生活垃圾生物处理的研究与展望

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处理生活垃圾的方法很多，传统的有填埋、焚烧、露天堆放等，但易造成二次污染。由于生活垃圾生物处理具有降解快、无污染和能源化等优点，因而受到各国的青睐。
一、生活垃圾生物处理方法1．堆肥处理法
　　堆肥是依靠自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物，有控制地促进可被生物降解的有机物向稳定的腐殖转化的生物化学过程，最终形成类似腐殖质，可作为肥料或土壤的改良剂。堆肥技术是实现城市垃圾资源化、无害化的一条重要途径。它不仅可以杀死垃圾中的病原菌，有效处理垃圾中的有机物，增加土壤中的有机成份，而且可生产有机肥料，有利于增加农业产量。特别适用以农业为主的国家。
# R. I/ t# J* a- n$ s/ H( [　　由于传统堆肥处理法是利用堆制原料中的土著微生物来降解有机污染物，堆肥初期土著微生物数量少，需要一定时间才能繁殖起来，且各种微生物分解速度差别很大，因此传统堆肥往往存在发酵时间长、产生臭味且肥效低等问题。
) v9 x$ @6 h2 H0 q　　研究表明，进行人为接种分解有机物能力强的微生物，可以加速堆肥材料的腐熟，提高温度，消灭某些病原体、虫卵等，并能控制臭气，增加堆肥成品中的有益微生物。因而通过加入复合微生物菌剂和调理剂或分解促进剂来提高和加速堆肥反应过程，成为目前垃圾堆肥研究的热点。
3 a$ d* C# W" C( r$ h+ l& e- i2．厌氧消化法
　　厌氧是将复杂有机物在无氧情况下降解成N、P无机化合物和CH4、CO，、H：等气体。该方法在处理生活垃圾中十分盛行，不仅因为它有很高的处理效率，而且可获得甲烷等能源气体。
* o- b" ?3 I; o　　宋宝增等研究指出，每吨可腐有机物经过厌氧发酵可生产腐殖质(含水率55％)约400kg，沼气100M30m3，这些沼气如转化为电能约为200kWh。厌氧消化是将复杂有机物首先降解成游离糖、乙醇、挥发性脂肪酸(VFA)、H2及C02，而后乙醇和挥发性脂肪酸被氧化成乙酸和H，，最后一步是乙酸和H，被转化成CH4，这三步之间有着严格的相互协调作用。
　　LiY-Y和Siegmst等人指出，在消化过程中，产酸菌把复杂有机物水解或分解成VFA后，生长速率变慢，VFA氧化成乙酸、H2及C02，这些是产甲烷菌合适的生长底物。挥发酸性脂肪酸VFA浓度与厌氧发酵效率的关系，一直是人们关注的焦点，因为VFA是厌氧发酵中重要的中间产物，如果浓度过高，则会形成菌体压力，致使pH值降低，最终导致发酵的失败。
( r" i/ i, ~& S1 }1 P2 Z　　通过浮选法获得的累积污泥垃圾(WAS)经过超声波粉碎、热处理和冷处理后，进行厌氧发酵，可以增加VFA浓度和产甲烷量。当VFA浓度达到小于产甲烷发酵的抑制水平时，就可以作为产甲烷菌的底物，因而降解速率增加，而且带有直链的VFA(C2-C6)降解速率大于其同分异构体。
3．混合处理法
9 i# E; }) o* M: J+ _# H+ @　　是将生活垃圾进行好氧与厌氧耦合处理，达到快速降解垃圾的目的。既能克服好氧堆肥周期长的缺点，又能在厌氧消化中获得能源。
　　中科院成都微生物研究所廖银章等人与美国佛罗里达大学进行合作研究，在发酵工艺方面取得了一些成果。他们用先好氧后厌氧发酵、两步发酵和高固体浓度发酵三种方法对城市有机垃圾厌氧产甲烷进行了研究。研究指出前者具有启动快、产气量高、处理周期短等优点。而直接采用厌氧发酵，由于挥发酸大量积累，启动困难，产气量少。采用两步法发酵可显著提高挥发酸和甲烷产量，还能提高城市固体废物的生物降解率。
