厨余垃圾好氧生物处理技术研究综述

黄 松，叶劲松,，王玉峰，卫新来,，金 杰，肖青青

厨余垃圾好氧生物处理技术研究综述

黄 松1，叶劲松1,2，王玉峰3，卫新来1,2，金 杰2，肖青青1

（1. 合肥学院 生物食品与环境学院，安徽 合肥 230601；2. 城市固废处理与资源化利用安徽省工程技术研究中心，安徽 合肥 230601；3. 安徽天健环保股份有限公司，安徽 合肥 230601）

在明确厨余垃圾含义、特点和产量现状基础上，系统梳理了好氧堆肥、发酵蛋白饲料和昆虫处理等技术方法应用于厨余垃圾处理处置的原理、优缺点，针对好氧处理技术在实施过程中遇到的难点及未来发展方向，提出了建议和展望。

厨余垃圾；好氧堆肥；发酵饲料；蚯蚓堆肥；进展

据联合国粮食及农业组织（FAO）调查，全球每年约有13亿吨粮食被浪费，约占全球粮食总数的三分之一[1]。面对如此庞大的粮食浪费产生的厨余垃圾，联合国提出，到2030年将粮食损失和浪费减半的全球目标[2]。因此将厨余垃圾加以资源化利用，既是固废处置的总原则，也是保护环境，发展绿色循环经济的必然选择。

1 厨余垃圾

1.1 厨余垃圾定义及特点

FAO对厨余垃圾的定义是：在生产、收获和加工阶段发生在供应链过程中的食物质量和数量上的损失。2019年，我国将餐厨垃圾等统归于厨余垃圾，因此厨余垃圾可以看成是一类易腐烂、含有机质的生活垃圾，包括家庭厨余垃圾、餐厨垃圾和其他厨余垃圾[3]。我国厨余垃圾具有产量大、成分复杂、含水率高、油脂含量高、盐含量高和pH偏低等特点。

1.2 我国厨余垃圾现状

随着“十二五”期间我国垃圾分类试点工作的开展，厨余垃圾资源化再度成为研究热点。有关数据表明，居民生活垃圾中，厨余垃圾占比达到了37%～62%。图1是国家统计局给出的2011～2020年生活垃圾清运量的相关数据。

图1 我国2011～2020年生活垃圾清运量[4]

现阶段，厨余垃圾的主要处理手段有卫生填埋、堆肥（好氧堆肥和厌氧堆肥）和焚烧等。卫生填埋虽然成本低廉，但却占用了大量的土地资源，“垃圾围城”得不到解决的同时还会带来二次污染[5]。厨余垃圾含水率高、热值低，导致焚烧处理的成本偏高。另外，产生的二噁英等二次污染问题也难以彻底解决[6]。厌氧发酵时间周期长、效率低，主要产物是温室气体甲烷气等，还会产生恶臭等问题。比较而言，生物好氧处理技术，成本低廉，无害化程度高，产物为优良的有机肥料，因此是现阶段中国厨余垃圾无害化处理的理想手段和途径。

2 厨余垃圾好氧生物处理技术进展

2.1 好氧堆肥技术

传统的好氧堆肥过程中，不添加任何生物菌剂和添加剂，依靠自身的土著菌进行降解。相对而言，其温度较低，所需时间较长，堆肥后的产品质量也不稳定，所以淡出了市场。更多的研究表明添加有益菌剂可以加速堆肥进程，提高堆肥质量。周营等[7]将米曲霉、地衣芽孢杆菌、解脂假丝酵母、绿色木霉和褐球固氮菌按照1.5:1.0:1.2: 2.0:1.0的比例，接种量为6‰，加入到厨余垃圾进行堆肥，脂肪降解率达到76.2%，并且有效地控制了氮损失。张红玉等[8]研究不同的添加剂对厨余垃圾堆肥过程中H2S和NH3排放的影响，发现菌剂添加可以加快堆肥腐熟，从而降低H2S排放，鼠李糖脂能有效控制NH3排放，控制恶臭。

