基于“雙碳”背景下的餐廚垃圾特性和厭氧消化處理技術(shù)分析

祖 柱

（湖南仁和環(huán)境股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410005）

0 引言

近年來，我國(guó)餐飲企業(yè)的數(shù)量呈逐年遞增趨勢(shì)。2020 年，全國(guó)餐飲收入39 527 億元，但由此也產(chǎn)生了大量的餐廚垃圾，統(tǒng)計(jì)顯示，我國(guó)每年餐廚垃圾產(chǎn)生量在6000 萬(wàn)t 以上。2010 年左右，我國(guó)就已經(jīng)在銀川、蘭州、鄂爾多斯、蘇州等城市建設(shè)了餐廚垃圾處理廠，并結(jié)合當(dāng)?shù)匦枨箝_展了無害化處置和資源化利用。餐廚垃圾含有較高的有機(jī)質(zhì)，屬于可再生資源的一種，若能夠充分科學(xué)利用這部分垃圾，可節(jié)約耕地?cái)?shù)百萬(wàn)畝（1 畝≈667 m2）。

作為全球第二大經(jīng)濟(jì)體，我國(guó)的一項(xiàng)重要職責(zé)便是積極應(yīng)對(duì)氣候變暖問題，加快推動(dòng)我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展。餐廚垃圾產(chǎn)生于人們?nèi)粘５纳詈蜕a(chǎn)中，由于餐廚垃圾成分復(fù)雜，處理難度比較大，要求采取嚴(yán)格的處理措施，借助科學(xué)手段將其進(jìn)行資源轉(zhuǎn)化[1]。過去在中國(guó)，超過90%的餐廚垃圾混雜有城市生活固體垃圾，通過填埋和焚燒處置后，造成了嚴(yán)重的環(huán)境影響?；谏鲜銮闆r，對(duì)餐廚垃圾進(jìn)行厭氧消化不僅可以回收能源，還可以減少溫室氣體排放。

1 餐廚垃圾的基本特性

1.1 基本理化特性

在城市固體垃圾中，餐廚垃圾是組成有機(jī)垃圾的一個(gè)重要部分，其組成內(nèi)容包括蛋白質(zhì)、脂類、淀粉、纖維素和無機(jī)鹽等，不僅具有較高的有機(jī)質(zhì)含量、含水率，還有較高的鹽分含量和油脂含量。研究人員在對(duì)某大學(xué)餐廳餐廚垃圾的基本理化性質(zhì)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，其餐廚垃圾的pH 為5 左右，含水率在73.03%左右，其中蛋白質(zhì)含量為12.16%、脂肪含量為6.23%、糖類含量為4.16%、鹽分含量為1.24%、總糖含量為13.95%，因此直接焚燒處理的方式對(duì)其并不適用。有學(xué)者在對(duì)某城市餐廚垃圾的成分特性進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，有機(jī)質(zhì)含量為62.26%，其中粗蛋白含量為13.46%、粗脂肪含量為17.30%、粗纖維含量為6.56%，且具有較高的含水量與鹽分。

1.2 地域差異性

居民生活習(xí)慣、飲食結(jié)構(gòu)等因素會(huì)直接影響餐廚垃圾的組成成分、性質(zhì)與產(chǎn)量，所以在餐廚垃圾成分中，地域或時(shí)空差異性較為突出[2]。我國(guó)一日三餐所產(chǎn)生的餐廚垃圾，理化性質(zhì)差異明顯，相關(guān)學(xué)者對(duì)某學(xué)校三餐的餐廚垃圾的多項(xiàng)指標(biāo)展開了分析，包括總固體、揮發(fā)性固體、脂肪、蛋白質(zhì)、碳水化合物含量和無機(jī)鹽離子濃度。結(jié)果顯示，在總固體量、揮發(fā)性固體、VS/TS 比值和脂肪含量方面，早餐餐廚垃圾明顯比午餐、晚餐要低，而Na+、Ca2+和Cl-含量則明顯比后兩者高。除此之外，由于我國(guó)南北方居民具有不同的生活習(xí)慣、飲食習(xí)慣，所以兩地的餐廚垃圾成分差異較大。有學(xué)者對(duì)青島、嘉興、貴陽(yáng)、西寧4個(gè)城市餐廚垃圾的成分特征進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，西寧和貴陽(yáng)餐廚垃圾中具有較高的油脂含量，而青島和嘉興餐廚垃圾中則含有較多的雜物。

