餐厨垃圾资源化处理及发展趋势*

.福建师范大学环境科学研究所 .福建师范大学地理科学学院 陈细妹 刘常青 吴春山 刘文伟*

随着经济和人口的增长，餐厨垃圾数量也日益增加，在我国，每年约达5000万吨～6000万吨。如果处理处置不当，不仅影响市容市貌，还会污染环境，甚至影响人类健康。目前最主要的餐厨垃圾处理方式是填埋和焚烧。在美国，每年超过 30000万吨的餐厨垃圾填埋处理，仅 3%进行堆肥化处理[1]。餐厨垃圾进到填埋场后发酵产生甲烷、二氧化碳等温室气体，不仅浪费了餐厨垃圾中可回收的资源，还破坏了环境[2]。此外，填埋需占用大面积的土地，产生的渗滤液会污染土壤和地下水源，欧盟、日本、韩国等已经明文禁止填埋处理餐厨垃圾。餐厨垃圾焚烧处理可以消灭病原菌，产生的热量可用于发电，但由于含水率高，热值低，需要外加助燃剂，大大提高了处理成本，且餐厨垃圾成分复杂，燃烧过程可能会产生有毒有害气体，若燃烧不彻底会产生二恶英、一氧化碳等污染物。

餐厨垃圾有机物含量高，还含有多种微生物生长所需的营养元素，可生化性强，理论上可以通过微生物处理达到资源化。目前资源化的主要方式有：堆肥化，发酵制沼气、产氢、产乙酸、产乳酸和制取生物柴油、动物饲料、昆虫处理等。

1 堆肥化

餐厨垃圾的堆肥化方式主要有好氧堆肥和蚯蚓堆肥。其中蚯蚓对重金属有富集作用，得到的肥料较传统好氧堆肥毒性小，有更广阔的市场[3]，美国、韩国等国家正在大力推广。2005开始，韩国光州市就将蚯蚓堆肥作为绿色公寓项目，不仅解决了餐厨垃圾的处置问题，得到的肥料还可以美化环境。

但堆肥会产生温室气体，如 CH4和 CO2。Evgheni Ermolaev[4]等人探索了温度对餐厨垃圾堆肥产生CH4和 N2O的影响，发现当氧气含量控制在16%时，67℃条件下堆肥产生的CH4比40℃和55℃条件下少；当氧气含量降低到1%时，CH4排放量增大；底物的硝酸盐含量越高，N2O的排放量越高。

2 厌氧发酵

2.1 制沼气

餐厨垃圾厌氧发酵制备沼气的技术比较成熟，国内外已有很多成功应用的案例。山东十方环保能源股份有限公司投资建设的青岛市餐厨垃圾处理项目于2014年7月投入运营，累计生产天然气已突破50万立方米，是国内首个餐厨垃圾沼气提纯天然气项目。德国截止2014年底，共建7800处沼气工程，主要用于发电[5]。

从厌氧发酵的四个阶段看，水解和产甲烷阶段是整个发酵过程的限速阶段。很多文献探究了利用超声波处理、控制水解温度和 pH、添加生物酶和化学药剂等方式加快水解速率。Esra Uçkun Kiran[6]等利用废弃的蛋糕进行固态发酵培养富有水解酶的真菌，接种到餐厨垃圾发酵 24h，得到结论：该方法产甲烷量和速率分别比未接种真菌的处理方法提高了2.3倍和3.5倍。由于餐厨垃圾的C/N值及含油、含盐量高，单独厌氧消化易出现酸化和不稳定等问题，因此有人研究将它联合其他物料进行厌氧发酵，如动物粪便、果蔬垃圾、农作物秸秆和活性污泥等[7]。卢艳阳[8]等将餐厨垃圾和黄金竹与毛竹的竹叶分别联合厌氧消化，实验结果表明，添加毛竹叶显著增强了餐厨垃圾的厌氧消化能力。虽然餐厨垃圾发酵沼气在理论上和应用上均取得很大的成果，但发酵机理复杂、产率低、周期长，仍有进一步研究的意义。

2.2 制氢

氢气燃烧最终变成H2O，其能量密度是天然气的2.5倍，被视为最清洁最理想的能源[9]，因此餐厨垃圾发酵制氢有重要的研究意义，但餐厨垃圾的组成、发酵菌种、发酵工艺等均会影响产氢效率。Dong-Hoon Kim[10]等利用厌氧序批式反的增加会导致产气量减少。洪天求[11]等以蔗糖为底物探索了Na+浓度对产氢影响，得：Na+浓度在1000～2000mg/L 时有促进作用；在Na+浓度在8000～l6000mg/L 时有明显的抑制作用。

如何筛选和培育高效的菌种是研究发酵法产氢的发展趋势。Lei Zhao[12]等以菌丝球为载体固定产氢菌Clostridium sp.T2，得菌丝球的最佳剂量和大小分别是0.350 g /150 mL和1.5 mm。在该条件下，发酵产氢于连续搅拌反应釜(CSTR)进行，当HRT为10h可得最大产氢效率位2.76mmolH2/L·h，比没有载体高了 40.8%。最新的研究方向是利用生物技术尤其是基因工程改变微生物的生理机能和新陈代谢方式，进而提升产氢效率。Minseok Cha[13]等切除了C. Bescii染色体上的乳酸脱氢酶，得到的菌种不产乳酸盐，增加了乙酸和氢气的产量，且生长繁殖情况比野生型更好。餐厨垃圾发酵产氢有广阔的应用前景，但是目前的研究仍停留在实验室，主要因为产量和转化率不高。

