餐廚垃圾資源回收產(chǎn)物和技術(shù)的研究進展

劉云昊，陸祖暉，董曉克，康曉榮

（南京工程學(xué)院環(huán)境工程學(xué)院，江蘇 南京 210009）

城市有機垃圾處理是污廢處理的熱點，其中餐廚垃圾是主要組分。與其他垃圾相比，餐廚垃圾的水分、有機物、油脂及鹽分的含量高，易腐敗，會產(chǎn)生惡臭，不僅會污染周圍的水體和空氣，還會滋生各種有害細(xì)菌，造成環(huán)境污染[1]。本文針對餐廚垃圾的處理技術(shù)和有價值組分的回收進行分析，著重從生物燃料、生物材料和生物吸附劑的生產(chǎn)方向，闡述餐廚垃圾處理和回收技術(shù)的研究進展。

1 生物燃料

化石資源的枯竭導(dǎo)致能源成本快速上漲，利用餐廚垃圾生產(chǎn)生物燃料，已成為一種重要的增值策略[2]。生物燃料包括氣態(tài)生物燃料（生物甲烷和氫氣）和液態(tài)生物燃料（生物乙醇和生物柴油）。目前利用餐廚垃圾生產(chǎn)生物燃料的主要技術(shù)有厭氧消化、好氧消化和微生物發(fā)酵法[3-4]。

1.1 生物甲烷

有機物能夠在無氧條件下，在兼性厭氧菌和厭氧甲烷菌的共同作用下，降解生成甲烷、二氧化碳等氣體。餐廚垃圾中含有大量易降解的有機物，是良好的厭氧生成生物氣的底物。除了生物氣外，餐廚垃圾還富含營養(yǎng)物質(zhì)的消化物，可用作土壤肥料。

餐廚垃圾的厭氧消化工藝中，影響因素主要取決于外部環(huán)境參數(shù)，如溫度、pH、C/N 比、氧化還原電位等。例如，25～35℃的溫度下常溫消化，需要5.2～6.3的pH 值和10～45 的C/N 比，才能使細(xì)菌在水解或產(chǎn)酸階段達到最佳性能[5]。除了這些常見的參數(shù)外，金屬元素Fe 常被用來調(diào)節(jié)餐廚垃圾發(fā)酵系統(tǒng)中微生物的酶活性[6]。袁宏林等[7]在研究餐廚垃圾與剩余污泥混合發(fā)酵的影響因素時發(fā)現(xiàn)，在相應(yīng)負(fù)荷下，污泥停留時間縮短到9.1d，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定產(chǎn)氣。

1.2 生物制氫

化石燃料的存儲量逐漸減少，且燃燒產(chǎn)物CO2造成了溫室效應(yīng)、氣候遷移、臭氧層空洞等問題。與CO2、CH4等相比，氫氣燃燒不產(chǎn)生溫室氣體，因此利用有機廢物生物制氫的技術(shù)得到了發(fā)展。為了提高生物制氫產(chǎn)量，底物調(diào)節(jié)、微生物調(diào)節(jié)/馴化、發(fā)酵方式等調(diào)節(jié)方式被用到制氫工藝中?，F(xiàn)階段發(fā)現(xiàn)的生物制氫微生物主要為梭菌屬、埃希氏腸桿菌屬、腸桿菌屬和桿菌屬。與單步制氫相比，混合發(fā)酵具有產(chǎn)量高、效率高、能更好地降低廢液基質(zhì)COD 等優(yōu)點。劉坤等[8]利用暗-光聯(lián)合發(fā)酵的方式提高微生物對有機物的利用，從而獲得了更高的產(chǎn)氫效率。張全國等[9]研究了光合細(xì)菌與產(chǎn)氣腸桿菌混合菌群在暗-光發(fā)酵產(chǎn)氫工藝中，產(chǎn)氫影響因素的次序。高?；艿萚10]在研究餐廚垃圾干式發(fā)酵時發(fā)現(xiàn)，氯仿的添加能夠抑制微生物耗氫，提高氫氣的積累。

1.3 生物酒精

乙醇具有較高的工業(yè)價值，是生產(chǎn)聚乙烯和其他塑料的原料。餐廚垃圾中的淀粉、脂肪、纖維素、蛋白質(zhì)等物質(zhì)，已成為生產(chǎn)乙醇的潛在來源。這些廢物中含有的有機物可轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵糖，然后作為生物乙醇發(fā)酵的碳水化合物。比如香蕉皮經(jīng)過同步糖化和發(fā)酵過程后可用于乙醇生產(chǎn)[11]，葡萄和甜菜等各種食品廢棄物均可作為乙醇生產(chǎn)的底物[12]。

餐廚垃圾生產(chǎn)乙醇可分為預(yù)處理、水解、發(fā)酵、純化等4 個部分[13]。其中水解過程是影響木質(zhì)纖維素食品和餐廚垃圾降解效率的關(guān)鍵因素。餐廚垃圾中復(fù)雜的木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)難以消化，進而影響生物乙醇的產(chǎn)量。因此，采用酸、堿、溫度和酶等各種預(yù)處理方法[14]，可提高纖維素組分的消化率并改善碳水化合物的糖化效果。

