浅谈以餐厨垃圾为原料的清洁能源生产 黄晨叶，5110369029 (信息安全工程学院，上海交通大学，上海市，200240) 摘要：餐厨垃圾，俗称泔脚，是居民在生活消费过程中形成的生活废物，极易腐烂变质， 散发恶臭，传播细菌和病毒。但是，如果通过生物技术以它为原料进行能源能源生产， 这就能消除餐厨垃圾对环境的负面影响，而且通过此种手法得到的能源是清洁能源，可 以说是变废为宝。本文围绕餐厨垃圾，研究以它为原料的清洁能源生产。 关键字：餐厨垃圾、清洁能源、生物柴油、燃料酒精、甲烷 Clean Energy Production from Kitchen Garbage Chenye Huang,5110369029 (School of Information Security Engineering,Shanghai JiaoTong University,Shanghai) Abstract:Kitchen garbage is defined as domestic waste formed in process of residents'living consumption.It is extremely easy to rot,fetid,spread bacteria and viruses.If,however, kitchen garbage is used as raw material in producing energy by biotechnology,this will greatly eliminate kitchen garbage's bad influence on the environment.In addition,energy produced from this kind of means is considered as clean energy,which means garbage is to a large extent turned into treasure.This essay focuses on kitchen garbage and does a research on clean energy production from it. Key words:kitchen garbage,clean energy,biodiesel,fuel alcohol,methane 0引言 通常碍于面子问题很少这样做。 餐厨垃圾具有以下特点：(1)其盐分含 餐厨垃圾是食物垃圾中最主要的一种， 量很高(2)含水量高，可达80%-95%(3) 包括家庭、学校、食堂及餐饮行业等产生的 有机物含量高，有淀粉、纤维素、蛋白质、 食物加工下脚料和食用残余。餐厨垃圾其成 脂类等(4)富含氮、磷、钾、钙及各种微 分复杂，主要成分包括：米和面粉类食物残 量元素(5)易腐烂、变质、散发恶臭、传 余、动植物油、蔬菜、肉骨等，从化学组成 播细菌和病毒。 上，有淀粉、纤维素、蛋白质、脂类和无机 盐。 1发展以餐厨垃圾为原料的清洁 我国餐厨垃圾数量十分巨大，并呈快速 上升趋势。来自北京市发展改革委的数字， 北京市每天产生1200吨餐厨垃圾。清华大 能源生产的必要性 学环境系固体废物污染控制及资源化研究 所的统计数据表明，中国城市每年产生餐厨 1.1发展清洁能源的必要性 垃圾不低于6000万吨。由于饮食文化和聚 如今，中国一些大城市如北京、上海的 餐习惯，餐厨垃圾成了中国独有的现象。商 空气质量成为一个严重问题。P2.5成为当 务宴请尤其是餐厨垃圾数量庞大的罪魁祸 下热议话题。在欧洲，每年由于颗粒物污染 首。一般的家庭聚会对餐桌上的剩饭剩菜还 造成的死亡人数达到了20万，空气污染的 能以打包带回的方式慷慨对待，商务宴请则 元凶之一来自于非清洁能源的排放。如果不
浅谈以餐厨垃圾为原料的清洁能源生产 黄晨叶，5110369029 （信息安全工程学院，上海交通大学，上海市，200240） 摘要：餐厨垃圾，俗称泔脚，是居民在生活消费过程中形成的生活废物，极易腐烂变质， 散发恶臭，传播细菌和病毒。但是，如果通过生物技术以它为原料进行能源能源生产， 这就能消除餐厨垃圾对环境的负面影响，而且通过此种手法得到的能源是清洁能源，可 以说是变废为宝。本文围绕餐厨垃圾，研究以它为原料的清洁能源生产。 