我国家庭厨余垃圾与餐厨垃圾理化性质对比分析＊——源头分类的影响

时间：2024-05-22

杨娜，王巧，吕凡，余波平，徐期勇，何品晶

（1.深圳市环境科学研究院，广东深圳 518001；2.同济大学固体废物处理与资源化研究所，上海 200092；3.北京大学深圳研究生院，广东深圳 518055；4.广东省环境保护污水高质化利用工程技术研发中心，广东深圳 518001）

0 引言

近年来，在“无废城市”建设、固体废物污染环境防治法修订实施等重大政策的推动下，我国生活垃圾分类进入“强制时代”［1］。厨余垃圾，是生活垃圾中的主要组成部分，占比高达40%～60%［2-3］，兼具资源性与污染性［4］，其能否得到有效处理是决定生活垃圾源头减量和资源化利用效果的关键。按照产生地点不同，厨余垃圾可分为餐厨垃圾和家庭厨余垃圾等［5］，前者产自餐馆、食堂等商业端，经过多年的探索现已基本形成较成熟的管理模式；后者产自居民家庭生活端，是2019 年生活垃圾强制分类制度实施后新出现的一类有机废物。随着我国居民生活水平提高，家庭厨余垃圾产生量将持续增加［6］。同时，生活垃圾分类工作的深入推进也会促进家庭厨余垃圾分类收集率逐步提升。以北京和上海为例，北京市实施《北京市生活垃圾管理条例》后，家庭厨余垃圾分出率由1.41% 提高至20% 左右［7］；上海市实施垃圾分类两年后，湿垃圾分出量增长89%［8］。家庭厨余垃圾分出量大幅增加后，对其进行分类收运和处理迫在眉睫，但目前尚未形成成熟的管理模式。家庭厨余垃圾的理化性质不仅决定了各管理环节的物质和能源投入，而且影响着处理工艺参数选择及衍生污染特性［9］，对合理选择处理技术和管理模式至关重要。

我国家庭厨余垃圾分类处于初期阶段，其理化性质的研究资料积累有限［10］，研究集中在上海、北京、重庆、江苏、浙江等垃圾分类推进较快的地区。由于各地不同时期的垃圾分类要求和实际效果存在差异，文献中对厨余垃圾的定义、采样地点和分析方法等也不尽相同，迄今缺乏对家庭厨余垃圾理化性质的全面认识。随着上海、深圳等城市生活垃圾强制分类效果逐渐显现，有条件对源头分类的家庭厨余垃圾进行采样分析，获取其理化性质的一手资料。

自2010 年开展餐厨废弃物资源化利用和无害化处理试点工作［11］以来，我国主要城市已基本建立餐厨垃圾单独收运、处理体系［12］，为城市管理者和研究者构建家庭厨余垃圾管理模式提供了参考。然而，餐厨垃圾以用餐过程中产生的“餐后垃圾”为主，“熟料”含量较多；家庭厨余垃圾以备餐过程中产生的“餐前垃圾”为主，“生料”含量较多。研究者普遍认为两者产生地点和产生方式的不同使其理化性质存在一定差异［1，13］，餐厨垃圾在处理技术和管理路径方面的相关经验可能不完全适用于家庭厨余垃圾。王小铭等［10］通过文献调研发现，厨余垃圾与餐厨垃圾的理化特性接近，区别仅在于厨余垃圾的部分指标跨度范围更大，但也指出得出这一结论的原因可能在于厨余垃圾理化性质数据稀缺、餐厨和厨余垃圾界定不清等。目前，对家庭厨余垃圾和餐厨垃圾理化性质的系统对比研究仍不足。

本研究对深圳已实施源头分类的家庭厨余垃圾进行跟踪采样，分析其理化性质变化趋势；结合对文献数据的全面调研和甄别分析，探讨源头分类与否对家庭厨余垃圾理化性质的影响，并对比家庭厨余垃圾和餐厨垃圾理化性质指标的异同点，为家庭厨余垃圾处理技术选型和管理模式决策提供理论支撑。

