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生活垃圾生物处理的研究与展望
 
www.xlc.cn   2006.06.27  吴昊 张赣道  

    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。

　　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。

　　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。

    2．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。

　　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。

　　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

　　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。

　　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。

   2．堆月巴微生物

　　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。
    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。

　　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

　　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。

    4．有效微生物(EM)在生活垃圾处理中的应用

　　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。

　　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

　　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。

　　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。

　　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"。
吴昊,张赣道（南京工业大学制药与生命科学学院，江苏 南京）
 

 
生活垃圾综合处理模式研究结论简介
 
www.xlc.cn  昕龙春 2006.06.27 来源 生能网

 
1.城市生活垃圾综合处理系统是以达到社会、经济和环境协调发展为目标，优化运用多种管理、技术手段构筑的生活垃圾处理系统工程。广义上的城市生活垃圾综合处理系统是指生活垃圾从“源头”收集到“末端”处置的全过程管理系统。狭义上的城市生活垃圾综合处理系统指在某一特定区域或集中场所内，同时运用相互之间有关联的两种及以上处理方式，形成既相对独立又互为补充，满足“三化”要求，追求综合效益最优化的生活垃圾处理系统。

2.城市生活垃圾综合处理系统的构建应考虑以下对策：建立健全生活垃圾综合处理方面的法律法规；推行生活垃圾分类收集；建立生活垃圾分类回收制度；实行生活垃圾处理收费和特许经营；促进生活垃圾综合处理新技术的研究开发；重视生活垃圾综合处理系统规划；建立长效的监管机制等。

3.分类分选回收利用技术、生化处理（高温堆肥和厌氧消化等）技术、焚烧发电技术和卫生填埋技术构成生活垃圾综合处理技术的主要单元。按照系统论的观点，这些单元处理技术可归纳为物质回收型、物质转换型、能量转换型、末端处置型四种基本类型。

4.根据不同的分类标准，综合处理模式可分为全过程管理型和末端处理型；混合垃圾处理型和分类垃圾处理型；多元组合型和功能拓展型；集中布置型和区域布局型；系统封闭型和系统开放型等十种基本类型。最常用的综合处理方式可归纳为10种基本组合模式。

5.城市生活垃圾综合处理系统是一个相对开放的系统，是城市生态系统的有机组成部分。通过信息流、物质流和能量流等生态流的代谢过程，城市生活垃圾系统与其它环节紧密联系。生活垃圾综合处理系统是以可持续发展作为推动力和最终目标，由“区域性”、“多元性”、“市场性”、“动态性”、“关联性”、“阶段性”等要素支持的，开放的科学体系。

6.根据影响生活垃圾综合处理系统的三个基本城市条件为：人口规模、人口密度和人均GDP，利用灰色定权聚类方法，国内现有的建制城市可分为五类。

7.卫生填埋、焚烧、生化处理、回收利用等垃圾处理技术及设备都有相应的适用条件，在坚持因地制宜、技术可行、设备可靠、适度规模、综合治理和利用的原则下，可以合理选择其中之一或适当组合。鼓励采用综合处理方式。

8.不同处理技术适应的处理对象、产出物以及对前后道工艺的要求均各不相同。因此，合适的综合处理技术的工艺串并联非常重要，它能够保证经济效益、环境效益和社会效益的最大化。在分类收集的条件下，生活垃圾综合处理技术集成时的串并联工艺次序为：分选、生化、焚烧、填埋；而在混合收集条件下，分选前应考虑预处理工艺，降低含水率，提高分选效率。

9.对于人均GDP较高、人口密度较大、人口规模较大的城市应优选分类垃圾处理型综合处理模式。综合选用有机垃圾生化处理、无机垃圾分选、可燃物焚烧、残余物填埋等多种处理手段。对于人均GDP中等的城市应优选混合垃圾处理型综合处理模式。对于人均GDP较低的城市宜采用以填埋为核心的综合处理模式，辅以分选、生化处理等处理手段。

10.城市面积较小、垃圾产量较低的小城市应尽量将垃圾综合处理厂建在同一场所，大、中型城市可以分散建设几种单元处理设施，相互之间形成完整的物流系统。在市区建设收集及转运站，转运站可与分选中心合建，在近郊区建设部分处理设施，生化处理厂可与焚烧厂合建，在远郊区建设最终处置设施，填埋场是垃圾综合处理系统中必不可少的一环，可实现残渣的最终填埋。

11.城市生活垃圾综合处理规划应对生活垃圾从产生、分类、收集、运输、转运、处理、回收利用到最终处置进行全过程规划，规划的最终目标是实现人与自然的和谐发展，即可持续发展。综合处理规划应遵循五大指导思想和七个基本原则。

