“雙碳”目標下餐廚垃圾資源化技術(shù)及其碳排放分析

李亞林，劉 蕾，關(guān)明玥，孫 猛，黃文寶，韓欣宏

(河南工程學院 環(huán)境與生物工程學院，河南 鄭州 451191)

1 研究背景

本研究對近年來的餐廚垃圾資源處理技術(shù)進行歸納分析，重點探討了不同技術(shù)在使用過程中的碳排放情況，以期為“雙碳”目標下餐廚垃圾處理提供一定參考。

2 國內(nèi)外餐廚垃圾碳排放研究現(xiàn)狀

2.1 國外餐廚垃圾碳排放研究現(xiàn)狀

近年來，國外不少學者對餐廚垃圾資源化處理過程中的碳排放開展了研究，早期研究多采用生命周期評價的方法進行。2012年，瑞典的Bernstad等[6]對25種餐廚垃圾處理技術(shù)(包括填埋、熱處理、堆肥等傳統(tǒng)處理技術(shù))的替代方案進行了綜合分析，以生命周期評價的方法比較了不同方案對全球變暖的影響，證實了通過焚燒回收的潛在能源、堆肥過程中的氣體排放、生物肥料和化肥儲存及填埋過程中的碳排放均與全球變暖高度相關(guān)，但還有一些關(guān)鍵參數(shù)沒有被考慮到。英國學者Evans[7]同樣以生命周期方法計算了餐廚垃圾焚燒、填埋、堆肥等處理技術(shù)的碳排放量，結(jié)論為餐廚垃圾焚燒會降低熱值和能量回收效果，增大碳排放量。然而，以廣域生命周期評價方法進行的理論分析與實際工程處理的數(shù)據(jù)仍存在較大差距，故一些學者陸續(xù)在研究中將生命周期評價與特定工藝或系統(tǒng)進行整合分析，獲得了更為精準的數(shù)據(jù)。2017年，Maalouf等[8]開發(fā)了一種采用生命周期清單方法的模型，將固體廢物和廢水管理過程整合到一個單一框架下，并測試了發(fā)展中經(jīng)濟體典型的有機食品含量高的廢物的情景，研究了廚余垃圾處理系統(tǒng)(FWD)政策的碳足跡，發(fā)現(xiàn)FWD政策可以減少近42%的碳排放量。2018年，Havukainen等[9]使用現(xiàn)有沼氣廠的生命周期評估(LCA)方法計算有機肥料中磷和氮的碳足跡，量化了使用有機肥料的環(huán)境效益，發(fā)現(xiàn)與礦物肥料生產(chǎn)中的溫室氣體排放量相比，有機肥生產(chǎn)中的溫室氣體排放量平均減少78%，磷平均減少41%。2021年，Priyadharsini等[10]利用餐廚垃圾提煉乙醇，研究將這種生物乙醇與石油基柴油按一定比例混合后作為燃料燃燒時的碳排放，發(fā)現(xiàn)這種燃料在生物乙醇與石油基柴油體積比1∶3進行混合時制動熱效率最優(yōu)。

2.2 國內(nèi)餐廚垃圾碳排放研究現(xiàn)狀

我國餐廚垃圾碳排放研究起步較晚，目前完成的主要研究成果均是采用生命周期方法對餐廚垃圾碳排放進行的分析。2016年，張丹等[11]以北京市為例研究了城市餐廚垃圾整個生命周期碳排放量碳足跡，發(fā)現(xiàn)在處理階段，碳排放占餐廚垃圾總碳足跡的比例為13.68%。2017年，郝曉地等[12]研究了不同餐廚垃圾的處置方式全生命周期碳排放情況，發(fā)現(xiàn)厭氧產(chǎn)沼在資源利用和減排上具有明顯優(yōu)勢，另外餐廚垃圾與污泥聯(lián)合厭氧消化比單獨處置能量轉(zhuǎn)化效率更高。2020年，朱強等[13]使用全生命周期和碳足跡計算方法對全國30所高校食堂餐廚垃圾的碳足跡進行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)我國高校食物浪費問題非常嚴重，其中原料制造階段的碳足跡在全生命周期中所占比例最大，為82%。2021年，Zhang等[14]基于Slacks的測量方法，結(jié)合數(shù)據(jù)包絡分析(SBM-DEA)模型，對餐廚垃圾厭氧處理過程進行評價和優(yōu)化，建立厭氧消化過程中沼氣產(chǎn)量和CO2排放量評價模型，并將所提出的方法用于實際的厭氧消化過程。然而，現(xiàn)階段相關(guān)研究主要在已有的規(guī)?；夹g(shù)或模式上對餐廚垃圾碳排放進行評價和分析，而對于新型餐廚垃圾資源化處理技術(shù)的碳足跡分析卻很少見。

