烷基糖苷在废物处理中的应用及工业化的可行性

刘洋，王丰收，董万田



烷基糖苷在废物处理中的应用及工业化的可行性

刘洋1，王丰收1，2，董万田1，2

（1上海发凯化工有限公司，上海 201505；2中国日用化学工业研究院，山西太原030001）

随着城市化和工业发展的不断深入，我国每年产生的废物总量巨大，合理地处理这些废物值得研究人员关注。本文综述了全球及我国废物产生的概况，处理废物的方法，重点介绍了烷基糖苷在水处理废物、食物废物和农业废物处理中的应用及工业化的可行性。“变废为宝”的厌氧分解废物处理技术作为一种资源化利用的有效方法，是未来的发展方向和趋势。厌氧处理技术在欧美和亚洲等发达国家已得到成熟应用，我国在这方面发展相对缓慢。烷基糖苷本身可以完全生物降解，对环境无毒无害，作为表面活性剂能够加强有机废物的溶解和水解，加速厌氧分解废物的进程，可以应用在厌氧分解处理废物的工业化过程中。文中对烷基糖苷在这一领域的未来发展提出了建议，希望为我国的环境保护开辟一条科学、经济的新途径。

废物处理；厌氧分解；烷基糖苷；工业化；可行性

1 全球及我国环境废物概况

1.1 全球概况

各国工业的发展促进了经济的快速增长，同时也给环境带来了更多威胁，如空气污染、水污染和森林砍伐等。2012年，全球产生约13亿吨的城市固体废物（municipal solid waste，MSW），2025年这一数值估计为22亿吨[1]；到2050年，MSW的总量预计会达到惊人的95亿吨[2]。根据IPCC的报告，MSW主要由塑料、金属、玻璃、纺织品、木头、橡胶、皮革、纸、食物废物和其他工业废物组成，其中食物废物（food waste，FW）的比例很高，达到了25%～70%[3]。表1为全球主要国家以人均GDP指数为基础的食物废物概况[4]，加拿大拥有最高的FW生成率，为每天每人0.5kg，美国为0.3kg。表中提到的欧洲国家中，英国每年产生的FW总量最高，约为1426万吨；德国以1226万吨紧随其后。FW的生成率与各个国家的GDP和人口密切相关，发达国家产生的FW废物总量要高于发展中国家。发达国家FW的数量如此巨大，是因为他们的消费者对于食物的质量和数量都有很高的要求，而且，由于缺乏对于食物的管理，他们一般会购买比实际需要更多的食物，随之会产生更多的FW。中国和印度因其庞大的人口，FW的总量也很大[4]。

1.2 我国概况

过去的20年，中国的经济迅猛发展，同时也带来了数量庞大的固体废物。城市化、人口的快速增长和工业化是环境废物增长的三大主要因素。2010年，我国共有1.58亿吨MSW产生，其中66.94%被掩埋，16.2%进行了焚烧处理，1.29%变成了肥料；而到了2015年，我国产生的MSW总量约为1.79亿吨，比五年前增长了13%，预计到2020年MSW的数量会达到2.1亿吨[19]。一般来说，我国的MSW主要成分是有机物和湿物，厨房废物在其中的比例最大，占到了约60%[20]。对我国来说，环境废物的总量很大，而且还以较快的速度继续增长。但是很多废物并没有得到妥善地处理，与德国、瑞典、日本和美国等发达国家相比，废物回收、处理技术和管理战略等都有待提高。

表1 全球主要国家以人均GDP指数为基础的食物废物产生的概况

2废物处理的方法

2.1 掩埋法

开放的掩埋法（landfill）是发展中国家废物处理的主要方式，包括巴西、土耳其、马来西亚、墨西哥、哥斯达黎加、罗马尼亚、南非、中国等国家目前主要利用掩埋方法处理环境废物，以食物废物为例，20%～80%的食物废物并没有得到有效的处理[21]。由于生物降解性等问题，掩埋并不被看成是一种十分可行的方法，而且还会带来疾病病菌[22]。不仅如此，掩埋还会增加8%的温室气体[23]。

2.2 焚烧法

焚烧法（incineration）是一种非常成熟的处理废物的技术。燃烧过程产生的热量可以被利用起来，如带动蒸汽涡轮发电，在工业中加热蒸汽进行热交换等[24-25]。同时，焚烧可以减少废物80%～85%的体积[26]，对于废物处理非常有益。但是，焚烧是一种成本非常高的方法，它需要很高的资本和维护费用[27]，因此不适合当代节约资源的趋势。而且，早期的焚烧设备和技术会产生二英等有毒气体和重金属等[28]，因此这种废物处理方法并没有被欧盟成员国接受。不仅如此，在MSW中占有很大比例的食物废物因为较高的湿度和较少的可燃性物质，焚烧方式并不适用[29]。

