餐厨垃圾厌氧沼渣处理及资源化利用研究进展

胡世梯，姚 赛，易志刚，李 娟，彭 星

(1.湖南仁和环保科技有限公司，长沙 410005；2.湖南仁和环境股份有限公司，长沙 410005)

引 言

随着人口增长和经济发展，2021年中国餐厨垃圾产生量超过1.2亿吨[1]。餐厨垃圾处理主要分两种方式：好氧处理和厌氧处理，其中70%以上的餐厨垃圾处理项目采用厌氧处理[2]。然而，厌氧过程产生大量的沼液、沼渣，为餐厨垃圾的处理带来了极大的挑战[3]。餐厨垃圾厌氧沼渣作为湿垃圾的一种，通过现有处理设施对其进行填埋或焚烧，表现出能耗高、碳排放大、资源化利用效率低的困境[4]。因此，如何有效地实现餐厨沼渣资源化利用是全社会关注的焦点。

目前，国内关于沼渣的研究文献较多，但餐厨(厨余)沼渣的研究文献还很不够，从知网中仅检索出29个结果。此外，知网不乏一些与沼渣相关的综述文章，但这些文章选用的角度是“沼渣”、“禽畜粪便沼渣”、“有机废弃物沼渣”、“沼渣有机肥”等的资源化利用，还未发现1篇餐厨垃圾或厨余垃圾沼渣资源化利用的综述文章[5～7]。因此，对餐厨垃圾沼渣进行综述很有必要。本文首次对餐厨垃圾厌氧沼渣处理及资源化利用研究进展进行综述，阐明了餐厨沼渣的特点，分析了餐厨沼渣的处理现状及处理方式，重点讨论了餐厨沼渣资源化利用技术研究进展，比较了不同处理和利用方式的经济和环境效益，总结并展望了餐厨沼渣未来的资源化路径，为产业化发展提供参考。

1 我国餐厨垃圾沼渣现状

1.1 特点

餐厨沼渣本质上是异质性的，其特征高度依赖于厌氧类型、原材料和操作条件等[8]。餐厨垃圾处理工程多采用离心脱水分离沼液沼渣，得到的餐厨沼渣含水率高，通常为75%～85%(2021年数据)[9]。餐厨沼渣的pH为7.3 ～ 8.9(2012年～2022年数据)，在厌氧消化过程中，由于碳酸铵的形成、挥发性脂肪酸的降解和多价离子的还原，pH变得更加呈碱性[10]。一般地，大型处理厂的餐厨垃圾含盐量为1.26～2.62wt%(2017年数据)，经过厌氧消化后残余物中含盐量基本与初始物料保持一致，经过脱水后的餐厨沼渣盐含量高达2%，餐厨沼渣直接施入土壤存在土壤盐碱化的风险[11]。

1.2 现状

按湿垃圾处理工艺，每100t餐厨垃圾经厌氧消化后，将产生20～30t高含水率的沼渣[15]。虽然餐厨沼渣具有丰富的营养条件、资源化利用潜力巨大，但由于其具有污染环境和携带致病菌的风险，我国大部分餐厨沼渣采用了填埋和焚烧两种最终处理方式[16]。餐厨沼渣资源化利用率低，也取决于资源化利用标准比较模糊。《沼肥》(NY/T 2596-2014)涉及沼渣的肥料化,仅适用于以农业有机物为原料得到的沼渣,不适用于餐厨沼渣[17]。近期,NY/T 2596-2022《沼肥》将代替NY/T 2596-2014《沼肥》,将餐厨沼渣纳入新标准沼肥原料的呼声很高。2021年颁布的《有机肥料NY/T 525-2021》首次提出，经分类和陈化后的厨余废弃物，进行安全性评价合格后方可作有机肥原料，但并未明确禁止厨余沼渣作有机肥原料，模棱两可[18]。此外，餐厨沼渣制肥仅在小范围的垃圾处理厂使用，沼渣须通过高温杀灭病原微生物、腐熟陈化后用作肥料，仅限生产用于周边农田施用的非商品肥。

2 无害化处理和资源化利用方式

餐厨沼渣可通过不同的方式实现无害化处理和资源化利用，最直接的方式是土地利用，我国最常用的方式为填埋和焚烧[19]。此外，近年来好氧堆肥和热化学处理成为餐厨沼渣资源利用的研究趋势[20]。下图列举了餐厨沼渣处理和资源化方式以及产生相应产品的途径。

图 餐厨沼渣无害化处理及资源化利用方式Fig. Methods of innocuous disposal and resource utilization of kitchen waste biogas residue

