餐飲垃圾固廢處理技術(shù)研究進(jìn)展

王瑛，錢(qián)躍言

（1.煤科集團(tuán)杭州環(huán)保研究院有限公司，浙江杭州311201；2.浙江省化工研究院有限公司，浙江杭州310023）

安全與環(huán)保

餐飲垃圾固廢處理技術(shù)研究進(jìn)展

王瑛1，錢(qián)躍言2

（1.煤科集團(tuán)杭州環(huán)保研究院有限公司，浙江杭州311201；2.浙江省化工研究院有限公司，浙江杭州310023）

餐飲固廢垃圾由于其產(chǎn)量大、腐敗變質(zhì)產(chǎn)生有毒有害氣體和傳染病菌，對(duì)人和環(huán)境構(gòu)成巨大威脅。采用高效且經(jīng)濟(jì)的固廢處理技術(shù)不僅能有效解決餐飲固廢垃圾占地面積大的問(wèn)題，而且也能顯著改善其對(duì)環(huán)境的污染情況。本文綜述了餐飲垃圾固廢處理技術(shù)的相關(guān)工藝研究，并對(duì)各個(gè)工藝的處理效果進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)未來(lái)餐飲垃圾固廢處理技術(shù)進(jìn)行了展望。

餐飲垃圾；環(huán)境污染；固廢處理；循環(huán)經(jīng)濟(jì)

0 引言

隨著居民生活水平的不斷提高，為了滿足人們對(duì)飲食的高消費(fèi)需求，餐飲業(yè)也迅速發(fā)展起來(lái)了，然而伴隨產(chǎn)生的大量餐飲固廢對(duì)人們的生活環(huán)境造成了巨大影響。據(jù)報(bào)道，我國(guó)餐飲垃圾每年產(chǎn)量不低于6000萬(wàn)t[1-2]，由于這些垃圾所產(chǎn)生的水污染、固廢污染、傳染病等已經(jīng)誘發(fā)了越來(lái)越嚴(yán)重的環(huán)境和健康問(wèn)題，因此，對(duì)餐飲垃圾進(jìn)行高效經(jīng)濟(jì)的處理，不僅需要較為行之有效的技術(shù)體系，更需要政府及社會(huì)的良好溝通與配合、探討科學(xué)高效的實(shí)施管理辦法，以推動(dòng)餐飲垃圾處理指標(biāo)體系的建立和完善。

餐飲垃圾中的固體物質(zhì)主要為有機(jī)物，成分主要是蛋白質(zhì)、油脂、糖類等，同時(shí)也含有大量鹽類和金屬物等[3]，在采用傳統(tǒng)的垃圾焚燒技術(shù)和簡(jiǎn)單填埋處理餐飲固廢時(shí)，不僅會(huì)產(chǎn)生硫化物、二噁英等有毒有害氣體，而且因填埋產(chǎn)生的垃圾滲濾液會(huì)使得土壤變質(zhì)，導(dǎo)致鹽堿化[4]。目前，較為成熟的餐飲固廢處理技術(shù)主要從餐飲垃圾的資源化利用及無(wú)害化處理方面著手。在垃圾資源化利用方面，常采用高溫法將餐飲垃圾干燥制成濃縮的油脂和牲畜飼料物等，同時(shí)高溫也能有效對(duì)餐飲垃圾進(jìn)行滅菌，防止傳染病的發(fā)生；將餐飲垃圾進(jìn)行好氧堆肥處理，使之發(fā)酵后作為肥料使用，而在密閉空間中將其發(fā)酵可制沼氣等均可實(shí)現(xiàn)餐飲垃圾的資源化利用[5]；在無(wú)害化處理方面，通過(guò)濕法水解將餐飲垃圾進(jìn)行分解制取油脂，使之完全轉(zhuǎn)化；也可利用微生物菌種馴化培養(yǎng)，將垃圾進(jìn)行生物降解使之轉(zhuǎn)化成無(wú)污染物質(zhì)，從而降低餐飲垃圾對(duì)環(huán)境的污染。

