厨余垃圾工业化产沼工艺各阶段固态残余物营养特性研究＊

陈 平，张美兰，梁 晶

（1.上海市园林科学规划研究院，城市困难立地生态园林国家林业和草原局重点实验室，上海 200232；2.国家林业和草原局城市困难立地绿化造林国家创新联盟，上海 200232；3.上海城市困难立地绿化工程技术研究中心，上海 200232；4.上海老港废弃物处置有限公司，上海 201302）

1 引言

随着垃圾分类政策的逐步实施，厨余垃圾（湿垃圾）的分出量与日俱增。据报道，上海市实施垃圾分类1a后，湿垃圾分出量同比增长38.5%；北京市实施垃圾分类半年后，家庭厨余垃圾分出量增长了11.7 倍。由于臭气和温室气体排放量很少，减量化、无害化、集约化和资源化程度高，厌氧发酵技术（产沼工程）已成为主流的厨余垃圾处理工艺，使用占比达到80%以上［1］。

根据GB/T 19095—2019生活垃圾分类标志，厨余垃圾又被细分为家庭厨余垃圾、餐厨垃圾和其他厨余垃圾［2］。但大部分的厨余垃圾经过分选、粉碎、厌氧发酵等产沼工艺后，产生大量沼气和固态残余物［3］，其中主要的固态残余物为三相分离固渣、厨余分离机固渣、湿式沼渣和干式沼渣。三相分离固渣是餐厨垃圾经过分拣、精分制浆、除砂除渣后进入三相分离器，离心去除油相和水相后残余的固相物质。湿式沼渣为餐厨垃圾湿式厌氧发酵后离心脱水获得的脱水沼渣。厨余分离机固渣是家庭厨余垃圾和其他厨余垃圾经过分拣、粉碎，通过分离机得到的固渣。该固渣经过有机料坑混合后，进入干式厌氧发酵罐进一步的腐化，经脱水后获得固态残余物即为干式沼渣（图1）。

图1 4种厨余垃圾固态残余物来源示意Figure1 The sources schematic of four solid residues of food waste

厨余垃圾固态残余物资源化利用已成为大势所趋，目前常见的处置方式一般分为填埋或焚烧、加工制饲料、堆肥等［4］。填埋或焚烧方法具有流程简单、成本低等优点，但其未利用厨余垃圾中的有机物质，不符合资源化利用的原则［5］。加工成饲料的方法，因存在同源性污染等问题而发展受阻［6］。好氧堆肥法存在资源化较彻底、产物安全性高等优点，但缺点为投资高、占地面积大等［7］。同时，制备饲料蛋白技术、能源化利用技术、制备中链脂肪酸技术等新兴技术也受到越来越多的关注。然而厨余垃圾固态残余物的组分复杂，且其性质和产生量受地域、季节、饮食习惯以及存放、收运体系影响较大。相关研究主要集中在沼渣的利用，但是对资源化过程中其他残余物的研究较少，尤其对4种厨余垃圾固态残余物组分分析的研究更鲜有报道。本研究针对上海实行垃圾分类后，厨余垃圾资源化处置过程中产生的4种主要固态残余物进行研究，基于厨余垃圾土地资源化后的用途，参考NY 525—2012有机肥料、GB/T 33891—2017绿化用有机基质等标准［8-9］，选取pH、电导率（Electronical Con⁃ductivity，EC）、有机质、全氮、全钾、全磷、含水率、发芽指数等指标进行动态监测，以期为上海厨余垃圾全流程资源化利用提供基础数据及理论依据。

2 材料与方法

2.1 供试材料

厨余垃圾固态残余物包括厨余分离机固渣、三相分离固渣、湿式沼渣和干式沼渣，均采自上海老港生物能源再利用中心。

2.2 实验方法

4种供试材料样品监测的时间为2020年6—9月，每种供试材料样品均检测10次。样品pH、有机质、全氮、全磷、全钾和发芽指数的测定参考NY 525—2012［8］；样品含水率的测定参考GB/T 8576—2010复混肥料中游离水含量的测定真空烘箱法［10］；样品EC的测定参考GB/T 33891—2017［9］。

2.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2010与Origin 8.5 软件对数据进行整理和统计分析，利用Circos软件与R语言（R version 3.6.1）进行绘图。