2.1 填埋

“卫生填埋”的概念是由美国20世纪30年代最早提出，具有技术成熟、处理量大、投资和运行费用低等优点，是我国运用最广泛的垃圾处理技术[21]。然而，填埋场具有土地占用大、环境污染风险大、场地复垦困难等挑战，目前欧洲各国已全面禁止可生化降解垃圾进入填埋场[22]。多年来，我国餐厨沼渣经脱水至60%以下可填埋，随着国家全面控制垃圾填埋量，沼渣将被限制或禁止填埋[23]。

2.2 焚烧

焚烧是一种最直接的固体废弃物处置方法，是我国生活垃圾主要处理方式之一，焚烧可对餐厨沼渣进行彻底减量化，直接将生物质能转化为热能或电能[24]。沼渣含水率高，进入焚烧炉之前必须干化，在120℃烘干24h后，餐厨沼渣的热值大约为23MJ/kg[16]。用含水率低、热值高的原料与沼渣混合焚烧，是提高餐厨沼渣能源转化效率、降低有害气体排放的有效途径。Wei[25]等人将餐厨沼渣与生活垃圾共燃烧，1∶9实验组综合燃烧指数增长32.9%，随升温速率增加，燃烧指数呈指数增长。

2.3 土地利用

餐厨沼渣含丰富的氮、磷、钾等营养，经脱水除杂、堆沤和腐熟陈化后，生产非商品化的肥料、土壤调理剂，用于近距离的农田施肥[26]。但餐厨垃圾由众多原料组成，生成的沼渣存在致病风险，土地利用模式未获大规模推广[27]。一些餐厨项目远离城区，配套了农业产业园、牲畜养殖厂等，沼渣通过除杂、堆肥腐熟后施入土壤，实现了所谓的“零排放”，但并未解决餐厨行业沼渣的出路[28]。少量文献研究了未脱水的餐厨沼液沼渣混合物施入土壤后营养物质归趋、气体排放和植物生长的情况，但未发现单独记载餐厨沼渣土地利用的文献[29]。

2.4 堆肥

沼渣含有未降解有机质，施入土壤后会继续发酵，对植物造成伤害，餐厨沼渣通过好氧堆肥可完全腐熟，臭味极大降低，生成有机肥[30]。好氧堆肥最适宜水分约40%～60%，C/N比为25∶1～30∶1，蓬松的结构有助于空气进入原料内部促进好氧进程[31]。然而，餐厨沼渣含水率高、C/N低、结构致密，直接堆肥达不到腐熟标准。低含水率、高C/N物质(木屑、麸皮)可将餐厨沼渣的水分和C/N调节到最适宜条件，高孔隙度、大比表面积的支撑性物质(锯木片、树叶)可作膨胀剂使堆体透气性升高，共堆肥是另一种能有效调节堆体特性的方式，将餐厨沼渣与其他原料(秸秆、园林垃圾、牛粪)共堆肥可显著改善堆肥条件[32]。表 1总结了不同添加物质对餐厨沼渣好氧堆肥的影响。

表1 不同添加物对餐厨沼渣好氧堆肥的影响Tab.1 Effects of different additives on for aerobic composting of kitchen waste biogas residue

续表1

2.5 热化学转化

生物质的热化学转化是指生物质在一定的温度和条件下，发生汽化、炭化、热解和催化液化，以生产气态燃料、液态燃料、固态燃料和化学物质的技术，包括热解、气化和水热处理[38]。餐厨垃圾是各种生物质混合成的有机垃圾，厌氧消化后沼渣中含有残余的有机质[39]。热化学转化是将餐厨沼渣中有机质转化为高价值能源和资源的重要手段，表 2介绍了几种主要的餐厨沼渣热化学处理方法。

表2 餐厨沼渣几种主要的热化学处理方法Tab.2 Thermochemical treatment methods for kitchen waste biogas residue

2.5.1 热解

热解可将生物质原料转化为功能性生物炭，附带生成的热解气和生物油具有作为高价值燃料的潜力[43]。在无氧条件下，餐厨沼渣通过高温热解产生生物炭，比表面积大、活性位点多，可用作吸附剂和催化剂[44]。不同的反应条件使餐厨沼渣生物炭产生不同的特性，获得不同的功能[45]。Peng[46]等人研究了餐厨沼渣在300～900℃热解制备的生物炭对水中磷的吸附能力，其中700℃热解制备的生物炭吸附效果最高，达到100.7 mg-P/g-char。Liu[47]等人将餐厨沼渣在800℃反应2h，产物再用HCl去除灰分，获得的生物炭用作催化剂，可高效地催化过硫酸盐降解偶氮染料，0.5 g/L生物炭在1.5nM 过硫酸盐存在下，去除92%活性红染料X-3B(1g/L)。此外，餐厨沼渣制备的铁掺杂石墨生物炭，具有活化过硫酸铵获得高效降解苯并a芘的能力[48]。

