0 引 言
餐厨垃圾是指除居民日常生活以外的食品加工、饮食服务、单位供餐等活动中产生的厨余垃圾和废弃食用油脂等，餐厨垃圾中水分、有机物、油脂及盐分含量高、具有易腐烂、营养元素丰富等特点
［1~4］。全世界餐厨垃圾约占市政固体垃圾总量的30%~50%，其最主要的处理方式是填埋
［1~4］。保守估计，中国城市每年产生餐厨垃圾总和不低于9 000万吨，而大中城市餐厨垃圾产量更是惊人，其中北京每天产生餐厨垃圾约1 050吨，上海每天产生约1 300吨，且呈现不断递增的趋势
［2，5］。餐厨垃圾减量化成为我国目前餐厨垃圾管理的头等工作，2019年6月，习近平总书记对垃圾分类工作作出重要指示，推行垃圾分类及资源化利用，关键是要加强科学管理、形成长效机制、推动习惯养成，一起来为改善生活环境作努力，一起来为绿色发展、可持续发展做贡献。
餐厨垃圾具有“危害性”和“资源性”的双重属性，处理得当将会产生良好的环境效益和经济效益，否则将会造成巨大的危害。在香港，每天约有4 000吨餐厨垃圾送到填埋场处理，约占市政固体废物的35%
［6~8］。然而，随着人口的增加和经济的发展餐厨垃圾产量逐渐增加，将进一步加重对环境的威胁。由于可用于填埋的空间有限，垃圾填埋受到了限制。另外，有机固体填埋会造成严重的环境破坏，比如堆填过程会产生臭味及温室气体、产生渗滤液污染地下水等，因此亟需寻找适合餐厨垃圾的绿色可持续的处理方式。本文介绍了餐厨垃圾的成分特性及预分选方法，对餐厨垃圾厌氧消化、好氧堆肥、生物饲料、昆虫养殖、热处理技术及生物炼制生产高附加值化学品等主要的资源化利用途径进行了分析，对餐厨垃圾收集及资源化过程中产生的恶臭气体、废水污染问题及处理方法进行了介绍，并提出了可持续的餐厨垃圾资源化利用技术及面向中长期的餐厨垃圾高效清洁转化技术。
1 餐厨垃圾特性及预处理方法
1.1 餐厨垃圾的成分特性
根据文献调研，中国人均每天产生的生活垃圾约为1.2 kg，其中50%以上为有机类的餐厨废物（厨余和餐饮废物），我国餐厨垃圾中各组分见
表1，主要包括食物垃圾、纸张、金属、骨头、木头、织物、塑料及油脂等，其中食物部分占70%~90%
［9~12］。餐厨垃圾的成分分析见
表2，其中含水率占70%以上，含油率1%~5%，有机质占干物质含量的80%以上，粗蛋白约占干物质量的15%，碳氮比一般为（10∶1）~（30∶1）
［10，13~16］。因此，餐厨垃圾具有高含水率、高有机物含量、高油脂、高盐分、易腐烂、少量非食物杂质等特点。另外，从中国部分城市的餐厨垃圾的性质对比分析可知，不同城市的餐厨垃圾的组分有一定的差异，可能和当地的生活习惯有关，在资源化利用的过程中应充分考虑餐厨垃圾中各组分特点。
1.2 餐厨垃圾的预分选方法
我国餐厨垃圾成分复杂，含塑料袋、饭盒、筷子、金属等杂物。因此，在对餐厨垃圾“减量化、无害化、资源化”综合处理前，必须进行垃圾预分选处理。筛选出餐厨垃圾中的各类污染物，并分别加以分类分级处置，提高餐厨垃圾再利用率。餐厨垃圾资源化利用主要以生物技术处理为主，物料的性质对生物处理过程、反应器类型、运行稳定性、产品性质等都有较大的影响。根据物料的密度、粒度、磁性、弹性、光电性、摩擦性以及表面润湿性的差异对餐厨垃圾进行预分选
［17，18］，预分选处理技术主要包括破袋、人工分选、滚筒筛分、弹跳分选、风力分选、红外分选、破碎等