3 餐廚垃圾資源化技術(shù)及碳排放分析

3.1 焚燒發(fā)電

隨著科技的不斷發(fā)展，將餐廚垃圾焚燒后用于發(fā)電的方式逐漸被廣泛使用。焚燒處理是在高溫條件下使餐廚垃圾內(nèi)部所含有機物充分燃燒，將其轉(zhuǎn)化為無機物，其中也不乏將有毒有害的有機物轉(zhuǎn)化為無害的無機物或氣體。由于餐廚垃圾熱值高，焚燒過程會產(chǎn)生大量的熱量，可以用于發(fā)電廠的能源供應。目前，我國垃圾焚燒廠一般將餐廚垃圾與其他垃圾混合收集處理，能夠?qū)崿F(xiàn)餐廚垃圾的大規(guī)模處置。程蓓[15]分別對餐廚廢棄物焚燒發(fā)電、利用柴油機發(fā)電、利用沼氣發(fā)電等幾種形式及其應用進行了介紹，同時對這些發(fā)電方法的特點進行了相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)餐廚垃圾經(jīng)過一定的預處理后，其焚燒發(fā)電效率為30%左右，焚燒1 t餐廚垃圾可發(fā)電407 kW·h。

餐廚垃圾中含有生物源碳，焚燒過程中產(chǎn)生的CO2會參與大氣碳循環(huán)[16]，并不會對生態(tài)圈的碳濃度產(chǎn)生凈影響；同時餐廚垃圾中的生物源碳可以通過焚燒替代傳統(tǒng)化石燃料發(fā)電或供熱所帶來的碳排放，抑或替代填埋方式處理垃圾所帶來的CH4排放，從而實現(xiàn)碳減排。在焚燒發(fā)電過程中，化石燃料導致的CO2排放可以并入焚燒發(fā)電溫室氣體的排放總量中。廖凌娟等[17]針對這一過程進行研究發(fā)現(xiàn)，垃圾焚燒發(fā)電因為較大程度地實現(xiàn)了資源轉(zhuǎn)化，其碳減排量最高可達38%，通過垃圾焚燒來減碳，實現(xiàn)垃圾廢棄物資源轉(zhuǎn)化將成為更適用的碳減排方法。綜合來看，雖然餐廚垃圾的焚燒發(fā)電會造成一定程度的附加碳排放，但焚燒過程可以向外輸出熱量、回收電能，即使利用余熱進行發(fā)電具有一定局限性，但通過采用一些新型技術(shù)比如電熱聯(lián)產(chǎn)等，便可克服上述不足，達到良好的碳減排效果。

3.2 飼料化

餐廚垃圾飼料化技術(shù)是利用物理法、化學法和生物法將餐廚垃圾轉(zhuǎn)化成蛋白飼料的一種廢物資源化處理工藝。根據(jù)處理手段和轉(zhuǎn)化方式的不同，該類技術(shù)可分為3種：脫水制蛋白飼料、微生物發(fā)酵制蛋白飼料和昆蟲過腹化制蛋白飼料。

脫水制蛋白飼料工藝流程分為4步：先將餐廚垃圾干燥脫去其中水分，再高溫殺菌，然后進行粉碎處理，最后制成各種動物飼料的原料或者作為添加物投入飼料中。宋文濤[18]對國內(nèi)外餐廚垃圾飼料化現(xiàn)狀和水產(chǎn)養(yǎng)殖方面的論述，證明了餐廚垃圾制成干飼料可以用作魚飼料，并可以通過添加一些動植物蛋白來補充粗蛋白。該技術(shù)雖具有操作簡單、投資少、易于管理、能源消耗少等優(yōu)點，但餐廚垃圾攜帶大量病原微生物，很難將其全部消除，故制成的飼料可能會隨動物食物鏈進入人體，存在同源污染的安全隱患[19]。

