生物技術(shù)處理城市生活垃圾的研究進展
摘 要: 針對我國目前城市生活垃圾的現(xiàn)狀和特點,，簡要介紹和對比了三種主要的處理方法，著重介紹了國內(nèi)外生活垃圾生物處理的研究進展,，展望了生活垃圾處理的發(fā)展趨勢,。
關(guān)鍵詞: 生活垃圾,；生物處理；堆肥與厭氧消化,；微生物降解
隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化程度的不斷加大,，城市生活垃圾問題日益突出，且越來越受到人們的關(guān)注,。據(jù)統(tǒng)計,，我國城市生活垃圾產(chǎn)生量平均每年以近9％的速度增長，2001年垃圾年產(chǎn)生量達到1.50億噸，歷年堆存量高達60多億噸,，侵占6億m2土地,。有資料表明，中國目前668座城市中有2/3的城市被垃圾所包圍,，嚴重損害城市環(huán)境衛(wèi)生,，惡化居住條件，城市生活垃圾已成為非常突出的一個環(huán)境問題而阻礙城市的建設(shè)發(fā)展,。因此,，研究城市生活垃圾的資源化處理技術(shù)，大力發(fā)展垃圾處理回用產(chǎn)業(yè)是解決該問題的一個有效途徑,。城市生活垃圾蘊含著大量的能量和資源,，若能對其進行回收利用，可節(jié)約大量的一次資源,，實現(xiàn)資源的可持續(xù)利用和經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展,。
一、我國城市生活垃圾的組成及現(xiàn)狀
城市生活垃圾是指在城市日常生活中或者為城市日常生活提供服務(wù)的活動中產(chǎn)生的固體廢物,，主要包括居民生活垃圾,、商業(yè)垃圾、建筑垃圾(又稱為渣土),。組成成分主要有廚房剩余垃圾（廚余）,、紙類、塑料,、竹木,、布類、玻璃及其他廢物,，其中廚余等易腐有機垃圾含量較高,，占總量的50％以上，是生活垃圾處理的主要對象,，也是造成垃圾問題的主要原因,。以上海為例，目前日產(chǎn)生活垃圾約1.3萬噸,，其中70％為廚余垃圾,，每年需處理的總量達300萬噸之多。從環(huán)境衛(wèi)生角度看,，它是一種污染,；但從資源角度看,，它卻是一種難得的再生資源。這些被丟棄的有機物質(zhì),，作為寶貴的生物資源,，通過生物處理技術(shù)變成優(yōu)質(zhì)的有機肥料，無疑是化害為利的有效途徑,，具有顯著的生態(tài)環(huán)境效益和社會效益,。目前，國內(nèi)外處理城市垃圾的主要方法有衛(wèi)生填埋,、焚燒,、堆肥、海洋投棄等,；結(jié)合我國實際情況和城市生活垃圾的特點,，開發(fā)較為有效的處理技術(shù)已成為當(dāng)務(wù)之急。
二,、城市生活垃圾處理現(xiàn)狀及存在的問題
目前城市生活垃圾處理較普遍采用的方法有填埋法,、堆肥法和焚燒法。
填埋法是將垃圾傾倒在指定場所,，填埋到一定深度后壓實,，并在其上覆蓋一層泥土的方法。土地填埋由于技術(shù)比較成熟,，操作管理比較簡單,，處理量大，投資和運行費用低,，適用性強,，因而是當(dāng)今我國絕大多數(shù)城市采用的處理城市生活垃圾的方法。但填埋法也有其技術(shù)上的局限性：一是填埋場的選擇困難,；二是二次污染問題,，三是資源浪費問題。垃圾的簡易填埋不僅浪費大量寶貴的土地資源,，而且存在滲濾液污染地下水及蟻蠅孳生等一系列不利影響。
