从食物废弃物中回收资源

《Annual Review of Environment and Resources》：Resource Recovery from Food Waste

全球食品废弃物（FW）问题日益严峻，传统处理技术面临资源效率低、环境污染、产品不稳定等挑战。新兴的集成多技术系统和生物精炼厂通过多级资源利用和能源回收，显著提升资源回收率。研究提出整合 techno-economic 评估、生命周期评估（LCA）和水-能-食纽带分析（WEF nexus）的综合评估框架，以系统权衡经济、环境和资源效率。政策制定需加强源头减量、产品标准认证和激励措施，推动可持续 FW 管理实践。

　　食品浪费（FW）问题正日益严重，给环境、经济和社会带来显著的成本。食品浪费的资源化利用被视为一种有前景的策略，能够回收有价值的资源并减少环境影响。然而，尽管传统技术已被广泛应用，它们仍面临多种挑战，例如资源利用效率低、环境污染、产品不稳定以及健康风险等，经济可行性与政策兼容性也需进一步突破。集成多技术系统和生物精炼方法实现多产品联产显示出更大的潜力，能够实现多层次资源利用和能量回收。然而，当前研究仍存在关键的空白，例如缺乏数据标准化、系统集成不足以及评估框架碎片化。本文综述了当前食品浪费处理技术，提出了创新方向，如多技术耦合系统，并开发了一个结合技术经济评估、生命周期评估和水-能-粮（WEF）纽带分析的综合评估框架。

食品浪费的来源和特性决定了其处理的复杂性。食品浪费主要来源于四个领域：居民、商业、机构和工业，包括家庭、餐厅和食品加工的残余物。不同地区的食品浪费组成差异显著，例如中国家庭食品浪费以蔬菜为主（占比54%），而日本则呈现出较为平衡的分布，美国则以乳制品为主（占比22%）。食品浪费富含碳、氮、磷、钾等关键元素，但其碳氮比（C/N）通常低于最佳范围（20–30），可能导致氨释放和pH值上升，影响生物降解过程。食品浪费的高水分含量（70–80%）和酸性pH值（4–6）进一步提升了其生物降解潜力，但同时也要求定制化的生物技术策略以优化其转化为高附加值产品的效率。

传统食品浪费处理技术主要包括填埋、焚烧、厌氧消化（AD）和堆肥。这些方法虽被广泛采用，但其局限性阻碍了与循环经济和可持续资源管理原则的契合。首先，这些方法往往被视为末端处理手段，忽视了源头减少和整体过程管理，从而限制了其对食品浪费产生的源头治理能力。其次，它们通常关注局部效率，如提升单个设施的处理能力，而忽略了更广泛的系统整合和跨行业协同效应。这种碎片化导致资源回收机会的错失和与其他行业（如水和能源系统）的协作不足。最后，食品浪费的复杂性和高度变异性，特别是在城市化地区，给处理技术的标准化和规模化应用带来了挑战。

在这些传统技术中，填埋是最普遍的食品浪费处理方式，但其对环境的负面影响显著，如温室气体排放和地下水污染。焚烧虽然能有效减少体积并回收能源，但其高水分含量降低了燃烧效率，并产生有害的飞灰。厌氧消化是一种利用微生物在无氧条件下分解有机物质，产生沼气和富含营养的消化残渣的技术。然而，食品浪费的成分比例不平衡可能抑制微生物活性，导致酸化和消化过程终止。因此，研究人员探索了预处理和共消化等策略来改善其性能。堆肥作为一种成熟的技术，通过好氧微生物分解有机物质，产生稳定的腐殖质，有助于可持续农业。然而，食品浪费的异质性和高水分含量增加了预处理成本，影响了其大规模应用的可行性。动物饲料的生产虽然能够利用食品浪费的营养成分，但其安全风险，如病原体和重金属的存在，限制了其广泛应用。

