城市餐厨垃圾的资源化利用路径研究

辛梓弘，韩岗亭，刁伟霞

(钦覃(上海)环境工程有限公司，上海 200232)

引 言

餐厨垃圾[1]包含餐饮垃圾和厨余垃圾，是餐馆、饭店、单位食堂等的饮食剩余物以及后厨的果蔬、肉食、油脂、面点等的加工过程废弃物，家庭日常生活中丢弃的果蔬及食品下脚料、剩余饭菜、瓜果皮等易腐有机垃圾。餐厨垃圾约占城市生活垃圾总量的37%～62%[2]，是城市生活垃圾的重要组成部分。我国餐厨垃圾产生量巨大，2019 年产生量约1.21亿t/a[3]。随着城市生活垃圾分类的持续推进，餐厨垃圾产生量呈快速增加趋势[4]，由此带来的环境问题和社会问题将更加突出，餐厨垃圾出路问题亟需解决。

餐厨垃圾处置基本原则是：资源化、无害化和减量化[1]，是在减量化和无害化基础上的资源化利用。如何降低餐厨垃圾对人类和环境的危害，减少资源浪费，实现资源最大化，选择最优的解决方案是处理餐厨垃圾的最终目标[5]。本文基于城市生活垃圾源头分类的基础，从资源利用率、环境影响角度分别对比分析了几种常规餐厨垃圾资源化工艺的综合效益，在此基础上提出了针对不同来源餐厨垃圾的资源化综合利用路径。为城市餐厨垃圾治理提供多元化的综合解决方案，为城市管理政策制定者和决策者提供依据和技术支撑。

1 餐厨垃圾的特性及处理工艺

1.1 餐厨垃圾特性

1.1.1 成分及组成

城市餐厨垃圾主要由蔬菜根茎叶、剩饭菜、果皮屑、食物残渣、动物内脏、蛋壳、茶叶等组成。地域、人群、季节和餐饮习惯的不同，导致餐厨垃圾的组成略有差异，但大致成分一致：含水率40%～86%，含盐量 0.2%～1.2%，有机质44%～78%，粗蛋白11%～16%，粗脂肪5%～19%[6]。

1.1.2 危害性

餐厨垃圾高含水率和易腐烂变质的特点，为其收集、储存、运输、处理造成不便和困难[7]。存储不当或处理不及时，腐烂变质会导致臭气排放、污水横流、孳生细菌和病原微生物[8]，造成环境污染和疾病传播；处理不当会造成环境污染、影响市容卫生、排放温室气体、浪费资源、危害食品安全和生物健康[8～10]。

1.1.3 资源性

餐厨垃圾营养丰富且均衡，其中：蛋白质4.4%～21.8%、脂类6.4%～ 28.1%、C 47.95%～53.9%、N 0.76%～4.99%，同时还含有少量营养元素：P、K、Na、Ca和Fe 等[11]，是优质的堆肥和饲料加工原料，可以制备动物饲料、肥料和各种生物质能源，是放错位置的资源[12-13]。

1.2 资源化利用技术及特点

目前，餐厨垃圾处理技术主要有：破碎直排、填埋、焚烧、厌氧发酵、堆肥、饲料化、生物柴油、昆虫养殖等[14～16]；主流资源化利用技术在我国的应用比例为：厌氧发酵74.3%、好氧堆肥13.5%和饲料化12.2%[3]。

1.2.1 厌氧发酵

厌氧发酵[17]，是指餐厨垃圾在厌氧环境下通过微生物的代谢活动被稳定化，同时释放出CH4和CO2的过程。根据厌氧发酵对象固体含量分为：湿式厌氧(<15%)、干式厌氧(≥15%)[18]。湿式厌氧工艺相对成熟、应用多，我国多数沼气化工程均采用湿式厌氧工艺[19]；干式厌氧技术存在诸多难点，应用相对较少[20]。

