廚餘回收再利用

1. 前言

食物是有機質，有機質若不能當作人類食物而成為廚餘，可降級作為動物的飼料，若不能當作飼料則可作為肥料，成為植物養分來源的元素。

廚餘在農業時代起一直都作為牲畜糧食再利用，加上台灣的養豬業的興盛，廚餘再利用去化場所多數為養豬場，根據環保署統計，平均每天回收總廚餘2246公噸，其中家戶廚餘1549公噸，包含養豬廚餘（熟廚餘）566公噸、堆肥廚餘（生廚餘）983公噸；另餐廳賣場的養豬廚餘697公噸，等於每天送到養豬場有1263公噸，約有56%是作為養豬去化。這樣的再利用方式一直到2018因受非洲豬瘟影響，各縣市陸續禁廚餘養豬，行政院於2019年全面禁止，每天約有近1000公噸的廚餘，要另找出路，廚餘流向讓各單位如臨大敵。目前雖然廚餘經過蒸煮後可繼續作為養豬飼料，但難保當非洲豬瘟再次來襲時，廚餘去化的困境再度發生，因此各縣市持續設置快速發酵系統，將廚餘轉化為有機質肥，台積公司也於2020年設置快速發酵系統，將發酵時間由傳統一個月縮短為7天，2022年藉由調整發酵菌種與發酵溫度進一步將發酵時間縮短為3天，持續精進廚餘肥發酵技術，縮短時間、提高肥料品質。

除了養豬之外，廚餘再利用方式尚有廚餘堆肥化、飼養黑水虻、生質能源發電等再利用項目。黑水虻是利用幼蟲吃大量有機質且不挑食的特性，但飼養空間需求較大、剩食發酵腐臭問題、且14天後化為成蟲會到處飛，雖對環境無害，但飛蟲仍可能造成困擾，更重要的是商業化或產品化的相關法規尚未齊備，因此非再利用主流。生質能源發電需求面機大、成本高及厭氧醱酵（產生甲烷氣體作為生質燃料）效益有限，處理完後還要面對污泥處理問題，在國內目前僅有台中市外埔生質能廠。考量空間需求問題，前兩項再利用技術，不適合公司對土地使用的規劃，因此選擇將廚餘堆肥化，並且是高效發酵技術，改善傳統堆肥需要大空間及長時間的缺點。綜合考量公司位於科技園區，土地取得不易，且環境衛生要求高，再利用做法不應衍生其餘不良副作用，因此選擇高效堆肥做為廚餘再利用方案。

本文章除以一般的雜項堆肥標準進行化學成份分析探討台積公司高效堆肥成品之品質外，並以種子發芽率與堆肥植栽試驗進行成品性質的比較，評估公司廚餘回收再利用及廢棄物減量之效益，並對廚餘肥料產品穩定提出建議。

2. 文獻回顧

有機質堆肥的過程是以各種微生物群，透過控制氧氣、水分及碳氮比的狀態下，將有機物分解為穩定和富含營養的肥料，成分中包含大量的腐植質，即能減少有機廢棄物，還能提供農業用有機肥料的使用^[1]。

2.1 有機質可做為肥料的原因

❶ 可分解提供植物的養分元素

任何植物、動物及微生物的殘體都可以作為有機質肥料，有機質成分含有碳、氧、氮、硫、磷、鉀、鈣、鎂及多種微量元素，其中氮、磷、鉀為植物生長三大營養素。

❷ 釋放小分子有機物

釋放小分子有機物供植物吸收，提供土壤物理、化學及生物性改良功效，例如多醣與碳水化合物參與土壤形成團力的作用，增加土壤的排水性其通氣性。

❸ 聚合成腐植物質

有機質分解成小分子後，經微生物作用形成新的大分子，例如黃酸、腐植酸、腐質素，可改善土壤的物理化學特性。

2.2 堆肥化原理^[2][3][4]

堆肥化是一種微生物反應的過程，依靠自然界廣泛分布之細菌、真菌、放線菌等微生物在一定的條件下，有效的將有機物轉化為腐植物質的生物化學過程。有機物質在適當的條件下進行生物降解反應，可縮短有機物被分解的時間及產出高品質有機堆肥。在堆肥化的過程中，不溶性大分子有機質會附著於微生物體外，再經由微生物分泌酵素將其分解為可溶性小分子物質，最終傳送到細胞內供微生物利用；而可溶性小分子有機質可直接通過微生物的細胞膜和細胞壁，微生物可直接利用，說明了堆肥化的過程實質是生物化學作用及無害化作用，所謂的穩定，即是指堆肥產品對環境無害，而當廢棄物經過堆肥化處理後，體積可減少將近50%以上。依廚餘堆肥化處理之方式可分為傳統堆肥與近年興起的高效堆肥設施處理方式。