2.3 制乙醇

理论上，餐厨垃圾中的碳水化合物高达65%，是生产乙醇的良好基质，但是餐厨垃圾中丰富的淀粉、脂肪和纤维素等不能直接被酵母菌利用转化成生物乙醇，需糖化处理将餐厨垃圾水解成小分子糖类[14]。Jung Kon Kim[15]等应用响应曲面法优化餐厨垃圾酶解糖化和乙醇发酵的条件，在优化条件下，理论上的最大还原糖和乙醇浓度分别为 117.0g/L和57.6g/L，实际实验测得120.1g/L和57.5g/L。奚立民[16]等将同时具有淀粉酶和纤维素酶活性的新霉菌 Rhizopusoryzae TZYl，与酿酒酵母进行餐厨垃圾共发酵，无外加酶，淀粉的利用率达88%以上，纤维素的利用率在84%左右，较之同步糖化发酵，该方法可以部分避免由于酶失活而使乙醇产率下降。

餐厨垃圾制备乙醇有良好的产业化前景。2015年日本建成了世界上第一座以废纸和餐厨垃圾为原料的生物乙醇制造设备，每周可处理5t餐厨垃圾，每吨可生产约 60L乙醇。

2.4 制乳酸

乳酸有两种光学异构体：L型和D型。L型乳酸可以被人体消化吸收，是合成可生物降解聚L型乳酸的基本原料，因此从餐厨垃圾中提取光学纯L型乳酸非常有研究意义，不仅可以解决餐厨垃圾的资源化和降低乳酸生产成本的问题，还可以减少白色污染[17]，但鲜有文献报道。主要原因：水解和产L型乳酸过程中酶的活性较低，其次有产D型乳酸、乙酸和丙酸的相关酶存在，但Xiang Li[18]等通过添加市政污泥和间歇碱性发酵调整酶的活性，发现不仅可得到纯的L型乳酸，而且产量还提高了2.89倍，因而很好地解决以上两个问题。赵文军[19]以餐厨垃圾发酵液中分离提纯制备的乳酸丁酯为原料通过熔融固相直接聚合成聚乳酸，省去乳酸丁酯水解生成乳酸的工序，简化了技术路线，降低产生成本，同时发现SnCl2和TSA复配是乳酸酯脱醇聚合的最佳催化剂。

关于生物技术产制乳酸的报道主要是在实验室内的研究，在实际工程中的应用较少，主要受效率和成本的限制[20]。

3 动物饲料

目前主要通过高温加工和生物处理将餐厨垃圾饲料化。高温加工是利用高温灭菌的原理将餐厨垃圾中的各种微生物杀灭，然后搅碎加工制成动物饲料。生物处理是利用培养好的菌种对餐厨垃圾进行发酵，然后灭除微生物得到产品，或者利用蚯蚓食腐性行为处理餐厨垃圾，然后获得动物蛋白饲料[21]。

虽然利用餐厨垃圾转化的饲料营养丰富，但是对消毒要求高，而且餐厨垃圾成分复杂，制成的饲料会有同源性的危险，例如1985年英国爆发的疯牛病。欧盟已经严格禁止将餐厨垃圾饲料化，美国、日本等国家也出台了各种法规政策进行管制[22]。Chen[23]等分析了我国三种传统方法将餐厨垃圾制成动物饲料的安全性，即发酵、热处理、热处理—发酵联合处理。结果表明，三种方法制得的饲料营养均衡，有饲料的价值，但是牛羊成分和Pb可能超标。

4 昆虫处理

传统的动物饲料原料（如鱼粉和豆粕）不仅成本高而且不能大量获得，而昆虫的食腐性可以将餐厨垃圾经同化转化成丰富的动物蛋白，这越来越受到关注。目前主要研究的昆虫有家蝇、黑水虻、黄粉虫、蝗虫和桑蚕[24]，其中黑水虻最有研究价值。它不是害虫，也不是病毒载体，其幼虫的杂食性且抵抗能力强,分布广，适应性强[25]。研究表明黑水虻幼虫含有 42%～43%的干物质，干物质的粗蛋白达 42%～44%,粗脂肪达31%～35%，钙质达4.8%～51%[26]，可见黑水虻还有生产生物柴油的潜能。

利用昆虫处理餐厨垃圾成本低、繁殖快、周期短、可再生、转化率高，有广泛的应用市场。法国的一些大学联合企业研究了以昆虫作为鱼类和家禽饲料的潜能[25]。在中国，刘杰用黑水虻处理餐厨垃圾的成功案例也引起了各界人士的关注和尝试。如果产品可以达到安全标准，则可以取代传统的动物饲料，甚至可以生产有益于人类的保健品。

5 生物柴油

每吨餐厨垃圾可提炼30kg～100kg的油脂，可以实现低成本生产和非食用油生产。杭州市餐厨垃圾处理一期工程于2016年2月20日在杭州天子岭循环经济产业园区启动运行，每日可处理200吨餐厨垃圾和20吨地沟油。曹媛媛[27]用复合酶制剂对餐厨废弃物进行处理发酵生产微生物油脂，接种健强地霉 G9 菌株发酵，每吨餐厨废弃物可产油脂近 20 kg，可见餐厨垃圾有很大的生产生物柴油潜能。A.L.V. Cubas[28]等利用电晕放电等离子体技术将煎炸废油转化成生物柴油，不仅加快酯化反应，且更容易分离生物柴油，不需添加催化剂，而且没有副产物。此外，餐厨废弃油脂还可以合成鼠李糖脂，可以解决碳源成本高的问题，但目前还在研究阶段，产量较低，有待进一步研究。

6 结束语

餐厨垃圾是典型的放错地方的资源，处理得当可以收获环境、经济和社会的三重效益，处理不当则会影响人类自身的生存。餐厨垃圾有很大的回收潜力，未来的发展趋势是就是资源化处理。

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