餐厨垃圾资源回收产物和技术的研究进展

刘云昊，陆祖晖，董晓克，康晓荣

（南京工程学院环境工程学院，江苏 南京 210009）

城市有机垃圾处理是污废处理的热点，其中餐厨垃圾是主要组分。与其他垃圾相比，餐厨垃圾的水分、有机物、油脂及盐分的含量高，易腐败，会产生恶臭，不仅会污染周围的水体和空气，还会滋生各种有害细菌，造成环境污染[1]。本文针对餐厨垃圾的处理技术和有价值组分的回收进行分析，着重从生物燃料、生物材料和生物吸附剂的生产方向，阐述餐厨垃圾处理和回收技术的研究进展。

1 生物燃料

化石资源的枯竭导致能源成本快速上涨，利用餐厨垃圾生产生物燃料，已成为一种重要的增值策略[2]。生物燃料包括气态生物燃料（生物甲烷和氢气）和液态生物燃料（生物乙醇和生物柴油）。目前利用餐厨垃圾生产生物燃料的主要技术有厌氧消化、好氧消化和微生物发酵法[3-4]。

1.1 生物甲烷

有机物能够在无氧条件下，在兼性厌氧菌和厌氧甲烷菌的共同作用下，降解生成甲烷、二氧化碳等气体。餐厨垃圾中含有大量易降解的有机物，是良好的厌氧生成生物气的底物。除了生物气外，餐厨垃圾还富含营养物质的消化物，可用作土壤肥料。

餐厨垃圾的厌氧消化工艺中，影响因素主要取决于外部环境参数，如温度、pH、C/N 比、氧化还原电位等。例如，25～35℃的温度下常温消化，需要5.2～6.3的pH 值和10～45 的C/N 比，才能使细菌在水解或产酸阶段达到最佳性能[5]。除了这些常见的参数外，金属元素Fe 常被用来调节餐厨垃圾发酵系统中微生物的酶活性[6]。袁宏林等[7]在研究餐厨垃圾与剩余污泥混合发酵的影响因素时发现，在相应负荷下，污泥停留时间缩短到9.1d，系统能够稳定产气。

1.2 生物制氢

化石燃料的存储量逐渐减少，且燃烧产物CO2造成了温室效应、气候迁移、臭氧层空洞等问题。与CO2、CH4等相比，氢气燃烧不产生温室气体，因此利用有机废物生物制氢的技术得到了发展。为了提高生物制氢产量，底物调节、微生物调节/驯化、发酵方式等调节方式被用到制氢工艺中。现阶段发现的生物制氢微生物主要为梭菌属、埃希氏肠杆菌属、肠杆菌属和杆菌属。与单步制氢相比，混合发酵具有产量高、效率高、能更好地降低废液基质COD 等优点。刘坤等[8]利用暗-光联合发酵的方式提高微生物对有机物的利用，从而获得了更高的产氢效率。张全国等[9]研究了光合细菌与产气肠杆菌混合菌群在暗-光发酵产氢工艺中，产氢影响因素的次序。高常卉等[10]在研究餐厨垃圾干式发酵时发现，氯仿的添加能够抑制微生物耗氢，提高氢气的积累。

1.3 生物酒精

乙醇具有较高的工业价值，是生产聚乙烯和其他塑料的原料。餐厨垃圾中的淀粉、脂肪、纤维素、蛋白质等物质，已成为生产乙醇的潜在来源。这些废物中含有的有机物可转化为可发酵糖，然后作为生物乙醇发酵的碳水化合物。比如香蕉皮经过同步糖化和发酵过程后可用于乙醇生产[11]，葡萄和甜菜等各种食品废弃物均可作为乙醇生产的底物[12]。

餐厨垃圾生产乙醇可分为预处理、水解、发酵、纯化等4 个部分[13]。其中水解过程是影响木质纤维素食品和餐厨垃圾降解效率的关键因素。餐厨垃圾中复杂的木质纤维素结构难以消化，进而影响生物乙醇的产量。因此，采用酸、碱、温度和酶等各种预处理方法[14]，可提高纤维素组分的消化率并改善碳水化合物的糖化效果。

