餐厨垃圾能源化研究进展

张 强，稽 冶，冀 伟

（长春理工大学生命科学技术学院，吉林 长春 130022）

餐厨垃圾，是指家庭、学校、食堂以及餐饮行业的食物废料和残余，是城市生活垃圾的重要组成部分。据报道，北京每天产生生活垃圾10000吨左右，其中剩饭剩菜等餐厨垃圾就达1600吨以上；上海150家左右饭店和近3万家餐饮企业，每天产生的剩饭剩菜约 1300吨。餐厨垃圾不仅来自餐饮酒店、食堂等，还来自普通的家庭，按月产生 1吨/万人估算，全国13.4 亿人口每月将有13.4万吨餐厨垃圾产生。由于餐厨垃圾水分和有机物含量较高，所以含有大量沙门氏菌、金黄色葡萄球菌等致病微生物，另外还会滋生苍蝇、蚊子等害虫，若不及时处理，还可能产生二英等有毒有害物质，危害人们的生活和环境[1-2]。

目前，餐厨垃圾在国内绝大多数城市存在着管理无序、任意处置等问题。大部分饭店、食堂等排放数量较大且较集中的餐厨垃圾往往被郊区的养猪户等收集，导致垃圾猪和地沟油现象屡禁不止，严重威胁着消费者的食品安全和身体健康。

餐厨垃圾具有含水量高、有机物含量高、油脂含量高、营养元素丰富等特点，有很大的回收利用价值。利用餐厨垃圾作为原料生产能源，既可以获得清洁能源，又能减少污染物排放，已经成为国内外餐厨垃圾处理利用的主要方向。本文主要对利用餐厨垃圾生产生物柴油、甲烷、氢气以及燃料酒精的进展情况进行综述。

1 餐厨垃圾组成

餐厨垃圾是一类高有机质、高含水率的资源型废弃物，并且油脂含量远远高于其它有机垃圾，主要成分为米饭、蔬菜、肉类和骨头。潘丽爱等[3]分析了吉林大学某餐厅餐厨垃圾的理化性质，该餐厨垃圾pH值为6.8，呈微酸性，其中水分、蛋白质、脂肪、糖类含量分别为73.03%、12.16%、6.23%、4.16%。马鸿志等[4]对北京某食堂垃圾组成进行了测定，其中水分约占 83%，淀粉、蛋白质和脂肪含量分别为46.1%、15.6%和18.1%（干基含量）。另外餐厨垃圾的组成成分具有明显的地域特性和时空差异，如韩国的餐厨垃圾盐含量相对较高，一般为1%～3%。中国早、中、晚三餐所产生的餐厨垃圾在理化性质上也不同，早餐中餐厨垃圾总固体含量（TS），挥发性固体含量（VS），VS/TS比值和脂肪含量明显低于午餐和晚餐的餐厨垃圾，而Na+，Ca2+和Cl−含量较高。

2 餐厨垃圾处理现状

随着城市人口增加和人民生活水平的不断提高，餐厨垃圾产量也在逐年增长，由此而带来的环境污染问题日益严重。目前国内外主要采用的处理方法有焚烧、填埋以及堆肥处理等[5]。

2.1 焚烧

目前，大多数垃圾管理不严格的地区，通常将餐厨垃圾与生活垃圾混在一起进行焚烧处理，这样可使垃圾减量90%以上。而一些技术发达或垃圾管理严格的地区，往往会建立垃圾焚烧厂，通过垃圾焚烧产生的热量进行发电。但由于餐厨垃圾含水量高，通常水分含量高达 90%左右，发热量 2100～3100 kJ/kg。热值较低，燃烧时需要添加辅助燃料。另外和其它垃圾一起进行焚烧，往往不能满足垃圾焚烧发电的热量要求，从而造成投资大，同时尾气处理也是一个难题，焚烧过程会产生大量的有害气体，造成环境污染[6]。

2.2 填埋

填埋处理是一种简单而且普遍的垃圾处理方法，很适合填埋场气体利用技术。但由于餐厨垃圾含水量较高，导致渗透液增多，造成处理成本升高。尤其混合排放的生活垃圾不仅难以进行分离和资源化利用，而且会造成二次环境污染，给填埋处理等带来了很大困难和弊端，而且这种处理方式也会造成餐厨垃圾中营养物质大量损失，最终产生大量沼气，沼气对全球变暖的影响约为二氧化碳的25倍[7]。因此填埋处理不仅局限了垃圾资源的综合回收利用，而且占用大量土地，污染环境。对餐厨垃圾实施源头预处理是其资源化利用的重要保障。