3 结果与分析

3.1 厨余垃圾固态残余物基本特性

图2所示为4种厨余垃圾固态残余产物的基本特性。由外到内分为4种颜色的圆环，分别为厨余分离机固渣、干式沼渣、三相分离固渣和湿式沼渣。在10次监测结果中，厨余分离机固渣、干式沼渣、三相分离固渣和湿式沼渣的总钾、总磷、总氮和EC具有较大的波动（柱形图起伏较大）；而所有样品的含水率、有机质、pH和发芽指数波动较小（柱形图起伏较小），说明每次检测的数据差异较小，样品各批次间性状比较稳定。

图2 厨余垃圾固态残余产物基本特性动态监测Figure 2 Dynamic monitoring of the basic characteristics of solid residual products of food waste

3.1.1 三相分离固渣

三相分离固渣是餐厨垃圾三相分离后产生的固相物质。三相分离固渣的pH变化范围为4.2 ～5.4 ，中位值为4.5 ，呈酸性，总体波动较小，监测表明三相分离固渣的pH稳定性较高（图3）。相较于其他固态残余物，三相分离固渣的pH最低，这可能与餐厨垃圾的组分有关。餐厨垃圾中含有大量油脂，油脂中的不饱和脂肪酸的双键容易被氧化，形成过氧化物，过氧化物继续分解生成低级醛等。同时在霉菌或酯酶的作用下，油脂易被水解成低级脂肪酸，进一步氧化成低级的酮类物质、脂肪酸等［11］。脂肪酸呈酸性，故导致三相分离固渣的pH低下。EC是表示水溶性盐的指标，水溶性盐是植物迅速利用无机营养物质的一个重要指标，是判定盐类离子是否限制作物生长的因素。三相分离固渣的EC变化范围为7.2 ～14.5 mS/cm，远远大于3.5 mS/cm［9］，未达到直接用于土壤的标准。

有机质的变化范围为62.0%～85.4%，远高于有机肥料的要求（≥45%）［12］，具有很高的资源化潜力。此外，氮是组成蛋白质和核酸的重要成分，是作物生长发育和生命活动的基础，也是叶绿素的组成部分，并且多数植物只能从土壤中获得氮素［13］，图3显示三相分离固渣全氮的变化范围为23.1 ～48.6 g/kg。可见，三相分离固渣的全氮含量可提高土壤的氮含量，进而提升土壤的肥力。

图3 三相分离固渣理化特性Figure 3 The physical and chemical properties of three-phase separation solid slag

三相分离固渣含水率的变化范围为54.8%～82.0%，含水率极高，且相对稳定，这可能是由于取样时间集中在6—9月，原料差异相对较小所致。但其发芽指数均为0，这可能与其只是经过物理离心分离所得的产物，未经过发酵有关，说明三相分离固渣对植物生长具有较强的抑制作用［14］，植物种子极难发芽。全磷的变化范围为9.0 ～22.0 g/kg，全钾的变化范围为2.6 ～7.3 g/kg，具有一定的波动性，这可能和原料的来源不同有关。相较于其他固态残余物，三相分离固渣的全磷和全钾含量最低。其总养分（氮磷钾含量）的变化范围为3.7%～7.3%，中位数为5.1%，基本高于NY/T 525—2012中5%的要求，在总养分含量上大部分批次的检测指标符合有机肥料的要求。

3.1.2 厨余分离机固渣

厨余分离机固渣是家庭厨余垃圾和其他厨余垃圾经分离机蝶形筛筛分后的固渣。由图4可知，厨余分离机固渣的pH变化范围为5.5 ～8.1 ，中位值为6.0 ，总体呈酸性，波动较大。分离机固渣的EC变化范围为2.5 ～12.3 mS/cm，波动较大，中位数为8.1 mS/cm，远远大于3.5 mS/cm［9］，也未达到直接用于土壤的标准。

图4 厨余分离机固渣理化特性Figure 4 The physical and chemical properties of solid residue of food waste separator

有机质的变化范围为53.7%～108.0%，中位数为87.1%，远远高于有机肥料的要求（≥45%），说明分离机固渣的有机质含量较高，可进一步处理后用于土壤培肥、土壤改良等领域。含水率的变化范围为32.7%～8 2.1%，中位值为7 6.2%，含水率极高。发芽指数的变化范围为0～54.2%，中位数为0，说明分离机固渣对植物具有较强的抑制作用，植物种子基本不能发芽。

