易腐垃圾的特點(diǎn)及資源化利用技術(shù)

李鵬昊， 姜銘北， 姚燕來， 王衛(wèi)平， 朱鳳香， 朱為靜， 洪磊東， 洪春來*

(1.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 環(huán)境資源與土壤肥料研究所， 浙江 杭州 310021；2.淳安縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心， 浙江 淳安 311700；3.浙江工業(yè)大學(xué)， 浙江 杭州 310014)

隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)和居民收入的提高，居民生活垃圾產(chǎn)生量也在逐年增大。2019年，我國196個(gè)大、中城市生活垃圾產(chǎn)生量為23 560.2萬t，較2018年增加15%[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界易腐垃圾占生活垃圾的比例約為43%[2]。2015年出臺(tái)的《杭州市生活垃圾管理?xiàng)l例》指出，易腐垃圾指餐飲經(jīng)營者、單位食堂等生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的餐廚廢棄物，居民家庭生活中產(chǎn)生的廚余垃圾和集貿(mào)市場產(chǎn)生的有機(jī)垃圾等。易腐垃圾極易變質(zhì)、腐爛、發(fā)酵，在收集、運(yùn)輸和處理過程中會(huì)產(chǎn)生惡臭氣體和大量滲濾液，滋生蚊蟲的同時(shí)也會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染[3-4]。易腐垃圾來源復(fù)雜，常含有各種細(xì)菌和病原菌，易成為傳染疾病的媒介[5-6]。過去常把易腐垃圾與其他垃圾一起進(jìn)行填埋、焚燒。易腐垃圾含水量高，在填埋過程中產(chǎn)生的滲濾液易通過地表徑流及滲透作用對(duì)地表水及地下水造成污染[7-8]。易腐垃圾熱值較低[9-10]，焚燒處理需加輔料助燃，燃燒不充分時(shí)會(huì)產(chǎn)生氣態(tài)污染物，如二噁英、氯化氫等[11]。填埋、焚燒處理不僅影響環(huán)境，而且造成資源浪費(fèi)。隨著國家對(duì)環(huán)境問題的重視，我國已經(jīng)出臺(tái)一系列關(guān)于垃圾分類及垃圾處理的相關(guān)政策法規(guī)。將分類后得到的易腐垃圾進(jìn)行資源化應(yīng)用是當(dāng)下急需解決的問題。為此，通過查閱文獻(xiàn)對(duì)易腐垃圾資源化技術(shù)的研究進(jìn)展總結(jié)如下。

1 易腐垃圾的特點(diǎn)

易腐垃圾的物質(zhì)組成比較復(fù)雜，地區(qū)飲食習(xí)慣、人口數(shù)量及經(jīng)濟(jì)水平的不同，所產(chǎn)生易腐垃圾也會(huì)有較大的差異[12-13]?？傮w上易腐垃圾含有豐富的有機(jī)物，有機(jī)物含量(干重計(jì))一般為88.6%～96.6%[14]，還含有較多的營養(yǎng)元素[15]，這為資源化利用提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。目前，生活垃圾分類的執(zhí)行效果較差，易腐垃圾常混有一次性餐筷、骨頭、塑料包裝、貝殼、易拉罐等不易腐雜質(zhì)，在資源化利用之前需再次進(jìn)行雜質(zhì)的分選。易腐垃圾含有大量的水分，我國易腐垃圾含水量可接近80%[16]。易腐垃圾還具有高油、高鹽的特征，油脂含量可達(dá)11.5%[17]，含鹽量可達(dá)2%～5%[18]。易腐垃圾資源化主要是微生物參與的分解和合成過程，不易腐雜質(zhì)等因素均會(huì)影響微生物的活性，實(shí)際工作中往往需要通過分選來提高其資源化效率。

2 易腐垃圾的資源化利用技術(shù)