1.3 危害性

由于餐廚垃圾中具有豐富的營(yíng)養(yǎng)成分和較高的含水量，極易腐敗，并伴有酸臭味道，一旦處理不及時(shí)或是處理不當(dāng)則會(huì)對(duì)空氣、水源造成污染，從而影響到人們的正常生活[3]。其危害性主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：①影響居住環(huán)境。餐廚垃圾對(duì)人們的嗅覺、視覺的舒適感產(chǎn)生影響，容易為病菌的滋生提供條件，擴(kuò)大疾病傳播范圍；餐廚垃圾可使填埋場(chǎng)的產(chǎn)氣量以及滲濾液的析出加劇，且垃圾滲濾液會(huì)污染地表水與地下水。②影響人類健康。在我國(guó)很多地區(qū)，存在使用餐廚垃圾飼喂畜禽的情況，然而餐廚垃圾中的病原微生物、寄生蟲及其蟲卵較多，一旦用于喂養(yǎng)畜禽，則容易提高發(fā)生人畜共患疾病的概率。

1.4 資源性

餐廚垃圾中不僅有機(jī)物含量非常多，還具有諸多營(yíng)養(yǎng)元素（氮、磷、鉀、鈣等）以及其他微量營(yíng)養(yǎng)元素。通過對(duì)餐廚垃圾進(jìn)行科學(xué)有效的處理，可將其轉(zhuǎn)化為高蛋白飼料原料、有機(jī)肥料以及生物能源等，因此，餐廚垃圾是一種價(jià)值較高的生物資源。

2 餐廚垃圾厭氧消化的影響因素

餐廚垃圾厭氧消化工藝路徑較簡(jiǎn)單，但多菌群、多層次的消化過程形成了一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，內(nèi)部存在較多的影響因素，包括預(yù)處理方式、溫度、pH、接種物、原料配比等，如果未進(jìn)行科學(xué)控制，則極易增加系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。

2.1 預(yù)處理方式

厭氧消化的預(yù)處理方式主要分為機(jī)械處理和生物預(yù)處理。前者主要是通過破碎，縮小進(jìn)料顆粒的粒徑，增大微生物與物料的接觸面積，可加快水解與消化。而后者則是通過高純度生物菌種分泌出的相應(yīng)物質(zhì)，如胞外酶等，對(duì)餐廚垃圾進(jìn)行水解。餐廚垃圾的預(yù)處理還應(yīng)考慮高油脂對(duì)厭氧消化系統(tǒng)的影響，在進(jìn)入反應(yīng)器前最好有效降低油脂含量。但也有研究人員發(fā)現(xiàn)，如果將Ca2+加入?yún)捬跸到y(tǒng)中，鈣離子能夠與長(zhǎng)鏈脂肪酸反應(yīng)生成長(zhǎng)鏈羧酸鈣鹽，可明顯減少油脂對(duì)厭氧消化的抑制作用，因此采用該方法可降低預(yù)處理工序?qū)Τ吐实囊?，同時(shí)也促進(jìn)了產(chǎn)氣量的提高[4]。

2.2 溫度

餐廚垃圾的厭氧消化溫度一般分為中溫厭氧和高溫厭氧。中溫厭氧系統(tǒng)相較于高溫厭氧系統(tǒng)，處理效率偏低。高溫厭氧的反應(yīng)速度更快，且所需的停留時(shí)間也更短。同中溫厭氧系統(tǒng)相比，高溫厭氧的有機(jī)質(zhì)去除率與致病細(xì)菌殺滅率明顯更高。但通過對(duì)各地區(qū)實(shí)際運(yùn)行的餐廚垃圾處理項(xiàng)目進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，中溫厭氧消化系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性明顯優(yōu)于高溫厭氧消化系統(tǒng)。

這兩種類型的厭氧消化系統(tǒng)允許的溫度變動(dòng)范圍在1.5～2.0 ℃。如果變化超過±3 ℃，就會(huì)影響菌種的生物活性，抑制消化速率。如果變化達(dá)到了±5 ℃，產(chǎn)氣量就會(huì)大幅減少，積累大量的有機(jī)酸，讓厭氧系統(tǒng)遭到破壞。

