城市垃圾的生物处理技术_城市垃圾生物处理方法
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城市垃圾的生物处理技术
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摘要：生物技术是实现城市垃圾无害化和资源化的一种有效手段。重点阐述了城市垃圾生物处理的基本原理及3种主要的生物处理方法，简要介绍了城市垃圾生物处理方法中的一些新技术及发展趋势，为寻找适合我国国情的垃圾处理技术提供一些参考。关键词：城市垃圾；生物处理原理；生物处理技术。
正文：
城市垃圾处理是环境污染控制的重要课题之一。城市垃圾也称城市固体废物，是指在城市居民日常生活中或为城市日常生活提供服务的活动中产生的固体废物。目前，我国每年城市垃圾产量已超过1．3亿吨，并有资料报道，我国城市垃圾的产量还将以平均每年8％～10％的速度继续增长，北京等少数几个大城市增长速度还将达到15％～20％[1]。令人担忧的是，大量的城市垃圾目前的处理方式也只是在城市周围堆放或简易填埋，达到无害化处理基本要求的不足20％[2]，无论从环境还是社会角度考虑，这都是急需尽快给予重视与解决的社会问题。随着居民生活水平的提高，垃圾中的有机物含量迅速增加。采用生物技术将其进行生物降解或生物转化，不仅可以有效处理城市垃圾，而且可以实现资源的再利用。因此，与物理法、化学法相比，生物处理技术具有更广阔的发展前景。
1.城市垃圾生物处理的原理
各种动植物、微生物，对自然界存在的各种有机物都有降解作用，其中微生物的降解作用最大。凡自然界存在的有机物，几乎都能被微生物降解。生物处理就是依靠自然界广泛分布的微生物，通过生物转化，将城市垃圾中易于生物降解的有机组分转化为腐殖质肥料、沼气或其他转化产品(如饲料蛋白、乙醇或糖类)，从而达到城市垃圾无害化和资源化的一种处理方法。根据处理过程中起作用的微生物对氧气需求的不同，生物处理可分为好氧生物处理和厌氧生物处理两大类。
1．1好氧生物处理基本原理
好氧生物处理是一种在有氧的条件下，利用好氧微生物使有机物降解并稳定化的生物处理方法。城市垃圾中往往含有大量的生物组分的大分子及其中间代谢产物如纤维素、碳水化合物、蛋白质、脂肪、氨基酸、脂肪酸等，这些有机物一般都较容易为微生物降解。在好氧生物降解过程中，有机废物中的可溶性小分子可透过微生物的细胞壁和细胞膜而为微生物直接吸收利用，而不溶的胶体及复杂大分子有机物，则先被吸附在微生物体外，依靠微生物分泌的胞外酶分解为可溶性小分子物质，再输送入细胞内为微生物所利用。微生物通过自身的生命活动——新陈代谢过程，把一部分有机物氧化分解成简单的无机化合物，如c02、HzO、NH3、P043_、S042～等，从中获得生命活动所需要的能量；同时又把另一部分有机物转化合成新的细胞物质，使微生物增殖。
1．2厌氧生物处理基本原理
厌氧生物降解是在无氧条件下，利用厌氧微生物的代谢活动，将有机物转化为各种有机
酸、醇、CH4、H2S、c02、NH3、H2等和少量细胞物质的过程。它是一个多类群细菌的协同代谢过程。在此过程中，不同微生物的代谢过程相互影响，相互制约，形成复杂的生态系统。
2.城市垃圾生物处理的方法
目前，对于可生物降解的城市垃圾的处理，世界各国主要采用堆肥、卫生填埋、厌氧发酵等处理方法。
2．1堆肥法
堆肥法是指在人工控制条件下，利用自然界广泛分布的细菌、放线菌和真菌等微生物，使来源于生物的有机废物分解，向比较稳定的腐殖质进行生化转化的微生物过程。垃圾堆肥是目前广泛应用且经济有效的处理和消纳城市垃圾的重要途径之一，通过生物处理技术将生活垃圾中的有机物质转变成优质的有机肥料，具有良好的环境效益和社会效率。根据堆肥过程中微生物对氧气的需求情况不同，可分为好氧堆肥和厌氧堆肥。通常好氧堆肥堆温高，一般在55℃～60℃，极限可达80℃，故也称高温堆肥。与传统的厌氧堆肥相比，好氧堆肥具有基质分解彻底、发酵周期短、异味小、占地面积小、可大规模采用机械处理等优点，因而好氧堆肥技术的应用已较为普遍。但随着“垃圾能源学”的产生，有机垃圾的厌氧堆肥技术也得到了广泛关注与快速发展，鉴于好氧技术与厌氧技术各自的特点，在未来的垃圾处理技术应用中，好氧堆肥和厌氧堆肥技术将综合运用，这也是堆肥技术发展大势所趋。
