隨著我國城市的發(fā)展 , 垃圾的排放量猛增 , 環(huán)境污染日益嚴重。據(jù)統(tǒng)計我國人均生活垃圾年產(chǎn)量為 440kg, 每年以 8 - 10%的速度遞增 , 大量的垃圾被運到城郊裸露堆放 , 已成為公害。迄今為止全國歷年累計生活垃圾已高達 60億噸 , 堆占耕地 5 億平方米 , 直接經(jīng)濟損失達 80億元人民幣。我國城市垃圾中濕垃圾占有較大的比例 , 隨之而來的垃圾滲濾液嚴重污染當?shù)氐牡叵滤昂恿?, 因此 , 濕垃圾是城市垃圾亟待處理的主體部分。目前 , 我國垃圾處理方法: 主要有填埋法、堆肥法、焚燒法 , 其中包含當前重要的技術(shù)手段 - - -生物處理技術(shù)。本文謹就城市垃圾生物處理技術(shù)研究方面的信息作以詳實的總結(jié) , 為同行的研究與應用提供更系統(tǒng)、全面的參考和依據(jù)。

運用生物技術(shù)方法處理生活垃圾 , 不僅避免化學處理方法對環(huán)境造成的新污染 , 同時也可避免挖坑填埋處理方式侵占土地及對環(huán)境潛在污染的弊端 , 當屬目前最推崇的技術(shù)。從方式方法、作用特性、作用機理 , 影響因子和生物等都有它的特殊性。

1　 生物處理技術(shù)的方式方法

目前對城市垃圾處理的生物技術(shù)可概括為三個方面 , 微生物技術(shù)、生物工程技術(shù)和生物技術(shù)。

1.1　 微生物技術(shù) 　

微生物技術(shù)是目前城市垃圾處理生物技術(shù)中應用最普遍的技術(shù) , 它利用有效微生物菌群融合于垃圾中 , 經(jīng)微生物活躍的新陳代謝活動 , 對城市濕垃圾實施生物降解 , 使垃圾中的 60% - 70%各種有機物轉(zhuǎn)化成促進植物生長的有機營養(yǎng)和腐殖質(zhì)的一種技術(shù)。

近幾年我國對此技術(shù)的研究已得到了長足的發(fā)展 , 選擇優(yōu)勢微生物種群是微生物法處理城市垃圾的研究熱點 , 哈爾濱工業(yè)大學的科研小組最近成功地收集、培養(yǎng)、配制一個微生物菌群 , 能有效地降解轉(zhuǎn)化城市生活垃圾并形成有機肥料。成功收集配制的菌群是由細菌、放線菌、真菌等十幾種能降解不同有機殘體的微生物組成。垃圾中的有機物主要包括纖維素、脂肪和蛋白質(zhì)三大類 , 由于垃圾的來源和產(chǎn)生季節(jié)的差異 , 有機物成份也會有所變化, 因而菌群的組成也將隨之調(diào)整。研究人員運用基因工程方法 , 對從自然界收集來的天然微生物菌種的基因結(jié)構(gòu)進行修改、改良和增加它們的功能, 配制成更有效的微生物菌群 , 使用功能強、活性大的微生物來 “ 對付 ”垃圾中各類有機物 [ 1 ] 。有些學者對城市生活垃圾高溫好氧堆肥的人工接種試驗做了研究 , 利用恒溫培養(yǎng)箱模擬堆肥中心的溫度, 篩選出堆肥各個階段的優(yōu)勢菌種 , 單獨培養(yǎng)后混合加入到城市生活垃圾的高溫好氧堆肥中 , 通過溫度變化和微生物數(shù)量變化考察了不同堆肥條件下垃圾降解效果的差異。結(jié)果表明在后發(fā)酵中接種降解纖維素活性高的霉菌很容易達到優(yōu)勢地位 , 因此可以利用所加霉菌提高堆肥的溫度 , 加速降解的速度, 以此為下一步菌群的篩選工作提出了方向[ 2 ] 。

1.2　 生物工程技術(shù) 　

該技術(shù)是較早城市垃圾處理的生物技術(shù), 由城市垃圾處理三法中的填埋法中孕育而產(chǎn)生 , 包括工藝和工程兩個方面。

1.2.1　 工藝方面 　

工藝方面主要是針對垃圾滲濾液運行的某些處理 , 近期的研究報導頗多。目前垃圾滲濾液處理工藝有好氧生物處理、厭氧生物處理和二者結(jié)合處理。二者結(jié)合處理具有效果好、運行成本低、適合于處理生化性較好的滲濾液 , 也是目前用得最多 , 最為有效的處理方法。