2.3 pH

pH 不僅會(huì)對(duì)厭氧消化過程中產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌的活性與種類產(chǎn)生影響，還會(huì)對(duì)生物酶的活性造成影響[5]。當(dāng)pH 介于6.7～7.4 時(shí)，則適合產(chǎn)甲烷菌生存，如果pH 低于6.3 或高于7.8，產(chǎn)甲烷效率會(huì)相應(yīng)降低。若pH 低于6.3 則會(huì)積累有機(jī)酸，若pH 高于7.8，則會(huì)促使NH4+轉(zhuǎn)化為NH3，以上兩種情況都會(huì)對(duì)產(chǎn)甲烷階段的順利進(jìn)行產(chǎn)生不利影響。

2.4 接種物

厭氧消化能否順利進(jìn)行很大程度上取決于接種物。通常情況下，污水廠活性污泥、池塘污泥、化糞池厭氧污泥等是接種物的主要來源，其中，從運(yùn)行中的餐廚項(xiàng)目中獲取的厭氧活性污泥是最佳的接種物，能夠幫助新投入運(yùn)行的厭氧系統(tǒng)快速達(dá)產(chǎn)。除此之外，增加接種物的量既有助于厭氧消化系統(tǒng)緩沖能力的提升，也能夠縮短水解酸化的時(shí)間。

2.5 原料配比

碳源在厭氧消化中同時(shí)肩負(fù)著兩項(xiàng)任務(wù)：①作為微生物代謝的供能物質(zhì)。②作為合成細(xì)菌新細(xì)胞的主要原料[6]。合成細(xì)胞C/N 的比例大約為5:1，加之作為能源的一部分碳，則厭氧消化C/N 最合適的比例為（10～20）:1。如果 C/N 過高，則容易出現(xiàn)過酸化的情況，系統(tǒng)緩沖能力較差；反之，則會(huì)增加總氨氮濃度，對(duì)后續(xù)產(chǎn)沼氣過程造成抑制。

2.6 抑制物質(zhì)

由于沒有經(jīng)過馴化的微生物不能較好地適應(yīng)含特殊基因或活性鍵的化合物，一旦這部分特殊物質(zhì)的濃度偏高，就會(huì)對(duì)厭氧消化產(chǎn)生抑制作用，甚至破壞到整個(gè)消化過程。通常抑制物可分為以下3 類：①堿金屬。合理范圍內(nèi)的堿金屬可對(duì)厭氧微生物活性起到刺激效果，反之則會(huì)抑制微生物的生長(zhǎng)。②重金屬。溶解成離子狀態(tài)的重金屬可毒害細(xì)菌，如果同時(shí)有相應(yīng)的硫化物存在，那么可溶性重金屬結(jié)合硫化物就會(huì)形成不溶性鹽類，不會(huì)對(duì)微生物造成毒害。③氨氮[7]。若氨氮濃度達(dá)到50～200 mg/L，則會(huì)刺激微生物；如果氨氮濃度為1500～3000 mg/L，就會(huì)產(chǎn)生明顯的抑制作用。

3 厭氧消化技術(shù)處理餐廚垃圾工藝比較分析

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)在處理餐廚垃圾方面應(yīng)用得最多的兩種技術(shù)分別是干法厭氧消化、濕法厭氧消化。本文根據(jù)現(xiàn)實(shí)案例對(duì)二者在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，以提供科學(xué)的參考依據(jù)。

3.1 濕法厭氧消化處理餐廚垃圾

以某地生活垃圾綜合處理廠項(xiàng)目為例，該垃圾處理廠設(shè)計(jì)處理的泔水量為200 t/d，或泔水100 t/d、有機(jī)液態(tài)垃圾100 t/d。其采用濕式厭氧消化工藝（圖1），借助中溫反應(yīng)器，厭氧細(xì)菌溫度介于（35±3）℃，儲(chǔ)罐生物氣體容積為2000 m3，同時(shí)還設(shè)計(jì)了殘?jiān)撍蜕餁馓幚砉ば?。凈化后的生物氣可用于發(fā)電、供熱，提純壓縮后的生物氣能夠作為天然氣使用。另外，濾餅也可以營(yíng)養(yǎng)土的形式得到有效利用，也可經(jīng)深加工后被當(dāng)作肥料售賣，說明資源回收再利用價(jià)值非常高，且該工藝路線較為成熟，是目前主流的處理工藝之一。