［17，18］。胡鑫鑫
［9］ 对餐厨垃圾预处理采用了沥水、分选、制浆、除砂、提油等过程（如
图1），为后续厌氧处理提供有机物质含量较高的原料。施军营等
［19］开发了一种包括接料、固液分离和油水分离的餐厨垃圾的预处理系统，该系统中餐厨垃圾首先进入接料斗，并在斗内通过蒸汽加热使餐厨垃圾中固体油脂融化，接料斗下方连接固液分离装置，液体进入油水分离装置，固体进入分离器中，物料在分离器中高速离心使轻物料（塑料、木头、纸张等杂物）螺旋上升分离至箱体外，可降解有机物质在重力作用下落入底部收集箱内。因此，对餐厨垃圾进行分选，根据物料特性实现分级利用是实现餐厨垃圾“减量化、无害化、资源化”综合利用的关键。
2 餐厨垃圾资源化利用技术
餐厨垃圾的主要资源化利用方法包括厌氧消化、好氧堆肥、生物饲料、昆虫养殖、热处理技术及生物炼制生产高附加值化学品等。
2.1 厌氧消化
餐厨垃圾厌氧消化是指在缺氧条件下，通过厌氧微生物的代谢活动把复杂的有机物迅速降解为沼气的方法
［2，4］。厌氧消化制备生物甲烷技术是目前国内外产出垃圾资源化利用的主要方向之一，厌氧消化产甲烷主要包含以下几个步骤：① 生物多聚体的水解阶段；② 产酸阶段；③ 乙酸化；④ 同型产乙酸阶段；⑤ 甲烷化阶段等。在餐厨垃圾厌氧消化过程中，环境因素（包括温度、pH值和碱度等）、反应器结构、水力条件以及微生物性能是影响产甲烷效率的主要因素。由于构型和操作简单，传统厌氧消化多采用单相反应器。然而，由于有机固体含量高、反应器体积大、活性接种物量需求大、油脂类物质难以降解以及毒性物质积累等状况导致单相反应器运行不稳定并抑制甲烷化过程。共发酵可以有效解决餐厨垃圾单相厌氧消化过程出现的易酸化、氨氮抑制产甲烷等问题。Pan等
［20］研究发现城市污泥和餐厨垃圾1∶1比例混合发酵产甲烷效果最优。另外，预处理及外缘添加材料等也能在一定程度上改善餐厨垃圾产气的效果。Lee等
［21］采用热和碱预处理餐厨垃圾的方法提高厌氧系统沼气的产量。Ko等
［22］研究添加活性炭等载体材料提高餐厨垃圾厌氧消化产甲烷的效果。
相关学者在反应器构型及厌氧消化方式上也做了大量的研究。香港浸会大学黄焕忠教授团队开发了基于堆填模型的渗滤床反应器（leach⁃bed reactor，LBR）及上流式厌氧污泥床（up⁃flow anaerobic sludge blanket，UASB）串联处理高含固率有机固体废弃物的新工艺（
图2），课题组成功将LBR串联UASB应用于处理餐厨垃圾
［2，4，23，24］。渗滤床反应器在运行过程中会受到很多限制，例如过滤板堵塞、渗滤液短流以及传质效率低等，研究者通过添加填料、减小底物粒径、改变反应器构型和渗滤液循环等技术来克服这些问题从而解决厌氧消化过程中产酸和甲烷化阶段的不平衡问题。另外，该课题组还研究了多种促进餐厨垃圾两相厌氧消化产甲烷的方法，比如开发了基于顶空压力来调节代谢路径进而提高餐厨垃圾产甲烷的新型调控方法，显著提高了餐厨垃圾的产气效率
［23，24］；研究了渗滤液回流的方法，显著降低了沼液的产量，有效减轻了后续沼气发酵残余物处置的压力。因此，LBR串联UASB应用于处理餐厨垃圾具有较大的应用潜力。
2.2 好氧堆肥