然而，餐飲垃圾的處理依靠單一的資源化利用或者無(wú)害化處理工藝并不能實(shí)現(xiàn)垃圾的高效處理，其處理過(guò)程中的產(chǎn)物常造成二次污染，因此，結(jié)合國(guó)家對(duì)固廢污染物的處理要求，有必要采用更加高效的處理工藝或者是多種工藝組合的形式對(duì)餐飲固廢垃圾進(jìn)行深度處理。

1 餐飲固廢垃圾資源化處理工藝

餐飲固廢垃圾的資源化處理工藝可依據(jù)不同工藝方法得到的產(chǎn)物分為可再生能源、畜牧農(nóng)業(yè)產(chǎn)品、工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品等。下面分別介紹。

1.1 餐飲固廢垃圾處理工藝制取可再生能源

餐飲垃圾中含有大量動(dòng)植物油脂，堆埋處理極易腐爛產(chǎn)生有毒有害氣體，而通過(guò)將油脂結(jié)合醇類進(jìn)行酯交換反應(yīng)可得到生物柴油。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，每噸餐飲垃圾可濃縮產(chǎn)生20 kg以上油脂，通過(guò)將每噸油脂進(jìn)行酯化反應(yīng)生產(chǎn)生物柴油[6]。目前常用的酯化反應(yīng)工藝主要有超臨界甲醇法[7]、酸堿催化法[5]、生物酶法[8]。其中利用超臨界甲醇法制取生物柴油是通過(guò)將餐飲垃圾中的油脂與低碳醇反應(yīng)，通過(guò)酯交換法得到脂肪酸單烷基酯生物柴油，這種方法可對(duì)油脂進(jìn)行充分溶解，在超臨界狀態(tài)下油脂擴(kuò)散速率高，與酸堿催化劑接觸反應(yīng)更充分，并且多采用集成化裝置進(jìn)行，便于控制，其中產(chǎn)生生物柴油受到穩(wěn)定時(shí)間、反應(yīng)溫度、進(jìn)料流量的影響。李琪等[9]對(duì)比了間歇式和連續(xù)式超臨界甲醇法制取生物柴油，如圖1所示，并考察了在酯交換反應(yīng)體系中穩(wěn)定時(shí)間、反應(yīng)溫度、物質(zhì)配比對(duì)生物柴油產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明連續(xù)式超臨界甲醇法具有更高的生物柴油產(chǎn)量，在優(yōu)化反應(yīng)條件后得出，當(dāng)反應(yīng)器中反應(yīng)溫度為280℃，壓力為14 MPa，醇油物質(zhì)的量之比為42∶1時(shí)，產(chǎn)物產(chǎn)率在反應(yīng)120 min后達(dá)到45%，并逐漸趨向于穩(wěn)定。但超臨界甲醇法在推廣使用過(guò)程中也存在一些問(wèn)題，比如需要在高溫高壓下進(jìn)行反應(yīng)，危險(xiǎn)系數(shù)大，生物質(zhì)柴油產(chǎn)率不高，難以穩(wěn)定運(yùn)行等缺點(diǎn)，在其工業(yè)化應(yīng)用過(guò)程中需要進(jìn)一步克服這些問(wèn)題。不同于超臨界甲醇法，生物酶法采用的催化劑是具有生物活性的酶，在酯交換反應(yīng)過(guò)程中不需要苛刻的反應(yīng)條件，催化劑易于回收，產(chǎn)物易于分離，對(duì)餐飲垃圾中的油脂品質(zhì)要求不高。而使用廣泛的酯交換反應(yīng)酶催化劑有很多，目前商業(yè)化報(bào)道的也多達(dá)5種以上，常根據(jù)反應(yīng)工藝的條件進(jìn)行選用。

