廚余垃圾好氧生物處理技術(shù)研究綜述

黃 松，葉勁松,，王玉峰，衛(wèi)新來,，金 杰，肖青青

廚余垃圾好氧生物處理技術(shù)研究綜述

黃 松1，葉勁松1,2，王玉峰3，衛(wèi)新來1,2，金 杰2，肖青青1

（1. 合肥學(xué)院 生物食品與環(huán)境學(xué)院，安徽 合肥 230601；2. 城市固廢處理與資源化利用安徽省工程技術(shù)研究中心，安徽 合肥 230601；3. 安徽天健環(huán)保股份有限公司，安徽 合肥 230601）

在明確廚余垃圾含義、特點和產(chǎn)量現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，系統(tǒng)梳理了好氧堆肥、發(fā)酵蛋白飼料和昆蟲處理等技術(shù)方法應(yīng)用于廚余垃圾處理處置的原理、優(yōu)缺點，針對好氧處理技術(shù)在實施過程中遇到的難點及未來發(fā)展方向，提出了建議和展望。

廚余垃圾；好氧堆肥；發(fā)酵飼料；蚯蚓堆肥；進展

據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）調(diào)查，全球每年約有13億噸糧食被浪費，約占全球糧食總數(shù)的三分之一[1]。面對如此龐大的糧食浪費產(chǎn)生的廚余垃圾，聯(lián)合國提出，到2030年將糧食損失和浪費減半的全球目標(biāo)[2]。因此將廚余垃圾加以資源化利用，既是固廢處置的總原則，也是保護環(huán)境，發(fā)展綠色循環(huán)經(jīng)濟的必然選擇。

1 廚余垃圾

1.1 廚余垃圾定義及特點

FAO對廚余垃圾的定義是：在生產(chǎn)、收獲和加工階段發(fā)生在供應(yīng)鏈過程中的食物質(zhì)量和數(shù)量上的損失。2019年，我國將餐廚垃圾等統(tǒng)歸于廚余垃圾，因此廚余垃圾可以看成是一類易腐爛、含有機質(zhì)的生活垃圾，包括家庭廚余垃圾、餐廚垃圾和其他廚余垃圾[3]。我國廚余垃圾具有產(chǎn)量大、成分復(fù)雜、含水率高、油脂含量高、鹽含量高和pH偏低等特點。

1.2 我國廚余垃圾現(xiàn)狀

隨著“十二五”期間我國垃圾分類試點工作的開展，廚余垃圾資源化再度成為研究熱點。有關(guān)數(shù)據(jù)表明，居民生活垃圾中，廚余垃圾占比達到了37%～62%。圖1是國家統(tǒng)計局給出的2011～2020年生活垃圾清運量的相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖1 我國2011～2020年生活垃圾清運量[4]

現(xiàn)階段，廚余垃圾的主要處理手段有衛(wèi)生填埋、堆肥（好氧堆肥和厭氧堆肥）和焚燒等。衛(wèi)生填埋雖然成本低廉，但卻占用了大量的土地資源，“垃圾圍城”得不到解決的同時還會帶來二次污染[5]。廚余垃圾含水率高、熱值低，導(dǎo)致焚燒處理的成本偏高。另外，產(chǎn)生的二噁英等二次污染問題也難以徹底解決[6]。厭氧發(fā)酵時間周期長、效率低，主要產(chǎn)物是溫室氣體甲烷氣等，還會產(chǎn)生惡臭等問題。比較而言，生物好氧處理技術(shù)，成本低廉，無害化程度高，產(chǎn)物為優(yōu)良的有機肥料，因此是現(xiàn)階段中國廚余垃圾無害化處理的理想手段和途徑。

2 廚余垃圾好氧生物處理技術(shù)進展

2.1 好氧堆肥技術(shù)

傳統(tǒng)的好氧堆肥過程中，不添加任何生物菌劑和添加劑，依靠自身的土著菌進行降解。相對而言，其溫度較低，所需時間較長，堆肥后的產(chǎn)品質(zhì)量也不穩(wěn)定，所以淡出了市場。更多的研究表明添加有益菌劑可以加速堆肥進程，提高堆肥質(zhì)量。周營等[7]將米曲霉、地衣芽孢桿菌、解脂假絲酵母、綠色木霉和褐球固氮菌按照1.5:1.0:1.2: 2.0:1.0的比例，接種量為6‰，加入到廚余垃圾進行堆肥，脂肪降解率達到76.2%，并且有效地控制了氮損失。張紅玉等[8]研究不同的添加劑對廚余垃圾堆肥過程中H2S和NH3排放的影響，發(fā)現(xiàn)菌劑添加可以加快堆肥腐熟，從而降低H2S排放，鼠李糖脂能有效控制NH3排放，控制惡臭。

