操乾 操家顺 赵嘉楠 张怡蕾 张春雷 许喆

摘要：指出了食物垃圾在城市生活垃圾中占比达30%～60%，其在收集、中转、运输和处理处置时会对环境产生不利影响。食物垃圾处理器（FWDs）的应用可以有效减少生活垃圾的产生量，促进垃圾分类，同时提升污水处理厂的碳源水平。综述了FWDs的性能及其应用现状，综合评估了其使用产生的环境影响。

关键词：垃圾处理器;食物垃圾;污水处理;碳源;环境影响

中图分类号：X33

文献标识码：A

文章编号：1674-9944（2018）6-0081-06

1引言

随着城镇化的加速与居民生活质量的不断提升，城镇生活垃圾的产生量也越来越大。2015年，中国生活垃圾清运量达到了19141.9万t，已成为世界上最大的垃圾产出国，目前仍保持着8% -10%的年增长率，全国2/3以上的城市深陷“垃圾围城”困境。

填埋仍然是全球范围内最方便且经济的垃圾处理方法。但城市生活垃圾在进行填埋处理时会产生恶臭和渗滤液，并对大气环境及地下水、地表水环境产生不利影响。

在中国，大部分城市并未真正实现垃圾分类收集，虽然在公共场所及小区等区域设置了分类收集箱，并在媒体及公众可见区域进行长期、持续的宣传，但源头分类效果甚微，即使在源头进行了分类，后续也未能实现分类处置。据调查，上海普通居民家庭产生的餐厨垃圾大部分都混入了生活垃圾中，占比为50%-70%，与其它无机垃圾一起作填埋或焚烧处置。从而导致上海生活垃圾含水率较高，达到了80% -90%，且低位热值较低，不符合垃圾焚烧及填埋的要求。因此，如何将食物垃圾从城市生活垃圾中分离出来成为了一个亟待解决的难题。

为了减少垃圾填埋量，提高城市生活垃圾处理率，世界各国不断出台环保政策，并提出新的垃圾处理处置办法。包括资源回收，使用食物垃圾处理器，集中焚烧，家庭或集中堆肥，或与污水处理厂的污泥一起进行厌氧消化等。

国际固体废物协会2015年的报告指出，全球城市生活垃圾产生量约为20亿t，其中近13亿t为食物垃圾，约占65%。食物垃圾主要由厨余垃圾（包括家庭、员工食堂、饭店等）及食物加工过程中产生的垃圾、过期食品等组成。食物垃圾的产生量与不同地区、营养结构、居民生活方式和社会经济条件等诸多因素有关。食物垃圾成分复杂，包括固形物、有机物、油脂、盐分等。如能将其从生活垃圾中有效分离，则可大大简化垃圾处理流程.减少垃圾的处置量.且有利于源头其余垃圾的分类资源化利用，同时减少垃圾中转、填埋产生的渗滤液、填埋气体的处理费用等。此外，还可以有效避免因垃圾中转站、填埋场、焚烧场等设置的“邻避效应”，实现经济效益、环境效益、社会效益的有机统一。

早在1927年，美国就发明了食物垃圾处理器，它是一种安装在水池台盆下，可以将食物垃圾磨碎后冲进下水管道，进入污水处理厂的厨房设备。在磨碎食物垃圾的过程中，少量的自来水可以让研磨过程更有效率且均匀，同时也可降低固形物在排水管道的滞留，实现固形物的输送。应用实践表明，食物垃圾处理器是一种实用且有效的厨余垃圾处理办法。食物垃圾处理器的应用，可大大减少源头湿垃圾的产生量，有利于实现家庭垃圾的分类与资源利用。家庭湿垃圾的减少也可以为减少小区“四害”、提升人居环境质量创造条件。同时，磨碎后的食物垃圾进入城镇污水处理系统可增加污水处理厂的进水浓度，为污水处理厂生物脱氮除磷提供良好的碳源条件。

但是，食物垃圾处理器的使用会增加家庭的用水量、耗电量及噪声，同时一定程度上也会改变生活污水理化特性，增加排水系统的负荷。

本文旨在通过调研分析世界上不同国家食物垃圾处理器的使用状况、城市生活垃圾和食物垃圾产生量的变化情况，综合评估食物垃圾处理器对城市生活垃圾的分类及对污水处理系统和环境造成的潜在影响。