微生物發(fā)酵制蛋白飼料是指餐廚垃圾經(jīng)過預處理后，蛋白大分子有機物分解生成活性高、吸收能力強的小分子蛋白，后續(xù)經(jīng)過深度加工處理制成優(yōu)質(zhì)蛋白飼料[20]。莊禧懿等[21]用枯草芽孢桿菌、酵母對餐廚垃圾進行發(fā)酵，生產(chǎn)出了一種生物飼料，其中富含多種酶和大量有益微生物，在將餐廚垃圾資源化的同時減少了對環(huán)境的污染。用該技術(shù)制得的蛋白飼料品質(zhì)優(yōu)良、價格實惠，在一定程度上能夠抑制有害病菌，具有一定的環(huán)保效果，但受技術(shù)水平的限制，該技術(shù)產(chǎn)出不穩(wěn)定，效率較低，難以大規(guī)模推行。

昆蟲過腹化制蛋白飼料是將餐廚垃圾用于養(yǎng)殖昆蟲，昆蟲在代謝過程中會產(chǎn)生糞便，蟲糞可以作為一種有機肥料。另外，昆蟲能夠大量繁殖幼蟲，幼蟲體內(nèi)含豐富的蛋白質(zhì)，是一種優(yōu)質(zhì)生物蛋白原材料[22]。該技術(shù)在餐廚垃圾飼料化過程中具有良好的生態(tài)環(huán)境效益，是今后餐廚垃圾飼料化技術(shù)新的發(fā)展方向。

無論采用何種飼料化技術(shù)，都能夠有效提高餐廚垃圾資源化利用率并減少碳排放。一方面，在飼料化處理過程中直接或間接利用了餐廚垃圾內(nèi)含的大量有機物等營養(yǎng)成分，大幅減少了餐廚垃圾有效成分的損失，在提高資源化利用率的同時間接減少了碳排放；另一方面，飼料化技術(shù)處理過程的耗能低，雖然在收集或處理階段會造成一定的溫室氣體排放，但對總體碳減排起到了良好的效果，具有很好的環(huán)境效應。李歡等[23]通過比較我國餐廚垃圾的處理模式，從餐廚垃圾的碳排放和回收利用率角度出發(fā)，證明了相較于其他處理模式，飼料化模式的回收利用率最高且碳減排效應較為顯著，其回收利用率可達80%～95%，以CO2當量計算飼料化模式的碳排放量為-112～-67 kg/t。

3.3 厭氧堆肥發(fā)酵

厭氧堆肥發(fā)酵技術(shù)是利用微生物的代謝功能對餐廚垃圾進行分解，該過程會將大部分可溶性有機碳轉(zhuǎn)化為CH4和CO2，其中CH4含量為55%左右，并且CH4在燃燒過程中會再生成CO2。具體的碳排放情況如圖1所示。

圖1 厭氧堆肥發(fā)酵技術(shù)碳排放情況Fig.1 Carbon emission of anaerobic composting fermentation technology

該過程中的碳排放量可以通過建立評價模型進行估算。Zhang等[14]建立SBM-DEA模型，以沼氣總進料量和液體沼氣排放量為輸入量、CH4總產(chǎn)量為理想輸出量、CO2排放量為不理想輸出量，測算了厭氧消化過程中的CO2排放量。雖然厭氧發(fā)酵過程會伴隨著CH4和CO2的產(chǎn)生，但相比傳統(tǒng)的填埋和堆肥，厭氧發(fā)酵能夠使產(chǎn)生CH4等的溫室氣體排放量降低15.5%[24]。因此，厭氧發(fā)酵相比直接燃煤供能或者其他傳統(tǒng)處理方法已經(jīng)具備明顯的碳減排優(yōu)勢。目前，厭氧發(fā)酵技術(shù)屬于生物法處理處置餐廚垃圾中低碳化程度最高、減排潛力最大的方法。盡管餐廚垃圾厭氧發(fā)酵過程中產(chǎn)生的沼氣為清潔能源，但生產(chǎn)過程的復雜性及厭氧工藝的不確定性，都可能會對環(huán)境產(chǎn)生不利影響。為了順應“雙碳”時代的發(fā)展，仍需要針對餐廚垃圾低碳化處理中的厭氧發(fā)酵技術(shù)進行優(yōu)化改進。

