廚余垃圾資源化利用的研究

高東臣 趙心怡

（常州市鐘樓區(qū)環(huán)境衛(wèi)生管理處 江蘇常州 213000）

引言

隨著我國城鄉(xiāng)居民生活水平大幅度提高，生活垃圾的產(chǎn)量也以每年8%-9%的速率急劇增加[1]。廚余垃圾作為生活垃圾的重要組成部分，所占的比例也在逐年攀升，目前，我國生活垃圾中廚余垃圾的占比大約為40%～60%[2]。部分發(fā)達國家廚余垃圾占城市生活垃圾的比例平均占比在20%左右[3]。由此可見，廚余垃圾的資源化利用在全球范圍內(nèi)都是亟待解決的一個問題。

1 緒論

1.1 研究背景

隨著我國城市人口數(shù)量的增長和經(jīng)濟的快速發(fā)展，城鄉(xiāng)居民生活消費水平大幅度提高，直接導致生活垃圾的產(chǎn)量以每年8%-9%的速率急劇增加[1]。根據(jù)住建部發(fā)布的垃圾統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我國每年的生活垃圾產(chǎn)生量在四億噸以上。

廚余垃圾作為城市生活垃圾的重要組成部分，所占的比例也在逐年攀升，目前，我國生活垃圾中廚余垃圾的占比大約為40%～60%，主要由家庭日常剩菜剩飯、瓜皮果殼等組成[2]。

表1 顯示了部分發(fā)達國家廚余垃圾占城市生活垃圾的比例[2][3]，平均占比在20%左右，由此可見，廚余垃圾的無害化、減量化、資源化處理在全球范圍內(nèi)是亟待解決的一個問題。

表1 部分國家廚余垃圾占城市生活垃圾的比例（%）[1～3]

1.2 廚余垃圾的常規(guī)處理模式

目前，我國廚余垃圾大部分采用焚燒發(fā)電和衛(wèi)生填埋兩種方式進行處理。對于焚燒發(fā)電這種處理模式來說，需要特別注意的是垃圾的熱值高低和焚燒產(chǎn)物的安全性問題。

眾所周知，垃圾的熱值高低會直接影響焚燒發(fā)電產(chǎn)生的經(jīng)濟效益。大部分發(fā)展中國家產(chǎn)生的垃圾含水量很高，但熱值偏低。在中國，隨著天然氣的普及，食物經(jīng)過深加工之后產(chǎn)生的可燃物比率正逐年上升，垃圾熱值也有了明顯增長。但是，與其他生活垃圾相比，廚余垃圾濕基熱值僅為2100 KJ/kg 左右，依舊遠低于大部分城市3344KJ/kg 的垃圾焚燒最低熱值限[4]。此外，如果廚余垃焚燒不充分或者含有過多雜質(zhì)，都會在焚燒過程中產(chǎn)生二噁英等有害氣體，對環(huán)境造成巨大影響[5]。

如果大規(guī)模采用衛(wèi)生填埋這種處理模式，則對填埋工藝和處理水準有很高的要求。近年來，由于廚余垃圾的逐年增加，全國各地垃圾填埋場的臭氣濃度已超標。這是由于我國飲食習慣多元化，廚余垃圾的組成成分復雜，在進行轉(zhuǎn)運、平鋪、壓實等填埋預處理過程中會產(chǎn)生污染，在填埋過程中也極易產(chǎn)生各種化學反應和微生物反應，從而產(chǎn)生大量易燃易爆炸的強刺激氣體和帶有惡臭和毒性的滲濾液，對大氣、土壤和水體造成二次污染。并且，許多惡臭物質(zhì)還會危害人們的健康甚至生命。

比如氨氣，它是一種無色帶有強烈刺激性氣味的氣體，低濃度氨氣會對人體上呼吸道產(chǎn)生刺激和腐蝕作用，高濃度的氨氣還會損傷人體肺泡毛細血管，形成肺水腫。據(jù)統(tǒng)計，我國大部分城市生活垃圾填埋場所NH3的超標率為10.8%，超標倍數(shù)0-11.5 不等[6]，已經(jīng)可以對人體產(chǎn)生巨大傷害。

1.3 國內(nèi)外處理概況

由此可見，廚余垃圾不能照搬其他生活垃圾的處理模式，而應該以資源化為導向。如果將廚余垃圾進行前端處理利用，把處理全過程限制在產(chǎn)出場所，一方面可以減少常規(guī)廚余垃圾處理模式中收集、運輸、中轉(zhuǎn)、壓縮、堆放帶來的環(huán)境污染，并最大程度降低處理成本，另一方面可以提高廚余垃圾資源化利用的經(jīng)濟價值。