关键字：餐厨垃圾、清洁能源、生物柴油、燃料酒精、甲烷 Clean Energy Production from Kitchen Garbage Chenye Huang, 5110369029 (School of Information Security Engineering, Shanghai JiaoTong University, Shanghai) Abstract: Kitchen garbage is defined as domestic waste formed in process of residents’ living consumption. It is extremely easy to rot, fetid, spread bacteria and viruses. If, however, kitchen garbage is used as raw material in producing energy by biotechnology, this will greatly eliminate kitchen garbage’s bad influence on the environment. In addition, energy produced from this kind of means is considered as clean energy, which means garbage is to a large extent turned into treasure. This essay focuses on kitchen garbage and does a research on clean energy production from it. Key words: kitchen garbage, clean energy, biodiesel, fuel alcohol, methane 0 引言 餐厨垃圾是食物垃圾中最主要的一种, 包括家庭、学校、食堂及餐饮行业等产生的 食物加工下脚料和食用残余。餐厨垃圾其成 分复杂，主要成分包括：米和面粉类食物残 余、动植物油、蔬菜、肉骨等，从化学组成 上，有淀粉、纤维素、蛋白质、脂类和无机 盐。 我国餐厨垃圾数量十分巨大，并呈快速 上升趋势。来自北京市发展改革委的数字， 北京市每天产生 1200 吨餐厨垃圾。清华大 学环境系固体废物污染控制及资源化研究 所的统计数据表明，中国城市每年产生餐厨 垃圾不低于 6000 万吨。由于饮食文化和聚 餐习惯，餐厨垃圾成了中国独有的现象。商 务宴请尤其是餐厨垃圾数量庞大的罪魁祸 首。一般的家庭聚会对餐桌上的剩饭剩菜还 能以打包带回的方式慷慨对待，商务宴请则 通常碍于面子问题很少这样做。 餐厨垃圾具有以下特点：（1）其盐分含 量很高（2）含水量高，可达 80%-95%（3） 有机物含量高，有淀粉、纤维素、蛋白质、 脂类等（4）富含氮、磷、钾、钙及各种微 量元素（5）易腐烂、变质、散发恶臭、传 播细菌和病毒。 1 发展以餐厨垃圾为原料的清洁 能源生产的必要性 1.1发展清洁能源的必要性 如今，中国一些大城市如北京、上海的 空气质量成为一个严重问题。PM2.5 成为当 下热议话题。在欧洲，每年由于颗粒物污染 造成的死亡人数达到了 20 万，空气污染的 元凶之一来自于非清洁能源的排放。如果不
对PM2.5进行重视，它将严重地影响到人们 农业部规划设计院能源环保所张玉华 的健康。 研究员指出，由于餐厨垃圾极易腐烂变质， 会产生使人难以接受的不良感受，如刺激性 2010 国家 2010年 2009年 2009 年排 总投资 总投资 年排 气味。而餐饮行业产生的餐厨垃圾中剩菜汤、 名 否 馊水含量很大，容易在收集、运输途中泄漏， 1 中国 54.5 39.1 1 影响城市环境。餐厨垃圾直接被填埋处理， 德国 41.2 20.6 会造成地下水的严重污染。 3 美国 34 22.5 2 由上述分析可知，如何更好地餐厨垃圾， 4 意大利 13.9 6.2 8 必须得到政府和相关研究机构的重视。 欧盟其他 13.4 13.3 4 国家 2利用餐厨垃圾生产清洁能源 巴西 7.6 7.7 7 7 加拿大 5.6 3.5 9 传统情况下餐厨垃圾将被以焚烧、填埋、 西班牙 4.9 10.5 6 堆肥等方式处理。现在随着科技的发展，产 9 法国 4 3.2 12 生餐厨垃圾生产生物柴油、餐厨垃圾生产燃 10 印度 4 3.2 11 料酒精、餐厨垃圾生产甲烷等几种变废为宝 清洁能源投资总颜比较（单位：10亿美元） 的方式，让餐厨垃圾也产生了积极的作用。 上表为2010年G-20国家清洁能源总投 资额比较。2010年全球清洁能源总投资达到 2.1餐厨垃圾生产生物柴油 2430亿美元，清洁能源对可持续发展有着重 生物柴油(Biodiesel)是指以油料作物、 大意义，中国成为了清洁能源领导者。 