3.4 煉制生物柴油

餐廚垃圾含有大量油脂且成分復雜多樣，可以用來提煉生物柴油。生物柴油主要由脂肪酸甲酯組成，是一種無毒、可生物降解的燃料，可作為石油和天然氣的替代品。

Varaujo等[25]研究了利用不同類型餐廚垃圾中油脂生產(chǎn)生物柴油的方法，發(fā)現(xiàn)KOH是與廢食用油反應的最優(yōu)催化劑，并評估了這種生物柴油的經(jīng)濟效益和可用性，發(fā)現(xiàn)與初榨油相比，即使存在預處理的額外費用，直接生產(chǎn)成本仍降低了45%。近年來國內(nèi)開始對此進行研究，并在各地開展了試點工作，現(xiàn)階段我國餐廚廢棄油脂回收量將近300萬t，其中用于煉制生物柴油的量約150萬t，用于出口的量約90萬t[26]。

餐廚垃圾制得的生物柴油的主要成分為不同鏈長度和不同飽和度的脂肪酸甲酯，故這種生物柴油在燃燒中表現(xiàn)出不同的碳排放特性，會產(chǎn)生NOx、CO、氯烴化合物和氯酚等多種有害物質(zhì)，必須在后續(xù)減排過程中使氯烴化合物充分氧化和裂解，而充分燃盡則會產(chǎn)生大量CO2。針對這一問題，早在2013年，上海市就建立了新的餐廚垃圾廢棄油脂封閉管理方法，從餐廚垃圾廢棄油脂到生物柴油再到B5柴油形成閉環(huán)，全程嚴格把握監(jiān)管，取得了良好的推廣效果。

雖然餐廚垃圾制備生物柴油及后續(xù)使用過程中仍會排放出溫室氣體，但相關(guān)研究[27]表明，與其他燃料相比，從餐廚垃圾廢棄煎炸油中提煉的生物柴油能讓發(fā)動機具有更好的性能，且碳排放量更少。Lee等[28]評估了餐廚垃圾生產(chǎn)天然氣和乳酸過程中的生命周期溫室氣體減排效益，發(fā)現(xiàn)餐廚垃圾生產(chǎn)的天然氣生命周期溫室氣體排放量遠低于化石燃料。生物柴油具有良好的環(huán)保性，使用生物柴油可使硫化物的排放量減少約30%，溫室氣體排放量減少60%，以餐廚垃圾為原料加工生物柴油具有多項發(fā)展優(yōu)勢[29]。

總體而言，上述4類餐廚垃圾資源化技術(shù)的運行要求較高，過程中不可避免都會產(chǎn)生碳排放。隨著科技的發(fā)展和我國“雙碳”目標的推動，更多的餐廚垃圾低碳轉(zhuǎn)化方法將應運而生，其中碳源化技術(shù)有望實現(xiàn)餐廚垃圾在“雙碳”背景下的增值化利用。

3.5 碳源化

餐廚垃圾碳源化是指將餐廚垃圾經(jīng)過一定途徑轉(zhuǎn)化為碳源從而被再次利用，轉(zhuǎn)化后的碳源一般伴隨另一種高附加值產(chǎn)物，如葡萄糖、乳酸、乙醇等。常見的餐廚垃圾碳源化處理工藝為餐廚垃圾預處理—去除油脂成分—水解產(chǎn)酸—酸化液的提取與純化。其中，水解產(chǎn)酸是該工藝流程的核心，此處理工藝能夠?qū)⒉蛷N垃圾轉(zhuǎn)化為高濃度、可生物降解的有機酸化液[30]，其通?？纱婕状嫉扔休^大毒性的碳源作為污水處理廠生物脫氮除磷等工藝的碳源，或者作為附加碳源參與一些難降解有機物的共降解工藝[31]。

