城市垃圾生物处理技术的研究概述
随着我国城市的发展 , 垃圾的排放量猛增 , 环境污染日益严重。据统计我国人均生活垃圾年产量为 440kg, 每年以 8 - 10%的速度递增 , 大量的垃圾被运到城郊裸露堆放 , 已成为公害。迄今为止全国历年累计生活垃圾已高达 60亿吨 , 堆占耕地 5 亿平方米 , 直接经济损失达 80亿元人民币。我国城市垃圾中湿垃圾占有较大的比例 , 随之而来的垃圾渗滤液严重污染当地的地下水及河流 , 因此 , 湿垃圾是城市垃圾亟待处理的主体部分。目前 , 我国垃圾处理方法: 主要有填埋法、堆肥法、焚烧法 , 其中包含当前重要的技术手段 - - -生物处理技术。本文谨就城市垃圾生物处理技术研究方面的信息作以详实的总结 , 为同行的研究与应用提供更系统、全面的参考和依据。
运用生物技术方法处理生活垃圾 , 不仅避免化学处理方法对环境造成的新污染 , 同时也可避免挖坑填埋处理方式侵占土地及对环境潜在污染的弊端 , 当属目前最推崇的技术。从方式方法、作用特性、作用机理 , 影响因子和生物等都有它的特殊性。
1 生物处理技术的方式方法
目前对城市垃圾处理的生物技术可概括为三个方面 , 微生物技术、生物工程技术和生物技术。
1.1 微生物技术
微生物技术是目前城市垃圾处理生物技术中应用最普遍的技术 , 它利用有效微生物菌群融合于垃圾中 , 经微生物活跃的新陈代谢活动 , 对城市湿垃圾实施生物降解 , 使垃圾中的 60% - 70%各种有机物转化成促进植物生长的有机营养和腐殖质的一种技术。
近几年我国对此技术的研究已得到了长足的发展 , 选择优势微生物种群是微生物法处理城市垃圾的研究热点 , 哈尔滨工业大学的科研小组最近成功地收集、培养、配制一个微生物菌群 , 能有效地降解转化城市生活垃圾并形成有机肥料。成功收集配制的菌群是由细菌、放线菌、真菌等十几种能降解不同有机残体的微生物组成。垃圾中的有机物主要包括纤维素、脂肪和蛋白质三大类 , 由于垃圾的来源和产生季节的差异 , 有机物成份也会有所变化, 因而菌群的组成也将随之调整。研究人员运用基因工程方法 , 对从自然界收集来的天然微生物菌种的基因结构进行修改、改良和增加它们的功能, 配制成更有效的微生物菌群 , 使用功能强、活性大的微生物来 “ 对付 ”垃圾中各类有机物 [ 1 ] 。有些学者对城市生活垃圾高温好氧堆肥的人工接种试验做了研究 , 利用恒温培养箱模拟堆肥中心的温度, 筛选出堆肥各个阶段的优势菌种 , 单独培养后混合加入到城市生活垃圾的高温好氧堆肥中 , 通过温度变化和微生物数量变化考察了不同堆肥条件下垃圾降解效果的差异。结果表明在后发酵中接种降解纤维素活性高的霉菌很容易达到优势地位 , 因此可以利用所加霉菌提高堆肥的温度 , 加速降解的速度, 以此为下一步菌群的筛选工作提出了方向[ 2 ] 。
1.2 生物工程技术
该技术是较早城市垃圾处理的生物技术, 由城市垃圾处理三法中的填埋法中孕育而产生 , 包括工艺和工程两个方面。
1.2.1 工艺方面
工艺方面主要是针对垃圾渗滤液运行的某些处理 , 近期的研究报导颇多。目前垃圾渗滤液处理工艺有好氧生物处理、厌氧生物处理和二者结合处理。二者结合处理具有效果好、运行成本低、适合于处理生化性较好的渗滤液 , 也是目前用得最多 , 最为有效的处理方法。
