廚余垃圾資源化處理技術(shù)研究進(jìn)展

席 爽，周小娟，龍思杰

(中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北 武漢 430014)

1 引言

隨著城市化進(jìn)展的加快，廚余垃圾產(chǎn)量逐漸增加，約占生活垃圾總量的45%～65%[1～4]。廚余垃圾指家庭日常生活中丟棄的果蔬及食物下腳料、剩菜剩飯、瓜果皮等有機(jī)垃圾，此外，菜場垃圾也是廚余垃圾的主要來源。由于國內(nèi)垃圾分類處于起步階段，廚余垃圾較傳統(tǒng)的餐廚廢棄物成分更為復(fù)雜。廚余垃圾的生產(chǎn)源不同對(duì)其組成影響較大。一般居民家庭與餐飲行業(yè)生產(chǎn)的廚余垃圾中的主要成分是大米以及面食類碳水化合物殘余，以及各種蔬菜、肉類、動(dòng)物骨骼、動(dòng)植物油類以及調(diào)味用的無機(jī)鹽類[5]。廚余垃圾與餐廚廢棄物的性質(zhì)較為相近，但由于以生料為主，相對(duì)鹽分、油脂含量要低[6]。

廚余垃圾的含固率在20%～30%，有機(jī)質(zhì)含量很高，可生化性較好[7～10]。由于上述基本理化性質(zhì)，廚余垃圾極易變質(zhì)，且在收集、運(yùn)輸和儲(chǔ)存過程會(huì)產(chǎn)生滲濾液、惡臭和有毒氣體，可能會(huì)造成二次污染。此外，其中的病原體、寄生蟲和蟲卵也對(duì)居民身體健康造成隱患。

綜上所述，廚余垃圾有三大特點(diǎn)。首先，廚余垃圾含水率高，因此需要單獨(dú)收集運(yùn)輸，無法與其余固體廢棄物混合運(yùn)輸，收運(yùn)成本很高。其次，廚余垃圾易滋生蚊蠅和病原體，不宜長期存放，收運(yùn)周期短。最后，廚余垃圾中有機(jī)組分高，具有較高的等比熱值，有較高的資源化再利用的潛力[9,11～15]。因此，廚余垃圾及其衍生二次污染物的妥善收集與處置十分必要。

廚余垃圾是生活垃圾的重要組成部分，由于生活垃圾分類政策不夠完善，廚余垃圾在早期常與其他生活垃圾混合在一起，給生活垃圾的分揀以及后續(xù)處理帶來了較大了困擾[5]。近年來，我國逐步建立起基于垃圾分類投放、分類收集、分類運(yùn)輸和分類處理的垃圾處理系統(tǒng)?；谝陨媳尘埃瑥N余垃圾處理廠作為與垃圾分類相銜接的終端處理設(shè)施，在全國范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。廚余垃圾處理技術(shù)種類繁多，常見的包含好氧堆肥技術(shù)、飼料化技術(shù)、厭氧發(fā)酵技術(shù)、壓榨焚燒技術(shù)、填埋技術(shù)等[16～19]。填埋或焚燒處理廚余垃圾過程中會(huì)帶來嚴(yán)重的二次污染。例如廚余垃圾是填埋場滲濾液產(chǎn)生的主要來源，廚余垃圾降解過程中會(huì)產(chǎn)生大量惡臭氣體。廚余垃圾所占比例是影響生活垃圾焚燒飛灰中氯(特別是可溶氯)含量的重要因素[16]，高濃度的氯則會(huì)造成嚴(yán)重的二次污染。因此，進(jìn)一步開發(fā)更高效且無二次污染的廚余垃圾處理技術(shù)，將有效提高廚余垃圾的無害化率。

綜上所述，本文采用文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)的分析結(jié)果作為基本數(shù)據(jù)，對(duì)1997～2020年，廚余垃圾相關(guān)的國內(nèi)外研究情況進(jìn)行了梳理[20～22]。文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)分析中使用了Citespace[23,24]、Histcite[25]和VOSViewer[26,27]軟件。根據(jù)以上結(jié)果，進(jìn)一步地綜述了國內(nèi)外廚余垃圾處理技術(shù)的研究進(jìn)展，并對(duì)相關(guān)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望[28]。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究以Web of Science TM (WoS)數(shù)據(jù)庫核心數(shù)據(jù)集為數(shù)據(jù)源，以“food waste”“kitchen waste”“food garbage”和“kitchen garbage”為主題詞，檢索時(shí)間跨度為1997～2021年，經(jīng)過篩選，共獲得有效文獻(xiàn)37611篇。同樣，以CNKI數(shù)據(jù)庫文獻(xiàn)為數(shù)據(jù)源，以“廚余垃圾”和“餐廚垃圾”為主題詞，在1997～2021年期間共搜索到有效文獻(xiàn)13200篇。

