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 徐鵬，穆獻(xiàn)中

 （北京工業(yè)大學(xué)循環(huán)經(jīng)濟(jì)研究院，北京100124）

 摘要：總結(jié)了利用餐廚垃圾生產(chǎn)甲烷、氫氣、燃料酒精、生物柴油、生物炭等的研究進(jìn)展，討論了各類技術(shù)的影響機(jī)制及面臨的問題，并對(duì)今后的研究方向進(jìn)行了展望。

 關(guān)鍵詞：餐廚垃圾；甲烷；氫氣；燃料酒精；生物炭；生物柴油 。

 餐廚垃圾是餐飲垃圾和廚余垃圾的總稱。餐飲垃圾包括飯館、賓館、單位食堂等的飲食剩余物以及后廚的肉食、油脂、果蔬、面點(diǎn)等加工過程廢棄物；廚余垃圾是指家庭日常生活中丟棄的果蔬及食物下腳料、剩菜剩飯、果皮等易腐有機(jī)垃圾。根據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織( FAO)的統(tǒng)計(jì)，全球每年約有13億t餐廚垃圾在食品供應(yīng)鏈中產(chǎn)生，并且隨著經(jīng)濟(jì)和人口的不斷增加，這個(gè)數(shù)字也在不斷增加。以亞洲國家為例，2005年亞洲國家產(chǎn)生的餐廚垃圾約為2. 78億t，這個(gè)數(shù)值將會(huì)在2025年達(dá)到4. 16億t。

 目前，大多數(shù)餐廚垃圾通常是與生活垃圾混合在一起進(jìn)行填埋或者焚燒處理。填埋處理是一種簡單高效的垃圾處理方式，但由于餐廚垃圾含水量較高，通常會(huì)因?yàn)闈B濾液導(dǎo)致處理成本增加，產(chǎn)生的沼氣排放，也造成了資源浪費(fèi)，并會(huì)引起全球變暖。而焚燒處理雖然可以有效地減小污染物體積，但是餐廚垃圾含有的大量水分降低了混合廢物的熱值，同時(shí)易產(chǎn)生二噁英等有毒有害氣體，并且造成餐廚垃圾中大量營養(yǎng)元素的浪費(fèi)。

 餐廚垃圾含有大量有機(jī)物、油脂、營養(yǎng)元素，具有很大的再利用價(jià)值。以餐廚垃圾為原料，經(jīng)過不同的技術(shù)可以得到不同的清潔能源，這樣既減少了環(huán)境污染，又減輕了能源壓力。本文中主要對(duì)現(xiàn)階段利用餐廚垃圾生產(chǎn)甲烷、氫氣、燃料酒精、生物柴油、生物炭的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)，著重討論這些技術(shù)的相關(guān)影響機(jī)制及面臨的相關(guān)問題，并對(duì)今后關(guān)注的焦點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)和展望。

1  餐廚垃圾的組成

餐廚垃圾的主要來源是動(dòng)植物產(chǎn)品、糧食、動(dòng)植物油及廚余垃圾等，是一類高有機(jī)質(zhì)、高含水率的資源性廢物。其中的主要化學(xué)成分有碳水化合物（淀粉、纖維素和半纖維素）、木質(zhì)素、蛋白質(zhì)、脂類等。許多學(xué)者對(duì)餐廚垃圾的成分進(jìn)行了研究（表1）。

 由表1可以看出，餐廚垃圾的組成成分受不同地區(qū)飲食結(jié)構(gòu)、生活習(xí)慣等各種因素的影響，表現(xiàn)出時(shí)空差異性。但普遍表現(xiàn)出含水率高、有機(jī)質(zhì)含量高、油脂含量高等資源性特征，總糖或者碳水化合物占總固體含量的50%以上，從而使餐廚垃圾資源能源化具有可行性。

2餐廚垃圾產(chǎn)甲烷

 甲烷是一種理想的氣體燃料，無色無味，與適量空氣混合后即可燃燒，可以用于供熱和發(fā)電等，是一種具有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的清潔燃料。利用餐廚垃圾制沼氣指的是利用厭氧發(fā)酵技術(shù)將餐廚垃圾進(jìn)行降解，并將其中的有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為沼氣。厭氧發(fā)酵技術(shù)是近幾年來新興的餐廚垃圾處理方法，該技術(shù)降解效率高，且具有封閉性，不會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成污染。另外厭氧發(fā)酵后的沼渣可以作為有機(jī)農(nóng)肥的原料，不會(huì)產(chǎn)生二次污染，符合現(xiàn)代社會(huì)綠色環(huán)保的理念。