1.2.1.1 好氧生物处理 好氧处理能有效降低渗滤液中的 B0D, COD 和氨氮 , 还可去除铁、锰等金属。对高 B0D 值的渗滤液处理时 , 应该首先考虑生物处理。好氧处理包括活性污泥法、曝气稳定塘法、生物膜法和滴滤池法等 , 以延时曝气法应用最多 , 曝气稳定塘和生物膜次之 (主要用以去除氮 )。活性污泥法因费用低、效率高而得到最广泛的应用 , 是较普及的处理方法。同时还分步流人法、延时曝气法、吸附再生法和合建式表面曝气池。曝气稳定塘与活性污泥法相比 , 曝气稳定塘体积大 , 有机负荷低 , 降解进度较慢 , 但由于工程简单 , 在土地不贵的地区 , 是最经济的垃圾渗滤液好氧生物处理方法; 生物膜法是与活性污泥法并列的另一种好氧生物处理法 , 它借助附着在填料 (或滤料、载体 ) 上生物膜的作用 , 在有氧的条件下 , 氧化污水中的有机物。
1.2.1.2 厌氧生物处理 近年来 , 随着微生物学、生物化学等学科发展和工程实践的积累 , 不断开发出新的厌氧处理工艺。该处理法有厌氧生物滤池、厌氧接触法、上流式厌氧污泥床和分段厌氧消化等。厌氧式生物滤池的传统工艺为底部进水、上部出水的上流式厌氧生物滤池 , 其容积负荷高、剩余污泥少、耐冲击负荷强 , 是目前使用的主要垃圾处理类型。虽然厌氧法处理的出水水质不能达到很好的水平 , 但它作为高浓度有机废水在好氧处理前的预处理是经济有效的。
1.2.1.3 厌氧 — — — 好氧结合生物处理 北京市政设计院自 1988年进行城市垃圾卫生填埋场渗滤液处理技术的研究 , 经各组工艺组合的试验研究得出如下结论: 对高浓度的垃圾渗滤液采用生化法处理是有效的 , 采用厌氧 — — — 好氧处理工艺既经济合理 , 处理效率高 , COD和 BOD 的去除率分别达 8618% 和 9712%; 陈石等人采用氨吹脱 -厌氧生物滤池 - S BR工艺对深圳某填埋场的渗滤液进行了中试研究 , 结果 COD、BOD5、NH3 - N和 T N的去除率分别达到 95%、99% 、9915% 和 97%。
1.2.2 工程方面
目前新应用工程是生物反应器 , 通过有目的控制手段强化微生物过程从而加速垃圾中易降解和中等易降解有机组份转化 , 形成一种稳定垃圾的卫生填埋场运行方式。通过物理或化学的方法将游离细胞或微生物定位于限定的空间区域内 , 使其保持活性并可反复利用。固定化的微生物 , 由于高度密集而产生强抵抗能力或载体覆盖物的阻挡作用, 削弱了有毒有害物对微生物的冲击作用 , 使反应器工艺运行的安全性得到大大提高。新近的研究报导有: 李秀金的 “ 生物反应器型垃圾填埋场技术特点和应用前景 ” [ 3 ] 、何若的 “ 生物反应器填埋场系统的特性研究 ” [ 4 ] 和李兵的 “2种 MS W 好氧生物反应器型填埋方式的对比实验 ” [ 5 ] 。
工程方面研究中 , 堆肥也是一种重要的工程性处理技术之一。堆肥工艺是一种古老的有机固体废物的生物处理技术。该法是使垃圾粪便中的有机物 , 在微生物作用下 , 进行生物化学反应 , 最后形成一种类似腐殖质土壤的物质 , 用作肥料或改良土壤。它是一种有效的城市处理手段 , 其优点是占地面积小 , 投资少 , 有较好的经济和环境效益, 对于发展中国家的城市来说 , 是一种很有发展前途的垃圾处理手段。
我国仍多采用传统的堆肥方法 , 其简单、落后 , 垃圾降解效率很低 , 所产生有机肥质量很差, 不能做到标准化 , 生物发酵周期过长等 , 阻碍了垃圾生物降解技术的发展和应用。为此尚且需要有效地改进传统的堆肥方法 , 提高生物降解和腐殖质转化效率和有机肥质量 , 推动城市生活垃圾易腐物生物工程降解技术的发展和应用。