柯水洲等[32]對餐廚垃圾廢水進行一定程度的預處理后，回收廢水中的碳源，在發(fā)酵過程中考察了乳酸與揮發(fā)性脂肪酸的變化情況，同時也探究了預處理后的發(fā)酵酸化液作為碳源對反硝化脫氮的影響，證明該預處理提升了回收溶解性碳源的反硝化速率。此過程中，在一定程度上回收了餐廚垃圾中豐富的碳源并將其用于水解產(chǎn)酸，達到了餐廚垃圾資源化利用的效果。雖然發(fā)酵過程會產(chǎn)生少量CH4，但其水解產(chǎn)酸后的酸化液作為溶解性碳源用于污廢水的反硝化脫氮處理工藝中，其碳源的增值轉(zhuǎn)化及利用帶來的效益能夠抵消產(chǎn)生CH4和運輸過程中碳排放的影響并有富余，碳中和效果明顯。

與傳統(tǒng)的餐廚垃圾厭氧產(chǎn)CH4工藝相比，餐廚垃圾碳源化處理工藝中，水解產(chǎn)酸的轉(zhuǎn)化率遠高于產(chǎn)CH4的效率，其間可能會有少量CH4產(chǎn)生，但其產(chǎn)生量也會受到揮發(fā)性脂肪酸產(chǎn)量的抑制，在一定程度上可以控制CH4排放。對水解產(chǎn)酸后的碳源進行二次利用，增加了餐廚垃圾碳源的附加值，該工藝碳的回收利用率高于運輸過程中的碳排放率和CH4的排放效率，能夠達到碳中和的目標。雖然餐廚垃圾的碳源化技術(shù)能夠?qū)⑵渌峄鹤鳛樘娲蛘吒綄偬荚矗壳霸撗芯窟€不夠全面，適用范圍也存在一定局限。

3.6 碳組分回收制備功能性材料

為了充分實現(xiàn)餐廚垃圾中的碳組分利用，碳源化技術(shù)也有了新的轉(zhuǎn)型。例如，通過一定的氧化激發(fā)技術(shù)可將餐廚垃圾中的碳組分釋放出來，以釋放出的碳源為主鏈，通過交聯(lián)聚合接枝反應制備一種以餐廚垃圾為原料的高分子凝膠材料，此類凝膠材料具有良好的溶脹性、保水性及生物降解性。采用該方法制備功能性材料的具體流程及原理如圖2所示。

圖2 碳組分回收制備功能性材料流程及原理Fig.2 Process and schematic diagram of preparation of functional materials by carbon component recovery

利用餐廚垃圾制備高分子凝膠材料不可避免會在垃圾收集與運輸過程中以CO2的形式排放小部分碳，但在凝膠材料的制備過程中，餐廚垃圾中的碳源可以通過一定途徑轉(zhuǎn)化或固定在凝膠高分子材料中，實現(xiàn)了碳的儲存，沒有以其他形式排放到環(huán)境中，減少了餐廚垃圾各種形式的碳排放。另外，以餐廚垃圾的碳源為主鏈制備的凝膠材料也實現(xiàn)了碳源的重復利用，凝膠材料可作為功能性材料被利用，未造成碳資源的浪費，為實現(xiàn)“雙碳”目標提供了一種新思路。

4 結(jié)語

隨著我國“雙碳”目標的提出，各地各級部門的餐廚垃圾資源化利用政策不斷出臺，新的餐廚垃圾處理技術(shù)會得到進一步推廣和應用。然而，能夠達到高度碳減排甚至零排放的技術(shù)仍占少數(shù)，碳源化技術(shù)有望實現(xiàn)餐廚垃圾中碳源的充分利用。未來餐廚垃圾資源化利用研究應緊跟時代背景，在生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品的同時減少資源化利用過程中的碳排放，推進實現(xiàn)我國碳達峰和碳中和的“雙碳”目標。