廚余垃圾中淀粉和脂肪類等易腐類有機物較多，故面臨堆體酸化的問題。Wang等[9]在堆肥過程中添加MgO和K2HPO4，An等[10]在堆肥中添加粉煤灰和尿素，Bergersen等[11]添加Ca(OH)2，試圖解決這一問題。但添加化學(xué)藥劑一方面會增加堆肥成本，另一方面會導(dǎo)致廚余堆肥中含鹽量增加，同樣會抑制微生物活性。因此Song等[12]進行了在廚余垃圾堆肥中接種嗜酸微生物的相關(guān)研究，利用嗜酸菌以有機酸為碳源，很好地解決了過酸性條件抑制堆肥微生物生長的問題。

針對好氧堆肥周期相對較長等問題，近來有學(xué)者通過投加耐熱或者嗜熱菌劑，將堆體溫度保持在65 ℃甚至80 ℃以上，實現(xiàn)了加快堆肥過程的目的。宋彩虹等[13]通過接種耐熱復(fù)合菌系縮短了高溫堆肥周期，加速了植物毒性物質(zhì)降解，顯著提高了堆肥品質(zhì)。超高溫好氧堆肥過程會大大縮短堆肥周期，提高堆肥品質(zhì)[14]。作為一種新型的堆肥技術(shù)，超高溫好氧堆肥前景廣闊[15]。

隨著廚余垃圾不斷增長，世界各國也相應(yīng)出臺了各種政策。其中，利用好氧生物處理，實現(xiàn)了廚余垃圾無害化和資源化。美國以家庭為單位，將廚余垃圾等進行堆肥處理，日本從源頭削減食物浪費，將其盡可能循環(huán)利用并輔以堆肥處理。但廚余垃圾堆肥化處理目前也面臨一些問題，如堆肥過程中會產(chǎn)生一些氣味[16]，堆肥產(chǎn)品銷路不暢等。

2.2 發(fā)酵飼料技術(shù)

富含多種營養(yǎng)物質(zhì)（淀粉、脂肪、蛋白質(zhì)）和礦物質(zhì)、微量元素的廚余垃圾是生產(chǎn)功能蛋白飼料的有機原材料[17]。發(fā)酵飼料技術(shù)是利用微生物降解廚余垃圾中的大分子有機物，產(chǎn)生大量的有機酸、促生長因子以及各種便于吸收的氨基酸等小分子有機物[18]。

以廚余垃圾為原料發(fā)酵生產(chǎn)蛋白飼料也是近年來的研究熱點。劉曉葉[19]利用廚余垃圾自然發(fā)酵分離出的枯草芽孢桿菌、凝結(jié)芽孢桿菌和釀酒酵母按1:1:1比例制得的發(fā)酵飼料中總蛋白、可溶性蛋白、必需氨基酸和總氨基酸均大幅度提高。同時，黑水虻幼蟲食用飼料后體重明顯增加，生長周期縮短，幼蟲存活率有所提高，蛋白抗氧化性較強。

蔡靜等[20]優(yōu)化了廚余垃圾產(chǎn)蛋白飼料的工藝。在菌種接種量為1.0%，釀酒酵母、枯草芽孢桿菌和黑曲霉在1:1:2時，尿素添加量為1.0%，30 ℃發(fā)酵48 h后粗蛋白含量和必需氨基酸含量分別提高58.7%和95.9%。維生素B1和B2也顯著提高，微生物指標(biāo)均符合國家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。這些為我國廚余垃圾制備飼料蛋白提供了理論依據(jù)。

Yang等[21]利用乳酸菌發(fā)酵廚余垃圾制備了豬飼料。Mo等[22]在廚余垃圾中添加含有釀酒酵母、菠蘿蛋白酶和木瓜蛋白酶的混合植物材料，制備成喂養(yǎng)草魚的飼料，結(jié)果表明草魚的蛋白含量和質(zhì)量都有明顯增加。Chun等[23]利用酵母和真菌混合發(fā)酵廚余垃圾制備的飼料，符合雞飼料蛋白國際標(biāo)準(zhǔn)，并且在馬來西亞得到廣泛使用。由此說明，廚余垃圾通過嚴(yán)格過程控制可以得到穩(wěn)定的蛋白飼料。