圖1 濕式厭氧消化工藝

3.2 干法厭氧消化處理餐廚垃圾

在我國(guó)，干法厭氧消化處理餐廚垃圾的發(fā)展時(shí)間不長(zhǎng)，故尚未進(jìn)行廣泛的應(yīng)用，一般在處理城市固體廢物中的有機(jī)物時(shí)會(huì)選擇應(yīng)用此種工藝。相關(guān)人員在研究干式厭氧消化工藝（圖2）后發(fā)現(xiàn)，針對(duì)餐廚垃圾采取干式厭氧消化處理工藝，不用在調(diào)質(zhì)過程中為了稀釋物料而加入大量新水，后期在沼液處理方面也沒有較多的投入，同時(shí)該工藝的有機(jī)負(fù)荷率和產(chǎn)氣效率也更高。但因?yàn)椴蛷N垃圾易酸化水解，導(dǎo)致干式厭氧消化工藝不能有效控制pH 的穩(wěn)定性，需要通過攪拌等方式保持物料的均勻性。

圖2 干式厭氧消化工藝

3.3 厭氧消化處理餐廚垃圾的碳減排量計(jì)算

假定某餐廚垃圾處理項(xiàng)目是通過預(yù)處理+濕式厭氧消化工藝處理餐廚垃圾，日處理餐廚廢棄物約800 t 且逐年增長(zhǎng)。餐廚垃圾通過該項(xiàng)目進(jìn)行無害化處理以及資源化利用后，不會(huì)出現(xiàn)自然腐爛，進(jìn)而也不會(huì)產(chǎn)生溫室氣體，如甲烷的逸散。借助厭氧消化產(chǎn)生的沼氣可進(jìn)行發(fā)電或制成天然氣，最終確保碳減排的目的成功實(shí)現(xiàn)。項(xiàng)目碳減排量計(jì)算公式如下。

ERy=BEy-PEy-LEy。

式中：ERy——項(xiàng)目減排量，t CO2；BEy——項(xiàng)目的基準(zhǔn) 線 排 放 量 ，t CO2；PEy——項(xiàng) 目 排 放 量 ，t CO2；LEy——項(xiàng)目泄漏量，t CO2。

根據(jù)測(cè)算得到項(xiàng)目減排量依次為：第1 年24 942 t CO2，第 2 年 55 300 t CO2，第 3 年 8 580 t CO2，第 4 年 10 469 t CO2，第 5 年 124 582 t CO2，第6年142 431 t CO2，第 7 年 158 441 t CO2，第 8 年172 964 t CO2。 第 9 年 186 250 t CO2，第 10 年198 594 t CO2，10 年的平均碳減排量為 178 507 t CO2。

基于增加碳減排量的層面展開思考，通過減少項(xiàng)目排放量與項(xiàng)目泄漏量，能夠增加項(xiàng)目的碳減排總量。根據(jù)現(xiàn)階段碳交易試點(diǎn)地區(qū)的碳價(jià)，按照每50元/t CO2計(jì)算，本餐廚垃圾處理項(xiàng)目的碳減排量經(jīng)過核證，每年可產(chǎn)生892 萬(wàn)元的碳減排效益。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，在采用厭氧消化工藝對(duì)餐廚垃圾進(jìn)行處理時(shí)，因?yàn)槠渚哂蟹€(wěn)定的工藝，在水分方面無嚴(yán)格要求，且能夠回收甲烷，將沼渣和沼液等作為有機(jī)肥另行使用，綜合利用了廢物，不僅具有廣闊的應(yīng)用前景，其所具有的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)以及社會(huì)效益也非常好?，F(xiàn)階段，我國(guó)大部分地級(jí)市均建立了獨(dú)立或協(xié)同的餐廚垃圾處理廠，鑒于此，其他城市也可基于可持續(xù)發(fā)展理念，將本地餐廚垃圾的特點(diǎn)聯(lián)系起來并有針對(duì)性地選擇相關(guān)處理技術(shù)，從而最大限度地利用好餐廚垃圾。