 但厭氧發(fā)酵反應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的過程，其中，pH是影響系統(tǒng)的主要參數(shù)之一。在餐廚垃圾進(jìn)行厭氧消化時(shí)，厭氧消化過程中會(huì)積累大量的揮發(fā)性脂肪酸( VFAs)，導(dǎo)致pH迅速降低，從而抑制產(chǎn)甲烷菌的活性，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此有學(xué)者設(shè)計(jì)了雙相發(fā)酵工藝，將餐廚垃圾水解、酸化過程與產(chǎn)甲烷過程分開，避免酸化過程對(duì)產(chǎn)甲烷菌的抑制。Kim等采用“序批式反應(yīng)器(SBR)+上流式厭氧污泥床反應(yīng)器( UASBr)”的雙相工藝，將有機(jī)廢棄物高效地轉(zhuǎn)化為甲烷。SBR中產(chǎn)酸菌將有機(jī)廢棄物降解成有機(jī)酸，酸化產(chǎn)物經(jīng)過稀釋進(jìn)入U(xiǎn)ASBr，在產(chǎn)甲烷菌的作用下轉(zhuǎn)化為甲烷，甲烷的產(chǎn)率可達(dá)296 mL/g。在UASBr中，產(chǎn)甲烷菌被固定在底部，產(chǎn)甲烷菌可將通過的酸化產(chǎn)物迅速降解。UASBr起到了減少產(chǎn)甲烷菌的流失和快速降解有機(jī)質(zhì)的作用。整個(gè)發(fā)酵工藝中，約44 %的有機(jī)質(zhì)可以轉(zhuǎn)化為甲烷。

 碳氮比( C/N)也是影響厭氧發(fā)酵的一個(gè)重要參數(shù)。C/N在15~20比較有利于產(chǎn)甲烷菌的生長，C/N過高或者過低都會(huì)導(dǎo)致沼氣產(chǎn)率下降，餐廚垃圾的隨地域性和時(shí)空性會(huì)影響C/N，從而對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生不可控的影響以及酸抑制。Zhang等研究了餐廚垃圾和牲畜糞便的厭氧消化過程，確定沼氣產(chǎn)量的關(guān)鍵參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)牛糞和餐廚垃圾的比例為2:1時(shí)，甲烷產(chǎn)量提高了41. 1%，達(dá)到388 mL/g。添加牛糞能提高沼氣系統(tǒng)的C/N和生物降解能力，從而提高系統(tǒng)緩沖能力和有機(jī)負(fù)荷能力，故沼氣產(chǎn)量得到提升。

 微生物的生長和酶的活性都需要在一定溫度下才能有效進(jìn)行，因此溫度是影響厭氧發(fā)酵效率的重要因素之一。He等研究了溫度對(duì)餐廚垃圾兩相厭氧消化產(chǎn)甲烷的影響。研究結(jié)果表明，水解率和溫度呈正比。通過9d的反應(yīng)，溫度為70℃，累積產(chǎn)氫量達(dá)4 860 mL，相比于35℃和55℃時(shí)累積產(chǎn)氣量提高了129. 79%和37. 87%，同時(shí)，不同溫度下VFAs的成分有很大不同，在55℃和70℃會(huì)生產(chǎn)更多的乙酸、異丁酸和丁酸，有助于沼氣的形成。

 餐廚垃圾生產(chǎn)甲烷技術(shù)日益成熟，是未來處理餐廚垃圾的主要方向，但仍然受到工藝流程長、處理能力不穩(wěn)定等因素的制約，如微生物對(duì)酸堿度要求高，而餐廚垃圾中的鹽分含量過高會(huì)導(dǎo)致過度堿化，使消化過程pH偏高，抑制菌體生長，不利于持續(xù)餐廚垃圾的降解。因此如何提高工藝的穩(wěn)定性是今后研究的主要方向之一。

3餐廚垃圾制氫氣

 氫氣在燃燒的過程中不產(chǎn)生C02，清潔無污染，被認(rèn)為是最有潛力的能源。餐廚垃圾中含有豐富的碳水化合物，相比傳統(tǒng)的電解水制氫具有工藝簡單、經(jīng)濟(jì)成本低等特點(diǎn)，是制氫的理想原料。目前，關(guān)于餐廚垃圾制氫的研究主要集中在暗發(fā)酵產(chǎn)氫，其底物轉(zhuǎn)化效率高、產(chǎn)氫效率快，受到廣泛關(guān)注。當(dāng)葡萄糖作為暗發(fā)酵的過程時(shí)，反應(yīng)方程如下：