厨余垃圾中淀粉和脂肪类等易腐类有机物较多，故面临堆体酸化的问题。Wang等[9]在堆肥过程中添加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，试图解决这一问题。但添加化学药剂一方面会增加堆肥成本，另一方面会导致厨余堆肥中含盐量增加，同样会抑制微生物活性。因此Song等[12]进行了在厨余垃圾堆肥中接种嗜酸微生物的相关研究，利用嗜酸菌以有机酸为碳源，很好地解决了过酸性条件抑制堆肥微生物生长的问题。

针对好氧堆肥周期相对较长等问题，近来有学者通过投加耐热或者嗜热菌剂，将堆体温度保持在65 ℃甚至80 ℃以上，实现了加快堆肥过程的目的。宋彩虹等[13]通过接种耐热复合菌系缩短了高温堆肥周期，加速了植物毒性物质降解，显著提高了堆肥品质。超高温好氧堆肥过程会大大缩短堆肥周期，提高堆肥品质[14]。作为一种新型的堆肥技术，超高温好氧堆肥前景广阔[15]。

随着厨余垃圾不断增长，世界各国也相应出台了各种政策。其中，利用好氧生物处理，实现了厨余垃圾无害化和资源化。美国以家庭为单位，将厨余垃圾等进行堆肥处理，日本从源头削减食物浪费，将其尽可能循环利用并辅以堆肥处理。但厨余垃圾堆肥化处理目前也面临一些问题，如堆肥过程中会产生一些气味[16]，堆肥产品销路不畅等。

2.2 发酵饲料技术

富含多种营养物质（淀粉、脂肪、蛋白质）和矿物质、微量元素的厨余垃圾是生产功能蛋白饲料的有机原材料[17]。发酵饲料技术是利用微生物降解厨余垃圾中的大分子有机物，产生大量的有机酸、促生长因子以及各种便于吸收的氨基酸等小分子有机物[18]。

以厨余垃圾为原料发酵生产蛋白饲料也是近年来的研究热点。刘晓叶[19]利用厨余垃圾自然发酵分离出的枯草芽孢杆菌、凝结芽孢杆菌和酿酒酵母按1:1:1比例制得的发酵饲料中总蛋白、可溶性蛋白、必需氨基酸和总氨基酸均大幅度提高。同时，黑水虻幼虫食用饲料后体重明显增加，生长周期缩短，幼虫存活率有所提高，蛋白抗氧化性较强。

蔡静等[20]优化了厨余垃圾产蛋白饲料的工艺。在菌种接种量为1.0%，酿酒酵母、枯草芽孢杆菌和黑曲霉在1:1:2时，尿素添加量为1.0%，30 ℃发酵48 h后粗蛋白含量和必需氨基酸含量分别提高58.7%和95.9%。维生素B1和B2也显著提高，微生物指标均符合国家卫生标准。这些为我国厨余垃圾制备饲料蛋白提供了理论依据。

Yang等[21]利用乳酸菌发酵厨余垃圾制备了猪饲料。Mo等[22]在厨余垃圾中添加含有酿酒酵母、菠萝蛋白酶和木瓜蛋白酶的混合植物材料，制备成喂养草鱼的饲料，结果表明草鱼的蛋白含量和质量都有明显增加。Chun等[23]利用酵母和真菌混合发酵厨余垃圾制备的饲料，符合鸡饲料蛋白国际标准，并且在马来西亚得到广泛使用。由此说明，厨余垃圾通过严格过程控制可以得到稳定的蛋白饲料。

发酵饲料技术处理厨余垃圾的优点在于保留了厨余垃圾中的营养物质，成本低廉，利润可观，在市场上有广阔的发展前景。但这一技术始终无法回避“同源性污染问题”，如导致疯牛病的朊病毒。故美国、加拿大等国家严格立法，禁止将未经处理的厨余垃圾作为动物饲料[24]。中国禁止将厨余垃圾作为反刍类动物饲料。欧盟2003年执行的动物副产品条例中明确规定严禁在饲料生产中使用同类动物的任何部位，严禁向皮毛动物之外的牲畜喂食厨余垃圾，禁止将厨余垃圾制成的饲料进入人类食品生产链等[25]。