堆肥化的過程又可分為中溫階段、高溫階段及降溫階段。中溫階段為堆肥化過程初期，堆層溫度約為15~45℃，嗜溫性微生物較活躍，其中微生物包含真菌、細菌及放線菌為主。高溫階段堆積溫度會持續升至45℃以上，嗜溫性微生物會受到抑制甚至死亡，嗜熱性微生物在50~60℃最活躍，主要微生物轉為嗜熱性真菌及放線菌持續作用；升至70℃以上時，大多數微生物已不再適應而進入死亡或休眠狀態，在此階段也可以達到殺死有害病原菌、病原蟲的目的。降溫階段剩下的為新形成之腐植質與較難分解的有機質，此時因微生物活性下降，發熱量及溫度亦下降，嗜溫性微生物會再進行一次反應，隨著腐植質增加，需氧量及含水率減少，最終到達腐熟階段。

2.2.1 傳統堆肥技術及處理程序

傳統堆肥發酵係採自然翻堆方式，利用自然增長的微生物處理易腐爛的有機廢棄物，雖然是利用較為簡易的操作方式進行堆肥製作，但仍須注意的程序操作因子及環境因素，包括主原料性質、副資材種類、翻堆頻率、堆肥體大小及水分含量等，包含一次發酵及二次發酵(靜堆)階段。一次發酵時間至少約30 天以上，且需要有有足夠的空間加上定期翻堆以提供氧氣給微生物利用，因此大型堆肥廠多利用機械翻堆以減少人力的負荷過大。於二次發酵時主要以靜置堆積為主，靜堆過程多無法保持良好的氧氣含量及足夠的溫度來進行堆肥化作用，所以通常需要較長的反應時間，且也無法完全或均勻地進行分解。如果沒有經常性的進行翻堆，使堆肥材料導入氧氣，厭氧狀態一旦發生，令人厭惡的臭氣隨即產生，其中氮素成分亦會隨之損失，而翻堆過程臭味外逸，易遭致鄰近民眾之抗議，進而影響操作人員之健康。

2.2.2 高效堆肥技術及處理程序

高效堆肥技術因處理時間較傳統堆肥程序短，因此亦稱為快速堆肥法(Rapid Composting)，主要是利用密閉機械翻堆、提供微生物作用的最適溫度或強制送風、抽風的方式，讓有機廢棄物原料在控制好的環境的反應槽內，經過適當的攪拌翻堆，會呈現出類似混合與粉碎的效果，可以改善堆肥材料的物理性，使其更細疏鬆軟，增加微生物的作用面積，再以外加能源加熱的方式調控穩定堆肥分解所需的理想堆肥化溫度與條件，讓微生物能夠大量繁殖，而且快速地進行好氧分解發酵。高效堆肥設施同時擁有生物性分解發酵反應與物理性分解反應兩種作用機制，因此綜合調控攪拌翻堆、強制送風與溫度控制等系統，可以讓反應槽箱內的各項環境因子，都能夠設定讓微生物的分解效率達到最大，使堆肥能夠加速分解發酵與腐熟，還可快速降低其含水率，且有佔地空間小、不受氣候影響，反應週期較傳統堆肥短，能快速達到有機物穩定化等優點。高效堆肥能避免傳統堆肥釋放出大量CO₂、CH₄、N₂O 及產生大量廢水、臭味及蚊蟲等問題，利用特殊菌種或酵素的添加，在設備自動化下，可節省許多傳統機械設備、人力、時間及空間，但電力或外加能源供應需相當充足與穩定，使高效堆肥反應槽能順利運作。高效堆肥發酵設施同時配合脫水前處理設備降低廚餘含水率，能使熱能供應的需求降低，進料廚餘含水率降至約65~70%是較適合的發酵條件，如此僅須添加少量副資材即可進行良好之堆肥發酵。