2.2 研究方法

本研究運(yùn)用Histcite、Citespace和VOSViewer軟件對(duì)選取的1997～2021年廚余垃圾資源化處理技術(shù)相關(guān)的文獻(xiàn)進(jìn)行關(guān)鍵詞匯總分析。以期獲得國內(nèi)外研究中，廚余垃圾處理技術(shù)的發(fā)展情況及熱點(diǎn)?；谏鲜龇治鼋Y(jié)果，最終對(duì)廚余垃圾資源化處理技術(shù)研究進(jìn)行綜述并提出了展望。

3 結(jié)果分析

3.1 國內(nèi)外研究情況對(duì)比

文獻(xiàn)數(shù)量隨年限的變化曲線反映了相關(guān)主題研究熱度的變化情況(圖1)，一般說來年文獻(xiàn)數(shù)量越多，該年度相關(guān)研究主題熱度越高[21,24,26]。SCI數(shù)據(jù)庫中，年發(fā)表文獻(xiàn)數(shù)量從1997年的125篇穩(wěn)定增加到2021年的5647篇。其中，1998年出現(xiàn)了第一篇來自中國的SCI論文。中國發(fā)表SCI論文數(shù)量分別在2003和2008年突破10篇和50篇，這一數(shù)據(jù)和CNKI數(shù)據(jù)庫比較一致。在CNKI數(shù)據(jù)庫中，2003年第一次出現(xiàn)相關(guān)文獻(xiàn)，共計(jì)89篇。在2008年，年文獻(xiàn)數(shù)量則從2007年的112篇激增至410篇。上述數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，世界范圍內(nèi)，文獻(xiàn)數(shù)量從1997年至2021年穩(wěn)步增長。國內(nèi)的廚余垃圾研究則起步相對(duì)較晚，主要是從2003年開始，且在2008年開始出現(xiàn)了較高的熱度。

圖1 廚余垃圾相關(guān)文章發(fā)表數(shù)量趨勢(shì)

圖2顯示了Citespace和VOSViewer軟件總結(jié)出來的SCI數(shù)據(jù)庫中相關(guān)論文的主要關(guān)鍵詞?？梢园l(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)、厭氧發(fā)酵、分解、甲烷、生物制氫、好氧堆肥是出現(xiàn)頻次最好的主要關(guān)鍵詞。結(jié)果說明厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷、生物制氫和好氧發(fā)酵還是廚余垃圾相關(guān)研究的最主要的技術(shù)。上述結(jié)果與廚余垃圾處置行業(yè)的主要工藝是一致的。例如，干式厭氧與濕式厭氧發(fā)酵技術(shù)是目前廚余垃圾處置最常用的技術(shù)[16]。此外，共發(fā)酵和污泥在兩個(gè)結(jié)果中均出現(xiàn)了，說明廚余垃圾-污泥的共發(fā)酵技術(shù)也是厭氧發(fā)酵技術(shù)中的研究熱點(diǎn)之一。廚余垃圾和污泥或其他固廢的共發(fā)酵有利于對(duì)發(fā)酵物的理化性質(zhì)進(jìn)行靶向調(diào)理，例如可以將發(fā)酵物的碳氮比、鹽分和含水率等指標(biāo)調(diào)控至最優(yōu)范圍[2]。

圖2 SCI數(shù)據(jù)庫中主要關(guān)鍵詞

圖3顯示了采用HistCite軟件分析CNKI數(shù)據(jù)庫論文后得到的出現(xiàn)頻次最高的前15個(gè)關(guān)鍵詞。結(jié)果顯示了多個(gè)不同于國際主流的關(guān)鍵詞，體現(xiàn)出了國內(nèi)關(guān)于廚余垃圾研究的特色。首先，國內(nèi)更為重視廚余垃圾從生活垃圾中高效分類的研究，這一方面是由于國內(nèi)的廚余垃圾與生活垃圾經(jīng)?；旌洗娣牛硪环矫嬉彩腔趪覍?duì)于生活垃圾分類的基本要求。其次，國內(nèi)重視地溝油的三相分離和管理研究，這與國內(nèi)大量油水混合的餐飲習(xí)慣密切相關(guān)。第三，除了國外報(bào)道的主流廚余垃圾處置技術(shù)外，黑水虻生物代謝技術(shù)處理生物炭在國內(nèi)也逐漸成為主流技術(shù)之一。事實(shí)上，該技術(shù)已經(jīng)在武漢等地形成了產(chǎn)業(yè)化規(guī)模。黑水虻生物代謝技術(shù)等新興技術(shù)為廚余垃圾資源化處置提出了新的思路，但是，實(shí)際項(xiàng)目運(yùn)行情況來看，臭氣等二次污染控制水平需要進(jìn)一步提高。