1.2.1.1　 好氧生物處理 　好氧處理能有效降低滲濾液中的 B0D, COD 和氨氮 , 還可去除鐵、錳等金屬。對高 B0D 值的滲濾液處理時 , 應該首先考慮生物處理。好氧處理包括活性污泥法、曝氣穩(wěn)定塘法、生物膜法和滴濾池法等 , 以延時曝氣法應用最多 , 曝氣穩(wěn)定塘和生物膜次之 (主要用以去除氮 )�；钚晕勰喾ㄒ蛸M用低、效率高而得到最廣泛的應用 , 是較普及的處理方法。同時還分步流人法、延時曝氣法、吸附再生法和合建式表面曝氣池。曝氣穩(wěn)定塘與活性污泥法相比 , 曝氣穩(wěn)定塘體積大 , 有機負荷低 , 降解進度較慢 , 但由于工程簡單 , 在土地不貴的地區(qū) , 是最經(jīng)濟的垃圾滲濾液好氧生物處理方法; 生物膜法是與活性污泥法并列的另一種好氧生物處理法 , 它借助附著在填料 (或濾料、載體 ) 上生物膜的作用 , 在有氧的條件下 , 氧化污水中的有機物。

1.2.1.2　 厭氧生物處理 　 近年來 , 隨著微生物學、生物化學等學科發(fā)展和工程實踐的積累 , 不斷開發(fā)出新的厭氧處理工藝。該處理法有厭氧生物濾池、厭氧接觸法、上流式厭氧污泥床和分段厭氧消化等。厭氧式生物濾池的傳統(tǒng)工藝為底部進水、上部出水的上流式厭氧生物濾池 , 其容積負荷高、剩余污泥少、耐沖擊負荷強 , 是目前使用的主要垃圾處理類型。雖然厭氧法處理的出水水質(zhì)不能達到很好的水平 , 但它作為高濃度有機廢水在好氧處理前的預處理是經(jīng)濟有效的。

1.2.1.3　厭氧 — — — 好氧結(jié)合生物處理 　北京市政設計院自 1988年進行城市垃圾衛(wèi)生填埋場滲濾液處理技術(shù)的研究 , 經(jīng)各組工藝組合的試驗研究得出如下結(jié)論: 對高濃度的垃圾滲濾液采用生化法處理是有效的 , 采用厭氧 — — — 好氧處理工藝既經(jīng)濟合理 , 處理效率高 , COD和 BOD 的去除率分別達 8618% 和 9712%; 陳石等人采用氨吹脫 -厭氧生物濾池 - S BR工藝對深圳某填埋場的滲濾液進行了中試研究 , 結(jié)果 COD、BOD5、NH3 - N和 T N的去除率分別達到 95%、99% 、9915% 和 97%。

1.2.2　 工程方面

目前新應用工程是生物反應器 , 通過有目的控制手段強化微生物過程從而加速垃圾中易降解和中等易降解有機組份轉(zhuǎn)化 , 形成一種穩(wěn)定垃圾的衛(wèi)生填埋場運行方式。通過物理或化學的方法將游離細胞或微生物定位于限定的空間區(qū)域內(nèi) , 使其保持活性并可反復利用。固定化的微生物 , 由于高度密集而產(chǎn)生強抵抗能力或載體覆蓋物的阻擋作用, 削弱了有毒有害物對微生物的沖擊作用 , 使反應器工藝運行的安全性得到大大提高。新近的研究報導有: 李秀金的 “ 生物反應器型垃圾填埋場技術(shù)特點和應用前景 ” [ 3 ] 、何若的 “ 生物反應器填埋場系統(tǒng)的特性研究 ” [ 4 ] 和李兵的 “2種 MS W 好氧生物反應器型填埋方式的對比實驗 ” [ 5 ] 。

工程方面研究中 , 堆肥也是一種重要的工程性處理技術(shù)之一。堆肥工藝是一種古老的有機固體廢物的生物處理技術(shù)。該法是使垃圾糞便中的有機物 , 在微生物作用下 , 進行生物化學反應 , 最后形成一種類似腐殖質(zhì)土壤的物質(zhì) , 用作肥料或改良土壤。它是一種有效的城市處理手段 , 其優(yōu)點是占地面積小 , 投資少 , 有較好的經(jīng)濟和環(huán)境效益, 對于發(fā)展中國家的城市來說 , 是一種很有發(fā)展前途的垃圾處理手段。

我國仍多采用傳統(tǒng)的堆肥方法 , 其簡單、落后 , 垃圾降解效率很低 , 所產(chǎn)生有機肥質(zhì)量很差, 不能做到標準化 , 生物發(fā)酵周期過長等 , 阻礙了垃圾生物降解技術(shù)的發(fā)展和應用。為此尚且需要有效地改進傳統(tǒng)的堆肥方法 , 提高生物降解和腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化效率和有機肥質(zhì)量 , 推動城市生活垃圾易腐物生物工程降解技術(shù)的發(fā)展和應用。