高效堆肥處理設施考量反應槽的處理容量，另外有機材料的理化特性如水分含量、碳氮比值、化學成分特性等，均是影響堆肥化作用的重要因素之一，攪拌翻堆、溫度調控、強制送風等系統之綜合效能也會影響到設備的運作效能。在攪拌翻堆的過程中，可實施強制送風，以供應足量的氧氣，使好氧性微生物繁殖，加速基質的分解；一般反應槽箱通常為上方開口式，氣體由底部強制送入，而槽箱體可為矩形或圓柱形，一般堆肥槽箱之深度約2~3公尺，且容積量不宜過大，以免影響到腐熟時程或堆肥品質。但強制送風必須配合發酵之需求，以維持堆肥好氧性，當送風過量，則造成發酵熱量散失，溫度下降且耗費加熱的電力或能源，送風不足，則形成厭氧狀態產生惡臭，影響成品的性質。綜整比較傳統堆肥與高效堆肥兩大類，其優缺點如表1所示。

2.3 堆肥反應影響因子

土壤能充分供應植物生長所需之水分、養分、空氣及適當酸鹼度、鹽度及溫度，稱之為肥沃土壤。一般土壤肥力主要分析項目包括酸鹼值、導電度值、有機質、植物生長所需營養素氮、磷及鉀含量檢測為主要項目，次要項目為營養素鈣、鎂及硫含量，其他的項目如鋅、鐵及銅等微量元素含量^[5]。堆肥反應影響因子包含物理性、化學性及生物性變化，以下分別加以說明。

2.3.1 溫度

溫度在堆肥製作過程中，是影響微生物活動的重要參數，不同溫度階段會影響微生物不同族群的生長速率、繁殖方式、型態、代謝反應等；堆肥的過程中溫度梯度可分為四個階段：中溫期(Mesophilic stage)、嗜熱期(Thermophilic stage)、冷卻期 (Cooling down stage)與完熟期(Maturing stage)(圖1)。初期微生物開始分解有機物，並利用釋放之養分生長繁殖，隨著時間，其族群大量增加並使堆肥堆的溫度逐漸升高，pH 值則隨之降低，當溫度升高超過40℃時，即進入嗜熱期，肥堆的溫度仍會一直升高，此時真菌因熱漸漸失去活力，微生物相發生改變，反應改由耐高溫的放射菌接手，溫度可以超過60℃，醣類、澱粉、油脂與蛋白質等大分子被分解，pH 值也升高變成鹼性，阿摩尼亞的氣體也在此階段生成，等到反應速率因物質被分解殆盡而慢慢下降，反應即進入冷卻期，真菌重新活躍起來，纖維質被分解。

堆肥過程中，微生物新陳代謝所產生的熱會不斷累積，有機碳會被微生物呼吸代謝而降低碳氮比，在適合微生物的環境時，可使堆肥在數日內到達60℃以上，當到達70℃時能殺死病菌、蟲卵、雜草種子等，觀察微生物分解有機物所放出的熱量大於堆肥的熱消耗量時，堆肥的溫度就會上升。因此溫度的變化是微生物活動劇烈與否的最佳參數。

2.3.2 水分^[6][7]

水分會影響微生物之活性進而影響發酵時之溫度變化及分解速率，水分主要作用在於溶解有機物質，並參與微生物的新陳代謝作用。一般而言，堆肥中有機質含量越高，則所需要控制的水份也越高，含水率在50%~60%時，較適合微生物進行生化反應；低於40%時會影響微生物生長，使微生物活性降低，造成溫度迅速下降，產生「假象降溫」現象，誤以為發酵完成。而水分高於70%時，通氣孔隙容易受到液體阻塞產生厭氧狀態，使發酵速率減緩。

2.3.3 氧氣

微生物在進行發酵作用時，不需氧氣者則稱為厭氧微生物，需要氧氣者稱之為好氧性微生物(圖2、圖3)。厭氧微生物分解有機物時，分解速率較低，而好氧微生物之分解速率則為厭氧微生物的10 倍以上，堆肥的過程主要為好氧微生物之分解作用，所以堆肥過程中必須給予適當的通氣量，以提供給微生物足夠的氧氣，但若一次施用過多有機肥且堆肥品質不良時，會造成微生物活動過度，而消耗過量氧氣，致使土壤中氧含量低，將不利作物生長。

2.3.4 微生物

微生物擔任有機物分解與堆肥穩定化之重要角色，在堆肥過程中，微生物的種類及數量都隨反應過程與時間進行演替變化，依不同材質及化合物的種類演變的微生物菌群則有不同，如表2所示。因此不同的堆積材料如能添加適當的微生物菌種，可以加速堆肥發酵，一般醣類、胺基酸、脂肪酸、蛋白質等以多種細菌及放線菌之利用為優先，在高溫時，尤其以放線菌為主要工作者，後期所剩之主要的纖維素、半纖維素、木質素等則以枯草桿菌、木黴菌、放線菌及高溫厭氧細菌為多。

