刘雨 教授
新加坡南洋理工大学
项目名称：餐厨垃圾集成处理技术
刘雨教授多年从事污水处理及废弃物处置的创新生物工艺研发。是本项目集成技术的发明者，现担任餐厨垃圾集成系统研发项目负责人。
本项目研发的餐厨垃圾集成处理技术能够实现餐厨垃圾的100%资源回收，而无废物排放
核心技术：自制的廉价高活性复合水解酶 (Fungal mash) 能够在6-8小时内快速完成餐厨垃圾水解，实现资源的100%回收。
餐厨垃圾处置: 敢问路在何方?
“餐厨垃圾处置难已成为全球共识，其未来的发展将走向何方？零固体排放驱动的资源回收策略可为未来餐厨垃圾的处置提供新的思路。”
一、餐厨垃圾处置现状
餐厨垃圾主要包括餐饮垃圾 (剩饭剩菜等) 和厨余垃圾 (烹饪余料等)，其产量随人口和经济的快速发展而与日俱增。据联合国粮食及农业组织报道，2018年全球的粮食浪费总量已高达16亿吨，约占粮食总产量的1/3。传统的餐厨垃圾处置方式包括好氧堆肥、厌氧消化、乙醇发酵和饲料发酵等生物技术，但由于技术本身的固有属性而使其均未能在餐厨垃圾处置过程中得到广泛应用。例如，好氧堆肥存在发酵周期长、占地面积大、易产生二次污染等问题；厌氧消化对餐厨垃圾中的有机质降解率偏低（约40-60%），剩余未被利用的残渣需经后续的焚烧或者填埋处置，造成N、P等资源的浪费；乙醇发酵可回收乙醇，但其浓度较低（约5-10%），需经后续的蒸馏和纯化等辅助工艺转为商用，从而导致整体技术运行和能耗成本较高；餐厨垃圾生产饲料存在同源性污染，具有引起多种传染疾病（如疯牛病、痒病等）的潜在风险。
焚烧法可在一定程度上实现餐厨垃圾处置的减量化和能源化，是目前餐厨垃圾主要的处置技术。但该过程尚存在能耗较高，易产生有害气体等问题，且其残留的灰分仍需后续的填埋处置。以新加坡为例，其每年用于餐厨垃圾焚烧的电能高达4800万千瓦时，而产生的灰分足可填满13个奥林匹克游泳池。随着人口增长和城市化的发展，能源和土地资源十分有限，因此上述单一的处置方式往往不能满足餐厨垃圾处置对于环境友好和经济可持续的要求。集减量化、无害化、资源化和能源化于一体将是未来餐厨垃圾处置技术发展的目标和指导思路。
二、零固体排放驱动的资源回收策略
餐厨垃圾富含有机质和营养元素，可用于制备生物燃料和生物有机肥，但由于其成分复杂、生物直接利用率低等问题导致其整体处置效率偏低。预处理可强化餐厨垃圾水解而提高整体处置效率。研究团队以餐厨垃圾为原料研发了一种廉价高效的新型复合水解酶(Fungal mash)，该酶无需分离纯化，可直接用于餐厨垃圾的超速水解(6-8h)。基于该核心技术可构建一系列集成新工艺，实现餐厨垃圾中能源(碳)和资源 (氮、磷等）的同时回收及零固体排放——零固体排放驱动的资源回收策略。
具体来说，零固体排放驱动的资源回收策略包括：（1）超速水解耦合厌氧消化的集成工艺；（2）超速水解耦合乙醇发酵的集成工艺（3）超速水解耦合厌氧共消化的集成工艺和（4）超快速水解耦合固/液生物有机肥生产的集成工艺（图1）。
图 1 餐厨垃圾零固体排放驱动的资源回收策略
餐厨垃圾首先在Fungal mash作用下快速水解，水解产物经简单的固液分离后，固体部分的NPK和重金属含量满足中国农业行业标准 (NY525和NY884)，可直接用作生物有机肥，而液体部分富含高浓度溶解有机质（溶解性COD高达200g/L）可通过多种生物技术实现快速的能源和资源回收，最终实现餐厨垃圾的零固体排放。零固体排放驱动的资源回收策略的确可为未来餐厨垃圾处置提供新的方向，而该策略的集成工艺具有较高的工程灵活性，可应用于不同规模的餐厨垃圾处置。
对于分散小规模的餐厨垃圾处置，例如，新加坡每个食阁每天可产生约500-800千克的餐厨垃圾，可采用超速水解耦合固/液生物有机肥生产的集成工艺就地处理，原位生产的固态和液态生物有机肥可直接用于周边农业和园艺业，可节省大量的餐厨垃圾收集和运输费用。此外，也可采用超速水解耦合厌氧消化的集成工艺，液体部分富含高浓度溶解有机质可直接排入市政废水处理厂的厌氧反应器生产甲烷（回收能源），据衡算，该过程回收的电能约为新加坡废水处理总能耗的50%以上。
对于大规模的餐厨垃圾处置，餐厨垃圾经Fungal mash超快速水解制备的固态生物有机肥同样可直接用于周边园艺业和农业，而水解液体富含高浓度的溶解有机质可用于大规模集中生产生物能源，例如生物乙醇或者生物甲烷。此外，目前高能耗对全球的废水处理行业构成了巨大的挑战，而传统的污泥厌氧消化所回收的能源仅仅能满足污水处理厂总能耗的30%，所以将富含高浓度溶解有机质的水解液和剩余污泥进行厌氧共消化会显著提高厌氧消化效率和能源回收率，实现市政废水处理的能源自给。