1.3 生物技术
生物技术也称作蠕虫法。即利用养殖蚯蚓处理城市垃圾 , 其优点是无污染 , 投资少、见效快。由于蚯蚓的食量大 , 消化力强 , 故垃圾的处理率高。试验表明 , 每条蚯蚓可吞食的垃圾量为体重的 218 倍 , 100万条蚯蚓每个月处理垃圾为 24 - 36 t, 蚯蚓粪是很好的有机肥料 , 蚯蚓还可以作为饲养动物的蛋白质来源之一。我国的台湾省及美国、日本、缅甸、印度等均利用此法处理垃圾。
2 生物处理技术的作用特性
垃圾填埋法的微生物处理中 , 微生物的显著处理效果表现为以下六个特性:
2.1 微生物繁殖快 , 易变异 , 适应性强。
2.2 微生物个体微小 , 比表面积大 , 代谢速率快。
2.3 覆土和垃圾中存在多种多样的微生物 , 它们的营养类型、理化性状和生态习性多种多样, 并且存在多种类型代谢活动。
2.4 微生物降解酶具有专一性和诱导性。对于垃圾中可降解不溶性复杂有机物 , 微生物通过胞外酶的作用使其水解成溶解性的简单有机物 , 进入到细胞内后 , 再通过胞内酶的作用进行降解。对于难以生物降解的有机污染物 , 微生物通过灵活的代谢调控机制而降解转化。
2.5 微生物体内具有质粒 , 能起调控作用。质粒是细菌体内的一种环状 DNA分子 , 是染色体以外的遗传物质。由于降解性质粒编码生物降解过程中的一些关键酶类 , 抗药性质粒能使宿主细胞抗多种抗生素和有毒化学品如农药和重金属等 , 因此 , 在有毒物存在的情况下 , 质粒能给宿主带来具有选择优势的基因 , 并且 , 质粒能够转移 , 获得质粒的细胞同时获得质粒所具有的性状。
2.6 微生物具有共代谢作用。微生物通过共代谢作用 , 使其在可作碳源和能源的基质上生长时 , 也使一种非生长基质不完全转化。共代谢微生物在利用某种生长基质时 , 与该生长基质结构相似的非生长基质会在微生物降解生长基质的初始酶 (专一性不高 ) 作用下将非生长基质降解和转化。例如 , 甲烷氧化菌产生的单加氧酶是一种非特异性酶 , 可以通过共代谢作用降解三氯乙烯 ( TCE)、多氯联苯 ( PCB s) 等多种难降解有机污染物。
3 生物处理技术的作用机理
垃圾的厌氧降解是多类群微生物协同代谢的过程 , 不同代谢微生物相互促进、相互制约。稳定的降解过程中各微生物类群处于一种微妙的动态平衡中 , 一旦某个环节发生障碍 , 就会影响整个代谢过程。垃圾在填埋中所经历的降解过程大致可以分为好氧降解和厌氧降解两个阶段[ 6 ] 。
好氧降解阶段: 该阶段垃圾中易降解的有机组迅速与填埋垃圾所夹带的氧气发生好氧生物降解 , 生成 CO2和 H2, 同时释放出一定热量 , 垃圾温度升高。该过程短暂 , 在填埋场垃圾降解中只起次要作用。
厌氧降解阶段: 该阶段是垃圾降解的主要阶段 , 它包括水解、酸化、产氢产乙酸和产甲烷过程。
4 生物处理技术的影响因素
生物处理城市垃圾的实质是一种生物降解过程 , 影响降解的因素分为两大类 , 一类是环境因素 , 包括温度、pH值、湿度和氧化还原电位等; 另一类是基本因素 , 包括微生物量、有机物组成、营养比等。
4.1 温度 微生物生长的温度范围很广 , 约为 5 - 85℃, 根据不同微生物生长温度可分为低温型、中温型和高温型。垃圾的降解主要发生在中温和高温段 , 中温型最适为 18 - 35℃, 最高为 40 - 45℃, 高温型最适 50 - 60℃, 最高 70 - 85℃。