2.3 乙醇发酵法

乙醇发酵法（ethanol fermentation）是变废为宝的比较经济的方法。乙醇是一种十分清洁的新型燃料。食物和农业废物发酵可以得到生物乙醇，后者成本更低且数量丰富、资源可再生[30-31]。这种通过废物发酵产生的乙醇，比由玉米、小麦等谷物提取的淀粉和糖制取的第一代乙醇有更大的好处，如避免与食物供应链中使用的谷物直接冲突[32]，发酵处理地点不必限制在离农场较近的地方等。可是，分离废物中用于发酵的糖并不容易，这一技术仍面临巨大的挑战[33]。

2.4 高温分解和气化法

考虑焚烧的环境因素，高温分解、气化（pyrolysis and gasification）或者是两者结合的方法是一种很好的替代方式[26]。固体废物的气化和高温分解是非常复杂的过程，包含一系列的物理和化学反应，同时反应温度一般高于600℃[34-35]。通过这种方法处理的FW废物会产生合成气体，主要成分是CO和H2（85%），含有少量的CO2和CH4，可以用做气体燃料；同时高温分解会产生75%的生物油，热值约为17MJ/kg[36]。气化废物的特点是对元素组成、湿度、体密度和大小等比较依赖[37]，目前主要以预处理过的废物和废物提取的燃料为处理对象[38]，到目前为止，还没有单独处理食物废物等高温分解和气化设施出现[39]。

2.5 水热碳化法

水热碳化法（hydrothermal carbonization，HTC）是一种湿法过程，可以在自发压力和相对较低的温度下（180～350℃）将废物转化为有价值的能量资源[40-42]，特别适用于食物等湿度较大的废物。与其他废物转能量的生物方法（waste-to-energy，WTE）相比，HTC法具有设备规模小，废物体积减小较多和过程无气味等特点[43]。于此同时，HTC法反应时间很短，只有几个到几十个小时[26]，是一种非常有前景的废物处理方法。但是，HTC法也面临一些问题亟待解决[26]：①能否找到一种催化剂减少反应温度和压力，特别是高温HTC过程；②能否利用HTC法分解食物废物来制取功能性的碳焦油材料，应用到能源领域；③高温和低温HTC法的化学机理是什么；④怎样合理地设计HTC过程控制最终物质的成分。

2.6 厌氧分解法（anaerobic digestion，AD）

20世纪50年代后，随着商用和试验AD工厂设计的问世，AD法处理有机废物得到全世界的关注[44]，之后，AD法得到迅速发展。在AD法各步骤影响物质转移的因素中，预处理和基质的质量起到基础的作用。AD法处理废物可以分为4步（图1），即溶解、水解、酸化和甲烷化[45]。其中，溶解和水解是整个AD过程反应的限制步骤。

有机废物的AD处理可以产生生物气体，主要成分是CH4和CO2以及少量的N2、O2和H2S[46]。据报道，AD过程产生的1m3生物气体可以生成21MJ的能量，以35%的生成效率计算，可以发电2.04kW[47]。到2012年为止，AD法已经成为欧洲处理有机废物的标准方式[1]，并且在其他发达国家得到广泛应用 [48]。然而，AD法技术也需要改善[26]：①溶解和水解等长时间的预处理导致AD的整个过程时间较长，在20～40天左右；②废物中含氮丰富的蛋白质在AD中分解的NH3会使甲烷化细菌中毒，降低其活性，进而影响CH4的产生。（然而，许多报道利用AD法分解食物废物产生短碳链脂肪酸，作为性能更高的生物富营养祛除的基质[49-50]，这一过程需要限制CH4气体的生成，因此这是一个有利条件；同时，即使不需要NH3，也可以通过相关的技术手段避免NH3的累积）。

综上所述，处理环境废物的方法有很多。基于能源供应、废物处理快速增长的成本和人们对于环境质量的关注，将废物转化成能量（WTE）成为了环境友好和经济效益高的处理方式[26]。因此，直接将废物掩埋和焚烧等粗犷型的处理越来越不被人们所接 受[51]。AD法是一种成熟的技术，可以应用到处理诸如城市固体、农业、食物等几乎所有可生物降解的废物中[51]，被认为是生产生物产品、生物燃料的最佳选择[52-53]。AD法在欧洲和日本已经得到广泛应用，美国已将其应用到农场和水处理污垢中[54]，到2013年为止，美国约有1500个AD处理设施[55]，其中圣何塞的设施每天可以处理82000吨的废物，预计其产能可以扩大到245000吨/天[56]。

