基于中国餐厨垃圾性质的适宜资源化方法探讨*

郑 苇，靳俊平，刘淑玲，曲伟国，闵海华，陈冠益

（1.天津大学环境科学与工程学院，天津 300074；2.中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300074）

我国餐厨垃圾产生量巨大，目前中国城市区域每人每天平均产生餐厨垃圾0.10～0.12 kg［1-2］，据此可得2012年，全国城镇餐厨垃圾产生量约为6.0×107t［1］。其中，北京产生 5.11×105t的餐厨垃圾，上海产生5.48×105t的餐厨垃圾，杭州产生1.10×105t的餐厨垃圾［2］。2010年，国家发展改革委、住房城乡建设部、环境保护部、农业部出台“发改办环资[2010]1020号文件《关于组织开展城市餐厨废弃物资源化利用和无害化处理试点工作的通知》”，决定组织开展城市餐厨废弃物资源化利用和无害化处理试点工作。可见，餐厨垃圾资源化利用是我国将来餐厨垃圾处理的发展趋势。

1 国内外餐厨垃圾性质对比

由于经济水平和生活习惯的不同，不同国家的餐厨垃圾性质具有差异性。我国不同地区与欧洲发达国家的餐厨垃圾性质特征对比见表1。

表1 我国不同地区和部分欧洲国家的餐厨垃圾性质特征

从表1可知，我国不同地区与欧洲发达国家餐厨垃圾的TS、VS、多糖和蛋白质含量范围为15%～25%、80%～95%、5%～20%、2%～5%，没有显著区别。但我国餐厨垃圾油脂含量为4.5%～7%，远大于欧洲国家的2%～3.5%。

2 餐厨垃圾现有处理方式

2003年，我国台湾的食品和庭院废物收运量为1.1×105t，这些废物主要用于喂猪（68%） 和堆肥（32%）［13］。目前，国外常用的餐厨垃圾的处理方式主要有填埋、堆肥、作饲料、焚烧和厌氧消化。EPA［14］报道指出，2012年美国食品废物产生总量为3.643×107t。其中，4.8%被循环利用（主要用于堆肥）；剩余的食品废物被填埋处置。2010年，英国食品废物中，75%用于堆肥，10%用作饲料，4%被焚烧，1%厌氧消化［15］。1992年，日本纸张和食品废物约占了城市固体废物的30%。其中14.9%直接填埋，74.3%焚烧处置，剩余的用其它方式处置［16］。而基于我国餐厨垃圾含油量是欧洲国家餐厨垃圾含油量的2～3倍，因此部分研究者［3，17-20］提出了餐厨垃圾湿热预处理提油的处理方式。

2.1 生态学角度比选

欧盟提出了从生态学角度废物处理与处置的优先级别与顺序，从优至劣依次为：源头减量化、物质循环再利用、能量回收利用及最终处置［21］。前述处理方法中，填埋属于最终处置，焚烧产能和厌氧消化属于能量回收，堆肥、作饲料和提油属于物质循环再利用。

但是，《城市生活垃圾焚烧处理工程项目建设标准》 （建标142-2010）［22］中规定，进炉垃圾低位热值应高于5000 kJ/kg。而我国餐厨垃圾的含水率过高，低位热值仅为 1800～3100 kJ/kg［3，23］。因此，餐厨垃圾直接焚烧并不能有效回收其中能量。另外，由于我国餐厨垃圾未进行很好的分类，导致餐厨垃圾的堆肥产品进入土壤后，重金属元素、持久性有机污染物在土壤中累积，造成二次污染［24］。而餐厨垃圾作饲料时，有害有机物及重金属等的污染无法很好解决、无害化不彻底，不能从根本上解决餐厨垃圾同源性的问题；且处理过程不易封闭，容易造成二次污染。此外，国家农业部颁布的《动物源性饲料产品安全卫生管理办法》 （农业部令第40号） 于2004年10月1日起实施，其中第18条明确规定“禁止在反刍动物饲料中使用动物源性饲料产品，但乳及乳制品除外。”这皆使餐厨垃圾堆肥产品或作为动物饲料不能被大众广泛接受，即不能形成具有经济价值或生态友好的产品，使物质循环再利用链断裂。