目前随着人们对餐厨垃圾利用逐步深入，垃圾填埋处理已经呈现出下降的趋势，很多国家已经禁止餐厨垃圾进行填埋处理。

2.3 堆肥

堆肥是在人工控制的条件下，使有机固体废物进行生物稳定作用的过程。餐厨垃圾有机物含量高，营养丰富，碳氮比比较低，非常适用于作堆肥原料。但由于餐厨垃圾具有盐分高、含水率高、容重高、的特点，科研人员对餐厨垃圾堆肥工艺进行了细致的研究。目前餐厨垃圾堆肥技术已经较为成熟，但由于油分、盐分及其它杂质在餐厨垃圾堆肥产品中的残留，导致肥料质量不高，另外对土壤也存在不同程度的负面影响[8]。

虽然国内一些城市相继建立了餐厨垃圾堆肥处理厂，但堆肥过程中场地占用、除臭技术、污水排放等硬件条件和工艺技术都需要极大的经费投入，大大抬高了堆肥产品的成本。

纵观目前餐厨垃圾处理现状，一是由于国家缺乏规范化管理，餐厨垃圾与其它生活垃圾混合排放，阻碍了餐厨垃圾资源化处理的产业化进程。二是餐厨垃圾资源化处理技术比较落后，处理过程局限而单一。鉴于餐厨垃圾具有含水量高、有机物含量高、营养元素丰富等特点，利用餐厨垃圾作为原料获取各种有效能源，将会成为未来国内外餐厨垃圾处理利用的主要方向[9]。

3 餐厨垃圾生产生物柴油

生物柴油是指利用动植物油脂为原料，通过酯交换反应生成的脂肪酸甲酯等低碳酯类物质，也称为可再生燃油。生物柴油是含氧量极高的复杂有机成分的混合物，这些混合物主要是一些分子量大的有机物，几乎包括所有种类的含氧有机物，如：醚、酯、醛、酮、酚、有机酸、醇等。现在生物柴油已经在一些发达国家成为了传统柴油的有效补充，通过与传统柴油混合，发挥着节约资源、降低污染物等积极作用。

利用餐厨垃圾生产生物柴油价格便宜，而且具有良好的环保性，使用过程中可使SO2的排放减少约30%，而温室气体CO2可减少60%左右[10]。据统计，每吨餐厨垃圾可以提炼出20～80 kg废油脂，经过加工后可制成生物柴油。餐厨垃圾提炼垃圾油后，采用硫酸作为催化剂，与甲醇发生酯交换反应，经过静置沉淀后，蒸发去除甲醇并干燥，即制得生物柴油成品[11]。工艺流程见图1。

2007年清华大学和苏州市洁净废植物油回收有限公司合作。采用湿热水解技术和生物处理相结合工艺，在常压条件下，利用专用的催化剂一步法生产生物柴油，使餐厨垃圾得到100%资源化利用，无二次污染。项目完全投产后，预计年产蛋白饲料添加剂4200吨，可节省耕地8400亩；年产生物柴油5200吨；年可利用沼气发电140万千瓦时；全年可减排污水2.15万吨，减少COD排量约1000吨[12]。

青岛天人公司承担的“城市餐厨废弃物资源化利用和无害化处理”项目，预计2012年完成后每年可处理餐厨垃圾超过15万吨，生产生物柴油2000吨，减少温室气体排放超过10万吨。

目前，利用餐厨垃圾生产生物柴油的方法还有超临界甲醇法和生物酶法。超临界甲醇法不需要使用催化剂，酯交换反应迅速，几分钟内即可完成，而且没有副产物产生。生物酶法则是加入酶作为催化剂，反应效率高，对环境友好，无污染[13]。

生物柴油是一种优质能源，可直接用于现有柴油机。生物柴油技术将成为餐厨垃圾处理发展的重要方向。但目前餐厨垃圾作为生物柴油的原料，统一收集遇到很大的困难，主要因为餐馆、收运户和餐厨垃圾加工点已形成一个完整的地下利益链，他们之间互惠互利，从而想尽各种办法逃脱监管，餐厨垃圾的收集已制约了其资源化的应用。另外，生物柴油虽然具有很大的经济和环境效益，但仍需国家政策扶持，通过减税或免税才能使它与石化柴油竞争。