圖3 CNKI文獻(xiàn)中主要主題出現(xiàn)頻次

3.2 廚余垃圾分類收集技術(shù)概述

發(fā)達(dá)國家有著比我國更長的垃圾分類歷史和更豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[29]。由于經(jīng)濟(jì)水平和飲食習(xí)慣的不一樣，各國的廚余垃圾分類方式各具特色?？偟恼f來可以總結(jié)為3種分類模式，包括日本、美國和德國3種模式。

日本對(duì)廚余垃圾收集處置的總體思路是在源頭降低廚余垃圾含水率，低含水率的廚余垃圾進(jìn)入焚燒或者堆肥處理系統(tǒng)。此外，日本也有家庭廚余垃圾處理機(jī)，將廚余垃圾粉碎之后進(jìn)行干燥，形成干燥粉末后進(jìn)行后續(xù)加工后轉(zhuǎn)化成有機(jī)肥料?？偟膩碚f，日本已形成良好的廚余垃圾資源循環(huán)再利用產(chǎn)業(yè)鏈[30]。

美國主要采取家庭廚余垃圾處理機(jī)進(jìn)行廚余垃圾收集處理。但不同于日本，他們通過在水池安裝廚余垃圾處理機(jī)，將廚余垃圾粉碎后直接排入下水道。但是，由于固體顆粒和油脂極易在排水管道形成堆積堵塞，美國學(xué)者目前正在尋求更好的替代技術(shù)[31]。

德國主要依靠對(duì)居民進(jìn)行分類知識(shí)宣傳教育實(shí)現(xiàn)廚余垃圾分類收運(yùn)。具體說來，在居民小區(qū)中設(shè)置棕色垃圾桶，由居民將廚余垃圾和園林垃圾自行打包分類投遞。最終由第三方的公共垃圾處理運(yùn)營商負(fù)責(zé)收集與處置[32]。

國內(nèi)廚余垃圾的分類收集問題更加棘手，一是由于我國廚余垃圾含水率更高，熱值較低且易生物降解[31]，其次由于我國廚余垃圾占生活垃圾比例(遠(yuǎn)高于全球其他國家的廚余垃圾占比(29%～50%)[34]，最后，我國生活垃圾分類收集啟動(dòng)較晚，居民的“垃圾分類”意識(shí)尚不夠普及。但是，由于我國對(duì)廚余垃圾采取集中處置的方式，且我國生活污水排放管道尺寸較小，不適用于排放粉碎廚余垃圾。因此，我國的廚余垃圾主要采取類似于德國模式的源頭分類收運(yùn)方式，分類收集后進(jìn)入集中的處理設(shè)施。生活垃圾經(jīng)源頭分類除去廚余垃圾后，其焚燒特性也得到了極大的提升，焚燒過程中二惡英的生成得到大幅降低[35]。此外，廚余垃圾的分離也可極大的緩解生活垃圾終端處理設(shè)施的壓力。

3.3 廚余垃圾處理技術(shù)概述

3.3.1 美國餐廚垃圾處理現(xiàn)狀

美國每年產(chǎn)生約2600萬t廚余垃圾，占生活垃圾總量的11.4%。美國采取垃圾處理收費(fèi)制度，收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)基于家庭垃圾的產(chǎn)生量，家庭垃圾產(chǎn)量多，收費(fèi)就相應(yīng)的高。因此采用堆肥方式處理家庭產(chǎn)生的廚余垃圾非常普及。同時(shí)有部分廚余垃圾被采用就地破碎直排的方式排入下水道。由于對(duì)同源性的擔(dān)憂，美國政府?dāng)U大了動(dòng)物飼料禁用范圍，將原來對(duì)動(dòng)物腦和脊髓組織的禁用范圍從牛擴(kuò)大到了狗、貓、豬和家禽飼料[4]。

3.3.2 歐盟餐廚垃圾處理現(xiàn)狀

歐盟國家已經(jīng)明令禁止填埋廚余垃圾。2003年起，動(dòng)物副產(chǎn)品條例禁止在飼料生產(chǎn)中使用同類動(dòng)物的任何部位，禁止向毛皮類動(dòng)物以外的牲畜喂廚房泔水。用廚余垃圾原料作飼料在動(dòng)物食品安全中存在重大的同源性隱患?；谝陨显?，歐洲國家在廚余垃圾處理中擯棄了飼料化技術(shù)，主要采用厭氧生物制氣技術(shù)[36]。