4.2 湿度 水作为营养物质、酶、胞外酶和气体的溶剂 , 在不同转化时 (水解过程 ) 作为化学有效物质 , 水的存在是微生物活动和厌氧降解成功的基本条件。垃圾卫生填埋过程中能承受的含水率范围较宽 , 一般在 25% - 70%。
4.3 pH值 在填埋过程中 , 垃圾中的有机物被微生物所降解 , 而产甲烷菌最适宜 pH值为 618 - 715, pH低于 618或高于 715时甲烷菌的活性低, 要求绝对厌氧 , 因为 pH值的变化影响不产甲烷菌的活动 , 间接影响产甲烷菌 , pH值高时会使 C浓度下降 , pH值低时又会抑制细菌的活动。
4.4 垃圾中有机物组成 在垃圾厌氧降解中 , 为满足微生物生长的需要 , 垃圾中要有足够的碳、氮、磷存在 , 一般 C /N值在 10 - 20: 1之间 , 有机物去除量最大。若 C /N值太高 , 则细菌生长所需的氮量不足 , 容易造成有机酸的积累 , 抑制产甲烷菌的生长。如 C /N值太低 , 盐大量积累 , pH值上升到 8以上 , 也会抑制产甲烷菌的生长。
5 生物处理技术的菌群分类
在填埋法的生物降解垃圾的过程中 , 所涉及的主要微生物类群有细菌、真菌和放线菌。其中细菌数量最多。按垃圾厌氧降解过程, 主要微生物可分为以下三类。
第一类 , 水解菌群。微生物产生的胞外酶催化大分子聚合物水解成单体或小分子聚合物。按底物可将水解分为 3类: 糖类水解、蛋白质水解和脂肪水解。糖类水解又包含纤维素水解、淀粉水解和果胶水解。由此水解菌分为: 纤维素水解菌、淀粉水解菌、果胶降解菌、蛋白质水解菌和脂肪水解菌。纤维素水解细菌主要有产琥珀酸拟杆菌、溶纤维丁酸弧菌等。淀粉降解细菌主要有巨大芽孢杆菌 CB11、真菌毛霉属 SF2。果胶降解真菌是毛霉属 PeF5; 蛋白质降解细菌有: 细菌炭疽芽孢杆菌 PA5、缺陷短波单孢菌 PB l5。脂肪水解菌中橄榄油降解细菌有: 纤维素单胞菌属 FB4、橄榄油降解真菌毛霉属 FF6等。
第二类 , 产氢产乙酸群。主要有: 布氏甲烷杆菌属和 G株布氏杆菌属。
第三类 , 产甲烷菌群。主要有: 杆状菌、球状菌和八叠球菌 3类。杆菌中有: 史密斯短杆菌属、史密斯甲烷杆菌属、嗜热自养甲烷杆菌属; 球菌有: 范尼氏甲烷球菌、沃氏甲烷球菌等; 八叠球状产甲烷细菌为: 巴氏甲烷八叠球菌、嗜热甲烷八叠球菌等 , 其中产甲烷八叠球菌为优势种。
【参考文献】
〔 1〕 微生物处理垃圾成新宠
〔 2〕 生活垃圾好氧堆肥微生物接种的初步研究
〔 3〕 李秀金 1生物反应器型垃圾填埋场技术特点和应用前景 [ J ]1农业工程学报 , 2002, 18 (1) : 111～1141
〔 4〕 何若 , 沈东升。生物反应器填埋场系统的特性研究 [ J ]1环境科学学报 , 2001, 21 (6) : 763～767
〔 5〕 李兵 , 董志颖。2种 MS W 好氧生物反应器型填埋方式的对比实验 , 第 26卷第 3期 2005年 5月 环境科学 , 2005 (5) , VO11261NO13
〔 6〕 龙焰 , 沈东升。填埋场中垃圾降解微生物机理研究进展 , 浙江大学学报 (农业与生命科学版 ) 32 (1) : 9～ 13, 2006。
使用微信“扫一扫”功能添加“谷腾环保网”