堆肥是依靠自然界廣泛分布的細菌,、放線菌,、真菌等微生物，有控制地促進可被生物降解的有機物向穩(wěn)定的腐殖轉(zhuǎn)化的生物化學(xué)過程,，最終形成類似腐殖質(zhì),，可作為肥料或土壤的改良劑。堆肥技術(shù)是實現(xiàn)城市垃圾資源化,、無害化的一條重要途徑,。它不僅可以殺死垃圾中的病原菌,，有效處理垃圾中的有機物，增加土壤中的有機成份,，而且可生產(chǎn)有機肥料,，有利于增加農(nóng)業(yè)產(chǎn)量。特別適用以農(nóng)業(yè)為主的國家,。但是堆肥處理并不能處理全部的垃圾,，它只是針對垃圾中易腐的，可被微生物降解的有機物質(zhì),。堆肥時,，垃圾中的石塊、灰渣,、金屬,、玻璃、塑料等廢棄物不能被微生物分解,，必須進行分選,，另行處理。堆肥方式使垃圾分選等設(shè)施的一次性投入多,，占地用量大,，生產(chǎn)成本高，由于堆肥的營養(yǎng)成份與耕地土壤條件,、農(nóng)作物品種有密切聯(lián)系,，因此垃圾堆肥適用的范圍受到限制。
焚燒法指垃圾中的可燃物,，在焚燒爐中與氧進行燃燒氧化的方法,。其中的碳、氫,、硫等元素與氧進行化學(xué)反應(yīng),，釋放出熱能，同時產(chǎn)生煙氣和固體殘渣,。焚燒法可使固體廢棄物體積減少80％—90％,。但由于我國目前城市生活垃圾中有機物含量還不是很高，必須添加輔助燃料才能維持燃燒,，垃圾有效價值利用率很低,，且焚燒設(shè)備一次性投資大、運行費用高,，而且焚燒易產(chǎn)生例如二惡英等致癌成分,，造成對大氣的污染，因此該法目前在我國應(yīng)用較少,。
目前,，我國城市生活垃圾收集和處理的主要特點是：收集方面以混合收集為主,，絕大多數(shù)末實施垃圾分類和分選；處理上主要以填埋為主(占整個處理量的80％),，其次是高溫堆肥(占整個處理量的19％),，只有約1％的生活垃圾是經(jīng)焚燒處理的。據(jù)有關(guān)專家分析,，我國真正符合國際衛(wèi)生標準的垃圾處理量只占整個垃圾產(chǎn)生量的10％左右,，垃圾處理中的二次污染問題比較普遍。只有實施垃圾的綜合處理,，才能真正實現(xiàn)垃圾的減量化,、資源化、無害化目標,，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略,，為子孫后代造福。
三,、 生活垃圾生物處理方法
（一）堆肥處理法
由于傳統(tǒng)堆肥處理法是利用堆制原料中的土著微生物來降解有機污染物,，堆肥初期土著微生物數(shù)量少，需要一定時間才能繁殖起來,，且各種微生物分解速度差別很大,，因此傳統(tǒng)堆肥往往存在發(fā)酵時間長、產(chǎn)生臭味且肥效低等問題,。
根據(jù)堆肥的基本原理可知,，生活垃圾在進行堆肥處理時，堆肥要經(jīng)歷中溫-高溫-中溫的循環(huán)過程,，大部分有機物的降解是在高溫階段完成的,，這個階段稱為第一次發(fā)酵。研究表明,，通過翻倒物料進行二次發(fā)酵堆肥或者通過動態(tài)連續(xù)堆肥,，可以縮短發(fā)酵周期。另外,，進行人為接種分解有機物能力強的微生物,，可以加速堆肥材料的腐熟，提高溫度,，消滅某些病原體,、蟲卵等，并能控制臭氣,，增加堆肥成品中的有益微生物,。因而通過加入復(fù)合微生物菌劑和調(diào)理劑或分解促進劑來提高和加速堆肥反應(yīng)過程,，成為目前垃圾堆肥研究的熱點,。
（二）厭氧消化法
厭氧是將復(fù)雜有機物在無氧情況下降解成N,、P無機化合物和CH4、CO2,，,、H2等氣體。該方法在處理生活垃圾中十分盛行,，不僅因為它有很高的處理效率,，而且可獲得甲烷等能源氣體。