生物油是热解的必然产物，具有潜在的能量价值或化学品回收价值，生物油或称凝析物，是冷凝水和其他各组化合物的复杂混合物，成分可分为酚类、碳氢化合物和含氮有机物[38]。餐厨沼渣通过500℃热解得到的生物油的热值约为13.5MJ/kg，含有大量的活性含氧成分酸和酯，被认为是不良的燃料；酯在生物油中占主导地位，研究液体燃料成分，可提高其在燃烧过程中的能量效率[49]。此外，生物油可视为生物化学品生产的原材料，如苯酚生产[50]。

2.5.2 气化

气化可将原料转化成孔隙结构发达的焦炭，产生高热值的合成气，显著提高合成气中H2含量及燃料转化率，是生物质高效洁净利用领域的研究热点[51]。餐厨沼渣通过高温蒸汽气化可产生热值很高的合成气,主要成分有H2、CH4和CO。Nakajima[52]等人比较同等温度700～1000℃下餐厨沼渣热解、蒸汽气化生成气体的热化学特性，发现900℃氩气蒸汽气化沼渣的气体产量比热解高得多，气化沼渣比热解生成的合成气的热值高出40%，气化过程中温度越高，合成气中H2含量显著提高、CH4降低。生物质的蒸汽气化是产生H2的一种替代方法，Akarsu[53]等人采用两步法研究餐厨沼渣合成气中H2的产量，先将沼渣在200℃下生成水热炭，再通过850℃氮气氛围蒸汽气化水热炭，得到的H2产量高达57～59 mol/kg。

2.5.3 水热处理

餐厨沼渣成分复杂，水热汽化和水热液化处理餐厨沼渣的资源化利用难度大，还未有文献专门研究；水热碳化技术操作简单，是将生物质转化为高价值炭材料的有效途径，广泛用于餐厨沼渣的研究[54]。水热碳化过程发生在一个封闭的水介质中，在相对较低温度(80～250℃)下完成反应[55]。餐厨沼渣经水热碳化可获得水热炭，175～250℃下水热炭的产率为43%～52%，其中200℃下反应30min可获得燃料特性最好的水热炭，燃烧特性与褐煤类似[53]。研究发现，催化-共水热碳化能显著提高沼渣水热炭的能源效率，将餐厨沼渣与园林垃圾按1∶1混合，0.5M HCl作催化剂，250℃反应30min，获得高热值水热炭；催化-共水热碳化制备的水热炭热值到达 22.7 MJ/kg，比仅用餐厨沼渣的对照组(13.9 MJ/kg)增加63%，水热处理液中固氮量增加2倍，磷保留量增加129倍[56]。此外，水热碳化产生的水热处理液可进一步厌氧消化产沼，具有较大的营养回收前景[57]。

3 经济和环境效益分析

餐厨沼渣填埋和焚烧主要依靠城市现有设施，具有便利性，但这两种方式的资源利用率较低。填埋处理餐厨沼渣的成本低，占用大量的土地，具有渗滤液泄露、臭气耗散及致病菌传播的环境风险，对环境影响最大[58]。焚烧成本略低于填埋，沼渣含水率高导致运输费用高，由于我国沼渣须经脱水至60%以下方可填埋，因此烘干沼渣增加了填埋的成本，高含水率也会影响焚烧炉的热效率，焚烧厂对沼渣进厂的定价往往在常规生活垃圾的2倍以上，此外餐厨沼渣焚烧过程产生二恶英、多环芳烃、挥发性有毒有害气体，产生的碳排放将加速全球变暖趋势[59]。据悉，焚烧1kg沼渣将产生3.6～3.7kg碳排放，沼渣进入焚烧炉将不利于《2030年前碳达峰行动方案》的实施[60]。

餐厨沼渣堆肥是一种对环境影响最小的处理方法，但周期长、需添加辅料和臭气处理量大使得堆肥成本最高，市场接受度低也成为沼渣堆肥成本高的原因，然而堆肥被认为是一种理想的、可持续的资源循环利用方式，可将碳固定在土壤中，实现“零排放”，餐厨沼渣堆肥值得大力推广[32]。目前，热化学转化技术只存在于实验室研究阶段，还无法对其处理成本及环境效益进行有效计算。

4 结 论

热化学转化技术是当前餐厨沼渣资源化利用的研究热点，但该类研究大多处在实验室小试阶段。热解可将餐厨沼渣制备成具有吸附或催化功能的生物炭，生成的合成气和生物油具有作为高价值燃料的潜力。今后如何寻找餐厨沼渣制备生物炭、水热炭材料的产业化突破口，需要科研学者们的持续攻关。餐厨沼渣通过水热碳化生成热值较高的水热炭燃料、合成气和具有产沼潜力的水热液，是一种多重资源化方法。此外，餐厨沼渣通过高温蒸汽气化可生成高热值合成气，优化反应条件可显著提升H2的产生量。运用蒸汽气化技术处理餐厨沼渣，提高合成气中H2的含量，具有生产利用氢能的前景。