3.3.3 國內(nèi)廚余垃圾處理現(xiàn)狀

我國現(xiàn)階段生活垃圾分類的準(zhǔn)確率較低，廚余垃圾分類的效果不理想，含有較多的雜質(zhì)，給后端處理增加了難度。因此，預(yù)處理成為廚余垃圾處理過程中非常重要的一環(huán)[16]。例如，厭氧發(fā)酵過程中水解速率是整個(gè)反應(yīng)過程的決速步，利用預(yù)處理技術(shù)改善廚余垃圾的表面性質(zhì)，可以規(guī)避水解過程中的不利因素，提高難降解有機(jī)質(zhì)的能力，能有效提高廚余垃圾處理效率。目前常用的廚余垃圾預(yù)處理方法包括物理法、化學(xué)法、生物法及復(fù)合預(yù)處理技術(shù)。物理法通過改變廚余垃圾的顆粒尺寸和細(xì)胞結(jié)構(gòu)、增大廚余垃圾和微生物酶的接觸面積來加速水解反應(yīng)，包括熱預(yù)處理、破碎、超聲波和高壓擠壓等?；瘜W(xué)法通過引入酸、堿，通過水解作用改變廚余垃圾性質(zhì)。生物法通過淀粉酶、蛋白酶、纖維素酶和脂肪酶催化的生化反應(yīng)促進(jìn)廚余垃圾水解。復(fù)合預(yù)處理指的是利用多種預(yù)處理方法，以達(dá)到更好的處理效果[3,37,38]。

預(yù)處理之后則主要通過厭氧發(fā)酵技術(shù)處理廚余垃圾，包括濕式和干式發(fā)酵，干式厭氧發(fā)酵是指反應(yīng)器進(jìn)料的總固體量高于15%的發(fā)酵技術(shù)[39]。干式厭氧發(fā)酵技術(shù)對(duì)原料預(yù)處理要求低、沼液產(chǎn)量低、耗能少、產(chǎn)氣率較高[40]。但由于其高有機(jī)負(fù)荷運(yùn)行,容易發(fā)生底物濃度過高，水解酸化速率過快，揮發(fā)性脂肪酸的迅速積累，系統(tǒng)pH值降低，從而抑制產(chǎn)甲烷菌活性，導(dǎo)致厭氧發(fā)酵體系酸化失穩(wěn)等問題[41]。濕式厭氧發(fā)酵則是進(jìn)料總固體量低于15%的發(fā)酵技術(shù)，相對(duì)干式技術(shù)來說，產(chǎn)甲烷菌活性更高，不易發(fā)生酸化失穩(wěn)問題。

4 結(jié)論與討論

本文進(jìn)行了廚余垃圾處理技術(shù)科學(xué)研究的文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)分析，并結(jié)合結(jié)果進(jìn)行了技術(shù)探討。國外的科學(xué)研究主要聚焦在傳統(tǒng)的厭氧發(fā)酵、好氧堆肥以及多原料的混合發(fā)酵技術(shù)。上述技術(shù)也是國內(nèi)用于廚余垃圾的最傳統(tǒng)的技術(shù)。國內(nèi)學(xué)者則較國外的研究熱點(diǎn)之外，還關(guān)注了垃圾分類、地溝油和黑水虻相關(guān)的研究。垃圾分類和地溝油是比較符合我國實(shí)際情況和需求的特色研究領(lǐng)域，黑水虻生物降解技術(shù)則是廚余垃圾資源化方面的新技術(shù)。然而，以黑水虻生物降解為首的新興廚余垃圾資源化技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過程中，應(yīng)進(jìn)一步提高二次污染的控制水平。廚余垃圾分類主要包括源頭分類的日本模式、家庭處理的美國模式和社區(qū)分類的德國模式。由于我國集中處置廚余垃圾，且污水排放系統(tǒng)管道尺寸不足，國內(nèi)的廚余垃圾分類更接近德國模式，以分類宣傳和居民自行分類投放為核心。餐廚垃圾處理方面，美國主要以家庭堆肥或粉碎直排為主，而歐盟和中國還是更多的采取預(yù)處理后的厭氧發(fā)酵技術(shù)。由于國內(nèi)廚余垃圾成分更為復(fù)雜且雜質(zhì)含量高，預(yù)處理對(duì)于中國廚余垃圾處置非常重要。

綜合上述結(jié)論可以發(fā)現(xiàn)，我國廚余垃圾領(lǐng)域亟待進(jìn)一步研究的課題主要集中在3個(gè)方面。第一，如何提高居民生活垃圾分類意識(shí)，提高生活垃圾中廚余垃圾的分選效率，降低廚余垃圾中的雜質(zhì)比率，是廚余垃圾分類中亟待解決的問題。第二，在目前廚余垃圾雜質(zhì)率較高的現(xiàn)狀下，開發(fā)更加高效可行的預(yù)處理技術(shù)，是破除現(xiàn)有技術(shù)瓶頸的核心方向。第三，如何控制黑水虻生物處置技術(shù)中的二次污染，是廚余垃圾新興資源化處置的后續(xù)程序中亟待解決的問題。