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--> --> --> 随着我国社会经济的快速发展和人民生活水平的提高，餐厨垃圾产生量与日俱增，已成为影响人居环境的重要污染源。餐厨垃圾是城市生活垃圾中有机固废的主要来源，以淀粉、纤维素、蛋白质、脂肪等为主要成分，具有营养丰富、易生物降解的特性。采用厌氧发酵技术处理餐厨垃圾，既可解决环境污染问题，产生的沼气又可制备生物燃气，从而实现餐厨垃圾的资源化利用。餐厨垃圾的资源化属性使得单独收集、储存和利用成为未来处置此类垃圾的首要选择。但目前收运系统尚不完善，餐厨垃圾与生活垃圾混合填埋处理的现象仍很普遍，这不仅会引起二次污染，而且也造成资源浪费严重，不符合资源利用最大化的原则。本研究着重分析了具有发展前景的餐厨垃圾厌氧发酵技术，为提高餐厨垃圾的资源化无害化处理及其推广应用提供新思路。由于餐厨垃圾水分含量高、易腐败，且易滋生细菌、病原菌及霉菌，因此，若不及时清理，会产生有毒有害物质及恶臭气味，对大气、水体、土壤造成污染并危害人体健康，严重的情况下还会导致蚊蝇滋生和各类疾病的传播。
餐厨垃圾是城市生活垃圾的重要组成部分，约占60.2% [16-18]。据统计[19]，2017年我国餐饮垃圾年产量达6.3×107 t，加上厨余垃圾共约1.58×108 t。目前，我国餐厨垃圾总产量高达2.10×108 t·a?1，远高于欧盟国家(8.9×107 t·a?1[20])和美国(3.8×107 t·a?1[21])，约占全球餐厨垃圾总产量(1.6×109 t·a?1[20])的13.1%。随着经济和人口的增长，在2005—2025年，亚洲国家的餐厨垃圾产生量将持续增加，由2.78×108 t增长到4.16×108 t[22]。据联合国粮食及农业组织(Food and Agriculture Organization (FAO) of the United Nations)统计，到2025年，全球餐厨垃圾产生量将达2.2×109 t[23]。
我国城镇化发展及人口增长刺激并促进了餐饮业的发展，许多大城市每天餐厨垃圾产生量在10 000 t以上。以2017年为例，北京餐厨垃圾日产生量约为20 822 t，上海为16 904 t[19]。我国城市地区每人餐厨垃圾日产生量约为0.55 kg[19]。餐馆及食堂等公共场所过度的食物浪费所造成的直接经济损失每年高达2×1011元[24]。据有效数据显示，我国餐厨垃圾处理能力严重不足，按“十三五”规划，预计2020年，回收利用和资源化处理的餐厨垃圾仅为5.59×104 t·d?1，不超过2017年日产生量的12.9%[4]。
3.1. 餐厨垃圾厌氧处理工艺
目前，常见的餐厨垃圾处理方式包括饲料化(6.4%)、堆肥(14.1%)和厌氧消化(76.1%)等[25]。厌氧消化是在无氧环境下，多种专性及兼性厌氧菌降解有机质的过程，最后生成以甲烷为主要成分的混合气。其优点是能回收生物质能，无二次污染，缺点是沼液量大难处理，工程投资大，运营成本高。自2006年开始，厌氧发酵技术在欧洲和亚洲发达国家被广泛应用于餐厨垃圾处理[26]。2014年，欧洲有244个运行中的厌氧发酵罐，可处理城市有机固体废弃物7.75 Mt·a?1[27]。2016年，韩国厨余垃圾分类收集率达到94.2%，其中96%的源分捡厨余垃圾用来进行沼气发酵或做为畜禽饲料[28]。