基于“双碳”背景下的餐厨垃圾特性和厌氧消化处理技术分析

祖 柱

（湖南仁和环境股份有限公司，湖南 长沙 410005）

0 引言

近年来，我国餐饮企业的数量呈逐年递增趋势。2020 年，全国餐饮收入39 527 亿元，但由此也产生了大量的餐厨垃圾，统计显示，我国每年餐厨垃圾产生量在6000 万t 以上。2010 年左右，我国就已经在银川、兰州、鄂尔多斯、苏州等城市建设了餐厨垃圾处理厂，并结合当地需求开展了无害化处置和资源化利用。餐厨垃圾含有较高的有机质，属于可再生资源的一种，若能够充分科学利用这部分垃圾，可节约耕地数百万亩（1 亩≈667 m2）。

作为全球第二大经济体，我国的一项重要职责便是积极应对气候变暖问题，加快推动我国生态文明建设，实现高质量发展。餐厨垃圾产生于人们日常的生活和生产中，由于餐厨垃圾成分复杂，处理难度比较大，要求采取严格的处理措施，借助科学手段将其进行资源转化[1]。过去在中国，超过90%的餐厨垃圾混杂有城市生活固体垃圾，通过填埋和焚烧处置后，造成了严重的环境影响。基于上述情况，对餐厨垃圾进行厌氧消化不仅可以回收能源，还可以减少温室气体排放。

1 餐厨垃圾的基本特性

1.1 基本理化特性

在城市固体垃圾中，餐厨垃圾是组成有机垃圾的一个重要部分，其组成内容包括蛋白质、脂类、淀粉、纤维素和无机盐等，不仅具有较高的有机质含量、含水率，还有较高的盐分含量和油脂含量。研究人员在对某大学餐厅餐厨垃圾的基本理化性质进行分析后发现，其餐厨垃圾的pH 为5 左右，含水率在73.03%左右，其中蛋白质含量为12.16%、脂肪含量为6.23%、糖类含量为4.16%、盐分含量为1.24%、总糖含量为13.95%，因此直接焚烧处理的方式对其并不适用。有学者在对某城市餐厨垃圾的成分特性进行分析后发现，有机质含量为62.26%，其中粗蛋白含量为13.46%、粗脂肪含量为17.30%、粗纤维含量为6.56%，且具有较高的含水量与盐分。

1.2 地域差异性

居民生活习惯、饮食结构等因素会直接影响餐厨垃圾的组成成分、性质与产量，所以在餐厨垃圾成分中，地域或时空差异性较为突出[2]。我国一日三餐所产生的餐厨垃圾，理化性质差异明显，相关学者对某学校三餐的餐厨垃圾的多项指标展开了分析，包括总固体、挥发性固体、脂肪、蛋白质、碳水化合物含量和无机盐离子浓度。结果显示，在总固体量、挥发性固体、VS/TS 比值和脂肪含量方面，早餐餐厨垃圾明显比午餐、晚餐要低，而Na+、Ca2+和Cl-含量则明显比后两者高。除此之外，由于我国南北方居民具有不同的生活习惯、饮食习惯，所以两地的餐厨垃圾成分差异较大。有学者对青岛、嘉兴、贵阳、西宁4个城市餐厨垃圾的成分特征进行了分析，结果表明，西宁和贵阳餐厨垃圾中具有较高的油脂含量，而青岛和嘉兴餐厨垃圾中则含有较多的杂物。

1.3 危害性

由于餐厨垃圾中具有丰富的营养成分和较高的含水量，极易腐败，并伴有酸臭味道，一旦处理不及时或是处理不当则会对空气、水源造成污染，从而影响到人们的正常生活[3]。其危害性主要体现在以下两个方面：①影响居住环境。餐厨垃圾对人们的嗅觉、视觉的舒适感产生影响，容易为病菌的滋生提供条件，扩大疾病传播范围；餐厨垃圾可使填埋场的产气量以及渗滤液的析出加剧，且垃圾渗滤液会污染地表水与地下水。②影响人类健康。在我国很多地区，存在使用餐厨垃圾饲喂畜禽的情况，然而餐厨垃圾中的病原微生物、寄生虫及其虫卵较多，一旦用于喂养畜禽，则容易提高发生人畜共患疾病的概率。