2.3.5 廚餘破碎後顆粒大小與雜物

顆粒越小，接觸面積越多，反應速度越快，在堆肥過程也是相同道理，顆粒小將有助於增加菌種與堆肥物料的接觸，但過小也易造成過於緊密影響堆肥過程氧氣的傳送，腐熟堆肥其顆粒粒徑大小的標準，通常規定為小於25mm，堆肥中所含不純物質（非有機物）的含量需低於4.0%（美國標準）。

2.3.6 酸鹼值

肥料種類品目與規格中亦對所有有機質肥料的pH 值加以規範(雜項堆肥5.0-9.0之間)，微生物對酸鹼值的變化極為敏感，通常在強酸或強鹼的狀態下不利於其繁殖，加上廚餘特性會隨反應時間和溫度而變化，所以酸鹼值可作為微生物環境評估的指標參數，因此可由酸鹼值推估堆肥發酵的狀況。堆肥原料來源不同，造成堆肥過程的起始值有所不同，以廚餘為例，多數含有油脂，發酵過程會產生脂肪酸、有機酸，因此初期會偏酸而後會有逐漸上升的現象，最後達到資材的平衡點，堆肥成品酸鹼值在6~9之間為佳。

2.3.7 導電度

土壤電導度值測定雖快速準確，但由於選用水及土的質量比不同，且土壤本身組成差異會造成鹽分截然有異，因此目前國際沒有統一測量土壤和堆肥之電導度的方法。堆肥反應的物種材料不同，成品電導度的測值可能有差異很大，堆肥過程一般導電度值會隨物料分解逐漸升到一定的平衡點，若堆肥時添加鹽類(如化學性肥料)或改良劑則導電度值會愈高，當土壤鹽分過高會造成滲透壓上升，導致植物根部無法吸收養分，影響植物生長。在所有種類的堆肥中，電導度以純雞糞堆肥最高，可高達11~13mS/cm，純樹皮堆肥電導度小<1mS/cm，純香菇木屑堆肥電導度<2.8mS/cm，純金針菇木屑堆肥電導度<3.6mS/cm，牛糞堆肥電導度可高於3.5mS/cm，純豬糞堆肥電導度大約為4.0~4.5mS/cm，固液分離豬糞堆肥的電導度可低於2.0mS/cm，因電導度的高低無法判定堆肥品質的好壞，但電導度低的堆肥，適合做為作物的栽培介質使用，而電導度高的堆肥則先和其他低電導度的材質或土壤混合均勻後，才可做為栽培介質使用。

2.3.8 碳氮比

微生物反應所需的物質，以碳、氮最多，碳主要為微生物生命活動提供能源，轉化成二氧化碳和腐植物質；氮則用於合成細胞所需之養分，會以氨氣的形式消失，或變為亞硝酸鹽和硝酸鹽。農委會對廚餘肥的碳氮比規定為10~20之間。以整體趨勢來看，隨著堆肥發酵的進行整個過程中碳氮比會逐漸下降。正常的好氧性堆肥原料中要求要有一定的碳氮比，堆肥過程中會因有機物分解反應釋放大量二氧化碳，使得相對碳氮比下降，一般碳氮比降到20以下時，即表示已腐熟，但碳氮比值主要需視堆肥的物料所影響，如高氮的豆粕類則在腐熟前碳氮比已在20以下，廚餘堆肥多數會使用木屑做為副資材，功能是將食物作分散，避免澱粉結塊而影響發酵狀況，當木屑添加太多時，會造成碳氮比太高。

2.3.9 有機質

堆肥過程中腐植質的形成是由有機物及含氮物質之聚合作用，或由木質素所形成之腐植物質，是堆肥原料中與有機質的分解及腐植質形成有關的各種變化的總稱，其成分及結構當然與土壤中長期衍生之腐植物質有所不同，堆肥中之腐植物質比土壤中的腐植物質易被利用分解。堆肥中的腐植質物質不會增加發芽率和發芽的生長速率，但會使植物生長和植物根莖葉產生量有正面效益。

3. 研究方法

3.1 成分分析

由於廚餘堆肥屬於廢棄物再利用的一環，以農委會雜項堆肥項目5-11之標準，作為廚餘肥的品質依據，相關檢測項目委託農委會認證之檢驗公司(SGS)執行，檢測項目如表3。