近年来，产品导向的生物转化技术逐渐成为食品浪费资源化利用的新方向。这些技术通过将食品浪费转化为生物燃料、生物化学品和生物活性成分，同时解决了废弃物处理问题并产生可持续资源。例如，微生物油脂可用于生物柴油生产，但其产量较低，限制了大规模应用。生物氢气的生产则通过光发酵和暗发酵等方法进行，但工业应用面临技术挑战，如系统配置优化和氢气纯化。此外，食品浪费还可转化为乳酸、生物活性营养品等高价值产品，但其复杂的成分和低转化效率仍是主要障碍。

为了克服传统方法的局限性，新兴解决方案如多技术耦合系统和集成生物精炼技术正在兴起。这些技术通过整合多种处理方式，如将厌氧消化与热化学工艺（如水热炭化和热解）结合，或引入生物电化学处理，提高资源回收率和系统稳定性。例如，厌氧消化与水热炭化耦合系统可有效减少消化残渣体积并产生高价值的水热炭，而厌氧消化与热解耦合则可实现更高能量回收。同时，生物电化学处理与厌氧消化结合，通过电化学手段促进微生物活动，提高甲烷产量并控制pH值变化。

在政策层面，有效的政策框架对于食品浪费资源化利用的推广至关重要。目前，许多国家的政策体系尚未跟上科技进步的步伐，导致食品浪费源头减少和分类缺乏系统性和长期性，影响了公众参与和后续资源利用效率。此外，技术标准、产品质量规范和市场准入认证的滞后，使得资源化产品难以获得市场认可。经济激励措施的不足也降低了企业的投资热情。因此，未来政策应更加注重战略性和综合性，例如加强食品供应链中的源头减少措施，建立高效的冷链支持捐赠网络，并制定可持续的生物基产品认证标准。

在技术经济和环境评估方面，研究已取得显著进展，涵盖填埋、焚烧、厌氧消化和热解等多种处理技术。这些评估不仅关注温室气体排放，还涉及水和能源利用效率、土壤质量变化等广泛环境影响。然而，当前评估仍存在关键空白，如缺乏可靠的数据支持和对长期环境影响的分析。因此，改进评估方法需要构建全面的食品浪费生成数据库，并采用标准化测量方法和先进技术（如遥感和大数据分析）来支持系统评估。此外，评估框架应更加灵活，以适应不同地区的具体情况，并考虑经济可行性与环境影响之间的权衡。

从水-能-粮（WEF）纽带的视角来看，食品浪费的处理与这些关键资源的相互作用密切相关。通过综合考虑水资源、能源消耗和粮食安全，可以系统地评估食品浪费处理的效益和资源分配。例如，某些研究展示了通过机械压榨回收灌溉用水、利用厌氧消化生产沼气以及将消化残渣作为有机肥料，实现水、能源和农业领域的协同效益。然而，应用WEF纽带框架仍面临挑战，如缺乏整合评估模型，以及技术之间的权衡（如不当处理可能导致水体富营养化，而水热炭化过程可能因依赖化石能源而抵消环境效益）。因此，未来研究应更深入地理解这些纽带中的协同效应和权衡，以指导技术优化和决策制定。

为了全面推动食品浪费的可持续管理，本文提出了一种综合评估框架，结合技术经济评估、生命周期评估和WEF纽带分析。该框架涵盖了经济、环境、技术、社会政治和资源等多个维度，以系统化的方式评估食品浪费处理技术，使其能够在不同地区和条件下进行有效比较和选择。通过这一框架，决策者可以基于可靠、系统化和全面的评估结果，制定符合当地需求和优先事项的食品浪费管理方案。这一转变不仅有助于提高资源利用效率，还能加强城市WEF系统的整体韧性。

综上所述，食品浪费的资源化利用正从传统的末端处理向多技术耦合和集成生物精炼转变。这一趋势不仅提高了资源回收效率，还增强了经济可行性与环境可持续性。然而，实现这一目标需要在技术优化、政策完善和系统评估方面进行协同努力。未来研究应聚焦于开发高效的生物转化工厂、优化预处理与产品回收的协同过程、利用机器学习构建多尺度评估模型，并建立标准化的生产和安全规范，以推动食品浪费向高价值产品的转化，构建真正的循环经济体系。