好氧堆肥的本质是在好氧条件下由多种微生物共同作用，通过将难分解的有机质转化成稳定腐殖质的动态过程。餐厨垃圾中的有机质含量高达60%以上，是一种优质的堆肥原料，但是餐厨垃圾中含水率及盐分含量较高，对堆肥工艺及堆肥后产品的品质需要严格控制。国内外对餐厨垃圾堆肥的研究较多，香港浸会大学黄焕忠教授团队通过向餐厨垃圾中添加锯木屑、沸石、功能菌群等方法获得了高附加值的堆肥产品（
图3），并在有机农场得到了应用
［25~28］；Pai等
［29］研究了分散式社区餐厨垃圾堆肥的可行性，提出了在社区就地堆肥处理餐厨垃圾兼具保护环境和回收资源的功能。中国农业大学在餐厨垃圾堆肥方面围绕堆肥反应器、堆肥过程中的臭味控制、混合堆肥等方面做了大量的研究
［30，31］，认为好氧堆肥是一种较为理想的餐厨垃圾“减量化、无害化、资源化”的方法。然而，目前还缺少餐厨垃圾制备有机肥料的国家标准，亟需相关部门加快制定，为餐厨垃圾堆肥产品提供出路。
2.3 生物饲料
餐厨垃圾中含有丰富的蛋白质物料，经过微生物发酵后可生产含有高活性蛋白的生物饲料，该技术路线不仅能够提高餐厨垃圾的资源利用效率，而且对改善生态环境具有重要意义。微生物生产的生物饲料具有蛋白消化吸收率高、适口性好等优点。庄禧懿等
［32］以餐厨垃圾为原料，采用枯草芽胞杆菌和酵母发酵生产出富含有益微生物和多种酶的生物饲料，实现了餐厨垃圾的“减量化、无害化、资源化”利用。然而，现有的研究多为实验室规模，工厂化规模的餐厨垃圾生产蛋白质饲料的研究相对较少。餐厨垃圾生产动物饲料的不安全性难以解决，可能含有口蹄疫病菌、猪瘟病菌等病原微生物，同时盐分含量也较高。生物发酵后的饲料可能对食用者有安全隐患，同时可能存在将其中的细菌通过食物链传染给食用者的风险，特别是当前非洲猪瘟疫情还未得到有效控制的情况下，我国各地区也明文禁止将餐厨垃圾喂养生猪。因此，餐厨垃圾饲料化有较大的风险，未来需要加大对工厂规模的蛋白质饲料生产过程优化的研究，同时加大对餐厨垃圾源生物饲料的安全风险评价。
2.4 昆虫养殖
餐厨垃圾养殖昆虫的研究逐渐受到关注，其中研究较多的是利用餐厨垃圾养殖黑水虻。有机固体废弃物养殖黑水虻技术在我国广东平远县、陕西渭南县、江苏盐城市等地都有生产案例。黑水虻具有可直接食用新鲜的餐厨垃圾的特点，而且食谱宽、食量大、容易成活、幼虫营养价值全面、生态安全性高、抗逆性强、对油盐不敏感等优点，被认为是餐厨垃圾昆虫处置领域最具产业化前景的生物种类
［33~39］。研究表明，黑水虻处理餐厨垃圾可大幅度减少餐厨垃圾的体积，控制恶臭气体的排放量，同时能够减少苍蝇滋生，并有效地消除病原微生物
［33~39］。餐厨垃圾养殖完黑水虻后可经过筛分得到黑水虻老熟幼虫及虫沙。老熟幼虫富含较高的蛋白质，可用来加工制备高附加值的昆虫蛋白源饲料
［40，41］，生产出来的虫沙可开发成高附加值的有机肥料。利用餐厨垃圾养殖黑水虻是实现餐厨垃圾减量化、无害化和资源化的一种有效的方式。
2.5 生物炼制高附加值化学品
利用生物质废弃物生产能源及高附加值化学品是解决当前全球面临的资源、能源及环境问题的有效途径之一，北京科技大学汪群慧教授团队针对有机废物处理及资源化开展了10余年的研究，先后从餐厨垃圾成功制得乳酸、乙醇、糖化酶等高附加值化学品
［42~44］。Wang等
