2023年合成生物学竞赛·创新赛第十五期《常规赛科普专题》文章来自山东大学或跃在渊团队，题为“生物处理技术出手 餐厨垃圾‘变废为宝’”。
生物处理技术出手 餐厨垃圾“变废为宝”
一分钟前还是佳肴，一分钟后成了垃圾。在路过餐厅饭馆旁边的垃圾桶时，我们常常会闻到一股酸臭，那便是我们常说的餐厨垃圾，然而你是否仔细思考过到底什么是餐厨垃圾，它除了散发恶臭熏走行人外，是否还有别的作用呢？
餐厨垃圾俗称泔脚，又称泔水、潲水，是居民在生活消费过程中形成的生活废物，易腐烂变质，散发恶臭，传播细菌和病毒。我国餐厨垃圾数量十分巨大，并呈快速上升趋势。餐厨垃圾主要包括米和面粉类食物残余、蔬菜、植物油、动物油、肉骨、鱼刺等。由于餐余垃圾中含有丰富的营养成分，经过合理处置后是制作动物饲料、有机肥料和生物能源的重要来源，也是一种高价值的生物质资源[1]。那么，如何利用生物处理技术让餐厨垃圾变废为宝？下面，让我们来看看除焚烧与填埋以外常见的处理方法[2]，以及通过垃圾处理能获得哪些“宝物”。
好氧堆肥
好氧堆肥过程是在氧气参与下，利用好氧微生物的分泌物将有机物固体分解为可溶性有机物质，再渗入到细胞中，通过微生物的新陈代谢，最终将垃圾变为肥料。餐厨垃圾堆肥的优点是处理方法简单、堆肥产品中能保留较多的氮，可用于农业或制作动物饲料。缺点是占地大、周期长，堆肥过程中会产生污水和臭气，污染周围环境，同时由于厨余垃圾也具有高油高盐的特点，不利于微生物的生长。
图1 两种常见的厨余垃圾处理方式
厌氧发酵
厨余垃圾的厌氧发酵处理是没有氧气参与的情况下，微生物分解垃圾，其中的有机物转化为甲烷和二氧化碳，而氮、磷、钾等构成肥料的元素则存留于残留物中，转化为容易被动植物吸收利用的形式，且可以根据各种需求添加相应的添加料来制造特种肥料。厌氧发酵有占地少、对环境造成的负面作用小的特点，特别适合环境要求高的城市。同时厌氧系统发酵前既不需加水也不需要脱水，简化了前处理，也节约了能耗，同时在厌氧发酵过程中会有大量沼气产生，可以为发酵厂供给能源。缺点是发酵前必须提前处理垃圾，将不易降解的杂质分离。
蚯蚓堆肥
蚯蚓堆肥是近年来发展起来的一项技术，它的原理是蚯蚓来吞食垃圾，利用自己肠道的研磨与消化将有机物转化为可以利用的营养物质。同时，蚯蚓还能将微生物“活化”，加速了有机物的分解和转化，并能有效去除或抑制堆肥过程中产生的臭味。此外，蚯蚓代谢活动还可产生大量可供作物生长的营养，蚯蚓本身又是优质的饲料和生物医药原材料。因此利用蚯蚓处理城市生活垃圾，不仅工艺简单，不需要特殊设备，还能促进垃圾资源化的良性循环，实现可持续发展。但在蚯蚓堆肥过程中，蚯蚓对其生长环境要求较高[3]，生长周期长且繁殖率低，因此蚯蚓堆肥的周期较长。
图2 蚯蚓堆肥
集装箱堆肥
集装箱堆肥法装置由多个不同作用的集装箱级联构成，特别适合产生量不多的垃圾堆肥处理，所产生的气体可以回收利用，剩下的肥料可回填土壤。据称在世界已有50多处采用此法，如巴西、韩国仁川、德国等。集装箱堆肥法是一种环境可控的堆肥方式，其最大特点在于可以减少其散发的酸臭味及滋生的蛆虫对环境的负面影响，杀灭病菌效果较好。但此装置造价相对较高，土地面积需求量大，只适合在人口相对稀少的空旷场所运行。
通过对餐厨垃圾的处理，我们能够获得包括但不限于如下三种能源或资源[4]：
生物制氢
氢作为一种高质量的清洁能源，普遍被认为是最具有吸引力的替代能源。生物发酵制氢具有反应条件温和、能耗低的特点，因而受到了大家的关注。生物发酵制氢所用的原料是生活垃圾、动物粪便、城市污水等废物，在获得氢气的同时净化了水质，达到保护环境的作用。因此无论是从环境保护还是新能源开发的角度来看，生物质制氢都具有很广阔的发展前景。
图3 生物氢气电池
生物柴油
据统计，每吨厨余垃圾可以提炼出20～80 kg废油，经过生物酶集中加工处理，则可以制成生物柴油。生物酶法生物柴油技术对环境友好，经检测，产品关键技术指标符合美国及德国生物柴油标准，并符合我国0号柴油标准。但由于厨余垃圾中杂质较多，制备生物柴油时，必须提前处理并采用正确的工艺，才能保证产品纯度与转化率；同时，在生产中，必须保证反应完全且彻底去除副产品，否则会造成发动机工作不正常等问题；另外，生物柴油虽然具有很大的环境效益，但经济成本相对较高，在国外是靠大量减税或免税使其价格与现有柴油相近。
图4 生物柴油
生态饲料
在日本，从餐厨垃圾加工得到的饲料被称为生态饲料。目前利用生物处理制备生态饲料的方法主要为利用乳酸菌或其他菌种通过厌氧或好氧发酵生产菌体蛋白。国内也有利用餐厨垃圾产生菌体蛋白的企业，如 2008 年奥运村餐厨垃圾处理服务商北京嘉博文生物科技公司。然而餐厨垃圾饲料化具有潜在的风险，出现问题便会影响整个食物链条，在生产和使用生态饲料的时候需谨慎操作，并制定相应的行业标准与法律法规来保证其安全性。
图5 餐厨垃圾的循环利用
对于餐厨垃圾，传统的无害化处理技术仅仅是将其作为废物进行处理[5]，而没有充分利用其潜在的资源价值和回收利用价值，因此，开发厨余垃圾的资源化处理技术应是未来发展的方向。就厨余垃圾处理技术的原理而言，生物处理技术对环境的影响更为微弱，且可以回收能源及产生对环境有益的产物，因此具有广阔的应用前景，值得我们投入更多的关注。而利用合成生物学“赋能”微生物，驱动餐厨垃圾处理过程更高效、产生更多可回收利用的资源，是我们可以努力投入的方向，对于推进循环经济、构建绿色循环低碳的创新发展生态有积极意义。
[1] 李荣平,葛亚军,王奎升等.餐厨垃圾特性及其厌氧消化性能研究[J].可再生能源,2010,28(01):76-80.
[2] 胡新军,张敏,余俊锋等.中国餐厨垃圾处理的现状、问题和对策[J].生态学报,2012,32(14):4575-4584.
[3] Sim E Y S，Wu T Y. The potential reuse of biodegradable municipal solid wastes ( MSW) as feedstocks in vermicomposting．Journal of the Science of Food and Agriculture，2010，90( 13) : 2153-2162．
[4] 徐栋,沈东升,冯华军.厨余垃圾的特性及处理技术研究进展[J].科技通报,2011,27(01):130-135.
[5] Shen C Q , Ma X Q .The kitchen waste utilization of Guangzhou[J]. Environmental Pollution and Control，2010，32( 11) : 103-106．
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