圖1 連續(xù)化反應(yīng)裝置流程

此外，利用微生物發(fā)酵法也可將餐飲垃圾轉(zhuǎn)化為甲烷沼氣，應(yīng)用于生活生產(chǎn)中。該工藝過(guò)程常采用密閉環(huán)境厭氧發(fā)酵法，在控制密閉環(huán)境中溫度、pH、氨氮、含水含鹽量等指標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)沼氣的高產(chǎn)量。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在厭氧發(fā)酵法中理想的操作條件是：pH在6.8～7.2，溫度在30℃～60℃下，厭氧環(huán)境中的微生物甲烷菌生長(zhǎng)最好，制得的沼氣含量也較高。段妮娜等[10]采用污泥+餐廚垃圾聯(lián)合干法于厭氧環(huán)境中制取甲烷，在全混凝反應(yīng)器中通過(guò)半連續(xù)運(yùn)行20 d后發(fā)現(xiàn)，體系的甲烷產(chǎn)氣率和產(chǎn)氣量隨著餐廚垃圾添加比例的增大而提高，有機(jī)質(zhì)的降解率也隨之增大，但體系中的pH、氨氮含量、游離氨氮等都下降，這是因?yàn)槲勰嗪筒蛷N垃圾混合后能降低抑制性物質(zhì)的濃度，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。餐飲垃圾在厭氧發(fā)酵過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生氫氣，這是根據(jù)垃圾中的厭氧菌發(fā)酵情況而產(chǎn)氫量不同。而厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫是根據(jù)厭氧酸化過(guò)程決定的，該過(guò)程與菌種類型、金屬離子、基質(zhì)種類等因素有關(guān)。魏自民等[11]采用濕熱水解技術(shù)處理餐飲垃圾，考察了不同濕熱預(yù)處理溫度和時(shí)間下厭氧產(chǎn)氫的影響，餐飲垃圾經(jīng)過(guò)90℃濕熱預(yù)處理30 min后對(duì)油脂脫除量為37.5 mL/kg，比產(chǎn)氫量最高達(dá)到242.1 mL/g，最大產(chǎn)氫速率達(dá)到12.46 mL/h，累積產(chǎn)氫率達(dá)0.88 mol/mol，這說(shuō)明采用濕熱預(yù)處理能有效提高有機(jī)物的溶解性和可生化處理效率。在結(jié)合考慮厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫量、綜合能耗、產(chǎn)氫速率等因素后，得出最優(yōu)濕熱預(yù)處理?xiàng)l件是溫度為90℃，處理時(shí)長(zhǎng)為30 min。

1.2 餐飲固廢垃圾處理工藝制取畜牧農(nóng)業(yè)產(chǎn)品

餐飲固廢垃圾中的有機(jī)物蛋白質(zhì)是優(yōu)良的牲畜飼料，將蛋白質(zhì)通過(guò)一定的工藝條件提取出來(lái)可生產(chǎn)這些飼料并應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，達(dá)到垃圾回收利用和資源化的目的。一般提取蛋白質(zhì)的工藝采用微生物發(fā)酵的方式，通過(guò)控制發(fā)酵時(shí)間、溫度、原料初始含水率等可以有效提高蛋白質(zhì)的產(chǎn)量。李鋒等[12]利用餐廚固廢垃圾作為原料，通過(guò)大規(guī)模固態(tài)發(fā)酵工藝培養(yǎng)混合高效菌種，將餐廚垃圾轉(zhuǎn)化為菌體蛋白飼料，利用正交實(shí)驗(yàn)對(duì)菌種培養(yǎng)條件的發(fā)酵時(shí)間、溫度、含水率、初始菌種量等進(jìn)行調(diào)控，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在發(fā)酵時(shí)間為2 d，發(fā)酵溫度為30℃，基質(zhì)初始含水率70%，初始菌種添加量0.03125%時(shí)，所得產(chǎn)物初始粗蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28.74%，該含量已達(dá)到蛋白質(zhì)飼料標(biāo)準(zhǔn)要求。蔡靜等[13]以餐廚垃圾為原料，以酵母菌、黑曲霉和枯草芽苞桿菌為混合發(fā)酵菌種，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)對(duì)混合菌種制取蛋白飼料的工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明，當(dāng)混合菌種中釀酒酵母、枯草芽孢桿菌和黑曲霉的比例為1∶1∶2，接種量1.0%，尿素添加量1.0%，30℃發(fā)酵48 h下，對(duì)比原來(lái)的工藝條件，粗蛋白含量提高了58.7%，氨基酸含量均大幅度增加，維生素含量也有所增加，微生物指標(biāo)等均符合國(guó)標(biāo)，具有良好的安全性。