［42］采用开放式的同步糖化发酵工艺，餐厨垃圾发酵液中乳酸浓度经过28 h发酵后能够达到60 g/L。Ma等
［42］建立了不灭菌的餐厨垃圾生产乙醇工艺，获得的乙醇浓度最高为33.1 g/L。石姗姗
［45］研究将餐厨垃圾糖化后离心分离，上层糖化液用于制丁醇，下层糖化残渣用于制备有机肥，研究证明餐厨垃圾糖化液发酵制丁醇和糖化残渣堆肥化的组合工艺是可行的，为餐厨垃圾能源化与资源化探索了一条新的途径。赵建伟
［46］研究了餐厨垃圾和剩余污泥混合厌氧发酵产短链脂肪酸，短链脂肪酸可以作为优质碳源应用于污水厂生物脱氮除磷，微生物燃料电池产电，及生产生物塑料。目前关于餐厨垃圾生物转化制备高附加值化学品方面仍有较多值得研究的地方，比如高产菌种的选育、高效酶解功能元件与模块的构建、碳素转化原子经济性和能量效率的分析等，结合合成生物学理念，构建高效的人工多细胞定向转化系统是未来重要的发展方向。
2.6 热处理技术
热处理技术主要包括焚烧、热解、水热碳化等。餐厨垃圾因含水率高达90%以上，一般多采用水热碳化技术。水热碳化是指在密闭的体系中，以湿碳水化合物为原料，在一定的温度和自身产生的压力条件下，经过一系列复杂反应转化为碳材料的过程。水热碳化工艺是一种能够实现餐厨垃圾无害化处理的技术，目前已成为污泥处理研究的热点之一。水热法相比传统裂解法，较为温和，固型生物质炭可通过固液分离获得，对设备要求低；水热法炭化无需干燥预处理，一步成炭，更适合于工业应用（
图4）
［47］。Akarsu等
［47］考察了餐厨垃圾水热碳化制备固体燃料，获得的最佳的反应条件为200 °C、60 min。Saqib等
［48］研究了不同的温度对餐厨垃圾水热碳化后水热炭性质的影响，热值和水热炭中碳的比例随着温度的升高而升高，当水热温度为300 °C时得到的水热炭的高位热值达到了31 MJ/kg。Wang等
［49］研究了餐厨垃圾和木质纤维素类物质混合水热碳化，结果表明混合水热碳化可以获得高热值的颗粒燃料。Idowu等
［50］研究采用水热碳化技术回收餐厨垃圾中的养分，结果发现水热碳化后餐厨垃圾中的大部分的氮、钙和镁仍在固相的水热炭中，而大部分的钾和钠则在液相中，磷的变化和温度及反应时间有关。水热碳化法因可处理湿料而在处理含水率高的餐厨垃圾方面格外受到关注，且由于反应过程在水中进行，可通过选择合适的添加剂向碳化物中引入其他元素，制备不同形貌的碳复合材料，或对其进行元素掺杂和表面修饰，为生产各种各样的产品提供了巨大的可能
［13］。目前关于餐厨垃圾水热碳化技术的研究多集中在实验室及中试阶段，对餐厨垃圾水热碳化工程化的应用研究还有待进一步加强。
3 餐厨垃圾资源化利用过程污染控制技术
随着生活垃圾分类工作的进一步加强，回收餐厨垃圾中的资源和能源是未来的发展趋势，在餐厨垃圾资源化利用过程中的污染主要包括臭气污染及废水污染，其中臭气污染主要产生在餐厨垃圾收储运过程和资源化利用过程，废水污染主要来源于餐厨垃圾收储运过程中的渗滤和资源化过程中产生的废水。对餐厨垃圾资源化利用过程中的臭气及废水的处理直接关系到后续餐厨垃圾资源化市场的推广。
3.1 臭气污染及控制
恶臭气体是当今世界面临的六大公害之一。餐厨垃圾的自然腐败及资源化利用过程均会产生对人体有害的恶臭污染物，主要包括氨、硫化氢及多种挥发性有机化合物，大部分恶臭物质属于国家《恶臭污染物排放标准》中所规定的限制因子，不但影响环境卫生，还影响从事垃圾收集及处理工作人员和附近居民的健康。因此，对于餐厨垃圾资源化利用过程中恶臭污染的研究也逐渐受到关注
