城市垃圾生物處理技術(shù)的研究概述
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(yán)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(yùn)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(dá) 60億噸 , 堆占耕地 5 億平方米 , 直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá) 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(yán)重污染當(dāng)?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(dāng)前重要的技術(shù)手段 - - -生物處理技術(shù)。本文謹(jǐn)就城市垃圾生物處理技術(shù)研究方面的信息作以詳實(shí)的總結(jié) , 為同行的研究與應(yīng)用提供更系統(tǒng)、全面的參考和依據(jù)。
運(yùn)用生物技術(shù)方法處理生活垃圾 , 不僅避免化學(xué)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(dāng)屬目前最推崇的技術(shù)。從方式方法、作用特性、作用機(jī)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(yīng)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(shí)施生物降解 , 使垃圾中的 60% - 70%各種有機(jī)物轉(zhuǎn)化成促進(jìn)植物生長的有機(jī)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(diǎn) , 哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(jī)肥料。成功收集配制的菌群是由細(xì)菌、放線菌、真菌等十幾種能降解不同有機(jī)殘體的微生物組成。垃圾中的有機(jī)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(jī)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(yùn)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(jìn)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(qiáng)、活性大的微生物來 “ 對付 ”垃圾中各類有機(jī)物 [ 1 ] 。有些學(xué)者對城市生活垃圾高溫好氧堆肥的人工接種試驗(yàn)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(dú)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(dá)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(yùn)行的某些處理 , 近期的研究報導(dǎo)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(yùn)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(yīng)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(yīng)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(fèi)用低、效率高而得到最廣泛的應(yīng)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(jī)負(fù)荷低 , 降解進(jìn)度較慢 , 但由于工程簡單 , 在土地不貴的地區(qū) , 是最經(jīng)濟(jì)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?yàn)V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(jī)物。
1.2.1.2 厭氧生物處理 近年來 , 隨著微生物學(xué)、生物化學(xué)等學(xué)科發(fā)展和工程實(shí)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(jìn)水、上部出水的上流式厭氧生物濾池 , 其容積負(fù)荷高、剩余污泥少、耐沖擊負(fù)荷強(qiáng) , 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(dá)到很好的水平 , 但它作為高濃度有機(jī)廢水在好氧處理前的預(yù)處理是經(jīng)濟(jì)有效的。
1.2.1.3 厭氧 — — — 好氧結(jié)合生物處理 北京市政設(shè)計院自 1988年進(jìn)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(yàn)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(jì)合理 , 處理效率高 , COD和 BOD 的去除率分別達(dá) 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(jìn)行了中試研究 , 結(jié)果 COD、BOD5、NH3 - N和 T N的去除率分別達(dá)到 95%、99% 、9915% 和 97%。
1.2.2 工程方面
目前新應(yīng)用工程是生物反應(yīng)器 , 通過有目的控制手段強(qiáng)化微生物過程從而加速垃圾中易降解和中等易降解有機(jī)組份轉(zhuǎn)化 , 形成一種穩(wěn)定垃圾的衛(wèi)生填埋場運(yùn)行方式。通過物理或化學(xué)的方法將游離細(xì)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(fù)利用。固定化的微生物 , 由于高度密集而產(chǎn)生強(qiáng)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(yīng)器工藝運(yùn)行的安全性得到大大提高。新近的研究報導(dǎo)有: 李秀金的 “ 生物反應(yīng)器型垃圾填埋場技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用前景 ” [ 3 ] 、何若的 “ 生物反應(yīng)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(yīng)器型填埋方式的對比實(shí)驗(yàn) ” [ 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(jī)固體廢物的生物處理技術(shù)。該法是使垃圾糞便中的有機(jī)物 , 在微生物作用下 , 進(jìn)行生物化學(xué)反應(yīng) , 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(diǎn)是占地面積小 , 投資少 , 有較好的經(jīng)濟(jì)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(jī)肥質(zhì)量很差, 不能做到標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用。為此尚且需要有效地改進(jìn)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(jī)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(yīng)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(diǎn)是無污染 , 投資少、見效快。由于蚯蚓的食量大 , 消化力強(qiáng) , 故垃圾的處理率高。試驗(yàn)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(jī)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(yīng)性強(qiáng)。
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(xí)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(dǎo)性。對于垃圾中可降解不溶性復(fù)雜有機(jī)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(jī)物 , 進(jìn)入到細(xì)胞內(nèi)后 , 再通過胞內(nèi)酶的作用進(jìn)行降解。對于難以生物降解的有機(jī)污染物 , 微生物通過靈活的代謝調(diào)控機(jī)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(xì)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(guān)鍵酶類 , 抗藥性質(zhì)粒能使宿主細(xì)胞抗多種抗生素和有毒化學(xué)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(xì)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(jī)污染物。
3 生物處理技術(shù)的作用機(jī)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(jìn)、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(jī)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(shí)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(jī)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(xué)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(jī)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?yàn)?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(xì)菌的活動。
4.4 垃圾中有機(jī)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(jī)物去除量最大。若 C /N值太高 , 則細(xì)菌生長所需的氮量不足 , 容易造成有機(jī)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(xì)菌、真菌和放線菌。其中細(xì)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(xì)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(xì)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(xì)菌有: 細(xì)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(xì)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(xì)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(xiàn)】
〔 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(yīng)器型垃圾填埋場技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用前景 [ J ]1農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 , 2002, 18 (1) : 111～1141
〔 4〕 何若 , 沈東升。生物反應(yīng)器填埋場系統(tǒng)的特性研究 [ J ]1環(huán)境科學(xué)學(xué)報 , 2001, 21 (6) : 763～767
〔 5〕 李兵 , 董志穎。2種 MS W 好氧生物反應(yīng)器型填埋方式的對比實(shí)驗(yàn) , 第 26卷第 3期 2005年 5月 環(huán)境科學(xué) , 2005 (5) , VO11261NO13
〔 6〕 龍焰 , 沈東升。填埋場中垃圾降解微生物機(jī)理研究進(jìn)展 , 浙江大學(xué)學(xué)報 (農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版 ) 32 (1) : 9～ 13, 2006。
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