1.3　 生物技術(shù)

生物技術(shù)也稱作蠕蟲法。即利用養(yǎng)殖蚯蚓處理城市垃圾 , 其優(yōu)點是無污染 , 投資少、見效快。由于蚯蚓的食量大 , 消化力強 , 故垃圾的處理率高。試驗表明 , 每條蚯蚓可吞食的垃圾量為體重的 218 倍 , 100萬條蚯蚓每個月處理垃圾為 24 - 36 t, 蚯蚓糞是很好的有機肥料 , 蚯蚓還可以作為飼養(yǎng)動物的蛋白質(zhì)來源之一。我國的臺灣省及美國、日本、緬甸、印度等均利用此法處理垃圾。

2　 生物處理技術(shù)的作用特性

垃圾填埋法的微生物處理中 , 微生物的顯著處理效果表現(xiàn)為以下六個特性:

2.1　 微生物繁殖快 , 易變異 , 適應性強。

2.2　 微生物個體微小 , 比表面積大 , 代謝速率快。

2.3　覆土和垃圾中存在多種多樣的微生物 , 它們的營養(yǎng)類型、理化性狀和生態(tài)習性多種多樣, 并且存在多種類型代謝活動。

2.4　微生物降解酶具有專一性和誘導性。對于垃圾中可降解不溶性復雜有機物 , 微生物通過胞外酶的作用使其水解成溶解性的簡單有機物 , 進入到細胞內(nèi)后 , 再通過胞內(nèi)酶的作用進行降解。對于難以生物降解的有機污染物 , 微生物通過靈活的代謝調(diào)控機制而降解轉(zhuǎn)化。

2.5　 微生物體內(nèi)具有質(zhì)粒 , 能起調(diào)控作用。質(zhì)粒是細菌體內(nèi)的一種環(huán)狀 DNA分子 , 是染色體以外的遺傳物質(zhì)。由于降解性質(zhì)粒編碼生物降解過程中的一些關鍵酶類 , 抗藥性質(zhì)粒能使宿主細胞抗多種抗生素和有毒化學品如農(nóng)藥和重金屬等 , 因此 , 在有毒物存在的情況下 , 質(zhì)粒能給宿主帶來具有選擇優(yōu)勢的基因 , 并且 , 質(zhì)粒能夠轉(zhuǎn)移 , 獲得質(zhì)粒的細胞同時獲得質(zhì)粒所具有的性狀。

2.6　微生物具有共代謝作用。微生物通過共代謝作用 , 使其在可作碳源和能源的基質(zhì)上生長時 , 也使一種非生長基質(zhì)不完全轉(zhuǎn)化。共代謝微生物在利用某種生長基質(zhì)時 , 與該生長基質(zhì)結(jié)構(gòu)相似的非生長基質(zhì)會在微生物降解生長基質(zhì)的初始酶 (專一性不高 ) 作用下將非生長基質(zhì)降解和轉(zhuǎn)化。例如 , 甲烷氧化菌產(chǎn)生的單加氧酶是一種非特異性酶 , 可以通過共代謝作用降解三氯乙烯 ( TCE)、多氯聯(lián)苯 ( PCB s) 等多種難降解有機污染物。

3　 生物處理技術(shù)的作用機理

垃圾的厭氧降解是多類群微生物協(xié)同代謝的過程 , 不同代謝微生物相互促進、相互制約。穩(wěn)定的降解過程中各微生物類群處于一種微妙的動態(tài)平衡中 , 一旦某個環(huán)節(jié)發(fā)生障礙 , 就會影響整個代謝過程。垃圾在填埋中所經(jīng)歷的降解過程大致可以分為好氧降解和厭氧降解兩個階段[ 6 ] 。

好氧降解階段: 該階段垃圾中易降解的有機組迅速與填埋垃圾所夾帶的氧氣發(fā)生好氧生物降解 , 生成 CO2和 H2, 同時釋放出一定熱量 , 垃圾溫度升高。該過程短暫 , 在填埋場垃圾降解中只起次要作用。

厭氧降解階段: 該階段是垃圾降解的主要階段 , 它包括水解、酸化、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷過程。

4　 生物處理技術(shù)的影響因素

生物處理城市垃圾的實質(zhì)是一種生物降解過程 , 影響降解的因素分為兩大類 , 一類是環(huán)境因素 , 包括溫度、pH值、濕度和氧化還原電位等; 另一類是基本因素 , 包括微生物量、有機物組成、營養(yǎng)比等。