宋寶增等研究指出,，每噸可腐有機物經(jīng)過厭氧發(fā)酵可生產(chǎn)腐殖質(zhì)(含水率55％)約400kg,，沼氣100m3，這些沼氣如轉(zhuǎn)化為電能約為200kWh,。厭氧消化是將復(fù)雜有機物首先降解成游離糖,、乙醇、揮發(fā)性脂肪酸(VFA),、H2及C02,，而后乙醇和揮發(fā)性脂肪酸被氧化成乙酸和H2，,，最后一步是乙酸和H2,，被轉(zhuǎn)化成CH4，這三步之間有著嚴格的相互協(xié)調(diào)作用,。
LiY-Y和Siegmst等人指出,，在消化過程中，產(chǎn)酸菌把復(fù)雜有機物水解或分解成VFA后,，生長速率變慢,，VFA氧化成乙酸、H2及C02,，這些是產(chǎn)甲烷菌合適的生長底物,。揮發(fā)酸性脂肪酸VFA濃度與厭氧發(fā)酵效率的關(guān)系一直是人們關(guān)注的焦點，因為VFA是厭氧發(fā)酵中重要的中間產(chǎn)物,，如果濃度過高,，則會形成菌體壓力，致使pH值降低,，最終導(dǎo)致發(fā)酵的失敗,。
通過浮選法獲得的累積污泥垃圾(WAS)經(jīng)過超聲波粉碎、熱處理和冷處理后進行厭氧發(fā)酵,，可以增加VFA濃度和產(chǎn)甲烷量,。當(dāng)VFA濃度達到小于產(chǎn)甲烷發(fā)酵的抑制水平時,，就可以作為產(chǎn)甲烷菌的底物，因而降解速率增加,，而且?guī)в兄辨湹腣FA(C2-C6)降解速率大于其同分異構(gòu)體。
（三）混合處理法
將生活垃圾進行好氧與厭氧耦合處理，達到快速降解垃圾目的的方法叫混合處理法。這種方法既能克服好氧堆肥周期長的缺點，又能在厭氧消化中獲得能源,。
中科院成都微生物研究所廖銀章等人與美國佛羅里達大學(xué)進行合作研究，在發(fā)酵工藝方面取得了一些成果,。他們用先好氧后厭氧發(fā)酵,、兩步發(fā)酵和高固體濃度發(fā)酵三種方法對城市有機垃圾厭氧產(chǎn)甲烷進行了研究。研究指出前者具有啟動快,、產(chǎn)氣量高,、處理周期短等優(yōu)點；而厭氧發(fā)酵法,，則有啟動困難,，產(chǎn)氣量少的缺點。所以,，采用兩步法發(fā)酵可顯著提高揮發(fā)酸和甲烷產(chǎn)量,，還能提高城市固體廢物的生物降解率。
Gabriele Schober等人利用兩級消化及好氧處理工藝設(shè)備,，經(jīng)過這三個階段過程,，有機物去除率達96％以上，進一步證實了有機生活垃圾通過生物技術(shù)處理完全能夠礦化,。同時研究進一步指出城市固體垃圾,，尤其是廚余垃圾，適合于消化降解工藝,，而且兩級消化比一級消化更方便,、有效，含有可降解有機物垃圾消化,，可獲得大量氣體,。
四、生活垃圾生物處理中的微生物
生活垃圾的生物降解均依賴于微生物對這些物質(zhì)的分解作用,，進一步了解研究這些微生物,，對于生活垃圾的生物處理具有重要意義。
（一）瘤胃微生物
瘤胃是天然復(fù)雜的生物降解系統(tǒng),。研究瘤胃微生物對于我們了解生活垃圾降解機理具有很重要的借鑒作用和參考價值,。由于瘤胃微生物生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜多樣而又獨特，目前對于其降解機理了解還不夠透徹,。瘤胃微生物所需的養(yǎng)分主要來自于飼料中的蛋白質(zhì)和碳水化合物,。
上海農(nóng)科院畜牧獸醫(yī)研究所杭怡瓊等人研究瘤胃微生物指出，瘤胃中白腐真菌在適宜的條件下，其菌絲首先利用其分泌的超纖維素酶溶解表面的蠟質(zhì),，然后菌姓進入秸稈內(nèi)部,，并產(chǎn)生纖維素酶、半纖維素酶,、內(nèi)切聚糖酶、外切聚糖酶,，降解秸稈中的木質(zhì)素和纖維素,，使其成為含有酶的糖類，以利于消化吸收,。