3 p% |# B" k/ Z" P7 `　　Gabriele Schober等人利用两级消化及好氧处理工艺设备，经过这三个阶段过程，有机物去除率达96％以上，进一步证实了有机生活垃圾通过生物技术处理完全能够矿化。同时研究进一步指出城市固体垃圾，尤其是厨余垃圾，适合于消化降解工艺，而且两级消化比一级消化更方便、有效，含有可降解有机物垃圾消化，可获得大量气体。
二、生活垃圾生物处理中的微生物
　　生活垃圾的生物降解均依赖于微生物对这些物质的分解作用，进一步了解研究这些微生物，对于生活垃圾的生物处理具有重要意义。
1．瘤胃微生物
　　瘤胃是天然复杂的生物降解系统，因而研究瘤胃微生物对于我们了解生活垃圾降解机理具有很重要的借鉴作用和参考价值。但由于瘤胃微生物生态系统复杂多样而又独特，目前对于其降解机理了解还不够透彻。瘤胃微生物所需的养分主要来自于饲料中的蛋白质和碳水化合物。
　　上海农科院畜牧兽医研究所杭怡琼等人研究瘤胃微生物指出，瘤胃中白腐真菌在适宜的条件下，其菌丝首先利用其分泌的超纤维素酶溶解表面的蜡质，然后菌姓进入秸秆内部，并产生纤维素酶、半纤维素酶、内切聚糖酶、外切聚糖酶，降解秸秆中的木质素和纤维素，使其成为含有酶的糖类，以利于消化吸收。
　　华南理工大学陈庆今等人对瘤胃中微生物的研究指出，瘤胃内以异养厌氧菌为主，含有有机垃圾厌氧消化三阶段所需要的微生物种类，即瘤胃中存在水解菌、酸化菌、产氢产乙酸菌和产甲烷菌，瘤胃中的微生物是自然界中非常完整的一个有机物质转化的生态系统。一般厌氧消化都存在产物抑制的问题，但由于瘤胃微生物是一个复合菌群，一种反应的产物往往是另外一种反应的利用底物，底物抑制现象被排除。城市有机垃圾中木质纤维素是难以被降解的根本原因，而瘤胃微生物能够高效降解木质纤维素，是因为瘤胃菌群中存在各种可以分别降解木质素和结晶纤维素的微生物，它们分泌的各种酶类是降解的关键所在。
& b0 J7 q" p( D3 z% E# l: W2．堆月巴微生物
1 i8 W7 a, \9 d# G1 I$ B) S& _( T　　二十世纪八十年代末国内外许多学者致力于研究鉴定堆肥过程中的微生物，从而筛选出有效的降解生活垃圾的微生物菌株。
2 a2 p; m" |7 q  q% m% ~Finstein等研究垃圾生物处理时，指出垃圾中所含微生物种群及其数量为该垃圾的基本属性之一，并对该垃圾的堆肥化过程有明显的影响。
　　康建雄也研究了生活垃圾堆肥过程中的微生物数量，指出垃圾中微生物数量与垃圾类型、垃圾产生源的地域分布无关，与产生源垃圾的新鲜度有关，同时确定垃圾处理过程中，中温微生物在数量上占优势。堆肥过程中有机物的分解与稳定化主要发生在高温阶段，此时中温型与高温型微生物都起着巨大作用。
　　中科院南京土壤研究所的顾希贤等从堆肥、畜粪、土壤等22个样品中，分离得到纤维素分解菌198株，经归并后有54株，其中真菌46株，放线菌7株，细菌1株，他们将分解纤维素的真菌接种于生活垃圾两次发酵时期，使堆温又一次上升，并维持4天以上，从而增加了堆肥腐殖质的含量，显著提高了堆肥的肥效。
$ Y# N5 Y% V; P& i4 [　　高效复合微生物菌群与污泥混合堆肥，可提高有机污染物的生物降解率。清华大学席北斗等人利用高效复合微生物菌群对生活垃圾和污泥?昆合堆肥，可以迅速缩短堆肥过程。这些高效复合微生物菌群是由酵母菌、放线菌、乳酸菌、固氮菌、纤维素分解菌等多种微生物经特殊方法培养而成，它们依靠相互间协同作用，迅速分解垃圾中的有机物，并代谢出抗氧化物质，生成复杂而稳定的生态系统，增加堆肥中的含氮量，抑制有害微生物的生长繁殖。
3．木质真菌消化降解垃圾
  u' d3 G3 \( k3 {　　由于木质素由芳香烃的衍生物以C-C键、一O一键纵横交联在一起，其侧链又与半纤维素以价键结合形成一个十分致密的网络结构，将纤维素紧紧包裹在里面，以屏蔽效应阻碍了纤维素酶吸附纤维素分子，因而是目前公认的微生物难降解的芳香族化合物之一。