［51~57］。Rappert和Müller等
［51］研究发现餐厨垃圾产生恶臭气体的重要反应过程为氨基酸和多肽的热解、糖降解、Maillard反应、Strecker降解、硫胺素的热降解、脂类自氧化降解等。王攀等
［52］对国内成功运营的餐厨垃圾处理厂臭气排放特征进行了研究，采用气相色谱⁃质谱联用技术对该厂餐厨垃圾处理各单元及厂界的臭气进行了分析，共检测出包括芳香烃、硫化物、卤代物、烯烃、烷烃、醇、醛、酮和酯在内的9类66种物质，其中湿热反应器出气口处恶臭气体浓度最高。王攀等
［52］研究发现餐厨垃圾饲料化处理厂主要工段的特征污染物为乙醇、乙醛、丙醛、乙酸乙酯、柠檬烯、
α⁃蒎烯、
β⁃蒎烯、甲硫醇和二甲二硫醚，该研究为餐厨垃圾饲料化过程中臭气的控制提供了基础支撑。黄丽丽等
［54］对餐厨垃圾两相厌氧发酵工艺恶臭排放特征进行了研究，对餐厨垃圾堆放点和破碎点、酸化出料、产甲烷出料及产甲烷反应器排气口的臭气进行了分析，5个单元共检出含氧类、芳香烃、硫化物、萜烯类和卤代烃5类29种物质，主要致臭物质为硫化氢、乙硫醇、乙硫醚、甲硫醇、乙醛和丁醛，释放风险最大的单元为产甲烷反应器排气口。Ni等
［55］对一家餐厨垃圾处理厂的臭气进行了分析，研究发现在餐厨垃圾水解及好氧堆肥单元的臭气浓度最高，主要的恶臭气体为甲硫醇和氨气。
在臭气控制方面，常用的除臭技术有物理、化学和生物方法。任连海等
［53］采用改性沸石对餐厨垃圾释放的恶臭气体进行吸附研究，结果表明采用磷酸改性之后的沸石对氨气和甲硫醇的吸附量分别为224.73 mg/g和4.53 mg/g。化学除臭的方法主要是采用强氧化试剂对臭气进行氧化脱除，如狄彦强等
［58］采用Fenton试剂处理餐厨垃圾异味成分苯、乙酸乙酯、和苯乙烯，在前180 min内对臭气的去除效率达到了90%以上，该法在处理气态异味污染物方面具有广阔的应用前景。Wang等
［56］在餐厨垃圾堆肥系统里面添加石灰及磷酸盐，减少了餐厨垃圾堆肥系统里面的氨气及挥发性小分子有机酸的排放，有效地改善了餐厨垃圾堆肥厂环境，同时提高了堆肥产品的品质。生物法因其成本低、环境友好等特点在臭气控制方面使用的较多，常用的生物除臭技术有生物过滤法、生物洗涤法、生物滴滤法和曝气式生物法和天然植物液除臭法等
［59~63］。Lelicinska⁃Serafind等
［63］采用生物过滤和膜组合的方法对餐厨垃圾的臭气进行控制研究，结果发现对挥发性有机气体（VOCs）的去除率最高，达到97%，该组合方法有潜力用于餐厨垃圾的臭味控制当中，未来对其组合的最佳工艺参数及稳定性仍需进一步研究。
餐厨垃圾收集及其不同处理方式过程中臭气产生的种类、含量等都有一定程度的差异，对餐厨垃圾资源化利用过程中的臭气的控制直接关系到该资源化技术是否能得到推广。因此，在餐厨垃圾资源化利用过程中开发有效的除臭技术势在必行。
3.2 废水处理
餐厨垃圾的含水率通常高达90%以上，在餐厨垃圾储运及处理过程中会产生大量的废水，比如在餐厨垃圾存放及堆肥过程中会产生大量的渗滤液，在餐厨垃圾厌氧消化处理过程中会产生大量的沼液。餐厨垃圾废水水质和水量波动大、有机物及氨氮浓度高、含油含盐量大，极易散发臭气、滋生蚊虫，同时对地表水、地下水、土壤及大气有污染的风险。王罕等
