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餐厨垃圾资源化和高值化利用技术研究进展

2025-02-23 106 上传者：管理员

摘要：随着经济社会的发展，餐厨垃圾产量逐年提高，因其有机质含量高、易腐败等特点，处理不当易造成城市的环境污染。目前，餐厨垃圾主要处理技术包括：填埋和焚烧、好氧堆肥和厌氧发酵等，但当前技术已不能很好地满足经济社会发展需求。随着国家“双碳目标”的提出，急需低碳排放和高值化的餐厨垃圾资源化处理技术。本文综述了当前餐厨垃圾处理工艺技术，对比各自工艺技术的优缺点，展望了餐厨垃圾处理技术的发展前景，提出了资源化炼制“城市矿藏”——餐厨垃圾的研究思路。

关键词：
环境污染
资源化利用
食品生产加工
餐厨垃圾
高值化利用
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餐厨垃圾是食品生产加工和餐饮消费过程产生的垃圾,以及居民生活产生的餐厨垃圾等有机废弃物的总称[1]｡据联合国粮农组织(FAO)统计,全球约有1/3食物在生产､流通和消费过程中浪费,约13亿t被当作餐厨垃圾处理[2]｡预计到2025年,全球餐厨垃圾产量将达到22亿t｡我国餐厨垃圾产量位居世界首位,且产量连年增长[3-4]｡我国餐厨垃圾处理压力逐年增大,急需先进的处理工艺技术,在无害化处理基础上进一步开发资源化和高值化的餐厨垃圾处理工艺技术｡

传统的餐厨垃圾处理方式是通过填埋或焚烧处理,但是在这个过程中会占用大量土地资源,且释放有毒有害和温室气体,对人体及环境造成危害｡餐厨垃圾具有高水分､高油脂､高盐分､富含有机质､易腐败等特点,其中有机质含量超过90%,能够为微生物繁殖提供营养物质,导致食物垃圾容易变质腐烂,同时产生难闻的气味,污染环境并威胁人体健康｡餐厨垃圾中的水分约占80%[1,5]｡高含水量会导致餐厨垃圾在收集运输的过程中增加难度｡其渗滤液可能会渗入土壤中污染地表水和地下水｡在我国食品中的盐和油脂含量分别为1%~3%和1%~5%[6]｡盐和油脂的积累会对餐厨垃圾的微生物转化过程产生抑制,影响处理效率｡然而,餐厨垃圾的有机质含量高,是一种具备开发利用潜力的“城市矿藏”资源｡若通过及时和得当的技术进行处理,在避免其对环境危害的同时,产生资源化产物,有望实现“城市矿藏”的循环利用和高值化开发的目标｡

1、餐厨垃圾资源化处理技术

1.1好氧堆肥

好氧堆肥是指在有氧环境下,利用不同组成和功能的微生物种群对固态基质进行生物降解和转化的过程[7]｡通过微生物的生化代谢与能量释放,使体系内的温度升高,促使堆体腐熟并消灭堆体内存在的有害虫卵,最终转化为生物肥料[5]｡在我国,堆肥处理城市废弃物约占处理总量的1/5[8]｡堆肥过程还会产生甲烷(CH4)､氮氧化物(N2O)和二氧化碳(CO2)等温室气体,加剧全球变暖[7]｡好氧堆肥还存在其他问题,包括:升温速度慢､过程周期长､有机物无法彻底分解､氮素损失多､渗滤液二次污染和占地面积大等[9]｡上述问题限制了好氧堆肥的规模化应用和推广｡

1.2厌氧消化

1.2.1厌氧消化产甲烷和肥料

厌氧消化产甲烷过程是在厌氧条件下,利用厌氧微生物经过“水解､酸化､互营和产甲烷”代谢过程,分解有机物产生甲烷和沼肥可以实现餐厨垃圾的资源化处理[10]｡根据我国“十三五”规划,我国鼓励通过资源化利用将餐厨垃圾转化为油脂､沼气､有机肥等｡目前我国餐厨垃圾循环利用方式主要有厌氧消化(74.3%)､好氧堆肥(13.5%)和饲料化处理(12.2%)[11]｡厌氧消化对工艺技术要求较高,采用厌氧消化需要餐厨垃圾产量达到一定规模,是城市规模化资源处理餐厨垃圾比较合适的处理技术｡

1.2.2厌氧消化产氢气

在厌氧条件下餐厨垃圾可在微生物作用下利用氢化酶将质子(H+)还原成氢气｡初始pH值和温度对餐厨垃圾厌氧发酵产氢的性能有显著性影响,高温发酵的产氢效率优于中温[12]｡厌氧发酵根据底物不同,可以分为固态发酵和液态发酵,当固体含量为22%时,干式发酵产氢量最高[13]｡餐厨垃圾产氢具有较好的应用前景,目前该技术大多处于实验室研究和中试阶段｡产氢菌群､工艺优化和高效反应器研究是餐厨垃圾产氢工艺技术开发的重点｡