野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂 以及动物油脂等为原料油通过酯交换工艺 1.2将餐厨垃圾能源化的必要性 制成的可代替石化柴油的再生性柴油燃料， 目前，餐厨垃圾在我国绝大多数城市存 也称为可再生燃油。生物柴油是含氧量极高 在管理无序、任意处置的问题。大部分饭店、 的复杂有机成分的混合物，这些混合物主要 食堂产生的餐厨垃圾由郊区的养猪户收集， 是一些分子量大的有机物，几乎包括所有种 导致了垃圾猪、地沟油现象屡次令民众丧失 类的含氧有机物，如：醚、酯、醛、酮、酚、 对中国食品安全的信心。 有机酸、醇等。现在生物柴油已经在一些发 利用未经处理的餐厨垃圾喂猪容易导 达国家成为了传统柴油的有效补充，通过与 致疾病传播。清华大学环境系固体废物污染 传统柴油混合，发挥着节约资源、降低污染 控制及资源化研究所所长聂永丰指出，餐饮 物等积极作用。 利用餐厨垃圾生产生物柴油价格便宜， 行业产生的餐厨垃圾可能含有多种病菌，未 而且具有良好的环保性，使用过程中可使$02 经处理直接饲养畜禽，会通过畜禽体内毒素、 的排放减少约30%，而温室气体C02可减少60% 有害物质的积累对人体健康带来危害，从而 左右。据统计，每吨餐厨垃圾可以提炼出 造成人畜之间的交叉传染，因此，这种食物 20-80公斤废油脂，经过加工后可制成生物 链形式隐藏着巨大的病原体转移与扩散的 柴油。 危险。而地沟油中含有黄曲霉素、苯等有毒 餐厨垃圾提炼垃圾油后，采用硫酸作为 物质，经过不法途径回到人们的餐桌，供人 催化剂，与甲醇发生酯交换，经过静置沉淀 分层，清洗3-5次后蒸发甲醇再进行干燥， 食用会造成慢性疾病的发生甚至致癌，对人 成品即为生物柴油。生产生物柴油成为餐厨 们的身体健康造成极大的危害。 垃圾处理的一个重要发展方向
对 PM2.5 进行重视，它将严重地影响到人们 的健康。 清洁能源投资总额比较（单位：10 亿美元） 上表为 2010 年 G-20 国家清洁能源总投 资额比较。2010 年全球清洁能源总投资达到 2430 亿美元，清洁能源对可持续发展有着重 大意义，中国成为了清洁能源领导者。 1.2 将餐厨垃圾能源化的必要性 目前，餐厨垃圾在我国绝大多数城市存 在管理无序、任意处置的问题。大部分饭店、 食堂产生的餐厨垃圾由郊区的养猪户收集， 导致了垃圾猪、地沟油现象屡次令民众丧失 对中国食品安全的信心。 利用未经处理的餐厨垃圾喂猪容易导 致疾病传播。清华大学环境系固体废物污染 控制及资源化研究所所长聂永丰指出，餐饮 行业产生的餐厨垃圾可能含有多种病菌，未 经处理直接饲养畜禽，会通过畜禽体内毒素、 有害物质的积累对人体健康带来危害，从而 造成人畜之间的交叉传染，因此，这种食物 链形式隐藏着巨大的病原体转移与扩散的 危险。而地沟油中含有黄曲霉素、苯等有毒 物质，经过不法途径回到人们的餐桌，供人 食用会造成慢性疾病的发生甚至致癌，对人 们的身体健康造成极大的危害。 农业部规划设计院能源环保所张玉华 研究员指出，由于餐厨垃圾极易腐烂变质， 会产生使人难以接受的不良感受，如刺激性 气味。而餐饮行业产生的餐厨垃圾中剩菜汤、 馊水含量很大，容易在收集、运输途中泄漏， 影响城市环境。餐厨垃圾直接被填埋处理， 会造成地下水的严重污染。 由上述分析可知，如何更好地餐厨垃圾， 必须得到政府和相关研究机构的重视。 2 利用餐厨垃圾生产清洁能源 传统情况下餐厨垃圾将被以焚烧、填埋、 堆肥等方式处理。现在随着科技的发展，产 生餐厨垃圾生产生物柴油、餐厨垃圾生产燃 料酒精、餐厨垃圾生产甲烷等几种变废为宝 的方式，让餐厨垃圾也产生了积极的作用。 2.1餐厨垃圾生产生物柴油 生物柴油(Biodiesel)是指以油料作物、 野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂 以及动物油脂等为原料油通过酯交换工艺 制成的可代替石化柴油的再生性柴油燃料， 也称为可再生燃油。生物柴油是含氧量极高 的复杂有机成分的混合物，这些混合物主要 是一些分子量大的有机物，几乎包括所有种 类的含氧有机物，如：醚、酯、醛、酮、酚、 有机酸、醇等。现在生物柴油已经在一些发 达国家成为了传统柴油的有效补充，通过与 传统柴油混合，发挥着节约资源、降低污染 物等积极作用。 利用餐厨垃圾生产生物柴油价格便宜， 而且具有良好的环保性，使用过程中可使SO2 的排放减少约30%，而温室气体CO2 可减少60% 左右。据统计，每吨餐厨垃圾可以提炼出 20-80 公斤废油脂，经过加工后可制成生物 柴油。 餐厨垃圾提炼垃圾油后，采用硫酸作为 催化剂，与甲醇发生酯交换，经过静置沉淀 分层，清洗3-5次后蒸发甲醇再进行干燥， 成品即为生物柴油。生产生物柴油成为餐厨 垃圾处理的一个重要发展方向。 2010 年排 名 国家 2010 年 总投资 2009 年 总投资 2009 年 排 名 1 中国 54.5 39.1 1 2 德国 41.2 20.6 3 3 美国 34 22.5 2 4 意大利 13.9 6.2 8 5 欧盟其他 国家 13.4 13.3 4 6 巴西 7.6 7.7 7 7 加拿大 5.6 3.5 9 8 西班牙 4.9 10.5 6 9 法国 4 3.2 12 10 印度 4 3.2 11