餐厨垃圾富含有机质，具有良好的产CH4能力，CH4作为清洁能源而被广泛应用；厌氧消化残余物——沼液、沼渣的利用是决定厌氧发酵资源化利用率的关键因素[21-22]。而沼液常用处理方式：①作为废水处理后排放，②灌溉还田[21]。沼液中含有大量的养分、N、K，可以作为肥料使用，替代化肥，减少环境影响[23]。孙天姿等[24]以沼液为营养基质制成液态菌肥并用于水稻和冬小麦种植试验，发现：施用后土壤中N、P的含量显著增加，可溶性全盐和 Cl-含量有轻微积累现象。沼渣处理方式有：①作为肥料或土壤改良剂回用，②填埋或焚烧[21，25]。沼渣含有大量有机质和丰富的有机氮、P、K及微量元素，是优质的堆肥原料，进一步腐熟后可作为有机肥料施用[26～28]。李刚等[27]对餐厨垃圾湿式厌氧发酵的沼渣进行研究，得出：沼渣有较高的营养成分和较低的重金属，具有良好的资源化利用潜力；其腐殖质含量低、发芽率低，不能直接施用于土壤，建议进一步腐熟后使用。姜蒙[28]通过对餐厨垃圾干式厌氧发酵沼渣进行研究，得出：有机质含量一般、重金属含量低、具有植物毒性。Garcia 等[29]认为堆肥过程会降解转化影响种子发芽的毒性物质，从而减少对种子发芽的限制。郑苇等[30]对厨余垃圾厌氧发酵残余物采用脱水+堆肥+筛分工艺处理，产品基本满足有机肥料和绿化用有机基质要求。王洋[31]对餐厨垃圾厌氧发酵沼渣进行研究发现：沼渣中的营养物质和重金属含量均符合有机肥标准，沼渣无机复混肥对小白菜的生长与品质均有促进作用。

厌氧发酵是一种集能源、环保于一体的处理工艺，沼气应用前景广阔，沼液和沼渣中的高盐分，限制了其土地利用[32]。沼渣具有重金属含量低、较高的植物毒性、较低的腐殖质等特点，但通过进一步堆肥会减小其生物毒性、提高腐熟度[27-28]。厌氧发酵工艺复杂、投资大、运行维护要求高，适用于餐厨垃圾大规模集中处置[11]，处理过程中注重环境保护；考虑到高油高盐对厌氧发酵的抑制作用，宜进行提油除盐预处理[33-34]。

1.2.2 堆肥

堆肥[35]是指在人工控制条件下，利用微生物作用将生物质废物转变为稳定的腐殖质的过程，按需氧程度，可分为好氧堆肥和厌氧堆肥。厌氧堆肥因周期长、分解不充分、环境问题突出等原因，而应用较少；好氧堆肥因具有处理量大、操作简单、无害化和资源化程度高、资金投入少和运维成本低等特点，被广泛应用[35]。

餐厨垃圾中总碳、总氮、氨氮、总磷含量(干基)分别为 24.64%、2.57%、0.102%、1.15%[36]，是优质的堆肥原料。高含水率、高有机质、低C/N的特点，决定了其单独堆肥的可行性差，宜与其它物料联合堆肥[37-38]。薛晶晶等[39]将厨余垃圾与园林废物按照2∶1比例协同处理，发酵温度可高达63.4 ℃，21d可达到完全腐熟；有助于铵态氮向有机氮和硝态氮转化，减少氮损失，提高堆肥品质和价值。孟小春[40]以餐厨垃圾与城市污水污泥为原料堆肥，采用二次发酵工艺堆肥，产物符合国家肥料标准。邹德勋等[37]将菌糠和厨余垃圾进行联合好氧堆肥，结果表明菌糠可促进厨余垃圾的好氧堆肥，可降低混合堆料产生的臭气量，并得到发芽指数为55.6%的一次堆肥产品。周营[41]利用源头分类后的厨余垃圾堆肥得到符合NY525-2012标准的有机肥；与无机肥共同制得复混肥利于小白菜生长，还改善了土壤环境。

餐厨垃圾好氧堆肥符合循环经济的理念，通过堆肥回收利用餐厨垃圾中的营养物质，既避免了传统处理方法造成的环境污染，又改善了土壤，还提高了资源化利用率[42-43]。考虑堆肥占地面积大、减少产品运输过程中环境影响，宜就地分散处理，以减少肥料的运输[44]。高油、高盐，会抑制微生物的生长代谢，导致堆肥期增长、腐熟度低，影响堆肥效率和品质，堆肥前进行脱油和脱盐预处理十分重要[45-46]；《餐厨垃圾处理技术规范》(CJJ 184-2012)也明确规定：餐厨垃圾采用好氧堆肥方式处理时，应对餐厨垃圾进行脱油预处理。堆肥占地面积大，堆肥过程中的环境卫生问题突出，餐厨垃圾堆肥宜选在郊区人口密度相对低的区域，餐厨垃圾与农业废弃物、园林废弃物联合堆肥[29，44]。

1.2.3 饲料化

餐厨垃圾饲料化技术主要是通过破碎压榨、烘干去湿、杀毒灭菌、生物转化等技术和手段，将餐厨垃圾转化成动物饲料，实现餐厨垃圾的资源化[47]。处理方法主要有干热法、微生物发酵和饲养昆虫等[48]。黑水虻、蚯蚓饲养适用于中小规模处理；干热法技术成熟，可大规模应用，高温能有效杀死病原微生物及寄生虫，从而达到无害化；饲料化可以最大限度的利用有机质，回收利用率高达80%～95%[49]。