 C6H12 06+2Hz0 -*4Hz+2C02+2CH3 COOH

 國內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)暗發(fā)酵制氫的研究主要集中在底物預(yù)處理、接種物、反應(yīng)溫度、pH及有機(jī)負(fù)荷率等因素對(duì)餐廚垃圾產(chǎn)氫的影響。Kim等研究了溫度(35~60。C)在特定接種物下對(duì)暗發(fā)酵制氫的影響，結(jié)果表明，最低和最高氫氣產(chǎn)率分別產(chǎn)生在35、50C，500C時(shí)氫氣產(chǎn)量達(dá)到137 mL/g。通過對(duì)底物有機(jī)酸成分的分析，VFAs的主要成分丁酸在50℃時(shí)產(chǎn)量更高，由此推斷出產(chǎn)氫菌群在此溫度下活性更高，確定了溫度對(duì)菌群的影響。Elbeshbishy等研究了超聲破碎法預(yù)處理對(duì)餐廚垃圾厭氧生物產(chǎn)氫的影響，得到了最佳的反應(yīng)條件，經(jīng)過30 min的超聲破碎氫氣的產(chǎn)量提高至141 mL/g，相比未經(jīng)處理的餐廚垃圾產(chǎn)氫量提高了77%，氫氣產(chǎn)生速率提高了127%，微生物停滯期減少了50%。餐廚垃圾中的碳水化合物和蛋白質(zhì)通過超聲進(jìn)入了液相，不但增加了氫氣的最終產(chǎn)量，同時(shí)加快了產(chǎn)氫速率。Angeriz -Campoy等研究了混合城市固體垃圾對(duì)餐廚垃圾暗發(fā)酵產(chǎn)氫的影響，城市固體垃圾的堿度有效地中和了餐廚垃圾的酸度并穩(wěn)定碳氮比。在生活垃圾和餐廚垃圾比例為8:2時(shí)，固體滯留時(shí)間為

1.9 d，氫氣產(chǎn)生量由0.64  111提高到了2.51  111。Ramos等研究了初始pH和TS對(duì)餐廚垃圾產(chǎn)氫的影響。間歇反應(yīng)器以中溫條件，pH為5.5、總固體含量為90 g/L時(shí)，得到最大產(chǎn)氫率為2.90 mol/d。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，濃度相比pH對(duì)餐廚垃圾對(duì)產(chǎn)氫的影響更為顯著。

 兩步發(fā)酵工藝是生產(chǎn)氫氣的一種新的方法，相比單獨(dú)使用1種方法有效地提高了氫氣的產(chǎn)量。Patel等研究了光發(fā)酵和暗發(fā)酵兩步發(fā)酵工藝處理餐廚垃圾，研究顯示，單獨(dú)使用光發(fā)酵和暗發(fā)酵氫氣產(chǎn)量為3.5 mol/L和3.8 mol/L。兩步發(fā)酵工藝氫氣產(chǎn)量為7.6 mol/L，由于暗發(fā)酵后的發(fā)酵液含有大量的有機(jī)酸可以用于光發(fā)酵，消除了有機(jī)酸對(duì)暗發(fā)酵制氫的抑制，光發(fā)酵中的光合細(xì)菌利用有機(jī)酸代謝產(chǎn)生氫氣，同時(shí)降低了廢水中的COD形成了一個(gè)高效的產(chǎn)氫體系。

4餐廚垃圾制酒精

 燃料酒精是一種可再生能源，不僅是優(yōu)秀的燃料，同時(shí)也可以作為燃油的增氧劑，使汽油增加內(nèi)氧，充分燃燒，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。傳統(tǒng)的酒精生產(chǎn)方式是以玉米、小麥等農(nóng)作物為原材料通過發(fā)酵蒸餾制成。近幾年，隨著農(nóng)作物價(jià)格的不斷走高以及燃料酒精需求的不斷擴(kuò)大，餐廚垃圾等含有豐富淀粉、纖維素、蛋白質(zhì)等元素的廢棄生物質(zhì)走進(jìn)了人們的視野，這些原料價(jià)格低廉、營養(yǎng)元素豐富，無疑具有巨大的吸引力。