［64］利用气升式环流反应器处理餐厨垃圾废水，化学需氧量（chemical oxygen demand，COD）和氨态氮（NH
3-N）去除率分别达到70%和88.6%，出水NH
3-N和COD 浓度能够达到GB/T 31962-2015《污水排入城市下水道水质标准》B等级规定
［65］。杨曦等
［66］采用“厌氧+A/O－MBR+NF+RO”组合工艺对餐厨垃圾渗沥液的处理效果及经济指标进行分析，结果表明，在连续进水条件下，系统COD
Cr、五日生物需氧量（five days biological oxygen demand，BOD
5）、NH
3-N、悬浮固体（suspended solid，SS）的平均去除率达到了90%以上，该工艺抗冲击负荷能力强、高效快速、出水水质稳定等优点，达到国家一级排放标准。郑炜等
［67］采用混凝、USAB、接触氧化、生物沸石⁃膜生物反应器和芬顿氧化构建的组合工艺处理餐厨垃圾发酵废液，组合工艺能有效去除餐厨垃圾发酵废液中的COD和NH
3-N等物质。另外，因为餐厨垃圾废水含有丰富的小分子糖、多肽、氨基酸等营养物质，适于被微生物利用，有学者研究利用餐厨垃圾废水制备微生物菌肥。郭新愿等
［68］采用餐厨垃圾废水培养胶质芽胞杆菌，研究显示，胶质芽胞杆菌在餐厨垃圾废水中经过培养后可达到GB 20287-2006《农用微生物菌剂》中液态菌肥的活菌数（2.0×10
8 CFU/mL）。王永京等
［69］利用餐厨垃圾废水进行液态固氮菌肥制备，最高活菌数达到3.1×10
12 CFU/mL，在固氮菌的培养过程中，餐厨垃圾废水中溶解性COD和还原糖的去除率达到了70%以上，该研究为餐厨垃圾废水的处理提供了新的思路。随着环保要求的提高，餐厨垃圾废水的处理面临着新的挑战，对餐厨垃圾废水资源化利用耦合达标排放是未来其处置的发展方向。
4 结论与展望
餐厨垃圾作为一种富含有机质及氮、磷、钾等元素的固体废弃物，将其作为一种生物资源回收其中的资源和能源的研究受到了越来越多的关注。目前关于餐厨垃圾资源化利用的技术主要包括厌氧消化、好氧堆肥、生物饲料、昆虫养殖、热处理技术及生物炼制生产高附加值化学品等，以上技术有效地实现了餐厨垃圾的“减量化、资源化、无害化”。餐厨垃圾厌氧消化、昆虫养殖、好氧堆肥及生物饲料技术较为成熟，但是对其工业化利用过程中的设备运行的稳定性及其废水和臭气的控制问题仍需进一步的研究。热处理技术是近年来的餐厨垃圾资源化利用的新技术，热处理实现了餐厨垃圾的减量化、资源化和无害化，但是该过程能耗较高，如何进一步降低热处理技术的能耗及开发高附加值的功能炭材料是未来餐厨垃圾热处理技术的重要发展方向。餐厨垃圾生物炼制生产高附加值化学品是实现餐厨垃圾高值化利用的有效途径，也是代替传统化工路线生产化学品的重要手段，构建餐厨垃圾全组分清洁转化及高值利用绿色新流程、研究基于物质⁃能量⁃环境自平衡耦合定向转化和系统优化新方法、提高餐厨垃圾碳素转化原子经济性和能量效率是餐厨垃圾高值生物转化的重要发展方向。
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