2.2餐厨垃圾生产燃料酒精 能100%被转化为能源，但相信随着科技 当前我国的酒精生产主要以玉米、稻谷、 进步，餐厨垃圾能源化这一技术将在生 小麦等粮食作物为原料。从资源有效利用和 物技术领域中扮演着至关重要的角色。 降低生产成本方面考虑，利用含丰富淀粉及 纤维素类的废弃物作为原料无疑更具有优 [参考文献] [1]Morishita T,Yasuda H.Fukumoto A,et al 势。当前已有利用农业废弃物如农作物的秸 Kitchen garbage disposal system:European 秆、玉米渣以及废弃的甜菜叶茎等进行酒精 Patent EP0611742[P].1997-6-18. 生产的研究，而利用餐厨垃圾生产燃料酒精 [2]Wang Q,Ma H,Xu W,et al.Ethanol 报道很少。淀粉、纤维素、蛋白质和脂肪都 production from kitchen garbage using response 是酒精的发酵原料，餐厨垃圾含有丰富的这 surface methodology[J].Biochemical 些物质，因此，可以想象，餐厨垃圾是生产 Engineering Journal,2008,39(3):604-610. 酒精极好的原料。 [3]Koike Y,An MZ,Tang Y Q,et al. 利用餐厨垃圾发酵生产酒精，不仅可以 Production of fuel ethanol and methane from 解决城市垃圾中排放量越来越大且难以处 garbage by high-efficiency two-stage 理的环境污染问题，还可以有效地实现其减 fermentation process[J].Journal of bioscience 量化、无害化与资源化，另外对扩大酒精生 and bioengineering,2009,108(6):508-512. 产原料来源，降低酒精生产成本将具有积极 [4]Kanai M,Ferre V.,Wakahara S,et al.A novel 意义。 combination of methane fermentation and MBR-Kubota Submerged Anaerobic 2.3餐厨垃圾生产甲烷 Membrane Bioreactor process[J].Desalination, 餐厨垃圾的厌氧发酵是利用厌氧微生 2010.250(3):964-967 物将餐厨垃圾有机物降解，转换为甲烷和二 [5]Sawayama S,Inoue S,Minowa T,et al. 氧化碳。厌氧发酵在密闭容器中进行，反应 Thermochemical liquidization and anaerobic 不受供氧限制，而且不易产生臭气等污染物， treatment of kitchen garbage[J].Journal of 对环境友好。 fermentation and bioengineering,1997,83(5): 餐厨垃圾厌氧产甲烷是一种切实可行 451-455 的资源化和环保新技术，从而受到各国政府 [6]Su W,Ma H,Gao M,et al.Research on 的高度重视。德国是欧盟重要的沼气生产国， biodiesel and ethanol production from food 主要采用中温与高浓度相结合的液态发酵 waste[C]//Bioinformatics and Biomedical 热电联供技术。英国利用人和动物的有机废 Engineering (iCBBE),2010 4th International 物作为原料，厌氧发酵产生的甲烷可以替代 Conference on.IEEE,2010:1-4. 英国25%的煤。