system: [SYSTEM]

user: 3. 现有餐厨垃圾处理技术及适用性 餐厨垃圾处理技术可分为非生物技术和生物技术两大类，其中非生物技术主要包括填埋和焚烧，生物技术主要有好氧堆肥、厌氧发酵、生物柴油、饲料化等 [ 13 ] [ 14 ]；按餐厨垃圾处理过程控制考虑，本文主要介绍源头减量/粉碎处理技术和终端处理技术以及相关处理设备。 3.1. 混合填埋和焚烧发电 餐厨垃圾由于含水率高、热值低等特点，若能从生活垃圾分类中分离出来，一般不会单独直接采用填埋或焚烧的处理方法。混合填埋和焚烧处理的餐厨垃圾多指未能实现与其他家庭生活垃圾分类的餐厨垃圾，经市政环卫收集后统一运送至填埋场进行填埋处理或焚烧发电。这两种技术方法简便易操作，但由于餐厨垃圾占生活垃圾比例高达60% [ 3 ]，且餐厨垃圾中含水率达80% [ 12 ]，热值低(仅为2100 kj/kg) [ 5 ]，导致混合填埋会产生大量的垃圾渗滤液，成分复杂，处理难度高，环境风险大；混合焚烧则易导致设备运行不稳定、运行成本高及产生二噁英等空气污染问题 [ 3 ]。故针对餐厨垃圾的处理，欧盟已经出台法令禁止了生活垃圾直接填埋处置 [ 15 ]，德国、韩国以及美国超过20个州也禁止餐厨垃圾填埋 [ 10 ]。尽管2011年在英国建成了世界首个全封闭式餐厨垃圾发电厂，每天可处理12万吨垃圾，发电150万千瓦，可满足数万户家庭的用电需求 [ 16 ]，但餐厨垃圾焚烧发电技术也因各地餐厨垃圾组分差异较大且预处理成本较高而很难普及使用。 3.2. 好氧堆肥 好氧堆肥是指在有氧条件下，依靠好氧微生物，包括细菌、真菌、放线菌等，分泌胞外酶将底物中的有机固体分解为可溶性有机质，再渗入微生物细胞中参与新陈代谢，实现底物向腐殖质转化并最终达到腐熟稳定，成为有机肥料的过程 [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]。 好氧堆肥技术处理餐厨垃圾需要对原料进行一定的预处理，如向餐厨垃圾里添加锯末秸秆等调节含水率 [ 20 ] 、加入草木灰或糖类废弃物等调节pH值和碳氮比等 [ 21 ]。堆肥工艺过程中需要注意调节的因素一般为通风量和搅拌强度。根据堆肥形式的不同，过程控制条件及堆肥时间也会有所不同。 大中型堆肥方式如堆垛式、槽式、静态容器式一般腐熟时间需要5~10天甚至20天以上，周期相对较长，适合集中处理城市统一收集的量大的大型餐饮企业、各单位食堂餐厨垃圾等； 小型堆肥方式如动态容器式、社区分布式堆肥设备一般周期较短，低于5天或是可实现社区餐厨垃圾的日产日清，大大的节约餐厨垃圾收集、运输过程成本，实现餐厨垃圾的源头就地处理减量化和资源化。该种小型堆肥技术适用于社区餐厨垃圾的就地处理。 餐厨垃圾的分类收集是实施城镇居民餐厨垃圾就地堆肥处理实现减量化和资源化的前提。以我国最早强制实施生活垃圾分类的上海市为例，部分小区里的湿垃圾处理“神器”即小型分布式好氧堆肥设备，只需要每个月投放一次微生物基料，每天可将200 公斤湿垃圾降解成10公斤有机肥，减量率可达95%，产生的有机肥还可供小区内居民自取用于种花种草或用于小区园林绿化，实现餐厨垃圾的源头减量化处理和资源化利用 [ 22 ]。 3.3. 厌氧发酵 厌氧发酵是在无氧或缺氧环境下，利用厌氧菌群的作用，将复杂大分子有机物降解转化为稳定小分子物质的过程。一般分为水解阶段、酸化阶段和产甲烷阶段三个阶段 [ 23 ]。根据产物目标的不同，餐厨垃圾厌氧发酵技术的研究和应用主要分为三大类：挥发性有机酸(VFAs)、氢气和甲烷。 我国污水处理面临脱氮除磷效率低的问题，主要原因之一是污水中有机物含量不足，导致污水处理缺氧阶段碳源不足，需要补充碳源以提高C/N，从而提高氮磷处理效率。但补充甲酸乙酸等常规碳源无疑大大增加了污水处理成本。有多项研究表明利用餐厨垃圾厌氧发酵获得的VFAs，可作为碳源补充于污水处理厂缺氧阶段 [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]，且已有研究成果实现规模化应用于处理量为5.5万吨/天的污水处理厂，相比直接添加常规碳源，可节约成本50% [ 24 ]。 