2 生物材料

2.1 生物聚合物

餐廚垃圾中含有大量的碳水化合物、油脂、纖維素等，可通過混合發(fā)酵和酶法工藝等進一步加工，以生產(chǎn)生物聚合物[15]。聚羥基脂肪酸酯（polyhydroxyalkanoate，PHA）是一類可生物降解的聚合物，可由多種微生物內(nèi)源產(chǎn)生[16]。研究發(fā)現(xiàn)，在餐廚垃圾酸性產(chǎn)氫發(fā)酵的過程中，加入好氧微生物作為生物催化劑時，缺氧的環(huán)境能夠產(chǎn)生更多的PHA[17]。同時餐廚垃圾中含有的高含糖食品廢棄物如番茄，能夠在乳酸桿菌、鏈球菌等多種細(xì)菌或毛霉、根霉等真菌作用下產(chǎn)生可利用的乳酸[18]。

2.2 酶回收

酶促反應(yīng)因具有高效性和環(huán)境友好性，在工業(yè)生產(chǎn)中有著重要應(yīng)用。高碳水化合物和營養(yǎng)素可被微生物降解和產(chǎn)生酶。比如Bacillus sp.被發(fā)現(xiàn)能夠降解有機物，生成α-淀粉酶[19]。王維超等[20]采用黑曲霉固態(tài)發(fā)酵技術(shù)處理蘋果渣，生產(chǎn)木聚糖酶與β-甘露聚糖酶。

2.3 有機酸

線性短鏈脂肪族化合物，具有2 個（乙酸）到6個（己酸）碳原子。由于有機酸的官能團，揮發(fā)性有機酸對化學(xué)工業(yè)極為有用，其中羧酸是傳統(tǒng)有機化學(xué)中還原性化學(xué)品和衍生物（酯、酮、醛、醇和烷烴）的前體物[21]。Li 等[22]利用餐廚垃圾和剩余污泥共發(fā)酵，產(chǎn)生生物甲烷和揮發(fā)性有機酸，產(chǎn)量達到281.84 mg·g-1。苑宏英等[23]在研究pH 對餐廚垃圾產(chǎn)酸的影響時發(fā)現(xiàn)，pH=10 有利于揮發(fā)酸的積累。

3 生物吸附劑

吸附技術(shù)被廣泛用于各種廢水的處理工藝，但以煤、竹、木、果殼等為原料的商業(yè)活性炭成本較高，限制了廢水處理技術(shù)的廣泛應(yīng)用。此外，廢棄的吸附劑也會導(dǎo)致廢物的產(chǎn)生，并給廢物的處理帶來更大的問題。

餐廚垃圾中含有大量的木質(zhì)素和纖維素，可被用作活性炭原料的可持續(xù)替代品，用于合成高質(zhì)量活性炭及作為廢水處理吸附劑[24]。而且餐廚垃圾中含有不同種類的官能團，如醇、醛、酮、羧基、酚和醚，可以通過離子交換、表面配位、氧化還原、絡(luò)合作用和靜電吸附等反應(yīng)，與水溶液中的重金屬發(fā)生作用，從而達到吸附處理重金屬污染物的目的[25]。各種餐廚垃圾如花生殼、榛子殼、核桃殼、玉米棒、蘋果、香蕉、橙皮、大豆殼等，已被證明適合用作水處理吸附劑的基質(zhì)。熱解法和水熱碳化法是餐廚垃圾制備生物炭的主要方法，其中張新旺等[26]采用高溫?zé)峤夥ê凸渤恋矸ㄖ苽洳蛷N垃圾生物炭，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物對亞甲基藍有很好的吸附性能。

4 總結(jié)和展望

餐廚垃圾因其產(chǎn)生的地點、工藝和使用等的不同，導(dǎo)致性質(zhì)千差萬別，但主要成分均是蛋白質(zhì)、糖類、脂類等有機物，具有較高的可生化降解的特點。針對餐廚垃圾中的可利用組成，本文綜述了采用經(jīng)濟和環(huán)境友好的方式回收價值組分的方法。對餐廚垃圾中的價值成分和利用技術(shù)進行分析，從生物燃料、生物材料、吸附劑這3 類產(chǎn)物，闡述了餐廚垃圾可回收的資源，并結(jié)合相應(yīng)的回收技術(shù)，分析了影響回收工藝的因素。在現(xiàn)階段的餐廚垃圾回收資源的技術(shù)中，可揮發(fā)性生物氣體的回收應(yīng)用占有較大的比例，主要是因為底物和產(chǎn)物分離相對簡單。相比于有機酸、酶類等回收產(chǎn)物對餐廚垃圾種類的要求嚴(yán)格，氣體形態(tài)產(chǎn)物回收的底物和分離工藝的開發(fā)較為完善。雖然液相發(fā)酵具有較高的微生物接觸和生物活性，但是反應(yīng)器體積大，管理難。針對以上的問題，未來的餐廚垃圾回收研究應(yīng)包括新型產(chǎn)物、新工藝、新型微生物的研究，甚至涉及分離提純技術(shù)。