4 餐厨垃圾生产甲烷

餐厨垃圾的厌氧发酵是利用厌氧微生物将餐厨垃圾有机物降解，转换为甲烷和二氧化碳。厌氧发酵在密闭容器中进行，反应不受供氧限制，而且不易产生臭气等污染物，对环境友好。但多菌群、多层次的厌氧发酵过程构成了一个复杂的体系，反应影响因素较多。目前，国内外关于厌氧发酵产甲烷研究的报道很多，研究者主要从温度、盐度、物料配比、接种等因素对厌氧产甲烷的影响方面进行了广泛深入的探讨[14]，具体见表1。

餐厨垃圾厌氧产甲烷是一种切实可行的资源化和环保新技术，从而受到各国政府的高度重视。德国是欧盟重要的沼气生产国，主要采用中温与高浓度相结合的液态发酵热电联供技术。英国利用人和动物的有机废物作为原料，厌氧发酵产生的甲烷可以替代英国 25%的煤气[20]。2009年我国重庆将餐厨垃圾中的油脂加工成燃料，剩余部分利用厌氧发酵后产生的沼气发电，年产沼气达到1400万立方米，发电3300万千瓦时。

表1 各种因素对餐厨垃圾产甲烷的影响

湖北陈家冲垃圾沼气发电工程每天发电3.84万度，消耗沼气2.16万立方米。每吨垃圾完全降解能产生200立方米沼气，发电厂一天发电量所需沼气理论上可由108吨垃圾完全降解所产生。如按一户居民每月平均用电150度计算，每天发电量能供应7600余户居民同时使用。

我国人口众多，能源问题备受关注。总体上，餐厨垃圾厌氧发酵产沼气是未来重点发展和投资的方向之一。随着厌氧发酵生产沼气技术日益成熟，不仅可以将餐厨垃圾转化为能源，而且剩余的沼渣沼液可以作为肥料。 但也存在工艺流程长，配套设施多，投资成本高等制约因素[21]。今后应加强厌氧发酵设备以及利用沼气提纯甲烷的技术研究。另外也应重视餐厨垃圾甲烷发酵与燃料电池组合系统的开发以及高寒地区沼气发电工程能量综合利用技术等。从长远来看，应在技术设备优化组合，高度集成等方面继续努力。

5 餐厨垃圾生产氢气

实际上，制氢气只是产沼气的一个环节。随着对厌氧发酵的深入研究，厌氧发酵的中间产物——氢气日益引起了人们的关注。氢气具有清洁无污染、能量密度高等特点，被认为是最具应用价值的可再生能源之一。传统利用化学方法生产氢气，不但能耗大而且成本很高。而利用餐厨垃圾厌氧发酵产氢成本低，还可实现餐厨垃圾处理的减量化和资源化，因此被认为具有广阔的发展和应用前景。发酵产氢的微生物主要有4 大类，分别为肠杆菌属、梭菌属、埃希氏肠杆菌属和杆菌属。在发酵过程中通过有机物的脱氢来实现代谢过程的顺利进行。有文献报道表明，接种物、反应温度、金属离子、基质种类、pH 值等因素对厌氧制氢均有显著的影响[22-23]。

林明[24]以产氢菌株 B49为对象对细菌乙醇发酵的非生物因子（pH值、气相、金属离子和发酵底物）和生物因子（发酵产物和种群关系）进行了研究。认为细菌乙醇型发酵菌群可以在低pH值（4.0左右）稳定产氢；适宜质量浓度的Fe2+、Ni+、Mg2+对B49 的生长和产氢有明显的促进作用，影响程度为 Fe2+＞ Ni+＞ Mg2+。

Okamot O M[25]分别以米饭、卷心菜、胡萝卜为底物对产氢过程进行了研究，结果表明米饭、卷心菜、胡萝卜的产氢率分别为 19～96 mL/g、44.9～70.7 mL/g、26.3～61.7 mL/g 。比蛋白质、脂肪类固体废物具有更高的产氢能力。

曹先艳等[26]通过批式试验探讨了温度对餐厨垃圾厌氧发酵产氢的影响。结果表明，接种厌氧污泥在未经高温驯化（50 ℃）时直接进行高温厌氧发酵产氢效果不佳。中温（35 ℃）驯化1天后进行产氢实验，二者氢气的最大体积分数分别是 36.8%和37.2%。但中温条件下体系的反应速率较室温更快，二者产氢速率分别为每克15.6 mL/h和4.8 mL/h。试验结果也表明，酸化过程是反应的限速步骤。因此，建议餐厨垃圾厌氧发酵产氢应在中温（35 ℃）条件下进行。

张振宏等[27]分别采用矿化污泥、剩余污泥、矿化垃圾、颗粒污泥作为接种物对产氢性能进行了研究，试验结果表明，在单独接种一种污泥情况下，剩余污泥的氢气浓度和产生量分别为 47.1%和 100 mL/g，高于其它3种污泥。