1.4 资源性

餐厨垃圾中不仅有机物含量非常多，还具有诸多营养元素（氮、磷、钾、钙等）以及其他微量营养元素。通过对餐厨垃圾进行科学有效的处理，可将其转化为高蛋白饲料原料、有机肥料以及生物能源等，因此，餐厨垃圾是一种价值较高的生物资源。

2 餐厨垃圾厌氧消化的影响因素

餐厨垃圾厌氧消化工艺路径较简单，但多菌群、多层次的消化过程形成了一个复杂的系统，内部存在较多的影响因素，包括预处理方式、温度、pH、接种物、原料配比等，如果未进行科学控制，则极易增加系统的不稳定性。

2.1 预处理方式

厌氧消化的预处理方式主要分为机械处理和生物预处理。前者主要是通过破碎，缩小进料颗粒的粒径，增大微生物与物料的接触面积，可加快水解与消化。而后者则是通过高纯度生物菌种分泌出的相应物质，如胞外酶等，对餐厨垃圾进行水解。餐厨垃圾的预处理还应考虑高油脂对厌氧消化系统的影响，在进入反应器前最好有效降低油脂含量。但也有研究人员发现，如果将Ca2+加入厌氧消化系统中，钙离子能够与长链脂肪酸反应生成长链羧酸钙盐，可明显减少油脂对厌氧消化的抑制作用，因此采用该方法可降低预处理工序对除油率的要求，同时也促进了产气量的提高[4]。

2.2 温度

餐厨垃圾的厌氧消化温度一般分为中温厌氧和高温厌氧。中温厌氧系统相较于高温厌氧系统，处理效率偏低。高温厌氧的反应速度更快，且所需的停留时间也更短。同中温厌氧系统相比，高温厌氧的有机质去除率与致病细菌杀灭率明显更高。但通过对各地区实际运行的餐厨垃圾处理项目进行调研发现，中温厌氧消化系统的运行稳定性明显优于高温厌氧消化系统。

这两种类型的厌氧消化系统允许的温度变动范围在1.5～2.0 ℃。如果变化超过±3 ℃，就会影响菌种的生物活性，抑制消化速率。如果变化达到了±5 ℃，产气量就会大幅减少，积累大量的有机酸，让厌氧系统遭到破坏。

2.3 pH

pH 不仅会对厌氧消化过程中产酸菌和产甲烷菌的活性与种类产生影响，还会对生物酶的活性造成影响[5]。当pH 介于6.7～7.4 时，则适合产甲烷菌生存，如果pH 低于6.3 或高于7.8，产甲烷效率会相应降低。若pH 低于6.3 则会积累有机酸，若pH 高于7.8，则会促使NH4+转化为NH3，以上两种情况都会对产甲烷阶段的顺利进行产生不利影响。

2.4 接种物

厌氧消化能否顺利进行很大程度上取决于接种物。通常情况下，污水厂活性污泥、池塘污泥、化粪池厌氧污泥等是接种物的主要来源，其中，从运行中的餐厨项目中获取的厌氧活性污泥是最佳的接种物，能够帮助新投入运行的厌氧系统快速达产。除此之外，增加接种物的量既有助于厌氧消化系统缓冲能力的提升，也能够缩短水解酸化的时间。

2.5 原料配比

碳源在厌氧消化中同时肩负着两项任务：①作为微生物代谢的供能物质。②作为合成细菌新细胞的主要原料[6]。合成细胞C/N 的比例大约为5:1，加之作为能源的一部分碳，则厌氧消化C/N 最合适的比例为（10～20）:1。如果 C/N 过高，则容易出现过酸化的情况，系统缓冲能力较差；反之，则会增加总氨氮浓度，对后续产沼气过程造成抑制。

2.6 抑制物质

由于没有经过驯化的微生物不能较好地适应含特殊基因或活性键的化合物，一旦这部分特殊物质的浓度偏高，就会对厌氧消化产生抑制作用，甚至破坏到整个消化过程。通常抑制物可分为以下3 类：①碱金属。合理范围内的碱金属可对厌氧微生物活性起到刺激效果，反之则会抑制微生物的生长。②重金属。溶解成离子状态的重金属可毒害细菌，如果同时有相应的硫化物存在，那么可溶性重金属结合硫化物就会形成不溶性盐类，不会对微生物造成毒害。③氨氮[7]。若氨氮浓度达到50～200 mg/L，则会刺激微生物；如果氨氮浓度为1500～3000 mg/L，就会产生明显的抑制作用。