根据堆肥过程中物料运动形式分为静态堆肥和动态堆肥；按堆肥堆制方式，可分为露天式堆肥(野积式堆肥)和装置式堆肥(封闭式堆肥)。堆肥的发展趋势是由静态堆肥向动态堆肥，露天式堆肥向装置式堆肥的方向发展。就目前我国城市垃圾组成现状而言，静态堆肥较为适用，但随着人民生活水平的提高，垃圾组成中有机物含量将高达50％--70％，对于未来高有机物含量组成的垃圾则必须采用动态堆肥b J技术。此外，在静态堆肥基础上发展起来的间歇式动态好氧堆肥处理技术也具有一定优势，例如发酵周期短，处理工艺简单，发酵仓数少和投资小。传统的堆肥法存在发酵时间长，产生臭味且肥效低等问题。近几年来，人们借助于微生物选育技术，加强了对降解能力强的高效菌种的研究，将这些菌种应用于垃圾堆肥处理中，不但能有效加快堆肥材料的腐熟，缩短发酵周期，提高堆肥产品质量等，而且温度高，能有效杀灭某些病原体、寄生虫卵和杂草种子等，且能控制臭气【3】|。
2．2卫生填埋法
卫生填埋法是从传统的堆放和填地处理的基础上发展起来的，始于20世纪60年代，其原理与厌氧堆肥相同，都是利用好氧微生物、兼性厌氧微生物和专性厌氧微生物对垃圾中的有机物进行分解转化，使之最终达到稳定化。卫生填埋法虽然速度慢、占地多、减量少，且存在渗滤液污染水体的问题，但由于这种方法简单易行，造价和处理成本低，至今仍然是土地辽阔的国家或城市以及发展中国家处理城市垃圾的主要方法。用于卫生填埋的垃圾有机物含量不应太高，以免带来严重的地下水、空气和周围环境的污染问题。现阶段，由于我国城市垃圾中无
机物含量高，填埋后比较稳定；产生的臭味比较小，不会使大气质量恶化；渗出液也较少，对地下水影响小，因此，卫生填埋技术在我国城市垃圾处理领域的主导地位，占处理总
量的70％以上，这在今后相当长一段时间将不会改变。国家环境保护总局2002年10月向社会公布的处理城市垃圾的国家行动方案规定，今后我国的城市垃圾将进行填埋处理，并把垃圾填埋产生的气体收集起来发电。城市垃圾的最新填埋处理技术是生物反应器填埋场，它是通过有目的的控制手段强化微生物过程从而加速垃圾中有机组分转化和稳定的一种卫生填埋场运行方式。控制手段一般包括液体(水、渗透液)注入、备选覆盖层设计、营养添加、pH值调节、温度调节和供氧等。该技术具有生物降解速度快，稳定化时间短，填埋场产气量高、收集完全，一般无需复杂的渗透液处理设施等特点。与传统卫生填埋场相比，大大减少了场外后处理费用。生物反应器填埋场已在美国获得广泛重视，已被认为可能是对垃圾处理的革新。
2．3厌氧发酵法
厌氧发酵亦称沼气发酵，是指有机物在厌氧微生物(或兼氧微生物)的作用下分解转化为沼气的过程。由于该技术工艺简单，成本低廉，而且严格密封的沼气池还能提高原料的肥效和杀灭寄生虫卵。在欧洲，有机垃圾厌氧消化处理量已占有机垃圾量的25％。国内厌氧消化应用最广泛的是农村沼气发酵，而在城市垃圾处理方面的应用，除少量废水处理厂的污泥进行厌氧处理外，真正城市垃圾进行厌氧消化处理的很少见报道。厌氧发酵，在降解和稳定有机污染物同时，还产生了一种十分宝贵清洁能源——沼气。因此，国内外许多学者都在积极研究并开发一些新型的厌氧发酵技术。例如，近年来，逐步形成的以湿式完全混合厌氧消化、厌氧干发酵、两步厌氧消化等为主的工艺形式。此外，国内学者在运用先好氧后厌氧发酵技术和新型厌氧消化器处理城市有机垃圾方面，也取得了很好的效果。我国是人口大国也是能源需求大国，如果把我国城镇排放的有机废物作为沼气发酵原料，每年便可获得90亿立方米沼气，相当于节约100万吨标准煤。因此，如何利用现有沼气技术，开发适合我国具体情况的厌氧发酵处理技术，从垃圾中回收沼气，不仅具有极大的经济意义，而且具有积极的社会意义。