2、餐厨垃圾高值化处理技术

2.1酯交换反应制备生物柴油

我国餐厨垃圾的湿重含油脂率在2%~10%,且餐厨垃圾油脂含量有不断增加的趋势[13-14]｡餐厨垃圾储存不当和腐败会增加油脂中黄曲霉素､苯､重金属等有毒物质的含量,且过高的油脂含量对后续餐厨垃圾生化处理过程不利[1,10,15]｡生物柴油相比普通柴油硫化物含量低,且不含芳香族烷烃类,具有较高的含氧量和可生物降解性,可作为替代传统化石燃料源柴油的绿色可再生能源｡

钟昌东等[16]用微波辅助餐厨垃圾制备生物柴油,可以有效地缩短生物柴油制备工艺流程,降低能耗,提高生物柴油产率｡Karmakar等[17]发现通过加入2-丙醇或甲醇可增加废弃食用油转化为生物柴油的效率｡ModatherF.Hussein等[18]以土豆皮为原料生产固体酸催化剂,在甲醇/油酸摩尔比为12∶1的80℃下2.5h后油酸转化率高达97.2%｡目前在酯交换催化材料､生物催化剂､催化反应器技术等方面制备生物柴油的技术还在持续发展,随着新技术的稳定和成熟,利用餐厨垃圾油脂制备生物柴油将会有较好的发展和应用前景｡

2.2热裂解制备生物气和生物炭

热裂解技术是在厌氧和中高温(300~800℃)条件下,将生物质裂解产生有价值的生物气和生物炭,是生物质热化学处理技术的一种[19]｡热裂解技术的原料来源广泛,可混合餐厨垃圾和不同类型的生物质原料进行共同热裂解｡温度是影响热裂解过程的重要因素,温度低于300℃生物质转化效率低于20%,温度在300~600℃时生物质转化率能到达80%~90%[20]｡生物气是含有CO､CO2､H2､和CH4的混合气,可作为能源气体替代天然气和煤炭用于供气､供热和发电｡生物炭可用于环境污染物吸附､水体净化､农业土壤改良等方面｡由于其表面含有大量活性氧功能团,利于改性产生新型功能材料扩大炭材料的使用范围｡餐厨垃圾生物炭转化可以实现碳固定,降低CO2排放[21]｡餐厨垃圾由于含水率较高,脱水后进行处理无疑会增加热裂解处理成本｡随着餐厨垃圾预处理技术的发展,餐厨垃圾热裂解技术也将逐渐得到关注和应用｡

2.3微生物发酵制备生物化工原材料

乳酸(2-羟基丙酸)作为一种天然有机酸,可以转化为丙交酯､聚乳酸(PLA)､挥发性脂肪酸(VFA)和中链羧酸等,在食品､医药､化工､农业等领域应用广泛[22-23]｡餐厨垃圾富含有机质,可用作微生物发酵制备乳酸的原料｡乳酸是乳酸菌(LAB)产生的最重要的有机酸之一,由瑞典科学家C.W.Scheele于1780年从酸牛奶中发现[23]｡1999年,日本九州工业大学的Shirai等提出了通过餐厨垃圾发酵生产乳酸,进而合成聚乳酸这种可生物降解塑料的工艺,为餐厨垃圾资源化利用和降低乳酸生产成本提供了一条新的途径[24]｡聚乳酸(PLA)具有热塑性､高强度､易被生物降解等巨大优势,作为石化产品衍生塑料的可再生环保代替品,其应用能缓解废弃塑料处理问题,应用前景广阔[22]｡Sakai等[24]用餐厨垃圾发酵生产乳酸,在pH值调整为7的情况下,37℃发酵3~5天,得到27~45g/L乳酸｡LiuJ等[25]发现在餐厨垃圾降解产酸过程中,加入Fe3+能使产酸量增加至9.03g/L｡VichienKitpreechavanich等[26]利用菌株BacillussubtilisKBKU21,B.subtilisN3-9和BacilluscoagulansT27在43℃发酵厨余垃圾84h,其中乳酸含量达到36.9g/L｡WuXiaodong[27]发现解淀粉芽孢杆菌利用玉米淀粉､大米淀粉和小麦淀粉培养基生产乳酸,其产量分别为10.1､7.9､7.8g/L｡目前,利用餐厨垃圾发酵产乳酸研究主要关注高产乳酸菌种的选育､发酵条件优化､乳酸的提取分离等方面,该工艺的优化和应用可作为餐厨垃圾高值化利用的有效方式｡