1.3 餐飲固廢垃圾處理工藝制取工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品

餐飲垃圾中不僅含有大量的有機(jī)質(zhì)，而且在大量堆積過(guò)程中也含有過(guò)量的重金屬污染物，包括鐵、銅、錳、鉛等，這些重金屬離子通過(guò)垃圾滲濾液進(jìn)入到江河中，在被動(dòng)植物吸收后會(huì)通過(guò)生物鏈進(jìn)入到人體的肝臟器官中，當(dāng)逐漸富集到一定量后會(huì)引起內(nèi)臟器官的病變直至引發(fā)癌癥。為了將這些危害人體健康的重金屬離子從餐飲垃圾中脫除，目前常采用焚燒飛灰水泥窯煅燒法將其去除，通常的過(guò)程是將餐飲垃圾過(guò)水清洗，在經(jīng)過(guò)脫水壓縮成固態(tài)物后進(jìn)入水泥窯工藝段焚燒，將有機(jī)物質(zhì)完全分解后，重金屬以晶態(tài)的形式形成礦物結(jié)構(gòu)，在將其通過(guò)水解螯合絮凝等使得重金屬固定及絮凝沉淀，使得可溶性重金屬離子形成穩(wěn)定的化合物，在經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的分析提純，可制得基礎(chǔ)化工原材料，比如分析純級(jí)別的氯化鐵、硫酸銅等化學(xué)試劑。

2 餐廚固廢垃圾VOCs去除及污水處理技術(shù)

2.1 餐廚固廢垃圾VOCs去除技術(shù)