以上所述餐厨垃圾厌氧发酵产生VFAs的工艺，需要调控发酵过程，如加速水解阶段和抑制产甲烷阶段，以最大限度的生产VFAs。同理，厌氧发酵产氢和产甲烷技术研究也需要调控微生物菌群、底物预处理方式、发酵工艺运行参数等 [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]。国内外关于产氢和产甲烷技术工艺的研究一直都在进行，相关领域研究人员尝试将餐厨垃圾与生活污泥、秸秆等废弃物共发酵，并不断的追求工艺参数的优化，以实现更高的能源转化率 [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]。但普遍存在的问题是：1) 厌氧发酵产气量低、产能不足，导致投入产出比不高；2) 过程监控和反馈控制薄弱，导致设备故障频发，停机时间长，对发酵设备维护人员技术要求高 [ 33 ]。 在国内餐厨垃圾资源化利用相关的专利申请中，微生物发酵制备有机肥料、产氢气和甲烷的专利申请占总申请量的80%以上，在国外申请中，微生物发酵制备有机肥料、产氢气和甲烷的专利申请占总申请量高达70% [ 34 ]。 对比好氧发酵和厌氧发酵两项技术的研发和应用现状可知，目前餐厨垃圾厌氧发酵技术因其条件控制严格、运行维护技术要求高等特点，仅适合大型专业机构或组织操作处理，很难像好氧堆肥技术一样可以快速发展适合推广的小型原位就地处理设备。 3.4. 源头减量/粉碎处理技术 以实施生活垃圾强制分类的上海市为例，目前上海市湿垃圾单日最高生产量已超过9000吨，但现有湿垃圾日处理能力仅为5000吨左右，且根据现有规划，到“十三五”末，上海湿垃圾的处置能力也只有7000吨/日左右 [ 35 ]。因此，如何实现餐厨垃圾源头减量是亟需解决的重要问题。 针对餐厨垃圾源头减量化处理，目前的主要技术及设备类型包括以下两大类： 1) 餐厨垃圾沥水脱水处理 上文中提到餐厨垃圾含水率高达80%，如果能在餐厨垃圾产生的源头进行脱水处理，可实现餐厨垃圾减量化，进而缓解餐厨垃圾运输及后续处理等各环节的压力。在日本，广泛推行一种简单实用的餐厨垃圾沥水器，用于餐厨垃圾源头减量。针对该类型沥水器，我国有相关试点研究结果表明，居民使用该类型沥水器后(见图1)，可实现餐厨垃圾减量率15%左右 [ 3 ]。该种简易沥水器因其小巧方便、成本低等特点，适于推广在家庭居民生活中使用。 图1. 简易餐厨垃圾沥水器(图片来源于网络) 简易沥水器主要实现餐厨垃圾中自由水分的去除，脱水减量效果很难有大幅度提高。粉碎后脱水处理设备是将餐厨垃圾粉碎后脱水，出水直排污水管道中，残渣收集后集中处理的设备(见图2)。将餐厨垃圾粉碎后挤压脱水无疑可以更好地实现减量化，有些设备甚至可实现脱水后的餐厨垃圾碎渣中含水率仅为10%左右 [ 36 ]。但该类设备因其体积相对较大、使用需消耗电量及冲洗用水量增加等特点，一般更适合饭店、菜场以及社区等餐厨垃圾生产量较大的机构使用，很难在居民日常生活中普及使用。 图2. 餐厨垃圾粉碎脱水处理一体机(图片来源于网络) 2) 餐厨垃圾粉碎直排处理 餐厨垃圾中有机质含量极高，前文中已有介绍将餐厨垃圾定向发酵生产污水处理厂碳源的研究，因此，如将餐厨垃圾粉碎直排，不仅实现了餐厨垃圾的原位处理，也可增加生活污水的可生化能力，提高污水处理厂的脱氮除磷效率。目前在国外推广使用的餐厨垃圾处理机(food waste disposers，FWDs)是在家庭厨房洗菜盆排水口安装的小型餐厨垃圾粉碎后直排的处理设备(见图3)，将家庭产生的餐厨垃圾粉碎后排入下水道，实现餐厨垃圾即产即清，保持厨房干净卫生，同时可显著降低生活垃圾清运压力。FWDs在美国95%左右的州和城市推广使用，欧洲和日韩等国也针对FWDs的使用效果进行了研究 [ 3 ] [ 37 ] [ 38 ]，结果表明，使用FWDs产生的电费和水费与家庭因此节约的生活垃圾处理费用相比可忽略不计，但由于各地饮食习惯的不同，导致餐厨垃圾组分差异较大，如动物油脂含量较高，可能会因其在管道中凝结堆积导致管道堵塞；另外，由于需对粉碎后的餐厨垃圾进行冲洗将导致居民用水量增加，使得该技术不适合在缺水城市推广使用，同时会增加污水处理厂的负担。 图3. 厨余垃圾处理机(图片来源于网络)