早在上世紀40 年代，美國就成功研制出了初代家庭廚余垃圾處理機，產(chǎn)出物可用于家庭花卉、蔬果的綠化種植。如今在美國、日本、北歐等地使用家庭廚余垃圾處理設備已十分常見，一些城市甚至強制使用[7]。而目前，我國廚余垃圾前端處理技術(shù)還沒有得到大面積推廣應用，市場開發(fā)前景很大。

2 廚余垃圾前端處理技術(shù)類型

2.1 粉碎處理

廚余垃圾的粉碎處理技術(shù)含量相對較低，只需在廚房水池出水口與下水管道間安裝一臺小型粉碎機，將廚余垃圾粉碎處理后排入市政下水管網(wǎng)。該處理技術(shù)占地小、成本低、操作方便，但也有很大的局限性。一方面，我國廚余垃圾中油脂含量較高，粉碎過程無法消解油脂成分，容易造成下水管網(wǎng)堵塞，降低城市管網(wǎng)排水排污能力。

另一方面，我國廚余垃圾高有機物的特性會導致粉碎后廢水COD（化學需氧量）、BOD（生物需氧量）增加，直接增加了城市市政污水處理系統(tǒng)的壓力，容易造成水體污染。此外，該處理方式?jīng)]有任何具有經(jīng)濟價值的產(chǎn)出物，不符合資源化利用的初衷，是對資源的浪費。

2.2 厭氧發(fā)酵

廚余垃圾厭氧發(fā)酵處理是一項較為成熟的處理技術(shù)，它是通過厭氧微生物將廚余垃圾進行分解，產(chǎn)生沼氣、有機肥料和土壤改良劑[8]，產(chǎn)物均具有較高的經(jīng)濟價值，并且厭氧發(fā)酵全程在密閉發(fā)酵桶內(nèi)進行處理，對環(huán)境的影響很小。但這種技術(shù)也存在一定缺陷：一是產(chǎn)生的沼氣收集利用水平較低，大量沼氣的囤積存在安全隱患；二是成本相對較高，厭氧菌種培育過程復雜，且需要長期投入；三是產(chǎn)出物滅菌不徹底，影響其經(jīng)濟價值。

2.3 蚯蚓堆肥

蚯蚓堆肥是將傳統(tǒng)的堆肥法與蚯蚓處理相結(jié)合，通過蚯蚓分泌的蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶等[9]，將廚余有機物轉(zhuǎn)化為蚯蚓糞這種營養(yǎng)物質(zhì)。這種堆肥法產(chǎn)生的副產(chǎn)物蚯蚓也可以回收利用，用作動物飼料或生物醫(yī)藥原材料。但是蚯蚓在處理過程中容易受到環(huán)境的影響，廚余垃圾的含油量和含鹽率都會影響蚯蚓的正常生長，必須通過人工控制來穩(wěn)定產(chǎn)出物的質(zhì)量。

2.4 好氧發(fā)酵

好氧發(fā)酵技術(shù)是一種在高溫條件下（45℃～65℃）運行的生物好氧降解技術(shù)，高溫不僅可以促進快速發(fā)酵，還可以殺死病原菌和蟲卵[10]，因此，與厭氧發(fā)酵相比，高溫好氧發(fā)酵具有更快的降解速度和更高的滅菌效率。好氧發(fā)酵技術(shù)處理規(guī)?？煽匦詮姡蛇m應各種場地，處理過程中可連續(xù)加料，處理全過程無污水排放，無需納污水管及化糞池，24 小時內(nèi)廚余垃圾減量可達95%以上，處理效率高，能做到日產(chǎn)日清。該處理技術(shù)具有不排水、無異味、無噪音，高減量率、設備操作簡便等技術(shù)優(yōu)勢，產(chǎn)出物為濃縮有機質(zhì)，可用于綠色農(nóng)業(yè)，實現(xiàn)資源循環(huán)利用。但同樣，該處理技術(shù)依舊長期需要依靠菌種，成本較高。

表2 廚余垃圾處理技術(shù)綜合比較

通過表格對比不難發(fā)現(xiàn)，各種廚余垃圾處理技術(shù)都有優(yōu)缺點，但從減量化、資源化、無害化角度考慮，好氧發(fā)酵技術(shù)更適應當前國內(nèi)廚余垃圾的處理需求，具有較大的推廣價值。

3 廚余垃圾好氧發(fā)酵處理技術(shù)研究

3.1 好氧發(fā)酵的影響因素

3.1.1 溫度

微生物的種群結(jié)構(gòu)和代謝活力會隨溫度的變化而改變，因此，溫度是影響廚余垃圾好氧發(fā)酵效率的一個重要因素。在微生物反應過程中會釋放熱量，多數(shù)好氧發(fā)酵使用的微生物生命周期較長，可自行調(diào)節(jié)溫度，但由于需要不斷加入物料和菌種，導致溫度平衡破壞，因此，人工控溫很有必要。市場上現(xiàn)有的好氧發(fā)酵處理設備通常配備有溫度調(diào)節(jié)設備，可遠程控溫，正常情況下降溫度控制在45℃～65℃都可以保持設備的高效運轉(zhuǎn)，不影響產(chǎn)出物質(zhì)量。