2食物垃圾的产生

城市生活垃圾和食物垃圾的产生量与地域、居民生活方式、烹饪风格和社会经济条件等因素有关。但城市生活垃圾和食物垃圾产生量很大程度上取决于经济因素，城市生活垃圾和食物垃圾的产生量一定程度上可以作为一个国家经济状况的指示指标。

城市生活垃圾的产生量与居民的收入水平密切相关，如图1。联合国气候变化专门委员会（IPCC）2006年出版的国家温室气体清单中，统计了各国城市生活垃圾和食物垃圾的产生量，从数据中可以得出：低收入、中低收入、中高收入和高收入经济体的城市生活垃圾产生量分别约为0.52、0.67、0.83和1.49 kg/（人·d），其中低收入国家与高收入国家的城市生活垃圾產生量相差很大，接近1 kg/（人·d）。食物垃圾的产生量基本与城市生活垃圾产生量的趋势一致。低收入、中低收入、中高收入和高收入经济体的平均食物垃圾产生量分别约为0.26、0.31、0.34和0.43kg/（人·d），其中高收入国家和低收入国家食物垃圾产生量之差为0.17kg/（人·d），增加了40%。但是，食物垃圾的占比随着各国人均国民总收入的升高而降低，这主要是由于低收入国家的城市生活垃圾产生量少，食物垃圾在垃圾总量中占到了相当大的比例。

根据上海最近的一项研究，虽然食物垃圾占城市生活垃圾的比重在逐渐下降，且随着生活水平、营养结构的变化以及净菜上市率的提高，生活垃圾中的食物垃圾所占比例不断减少，但在未来十几年内，食物垃圾将仍然占主导地位（50%-60%）。同时，随着城市生活垃圾产生量逐年增加，食物垃圾的产生总量仍然呈上升趋势。

3食物垃圾处理器的应用现状

目前，食物垃圾处理器（FWD）主要分3种类型：一种是机械研磨型，即将餐厨垃圾粉碎后，直接排入下水道;一种以减量化为主，也称消化型，采用加热器使水分蒸发，减小垃圾体积;另一类是生化处理型，近几年在国外蓬勃兴起.是先利用细菌将有机物分解之后，再将剩下的残渣作为肥料使用。

所谓机械研磨型其原理是通过高速运转的刀片将装在内胆里的各种食物垃圾切碎后再将搅拌物冲入下水道，这既解决了水道堵塞带来的麻烦，又解决了因垃圾腐烂变质而带来的环境污染。

松下电子工业公司于1993年研制出MS-N40和MS- N31两种厨房垃圾处理机，3--4h可以处理0.7kg垃圾，机器内置臭氧除臭器，用以除去垃圾的多种气味。而日本精工公司2000年5月成功地开发出 使用磁控管的食物垃圾处理装置。这种装置最大的特点是能将食物垃圾的水分蒸发掉，经干燥后磨碎。这种装置由于采用微波处理，可同时杀灭垃圾中的细菌并防止产生有害气体，体积如同复印机大小，可放置在室内，底面有可随意移动，因此对市区饮食店和小型超市尤为适用，具有广阔的市场。

早在1927年，美国开始应用食物垃圾处理器，从此以后在全世界范围内广泛使用。在20世纪70年代初.由于食物垃圾处理器的使用会增加污水处理厂的处理量，并对排水系统产生影响，食物垃圾处理器在纽约被禁止使用。1997年，纽约环保部门在进行了长达21个月的调研后废除了该禁令。

美国也是全世界使用食物垃圾处理器比例最高的国家，超过95%的美国城市允许使用食物垃圾处理器，50%的美国家庭安装了食物垃圾处理器。加拿大的安装率为10%，澳大利亚和新西兰分别为12%和30 % 。虽然这些国家并未禁止使用食物垃圾处理器，但是市政当局有权限制其的使用，限制与否则取决于当地的污水处理厂是否有足够的富余处理能力。

在欧洲，由成员国白行制定最适宜的无害废物处理的相关法律法规。在这种情况下，欧盟各国有关食物垃圾处理器的立法和政策都有所不同，主要受到环保意识、污水处理厂的容量、污泥和沼气的市场，对于科技发展的态度等因素的影响。

日本垃圾的处理器包括直接排放的处理器和带处理箱的处理器。由当地政府控制两种食物垃圾处理器的使用，限制直接排放型食物垃圾处理器的安装。

4食物垃圾处理器的使用环境绩效分析

目前，各国对食物垃圾处理器的性能及其应用开展了大量的基础理论和应用研究以确定食物垃圾处理器的性能和潜在影响，部分的研究由当地政府部门或食物垃圾处理器制造商委托相关机构开展，其余的则是独立的。