3 厌氧消化技术处理餐厨垃圾工艺比较分析

现阶段，国内在处理餐厨垃圾方面应用得最多的两种技术分别是干法厌氧消化、湿法厌氧消化。本文根据现实案例对二者在实际运营中的优缺点进行比较，以提供科学的参考依据。

3.1 湿法厌氧消化处理餐厨垃圾

以某地生活垃圾综合处理厂项目为例，该垃圾处理厂设计处理的泔水量为200 t/d，或泔水100 t/d、有机液态垃圾100 t/d。其采用湿式厌氧消化工艺（图1），借助中温反应器，厌氧细菌温度介于（35±3）℃，储罐生物气体容积为2000 m3，同时还设计了残渣脱水和生物气处理工序。净化后的生物气可用于发电、供热，提纯压缩后的生物气能够作为天然气使用。另外，滤饼也可以营养土的形式得到有效利用，也可经深加工后被当作肥料售卖，说明资源回收再利用价值非常高，且该工艺路线较为成熟，是目前主流的处理工艺之一。

图1 湿式厌氧消化工艺

3.2 干法厌氧消化处理餐厨垃圾

在我国，干法厌氧消化处理餐厨垃圾的发展时间不长，故尚未进行广泛的应用，一般在处理城市固体废物中的有机物时会选择应用此种工艺。相关人员在研究干式厌氧消化工艺（图2）后发现，针对餐厨垃圾采取干式厌氧消化处理工艺，不用在调质过程中为了稀释物料而加入大量新水，后期在沼液处理方面也没有较多的投入，同时该工艺的有机负荷率和产气效率也更高。但因为餐厨垃圾易酸化水解，导致干式厌氧消化工艺不能有效控制pH 的稳定性，需要通过搅拌等方式保持物料的均匀性。

图2 干式厌氧消化工艺

3.3 厌氧消化处理餐厨垃圾的碳减排量计算

假定某餐厨垃圾处理项目是通过预处理+湿式厌氧消化工艺处理餐厨垃圾，日处理餐厨废弃物约800 t 且逐年增长。餐厨垃圾通过该项目进行无害化处理以及资源化利用后，不会出现自然腐烂，进而也不会产生温室气体，如甲烷的逸散。借助厌氧消化产生的沼气可进行发电或制成天然气，最终确保碳减排的目的成功实现。项目碳减排量计算公式如下。

ERy=BEy-PEy-LEy。

式中：ERy——项目减排量，t CO2；BEy——项目的基准 线 排 放 量 ，t CO2；PEy——项 目 排 放 量 ，t CO2；LEy——项目泄漏量，t CO2。

根据测算得到项目减排量依次为：第1 年24 942 t CO2，第 2 年 55 300 t CO2，第 3 年 8 580 t CO2，第 4 年 10 469 t CO2，第 5 年 124 582 t CO2，第6年142 431 t CO2，第 7 年 158 441 t CO2，第 8 年172 964 t CO2。 第 9 年 186 250 t CO2，第 10 年198 594 t CO2，10 年的平均碳减排量为 178 507 t CO2。

基于增加碳减排量的层面展开思考，通过减少项目排放量与项目泄漏量，能够增加项目的碳减排总量。根据现阶段碳交易试点地区的碳价，按照每50元/t CO2计算，本餐厨垃圾处理项目的碳减排量经过核证，每年可产生892 万元的碳减排效益。

4 结语

总而言之，在采用厌氧消化工艺对餐厨垃圾进行处理时，因为其具有稳定的工艺，在水分方面无严格要求，且能够回收甲烷，将沼渣和沼液等作为有机肥另行使用，综合利用了废物，不仅具有广阔的应用前景，其所具有的环境、经济以及社会效益也非常好。现阶段，我国大部分地级市均建立了独立或协同的餐厨垃圾处理厂，鉴于此，其他城市也可基于可持续发展理念，将本地餐厨垃圾的特点联系起来并有针对性地选择相关处理技术，从而最大限度地利用好餐厨垃圾。