尽管AD法得到了广泛应用，但溶解和水解等预处理时间过长，限制了其进一步的发展。废物中的物质大部分都是蛋白质和碳水化合物等有机物质[57]，加速这些有机物质的溶解可以快速提高AD的预处理，减少整个过程的反应时间。因此，表面活性剂因其优良和特殊的性能可以显著提高有机废物的溶解和水解，应用到AD的过程提高处理效率[57-58]。人们评估了一些传统的表面活性剂，但是这些化学合成的表面活性剂不仅对环境造成潜在威胁[59]，还含有K+，Na+，Ca2+，Mg2+等制约AD过程的离子[60]。因此，寻找更加环保的新型表面活性剂至关重要。

3 烷基糖苷在废物处理中的应用

烷基糖苷（alkyl polyglycosides，APG）是一种新型的非离子生物表面活性剂，其原料来自于可再生植物，如玉米、椰子油、棕榈仁油等。APG不含有K+、Na+等离子，可以在7天内完全降解成H2O和CO2。作为一种环境友好的表面活性剂，APG可以促进废物中有机物的溶解和水解，进而减少AD过程的时间。

AD法是稳定废物泥浆（waste activated sludge，WAS）和获得可再生资源（如短碳链脂肪酸和甲烷）的一种很有效的方法[61-62]。一方面，采取有效手段抑制甲烷的生产，可以累积和生产大量的短碳链脂肪酸（short chain fatty acid，SCFA），短碳链脂肪酸是一种具有很高性能的生物祛除富集基质（biological nutrient removal，BNR）[63]；另一方面，通过某些方式促进AD过程中脂肪酸的分解，得到的CH4可以用来发电等[47]（如图2）。

3.1 在水处理废物中的应用

膜生物反应器（membrane bioreactor，MBR）每年以10.9%的速率增长，远远高于其他水处理技术[64-65]。传统MBR较差的生物降解性限制了其应用。因此可以将生物降解性好的APG应用到MBR中，在处理污水中的氮和磷的同时，解决了传统MBR生物降解性差的问题。

ZHAO等[66]在处理废水泥浆时，利用APG来增加SCFAs的产量。结果表明，在APG的加入量为0.2g/g干燥泥浆（dry sludge，DS）时，短碳链脂肪酸的产量为282.9mg COD/g VSS（COD为化学需氧量，chemical oxygen demand；VSS为挥发性悬浮固体，volatile suspended solid），比不加APG的产量高4.8倍。他还指出，APG在碱性体系中处理废物的效率比中性和酸性体系都高，最佳的pH为11。值得指出的是，APG是一种具有很强耐碱性的表面活性剂，商用APG的pH为11.5～12.5。

LUO等[67]将APG加入到厌氧处理废水泥浆WAS的过程中，发现APG可以加速有机废物的溶解和水解过程，增强酸化获得更多的短碳链脂肪酸（特别是丙酸）；不仅如此，APG还能抑制甲烷的生成，平衡基质的碳氮比率（C/N ratio）。在APG为0.3g/g TSS（TSS为总悬浮固体，total suspended solid）时，有(2988±60)mg的短碳链脂肪酸生成（其中丙酸的含量为43.9%），远远高于不加APG的体系。LUO认为APG显著增加了WAS的溶解、水解和酸化，同时减少了短碳链脂肪酸的消耗。这一研究表明表面活性剂APG对于减少AD过程的时间、增加可再生资源的生成率具有很重要的意义。

3.2 在食物废物中的应用

MARDIKAR等[29]认为，食物废物大部分由具有很高湿度的非可燃性有机物组成，因此，食物废物不适合焚烧、高温分解等方法，特别适合通过AD法来进行处理。

ZHAO等[63]将APG用于厌氧过程中处理食物废物。在APG的含量为0.2g/g TS（TS为总固含量，total solid）时，产生37.2g/L的SCFAs，比不加的体系高出3.1倍。同时，SCFAs积累到最高值的时间从14天缩短至6天，大大缩短了生产时间。ZHAO认为，APG显著增加了形成酸的主要酶的活性，促进了溶解和水解，提高了SCFAs的产量，并减少了生产时间。ZHAO的结论进一步证实了LUO的结论，APG可以提高溶解、水解和酸化效率，增强酶的活性，减少AD过程的时间。

3.3 在农业废物中的应用

ZHANG等[68]考察了APG对农业废物堆肥的影响。结果表明，经过28天的堆肥过程，APG的加入提高了堆肥温度和效率，增强了有机物的降解，促进了堆肥质量。APG的加入提高了体系0.05%的氮气和80%的硝态氮含量。同时，APG提高了体系6%的物质降解率和29%的种子发芽指数。ZHANG认为，APG应用在堆肥工业上还是很有潜力的。

4 烷基糖苷工业化应用的可行性

从废物处理技术的发展趋势、环境评估、成本效益等综合因素去考量，生物表面活性剂烷基糖苷在工业化废物处理中的应用是可行的。

（1）AD法被认为是十分有发展前景的废物处理技术，然而，其中的溶解和水解限制其应用。上述结果都表明，表面活性剂APG可以应用到水处理、食物和农业废物的处理中，且具有很显著的作用，因此将APG应用到工业化处理技术中（图2）在理论上是可行的方案。