發(fā)酵飼料技術(shù)處理廚余垃圾的優(yōu)點在于保留了廚余垃圾中的營養(yǎng)物質(zhì)，成本低廉，利潤可觀，在市場上有廣闊的發(fā)展前景。但這一技術(shù)始終無法回避“同源性污染問題”，如導(dǎo)致瘋牛病的朊病毒。故美國、加拿大等國家嚴(yán)格立法，禁止將未經(jīng)處理的廚余垃圾作為動物飼料[24]。中國禁止將廚余垃圾作為反芻類動物飼料。歐盟2003年執(zhí)行的動物副產(chǎn)品條例中明確規(guī)定嚴(yán)禁在飼料生產(chǎn)中使用同類動物的任何部位，嚴(yán)禁向皮毛動物之外的牲畜喂食廚余垃圾，禁止將廚余垃圾制成的飼料進入人類食品生產(chǎn)鏈等[25]。

2.3 昆蟲處理技術(shù)

昆蟲處理法是利用昆蟲酶系統(tǒng)，將廚余垃圾中的有機質(zhì)代謝分解，通過調(diào)節(jié)氧含量、溫度和濕度等條件，使其適合昆蟲生長，達到降解廚余垃圾的目的。昆蟲處理法可以有效降低廚余垃圾中的重金屬污染和C/N比，并且可以改善土壤土質(zhì)。目前多以蚯蚓、黑水虻幼蟲、蠅蛆和蟑螂等昆蟲作為研究對象對廚余垃圾進行降解處理。

蚯蚓是土壤生態(tài)系統(tǒng)中有機物分解的主要驅(qū)動者。有研究表明，利用蚯蚓降解產(chǎn)生的NH3、CH4和N2O要比好氧堆肥產(chǎn)生量低三個數(shù)量級[26]。蔡玉琪等[27]發(fā)現(xiàn)蚯蚓糞可以吸附土壤中的重金屬并改變其價態(tài)使其穩(wěn)定無害化。張薈杰等[28]通過箱體實驗證明蚯蚓處理廚余垃圾的最高速率可達0.066 g?(g?d)-1），溫室氣體排放比填埋、焚燒和堆肥技術(shù)分別減少了89.70%、54.12%和11.26%。封代華[29]通過小試和中試，確定家蠅幼蟲生物轉(zhuǎn)化廚余垃圾工藝和關(guān)鍵參數(shù)，使得家蠅平均產(chǎn)量達到324.4 g?kg-1，廚余垃圾降解率達到了83.71%，為產(chǎn)業(yè)化探索提供了理論依據(jù)。

針對單一的昆蟲堆肥技術(shù)處理速度緩慢的問題，有學(xué)者使用多種技術(shù)方法對廚余垃圾進行協(xié)同處理。Negi等[30]在堆肥中投加蠅蛆幼蟲，提高了堆肥效率、縮短了堆肥時間，證明了蠅蛆幼蟲與堆肥的協(xié)同作用，并進一步證實了Lleó[26]的蚯蚓糞便對重金屬有很強的富集性結(jié)論，腐熟產(chǎn)品也符合印度、英國和美國的堆肥標(biāo)準(zhǔn)。

昆蟲堆肥處理的優(yōu)勢很多，逐漸成為各國嘗試的方向。美國和日本等率先建立了相關(guān)的昆蟲堆肥場所，對廚余垃圾進行處理。我國也在2000年于北京建立了一所生活垃圾蚯蚓處理中試實驗示范場所[28]。昆蟲堆肥未來發(fā)展可期，但是目前該方法效率低下，昆蟲的生長條件較為苛刻，如pH、溫度和濕度等都要同時滿足一定條件，并且物種容易退化等問題仍需解決。

3 總結(jié)與展望

目前在廚余垃圾的處理方法技術(shù)中，好氧生物處理占比很少，主要原因有：生物發(fā)酵處理耗時長，占地面積大，增大了成本；生活習(xí)慣上生活垃圾難以分類管理，導(dǎo)致發(fā)酵進料復(fù)雜、處理技術(shù)難度大，以致產(chǎn)品（上游）的品質(zhì)不高，競爭力不強；政策和宣傳引導(dǎo)力不夠，習(xí)慣追求速效等。導(dǎo)致對于有機肥料和飼料的需求不旺，下游的拉動力不足。