1 研究方法

1.1 采样及测试方法

按照CJ/T 313—2009 生活垃圾采样和分析方法，对深圳某垃圾分类示范小区的家庭厨余垃圾进行采样和分析，采样时间为2021 年1—9 月（原计划采样12 个月，但因疫情管控，2021 年10—12 月未能按计划完成采样工作），每月采样1次，共计9 次。小区居民将家庭厨余垃圾破袋后投放到专用垃圾桶，采样点为家庭厨余垃圾收集桶，将当日产生的垃圾倒在干净的水泥地上，用铁锹将垃圾混合均匀后堆成堆体，采用四分法缩分得到样品3 kg。采集后的样品送往实验室测试理化性质指标。对原始样品测定物理组分和含水率指标后，将烘干样品分级破碎研磨至0.5 mm 以下，采用四分法缩分至200 g 后装袋备用。物理组成和含水率无平行样，其余指标测3 个平行样。

物理组成采用重量法测定，人工分拣为植物类、动物类、塑料类、纸类和难降解类等5 类，分别称量各组分质量。含水率采用105 ℃干燥失重法测定。有机质含量用VS/TS 代表，TS、VS 分别采用烘干称重法测定。pH 使用pH 计（FiveEasy Plus，Mettler Toledo，Switzerland）测定。C、H、O、N、S 有机元素含量使用元素分析仪（2400 Series II，PerkinElmer，USA）测定。金属元素通过电感耦合等离子体质谱仪（Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry，ICP-MS；iCAP RQ，ThermoFisher，USA）测量，测量前需对固体样品进行微波消解，使用10 mL 的盐酸、硝酸和氢氟酸（体积比3 ∶1 ∶1）将固体在微波消解仪（Ethos Easy，Milestone，Italy）中消解，之后的液体样品过0.45 μm 滤膜并通过ICP-MS 进行检测。含盐量用Na+含量折算为NaCl 的干基百分比表征。

1.2 文献调研方法

在中国知网以“厨余垃圾”“家庭厨余垃圾”“餐厨垃圾”“易腐垃圾”“有机垃圾”等为关键词进行文献检索，发现文献中对餐厨垃圾和厨余垃圾的定义混淆，尤其是2019 年生活垃圾强制分类制度实施之前，很多研究所指的厨余垃圾实际采样地点为餐馆、食堂。根据GB/T 19095—2019 生活垃圾分类标志，按照文献中的样品采集位置和采样方法对家庭厨余垃圾和餐厨垃圾作明确界定，即将居民家庭生活中产生的易腐有机垃圾归为家庭厨余垃圾，将餐馆、食堂等餐饮密集场所产生的食物废弃物归为餐厨垃圾。为确保数据准确性，只分析一手测试结果，剔除二次引用数据。根据上述原则，分别筛选出涉及家庭厨余垃圾和餐厨垃圾性质的文献17 篇和40 篇。将文献中提及的垃圾性质按照物理组成、杂质含量、含水率、密度、pH、含盐量（折算为NaCl 含量）、有机元素含量（C、H、O、N、S）、C/N、有机质含量、生物质（碳水化合物、脂肪、蛋白质）、重金属（Pb、Cd、Hg、Cr、As）等作统计分析。考虑到不同文献对理化性质的表征方式存在差异，本研究对表征指标和单位进行统一换算；对于一篇文献中出现多个数据（不同采样点或采样时间）的，取其平均值。

1.3 统计分析方法

使用Excel 软件对数据进行统计学差异性分析，首先利用F-检验双样本方差分析判断数据组方差差异，根据方差分析结果选择t-检验：双样本等方差假设或双样本异方差假设，得出数据均值之间的差异性是否显著，置信度为95%。

2 结果与讨论

2.1 家庭厨余垃圾理化性质

深圳某垃圾分类示范小区的家庭厨余垃圾2021 年连续9 个月的采样分析结果见图1。

图1 源头分类的家庭厨余垃圾理化性质随时间变化Figure 1 Variation of physical-chemical characteristics of source-segregated household food waste(HFW)with time