三、新策略助力绿色循环农业发展
农业的发展提高了全球肥料的市场需求。据联合国粮食及农业组织报道，2018年全球农业化肥消耗量高达2亿吨，过度使用化肥不仅会导致土质恶化和生产力下降，而且不利于经济和环境的可持续发展。在此背景下，绿色农业和循环经济得到大力发展，与此同时对生物有机肥的需求量也大幅增加，显示了巨大的市场潜力。2018年，全球餐厨垃圾产量约为16亿吨，如图2所示，若选用超速水解耦合固/液生物有机肥生产的集成工艺，全球每年利用餐厨垃圾制备的固态有机肥约为5亿吨， 足以满足全球对农业肥料的需求。这不仅显著降低农业投入成本，而且兼具极高的经济价值和环境价值。除此之外，2018年全球农业用水量达2.8万亿立方米，占全球淡水总用量的70％。随着农业的发展，农业用水量将持续增长，进一步加剧全球淡水资源短缺的困境。采用超速水解耦合固/液生物有机肥生产的集成工艺，可回收利用兼具灌溉功能的液态有机肥，在一定程度上缓解全球水资源的压力，使绿色循环循环农业成为可能。
图2 基于餐厨垃圾处置的绿色循环农业概念图
四、新策略助力餐厨垃圾与废水协同处置
目前，市政废水处理正面临着高能耗的严峻挑战。餐厨垃圾和市政废水协同处置可充分利用两者在技术、材料、设备和资源等方面的优势进行互补，有望实现餐厨垃圾有效经济处置与废水处理能源自给的双赢目标 (图3)。具体来说，以中国为例，2012年全国市政废水处理总量约为412.6亿m3，总能耗约为168.6亿kWh，并产生大约3400万吨剩余污泥，而于此同时全国餐厨垃圾产量约为9000万吨。若采用零固体排放驱动的资源回收策略提出的超速水解耦合厌氧共消化的集成工艺，每年约回收电能264.4亿kWh，不仅可满足全国废水处理的能耗需求，实现处理过程能源自给，且剩余的电能可用于创造经济效益。除此之外，经水解分离的固体中富含氮、磷和钾等营养元素，可作为生物有机肥用于农业及园艺业等。餐厨垃圾和市政废水的协同处置不仅可实现餐厨垃圾固体零排放，且大大减少了剩余污泥体积，缓解其后续的处置压力。
图3 餐厨垃圾和市政废水协同处置概念图
五、前景展望
集减量化、无害化、资源化和能源化与一体将是未来餐厨垃圾处置技术发展的终极目标，而该目标的实现有赖于技术思维的转变。零固体排放驱动的资源回收策略为未来的餐厨垃圾处置提供了新的思路，有助于实现环境友好和经济可持续发展的目标。
参考文献
Yingqun Ma, Yu Liu. Turning food waste to energy and resources towards a great environmental and economic sustainability: An innovative integrated biological approach. Biotechnology Advances 2019. (IF=12.831)
Yingqun Ma, Weiwei Cai, Yu Liu. An integrated engineering system for maximizing bioenergy production from food waste. Applied Energy 2017, 206:83-89. (IF=8.426)
Yingqun Ma, Yao Yin, Yu Liu. New insights into co-digestion of activated sludge and food waste: biogas versus biofertilizer. Bioresource Technology 2017, 241:448-453. (IF=6.669)
Yingqun Ma, Yao Yin, Yu Liu. A holistic approach for food waste management towards zero-solid disposal and energy/resource recovery. Bioresource Technology 2017, 228:56-61. (IF=6.669)
END
文章来源： 项目研究员：马英群
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