很多因素对厌氧发酵产氢有显著的影响，如何提高餐厨垃圾的产氢量、产氢的浓度以及产氢速率是餐厨垃圾厌氧发酵制氢产业化的关键。目前对餐厨垃圾厌氧产氢过程的研究尚不深入， 所有实验都停留在小试阶段。虽然厌氧产氢过程可行，但影响因素复杂多变，其中产氢菌的产氢能力不高成为限制该技术发展的重要因素。

6 餐厨垃圾生产燃料酒精

当前我国的酒精生产主要以玉米、稻谷、小麦等粮食作物为原料。从资源有效利用和降低生产成本方面考虑，利用含丰富淀粉及纤维素类的废弃物作为原料无疑更具有优势。当前已有利用农业废弃物如农作物的秸秆、玉米渣以及废弃的甜菜叶茎等进行酒精生产的研究，而利用餐厨垃圾生产燃料酒精报道很少。餐厨垃圾含有丰富的淀粉，另外还含有脂肪、纤维素、蛋白质等物质，这些都是酒精极好的发酵原料。

马鸿志等[4]利用运动发酵单胞菌对餐厨垃圾发酵生产燃料酒精进行了研究，试验结果表明，糖化酶和蛋白酶对于酒精发酵影响显著，当同时添加100 U/g 蛋白酶和100 U/g 糖化酶时，酒精产量达到最大值53 g/L，酒精转化率为44%。另外发酵过程中不用添加其它酶和营养物，说明餐厨垃圾自身所含的丰富营养完全可以满足细菌生长的需要。

奚立民等[28]获得了一株同时具有淀粉酶和纤维素酶活性的新霉菌Rhizopusoryzae TZY1。利用该菌株与酿酒酵母进行餐厨垃圾共发酵，发酵后淀粉的利用率在88%以上，纤维素的利用率在84%左右。该方法可以避免由于酶失活而使酒精产率降低的问题，并且不需外加糖化酶类，节约了成本，具有良好的产业化应用前景。

晏辉等[29]以餐厨垃圾为原料，应用同步糖化发酵的方法制取燃料酒精，在适宜的酒精发酵条件范围内，酒精产量最高为15.3 mL/100g 有机垃圾，有效地回收了餐厨垃圾中有用的物质和能源，实现了餐厨垃圾资源化的目的。

尹玮等[30]以餐厨垃圾酒糟离心液和麸皮为基础培养基，经黑曲霉发酵制取糖化酶。当氯化钙添加量为 0.2% 时，所产糖化酶的酶活最为 3404.44 U/mL，并且表明自制糖化酶可替代工业糖化酶应用于餐厨垃圾酒精发酵中，这不仅可以降低糖化酶和餐厨垃圾酒精生产成本，同时也可减少酒糟离心液对环境的污染。

另外安徽科聚环保新能源有限公司将餐厨垃圾酶解后还原糖浓度可达18%g/g，发酵酒精的浓度达 8%～10%g/g。该酒精经过浓缩和纯化，可作为燃料酒精的原料。

利用餐厨垃圾发酵生产酒精，不仅可以解决城市垃圾中排放量越来越大且难以处理的环境污染问题，还可以有效地实现其减量化、无害化与资源化，另外对扩大酒精生产原料来源，降低酒精生产成本将具有积极意义。

7 结 论

餐厨垃圾这种易腐有机物属于资源型废弃物，利用餐厨垃圾获得各种生物能源，各有特点，也各有利弊，如何扬长避短，是餐厨垃圾能够产业化的关键。

（1）政府应制定完善的相关政策法规，加强引导和宣传作用，从源头上减少餐厨垃圾的产生。另外对餐厨垃圾处理企业在垃圾收运、产品销售等环节应实行政策优惠。

（2）加快实施餐厨垃圾的分类收集。利用餐厨垃圾获取各种生物能源，都必须尽可能减少餐厨垃圾中异物的含量，也就是要加快实施餐厨垃圾的分类收集。同时我们也应该提高垃圾分类收集的质量，加快垃圾处理设备的开发与研制工作。

（3）单一的餐厨垃圾能源化难以满足资源完全回收利用的目的，应提倡采用多元的处理工艺和模式。将多种资源化方式相结合，把餐厨垃圾加工成高附加值的不同产品，这样在实现餐厨垃圾多样化处理的同时，也减少了副产品的市场风险。

总之，应根据具体地区餐厨垃圾的特点，选择合适的处理工艺，以达到经济效益、环境效益、社会效益的统一。

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