家庭厨余垃圾的5 类物理组分中，植物类含量为83.0%±4.2%，动物类为4.4%±3.2%，难降解类（主要是骨头、贝壳等食物残渣）为11.3%±2.7%，纸类（主要是厨房用纸和餐巾纸）为1.04%±0.83%，塑料类（主要是食物包装袋）为0.24%±0.37%。植物类、动物类和难降解类均为食物残渣，合计占比高达98.7%±0.7%，说明该示范小区的家庭厨余垃圾投放准确度较高。然而，根据《深圳市生活垃圾分类投放指引（2020 年版）》，骨头、贝壳等难降解食物残渣不属于家庭厨余垃圾，其存在会损坏家庭厨余垃圾处理机械设备、降低生物降解效率、影响产物的纯净度，后续生活垃圾分类工作中应加强对居民的宣传教育，引导居民将其投入其他垃圾桶。含水率、有机质和有机元素C、H 的数据变化范围较小，变异系数（标准差与平均值之比）低于10%；pH、含盐量和有机元素O、N、S 的数据变化范围略大，变异系数范围为10%～20%。总的来说，各项指标9 次采样测试结果未发现明显的变化趋势，一方面是由于该小区的家庭厨余垃圾分类纯净度已相对较高，杂质含量趋于稳定，食品残渣的组成和性质主要与家庭饮食结构有关；另一方面，深圳市季节气候变化不明显，家庭饮食结构变化不大。

2.2 源头分类对家庭厨余垃圾理化性质的影响

将本研究实测的家庭厨余垃圾各项理化性质取均值，与文献调研结果一同列入表1。

表1 本研究实测与文献中家庭厨余垃圾理化性质Table 1 Overview of the physical-chemical characteristics of HFW in this study and reviewed publications

根据不同采样方式，可以将家庭厨余垃圾分为两类：一类是源头分类的家庭厨余垃圾，采样时未与其他垃圾混合，包括入户采样、在实施源头分类的小区厨余垃圾收集点采样、在分类收集的厨余垃圾处理设施采样（表1 中序号1～12）；另一类是从混合收集的生活垃圾中分拣获得，采样点为生活垃圾收集点、转运站和末端处理设施（表1 中序号13～18）。将表1 中的家庭厨余垃圾性质数据按照两种采样方式分别进行统计分析，结果如图2 所示。其中，本研究的实测数据不纳入统计，单独表征。

图2 不同来源的家庭厨余垃圾与餐厨垃圾理化性质对比分析Figure 2 Comparison of the physical-chemical characteristics between HFW and restaurant food waste（RFW）of different sources

家庭厨余垃圾中的杂质含量受采样方式的影响较大。从混合垃圾中分拣采样的家庭厨余垃圾的杂质含量最低，为2.31%～7.20%，原因在于样品经过研究人员的人工分拣，其中的杂质被最大程度剔除。2019 年之前源头分类采样的家庭厨余垃圾杂质含量为19.40%～31.10%，明显高于混合垃圾分拣采样的结果，原因在于这一时期我国生活垃圾分类工作处于试点阶段，家庭厨余垃圾源头分类主要靠居民自觉，分类准确度较低。2020 年后，随着上海、北京、深圳等城市陆续建立强制分类制度，居民参与垃圾分类的积极性和准确度显著提高，杂质含量大幅下降为2.90%～12.60%，与混合垃圾分拣采样的结果相当或略高。与之相关的，代表深圳强制分类制度实施后家庭厨余垃圾有机质含量的本研究实测数据为90.6%，显著高于2019 年之前的数据范围（75.2%～85.0%）。

文献中源头分类采样的家庭厨余垃圾含水率为76.8%±5.0%，与本研究实测数据（76.6%）接近，显著高于混合垃圾分拣采样含水率65.5%±4.0%（P=0.004 7，双尾）。原因在于后者在生活垃圾混合投放和贮存过程中，发生了水分由家庭厨余垃圾向纸类等其他组分的迁移，不能代表家庭厨余垃圾源头产生时的含水率状态[30-31]。

文献中源头分类采样的家庭厨余垃圾pH 为4.17～6.00，本研究实测数据（4.76）和混合垃圾分拣采样数据（4.20）均在该范围内。文献中源头分类采样的家庭厨余垃圾含盐量（以干基计）为0.80%～1.61%，本研究实测数据（以干基计）为1.90%，混合垃圾分拣采样（以干基计）为1.04%。看不出源头分类对pH 和含盐量的显著影响，但由于数据量过少（只有1～3 个），仍需更多研究探讨。受饮食习惯和采样季节等因素影响，不同研究文献的家庭厨余垃圾有机元素含量波动范围较大，源头分类对有机元素含量和C/N 没有显著影响（P＞0.28，双尾）。