食物垃圾处理器的使用所带来的直接效果是减少垃圾填埋量。瑞士是最早研究食物垃圾处理器使用影响的国家之一。该研究的周期长达两年，涉及100间公寓和211人。尽管不是每家每户都使用食物垃圾处理器，但填埋的食物垃圾减少了8%。研究显示，在食物垃圾处理器安装率为25%-75%的情况下，食物垃圾减少量为7%-43 %。以上海为例.当食物垃圾处理器的普及率为1%、5%、10%、100%时，生活垃圾减少量分别为130、650、1300、13000t/d。同时，有效降低垃圾填埋所带来的负面环境影响;减少能源使用;垃圾运输过程中产生的温室气体排放及减少与食物垃圾有关的疾病传播媒介，如蚊蝇，老鼠，蟑螂等。

研究表明，使用食物垃圾处理器可以经济、方便、卫生的将食物垃圾从源头分离。另外，食物垃圾处理器的应用对于垃圾收集复杂且成本高昂的地区，如小而分散的城镇、山区来说，意义尤为重大。

除了以上的优势之外，食物垃圾处理器的使用还会改变污水特性如增加生物脱氮除磷所需的碳源，污泥产量和处理过程中温室气体的排放量等。在下文中将对产生的具体影响进行分析。

4.1食物垃圾处理器的使用对污水水质的影响

大量研究表明，食物垃圾处理器的使用会使污水水质浓度增加，如总悬浮固体（TSS），生化需氧量（BOD），化学需氧量（COD），总氮（TN），总磷（TP）等指标。如表1所示。

由表1可见，食物垃圾处理器使用后，污水中TSS、BOD、COD、TN、TP的增量分别为7～91g/（人·d），6--77g/（人·d），18，-165 g/（人·d）、0.6～10g/（人·d）、0.1～3g/（人·d）。研究中的TSS、BOD、COD、TN、TP的具体增量百分数分别为224-60%，7.5%-62%，15%-44%，1.4% -19%和1.2%-14%。从以上的水质变化分析，BOD、COD的增量大于TN、TP的增量，因此，食物垃圾处理器的使用为中国大部分生物脱氮除磷碳源不足的南方城市污水处理厂带来了“福音”。

尽管食物垃圾处理器的使用会使TSS、BOD、COD浓度的增加，会在一定程度上增加污水处理厂的负荷，但无需改变污水处理厂的污水处理工艺。尽管额外的曝气会增加污水处理厂的运行费用，但污水中有机质含量.即碳源的增加有利于提高对氮、磷的生物去除率，从而减少处理过程中碳源的投加，进而提升污水处理厂的绩效。

对于中国大多数污水处理厂来说，由于污水处理厂的进水中碳源低，增加的食物垃圾可以提高污水的C/N、C/P的比值，改善污水的营养比例，更有利于污水的生物脱氮除磷。在上海进行的研究显示，上海市污水处理厂C/N、C/P分别仅为3.65、28.84，生物脫氮除磷需外加碳源。当食品垃圾处理器普及率为0%、1%、5%、10%、100%时，进水C/N分别为3.65，3.67，3.75，3.85，5.48; C/P分别为28.84 ，28.96 ，29.42 ，30.06 ，38.57。

操乾、赵嘉楠等在对南京使用食物垃圾处理器与不使用食物垃圾处理器的小区对照调研分析时发现，使用食物垃圾处理器的小区其碳源的增加量约为10～30%，可满足污水生物脱氮除磷要求。

除了这些优势，一些研究表明，小范围的使用食物垃圾处理器对于污水处理厂不会带来太大的影响，但是长期大量的使用食物垃圾处理器会增加成本和运行费用。例如，纽约的一项研究显示.长期，大规模的使用食物垃圾处理器所产生的额外负荷需要污水处理厂提供更大的容量和更有效的处理工艺，以去除额外的有机物和氮。同时，增加的污水流速需要用更多的泵和更大量的氯化消毒，会增加处理费用。

4.2食物垃圾处理器的使用对污泥和生物气产量的影响

食物垃圾处理器的使用增加了TSS、BOD/COD比例，有利于增加污水处理厂污泥中的有机质含量，提高污泥厌氧发酵生物气的产生量与产生速率。Galil和Yaacov研究了三种污水处理流程，包括仅生物处理T艺流程、一级沉淀加生物处理工艺、一级物化沉淀加生物处理工艺，发现：采用生物处理工艺时，产生的污泥量增加了24 --38g/（人·d）;在一级沉淀池的情况下，污泥产量增加50～80g/（人·d）;采用一级物化沉淀加生物处理工艺时，污泥产量增加50%-73%。