中链脂肪酸(mediumchainfattyacid,MCFA)可以通过餐厨垃圾的微生物发酵产生的短链脂肪酸(short-chainfattyacid,SCFA)基于反向β-氧化途径合成｡MCFAs还可进一步加工成航空燃料､生物降解塑料､抗菌剂､食品和饲料添加剂等附加值更高的产品｡研究发现在pH值6.5､复合底物浓度200mmol/L､乙醇/乳酸添加比为1∶1的最优发酵条件下,己酸的最高产量达到14.0g/L[28]｡WuLan等[29]评估了pH值对餐厨垃圾发酵MCFAs代谢途径的影响,其中在pH值为5时,MCFAs产量最高为52.5mgCOD/L,己酸酯是主要的高价值产物｡Zhang等[30]采用碳链延长技术,通过共发酵将餐厨垃圾和污水污泥转化为高附加值的中链脂肪酸｡发现75%餐厨垃圾(餐厨垃圾:污水污泥=3∶1)在90天半连续共发酵实验中己酸浓度为1044.31mgCOD/L,产率达到250.59mgCOD/L/d｡ReddyMV[31]采用两阶段混合发酵法发酵餐厨垃圾生产SCFAs和MCFAs,先在餐厨垃圾水解液中添加厌氧微生物发酵产SCFAs,之后通过链延伸转化为MCFAs,经过91天实验,SCFAs中丁酸产量最高达到8.9g/L,MCFAs中己酸产量最高达到8.1g/L｡以餐厨垃圾为原料生产MCFA需要基于多级多阶段发酵,工艺操作复杂,建设成本高,占地面积大｡随着各环节工艺技术的优化升级和成本的降低,相信餐厨垃圾制备MCFAs未来会有较好的发展前景｡

表1餐厨垃圾处理技术对比

2.4制备饲料蛋白

以餐厨垃圾为原料,通过微生物发酵或昆虫养殖制备饲料蛋白是餐厨垃圾高值化的途径之一｡研究发现,采用酵母菌､黑曲霉和枯草芽孢杆菌作为混合发酵菌剂进行餐厨垃圾固态发酵,发酵产物中粗蛋白含量提高了58.7%,总氨基酸含量增加了1倍,维生素B1､B2的含量也显著提高[32]｡通过昆虫对餐厨垃圾进行饲料蛋白转化的工艺,具有空间少､水资源消耗少､生长周期短,投资回报快等优点[33]｡目前可用于餐厨垃圾处理的昆虫主要有蝇蛆､蚯蚓､黑水虻等,其中黑水虻具有生长周期更短､消化能力强､疾病传播风险低等优势,具有更好的利用价值｡

3、结语与展望

本文概述了餐厨垃圾处理技术进展,对比分析了各处理技术的优势和存在的问题(表1)｡相关处理技术的单独应用,不可避免会存在相应的技术短板和问题｡因此,根据不同处理技术的特点进行技术的系统耦合,克服各自技术的短板,有望实现处理技术的融合发展｡餐厨垃圾营养丰富易腐败,其原位处理和防腐技术的发展是餐厨垃圾后续资源化处理和高值化利用的关键｡在餐厨垃圾处理技术的实际应用中,需要根据不同地区､应用场景､处理规模和餐厨垃圾的特点,制定合适的系统处理技术方案｡

传统的餐厨垃圾处理技术由于占用土地资源､存在环境污染等问题应逐步被替代,资源化处理技术在当前餐厨垃圾处理中应逐渐占据主导地位｡随着高值化处理技术的逐步成熟和完善,高值化处理方式将是未来餐厨垃圾作为“城市矿藏”炼制和循环利用的发展方向｡

参考文献:

[6]季业.餐厨垃圾产酸模型构建及聚羟基烷酸酯合成研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2022.

[14]程晓格,王琬,邓冠勇,等.油脂和盐分对餐厨垃圾厌氧消化影响及缓解抑制研究进展[J].应用化工,2023,52(2):534-539.

[15]刘雨霞,徐加霸,张强斌,等.我国餐厨废油制取生物柴油的开发应用进展与展望[J].生态学杂志,2021,40(7):8.

[16]钟昌东,梁客,李爱蓉.微波辅助餐厨垃圾制备生物柴油[J].现代化工,2019,39(6):144-148.

[22]张文娟.调控混合菌群和营养结构强化餐厨垃圾产乳酸效能及机制研究[D].上海:东华大学,2021.

[28]史阳.复合电子供体介导的碳链延伸强化餐厨垃圾合成中链脂肪酸[D].无锡:江南大学,2023.

[32]蔡静,张紊玮,贠建民,等.餐厨垃圾微生物发酵生产蛋白饲料的工艺优化[J].中国酿造,2015,34(2).

[33]李鑫.黑水虻生长条件优化及处理餐厨垃圾的效能研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2022.

基金资助:山东省自然科学基金面上项目(ZR2020MD103);聊城大学畜牧学学科开放课题(319312101-19);大学生创新创业训练项目(CXCY2022055,CXCY2023335,CXCY2023339);

文章来源:贾楠,焦建会,王圣惠,等.餐厨垃圾资源化和高值化利用技术研究进展[J].黑龙江环境通报,2025,38(02):1-4.