2 生物材料

2.1 生物聚合物

餐厨垃圾中含有大量的碳水化合物、油脂、纤维素等，可通过混合发酵和酶法工艺等进一步加工，以生产生物聚合物[15]。聚羟基脂肪酸酯（polyhydroxyalkanoate，PHA）是一类可生物降解的聚合物，可由多种微生物内源产生[16]。研究发现，在餐厨垃圾酸性产氢发酵的过程中，加入好氧微生物作为生物催化剂时，缺氧的环境能够产生更多的PHA[17]。同时餐厨垃圾中含有的高含糖食品废弃物如番茄，能够在乳酸杆菌、链球菌等多种细菌或毛霉、根霉等真菌作用下产生可利用的乳酸[18]。

2.2 酶回收

酶促反应因具有高效性和环境友好性，在工业生产中有着重要应用。高碳水化合物和营养素可被微生物降解和产生酶。比如Bacillus sp.被发现能够降解有机物，生成α-淀粉酶[19]。王维超等[20]采用黑曲霉固态发酵技术处理苹果渣，生产木聚糖酶与β-甘露聚糖酶。

2.3 有机酸

线性短链脂肪族化合物，具有2 个（乙酸）到6个（己酸）碳原子。由于有机酸的官能团，挥发性有机酸对化学工业极为有用，其中羧酸是传统有机化学中还原性化学品和衍生物（酯、酮、醛、醇和烷烃）的前体物[21]。Li 等[22]利用餐厨垃圾和剩余污泥共发酵，产生生物甲烷和挥发性有机酸，产量达到281.84 mg·g-1。苑宏英等[23]在研究pH 对餐厨垃圾产酸的影响时发现，pH=10 有利于挥发酸的积累。

3 生物吸附剂

吸附技术被广泛用于各种废水的处理工艺，但以煤、竹、木、果壳等为原料的商业活性炭成本较高，限制了废水处理技术的广泛应用。此外，废弃的吸附剂也会导致废物的产生，并给废物的处理带来更大的问题。

餐厨垃圾中含有大量的木质素和纤维素，可被用作活性炭原料的可持续替代品，用于合成高质量活性炭及作为废水处理吸附剂[24]。而且餐厨垃圾中含有不同种类的官能团，如醇、醛、酮、羧基、酚和醚，可以通过离子交换、表面配位、氧化还原、络合作用和静电吸附等反应，与水溶液中的重金属发生作用，从而达到吸附处理重金属污染物的目的[25]。各种餐厨垃圾如花生壳、榛子壳、核桃壳、玉米棒、苹果、香蕉、橙皮、大豆壳等，已被证明适合用作水处理吸附剂的基质。热解法和水热碳化法是餐厨垃圾制备生物炭的主要方法，其中张新旺等[26]采用高温热解法和共沉淀法制备餐厨垃圾生物炭，发现产物对亚甲基蓝有很好的吸附性能。

4 总结和展望

餐厨垃圾因其产生的地点、工艺和使用等的不同，导致性质千差万别，但主要成分均是蛋白质、糖类、脂类等有机物，具有较高的可生化降解的特点。针对餐厨垃圾中的可利用组成，本文综述了采用经济和环境友好的方式回收价值组分的方法。对餐厨垃圾中的价值成分和利用技术进行分析，从生物燃料、生物材料、吸附剂这3 类产物，阐述了餐厨垃圾可回收的资源，并结合相应的回收技术，分析了影响回收工艺的因素。在现阶段的餐厨垃圾回收资源的技术中，可挥发性生物气体的回收应用占有较大的比例，主要是因为底物和产物分离相对简单。相比于有机酸、酶类等回收产物对餐厨垃圾种类的要求严格，气体形态产物回收的底物和分离工艺的开发较为完善。虽然液相发酵具有较高的微生物接触和生物活性，但是反应器体积大，管理难。针对以上的问题，未来的餐厨垃圾回收研究应包括新型产物、新工艺、新型微生物的研究，甚至涉及分离提纯技术。