摘 要： 本文介绍了国内餐厨垃圾的组成及特点, 详细评述了近年来国内外生物处理技术的研究工作。新型餐厨垃圾生物处理包括好氧堆肥、厌氧消化和蚯蚓堆肥等技术, 并对这些方法的优缺点进行了分析和比较。针对我国垃圾资源化、无害化、减量化的要求, 提出了现有处理技术的难点和未来发展方向。
关键词： 餐厨垃圾; 好氧堆肥; 厌氧消化; 蚯蚓堆肥; 生物处理技术;
Abstract： The present compositions and features of food waste were described. Moreover, the researches of recent domestic biological treatment technology were reviewed, including aerobic composting, anaerobic digestion, earthworm composting and other technology. The advantages and disadvantages of these methods are compared and analyzed. Giving the requirements of food waste recycling, reduction and harmless, the existing problems and further development direction were presented.
Keyword： food waste; aerobic composting; anaerobic digestion; earthworm composting; biological treatment technology;
近年来, 我国餐饮行业高速发展, 极大促进了市场消费和经济发展, 但随之而来的餐厨垃圾问题也日益严重。仅2017年, 全国餐厨垃圾产生量约在9900万吨。餐厨垃圾组成一般包含粮食残渣、蔬菜、动植物油、肉骨等, 具有含水率高、有机物含量丰富、易腐烂的特点[1,2]。如不妥善处置, 不仅污染环境, 而且造成资源浪费。
传统的焚烧、填埋[3,4]等方式虽可实现餐厨垃圾的有效处置, 但需配备相应的焚烧设施和填埋场地, 且易产生二次污染物。相比之下, 采用生物处理技术, 投资成本低, 二次污染小, 易于实现和推广, 可实现餐厨垃圾减量化、资源化和无害化 (下文简称“三化”) [5]。下文简述了几种餐厨垃圾的生物处理技术, 并对其研究现状做了总结分析。
1、好氧堆肥
好氧堆肥是利用好氧微生物在有氧条件下将部分吸收的有机物氧化成简单的无机物质, 同时释放环境微生物生长活动所需的能量, 整个堆肥过程通过微生物的新陈代谢实现[6]。好氧堆肥技术处理能力强, 产品易于运输, 适合现代农业的可持续发展。
图1 好氧堆肥法工艺流程
姚远等[7]利用复合微生物菌种将餐厨垃圾发酵分解成有机肥料, 进行无害化处理。整个过程包括预处理、固体发酵、液体肥料生产、废水处理和除臭, 以及有机肥料分选系统。经预处理的厨余垃圾和PLG百里金发酵剂进入发酵槽进行第一次发酵。随后添加复合菌种用于二次发酵, 二次发酵过程可以减少有机物体内水分。最后经腐熟, 进入固体有机肥制粒。周营等[8]针对餐厨垃圾中的脂肪、蛋白质等组分设计了微生物接种复配方案, 研究了不同复配比对厨余垃圾堆肥效果的影响。结果表明, 米曲霉、地衣芽孢杆菌、解脂假丝酵母、褐球固氮菌、绿色木霉的配比为1.5︰1︰1.2︰1︰2时对餐厨垃圾堆肥效果最好, 且优于接种单一固氮菌。接种量6%时, 可降解餐厨垃圾中76.2%的脂肪, 氮损失率低至11.8%。Wang等[9]为确定分批好氧堆肥的合适进料比, 每天向发酵罐添加5%、10%和15%的餐厨垃圾。添加量为5%的发酵罐在油脂降解、降低C/N和腐熟度方面表现更好, 添加量10%表现出更高的堆肥温度和更大的氧化量, 而添加量15%则会降低堆肥温度, 可能是由于过量的水分影响微生物活动。而在好氧堆肥过程中, 会产生大量难闻气味。Wu等[10]在实验室条件下对餐厨垃圾有氧分解过程中挥发性有机硫化物 (VOSCs) 的排放进行了研究。发现释放的VOSCs占餐厨垃圾中硫含量的5.3%, 意味着在好氧分解过程中, 餐厨垃圾中相当多的硫将作为VOSCs释放到大气中, 且超过95%VOSC的排放发生在分解前期。