Bolzonella等也发现了在有一级沉淀池的污泥处理流程中，污泥和生物气产量显著增加。额外的污泥和生物气产生率列在表2中。

如表2所示，污泥产量的增加在4%到70%之间变化，生物气的产量则在22%到100%之间。

产生的CH4是一种新型能源，可以替代化石燃料产生的电能，从而抵消增加的需氧量和处理污泥时消耗的能源。但是，一些研究表明，增加的污泥产量需要额外的污泥消化、脱水、处置量，而增加运行费用。

对上海食物垃圾处理器使用污水处理效能的研究表明，食物垃圾处理器使用后提高了污水的C：N和C：P，进而改善了污泥的营养比例，更有利于污泥的厌氧消化过程.并且，对一级沉淀的生污泥进行厌氧产沼处理可增加沼气量，若这部分沼气全部用来发电，则可新增发电量13613kW·h/d，折合电费收益0.84万元/d。

除了前述的污泥量的变化，污泥泥质也发生了改变，泥质也决定了其对有机物和病原体的去除效率。Diggelman和Ham的研究表明，使用食物垃圾处理器之后，能够获得成分更加优良的污泥，并将其作为土壤调理剂，进而扩大了污泥的处置应用范围。

4.3食物垃圾处理器的使用对温室气体排放的影响

很多研究都忽视了食物垃圾处理器的使用对温室气体排放带来的影响。BOD、SS和TKN的增加必然会增加污水处理过程中排放的温室气体。同时，额外的能源消耗和污泥的运输、处理和处置过程都会增加温室气体的排放。

Evans指出，使用食物垃圾处理器的净全球变暖潜势要优于固体废物收集、集中堆肥、填埋的处理方式。 其中，使用食物垃圾处理器处理100 kg食物垃圾会排放出-16.8kg CO₂eq.，而集中堆肥或填埋处理l00 kg食物垃圾分别会产生-1.4 kg和+74.4 kgCO₂eq.。需要指出的是，这个研究中估算的净全球变暖潜势不仅包含了能量消耗过程中产生的温室气体，还有生物气的能源回收、碳回收和肥料补偿。在Wain berg等进行的生命周期研究中，与家庭堆肥、集中堆肥和与市政垃圾一起处置等方法相比，使用食物垃圾处理器温室气体排放量仅略高于家庭填埋（每100kg产生42.2kg CO₂eq.）。同样，Diggelman和Ham的生命周期研究表明，与食物垃圾处理器与郊区现场处理系统的组合，城市生活垃圾收集后填埋、城市生活垃圾集中收集后堆肥和城市生活垃圾收集后焚烧供能相比.食物垃圾处理器与公有处理厂的组合排放的温室气体最少，为每100kg食物垃圾产生44kgCO₂eq.，环境效益显著。

5食物垃圾处理器使用的其他影响分析

5.1食物垃圾处理器的使用对能源消耗的影响

使用食物垃圾处理器的耗电量取决于它的型号，种类，使用频率和使用时长。市面上，家用食物垃圾处理器的能耗在370--560W之间，而商用食物垃圾处理器的功率达到了750W。因为使用者有着不同的使用方法和生活习惯，食物垃圾处理器的使用频率和时长难以确定。在Ketzenberger的研究中，平均每天使用食物垃圾处理器2.2次，每次使用时长为11.5～16.8s。然而，其他的研究统计结果有：每日平均使用次数2～3次，使用时长36-38s。在Evans的研究中：每个家庭平均每天使用2.4次，每次16s，每年增加2--3 kW的能耗。然而在Karlberg和Norm的研究中，每个家庭每年增加的耗电量达到3--4kW。李江华等人的研究显示，食物垃圾处理器的耗电量为0.119kW·h/（人·d），折合电费约为0.073元/（人·d）。在其他的研究中：对于368W的食物垃圾处理器，每日使用时长在36s到75s之间时.耗电量在3.9到7.7 W/（人·d）之间;每天使用用24s则为2W/（人·d）。另外，Lundie和Peters的研究表明，每千克的垃圾会消耗0.02 kW的能源。而Diggelman和Ham的生命周期研究表明，使用食物垃圾处理器100kg的垃圾产生的能耗最低。 尽管所有的研究都表明，食物垃圾处理器的能耗是可以忽略的，CECED的报告仍然认为能耗是食物垃圾处理器使用的劣势之一。