全氮的变化范围为2.2 ～35.1 g/kg，中位值为21.7 g/kg。全磷的变化范围为21.0 ～46.0 g/kg，全钾的变化范围为5.5 ～12.1 g/kg。总养分的变化范围为3.7%～7.9%，中位数为6.0%，高于有机肥料中5%的要求。其营养成分具有一定的波动性，这可能和原料的来源不同有关。

3.1.3 湿式沼渣

由图5可知，湿式沼渣的pH变化范围为8.4 ～9.2 ，中位值为8.9 ，样品呈碱性。其中部分样品pH高于9，远超甲烷菌的适宜范围，这可能与餐厨垃圾厌氧发酵不完全有关［15］。湿式沼渣的EC变化范围为4.3 ～9.6 mS/cm，波动较大，中位数为5.2 mS/cm，高于3.5 mS/cm［9］，样品不能直接施用于土壤中。

图5 湿式沼渣理化特性Figure5 The physical and chemical properties of wet biogas residue

有机质的变化范围为24.2%～43.7%，中位数为36.7%，高于绿化用有机基质的要求（≥25%）［9］，说明湿式沼渣后续可用于土壤改良等领域。

含水率的变化范围为60.9%～82.4%，中位值为77.6%，含水率极高。发芽指数的变化范围为0～20.2%，中位数为4.7%，说明湿式沼渣对植物具有很强的抑制作用，植物种子基本不能发芽。

全氮的变化范围为17.3 ～39.8 g/kg，中位值为19.5 g/kg。全磷的变化范围为46.1 ～71.0 g/kg，全钾的变化范围为4.4 ～11.0 g/kg，具有较大的波动性，这可能和原料的来源不同有关。总养分的变化范围为6.9%～1 0.0%，中位数为8.3%，远高于有机肥 料中5%的要求。

3.1.4 干式沼渣

干式沼渣是厨余垃圾干式厌氧发酵产生的最终脱水固态残余物［16］。干式沼渣的pH变化范围为5.5 ～9.0 ，中位值为8.1 ，大部分样品呈弱碱性。湿式沼渣和干式沼渣的pH较高，且与发芽指数具有较大的相关性。pH过高会破坏细胞的生理功能，可能导致细胞解体，同时会改变各种矿物质离子转运及存在状态，进而降低种子的发芽指数［17］。干式沼渣的EC变化范围为1.1 ～7.2 mS/cm，波动较大，中位数为2.4 mS/cm，低于3.5 mS/cm，部分样品达到GB/T 33891—2017的要求［9］。相较于湿式沼渣，其EC含量较低，这可能与其发酵的原料有关。干式沼渣理化特性各项指标变化如图6所示。

图6 干式沼渣理化特性Figure6 The physical and chemical properties of dry biogas residue

有机质的变化范围为58.7%～116.2%，中位数为81.8%，远高于有机肥料的要求（≥45%），说明干式沼渣的有机质含量较高，具有良好的资源化前景，后续可用于土壤培肥和改良等。含水率的变化范围为56.2%～8 0.0%，中位值为6 6.1%，含水率较高。发芽指数的变化范围为0～15.1%，中位数为0，说明干式沼渣对植物具有很强的抑制作用，植物种子基本不能发芽。

全氮的变化范围为10.3 ～22.3 g/kg，中位值为15.6 g/kg。全磷的变化范围为19.9 ～82.0 g/kg，全钾的变化范围为3.0 ～17.9 g/kg，具有较大的波动性，这可能和原料的来源不同有关。总养分的变化范围为3.9%～9.6 3%，中位数为6.0%，高于有机肥料中5%的要求。