3.2 種子發芽率試驗

發芽試驗是測試堆肥產品是否已完全腐熟的方法，未完全發酵的產品，使用時因為持續發酵，在土壤中分解，產生氨、氧化乙烯等物質以及發酵過程產生的熱，都會阻礙種子的發芽，對植物生長有害。

進行種子發芽率試驗做為判定堆肥腐熟度 指標，依據環保署「堆肥環保標章規格標準」，種子發芽率需>80%。

1. 堆肥5g與100g 60℃溫水共混，放在60℃溫浴中保溫三小時後，用多層紗布過濾，取得濾液供試。
2. 取濾紙兩張，置於9cm培養皿內，加入5ml供試濾液，然後在濾紙上約等距離放入40粒清梗白菜種子(發芽率95%以上者)。
3. 將已播種之培養皿移入25℃植物培養箱中培養三天，然後取出記錄正常發芽之種子數。另外用尺概略量取每粒正常發芽之根長。
4. 發芽試驗設有對照組，以煮沸後放冷之自來水為對照溶液。

3.3 植栽生長試驗^[6]

有機質肥料對土壤的肥力影響以及植物生長的影響，利用白菜栽種試驗，觀察白菜的生長變化，並歸納出台積公司的廚餘廢的最佳施用比例。

以培養土100g為基底，進行4組不同重量的廚餘肥添加量近小白菜生長試驗，添加別為0g、5g、10g、20g。另外增加一組添加市售有機肥的試驗比較。

生長環境則以培養箱(溫度28-30℃、濕度70%)及正常天然環境進行。

4. 結果與分析

4.1 成分分析

台積公司快速堆肥系統產出的廚餘肥，經過10批次的送驗，均符合農委會雜項堆肥5-11項之標準，詳如表3所示。另外，與農糧署「112年度國產有機質肥料品牌推薦名單」中同樣是雜項堆肥5-11項品目的有機質肥料相比，有機質高於推薦平牌平均值，全氮與平均值相近、全磷酐及全氧化鉀相對較低。至於有害物項目，除鎘、汞未檢出，其餘重金屬含量遠低於推薦品牌之平均值，詳如(圖4)。

目前有機質肥推薦名單中磷、鉀比例較高者，其原料多含有骨粉及禽畜糞，這是以廚餘當原料的有機肥在先天上的差異。

4.2 種子發芽率試驗

種子發芽試驗經過三批次試驗，種子發芽率平均為96%，符合環保署「堆肥環保標章規格標準」，種子發芽率需>80%的標準，顯示自產的廚餘肥為完全腐熟的有機質肥，對於植物生長不會產生傷害。(圖5)

4.3 植栽生長試驗

以100g培養土添加不同廚餘肥的小白菜生長試驗，不論是在培養箱或是自然環境，都是以添加量10g的廚餘肥生長狀況最佳，因此未來的施用量也建議10%為最佳使用比例。

目前有機質肥推薦名單中磷、鉀比例較高者，其原料多含有骨粉及禽畜糞，這是以廚餘當原料的有機肥在先天上的差異。(圖6)

5. 結論與未來展望

台積公司利用快速堆肥系統，透過控制溫度，加速微生物生長的曲線，跳過升溫階段，直接維持在高溫階段，並且持續攪拌翻堆，加速微生物與廚餘的接觸面積，讓微生物與廚餘混和均勻，加速微生物的生長及分解廚餘的接觸面，加速對廚餘的分解，雖然發酵時間由傳統堆肥30天縮短為3天，且肥料品質完全符合農委會雜項堆肥的標準，在有害物的部分，其濃度也遠低於其他農委會推薦品牌的有機質肥料。

實際利用種子發芽及小白菜生長的試驗結果顯示，利用微生物及控制穩定溫度的快速堆肥產出的廚餘肥，對種子發芽沒有產生不利的影響，平均發芽率96%，遠高於環保署對於再利用肥料產品的要求(>80%)，而小白菜試驗則顯示，肥料使用並非越多越好，公司所產製的廚餘肥，不論是在環境控制箱中生長的小白菜，或是自然環境生長的小白菜，10%的混拌比例是最佳使用量。

台積公司每年有大約1600噸廚餘，以20%的轉化率計算，每年至少可產出320噸廚餘肥，雖然1600噸廚餘佔全公司廢棄物總量千分之一，對於廢棄物減量影響不大，但以台積公司「零廢棄」的精神而言，廚餘肥是一指標性的產品，象徵再少的廢棄物台積公司也希望實現其重新再利用的價值。