餐厨垃圾是资源型固废，其处理方式应遵循可持续发展的原则。厌氧消化和好氧堆肥具有较好的资源回收属性，且能产生高附加值的产品，因此，其表现出较好的应用前景，目前已经在美国、欧洲等发达国家推广应用[29-31]。2018年，瑞典餐厨垃圾产生量的20%通过厌氧发酵和堆肥回收能源和营养物质[32]。近年来，我国政府陆续支持建设了一批餐厨垃圾处理处置工程，其工艺主要包括厌氧消化和好氧堆肥，并逐渐形成了以厌氧消化为主的工艺路线体系[33]。我国厌氧消化工艺类型较多，常见的工艺包括单相与两相技术、湿式与干式厌氧发酵技术等。
按物料的消化阶段可将厌氧消化工艺分为单相发酵与两相发酵。水解、产酸、产氢产乙酸和产甲烷4个阶段均在同一反应器中进行的厌氧发酵为单相发酵工艺。单相工艺具有设备结构简单、操作方便等优点，已在世界范围内广泛应用。但单相工艺不能使产酸菌和产甲烷菌同时处于最佳生长条件，以致体系稳定性差、产气率低。
两相厌氧技术实现了生物分相，减少了餐厨垃圾酸化对产甲烷菌的抑制作用，提高整个系统的处理效率，系统的抗冲击能力和稳定性也好于单相系统[34]。传统两相厌氧工艺采用空间上分离的2座反应器组合而成，具有占地面积大、热量利用率低的缺点。针对以上问题，济南十方餐厨处理厂设计并建造了池容5 600 m3的双环嵌套厌氧消化反应器，有机负荷(以TS计)3.2 kg·(m3?d)?1，产气率达到95 m3·d?1餐厨垃圾。该项目在同一反应器内实现水解酸化和产甲烷两相分离，保证了产甲烷菌的最适生长环境，产气量是餐厨单相厌氧发酵的2.1倍，而且仅需配备一套保温系统，大大提高了系统热能利用率，为今后餐厨厌氧工艺的发展提供借鉴。
根据物料含固率，可将厌氧发酵分为湿式发酵(<15%)和干式发酵(≥15%)[35]。湿式发酵设备费用高、后续处理量大，但稳定性高。在欧洲，90%处理城市有机固体垃圾及生物质废弃物的沼气工程都采用单相厌氧发酵工艺，其中湿式与干式发酵工艺的应用大致平均分配[36]。我国目前多数商业化的沼气工程都采用湿式发酵工艺。苏州市某餐厨沼气工程采用湿热预处理和湿式厌氧发酵工艺，沼气产量达44.8 m3·d?1[37]。与湿式发酵相比，干式发酵具有产气效率高、耐冲击负荷能力高、沼液产生量少、占地面积小等优点。然而餐厨垃圾干发酵过程中的挥发性脂肪酸积累速度相对湿发酵更快，易导致干发酵过程的低效甚至运行失败，可通过改进工艺设备提高干发酵的反应效果。国外已形成多种成熟的有机垃圾干式厌氧发酵工艺设备。如瑞士的Kompogas工艺，采用塞流式式反应器，可处理TS为15%~40%的高固有机垃圾，沼气产量达460 L·kg?1(VS)[38]。针对含固率≥30%的餐厨垃圾等有机生活垃圾，北京首创环境投资有限公司研发出大型干式发酵厌氧反应器，采用连续进料推流，有机物转化率可达70%以上，已在宁波建成400 t·d?1的厨余垃圾处理项目。
原料预处理是保持餐厨垃圾工程稳定高效运行的基础。餐厨垃圾主成分为可生物降解的有机质，但还有部分不可降解的成分，如塑料瓶、筷子、金属物等，这些杂质在后续的生化处理及生产设备运行中不仅会损坏后续设备，而且会降低有机物的分选效率，影响厌氧消化产沼气量[39]。因此，对餐厨垃圾进行有效的除杂预处理是保障工程稳定高效运行的基础。传统分选工艺采用滚筒筛分技术先将大件垃圾去除，再用破碎分选技术将小件和韧性非营养物质等分离，但程序较繁琐、效率低、分离效果不理想。针对传统餐厨垃圾预处理中的能耗高、有机物损失多等问题，近些年开展了大量研究，取得了较好的成果。