由图7可知4种厨余垃圾固态残余物的理化特性，厨余分离机固渣和三相分离固渣的pH低于湿式沼渣和干式沼渣。但是由于季节变化、设备调试等问题，各次取样的结果差异较大，可能出现部分极端值。而中位数可降低极端值的影响，能更客观地反映一组数据的集中趋势。因此分析了4种厨余垃圾固态残余物理化特性的中位数规律：pH为三相分离固渣＜厨余分离机固渣＜干式沼渣＜湿式沼渣；EC为干式沼渣＜湿式沼渣＜厨余分离机固渣＜三相分离固渣；有机质为湿式沼渣＜三相分离固渣＜干式沼渣＜厨余分离机固渣；含水率为干式沼渣＜三相分离固渣＜厨余分离机固渣＜湿式沼渣；全氮为干式沼渣＜湿式沼渣＜厨余分离机固渣＜三相分离固渣；全磷为三相分离固渣＜厨余分离机固渣＜干式沼渣＜湿式沼渣；全钾为三相分离固渣＜干式沼渣＜湿式沼渣＜厨余分离机固渣；发芽指数为三相分离固渣＜厨余分离机固渣＜湿式沼渣＜干式沼渣。其中三相分离固渣和厨余分离机固渣属于未发酵组分，其未经过生物稳定化处理，故三相分离固渣和厨余分离机固渣的pH和发芽指数均远小于经过生物稳定化处理的湿式沼渣和干式沼渣。三相分离固渣和厨余分离机固渣的EC均远大于经过生物稳定化处理的湿式沼渣和干式沼渣。这可能是由于三相分离固渣和厨余分离机固渣仍然属于未发酵的厨余垃圾，极容易腐败变质产生小分子物质及酸性物质，故pH较低，EC较高，同时腐败产生的病菌也对种子萌发具有强烈的抑制作用［18］。

图7 4种厨余垃圾固态残余物的理化特性Figure 7 Physicochemical properties of four kinds of solid residues from food waste

3.2 厨余垃圾固态残余物理化指标相关性分析

3.2.1 厨余分离机固渣与三相分离固渣

由图8（a）可知，厨余分离机固渣的发芽指数与pH呈极显著正相关（P＜0.01 ），pH与EC呈现极显著的负相关（P＜0.01 ），发芽指数与EC呈现显著负相关（P＜0.05 ）。发芽指数与其他因子的相关性强弱为：pH＞EC＞全钾＞全氮＞有机质＞含水率＞全磷，发芽指数与pH的相关性最高。

三相分离固渣的发芽指数为0，故不列入相关性分析。由图8（b）可知，三相分离固渣的EC与全氮呈现极显著正相关（P＜0.01 ），EC与含水率呈现极显著负相关（P＜0.01 ），全氮与含水率呈极显著负相关（P＜0.01 ），EC与有机质呈显著正相关（P＜0.05 ），全钾与全氮呈显著正相关（P＜0.05 ）。

图8 4种厨余垃圾固态残余物相关性分析Figure 8 Correlation analysis of four kinds of solid residues from food waste

厨余分离机固渣与三相分离机固渣均为未发酵的厨余垃圾，其未经过生物稳定化处理，组分稳定性较差，同时其未经过高温发酵处理，故可能还带有大量病菌等有害微生物［19］，对植物种子的发芽具有强烈的抑制作用。三相分离固渣未检测到萌芽的种子，厨余分离机固渣也仅有20%的种子萌芽，说明三相分离固渣和厨余分离机固渣不能直接应用于土地种植，需要进一步的处理。

3.2.2 湿式沼渣与干式沼渣

由图8（c）可知，湿式沼渣EC与全磷呈现极显著负相关（P＜0.01 ），EC与全钾呈现显著负相关（P＜0.05 ），EC与pH呈现显著负相关（P＜0.05 ）。发芽指数与其他因子的相关性强弱为：全磷＞pH＞EC＞全钾＞有机质＞含水率＞全氮，发芽指数与pH和EC的相关性较高。

由图8（d）可知，干式沼渣EC与全氮呈现极显著正相关（P＜0.01 ），EC与pH呈现极显著负相关（P＜0.01 ），全氮与pH呈现极显著负相关（P＜0.01 ）。EC与发芽指数呈现显著负相关（P＜0.05 ）。其发芽指数与其他因子的相关性强弱为：EC＞pH＞全氮＞全磷＞含水率＞有机质＞全钾，发芽指数与pH和EC的相关性较高。

湿式沼渣和干式沼渣都属于厨余垃圾经过发酵处理的产物，相比较未发酵的三相分离固渣和厨余分离机固渣，其发芽指数有所上升，湿式沼渣50%的种子可以萌芽，干式沼渣80%的种子可以萌芽，但是种子的长势较弱，这可能是强碱和高盐共同作用所致。高盐容易造成种子的低水势和离子毒害，过高的可溶性盐浓度使种子难以吸收周围的水分，胚中储藏的养分难以利用，导致呼吸作用受到抑制，而强碱性则容易造成种子的渗透胁迫［20］。同时两种残余物的pH、EC和种子发芽指数的相关性较高，说明两种残余物的pH、EC可用于更快捷地指征其是否可以进行土地资源化利用。