2.3 昆虫处理技术

昆虫处理法是利用昆虫酶系统，将厨余垃圾中的有机质代谢分解，通过调节氧含量、温度和湿度等条件，使其适合昆虫生长，达到降解厨余垃圾的目的。昆虫处理法可以有效降低厨余垃圾中的重金属污染和C/N比，并且可以改善土壤土质。目前多以蚯蚓、黑水虻幼虫、蝇蛆和蟑螂等昆虫作为研究对象对厨余垃圾进行降解处理。

蚯蚓是土壤生态系统中有机物分解的主要驱动者。有研究表明，利用蚯蚓降解产生的NH3、CH4和N2O要比好氧堆肥产生量低三个数量级[26]。蔡玉琪等[27]发现蚯蚓粪可以吸附土壤中的重金属并改变其价态使其稳定无害化。张荟杰等[28]通过箱体实验证明蚯蚓处理厨余垃圾的最高速率可达0.066 g·(g·d)-1），温室气体排放比填埋、焚烧和堆肥技术分别减少了89.70%、54.12%和11.26%。封代华[29]通过小试和中试，确定家蝇幼虫生物转化厨余垃圾工艺和关键参数，使得家蝇平均产量达到324.4 g·kg-1，厨余垃圾降解率达到了83.71%，为产业化探索提供了理论依据。

针对单一的昆虫堆肥技术处理速度缓慢的问题，有学者使用多种技术方法对厨余垃圾进行协同处理。Negi等[30]在堆肥中投加蝇蛆幼虫，提高了堆肥效率、缩短了堆肥时间，证明了蝇蛆幼虫与堆肥的协同作用，并进一步证实了Lleó[26]的蚯蚓粪便对重金属有很强的富集性结论，腐熟产品也符合印度、英国和美国的堆肥标准。

昆虫堆肥处理的优势很多，逐渐成为各国尝试的方向。美国和日本等率先建立了相关的昆虫堆肥场所，对厨余垃圾进行处理。我国也在2000年于北京建立了一所生活垃圾蚯蚓处理中试实验示范场所[28]。昆虫堆肥未来发展可期，但是目前该方法效率低下，昆虫的生长条件较为苛刻，如pH、温度和湿度等都要同时满足一定条件，并且物种容易退化等问题仍需解决。

3 总结与展望

目前在厨余垃圾的处理方法技术中，好氧生物处理占比很少，主要原因有：生物发酵处理耗时长，占地面积大，增大了成本；生活习惯上生活垃圾难以分类管理，导致发酵进料复杂、处理技术难度大，以致产品（上游）的品质不高，竞争力不强；政策和宣传引导力不够，习惯追求速效等。导致对于有机肥料和饲料的需求不旺，下游的拉动力不足。

随着垃圾分类的实施，中国目前有大量的餐厨垃圾亟待处理。很多餐厨垃圾处理厂已在改建、扩建中。若我国能够将厨余垃圾进行堆肥，将产出的有机肥用于草地种植，不仅减少了污染，也缓解了气候变暖，在实现资源化利用的同时为我国现阶段“碳中和”和“碳达峰”提供了一种解决思路。

今后要着重解决好氧生物处理耗时长的问题，可从探索把传统分离手段和现代分子学技术相结合，利用基因敲除、编辑和生物合成等技术手段，改造、改良已有的（强化功能）物种，大幅度提高相关酶基因的转录和高效表达，以提高相关酶的产量，加快处理，降低成本；深入研究一步法全程（超）高温堆肥处理技术等高效工艺的机理、工艺和工业化应用潜力；加速研发朊蛋白病毒的疫苗，扫除束缚发酵饲料发展的最大障碍。

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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

安徽高校自然科学研究项目（KJ2019A0826），国家重点研发计划专项（2020YFC1908602），高校优秀拔尖人才培育资助项目（gxgnfx2020114），合肥市自主创新“借转补”项目（J2019D04）

2022-01-18

2022-03-01

黄松（1995-），男，安徽马鞍山人，硕士研究生，研究方向为应用环境微生物。

叶劲松（1973-），男，安徽合肥人，高级实验师，环境微生物工程。

（责任编辑、校对：范永山）