北京京城环保股份有限公司研发出一种集分选、破碎、制浆为一体的新型餐厨预处理设备，杂质去除率高达90%[40]。中环保研发出基于水力分离的预处理工艺设备。该技术通过水体的搅动、剪切及垃圾组分间的摩擦作用使有机质变成均浆，有效提高了有机质回收率和浆液的品质。除杂率高达95%以上，有机质损失率<8%。此外，常州的维尔利公司针对含无机杂质较多的餐厨垃圾开发出分选破碎一体机+淋滤水解工艺，实现了低成本回收有机质[41]。普拉克公司推出的粗分选+自动分选制浆一体机可在制浆的同时去除餐厨垃圾中的杂质，适用大多数餐厨垃圾物料的处理[41]。
3.2. 餐厨垃圾沼气工程建设现状及厌氧处理难题
近年来，我国生物沼气得到了快速发展，到2015年底，共建成各类沼气工程110 975处，其中，中小型沼气工程103 898处，大型沼气工程6 737处，特大型沼气工程34处，工业废弃物沼气工程306处，年产沼气2.225×109 m3[42]。所建沼气工程中户用沼气的生物质来源主要集中在农业秸秆废弃物，而规模化沼气工程的生物质来源主要集中在畜禽粪便、工业废水废物以及城市生活有机固废和有机污泥[43]。相应的沼气潜能较大的城市垃圾有机质在2010年以前一直被人们所忽视。据中国城市环境卫生协会的资料透露，全国共有657个设市城市，餐厨垃圾日均产量超过50 t的城市有512个[44]，但我国餐厨垃圾无害化处理资源化利用起步晚，当时已建成的餐厨垃圾处理的工程实例较少。随着一系列餐厨垃圾管理的相关政策法规的颁布执行，以及城市餐厨废弃物资源化利用和无害化处理试点的开展，大大推进了我国餐厨垃圾沼气工程的建设。目前国内餐厨沼气工程多采用中温连续搅拌(continuously-stirred tank reactors, CSTR)湿式厌氧消化工艺。2016年投入运行的杭州餐厨垃圾处理一期工程以“自动分选+三相提油+高效厌氧”为主要工艺路线，项目采用耐冲击负荷和高固体浓度的利浦罐结构CSTR厌氧反应器，容积为4 000 m3，处理餐厨垃圾200 t·d?1，产沼气13 000 m3·d?1，发电26 000 kWh·d?1，毛油产量为5.3 t·d?1 [45]。2017年，在东南沿海某市建成的餐厨沼气工程采用“CSTR厌氧消化+膜生物反应器(membrane bioreactor, MBR)污水处理”工艺，处理量为205 t·d?1，餐厨垃圾产沼气率达到80 m3 ·t?1，80%沼气用于发电上网[46]。
与此同时，干法工艺因其具有较高的耐冲击负荷能力，以及产气效率高等优点，在国内的应用逐渐增多。山东某市建立了第一座采用中温干法厌氧发酵工艺处理餐厨垃圾的沼气工程，日处理量150 t，污水处理系统采用“MBR+纳滤膜(nanofiltration, NF)+反渗透(reverse osmosis, RO)”工艺处理沼液和其他生活污水[47]。此外，餐厨垃圾经提油和饲料加工等处理会产生大量有机废水。针对该类高浓度有机废水，2009年，宁波采用升流式厌氧污泥床技术建成2 000 m3沼气工程，年产沼气2.6×106 m3,可发电4.5×106 kWh[48]。
对于单一的餐厨垃圾，外国多采用湿式发酵工艺，对于混合垃圾分选后的有机垃圾多采用干式发酵工艺[49]。而针对餐厨厌氧发酵易酸化的特性，韩国、德国、法国多通过餐厨与城市生活垃圾、农业废弃物等混合发酵促进营养平衡、提高产气量。以德国为例，共有38个处理餐厨垃圾的沼气工程，其中采用混合厌氧发酵工艺的沼气工程约占87%，在标准状况下，沼气产量达104 m3·t?1[33]。