3.3 厨余垃圾固态残余物处理技术分析

焚烧技术是垃圾减量、热能利用的一种垃圾处理技术，并不能实现资源的循环利用，因此只有将无回收价值、具有较高热能的垃圾进行焚烧处理才是科学、合理的［7］。厨余垃圾的4种固态残余物具有较高的营养成分，但含水率高、热值较低，因此不建议焚烧处理，应通过适当的处理后再进行资源化利用。

厌氧发酵技术可产生沼气等能源物质。好氧发酵技术资源转化率高、速度快、有机物降解率和发芽指数都比较高，可将物料进一步开发为有机肥或有机基质。热解气化技术，将残余物在无氧或缺氧条件下，热解生成小分子气体、焦油和残渣。人工饲养昆虫处理技术（如黑水虻、美洲大蠊和黄粉虫等）最大的优势在于经济效益和环境效益较高。饲养昆虫，得到的虫体、卵和粪便都可以实现资源化。黑水虻、美洲大蠊和黄粉虫的虫体都可以作为动物蛋白饲料，这既避免了直接饲料化导致的各种同源性问题，又充分解决了“人畜争粮”的问题；美洲大蠊提取物具有抑制肿瘤、抗氧化、抗炎、促进修复、抑菌和调节免疫等功效［19］。制备工业原料如中链脂肪酸技术也有一定的应用前景。中链脂肪酸工业用途广泛，可直接用作饲料添加剂、抗菌剂，还可作为高附加值产品的前体物质，包括香料、润滑油、医药、生物燃料等领域。

厨余分离机固渣和三相分离固渣是厨余垃圾经筛分、粉碎等物理处理后的产物，未经过发酵等化学处理，因此可能含有多种病菌，且存在同源性污染问题，不能作为饲料或类似用途，建议可以采用厌氧发酵、好氧发酵进一步腐熟。同时其含有的淀粉、蛋白质、糖类、脂肪、纤维素等有机物，亦可用于人工饲养昆虫、制备能源、制备饲料蛋白、制备工业原料等技术处理。湿式沼渣和干式沼渣，具有较高的营养成分，同时同源性污染问题极大降低，但由于发芽指数较低，因此建议可通过好氧发酵等技术，进一步腐熟以提高其发芽指数，制备有机肥或有机质介质，应用于农林土壤；或可采用热解气化技术、人工饲养昆虫技术、能源化利用技术、制备中链脂肪酸技术等处理沼渣，亦或是多种技术协同处理。

4 结论

1）厨余垃圾各个固态残余物的pH与全磷中位数均呈现为三相分离固渣＜厨余分离机固渣＜干式沼渣＜湿式沼渣；EC为干式沼渣＜湿式沼渣＜厨余分离机固渣＜三相分离固渣；有机质为湿式沼渣＜三相分离固渣＜干式沼渣＜厨余分离机固渣；含水率为干式沼渣＜三相分离固渣＜厨余分离机固渣＜湿式沼渣；全氮为干式沼渣＜湿式沼渣＜厨余分离机固渣＜三相分离固渣；全钾为三相分离固渣＜干式沼渣＜湿式沼渣＜厨余分离机固渣；发芽指数为三相分离固渣＜厨余分离机固渣＜湿式沼渣＜干式沼渣。监测的结果表明：三相分离固渣和厨余分离机固渣的pH呈酸性，湿式沼渣和干式沼渣的pH呈碱性，若作为有机肥料或绿化用有机基质，pH、有机质和总养分基本符合要求，但含水率过高、发芽指数较低。

2）以发芽指数作为关键因子，可以得知：厨余分离机固渣的发芽指数与其他因子的相关性强弱为pH＞EC＞全钾＞全氮＞有机质＞含水率＞全磷；湿式沼渣的发芽指数相关性为全磷＞pH＞EC＞全钾＞有机质＞含水率＞全氮；干式沼渣的发芽指数相关性为EC＞pH＞全氮＞全磷＞含水率＞有机质＞全钾。综合而言，厨余垃圾固态残余物的pH和EC与发芽指数之间的相关性较高。

3）厨余分离机固渣、三相分离固渣、湿式沼渣和干式沼渣建议采用厌氧发酵、好氧发酵、能源化利用技术、制备中链脂肪酸技术、热解气化处理、人工饲养昆虫处理等方法，或多种技术相结合和协同处理。