餐廚固廢垃圾在堆埋過(guò)程中由于微生物發(fā)酵不僅會(huì)產(chǎn)生大量腐殖質(zhì)，而且也產(chǎn)生了具有危害性質(zhì)的惡臭揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）[14-15]，這些VOCs主要是一些含硫、含氨等有機(jī)廢氣[16]，這些廢氣在國(guó)家廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)中均有明確的限制指標(biāo)，若排放超標(biāo)對(duì)人體健康會(huì)構(gòu)成重大威脅。因此，越來(lái)越多的學(xué)者專注于研究VOCs的污染根治研究，并對(duì)VOCs各種污染影響因素進(jìn)行了研究。餐廚垃圾中VOCs的產(chǎn)生主要是由于氨基酸蛋白質(zhì)的熱解、糖類分解、硫胺素的熱降解、油脂自氧化降解等，這些過(guò)程產(chǎn)生的廢氣隨著餐廚固廢垃圾釋放到空氣中造成污染。為了有效去除惡臭氣體的污染，常用的處理工藝有物理法、化學(xué)法和生物法。但是物理法和化學(xué)法由于需要消耗的化學(xué)藥品和能耗均較高，存在占地面積大，危險(xiǎn)系數(shù)高等特點(diǎn)，推廣使用范圍有限。生物法在惡臭廢氣處理中應(yīng)用較多，常用的生物法有填料過(guò)濾法、洗滌法、生物滴濾法、曝氣式生物法、天然植物液體去除法等。梅瑜等[17]采用紋翼多面球和空心多面柱作為組合填料，生物滴濾塔為反應(yīng)器對(duì)甲苯和乙醇混合廢氣進(jìn)行高效去除，結(jié)果表明，采用這種生物填料處理混合廢氣在運(yùn)行8 d完成掛膜，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)對(duì)甲苯和乙醇的去除負(fù)荷分別為97.14 g·（m3·h）-1和113.10 g·（m3·h）-1。當(dāng)空床停留時(shí)間為21.11 s，甲苯和乙醇最大去除復(fù)合分別為97.14 g·（m3·h）-1和113.10 g·（m3·h）-1。而該系統(tǒng)最佳液氣比為6.82 L·m-3。在以氫氧化鈉溶液清洗填料層堵塞，運(yùn)行3 d可恢復(fù)對(duì)甲苯和乙醇的去除效果，停運(yùn)10 d后繼續(xù)運(yùn)行，凈化性能可迅速恢復(fù)。狄彥強(qiáng)等[18]利用Fenton試劑法降解還原性氣體異味的反應(yīng)器，利用Fenton法處理餐廚垃圾異味主要成分為苯、乙酸乙酯、苯乙烯等并進(jìn)行降解，以苯為典型代表物，優(yōu)化得出該實(shí)驗(yàn)的最佳反應(yīng)條件為：pH=3，F(xiàn)eSO4·7H2O2投加量為1 g/L，30%的雙氧水添加量為10 mL/L，紫外光源輔助，結(jié)果表明，F(xiàn)enton試劑法處理單一異味氣體的效果較理想，在處理180 min后去除率能達(dá)到90%以上，該法在處理氣態(tài)異味污染物方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.2 餐廚固廢垃圾污水處理技術(shù)

餐廚垃圾廢水主要來(lái)源于餐廚垃圾儲(chǔ)運(yùn)和處理過(guò)程中所產(chǎn)生的廢水，這些廢水的COD、氨氮、總磷等指標(biāo)均較高，一般這些廢水呈中性或酸性。這些廢水具有有機(jī)質(zhì)含量高、可生化性強(qiáng)、處理難度大等特點(diǎn)，一般這些廢水先經(jīng)過(guò)混凝預(yù)處理后以生物厭氧技術(shù)作為主要手段對(duì)廢水進(jìn)行高效處理。該技術(shù)多通過(guò)設(shè)計(jì)不同反應(yīng)體系、厭氧發(fā)酵過(guò)程、反應(yīng)參數(shù)等指標(biāo)來(lái)調(diào)控餐廚垃圾廢水的處理效率。吳健等[19]采用了A/O-MBR體系處理高COD和高氨氮餐廚廢水，控制缺氧池和好氧池的水力停留時(shí)間比為1:4，污泥停留時(shí)間為30 d，回流比為200%，在運(yùn)行140 d后COD、氨氮、總氮平均去除率分別達(dá)到95.68%、99.78%、79.43%，當(dāng)硝化液回流比達(dá)到300%時(shí)，上述三者指標(biāo)分別達(dá)到95.35%、99.77%、95.01%。當(dāng)廢水中活性污泥濃度保持在9～13 g/L時(shí)，膜污染速率減緩且TMP增長(zhǎng)速率也減緩。黃振興等[20]采用中試厭氧膜生物反應(yīng)器（AnMBR）應(yīng)用在處理高濃度餐廚廢水中，分別控制不同污泥停留時(shí)間（50 d、30 d、20 d）并考察運(yùn)行效能，結(jié)果表明MBR在各個(gè)不同污泥停留時(shí)間下均有較好的穩(wěn)定性，當(dāng)消化罐內(nèi)pH保持在7.2左右，膜出水COD去除率達(dá)到96%以上。對(duì)比在三種不同停留時(shí)間的工況下的效能可知，30 d的處理過(guò)程獲得最佳處理效能，有機(jī)負(fù)荷達(dá)到9.7 kg/COD·（m3·d）-1。