 Matsakas等研究了液化糖化步驟對(duì)餐廚垃圾產(chǎn)乙醇的影響，液化糖化步驟可以有效地降低底物的黏度，從而更好地混合發(fā)酵微生物，結(jié)果顯示，乙醇的最終產(chǎn)量提高了40. 81%，發(fā)酵速率提高了4. 46倍，最終乙醇產(chǎn)量為107.57 g/L。

 張強(qiáng)研究了釀酒酵母對(duì)餐廚垃圾同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)燃料酒精的工藝。試驗(yàn)表明，糖化酶和蛋白酶對(duì)酒精發(fā)酵影響顯著，纖維素酶影響較小，糖化酶最適添加量為100 U/g，蛋白酶最適添加量為150 U/g，纖維素酶為100 U/g，自然pH(5.3)發(fā)酵，最佳的發(fā)酵周期是120 h，最終酒精質(zhì)量濃度達(dá)到54.6 g/L。

 Cekmecelioglu等研究了不同預(yù)處理方法（酸處理、水熱處理）對(duì)餐廚垃圾酶水解產(chǎn)乙醇的影響，實(shí)驗(yàn)使用干面包酵母和釀酒酵母，在30℃、pH為4.5條件下反應(yīng)48 h。結(jié)果顯示，水熱處理6h效果最好，其次為酸處理，相比未進(jìn)行預(yù)處理的樣品乙醇產(chǎn)量分別提高23.．3、17.2g/L。

 Hong等研究了氮元素對(duì)餐廚垃圾同步糖化與淀粉酶復(fù)合產(chǎn)乙醇影響，通過補(bǔ)充氮元素，經(jīng)過48 h的發(fā)酵，100 g/dm3餐廚垃圾可以生成36 g/dm3乙醇，沒有補(bǔ)充氮元素樣品僅有25 g/dm3乙醇產(chǎn)生，說明適當(dāng)補(bǔ)充營養(yǎng)元素可以有效地提高乙醇的產(chǎn)量。

5餐廚垃圾制生物炭

 近些年來，生物炭在燃燒、土壤修復(fù)、調(diào)節(jié)色調(diào)、碳復(fù)合材料和環(huán)境修復(fù)等新功能化和高功能化領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用。利用廢棄生物質(zhì)進(jìn)行炭化的主要方法有裂解和水熱技術(shù)，兩者均能降低廢棄生物質(zhì)中的氫氧含量，將廢棄生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為含碳元素的一類難溶的、穩(wěn)定的、高度芳香化的、富含碳素的生物炭。其中水熱炭化技術(shù)主要針對(duì)含水率較高的原料，同時(shí)對(duì)原料質(zhì)量要求較低，且處理設(shè)備簡單、操作方便，被視為餐廚垃圾處理的有效技術(shù)手段。

 金桃等研究了不同因素對(duì)水熱炭化方法處理餐廚垃圾的影響，并對(duì)得到的水熱炭化固體產(chǎn)物生物煤的特性參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，得出生物煤的熱值及灰分均達(dá)到GB/T 17608-2006精煤的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。研究顯示，通過正交試驗(yàn)，得到影響因素的主次順序?yàn)闇囟?#62; pH>反應(yīng)時(shí)間，最佳工藝條件為180℃，pH為4，反應(yīng)時(shí)間為3h，得到生物煤熱值為30. 18 MJ/kg，轉(zhuǎn)化率為54. 08 %。對(duì)餐廚垃圾及優(yōu)化條件下得到的生物煤進(jìn)行元素分析，得出經(jīng)過水熱炭化后，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從49.00 %提高到65. 93%，而氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了17. 98%。同時(shí)，水熱炭化改變了餐廚垃圾的極性及芳香性。

 Li等展開了反應(yīng)時(shí)間對(duì)餐廚垃圾水熱炭化制備生物炭的影響，在最佳工藝下水熱處理96 h，餐廚垃圾轉(zhuǎn)化達(dá)到最高，比例達(dá)95%，生物炭含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為78. 6%，生物炭燃燒能量為26.9 kj/g。

 Kaushik等以糖酶、蛋白酶、脂肪酶對(duì)餐廚垃圾預(yù)處理，進(jìn)行了生物炭的制備，有效地提高了生物炭的產(chǎn)量，在酶比例為1：2:1時(shí)，生物炭碳含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到65. 4%，熱值為26.8 MJ/kg。