截至2015年，国家发改委共确立了100个餐厨废弃物资源化利用和无害化处理试点城市，覆盖了全国32个省级行政区。据不完全统计，全国已建和筹建的餐厨垃圾处理项目(50 t·d?1以上)达118座以上[31]。试点项目的开展为今后餐厨垃圾资源化处理提供了宝贵的经验，但同时也存在很多问题，以致某些工程项目无法运转下去，甚至部分试点城市放弃了试点资格[50]。“十二五全国城镇生活垃圾无害化处理设施建设规划”和“十三五全国城镇生活垃圾无害化处理设施建设规划”都对餐厨垃圾处理项目做了规划，但也没能完全如期完成[33]。这可能是由于我国餐厨垃圾规模化处理技术的研究仍处于起步阶段，成功经验不足，常出现缺乏先进技术、经济效益低、依赖政府补贴等问题[33, 37]。其中，沼气产量低、循环回用量高等导致的低经济效益问题严重制约着餐厨垃圾处理的市场化发展，以致政府补贴到位后，沼气工程项目常缺乏运转的动力。因此，发展先进的餐厨垃圾规模化厌氧发酵技术是解决以上问题的重要出路。从技术层面来看，餐厨垃圾厌氧发酵技术存在以下3点问题：1)饮食文化造成餐厨成分复杂，以无害化、减量化为出发点的传统厌氧工艺路线以及国外引进技术无法适应餐厨垃圾特性，资源化不足，导致成本高而产气率低；2)餐厨垃圾的有机质含量较高且极易水解酸化，以致在餐厨垃圾单相沼气工程实际运行过程中为了使系统维持稳定，常采用较低的有机负荷率，从而增加了运行成本，经济效益较差；3)餐厨垃圾处理过程包括油脂提取、厌氧消化、物料干化以及发电和供热等环节都需要消耗前端产生的沼气，造成工艺系统生物燃气净产出偏低，经济效益低。
1)依据餐厨垃圾地域特征调整厌氧处理工艺设备。我国餐厨垃圾地域间差异较大，应根据各地区餐厨垃圾的理化特性，适当调整餐厨垃圾处理工艺。此外，餐厨垃圾的预处理设备等的选型也应考虑不同地区餐厨垃圾的特征，以保障餐厨厌氧消化的高效稳定运行[50-51]。
2)开展厌氧+好氧组合工艺研究，提高甲烷产量及资源化利用率。厌氧发酵通过降解生物质废弃物产生能源气体。好氧堆肥可利用微生物分解有机废弃物，经腐熟转化为腐殖酸类有机肥。在餐厨垃圾单相沼气工程中，分别采用厌氧发酵与好氧堆肥技术处理餐厨浆液固液分离后的液相和固相，不仅提高餐厨垃圾厌氧发酵系统的稳定性，而且产生高附加值的有机肥产品，增加了收益。此外，好氧预处理还可加速餐厨垃圾水解、快速启动厌氧反应，提高产气量。
3)餐厨垃圾中轻物质的资源化利用。原生餐厨垃圾中约含有20%~30%的塑料、木材、纸张等轻物质，这部分轻物质可生化性极差，厌氧消化前需进行分离。常采用焚烧或卫生填埋的方式进行处理，但存在二次污染、成本高、资源浪费等问题，不具可持续发展性。建议采用具有能量回收率高、环境效益好和产物利用价值高等优点的两段热解[52]技术对餐厨垃圾轻物质进行资源化处理，制备高品质富氢合成气，消除生物油后续利用难题，提高轻物质资源化利用率。合成气可供应餐厨厌氧消化反应器，利用合成气中高含量H2将合成气本身携带的CO、CO2以及沼气中的CO2全部还原成CH4，同步实现合成气利用、甲烷增量和沼气提纯三重功能。餐厨厌氧处理系统中热电联产产生的热量以及提油单元的废热等余热都可用于轻物质的干化、加热和热解。同时，也可考虑回用部分产物(生物油和合成气)来满足热解和厌氧系统对能量需求，从而减少沼气的回用。
参考文献