2009年我国重庆将餐厨垃圾 [7]Niu JL,Liang L Z,Zheng B G.Treatment 中的油脂加工成燃料，剩余部分利用厌氧发 Status of Kitchen Waste and its Enzymolysis 酵后产生的沼气发电，年产沼气达到1400 Properties[J].Advanced Materials Research, 万立方米，发电3300万千瓦时。 2012.518:3573-3576 [8]XIAO J,LU H,LIU Y,et al.Study on Regeneration Technology of Food Residue[J] 3结语 Environmental Science and Technology,2011: 大力发展可再生能源，对我国应对能源 S2 危机有着显著意义，对能源的可持续发 [9]Brown MA,Levine M D,Short W,et al. 展是至关重要的。以餐厨垃圾作为原料 Scenarios for a clean energy future[J.Energy 进行清洁能源生产这一技术正在被实 policy.2001,29(14):1179-1196 现。尽管由于技术限制，餐厨垃圾还未 [10]Grunwald M.The clean energy scam[J]
2.2 餐厨垃圾生产燃料酒精 当前我国的酒精生产主要以玉米、稻谷、 小麦等粮食作物为原料。从资源有效利用和 降低生产成本方面考虑，利用含丰富淀粉及 纤维素类的废弃物作为原料无疑更具有优 势。当前已有利用农业废弃物如农作物的秸 秆、玉米渣以及废弃的甜菜叶茎等进行酒精 生产的研究，而利用餐厨垃圾生产燃料酒精 报道很少。淀粉、纤维素、蛋白质和脂肪都 是酒精的发酵原料，餐厨垃圾含有丰富的这 些物质，因此，可以想象，餐厨垃圾是生产 酒精极好的原料。 利用餐厨垃圾发酵生产酒精，不仅可以 解决城市垃圾中排放量越来越大且难以处 理的环境污染问题，还可以有效地实现其减 量化、无害化与资源化，另外对扩大酒精生 产原料来源，降低酒精生产成本将具有积极 意义。 2.3 餐厨垃圾生产甲烷 餐厨垃圾的厌氧发酵是利用厌氧微生 物将餐厨垃圾有机物降解，转换为甲烷和二 氧化碳。厌氧发酵在密闭容器中进行，反应 不受供氧限制，而且不易产生臭气等污染物， 对环境友好。 餐厨垃圾厌氧产甲烷是一种切实可行 的资源化和环保新技术，从而受到各国政府 的高度重视。德国是欧盟重要的沼气生产国， 主要采用中温与高浓度相结合的液态发酵 热电联供技术。英国利用人和动物的有机废 物作为原料，厌氧发酵产生的甲烷可以替代 英国25%的煤。2009 年我国重庆将餐厨垃圾 中的油脂加工成燃料，剩余部分利用厌氧发 酵后产生的沼气发电，年产沼气达到1400 万立方米，发电3300万千瓦时。 3 结语 大力发展可再生能源，对我国应对能源 危机有着显著意义，对能源的可持续发 展是至关重要的。以餐厨垃圾作为原料 进行清洁能源生产这一技术正在被实 现。尽管由于技术限制，餐厨垃圾还未 能100%被转化为能源，但相信随着科技 进步，餐厨垃圾能源化这一技术将在生 物技术领域中扮演着至关重要的角色。 [参考文献] [1] Morishita T, Yasuda H, Fukumoto A, et al. Kitchen garbage disposal system: European Patent EP 0611742[P]. 1997-6-18. [2] Wang Q, Ma H, Xu W, et al. Ethanol production from kitchen garbage using response surface methodology[J]. Biochemical Engineering Journal, 2008, 39(3): 604-610. [3] Koike Y, An M Z, Tang Y Q, et al. Production of fuel ethanol and methane from garbage by high-efficiency two-stage fermentation process[J]. Journal of bioscience and bioengineering, 2009, 108(6): 508-512. [4] Kanai M, Ferre V, Wakahara S, et al. A novel combination of methane fermentation and MBR—Kubota Submerged Anaerobic Membrane Bioreactor process[J]. Desalination, 2010, 250(3): 