6餐廚垃圾制生物柴油

 生物柴油是一種優(yōu)秀的可再生清潔燃料，燃燒后氣體對(duì)環(huán)境污染小，是用于替代石化柴油的理想燃料。生物柴油是擁有極高含氧量和復(fù)雜有機(jī)成分的混合物，這些混合物主要是一些分子質(zhì)量大的有機(jī)物，幾乎包括所有種類的含氧有機(jī)物，如酯、醚、醛、酮、酚、有機(jī)酸、醇等。通過與傳統(tǒng)柴油混合使用，有效地緩解了一些發(fā)達(dá)國家的用油緊張。

目前，廢棄餐廚油脂制備生物柴油的主要制備方法有高溫裂解法、超臨界甲醇法、生物酶法、酯交換法，具體見表2。

  酯交換法由于轉(zhuǎn)化率高、效果好、成本低等優(yōu)點(diǎn)受到了廣泛的關(guān)注。目前，國內(nèi)外學(xué)者主要將酯交換法研究的重點(diǎn)放在尋找更好、更高效的催化劑，并對(duì)相應(yīng)的制備工藝進(jìn)行了探索。

 Feng等研究了不同陽離子交換樹脂（NKC -9，001×7，D61)作為非均相催化劑催化廢棄餐廚廢油制備生物柴油，結(jié)果顯示，NKC一9的催化活性最好，當(dāng)催化劑用量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)2 %，溫度為337 K，反應(yīng)時(shí)間為4h，醇油摩爾比為3:1時(shí)的最佳工藝條件下，生物柴油產(chǎn)率可達(dá)90 %。

 Bala等研究了酸性離子交換樹脂AmberliteIR 120H和Amberjet 1200H，以它們?yōu)榇呋瘎�，在催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0. 8%和1%，醇油摩爾比為6:1，反應(yīng)時(shí)間為25 min，轉(zhuǎn)化率分別為96%和95%。

 Ren等使用陰離子交換樹脂D261作為填充物，利用固定床反應(yīng)器催化制備生物柴油，當(dāng)溫度為323. 15 K，反應(yīng)時(shí)間為56 min，醇油摩爾比為9:1，生物柴油產(chǎn)率達(dá)到95. 2%。

 不可否認(rèn)，酯交換技術(shù)處理餐廚垃圾生產(chǎn)生物柴油將成為未來重要的發(fā)展方向。但目前餐廚垃圾作為生物柴油的原料還有著層層阻力，首先是廢棄餐廚油脂雜質(zhì)較多，成分十分復(fù)雜，需要探索出更加快捷和有效的預(yù)處理工藝去除多余成分。另外，如何提高催化劑的催化效率和重復(fù)利用次數(shù)，降低它們的制備成本也是未來值得研究的問題。

7  結(jié)論與展望

 餐廚垃圾的處理已經(jīng)成為了當(dāng)今社會(huì)面臨的主要挑戰(zhàn)，作為一種典型的可再生資源，利用餐廚垃圾生產(chǎn)各種再生能源，不僅可以保護(hù)環(huán)境，更可以緩解能源危機(jī)，實(shí)現(xiàn)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的共贏。目前餐廚垃圾能源化處理工藝各有優(yōu)劣，工業(yè)應(yīng)用仍面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

 (1)餐廚垃圾回收及資源化利用難以形成體系，缺乏有效的組織和管理，回收的餐廚垃圾往往質(zhì)量參差不齊，而處理工藝往往對(duì)進(jìn)料有一定的要求。因此加快餐廚垃圾分類回收制度建立，減少餐廚垃圾中的雜質(zhì)含量是餐廚垃圾能源化的前提和保證。

 (2)餐廚垃圾的能源化技術(shù)大多離不開微生物作用，而餐廚垃圾中的鹽分和油脂會(huì)抑制微生物的生長，延長處理周期，若對(duì)餐廚垃圾進(jìn)行預(yù)處理又將增加處理成本。因此應(yīng)深入研究餐廚垃圾中鹽分和油脂對(duì)微生物的影響，同時(shí)提出相應(yīng)的解決方法。

 (3)單一的餐廚垃圾能源化技術(shù)仍面臨著副產(chǎn)物二次污染和難以滿足資源完全利用等問題。目前，如何將多種資源化方式相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多元的處理工藝和模式也是研究的熱點(diǎn)方向。