3 總結(jié)與展望

餐飲固廢垃圾含有大量有機(jī)質(zhì)和微量元素物質(zhì)，通過(guò)一定的方法將這些有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化成經(jīng)濟(jì)適用的可再生能源，能有效解決環(huán)境問(wèn)題。餐飲固廢垃圾制取的沼氣、乙醇燃料、氫氣、生物蛋白、堆肥等有效解決了固廢垃圾的資源化、無(wú)害化利用，通過(guò)一些工藝技術(shù)去除餐飲垃圾產(chǎn)生的惡臭廢氣和廢水也減輕了其造成的環(huán)境污染，但這些工藝的應(yīng)用也存在著一些問(wèn)題。

目前常用的餐飲固廢垃圾的生物厭氧發(fā)酵處理技術(shù)制取的甲烷沼氣、乙醇、氫氣等可再生能源的具體反應(yīng)機(jī)理尚不明確，比如在厭氧發(fā)酵過(guò)程中這些厭氧菌種是否共存，各菌種適宜的生長(zhǎng)條件等均需要具體研究，而在生產(chǎn)畜牧農(nóng)產(chǎn)品時(shí)其蛋白質(zhì)的產(chǎn)量并不高，通過(guò)組合工藝——濕熱水解+厭氧發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生的生物蛋白雜質(zhì)較多，需要繼續(xù)優(yōu)化反應(yīng)工藝或者開(kāi)發(fā)新工藝條件；而在處理餐廚垃圾廢水和廢氣時(shí)，由于常規(guī)的生物法并不能高效處理，處理周期較長(zhǎng)，如何將生物法和化學(xué)法進(jìn)行聯(lián)用以期解決二次污染和反應(yīng)低效的問(wèn)題是今后需要重點(diǎn)研究的課題。

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Progress on Food Waste by Solid Waste Management

WANG Ying1，QIAN Yue-yan2
（1.CCTEG Hangzhou Environmental Research Institute，Hangzhou，Zhejiang 311201，China；2.Zhejiang Chemical Industry Research Institute Co.，Ltd.，Hangzhou，Zhejiang 310023，China）

Itposes a huge threat for food waste to people and the environmentdue to its food waste production,spoilage of produce toxic or harmful gases and infectious pathogens.The economic and efficiency solid waste management can not only effectively solve the problem of food waste garbage covering a large area,but also can significantly improve the pollution of the environment.This paper reviewed the research process of food waste solid waste treatment technology,and compared the treatment effect of each process on the treatment ofsolid waste.The food waste technology was prospected.

food waste;environmental pollution;solid waste management；circular economy

1006-4184（2017）8-0033-04

上海有機(jī)所在溫和條件下制備四氟乙烯并用于有機(jī)合成

10.1002/anie.201705734）。

2017-03-08

王瑛（1967-），女，浙江金華人，大學(xué)本科，學(xué)士學(xué)位，高級(jí)職稱，主要從事環(huán)境保護(hù)治理和環(huán)境影響評(píng)價(jià)等工作。E-mail: mkhzhbwy@163.com。

最近，中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所有機(jī)氟化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室胡金波課題組成功實(shí)現(xiàn)了在溫和條件下快速小量制備四氟乙烯，并用于有機(jī)合成中。他們以實(shí)驗(yàn)室常見(jiàn)易得的三氟甲基三甲基硅烷（Me3SiCF3）為原料（一般采用2.5～3.0 mmol量），以碘化鈉為催化劑（5 mol%），以四氫呋喃為溶劑，在70℃溫度下，經(jīng)過(guò)0.5 h反應(yīng)高效制得四氟乙烯。由于制備溫度較低，反應(yīng)體系中沒(méi)有觀察到六氟丙烯和八氟異丁烯等副產(chǎn)物。研究工作在線發(fā)表于《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》（Angew.Chem.Int.Ed.，

（來(lái)源：http://www.cas.cn/syky/201708/t20170811_4611060.shtml）