華南理工大學(xué)陳慶今等人對瘤胃中微生物的研究指出,，瘤胃內(nèi)以異養(yǎng)厭氧菌為主，含有有機垃圾厭氧消化三階段所需要的微生物種類,，即瘤胃中存在水解菌,、酸化菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)甲烷菌,，瘤胃中的微生物是自然界中非常完整的一個有機物質(zhì)轉(zhuǎn)化的生態(tài)系統(tǒng),。一般厭氧消化都存在產(chǎn)物抑制的問題，但由于瘤胃微生物是一個復(fù)合菌群,，一種反應(yīng)的產(chǎn)物往往是另外一種反應(yīng)的利用底物,，底物抑制現(xiàn)象被排除。城市有機垃圾中木質(zhì)纖維素難以被降解的根本原因在于瘤胃微生物能夠高效降解木質(zhì)纖維素,，瘤胃菌群中存在各種可以分別降解木質(zhì)素和結(jié)晶纖維素的微生物分泌的各種酶類,，這就是降解的關(guān)鍵所在。
（二）堆肥微生物
二十世紀八十年代末,，國內(nèi)外許多學(xué)者致力于研究鑒定堆肥過程中的微生物,，從而篩選出有效的降解生活垃圾的微生物菌株。
Finstein等研究垃圾生物處理時,，指出垃圾中所含微生物種群及其數(shù)量為該垃圾的基本屬性之一,，并對該垃圾的堆肥化過程有明顯的影響。
康建雄也研究了生活垃圾堆肥過程中的微生物數(shù)量,，指出垃圾中微生物數(shù)量與垃圾類型,、垃圾產(chǎn)生源的地域分布無關(guān)，與產(chǎn)生源垃圾的新鮮度有關(guān),，同時確定垃圾處理過程中,，中溫微生物在數(shù)量上占優(yōu)勢。堆肥過程中有機物的分解與穩(wěn)定化主要發(fā)生在高溫階段,，此時中溫型與高溫型微生物都起著巨大作用,。
中科院南京土壤研究所的顧希賢等從堆肥、畜糞、土壤等22個樣品中,，分離得到纖維素分解菌198株,，經(jīng)歸并后有54株，其中真菌46株,，放線菌7株,，細菌1株。他們將分解纖維素的真菌接種于生活垃圾兩次發(fā)酵時期,，使堆溫又一次上升,，并維持4天以上，從而增加了堆肥腐殖質(zhì)的含量,，顯著提高了堆肥的肥效,。
高效復(fù)合微生物菌群與污泥混合堆肥，可提高有機污染物的生物降解率,。清華大學(xué)席北斗等人利用高效復(fù)合微生物菌群對生活垃圾和污泥混合堆肥,，可以迅速縮短堆肥過程。這些高效復(fù)合微生物菌群是由酵母菌,、放線菌,、乳酸菌、固氮菌,、纖維素分解菌等多種微生物經(jīng)特殊方法培養(yǎng)而成,；它們依靠相互間協(xié)同作用，迅速分解垃圾中的有機物,，并代謝出抗氧化物質(zhì),，生成復(fù)雜而穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，增加堆肥中的含氮量,，抑制有害微生物的生長繁殖,。
（三）纖維素降解菌
纖維素是植物殘體中最豐富的部分，它是由β(1—4)鍵的葡萄糖單元所組成的長鏈狀大分子,。通常一條鏈中含有10000多個葡萄糖分子,，其葡萄糖亞基排列緊密有序，形成類似晶體的不透水的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),，以及分子間結(jié)合不甚緊密,、排列不整齊的無定形區(qū)域。纖維素易與半纖維素,、木質(zhì)素等難分解的物質(zhì)相復(fù)合,因此,纖維素不能溶于水,，難以水解，其分解需要至少3組水解酶的協(xié)同作用:纖維素內(nèi)切酶(endo-cellulase),、端解酶(exo-cellulase)和纖維素二糖酶(cellobiase),，纖維素分解首先是纖維素的晶體消失，繼而生成纖維二糖、戊二糖,，最后纖維二糖酶將其分解成葡萄糖,，葡萄糖便于吸收。