4.1　 溫度 　微生物生長的溫度范圍很廣 , 約為 5 - 85℃, 根據(jù)不同微生物生長溫度可分為低溫型、中溫型和高溫型。垃圾的降解主要發(fā)生在中溫和高溫段 , 中溫型最適為 18 - 35℃, 最高為 40 - 45℃, 高溫型最適 50 - 60℃, 最高 70 - 85℃。

4.2　 濕度 　水作為營養(yǎng)物質(zhì)、酶、胞外酶和氣體的溶劑 , 在不同轉(zhuǎn)化時 (水解過程 ) 作為化學有效物質(zhì) , 水的存在是微生物活動和厭氧降解成功的基本條件。垃圾衛(wèi)生填埋過程中能承受的含水率范圍較寬 , 一般在 25% - 70%。

4.3　pH值　 在填埋過程中 , 垃圾中的有機物被微生物所降解 , 而產(chǎn)甲烷菌最適宜 pH值為 618 - 715, pH低于 618或高于 715時甲烷菌的活性低, 要求絕對厭氧 , 因為 pH值的變化影響不產(chǎn)甲烷菌的活動 , 間接影響產(chǎn)甲烷菌 , pH值高時會使 C濃度下降 , pH值低時又會抑制細菌的活動。

4.4　垃圾中有機物組成 　在垃圾厭氧降解中 , 為滿足微生物生長的需要 , 垃圾中要有足夠的碳、氮、磷存在 , 一般 C /N值在 10 - 20: 1之間 , 有機物去除量最大。若 C /N值太高 , 則細菌生長所需的氮量不足 , 容易造成有機酸的積累 , 抑制產(chǎn)甲烷菌的生長。如 C /N值太低 , 鹽大量積累 , pH值上升到 8以上 , 也會抑制產(chǎn)甲烷菌的生長。

5　 生物處理技術(shù)的菌群分類

在填埋法的生物降解垃圾的過程中 , 所涉及的主要微生物類群有細菌、真菌和放線菌。其中細菌數(shù)量最多。按垃圾厭氧降解過程, 主要微生物可分為以下三類。

第一類 , 水解菌群。微生物產(chǎn)生的胞外酶催化大分子聚合物水解成單體或小分子聚合物。按底物可將水解分為 3類: 糖類水解、蛋白質(zhì)水解和脂肪水解。糖類水解又包含纖維素水解、淀粉水解和果膠水解。由此水解菌分為: 纖維素水解菌、淀粉水解菌、果膠降解菌、蛋白質(zhì)水解菌和脂肪水解菌。纖維素水解細菌主要有產(chǎn)琥珀酸擬桿菌、溶纖維丁酸弧菌等。淀粉降解細菌主要有巨大芽孢桿菌 CB11、真菌毛霉屬 SF2。果膠降解真菌是毛霉屬 PeF5; 蛋白質(zhì)降解細菌有: 細菌炭疽芽孢桿菌 PA5、缺陷短波單孢菌 PB l5。脂肪水解菌中橄欖油降解細菌有: 纖維素單胞菌屬 FB4、橄欖油降解真菌毛霉屬 FF6等。

第二類 , 產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸群。主要有: 布氏甲烷桿菌屬和 G株布氏桿菌屬。

第三類 , 產(chǎn)甲烷菌群。主要有: 桿狀菌、球狀菌和八疊球菌 3類。桿菌中有: 史密斯短桿菌屬、史密斯甲烷桿菌屬、嗜熱自養(yǎng)甲烷桿菌屬; 球菌有: 范尼氏甲烷球菌、沃氏甲烷球菌等; 八疊球狀產(chǎn)甲烷細菌為: 巴氏甲烷八疊球菌、嗜熱甲烷八疊球菌等 , 其中產(chǎn)甲烷八疊球菌為優(yōu)勢種。

【參考文獻】

〔 1〕 微生物處理垃圾成新寵

〔 2〕 生活垃圾好氧堆肥微生物接種的初步研究

〔 3〕 李秀金 1生物反應器型垃圾填埋場技術(shù)特點和應用前景 [ J ]1農(nóng)業(yè)工程學報 , 2002, 18 (1) : 111～1141

〔 4〕 何若 , 沈東升。生物反應器填埋場系統(tǒng)的特性研究 [ J ]1環(huán)境科學學報 , 2001, 21 (6) : 763～767

〔 5〕 李兵 , 董志穎。2種 MS W 好氧生物反應器型填埋方式的對比實驗 , 第 26卷第 3期 2005年 5月 環(huán)境科學 , 2005 (5) , VO11261NO13

〔 6〕 龍焰 , 沈東升。填埋場中垃圾降解微生物機理研究進展 , 浙江大學學報 (農(nóng)業(yè)與生命科學版 ) 32 (1) : 9～ 13, 2006。

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