因此，从生态学角度最终筛选出具有生态学优势的2种餐厨垃圾处理方式，即厌氧消化和提油。这也符合我国餐厨垃圾资源化利用的发展趋势。

2.2 经济效益比选

将筛选出的2种具有生态学优势的餐厨垃圾处理方式（即厌氧消化和湿热预处理提油）进行初步的经济效益比选，即产品经济收益比选。①全部厌氧消化：单位质量湿餐厨垃圾沼气产量132 m3/t［25］；沼气售价1.44元/m3；单位质量湿餐厨垃圾可获得收益=沼气售价×沼气产量=190元/t。②仅直接提油：单位质量湿餐厨垃圾毛油产量2 kg/t［3］；毛油售价4000元/t；单位质量湿餐厨垃圾可获得收益=毛油售价×毛油产量=8元/t。③仅湿热预处理后提油：单位质量湿餐厨垃圾毛油产量 19～31kg/t［3，17-20］；单位质量湿餐厨垃圾可获得收益=毛油售价×毛油产量=76～124元/t。④提油加厌氧消化：单位质量湿餐厨垃圾湿热提油后厌氧沼气产量108 m3/t［25］，则单位质量湿餐厨垃圾总计可获得收益=279元/t。

可见，从产品获得经济收益的角度，餐厨垃圾处理方式从优至劣依次为：湿热提油加厌氧消化、全部厌氧消化、仅湿热提油、仅直接提油。

3 湿热提油加厌氧消化工艺的必要性

3.1 餐厨垃圾厌氧消化前提油的必要性

餐厨垃圾直接厌氧消化，其中含有的大量油脂会对其造成不利影响。首先，油脂不溶于水，容易在物料表面形成泡沫和浮渣层，从而阻碍沼气的溢出，使甲烷在发酵液中积累，增加发酵液中甲烷的气相分压，阻碍生化反应向产甲烷方向进行，减少甲烷产生量，近而减少可收集利用的甲烷气体量。其次，油脂包裹在微生物体表面，会阻碍发酵液中的可溶性有机物质进入微生物细胞，这些可溶性中间产物得不到适时的分解，从而会加剧中间产物的累积，破坏产甲烷过程的连续性。再次，油脂包裹的活性微生物会上浮至泡沫浮渣层，当反应器除渣时，会带走大量的活性微生物，导致厌氧系统中厌氧活性微生物的损失。最后，油脂代谢产生的长链脂肪酸对厌氧消化过程起着强烈的抑制作用［26］。虽然，长链脂肪酸抑制厌氧消化的机理尚不明确，部分学者认为LCFA通过破坏菌体细胞膜结构，直接杀死厌氧微生物［27］；而另一些学者却认为LCFA的两性分子结构特点，通过阻碍传质过程抑制油脂的水解，这种抑制是可逆的，不是代谢毒性作用［28］。但油脂抑制厌氧消化的浓度研究结果基本一致，即含量达到1%～1.5%时，厌氧消化受到严重抑制［12，29］。而根据表1，我国餐厨垃圾油脂含量一般为4.5%～7%。因此，餐厨垃圾厌氧消化前有必要提油。但应注意，可生物降解垃圾的厌氧消化适宜的C/N为20～30（以可降解碳计）［30，31］，而根据表 1，中国餐厨垃圾 C/N为10～20。通过提油，由于含碳量高的油脂被去除，是否会进一步使营养失衡；亦或蒸煮使NH3挥发，导致C/N上升。餐厨垃圾提油后物料的厌氧消化特性有待进一步研究。