3.1.2 含水率

廚余垃圾含水率較高（70%～90%）的情況下，會使發(fā)酵過程中造成厭氧環(huán)境，菌種無法分解完全，從而造成惡臭。因此，使用厭氧發(fā)酵處理設備前必須對廚余垃圾進行適當?shù)拿撍幚?，這只需要居民在投放廚余垃圾前將水分瀝出，基本就可以將含水率降低到60%左右。此外，也可以通過添加木屑等填充物來降低物料含水率。

3.1.3 供氧情況

厭氧發(fā)酵過程必須保證長期的通風供氧，通風不足會產(chǎn)生厭氧環(huán)境，造成惡臭，通風過多，則容易影響反應倉內(nèi)的溫度，減低處理效率。最常見的測量方式為測定排氣中氧氣的含量，從而確定反應倉內(nèi)氧氣的濃度，正常情況下，排氣中氧氣濃度應控制在14%～17%之間，如果超過范圍，應及時調(diào)節(jié)[11]。

3.1.4 酸堿度

我國廚余垃圾的酸堿度（pH 值）偏低，總體偏酸性，但一般微生物最適宜在中性或弱堿性環(huán)境下繁殖。為提高廚余垃圾的pH 值，一般可以加入石灰來進行適當調(diào)節(jié)。

3.1.5 菌種數(shù)量

正常情況下，廚余垃圾在自然環(huán)境下也可進行堆肥發(fā)酵，但反應速率偏低，只有加入適當比例的菌種才可以提高發(fā)酵速率。因此，在設備使用過程中需要實時監(jiān)測菌種數(shù)量，及時添加新的菌種，維持高速發(fā)酵。

3.2 廚余垃圾好氧發(fā)酵處理的技術(shù)問題

雖然廚余垃圾好氧發(fā)酵技術(shù)已經(jīng)較為成熟，但仍然存在一些關(guān)鍵的技術(shù)問題需要解決，主要包括以下幾點：

（1）國內(nèi)廚余垃圾的數(shù)量和組成成分地域差異明顯，對于各類物質(zhì)占廚余垃圾的比例數(shù)據(jù)嚴重不足，無法進行精準的實驗模擬和結(jié)果分析。

（2）廚余垃圾好氧發(fā)酵處理過程中的各項參數(shù)調(diào)控是相互關(guān)聯(lián)的，比如溫度、通風、攪拌等的調(diào)控參數(shù)，如何聯(lián)動調(diào)節(jié)仍舊缺乏研究的數(shù)據(jù)支持。

（3）居民廚余垃圾產(chǎn)量很乏，但廚余垃圾產(chǎn)出物的去向依舊比較單一，無非是用于盆栽和綠化養(yǎng)護，如何豐富產(chǎn)出物的后續(xù)產(chǎn)業(yè)，提高再生資源利用率值得研究。

結(jié)語

在垃圾分類的浪潮下，廚余垃圾作為城市生活垃圾中的一大組成部分已經(jīng)被單獨分類，日常生活中廚余垃圾的分類投放、收集、運輸、處理，每一個環(huán)節(jié)都需要得到重視。

廚余垃圾具有量大、高含水率、高油、高鹽、高有機質(zhì)的特點，不適合進行焚燒和填埋等常規(guī)生活垃圾處理模式，而應該以資源化為導向，充分利用廚余垃圾有機質(zhì)含量高，有毒有害成分少的優(yōu)點，通過適當?shù)奶幚矸绞?，實現(xiàn)資源回收再利用。通過四種廚余垃圾處理技術(shù)的對比，可以發(fā)現(xiàn)好氧微生物發(fā)酵技術(shù)更適合我國國情。它具有不排水、無異味、無噪音，操作簡單等優(yōu)勢，通過控制溫度、氧氣、含水率、酸堿度和菌種數(shù)量，可以使廚余垃圾減量率達到95%，處理效率很高。

目前，對于廚余垃圾的處理我國尚處于起步階段，不僅需要政府政策上的支撐，還需要居民行動上的支持。我們需要加強日常的科普宣傳，同時還要建立一套后續(xù)產(chǎn)業(yè)、服務業(yè)體系，增強廚余垃圾產(chǎn)出物的經(jīng)濟價值，并給予居民一定的經(jīng)濟補償，從而最大程度上提高居民參與垃圾分類的積極性。