　　据研究报道，木质素的完全降解是真菌、细菌及相应微生物群落共同作用的结果，其中真菌在降解木质素过程中起着主要作用。降解木质素的真菌根据腐朽类型分为：白腐菌、褐腐菌和软腐菌。前两者属担子菌纲，软腐菌属半知菌类。白腐菌降解木质素的能力优于其降解纤维素的能力，它能够分泌胞外氧化酶降解木质素，而后两者降解木质素的能力弱于其降解纤维素的能力。因此白腐菌被认为是最主要的木质素降解微生物。
　　白腐菌降解木质素机理：首先是产生H20，的氧化酶：细胞内葡萄糖氧化酶，细胞外乙二醛氧化酶。它们在分子氧的参与下氧化相应底物激活过氧化物酶，从而启动酶催化循环。同时，合成对木质素降解起作用的胞外酶，这些酶包括白腐菌分泌的虫漆酶(1accase)，木素过氧化酶(lignin peroxidase)，氧化酶(oxidative en.zyme)，依赖锰的过氧化酶(manganese peroxidase)以及酚氧化酶(phenoloxidase)。其中漆酶是氧化酚类物质，它将酚上的氢给予氧生成醌自由基，借助自由基反应，与木素的部分分解一起发生高分子化，这些反应主要导致侧链和芳香环裂解。在白腐菌降解木质素过程中，木质素降解酶作为高效催化剂参与反应，借助自身形成的H202，靠酶触启动一系列的自由基链反应，先形成高活性的酶中间体，将木质素等有机物(RH)氧化成许多不同的自由基(R·)和氧化能力很强的羟基自由基(·OH)，实现对木质素的生物降解。
/ e4 @6 l8 w" }& f3 h- e; S* [4．有效微生物(EM)在生活垃圾处理中的应用
1 D# h! G; z9 d2 ^　　EM(Effective Microorganisms)即有效微生物群，是一种集乳酸菌、酵母菌、放线菌和光合细菌等5个科、10个属、80余种微生物组成的微生态制剂。EM是日本科学家比嘉照夫教授的研究成果，1992年开始用于生产，可用于农用、养殖业及环境保护等方面。
% D8 R# t  g; V% o3 O　　日本利用EM技术已取得了相当的成功。其中，在生活垃圾处理方面，日本已开始推广EM技术，并提出在家庭内将厨房垃圾变成有机肥料。用于生活垃圾发酵的专用粉状EM只需用0．2％EM(以米糠为主要成分)的发酵物，按1％的用量接种到有机生活垃圾中，进行厌氧发酵，夏季经7天后有机垃圾即被分解，且无臭无蚊蝇孳生，同时可得到无臭味的、可直接还原于土壤的活菌肥料，并可用于蔬菜和花卉的栽培。
　　同济大学利用Z-lant技术研制了一台生活垃圾处理装置，该菌液由多种EM微生物培养而成，与生活垃圾一起投入垃圾处理装置进行反应，生活垃圾迅速被有效微生物群消化分解，最终变生活垃圾为有机肥料。
三、展望
5 k( K* _4 I& |! y! [/ t+ E! R　　生活垃圾生物降解是多种微生物共同协同作用的结果，因而在筛选这些有效微生物菌群时，要考虑不同微生物菌群间的拮抗作用，以确保有效菌种的优势。
5 v8 }* b* p3 k# l* P4 C　　目前将筛选到的有效微生物菌群，接种到生活垃圾中，通过好氧与厌氧联合处理工艺降解生活垃圾，是垃圾生物处理的发展趋势。但其前提条件是实行城市垃圾分类，提高垃圾有机物含量，这在许多发达国家都已付诸实行。
$ \+ U  ^" |# Y; z' A& b　　家庭生活垃圾处理越来越受到各国政府重视。它能将生活垃圾就地处理成有机肥料，从源头消除垃圾，减轻城市生活垃圾给环境造成的压力，避免二次污染，从而实现生活垃圾的无害化、减量化和资源化。我们相信，随着垃圾微生物降解机理研究的进一步深入，会有更为有效的垃圾微生物和处理工艺，实现由生活垃圾"废物"变为造福人类的"财富"。
  b5 Q$ D' D5 Q) a7 V1 R, K, A吴昊,张赣道（南京工业大学制药与生命科学学院，江苏 南京）

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堆肥的销路问题是生活垃圾堆肥处理的难以逾越的沟坎。