3.2 餐厨垃圾提油前湿热预处理的必要性

餐厨垃圾中，油脂主要以可浮油、分散油、乳化油、溶解油、固相内部油脂5种形式存在。可浮油指滴径较大，静置后能较快上浮，以连续相油膜的形式飘浮于水面的油；分散油指滴径大于1 μm的微小油珠，悬浮分散在水相中；乳化油指粒径大小为0.5～15 μm的微小油珠；溶解油指以分子状态分散于水中，与水形成均相体系，较难分离的油；固相内部油脂指与垃圾固相相结合，几乎不能直接分离的油脂［32］。可见，可浮油含量是餐厨垃圾脱油性能的决定因素，餐厨垃圾的提油性能通常以其中的可浮油含量衡量。然而，原始餐厨垃圾中，可浮油含量很低。有研究表明，原始的中国餐厨垃圾浮油量仅为0.2%（浮油密度按0.92 g/mL计），但固相内部油脂含量高达5.8%［3］。因此，中国餐厨垃圾提油前，需要经过预处理，使固相内部油脂浸出，进入液相，然后再对预处理后的餐厨垃圾进行提油。一些研究者指出，湿热预处理可有效地促使固相内部油脂浸出进入液相，使餐厨垃圾浮油量提升至1.9%～3.1%，油脂回收率可达 27.2%～42.6%［3，17-20］。

4 湿热预处理的作用

4.1 湿热预处理对提油的影响

湿热预处理可从两方面促进餐厨垃圾固相中油脂的浸出，从而提高提油量。一方面，湿热预处理可使水分和油脂以流体形态存在，增强水分和油脂的扩散性能。由于固相内外存在化学势梯度，水分进入固相内部，油脂由固相内部浸出进入液相，从而提高油脂液化浸出率［33］。另一方面，湿热预处理能破坏细胞的结构［34］，使胞内油脂释放。但湿热预处理温度过高或加热时间过长，油脂会水解生成游离脂肪酸和甘油，而游离脂肪酸又会催化脂质进一步水解。而且，湿热预处理会使淀粉水解产生葡萄糖，葡萄糖又可与脂肪酸酯化，形成亲水-亲脂平衡（HLB）值为1～16的单酯、双酯和三酯，从而形成水包油型体系，使可浮油转变为乳化油［35-36］。因此，为获得较高的餐厨垃圾提油率，湿热预处理的适宜温度和保持时间分别为 100～160℃和 30～90min［3，17-20，37，38］。

4.2 湿热预处理对厌氧消化的影响

湿热预处理对厌氧产CH4的影响主要分为3个方面，包括对产CH4速率的影响，对CH4产量的影响，以及对产CH4反应器能耗的影响。

目前的研究表明，湿热预处理一定能加速厌氧消化。食品废物150℃处理1 h后，最大CH4产生速率增加70%［39］；城市污水厂活性污泥和餐厨垃圾175℃处理1 h后，产CH4速率分别增加了1倍和5%［40］。这是由于湿热预处理可水解大分子有机物，增加溶解性有机物量，从而增加有机物的水解速率，加速厌氧消化产CH4［40］；同时，湿热预处理可破坏细胞结构，使胞内物质释放，从而加速厌氧消化产CH4［41］。厌氧消化产CH4速率增加，便减小了物料在厌氧消化反应器中的停留时间，可增大厌氧消化产CH4反应器的容积负荷。

但湿热预处理既可增加，也可减小厌氧消化CH4产量。一些学者指出，餐厨垃圾90～120℃预处理后厌氧消化，沼气产量增加28.76%～31.72%［42］；但另一些学者得到，餐厨垃圾170℃处理1 h后，甲烷产量减少7.5%［43］。这是因为湿热预处理在使脂肪、蛋白质和多糖水解［40］，胞内物质释放［41］，及半纤维素和纤维素暴露［44］的同时，还会促使溶解性糖与自身或溶解性蛋白质发生美拉德反应，形成难降解有机物［42］。因此，从厌氧消化沼气产量的角度，湿热预处理餐厨垃圾的温度不宜超过120℃［42］。

另外，湿热预处理还可破坏胞外聚合物，从而减小餐厨垃圾的粘度，减小搅拌器能耗。有研究指出，餐厨垃圾175℃处理1 h后，其粘度从（36000±1414） mPa·s降为 （1658±177） mPa·s［40］。

因此，控制适宜的湿热预处理条件，可从多方面促进餐厨垃圾厌氧消化。

5 结论

1） 针对我国餐厨垃圾高含油量的性质特征，湿热提油加厌氧消化是一种生态友好、经济效益高的资源化方法。

2）餐厨垃圾湿热预处理可提高提油量，加速厌氧降解，减小粘度。

3）餐厨垃圾湿热提油加厌氧消化的工艺尚未完全成熟，需对该工艺的厌氧消化段适宜性进行更深入的研究。

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