该技术利用好氧微生物将垃圾中有机物转化为稳定的腐殖质, 过程操作简单, 便于推广。然而, 餐厨垃圾的高含水量不利于好氧发酵, 高含油量不利于好氧微生物的生长[[11]。且这项技术需占用大量场地, 会产生大量难闻气味, 还要对其进行深入的技术研究和改进。
2 厌氧消化
厌氧消化是在缺氧条件下通过兼性厌氧微生物的代谢将厨余垃圾分解成小分子无机物质。为了达到餐厨垃圾资源化利用的目的, 通过控制消化条件获得不同的产物[12]。目前, 国内厌氧消化技术主要用于生产H2、CH4和CO2等。因此该技术具有更广阔的前景。
图2 厌氧消化法工艺流程
厌氧消化过程中会产生甲烷、氢气等清洁能源, 但会受到较低的生成速率影响。Ko等[13]添加AC (活性炭) 、AC-Ni、Ni作为厌氧消化过程中的补充剂, 探究其对厌氧消化中启动期的延滞期长短和甲烷生成速率的影响。发现添加AC-Ni可以使启动阶段的延滞期缩短67%, CH4的最大生成速率提高50%。Zhao等[14]探究了餐厨垃圾中Na Cl含量对厌氧消化过程中甲烷产率的影响。实验发现, 低浓度的NaCl增加了厌氧消化中水解和酸化过程, 但抑制了甲烷的生成, 而过高浓度的NaCl则会严重抑制酸化和生成甲烷的过程。并提出餐厨垃圾与活性污泥共同消化可以明显减轻NaCl对甲烷生成的抑制作用。由于餐厨垃圾易酸化, 使工艺过程pH低于4.0, 并抑制了产酸菌的活性, 从而影响CH4产量。黄红辉等[15]利用生物质飞灰代替高成本的NaOH缓解有机负荷过高带来的严重酸化。研究发现添加3%生物质飞灰显着提升了甲烷的气产量, 比空白实验提升了25.15%。在高进料负荷时, 生物质飞灰的添加起到稳定工艺系统的作用。餐厨垃圾中相对较高的脂肪含量对厌氧消化也有一定的限制作用。马宗虎等[16]探究了油脂浓度对厌氧消化的影响。随着油脂浓度的增加, 厌氧消化过程CH4的产量先增加后减少, 在油脂浓度为25%TS时, 甲烷产量达到最大值。在不同的油脂浓度下均未出现有机酸积累以及p H下降现象, 但过高的油脂浓度会造成厌氧消化的延滞期增加。
厌氧消化技术自动化程度高, 所需人力较少, 密封条件利于控制恶臭气体散发, 所得产品经济价值较高。但工艺复杂, 总投资较大, 反应器内生物启动时间较长, 微生物对环境条件较为敏感。因此对厌氧消化技术反应条件进行合理优化, 对高油、高盐的餐厨垃圾进行预处理是今后该技术的重点研究方向[17]。同时, 还需要进一步研究以了解补充微生物和现有微生物的相互作用。
3 蚯蚓堆肥
蚯蚓堆肥, 作为一种新型的可持续技术。使用其体内丰富的酶 (如淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶等) 与环境微生物共同作用, 将垃圾中的有机物转化为蚯蚓粪生物肥和蚯蚓动物蛋白等, 蚯蚓本身也可以提取氨基酸等生物制剂或作药用[18,19,20]。宋雪英等[21]对餐厨垃圾进行蚯蚓堆肥实验。分析了垃圾量、温度、蚯蚓密度对蚯蚓生长的影响。实验发现当厨余垃圾与土壤质量比为1︰4, 培养温度为25℃, 每500 g垃圾接种15条蚯蚓时, 达到最佳的堆肥条件。实验重点关注垃圾与土壤质量的比例, 质量比例过小, 可以在短期内促进蚯蚓生长, 但随食物减少, 蚯蚓体重会严重降低。当质量比过大时, 蚯蚓则会因垃圾腐败而无法生存。尽管蚯蚓堆肥有跟高的经济效益, 但蚯蚓的存活环境需要严格控制, 且堆肥能力有限, 有待进一步研究。
4 展望
餐厨垃圾从本质上讲是一种可利用的资源, 应采取恰当的处理方式实现餐厨垃圾的“三化”处置。日益严格的环保规范下, 传统的焚烧、填埋等技术普适性差, 不易于推广, 生物技术对环境压力小, 二次产品经济价值高, 是餐厨垃圾综合利用的关键。现有的单一生物处理技术难以高产率、高产值处理餐厨垃圾, 完善餐厨垃圾组分的分离及处理技术的综合运用是未来的发展方向。
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