964-967. [5] Sawayama S, Inoue S, Minowa T, et al. Thermochemical liquidization and anaerobic treatment of kitchen garbage[J]. Journal of fermentation and bioengineering, 1997, 83(5): 451-455. [6] Su W, Ma H, Gao M, et al. Research on biodiesel and ethanol production from food waste[C]//Bioinformatics and Biomedical Engineering (iCBBE), 2010 4th International Conference on. IEEE, 2010: 1-4. [7] Niu J L, Liang L Z, Zheng B G. Treatment Status of Kitchen Waste and its Enzymolysis Properties[J]. Advanced Materials Research, 2012, 518: 3573-3576. [8] XIAO J, LU H, LIU Y, et al. Study on Regeneration Technology of Food Residue[J]. Environmental Science and Technology, 2011: S2. [9] Brown M A, Levine M D, Short W, et al. Scenarios for a clean energy future[J]. Energy policy, 2001, 29(14): 1179-1196. [10] Grunwald M. The clean energy scam[J]
Time,2008.171(15):28-32 [11]Shin H S.Youn J H,Kim S H.Hydrogen production from food waste in anaerobic mesophilic and thermophilic acidogenesis[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2004,29(13):1355-1363. [12]Han S K,Kim S H,Shin H S.UASB treatment of wastewater with VFA and alcohol generated during hydrogen fermentation of food waste[J].Process Biochemistry,2005,40(8):2897-2905. [13]Kulkarni M G,Dalai A K.Waste cooking oil an economical source for biodiesel:A review[J].Industrial engineering chemistry research,2006,45(9):2901-2913
Time, 2008, 171(15): 28-32. [11] Shin H S, Youn J H, Kim S H. Hydrogen production from food waste in anaerobic mesophilic and thermophilic acidogenesis[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2004, 29(13): 1355-1363. [12] Han S K, Kim S H, Shin H S. UASB treatment of wastewater with VFA and alcohol generated during hydrogen fermentation of food waste[J]. Process Biochemistry, 2005, 40(8): 2897-2905. [13] Kulkarni M G, Dalai A K. Waste cooking oil an economical source for biodiesel: A review[J]. Industrial & engineering chemistry research, 2006, 45(9): 2901-2913