文献中源头分类采样的家庭厨余垃圾中Pb、Cd、Hg、Cr、As 浓度（以干基计）分别为0.85～4.16、0.15～0.65、0.05～0.14、1.18～44.17、0.98～4.39 mg/kg；混合垃圾分拣采样的浓度（以干基计）分别为30.00、0.16～0.41、0.02～0.54、10.30～25.00、1.33 mg/kg。Zhang 等［32］对生活垃圾焚烧厂和堆肥厂的入厂垃圾进行人工分拣，将剔除塑料、纸类、木材、织物、金属、建筑残渣、玻璃后的剩余物归类为厨余垃圾，经原子吸收光谱法测试发现其Pb、Cd、Hg、Cr、As浓度（以干基计）分别为94.00～168.00、1.40～2.60、0.49～1.40、118.00～231.00、14.00～26.00 mg/kg。可见，表1 中经源头分类的家庭厨余垃圾重金属浓度显著低于Zhang 等［32］的研究结果，说明源头分类能有效降低生活垃圾中其他组分中的重金属向家庭厨余垃圾的迁移污染，从而大幅降低家庭厨余垃圾的重金属浓度。源头分类采样与混合垃圾分拣采样的家庭厨余垃圾重金属含量未见显著不同：一是由于混合垃圾分拣采样的数据点采集自生活垃圾收集点［24］和中转站［26］，在生活垃圾管理流程中靠近产生端，各垃圾组分混合时间较短，重金属迁移现象不明显；二是调研收集到的文献数据量偏少，且各研究文献的采样时间、地点和分析方法存在差异，统计学差异难以体现。

综上，源头分类采样的家庭厨余垃圾性质能代表其产生时的实际状态，可以用作家庭厨余垃圾管理系统设计的基础数据。

2.3 家庭厨余垃圾与餐厨垃圾理化性质对比分析

对本研究实测的和文献中源头分类采样的家庭厨余垃圾理化性质数据进行汇总统计，结果见表2。本研究调研的40篇与餐厨垃圾性质相关的研究文献可以分为两大类：一类是对某地区餐厨垃圾特性总体情况的调查分析，需要对多个餐馆、食堂或餐厨垃圾收集点的多次采样分析；另一类是餐厨垃圾处理技术研发过程中的原料性质分析，通常只进行一次采样，并通过手工分拣出骨头、塑料、纸巾等杂质以确保样品纯净度。对两类文献的数据结果进行差异性分析，未发现显著差异（P＞0.05）。因此，对文献中的餐厨垃圾理化性质数据不做区分，统计结果见表2。

表2 家庭厨余垃圾与餐厨垃圾理化性质Table 2 Physical-chemical characteristics of HFW and RFW

餐厨垃圾杂质含量数据全部来自垃圾特性调查类文献，没有手工分拣杂质环节，可以反映餐厨垃圾产生端的实际情况。文献数据统计结果为12.1%±5.7%，与家庭厨余垃圾没有显著差异（P=0.37，双尾），在生物处理前均需通过预处理去除杂质。

餐厨垃圾的含水率为80.2%±5.7%，略高于家庭厨余垃圾（76.7%±4.8%），差异不明显（P=0.09，双尾）。餐厨垃圾的密度为（0.92±0.17）t/m3，显著高于家庭厨余垃圾（0.38±0.16）t/m3，（P=0.000 29，双尾）。虽然两者的含水率差异不大，但密度却显著不同，原因在于餐厨垃圾中的水分以自由水为主，外观形态接近流质；而家庭厨余垃圾一般呈结构疏松的固态［13］，水分以物质内部的间隙水为主，鲜见流动液体。这一特点决定其适合不同的收运方式，餐厨垃圾通常用桶装收集、罐车密封运输；家庭厨余垃圾可以用袋装或桶装收集、桶换桶直运或无泄漏船型车等多种方式运输。此外，两者的水分脱除方式也不同，餐厨垃圾通常用三相分离机实现水、油、固分离；家庭厨余垃圾则需要用压榨设备去除水分。