盡管多種微生物如：假單胞菌(Pseudomonas)色桿菌(Chromobacterium),、芽孢桿菌(Bacillus),，以及多種真菌諸如木霉(Trichoderma)、毛殼素菌(Chaetomium),、青霉(Penicillium)等可通過纖維素酶的作用分解纖維素,。但利用纖維素之前，必須把它從木質(zhì)素和半纖維素包裹中釋放出來,，因此，纖維素的分解和木質(zhì)素的分解是緊密相關(guān)的,。
（四）木質(zhì)真菌
由于木質(zhì)素由芳香烴的衍生物以C-C鍵,、-O-鍵縱橫交聯(lián)在一起，其側(cè)鏈又與半纖維素以價鍵結(jié)合形成一個十分致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),，將纖維素緊緊包裹在里面,，以屏蔽效應(yīng)阻礙了纖維素酶吸附纖維素分子，因而是目前公認的微生物難降解的芳香族化合物之一,。
據(jù)研究報道,，木質(zhì)素的完全降解是真菌、細菌及相應(yīng)微生物群落共同作用的結(jié)果,，其中真菌中的木腐菌在降解木質(zhì)素過程中起著主要作用,。降解木質(zhì)素的木腐菌根據(jù)腐朽類型分為：白腐菌、褐腐菌和軟腐菌,。前兩者屬擔(dān)子菌綱,，軟腐菌屬半知菌類。褐腐菌主要分解纖維素和半纖維素(都是糖的聚合物),，對木質(zhì)素的分解有限 (苯丙烯醇的聚合物),，褐腐菌降解后的木質(zhì)是棕色的，仍保持大量木質(zhì)素改良殘留物和少部分碳水化合物,，能在森林里存活很長時間,。軟腐菌在中溫環(huán)境下對木質(zhì)素有降解能力，它能降解硬木或軟木,，包括土壤中的植物殘渣,，但其降解速度非常慢。在自然界中木質(zhì)素的降解主要靠白腐菌,，大多數(shù)白腐菌既可降解硬木又可降解軟木,，其對木質(zhì)素的降解速度和效率與其他菌種相比，具有明顯的優(yōu)越性。因此白腐菌被認為是最主要的木質(zhì)素降解微生物,。
白腐菌降解木質(zhì)素機理：白腐菌降解木質(zhì)素的過程可分為細胞內(nèi)和細胞外兩過程,。首先是產(chǎn)生H2O2的氧化酶：細胞內(nèi)葡萄糖氧化酶，細胞外乙二醛氧化酶,。它們在分子氧的參與下氧化相應(yīng)底物激活過氧化物酶,，從而啟動酶催化循環(huán)。
同時,，合成對木質(zhì)素降解起作用的胞外酶,，這些酶包括白腐菌分泌的蟲漆酶(1accase)、木素過氧化酶(lignin peroxid),、氧化酶(oxidative en.zym),、依賴錳的過氧化酶(manganese peroxidase)以及酚氧化酶(phenoloxidase)。其中漆酶是氧化酚類物質(zhì),，它將酚上的氫給予氧生成醌自由基,，借助自由基反應(yīng)，與木素的部分分解一起發(fā)生高分子化,，這些反應(yīng)主要導(dǎo)致側(cè)鏈和芳香環(huán)裂解,。在白腐菌降解木質(zhì)素過程中，木質(zhì)素降解酶作為高效催化劑參與反應(yīng),，借助自身形成的H202,，靠酶觸啟動一系列的自由基鏈反應(yīng)，先形成高活性的酶中間體,，將木質(zhì)素等有機物(RH)氧化成許多不同的自由基(R•)和氧化能力很強的羥基自由基(•OH),，實現(xiàn)對木質(zhì)素的生物降解。
（五）有效微生物(EM)