隨著垃圾分類的實施，中國目前有大量的餐廚垃圾亟待處理。很多餐廚垃圾處理廠已在改建、擴建中。若我國能夠?qū)N余垃圾進行堆肥，將產(chǎn)出的有機肥用于草地種植，不僅減少了污染，也緩解了氣候變暖，在實現(xiàn)資源化利用的同時為我國現(xiàn)階段“碳中和”和“碳達峰”提供了一種解決思路。

今后要著重解決好氧生物處理耗時長的問題，可從探索把傳統(tǒng)分離手段和現(xiàn)代分子學(xué)技術(shù)相結(jié)合，利用基因敲除、編輯和生物合成等技術(shù)手段，改造、改良已有的（強化功能）物種，大幅度提高相關(guān)酶基因的轉(zhuǎn)錄和高效表達，以提高相關(guān)酶的產(chǎn)量，加快處理，降低成本；深入研究一步法全程（超）高溫堆肥處理技術(shù)等高效工藝的機理、工藝和工業(yè)化應(yīng)用潛力；加速研發(fā)朊蛋白病毒的疫苗，掃除束縛發(fā)酵飼料發(fā)展的最大障礙。

[1] Sharma P, Gaur V K, Kim S H, et al. Microbial strategies for bio-transforming food waste into resources[J]. Bioresource technology, 2020, 299: 122580.

[2] Principato L, Mattia G, Di Leo A, et al. The household wasteful behaviour framework: A systematic review of consumer food waste[J]. Industrial Marketing Management, 2021, 93(7): 641-649.

[3] 國家市場監(jiān)督管理總局. GBT19095-2019生活垃圾分類標(biāo)志[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2019:4-5.

[4] 中國人民共和國國家統(tǒng)計局.中國統(tǒng)計年鑒[EB/OL]. [2022-05-11].https://data.stats.gov.cn/easyquery.htm?cn=C01.

[5] Kwon S, Bednar C, Kwon J, et al. An investigation of college and university foodservice administrators' percep- tions of food waste reduction activities and food waste disposal methods[J]. Journal of Foodservice Management & Education, 2010, 4(1): 16-21.

[6] Li T, Liu L, Zhang H, et al. Comparison of the food waste degradation rate and microbial community in the matrix between two biodegradation agents in a food waste disposer[J]. Waste management, 2014, 34(12): 2641-2646.

[7] 周營,朱能武,劉博文,等.微生物菌劑復(fù)配及強化廚余垃圾好氧堆肥效果分析[J].環(huán)境工程學(xué)報,2018,12(1):294- 303.

[8] 張紅玉,王桂琴,顧軍.添加劑對廚余垃圾堆肥中H2S和NH3排放的影響[J].環(huán)境工程,2017,35(5):112-116.

[9] Wang X, Selvam A, Chan M, et al. Nitrogen conservation and acidity control during food wastes composting through struvite formation[J]. Bioresource technology, 2013, 147(7): 17-22.

[10] An C J, Huang G H, Yao Y, et al. Performance of in-vessel composting of food waste in the presence of coal ash and uric acid[J]. Journal of Hazardous Materials, 2012, 203(11): 38-45.

[11] Bergersen O, B?en A S, S?rheim R. Strategies to reduce short-chain organic acids and synchronously establish high-rate composting in acidic household waste[J]. Bioresource technology, 2009, 100(2): 521-526.

[12] Song C, Zhang Y, Xia X, et al. Effect of inoculation with a microbial consortium that degrades organic acids on the composting efficiency of food waste[J]. Microbial bio- technology, 2018, 11(6): 1124-1136.

[13] 宋彩紅,齊輝,魏自民,等.耐熱復(fù)合菌系強化全程高溫堆肥快速處理餐廚垃圾[J].環(huán)境工程,2021,39(5):111-117.

[14] 余震,周順桂.超高溫好氧發(fā)酵技術(shù):堆肥快速腐熟與污染控制機制[J].南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2020,43(5):781-789.

[15] 廖漢鵬,陳志,余震,等.有機固體廢物超高溫好氧發(fā)酵技術(shù)及其工程應(yīng)用[J].福建農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2017,46(4):439-444.

[16] Cerda A, Artola A, Font X, et al. Composting of food wastes: Status and challenges[J]. Bioresource technology, 2018, 248(6): 57-67.

[17] 宋立立,王恩.微生物發(fā)酵飼料在畜禽養(yǎng)殖中的應(yīng)用進展[J].飼料研究,2020,43(8):138-141.

[18] Ma Y, Liu Y. Turning food waste to energy and resources towards a great environmental and economic sustain- ability: An innovative integrated biological approach[J]. Biotech- nology advances, 2019, 37(7): 107414.