在欧盟，饲料成本占生猪养殖总成本的 55%～72%，占家禽养殖总成本的 55%～75%[50]。食品废弃物的营养成分高且营养均衡，其中：粗蛋白 19.2%、粗脂肪21.5%、碳水化合物 38.6%，加工成饲料可替代玉米、大豆等常规饲料，大大降低养殖业的饲养成本，缓解粮食压力[51]。王宇卓等[52]探索了湿热法工艺处理厨余垃圾，实现饲料化；韩端丹等[53]研究了餐厨垃圾固态发酵处理制备饲料的方法，并筛选出适合固态发酵的一种霉菌。陈金钟等[54]采用多菌种混合发酵处理泔脚和秸秆制得饲料(蛋白>25%、粗纤维<18%、水分<10%)。郝东青等[55]采用高温蒸煮手段处理厨余垃圾，制得粗蛋白含量大于20%的蛋白饲料；肖云等[56]利用自制复合菌剂对厨余垃圾进行发酵，得到粗蛋白含量28.35%的生物饲料；Shabani 等[57]对鱼罐头加工副产物进行发酵制作饲料，提高了鸡肉品质；从利泽等[58]用固态发酵法处理泔脚制蛋白饲料中有毒成分得到降解或转化。餐厨垃圾中的盐分含量高，饲料化后会危害畜禽的健康[59-60]。李峰等[59]研究发现，当饲喂雏鸡的饲料中食盐含量达0.7%，饲喂成年鸡的饲料中食盐含量达1% 时，鸡会出现轻度中毒现象；于海荣等[60]发现，随着盐浓度的增高及喂养时间的延长，高血压形成率逐渐增高。

目前韩国、日本饲料化技术成熟，分别有45%、40%的食品废弃物进行饲料化利用[61]。目前，饲料化的安全性问题是影响其在我国推广的关键[62～64]。我国现行的《餐厨垃圾处理技术规范》(CJJ 184-2012)规定，餐厨垃圾饲料化处理必须进行病原菌灭杀工艺；对于含有动物蛋白成分的餐厨垃圾，其饲料化工艺应设置生物转化环节，并且禁止生产反刍动物饲料。根据《“十四五”城镇生活垃圾分类和处理设施发展规划》：“积极推广厨余垃圾资源化利用技术，合理利用厨余垃圾生产生物柴油、沼气、土壤改良剂、生物蛋白等产品。”这为饲料化提供了良好的政策环境，前景广阔，将成为餐厨垃圾的主要发展方向。饲料化工艺具有对原料要求高、回收利用率高的特点，具备推广价值[61]，且与国家“十四五”规划相符；餐厨垃圾含盐量高危害畜禽健康，同源污染的问题，饲料化工艺对原料的选择比较严苛，决定了饲料化工艺适合小规模处理[61-62，64]；餐厨垃圾宜腐败变质，不宜长距离运输，宜在源头就地处理。考虑到食品安全问题，需要建立源头分类、存储、运输、处理、销售和使用环节的全程监管和追溯体系[61]。

1.2.4 生物柴油

生物柴油是将餐厨垃圾中的油脂成分，通过酯交换反应或热化学工艺制成可替代石化柴油的再生性柴油，具有比化石柴油更好的燃烧性、更高安全性和环保性，替代化石燃料，减少污染物和温室气体的排放[65]。利用废油脂制备生物柴油的技术主要包括热裂解法、酯交换法、酶催化法和超临界甲醇法等，目前实现大规模工业生产较为成熟的方法是酯交换法，即酸碱催化法[66]。

CARMONA-CABELLO[67]用酸-碱结合的两步法处理餐厨垃圾制取生物柴油，产率为 87.92%；钟昌东[68]利用微波辅助直接制备生物柴油，最高酯化率为 65.11%；DEEPAYAN[69]将油、共溶剂和甲醇的混合物作为催化剂联合微波辅助工艺，利用餐厨垃圾制取生物柴油，得到 FAMEs 产率为 96.89wt%。有学者以脂肪酶为催化剂制取生物柴油，CHEN[70]以废油脂为原料，利用固定化脂肪酶在固定床反应器中合成生物柴油，最佳产率为 91.08%。WANG[71]运用水热预处理的方法对餐厨垃圾制取生物柴油，生物柴油最大酯交换反应产率为 80.9%。YU[72]提出利用厨余垃圾厌氧发酵废水培养藻类作为生物柴油生产的营养源，油脂产量达到20.27 mg/(L·d)。ZENG[73]以食品垃圾与小球藻混合培养，缩短40%产油脂的培养时间。

利用餐厨废油脂制备生物柴油，既能降低餐厨垃圾后续处理的难度，还能提高资源化利用率、增加经济效益[33]。废油脂制生物柴油，主要针对餐厨垃圾中的油脂部分进行回收，适合作为主工艺流程的预处理或补充，其余部分进一步处理。随着碳减排压力的增大，废油脂制生物柴油市场前景广阔[33，74]。