EM(Effective Microorganisms)即有效微生物群,，是日本科學(xué)家比嘉照夫教授于20世紀80年代研制的,，它是一種集乳酸菌、酵母菌,、放線菌和光合細菌等5個科,、10個屬、80余種微生物組成的微生態(tài)制劑,。而所謂的EM技術(shù),，就是在“抗酸性物質(zhì)”存在的情況下，將“厭氧性微生物”和“需氧性微生物”共存培養(yǎng)后,，再加以利用的技術(shù),。EM于1992年開始用于生產(chǎn)，可用于農(nóng)用,、養(yǎng)殖業(yè)及環(huán)境保護等方面,。
對塑料,、纖維、垃圾以及其他有機物混入的廢棄物進行再利用時,，由于有強烈的揮發(fā)性物質(zhì),，因此會對人體的健康產(chǎn)生危害。但是在最初處理階段(粉碎廢棄物的沖擊階段),，如果使用EM技術(shù),，則可以完全清除惡臭氣體，且不需臭氧殺菌,，對作業(yè)人員健康的危害也隨之消除,。通常認為，好氧菌的氧化分解沒有味道,，引起腐敗的厭氧菌屬于發(fā)生異味的類別,，但并不是所有的厭氧菌都會發(fā)生異味。即使同樣的厭氧性菌,能夠用于制作食品的那種就屬于有益的類別,，在厭氧條件下不但不發(fā)出異味,而且還會發(fā)出誘人的芳香,。由此可知:“為了切斷異味源,并且不產(chǎn)生‘活性污泥’，可以利用厭氧性有益發(fā)酵微生物”,。因此,，EM可對垃圾處理過程中產(chǎn)生的異味有較好的改善作用,，化臭為香,，凈化了環(huán)境，保護了人身健康,。
日本利用EM技術(shù)已取得了相當(dāng)?shù)某晒?。其中，在生活垃圾處理方面,，日本已開始推廣EM技術(shù),，并提出在家庭內(nèi)將廚房垃圾變成有機肥料。廚房垃圾是城市生活垃圾的主要來源,，若能在源頭就徹底消除,，無疑將最大限度地減少對環(huán)境的壓力，避免二次污染,。根據(jù)用途,，EM分為不同種類，其中用于生活垃圾發(fā)酵的專用粉狀EM只需用0.2％EM(以米糠為主要成分)的發(fā)酵物,，按1％的用量接種到有機生活垃圾中,，進行厭氧發(fā)酵，夏季經(jīng)7天后有機垃圾即被分解,，且無臭無蚊蠅孳生,，同時可得到無臭味的,、可直接還原于土壤的活菌肥料，并可用于蔬菜和花卉的栽培,。
同濟大學(xué)利用Z-lant技術(shù)研制了一臺生活垃圾處理裝置,，該菌液由多種EM微生物培養(yǎng)而成，與生活垃圾一起投入垃圾處理裝置進行反應(yīng),，生活垃圾迅速被有效微生物群消化分解,，最終變生活垃圾為有機肥料。
五,、展望
生活垃圾生物降解是多種微生物共同協(xié)同作用的結(jié)果,，因而在篩選這些有效微生物菌群時，要考慮不同微生物菌群間的拮抗作用,，以確保有效菌種的優(yōu)勢,。
目前將篩選到的有效微生物菌群，接種到生活垃圾中,，通過好氧與厭氧聯(lián)合處理工藝降解生活垃圾,，是垃圾生物處理的發(fā)展趨勢。但其前提條件是實行城市垃圾分類,，提高垃圾有機物含量,，這在許多發(fā)達國家都已付諸實行。
家庭生活垃圾處理越來越受到各國政府重視,。它能將生活垃圾就地處理成有機肥料,，從源頭消除垃圾，減輕城市生活垃圾給環(huán)境造成的壓力,，避免二次污染,，從而實現(xiàn)生活垃圾的無害化、減量化和資源化,。我們相信,，隨著垃圾微生物降解機理研究的進一步深入，會有更為有效的垃圾微生物和處理工藝,，實現(xiàn)由生活垃圾“廢物”變?yōu)樵旄Ｈ祟惖?ldquo;財富”,。
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