基于“雙碳”背景下的餐廚垃圾特性和厭氧消化處理技術分析

祖 柱

（湖南仁和環境股份有限公司，湖南 長沙 410005）

0 引言

近年來，我國餐飲企業的數量呈逐年遞增趨勢。2020 年，全國餐飲收入39 527 億元，但由此也產生了大量的餐廚垃圾，統計顯示，我國每年餐廚垃圾產生量在6000 萬t 以上。2010 年左右，我國就已經在銀川、蘭州、鄂爾多斯、蘇州等城市建設了餐廚垃圾處理廠，并結合當地需求開展了無害化處置和資源化利用。餐廚垃圾含有較高的有機質，屬于可再生資源的一種，若能夠充分科學利用這部分垃圾，可節約耕地數百萬畝（1 畝≈667 m2）。

作為全球第二大經濟體，我國的一項重要職責便是積極應對氣候變暖問題，加快推動我國生態文明建設，實現高質量發展。餐廚垃圾產生于人們日常的生活和生產中，由于餐廚垃圾成分復雜，處理難度比較大，要求采取嚴格的處理措施，借助科學手段將其進行資源轉化[1]。過去在中國，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，造成了嚴重的環境影響?；谏鲜銮闆r，對餐廚垃圾進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垃圾的一個重要部分，其組成內容包括蛋白質、脂類、淀粉、纖維素和無機鹽等，不僅具有較高的有機質含量、含水率，還有較高的鹽分含量和油脂含量。研究人員在對某大學餐廳餐廚垃圾的基本理化性質進行分析后發現，其餐廚垃圾的pH 為5 左右，含水率在73.03%左右，其中蛋白質含量為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其并不適用。有學者在對某城市餐廚垃圾的成分特性進行分析后發現，有機質含量為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

居民生活習慣、飲食結構等因素會直接影響餐廚垃圾的組成成分、性質與產量，所以在餐廚垃圾成分中，地域或時空差異性較為突出[2]。我國一日三餐所產生的餐廚垃圾，理化性質差異明顯，相關學者對某學校三餐的餐廚垃圾的多項指標展開了分析，包括總固體、揮發性固體、脂肪、蛋白質、碳水化合物含量和無機鹽離子濃度。結果顯示，在總固體量、揮發性固體、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，由于我國南北方居民具有不同的生活習慣、飲食習慣，所以兩地的餐廚垃圾成分差異較大。有學者對青島、嘉興、貴陽、西寧4個城市餐廚垃圾的成分特征進行了分析，結果表明，西寧和貴陽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養成分和較高的含水量，極易腐敗，并伴有酸臭味道，一旦處理不及時或是處理不當則會對空氣、水源造成污染，從而影響到人們的正常生活[3]。其危害性主要體現在以下兩個方面：①影響居住環境。餐廚垃圾對人們的嗅覺、視覺的舒適感產生影響，容易為病菌的滋生提供條件，擴大疾病傳播范圍；餐廚垃圾可使填埋場的產氣量以及滲濾液的析出加劇，且垃圾滲濾液會污染地表水與地下水。②影響人類健康。在我國很多地區，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，一旦用于喂養畜禽，則容易提高發生人畜共患疾病的概率。

1.4 資源性

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

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單，但多菌群、多層次的消化過程形成了一個復雜的系統，內部存在較多的影響因素，包括預處理方式、溫度、pH、接種物、原料配比等，如果未進行科學控制，則極易增加系統的不穩定性。

2.1 預處理方式

厭氧消化的預處理方式主要分為機械處理和生物預處理。前者主要是通過破碎，縮小進料顆粒的粒徑，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物質，如胞外酶等，對餐廚垃圾進行水解。餐廚垃圾的預處理還應考慮高油脂對厭氧消化系統的影響，在進入反應器前最好有效降低油脂含量。但也有研究人員發現，如果將Ca2+加入厭氧消化系統中，鈣離子能夠與長鏈脂肪酸反應生成長鏈羧酸鈣鹽，可明顯減少油脂對厭氧消化的抑制作用，因此采用該方法可降低預處理工序對除油率的要求，同時也促進了產氣量的提高[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。中溫厭氧系統相較于高溫厭氧系統，處理效率偏低。高溫厭氧的反應速度更快，且所需的停留時間也更短。同中溫厭氧系統相比，高溫厭氧的有機質去除率與致病細菌殺滅率明顯更高。但通過對各地區實際運行的餐廚垃圾處理項目進行調研發現，中溫厭氧消化系統的運行穩定性明顯優于高溫厭氧消化系統。