5.2食物垃圾处理器的使用对用水量的影响

使用FWD时需要打开水龙头，以便将粉碎后的固形物冲入下水管。表3为使用FWD可能产生的额外用水量及其在人均用水量中的占比。如表所示，不同的研究得出了不同的估算结果。用水量的增量从1～6.6L每人每天，占比则在0.3%到3.5%之间浮动。

在所有研究中，FWD的使用所产生的额外用水量在总的人均用水量中的占比几乎可以忽略。但对于缺水严重的地区，即使是微小的增量也会带来较大的影响。尽管大部分的研究表明用水量的增量极小，但是由于用水量取决于不同家庭用水方式，每人每天产生的厨余垃圾量，以及FWD的使用频率和使用时长等因素，很难精确估算出食物垃圾处理器所产生的实际额外用水量。

研究表示，FWD的使用不仅会增加用水量，而且也会增加污水中污染物的负荷量嘲。但对于中国低碳高氮磷的市政污水而言，可以有效减少碳源的投加。

5.3食物垃圾处理器的使用对排水系统产生的影响

使用FWD后，粉碎的固形物进入排水系统，在管道系统中可能会产生SS沉淀、油脂沉积，硫化氢等气体，增加污染超负荷等不良影响。目前，有四项研究都在下水管道中安装了摄像头进行长期观察，发现：在FWD使用前，使用时和使用后都没有出现明显的SS沉积。但是，还是有一些研究者认为，下水管道中仍可能产生SS沉积。Bolzonella等在下水道中发现了不同的有机物碎片;根据颗粒物的大小和沉降速率，可以预测下水道中是否会产生沉积。

食物垃圾中的油脂会凝固并黏附在管壁上，从而导致下水管道的堵塞。然而，一些研究表明，并未发现由油脂引起的堵塞，这是因为垃圾粉碎后油脂会附着在其它颗粒物表面，被冷水冲入下水道。李江华等人的研究在实验室中模拟了弯管试验，发现：使用FWD后，管道内壁粘附的油垢、油脂会受到较大冲击力下而剥落。因此，使用FWD不但不会对家庭排水系统造成堵塞，反而有利于弯管内沉积物和油脂的去除。 但是，纽约的一项研究表明，大规模的使用FWD会加重油脂堵塞的风险，增加管道维护成本。

美国国家陶土管研究所发现，由于FWD使用使得食物垃圾进入排水系统，会在一定程度上增加硫化氢的产生量，硫化氢酸性气体会对陶土管、水泥和金属表面产生一定的腐蚀作用，导致排水系统的损坏甚至管道泄漏，同时，也会增加恶臭气体的产生量。

Wainberg等表示，在FWD应用率不断增加的情况下，增加的食物垃圾可能会增加排水管道中硫化氢的浓度。

此外，随着城市化速度的加快，部分地区出现排水系统超负荷运行，FWD的使用会带来额外的负荷。因此，在排水系统老化并且容量有限的地区，为避免由于极端天气引起的排水系统超负荷的溢流事件的发生，FWD的推广应慎重。

6结论

食物垃圾处理器既实用又相对便宜，能够有效地将食物垃圾从城市生活垃圾垃圾中分离出来，在便利垃圾收集的同时也可以减少垃圾填埋量，减少垃圾运输过程中的能源消耗，降低温室气体排放量，还可以减少收集和处理垃圾时使用的分类垃圾桶，美化社区环境，是一种处理食物垃圾的便捷方法。但是，食物垃圾处理器也会带来一些潜在的负面影响。需要考虑如用水量，對排水系统的潜在危害和由污水水质变化引起的污水处理流程上的改变和增加的污泥产量等问题。

到目前为止进行的试验和理论研究表明：食物垃圾处理器的使用对于用水量，排水系统，污水处理厂并没有很大的影响，但是它们同时也强调了长期且大规模的使用食物垃圾处理器会改变上述参数，同时也会带来经济上的影响。所以，在应用食物垃圾处理器之前，必须充分考虑到该地区的具体情况，如水资源，排水系统的情况和污水处理厂采用的处理流程和与此相关的温室气体排放和其他环境影响。我们还需要更进一步的研究以完善食物垃圾处理器，从而更好地控制这些潜在影响，使其成为可替代填埋的、可持续的垃圾处理方法。