2 资源化路径比选

分别从生态学、环境影响、回收利用率角度，对3种常规的资源化利用工艺分别进行对比。

2.1 单一工艺比较

2.1.1 生态学角度

从生态学角度提出了废物处理与处置的优先级别，依次为：预防或源头减量、重复使用、循环利用、堆肥、处置[33，75]。依此原则，则生态学优先顺序依次为：饲料化、厌氧发酵、堆肥。

2.1.2 环境影响

从碳排放角度分析其对环境的影响，李欢等[76]从LCA角度对全生命周期的碳排放进行环境影响研究研究，得出：饲料化和厌氧发酵具有最好的碳减排效应；好氧堆肥存在温室气体泄漏的问题，排放较多的碳；当堆肥工艺运行良好，无 CH4和 N2O 排放时，好氧堆肥可产生碳减排效应。因此，碳减排效应排序依次为：饲料化>厌氧发酵>好氧堆肥。

2.1.3 回收利用率

资源能源回收率角度，李欢等[76]研究结果表明：饲料化具有最高的回收利用率(80%～95%)，最大限度地利用了厨余垃圾中有机质；厌氧发酵的回收利用率(31%～42%)略高于好氧堆肥(29%～38%)。从回收利用率角度比较三者关系为：饲料化>厌氧发酵≈堆肥。

2.2 综合利用路径

综合生态学、减碳效应、资源回收率，三种厨余垃圾资源化技术综合效益优先次序为：饲料化>厌氧发酵>好氧堆肥[33，75-76]。郑苇[33]从经济效益角度研究得出：湿热提油+厌氧发酵>全部厌氧发酵，可见，单一技术的综合效益低，不能物尽其用。餐厨垃圾成分复杂，多种工艺的组合具有更高的资源回收率高、经济效益。

鉴于饲料化存在同源污染风险、健康风险、食品安全等问题，饲料化工艺适用于来源单一、成分稳定、含盐低的餐厨垃圾的中小规模就地分散处理，同时需建立收集、储存、运输、加工、销售全程追溯管理制度和体系[61，64]。

厌氧发酵具有投资高、工艺复杂、运维成本高的特点，厌氧发酵针对复杂来源的餐厨垃圾均有良好处理效果，适用于厨余垃圾的集中式、大规模处理[16，32，77]。结合以上分析，餐厨垃圾最优工艺组合为：“提油制备生物柴油+厌氧发酵+沼渣堆肥/沼液还田”。

好氧堆肥具有工艺简单、投资少、占地大、资源化程度高、运行成本低、环境卫生差、邻避效应显著等特点[35，41，78]，适合中小规模厨余垃圾的源头减量和就地分散处理，尤其适用于城郊靠近农村区域，有广阔的堆肥产品市场。

油脂生产生物柴油，能够实现废油脂的资源最大化、经济效益最大化；高油对厌氧发酵、好氧堆肥效率均有负面影响[33-34，45-46，74]。因此，餐厨垃圾提油预处理既能提高厌氧发酵、好氧堆肥效率，又能增加资源化利用。

3 结 论

通过以上分析，探索出不同来源餐厨垃圾的最佳资源化综合利用模式，为城市餐厨垃圾治理提供多元化的思路和选择，对我国城市餐厨垃圾管理具有重要意义。

(1)餐厨垃圾提油制生物柴油能实现废油脂经济效益最大化，宜作为其他处理工艺的预处理，能实现废油脂经济效益最大化，同时减少油脂对后续处理工艺的影响。

(2)针对来源和成分复杂的集中式餐厨垃圾厂，如城市餐厨垃圾集中处置厂，最优工艺路径为：提油制备生物柴油+厌氧发酵+沼渣堆肥/沼液还田，项目选址应考虑次生环境问题，同时还要考虑沼肥/沼液中含盐量对土壤的影响。

(3)针对就地分散式餐厨垃圾的处理，如农村区域的餐厨垃圾处理点，农村区域有广阔的肥料销售市场，宜采用“提油制备生物柴油+好氧堆肥”工艺或“好氧堆肥”工艺，需要考虑堆肥产生的环境问题、盐分对产品质量和土壤的影响问题，也可与农业废弃物协同堆肥。

(4)针对来源单一、成分稳定厨余垃圾，如食品加工厂废料等，宜采用“提油制备生物柴油+饲料化”或“饲料化”工艺，此工艺适合在垃圾产生源就近建厂，以减少垃圾的运输和由此引起的环境、腐烂等问题。饲料化工艺，需配套垃圾收集、储存、运输、加工、使用环节的全程追溯管理，确保食物安全。