（2）AD法在欧洲、日本和美国等发达国家已经得到广泛的应用，我国的AD技术处于起步阶段，目前虽然还没有发展大规模处理食物废物的AD工厂，但是约20个处理MSW、FW等发酵和厌氧结合技术的项目正在筹划和实施[69]，为APG进入废物处理领域奠定了基础。

（3）从环境保护的角度看，烷基糖苷进入到自然界，可以在1周左右的时间被微生物完全降解成CO2和H2O，对环境没有任何威胁，无毒无害。

（4）MA[70]和ZHANG[71]认为，生物表面活性剂的成本比化学合成的表面活性剂高3～4倍，限制了其应用。然而，经过十几年的发展，技术改进和新技术的应用降低了生产成本。在日用化学领域，最常用的化学合成表面活性剂是脂肪醇醚硫酸钠（AES），目前的市场价格为8000～9000RMB/t，而新型表面活性剂烷基糖苷采用了更为先进的一步法技术，工业级的APG市场价格在10000 RMB/t左右，差距非常小，从成本上面来说，代替化学表面活性剂是完全可行的。作者在之前的文章提到过，我国近几年陆续建立了数条APG生产线，产能和竞争不断增加，急需寻找新的应用领域[72]。因此，从产能方面考虑，将来可以满足废物处理对表面活性剂的需求。HTC法也是一种比较有发展潜力的废物处理方法[26]，这是一种水热碳化过程，烷基糖苷作为表面活性剂可以增加废物中有机物的溶解和水解，促进水热碳化，因此应用在HTC法中也是可行的。

5 结论与建议

我国每年产生的环境废物数量惊人，成为了新的社会问题。目前处理废物的方法很多，相对于传统粗犷的掩埋和焚烧，厌氧分解等新型处理技术成为了未来发展的趋势。然而，处理速度慢等因素成为了制约这些新技术发展的瓶颈。诸多实验证明，生物表面活性剂烷基糖苷可以加速厌氧分解中有机废物的溶解、水解和酸化等过程，减少处理废物的时间，因此可以用于废物处理领域。

（1）在我国，废物处理是政府行为，希望有关部门能够大力加强废物处理技术的开发和应用，本着“变废为宝”的理念，发展资源化有效利用的新型技术。

（2）生物处理技术是一种低成本、操作简单的废物处理技术，应着重研究和开发对环境的生物治理和修复。

（3）作者所在的上海发凯化工有限公司是由中国轻工集团公司、中国日用化学工业研究院创办的专门生产绿色表面活性剂的中央企业，依托中国日用化学工业研究院在表面活性剂领域的专业技术和研究基础，发凯公司近十年来在烷基糖苷的理论研究和产业化方面都取得了显著的进步，已建有30000t/a的生产装置，满足市场要求。真诚希望与全国各界同仁、专家共同探讨和研究烷基糖苷在废物处理中的应用，为我国的环境保护开辟一条科学、经济的新途径。

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Application of alkyl polyglycosides in waste disposal and its industrial feasibility

LIU Yang1，WANG Fengshou1，2，DONG Wantian1，2

（1Shanghai Fine Chemical Co.，Ltd.，Shanghai 201505，China；2China Research Institute of Daily Chemical Industry，Taiyuan 030001，Shanxi，China）

With the further development of urbanization and industrialization in China，tremendous waste was generated every year. It is necessary to find a suitable way of waste disposal. This paper presented the survey of the waste globally and in China，general ways of waste disposal，especially discussed the current applications of alkyl polyglycosides（APG）for waste in waste-water treatment，food and agriculture. The feasibility of industrial application is addressed. Anaerobic digestion，as an effective WTE（waste-to-energy）approach for waste disposal，is the future’s trend and direction. APG is fully biodegradable and has no harm to the environment. As a surfactant，APG can strongly enhance the solubilization and hydrolysis of organic waste and accelerate the progress of anaerobic digestion，thus can be applied to industrialization progress of anaerobic waste disposal. The technology of anaerobic digestion has been comprehensively used in the developed countries in Europe，America and Asia，but the adoption in China is relatively slow. Thus，some suggestions were proposed for the future’s development of APG as a scientific and economic way to protect the environment.

waste disposal；anaerobic digestion；alkyl polyglycosides；industrialization；feasibility

TQ423；X789

A

1000–6613（2017）01–0329–07

10.16085/j.issn.1000-6613.2017.01.042

2016-06-01；修改稿日期：2016-07-13。

上海市优秀技术带头人项目（16XD1420800）及上海市小巨人企业项目（1503HX72300）。

刘洋（1986—），男，博士研究生，工程师。E-mail：lfc_ly@shfinechem.com。