餐厨垃圾的含盐量（以干基计）为3.89%±2.00%，显著高于家庭厨余垃圾（以干基计）1.34%±0.51%（P=0.043，双尾）。盐分对生物处理过程的影响表现为Na+的“低促高抑”作用［33］，即当Na+浓度较低时，是微生物生长的必需元素，可以促进酶反应；但随着浓度升高逐渐表现为毒性作用。多项研究表明［34-36］，当厌氧消化液的Na+浓度达到5～10 g/L 时，对厌氧消化反应表现出较强的抑制作用。按照湿式中温厌氧消化工程实践有机负荷（以VS 计）2.3～2.7 kg/（m3·d）推算［37］，以餐厨垃圾和家庭厨余垃圾为反应物的厌氧消化反应器内的Na+浓度分别为0.039～0.046 g/L 和0.015～0.017 g/L，未达到抑制限值。由于家庭厨余垃圾含固率高，一般认为采用干式厌氧发酵或堆肥处理的资源化利用效率更高。研究发现，当堆肥物料含盐量（以NaCl 计）高于1.5%［38］，干式厌氧发酵物料含盐量（以NaCl 计）高于4%［39］时，会显著抑制微生物生长，进而影响甲烷产量、堆肥产品腐熟度和灭菌效果等。这两种处理方式中，家庭厨余垃圾中的盐分不会被额外添加的水分稀释，相当于反应物料NaCl 浓度为0.31%（湿基），亦低于抑制限值。综上，家庭厨余垃圾和餐厨垃圾中的盐分不会对生物处理的反应过程产生明显抑制作用。但需注意评估肥料产品中的盐分对施用土壤的长期影响［40］。郭全忠等［41］研究发现，对菜田土壤长期（5 a 以上）施用猪粪沼液沼渣，会造成土壤中盐分的快速累积，存在促进土壤次生盐渍化的潜在风险。

有机质和生物质组成是关系厨余垃圾生物可利用性的关键指标。餐厨垃圾的有机质含量（以干基计）为90.1%±4.8%，显著高于家庭厨余垃圾81.8%±5.7%（P=0.000 1，双尾），主要原因在于其脂肪含量（21.6%±7.9%）比家庭厨余垃圾（12.3%±6.1%，P=0.022，双尾）高近10 个百分点。餐厨垃圾中较高的脂肪浓度会对厌氧消化产生酸化抑制、阻碍沼气溢出等负面影响［42-43］，同时脂肪中的油脂具有较高的转化利用价值［44］，因此，餐厨垃圾处理设施通常会在预处理环节设置三相分离器提取油脂，油脂提取率约为3%～5%。家庭厨余垃圾预处理过程中的油脂提取环节需根据进料纯度调整，工程实际中的提油率约为1.0%～1.5%，大部分案例受杂质含量较高的影响未设置提油环节。此外，餐厨垃圾和家庭厨余垃圾的碳水化合物、蛋白质含量和C/N 没有显著差异。有关C/N 的报道中，有大约2/3 的数据小于20，均值为20 左右，低于生物反应适宜范围（好氧堆肥为20～30，厌氧消化为25～30）［45］，生物处理过程中易产生氨抑制，需添加辅料调节。

重金属指标是反映厨余垃圾处理产品生物安全性的重要指标之一。家庭厨余垃圾经好氧堆肥处理后，大部分有机质和水分转化流失，重金属被浓缩，以减重率40%［46］测算，堆肥产品中的Pb、Cd、Hg、Cr、As 浓度（以干基计）分别为（1.96±1.68）、（0.29±0.25）、（0.07±0.05）、（14.44±17.93）、（1.73±1.63）mg/kg，均低于NY/T 525—2021 有机肥料中限量指标和GB 15618—2018 土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准中的筛选值下限；除Cd 之外，低于深圳市DB 4403/T 68—2020 土壤环境背景值。曹长明等［47］将重金属浓度与本研究测算结果接近的厨余垃圾堆肥施用于苹果园，发现短期（1 a）内不会造成土壤和苹果中的重金属污染。Chen 等［48］对生菜土壤连续施用3 a 禽畜粪污堆肥后，发现土壤中的Cd 浓度升高了32%。因此，堆肥产品使用者应注意控制施肥用量和时间，避免造成土壤中重金属累积。关于餐厨垃圾性质的研究中鲜见对重金属数据的报道。相关文献研究结果显示，餐厨垃圾的Hg 浓度为0.87 mg/kg，比家庭厨余垃圾高1 个数量级［49-50］，超过GB 13078—2017 饲料卫生标准中饲料原料浓度标准上限；其余重金属浓度与家庭厨余垃圾相似。但由于数据量过少，该结论的可靠性有限，需更多研究探讨。

有机元素含量决定了厨余垃圾的燃烧特性，是影响热化学反应过程的重要指标。对比发现，餐厨垃圾与家庭厨余垃圾的C、H、O、N、S 元素含量没有显著差异，与美国数据（以干基计，分别为48.0%、6.4%、37.6%、2.6%、0.4%）［51］接近。