2.1 好氧堆肥

好氧堆肥指好氧微生物通過自身生命活動(dòng)進(jìn)行氧化分解和生物合成的過程。堆肥過程可將一些不穩(wěn)定的物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)檩^穩(wěn)定的物質(zhì)，減少垃圾中的揮發(fā)性有機(jī)物，減輕臭味，也使廢棄物的物理性狀得到改善[19]。堆肥關(guān)鍵在于微生物的正常繁衍、旺盛生長和優(yōu)勢菌種的合理更替，需要對(duì)易腐垃圾的pH、含水量、溫度、氧氣供給量和碳氮比進(jìn)行調(diào)整。好氧堆肥具有工藝簡單(圖1)，產(chǎn)品可用作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)[20-21]。

圖1 易腐垃圾好氧堆肥的工藝流程

易腐垃圾常含有大量雜質(zhì)，需預(yù)先對(duì)原料進(jìn)行分選。研究[22]發(fā)現(xiàn)，源頭分類得到的垃圾比機(jī)械分離得到的垃圾更適合用來堆肥，前者不僅降低了重金屬的含量，而且一些營養(yǎng)元素含量也沒有太大變化。好氧堆肥過程中產(chǎn)生的氨氣、硫化氫等臭氣，危及周圍環(huán)境與人類健康。氨氣的產(chǎn)生還會(huì)造成肥料中氮元素的流失，從而降低產(chǎn)品的應(yīng)用效果。通過控制堆肥過程中的通風(fēng)條件，可以控制易腐垃圾好氧堆肥過程中揮發(fā)性硫化物和氨氣的產(chǎn)生[23]。通過添加除臭劑也可以有效控制臭氣，木屑、木本泥炭、浮石和多數(shù)復(fù)合微生物除臭劑對(duì)氨氣、硫化氫、總臭氣濃度的去除率達(dá)90%[24]。劉卓[25]的研究發(fā)現(xiàn)，利用生物過濾器可高效地去除堆肥過程中產(chǎn)生的氨氣，氨氣去除率達(dá)95%。

2.2 昆蟲養(yǎng)殖

易腐垃圾昆蟲養(yǎng)殖是近年新出現(xiàn)的資源化方式，這個(gè)方式通過昆蟲將易腐垃圾轉(zhuǎn)化為可利用的營養(yǎng)物質(zhì)(圖2)。易腐垃圾經(jīng)過轉(zhuǎn)化后的蟲糞可用作肥料，同時(shí)昆蟲還可以用作飼料。目前,昆蟲養(yǎng)殖處理易腐垃圾的研究主要有黑水虻、蚯蚓、蠅蛆和黃粉蟲等。其中，有關(guān)黑水虻養(yǎng)殖轉(zhuǎn)化易腐垃圾的研究較多[26]。黑水虻幼蟲具有較高的蛋白轉(zhuǎn)化能力，1 g黑水虻卵的幼蟲18 d可轉(zhuǎn)化形成2.4 g蛋白[27]。黑水虻成蟲富含鈣質(zhì)和昆蟲油脂，適用于水產(chǎn)類的養(yǎng)殖。黑水虻含有抗菌肽[28-29]，可以一定程度替代抗生素，提高家畜的免疫力。通過黑水虻養(yǎng)殖得到的蟲糞有機(jī)肥與微生物相結(jié)合可以活化土壤，有效改良土壤組分。其有機(jī)質(zhì)含量也要優(yōu)于農(nóng)家肥，并且還含有一些特殊的抗菌多肽、生物酵素和功能有機(jī)分子等。黑水虻富含脂肪，還可用于生產(chǎn)生物柴油[30]。高含鹽量易腐垃圾昆蟲養(yǎng)殖，得到的蟲糞產(chǎn)品含鹽量也較高，后續(xù)需要脫鹽處理。昆蟲養(yǎng)殖對(duì)環(huán)境要求高，需為昆蟲提供較優(yōu)的環(huán)境條件，如溫度、濕度和光照等[31]，在我國中北部地區(qū)推廣時(shí)會(huì)遇到一定的限制。

