《Review of Materials Research》：Composition analysis and resource route selection of food waste from different regions of China
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中国15个城市食品废物的碳氮比（11.36-38.03）、总化学需氧量（29616-132356 mg COD/L）及氨基酸、盐分等指标呈现显著区域差异，表明不同城市食品废物的化学特性及处理需求不同。研究发现，食品废物在预处理阶段部分水解酸化，其丰富的原生微生物有助于资源化利用，但高盐分和微塑料污染问题突出。基于城市经济与饮食特征，提出了差异化的资源化路径，包括甲烷、有机酸、酒精及昆虫蛋白等高附加值产品生产。
刘峰|苏宇|陈英光
同济大学环境科学与工程学院，中国上海四平路1239号，200092
摘要
为了研究中国各地食物垃圾（FW）的变化情况，我们对15个具有不同经济水平和饮食习惯的城市的食物垃圾进行了调查。这些城市的食物垃圾在碳氮比（C/N）（11.36 – 38.03）和总化学需氧量（TCOD）（29,616 – 132,356 mg COD/L）方面存在显著差异，表明其化学性质各不相同；氨基酸、盐度和辣椒素等指标也表现出明显的地域性差异。从产生到预处理的过程中，食物垃圾会部分水解并酸化，其中丰富的本土微生物有助于其回收利用。然而，高盐度和微塑料（MPs）对环境构成了严重威胁，这直接反映了垃圾分类和塑料控制方面的问题。基于研究结果和各城市的情况，本文提出了针对特定城市的食物垃圾资源化利用方案，旨在生产甲烷、有机酸、酒精、肥料和昆虫蛋白。
引言
中国最新的官方生活垃圾分类标准（GB/T 19095-2019）将食物垃圾定义为含有机物的易腐生活垃圾，主要包括家庭厨房垃圾和其他食物废弃物。随着经济和生活质量的显著提高，食物垃圾的产生量大幅增加。根据《中国生态与环境状况公报》，2023年城市生活垃圾的处理能力达到了2.59亿吨，其中食物垃圾的年产量约为1.29亿吨，占生活垃圾总量的40%（Wang等人，2023年）。
常见的食物垃圾处理方法包括厌氧消化（Yu等人，2018年；Lopez等人，2016年；Zhang等人，2007年；Zhang等人，2014年）、堆肥（Kuligowski等人，2023年；Yang等人，2021年）和昆虫养殖（Jiang等人，2017年；Li等人，2024年；Shi等人，2024年；Deng等人，2022年；Yin等人，2021年），其中厌氧消化用于生产沼气是最普遍的方法。富含有机物的食物垃圾在很大程度上可以替代谷物作为第二代生物燃料（Muthudineshkumar等人，2019年）和其他多种生物基产品的原料（Papadaskalopoulou等人，2019年），这些产品包括生物乙醇（Meng等人，2021年；Wang等人，2008年；Ma等人，2009年；Nishimura等人，2017年）、短链脂肪酸（Wang等人，2014年；Chen等人，2013年；Xiao等人，2024年）和中链脂肪酸（Huo等人，2022年；Wu等人，2024年；Kannengiesser等人，2016年）。学者和企业越来越重视食物垃圾的高价值利用，从而开发出制备高附加值产品的创新技术以及食物垃圾处理产业的新策略，例如从原油中生产生物柴油（Liu等人，2021年；Wang等人，2017年；Xiong等人，2023年；Wang等人，2019年）、厌氧酸生成、超高温堆肥（Liu等人，2023年）和通过昆虫转化生产生物蛋白（Liu等人，2019年；Wang等人，2023年）。然而，食物垃圾复杂的成分在其转化过程中带来了严峻的环境挑战。因此，确保资源衍生产品的安全性至关重要，例如用于污水处理的有机肥料、去除氮的碳源（Gui等人，2021年；Feng等人，2021年）以及昆虫饲料（Beale等人，2022年；Deng等人，2024年），因为这些产品需要满足严格的追溯性要求。
中国幅员辽阔，资源丰富，城市众多，不同地区具有不同的经济水平、地理位置、人口规模和饮食习惯，导致食物垃圾的成分存在显著差异，进而影响所选资源利用方法和技术的效率。目前关于食物垃圾的研究主要集中在特定地区的剩菜剩饭（Zhang等人，2016a）或学校食堂的食物垃圾（Zhang，2015）。然而，缺乏在区域层面进行实际样本比较以及对食物垃圾中背景物质或异质物质的全面分析。因此，本研究选择了15个经济水平和垃圾分类程度不同的城市进行采样，从宏观和微观角度分析了这些食物垃圾的成分、异质物质和本土微生物群，为选择适用于实际工程项目的高价值食物垃圾利用技术提供了参考。
材料
为了进行全面分析，采用了一种多维方法来确定具有代表性的城市，所涵盖的分类包括一级城市、新兴的一级城市、二级和三级城市以及四级和五级城市，几乎覆盖了中国所有主要地理区域。评估了人们对辛辣食物、海鲜、甜食、乳制品类饮食和汤类的偏好等饮食习惯，最终选定了15个城市进行采样研究：北京（BJ）、无锡（WX）等。
元素分析
食物垃圾的成分复杂且不均匀，因此其化学性质多样。表1总结了15个样本的食物垃圾元素分析结果：碳（C）占比为38.50–60.21%，氮（N）含量低于4%，氧（O）含量为30–53%。碳氮比（C/N）是影响微生物生长和代谢的重要因素，会改变厌氧环境中的生物富集情况。
结论
中国15个研究城市的食物垃圾化学性质差异显著，碳氮比范围为11.36至38.03，总化学需氧量范围为29,616 mg/L至132,356 mg/L。食物垃圾中的氨基酸含量存在明显的地域性和广泛差异（87.18–3797.58 μg/g）。从产生到发酵前，食物垃圾中的有机物在一定程度上发生了水解和酸化，其中酸化程度最高的样本来自JH城市，总酸浓度为31,004.08 mg/L。
作者贡献声明
刘峰：撰写 – 审稿与编辑、可视化、项目管理、初稿撰写、资源获取、方法论设计、数据管理、调查、概念构思。苏宇：方法论设计、初稿撰写、调查。陈英光：初稿撰写、项目管理、概念构思、审稿与编辑、监督、方法论设计。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家重点研发计划（2019YFC1906304）和安徽省生态环境科学研究项目（2023hb0015）的支持。我们衷心感谢匿名审稿人的建设性意见以及Editage公司的语言润色服务。