[19] 劉曉葉.餐廚垃圾固態(tài)發(fā)酵制備蛋白飼料及在黑水虻喂養(yǎng)中的應(yīng)用[D].鎮(zhèn)江市:江蘇大學(xué),2019:79-80.

[20] 蔡靜,張紊瑋,贠建民,等.餐廚垃圾微生物發(fā)酵生產(chǎn)蛋白飼料的工藝優(yōu)化[J].中國釀造,2015,34(2):114-119.

[21] Yang S Y, Ji K S, Baik Y H, et al. Lactic acid fermentation of food waste for swine feed[J]. Bioresource Technology, 2006, 97(15): 1858-1864.

[22] Mo W Y, Choi W M, Man K Y, et al. Food waste-based pellets for feeding grass carp (Ctenopharyngodon idellus): Adding baker’s yeast and enzymes to enhance growth and immunity[J]. Science of the Total Environment, 2020, 707(C): 134954.1-134954.10.

[23] Chun Ng C W, Ismail A F, Zaini Makhtar M M, et al. Conversion of food waste via two-stage fermentation to controllable chicken Feed Nutrients by local isolated microorganism[J]. International journal of recycling organic waste in agriculture, 2020, 9(1): 33-47.

[24] Salemdeeb R, Zu Ermgassen E K H J, Kim M H, et al. Environmental and health impacts of using food waste as animal feed: a comparative analysis of food waste management options[J]. Journal of cleaner production, 2017, 140(5): 871-880.

[25] Ma Y, Liu Y. Turning food waste to energy and resources towards a great environmental and economic sustain- ability: An innovative integrated biological approach[J]. Biotech- nology advances, 2019, 37(7): 107414.

[26] Lleó T, Albacete E, Barrena R, et al. Home and vermi- composting as sustainable options for biowaste manage- ment[J]. Journal of cleaner production, 2013, 47(8): 70-76.

[27] 蔡玉琪,蔡樹美,倪圣亞,等.蚯蚓對秸稈-污泥混合物的消解轉(zhuǎn)化效果[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2009,28(6):1284- 1287.

[28] 張薈杰,張潤澤,王睿,等.家庭果蔬廢棄物蚯蚓處理箱性能研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2019,9(34):40-42.

[29] 封代華.利用家蠅幼蟲生物轉(zhuǎn)化餐廚垃圾的研究及產(chǎn)業(yè)化探索[D].杭州:浙江大學(xué),2016:7-8.

[30] Negi S, Mandpe A, Hussain A, et al. Collegial effect of maggots larvae and garbage enzyme in rapid composting of food waste with wheat straw or biomass waste[J]. Journal of Cleaner Production, 2020, 258(1): 120854.1- 120854.9.

Research Status and Development of Aerobic Treatment Technology for Food Waste

HUANG Song1, YE Jin-song1,2, WANG Yu-feng3, WEI Xin-lai1,2, JIN Jie2, XIAO Qing-qing1

(1. School of Biological Food and Environment, Hefei University, Hefei 230601, China; 2. Engineering Technology Research Center of Municipal Solid Waste Treatment & Resource Application, Anhui Province, Hefei 230601, China; 3. Anhui Tianjian Environmental Protection Co., Ltd., Hefei 230601, China)

On the basis of clarifying the defination, characteristics and production status of food waste, this review focuses on the principles, advantages and disadvantages, and applications of aerobic composting, fermented protein feed and insect treatment in the treatment and disposal of food waste. Finally, reasonable suggestions and prospects were made for the difficulties encountered in the implementation of the aerobic treatment technology and the future development was proposed.

kitchen waste; aerobic composting; fermented feed; earthworm composting; progress

X-1; X799.3; Q81

A

1009-9115(2022)03-0050-04

10.3969/j.issn.1009-9115.2022.03.014

安徽高校自然科學(xué)研究項目（KJ2019A0826），國家重點研發(fā)計劃專項（2020YFC1908602），高校優(yōu)秀拔尖人才培育資助項目（gxgnfx2020114），合肥市自主創(chuàng)新“借轉(zhuǎn)補”項目（J2019D04）

2022-01-18

2022-03-01

黃松（1995-），男，安徽馬鞍山人，碩士研究生，研究方向為應(yīng)用環(huán)境微生物。

葉勁松（1973-），男，安徽合肥人，高級實驗師，環(huán)境微生物工程。

（責(zé)任編輯、校對：范永山）