這兩種類型的厭氧消化系統允許的溫度變動范圍在1.5～2.0 ℃。如果變化超過±3 ℃，就會影響菌種的生物活性，抑制消化速率。如果變化達到了±5 ℃，產氣量就會大幅減少，積累大量的有機酸，讓厭氧系統遭到破壞。

2.3 pH

pH 不僅會對厭氧消化過程中產酸菌和產甲烷菌的活性與種類產生影響，還會對生物酶的活性造成影響[5]。當pH 介于6.7～7.4 時，則適合產甲烷菌生存，如果pH 低于6.3 或高于7.8，產甲烷效率會相應降低。若pH 低于6.3 則會積累有機酸，若pH 高于7.8，則會促使NH4+轉化為NH3，以上兩種情況都會對產甲烷階段的順利進行產生不利影響。

2.4 接種物

厭氧消化能否順利進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，從運行中的餐廚項目中獲取的厭氧活性污泥是最佳的接種物，能夠幫助新投入運行的厭氧系統快速達產。除此之外，增加接種物的量既有助于厭氧消化系統緩沖能力的提升，也能夠縮短水解酸化的時間。

2.5 原料配比

碳源在厭氧消化中同時肩負著兩項任務：①作為微生物代謝的供能物質。②作為合成細菌新細胞的主要原料[6]。合成細胞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，則容易出現過酸化的情況，系統緩沖能力較差；反之，則會增加總氨氮濃度，對后續產沼氣過程造成抑制。

2.6 抑制物質

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

3 厭氧消化技術處理餐廚垃圾工藝比較分析

現階段，國內在處理餐廚垃圾方面應用得最多的兩種技術分別是干法厭氧消化、濕法厭氧消化。本文根據現實案例對二者在實際運營中的優缺點進行比較，以提供科學的參考依據。

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目為例，該垃圾處理廠設計處理的泔水量為200 t/d，或泔水100 t/d、有機液態垃圾100 t/d。其采用濕式厭氧消化工藝（圖1），借助中溫反應器，厭氧細菌溫度介于（35±3）℃，儲罐生物氣體容積為2000 m3，同時還設計了殘渣脫水和生物氣處理工序。凈化后的生物氣可用于發電、供熱，提純壓縮后的生物氣能夠作為天然氣使用。另外，濾餅也可以營養土的形式得到有效利用，也可經深加工后被當作肥料售賣，說明資源回收再利用價值非常高，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，干法厭氧消化處理餐廚垃圾的發展時間不長，故尚未進行廣泛的應用，一般在處理城市固體廢物中的有機物時會選擇應用此種工藝。相關人員在研究干式厭氧消化工藝（圖2）后發現，針對餐廚垃圾采取干式厭氧消化處理工藝，不用在調質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，同時該工藝的有機負荷率和產氣效率也更高。但因為餐廚垃圾易酸化水解，導致干式厭氧消化工藝不能有效控制pH 的穩定性，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算

假定某餐廚垃圾處理項目是通過預處理+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。餐廚垃圾通過該項目進行無害化處理以及資源化利用后，不會出現自然腐爛，進而也不會產生溫室氣體，如甲烷的逸散。借助厭氧消化產生的沼氣可進行發電或制成天然氣，最終確保碳減排的目的成功實現。項目碳減排量計算公式如下。

ERy=BEy-PEy-LEy。

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

根據測算得到項目減排量依次為：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，通過減少項目排放量與項目泄漏量，能夠增加項目的碳減排總量。根據現階段碳交易試點地區的碳價，按照每50元/t CO2計算，本餐廚垃圾處理項目的碳減排量經過核證，每年可產生892 萬元的碳減排效益。

4 結語

總而言之，在采用厭氧消化工藝對餐廚垃圾進行處理時，因為其具有穩定的工藝，在水分方面無嚴格要求，且能夠回收甲烷，將沼渣和沼液等作為有機肥另行使用，綜合利用了廢物，不僅具有廣闊的應用前景，其所具有的環境、經濟以及社會效益也非常好?，F階段，我國大部分地級市均建立了獨立或協同的餐廚垃圾處理廠，鑒于此，其他城市也可基于可持續發展理念，將本地餐廚垃圾的特點聯系起來并有針對性地選擇相關處理技術，從而最大限度地利用好餐廚垃圾。