 min） 是接种期间杀死产甲烷菌一般的做法［19-20］。对于第二阶段乙酸转化为甲烷普遍认为有2个机理，机理一为乙酸分解型产甲烷，涉及乙酸盐的分裂脱羧，乙酸甲基主要转换为甲烷，而羧基转化为二氧化碳。机制二称为乙酸氧化路径，乙酸通过一个有机体（杆状细菌［AOR］） 被氧化为CO2和H2，而随后通过第二有机体（氢气-氧化甲烷菌）用氢气将二氧化碳转化为甲烷。

C.F.Chu等［21］对两阶段发酵微生物群落特性研究表明：高温条件下产氢可以杀死废物中病菌；在第二阶段采用高温发酵相对于中温发酵，有机物发酵效果更好，脂肪酸等有机物去除率高；梭状芽孢杆菌Z6是主要的高温产氢细菌。

D.W.Liu等［22］对生活垃圾的两级发酵做了研究，将一级发酵的发酵液回流入二级发酵罐，研究结果发现H2产生量为43 mL/g，CH4产生量为500 mL/g，甲烷产生量比一次发酵提高了21%。并对产氢阶段的pH进行研究表明最佳范围为 5.0～5.5。S.K.Han 等［23］对餐厨垃圾进行两阶段法产氢产甲烷的可行性研究，利用流化床反应器（产氢气） 和UASB反应器（产甲烷） 研究发现，挥发性固体给料在11.9 kg/（m3·d） 时，VS去除率达到72.5%。去除的VS有28.2%转化为H2，氢气产生量为 3.63 m3/（m3·d）；去除的 VS 中69.9%转化为CH4，甲烷产生量为1.75 m3/（m3·d）。

两阶段发酵产生物气相对生物制氢和发酵甲烷化，资源化、无害化、减量化效果更好，随着技术水平的提高，必将成为餐厨垃圾处理的重要方法。

3 展望

针对餐厨垃圾的资源性，国家与地方应制定相应的回收政策，禁止餐厨垃圾不法外流。并采取合适的餐厨垃圾处理处置方式，使其变废为宝。

无论是好氧堆肥、饲料化、生物柴油还是厌氧发酵，都存在各自的优点与不足。单独的饲料化、生物柴油、产氢产甲烷已不能满足资源完全回收的目的，应将多种资源化方式结合，在回收生物柴油后再利用发酵回收生物气，将发酵后的发酵残渣制造饲料已经成为未来的发展方向。目前苏州餐厨垃圾处理厂已经将生物柴油、生物气、饲料共同回收运用于生产，并取得良好的效果。生物柴油、饲料化技术已经非常成熟，厌氧发酵条件控制将成为研究重点，特别是两阶段发酵条件的控制及流程的改进。

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Reclamation Technologies of Food Residue

Gu Guangfa,Li Yong,Ren Weiyan,Qiu Debin
（School of Environmental Science and Engineering,Suzhou University of Science and Technology,Suzhou Jiangsu 215011）

Deficienciesof food residue traditional treatment methodswere introduced.Taking bio-diesel technology,feedstuff technology,aerobic composting technology,and anaerobic fermentation technology as examples,research progress of food residue reclamation treatment technology at home and abroad was discussed,as well as advantages and disadvantages of various reclamation ways.According to the current developing situation,research direction of food residue treatment in the future was proposed.

food residue；reclamation；feedstuff；composting；fermentation

X705

A

1005－8206（2011） 03－0001－04

苏州市环保科技项目（苏环计字［2010］37号）

2011-02-21

顾广发（1987—），硕士研究生，研究方向为城市垃圾处理处置。E-mail：guguangzhi-000@163.com。

（责任编辑：刘冬梅）