圖2 易腐垃圾昆蟲養(yǎng)殖的技術(shù)路線

2.3 陽光房堆肥

易腐垃圾陽光房堆肥技術(shù)是近年新興的一種堆肥技術(shù)。該技術(shù)通過引入太陽能作為輔助能量來進(jìn)行好氧堆肥，實(shí)現(xiàn)了就地資源化和無害化(圖3)。陽光房堆肥技術(shù)具有投資、運(yùn)行和維護(hù)成本低，易于管理的優(yōu)點(diǎn)，在部分農(nóng)村地區(qū)深受歡迎。陽光房堆肥技術(shù)存在的問題是保溫效果不穩(wěn)定，不同季節(jié)差異大，在冬季低溫下無法正常運(yùn)行[32]；部分陽光房設(shè)計(jì)缺乏科學(xué)性，缺乏必要的破碎、曝氣、廢水處理設(shè)施，導(dǎo)致產(chǎn)品腐熟度低，并造成了環(huán)境的污染，亟須改造和提升。

圖3 易腐垃圾陽光房堆肥的工藝流程

2.4 一體化發(fā)酵

一體化發(fā)酵技術(shù)國內(nèi)起步較晚[33]，是將易腐垃圾置于一個(gè)集進(jìn)出料、曝氣、攪拌和除臭功能于一體的反應(yīng)器中進(jìn)行好氧發(fā)酵的一種堆肥方式[34]。一體化發(fā)酵反應(yīng)器整個(gè)堆肥過程由程序自動(dòng)化控制，在封閉環(huán)境下進(jìn)行，易于控制廢氣，受天氣影響小[35]。一體化發(fā)酵設(shè)備發(fā)展起步晚，目前技術(shù)還不夠成熟[36]，資源化效率尚有進(jìn)一步提升的空間(圖4)。劉澤龍等[37]針對(duì)立式反應(yīng)器的供氧方式，分別進(jìn)行連續(xù)供氧和間歇供氧研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，連續(xù)供氧能有效提高堆肥的效率。周營[38]的研究發(fā)現(xiàn)，在堆肥過程中接種適量含有米曲霉、地衣芽孢桿菌、解脂假絲酵母、綠色木霉和褐球固氮菌的微生物復(fù)合菌劑能提高易腐垃圾的腐熟度，減少堆肥氮素的損失。

圖4 易腐垃圾一體化發(fā)酵技術(shù)的工藝流程

2.5 厭氧消化

厭氧消化是指在缺氧條件下，通過厭氧微生物的代謝活動(dòng)把復(fù)雜的有機(jī)物迅速降解為沼氣的方法(圖5)。通過厭氧消化制備甲烷是目前將易腐垃圾資源化轉(zhuǎn)化為生物燃料的主要研究方向之一。厭氧消化是一種很好地將易腐垃圾資源化和無害化的方式，通過厭氧消化得到的沼氣可用作燃料，沼渣可用來加工肥料。與好氧堆肥相似，雜質(zhì)影響易腐垃圾的厭氧消化，需對(duì)易腐垃圾進(jìn)行預(yù)處理。厭氧消化是一個(gè)多階段的復(fù)雜生物轉(zhuǎn)化過程，在每一個(gè)階段都有各自的優(yōu)勢菌種；因此，整個(gè)厭氧消化過程容易受反應(yīng)條件的影響[39]，需對(duì)反應(yīng)條件進(jìn)行嚴(yán)格的控制。

圖5 易腐垃圾厭氧消化的工藝流程

厭氧共消化是一種廣泛應(yīng)用、高沼氣產(chǎn)量的方式。共消化是將2種及以上的有機(jī)廢物混合后進(jìn)行消化處理的方法，避免了一些單消化過程中出現(xiàn)的問題。厭氧共消化可提高整體反應(yīng)進(jìn)程的穩(wěn)定性，提高沼氣的產(chǎn)量，沼渣養(yǎng)分含量高，適合加工做成肥料[40]。共消化存在運(yùn)輸成本高的不足。研究[41]表明，污水污泥中含有大量活性細(xì)菌，有利促進(jìn)厭氧消化過程中微生物群的繁殖，在易腐垃圾加污水污泥作為共基質(zhì)后，沼氣產(chǎn)量提高了1.4倍。在消化之前對(duì)易腐垃圾進(jìn)行預(yù)處理也能有效提高厭氧消化的效果。目前，相關(guān)研究大多停留在試驗(yàn)階段，需在中試規(guī)模下進(jìn)行進(jìn)一步的探討。