3.城市垃圾生物处理的新技术展望
3．1生产醇类
城市垃圾中含有纤维素、淀粉和糖等有机质，微生物厌氧代谢这些有机物时，可产生一些例如乙醇、甲醇等醇类高效燃料。乙醇可用以稀释汽车用油或其他发动机用油，使功效提高10％～15％。巴西、美国早已成为利用糖类、谷物淀粉类和纤维素类发展燃料酒精的典范，美国燃料乙醇的总装置能力达到约840万t／a。英国、荷兰、德国、奥地利、泰国、南非等许多国家的政府均已制定规划，积极发展燃料酒精工业。目前的方向是，希望利用含纤维素物质如锯末、蔗渣、破旧报纸、有机垃圾等各种废物制取酒精。我国有人采用微生物酶制剂对有机垃圾酶解后，用酒精酵母对有机垃圾进行厌氧发酵生产乙醇。结果表明，在适宜的条件下，每吨垃圾可生产70～90L酒精，这为城市有机垃圾的再生利用，发展新能源，找到一条新的途径。
3．2生产氢气
氢是目前最理想的清洁燃料之一，每千克氢燃烧可放出142ⅣU的热量，是煤的3～4倍。生物制氢思路于1966年提出，在20世纪90年代受到空前重视，其中微生物发酵法是
一种有前景的氢气制备方法。许多微生物类群具有可降解大分子有机物产氢的特点，因而可以利用城市垃圾中的植物茎叶、家庭厨余等可再生能源废弃物产生大量氢气。产氢气的微生物有异养微生物和自养微生物。氢气产生菌产生的氢气，目前主要应用于燃料电池方面。如产气荚膜梭菌在含有葡萄糖培养基的10L发酵罐中，产H2速度最高可达18--23L／h，并进而利用所产生的H2推动3．1--3．5V燃料电池的工作。由于微生物的产氢机制和条件还在研究过程中，所以该类微生物能源的使用尚处试验阶段。需要解决的问题是寻找和筛选活性菌株，解决分离H2和02的方法等。中科院微生物研究所筛选了产氢活性较高的菌株，并对其产氢活性进行了研究【4】。
3．3合成微生物塑料
聚口一羟基烷酸(poly—j3一hydroxyalkanoates，PHAs)是许多原核微生物在不平衡生长条件(如缺乏氮、磷、氧等)下合成的胞内能量和碳源储藏性聚合物。PHAs具有与化学合成塑料相似的性质，能拉丝、压模、注塑等，而且具有化学合成塑料所没有的特殊性能，如利用其生物相容性可作为外科手术缝线、人造血管和骨骼代用品，术后无需取出。因而在工业、农业、医药和环保等行业都具有广阔的应用前景。PHAs可以用可降解的有机固体废弃物合成，而城市垃圾中含有大量可降解的有机固体废弃物，从目前已获得的研究成果可以展望，利用城市垃圾合成PHAs是生物合成PH魅的一条新途径，它的研究将受到人们的广泛重视，在2l世纪将有可能成为塑料工业发展的一个新方向。5 【】
垃圾处理是城市可持续发展所必须解决的一个重大问题，处理的目的是使垃圾资源化、减量化、无害化。微生物在垃圾“三化”中起着积极与重要的作用，利用微生物降解垃圾中有机物，不仅投资和运行费用低，处理效率高，而且还可获得许多有用的副产品，如沼气、饲料、蛋白、酒精等。近年来，随着环境生物技术的发展，在生物处理方面出现了不少新技术、新方法，它们的可行性和有效性也逐渐增强，正成为垃圾处理的发展方向之一。就目前而言，我国应在大力发展适合我国国情的垃圾卫生填埋和垃圾堆肥处理技术的同时，加大利用有机垃圾生产生物能源(燃料酒精、沼气、生物制氢等)的研究力度，加强降解有机垃圾的高效微生物菌剂的研究。我们相信，随着垃圾微生物降解机理研究的进一步深入，会有更为有效的微生物和处理工艺使垃圾真正地成为可利用资源。
参考文献：
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[4]朱思诚．规划中城市垃圾卫生填埋场处理量的确定[J]．环境卫生工程，2005，13(1)：20—22．
[5] 陈世和．中国大陆城市生活垃圾堆肥技术概iSL EJ]．环境科学，1993，15(1)：53—56．
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