3 小結(jié)與展望

易腐垃圾作為一種富含有機(jī)質(zhì)及氮、磷、鉀等元素的固體廢棄物，如何將其肥料化和能源化的研究逐漸地受到了關(guān)注。隨著國家對(duì)環(huán)境問題的逐漸重視，亟須將易腐垃圾處理從傳統(tǒng)的焚燒和填埋方式向肥料化、飼料化、能源化方向過渡轉(zhuǎn)化。好氧堆肥是一種工藝簡單、發(fā)展時(shí)間較長的資源化技術(shù)。由于易腐垃圾存在有機(jī)質(zhì)含量高的特點(diǎn)，好氧堆肥是一種適合用來處理易腐垃圾的方式。但易腐垃圾混有雜質(zhì)，且油脂含量及鹽含量都比較高。如何對(duì)易腐垃圾進(jìn)行脫油、降鹽預(yù)處理并提高發(fā)酵效率，都是需要解決的問題。一體化發(fā)酵技術(shù)利用設(shè)備實(shí)現(xiàn)垃圾分選、高溫好氧發(fā)酵等一體化，相對(duì)于好氧堆肥發(fā)酵技術(shù)，對(duì)易腐垃圾的處置效率更高，對(duì)周邊環(huán)境的二次污染影響更小，適宜小規(guī)模易腐垃圾的快速無害化處置。該處置工藝技術(shù)的運(yùn)營維護(hù)成本較高，處置后的易腐垃圾尚未完全腐熟，后續(xù)仍需要采取腐熟化發(fā)酵工藝。昆蟲養(yǎng)殖是近年來發(fā)展的新技術(shù)，在將易腐垃圾無害化及資源化的同時(shí)，養(yǎng)殖的昆蟲也可以用來加工成動(dòng)物飼料。目前，條件要求高、自動(dòng)化水平低限制了昆蟲養(yǎng)殖的規(guī)模。此外，一些國家和地區(qū)禁止將昆蟲養(yǎng)殖得到的昆蟲蛋白作為牲畜飼料[42]，安全問題也需要得到關(guān)注。陽光房發(fā)酵技術(shù)是近年來開始實(shí)際應(yīng)用的資源化方式，投資、運(yùn)行和維護(hù)成本較低，易于管理，在部分農(nóng)村地區(qū)受到了用戶的歡迎。由于陽光房發(fā)酵技術(shù)在設(shè)計(jì)、運(yùn)營、管理上仍存在許多問題，導(dǎo)致物料腐熟程度低、臭味大、雜質(zhì)含量高，嚴(yán)重制約了該處置技術(shù)的持續(xù)推廣應(yīng)用，所以該工藝還有一定的改進(jìn)空間。厭氧消化在將易腐垃圾減量化和無害化的同時(shí)還將易腐垃圾轉(zhuǎn)化為了可用作燃料的沼氣，但該處置工藝投資大，運(yùn)營成本較高，厭氧消化效果仍有較大的提升空間。厭氧發(fā)酵后剩余的沼渣仍需要尋找資源化利用的出路?？梢姡瑓捬跸枰c好氧堆肥、昆蟲養(yǎng)殖等工藝相結(jié)合才能完全實(shí)現(xiàn)易腐垃圾的資源化利用。

各種易腐垃圾資源化處置技術(shù)均有明顯優(yōu)點(diǎn)和使用的局限性，各地需根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況選擇1種或2種適宜的工藝進(jìn)行推廣應(yīng)用，才能最終達(dá)到易腐垃圾高效、經(jīng)濟(jì)、低碳的資源化處置利用效果。