12.构建城市生活垃圾综合处理体系是一个长时间的实践过程，应根据城市社会、经济及环境的发展情况，走“总体规划、分步实施、逐步完善”的道路，最终使综合处理体系不断丰富和发展。

13.垃圾综合处理系统受众多内外部条件的约束，同时也反过来影响外部环境。不同城市的内外部条件不同，对同一综合处理模式的约束力不同，也即模式影响因素的评价权重不同；另一方面，不同综合处理模式对同一内外部环境的影响程度也不相同，也即该模式与评价标准的隶属度不同。根据众多影响因素的权重和隶属度结合组成的评价结论，才能最终确定每种类型城市适合的垃圾综合处理模式。

14.利用模糊评价方法，得出某典型Ⅰ类城市生活垃圾综合处理模式优选次序为：“有机垃圾生化处理+无机垃圾分选+可燃物焚烧+残余物填埋”>“可燃垃圾焚烧+不可燃垃圾分选+残余物填埋”>“有机垃圾生化处理+无机垃圾分选+残余物填埋”>“可燃垃圾焚烧+残余物和不可燃垃圾填埋”。

15.生活垃圾综合处理系统建设与运营应以政府补贴作为经济杠杆，规划作为指导原则，采用多种市场化手段，考虑建立多元化融资机制、市场化运营机制和资金保障机制。

垃圾输氧 降解神速
 
www.xlc.cn 2002.05.24 来源　中国环保商情网

　　当今世界，垃圾增长似乎比人口增长的速度还快。以美国为例，去年人均每天产垃圾约2千克，全国城市固体垃圾达到了4亿多吨，比2000年增加了37％。在美国垃圾除32％得到回收和7％被焚烧外，其余均用土埋。由于过去10年美国的垃圾增加了1.5倍，去年土埋垃圾的大小场地达到了2142个，大有垃圾包围城市之势。　　

　　土埋垃圾占地多，腐烂慢。一个垃圾场填满后，要100年至150年左右才能完全腐烂。且不说被埋垃圾中的气体和污水给垃圾场的管理带来难度，更麻烦的是有些早期垃圾场因当初缺少长远规划，被迅速扩展的城市所包围，有的甚至成了市中心，既不雅观，又影响环境，市政建设还真不好办。　　

　　美国亚利桑那州的图森市就是一例。该市周围不断拔地而起的建筑物，把老城围到了中间。两年前，该市通过市民公决，要在老城区的墨西哥人和土著人遗址上建设一个历史博物馆和文化中心。可是，最理想的地方偏偏有一片占地50英亩、深达40英尺的土埋垃圾场。有关部门经过反复讨论研究，只有两种选择：一是把垃圾场移走。但要把155万立方米的垃圾挖出来运走，工程浩大，需要5000多万美元，而市政府的预算只有200多万美元。二是在垃圾场上建房。然而这个20世纪初开始填埋的垃圾场，现虽已接近100年，高高的土堆也落下去不少，但经测算，还需要四五十年才能完全腐烂。如果不等垃圾完全腐烂降解，就在上面建房很容易因垃圾产生的沼气而引起爆炸。　　

　　面对这一难题，当地的海吉尔环保技术工程公司自告奋勇，拿出了一套既经济又快速的解决方案。这家由数十名环保专家学者组成的公司，对用高科技处理垃圾、污水的研究和实践长达20年之久。在加速土埋垃圾的腐烂方面，专家们采取了一套在垃圾中"抽气输氧暴气法"，即将新鲜空气加压后，用管道注入垃圾深处，同时加适量的水，以激活垃圾里的微生物再生，再将垃圾中的二氧化碳等垃圾气体抽出，使垃圾在好氧状态下大大加快降解速度。先期在计算机上的模拟试验和后来的现场实验都证明：使用这项技术，土埋垃圾的腐烂降解速度比自然腐烂速度要提高100多倍，可以从150年缩短到3年左右。这项技术创新不仅解决了图森市无隔水层旧垃圾处理的难题，也为人类垃圾处理提供了好的先例。　　

　　最近，记者闻讯来到图森采访，负责这项科研实验和工程建设的海吉尔公司副总裁唐金山工程师告诉记者，垃圾的腐烂和垃圾场地的再使用是一个急待解决的问题。在此之前，美国的许多地方已迫不及待地将土埋垃圾场派上用场，存在许多不安全隐患。数年前，凤凰城有处新房住户，刚入住不久就莫名其妙地发生了爆炸事件，经检测调查，发现此房地下曾是个土埋垃圾场。为了垃圾掩埋场地再使用的安全，该公司专门对此进行长时间的研究和实践，用雷达技术观测垃圾中气和水的分布与运动，用计算机全自动数据检测垃圾气体的浓度，终于使研究取得成功。　　

　　唐先生把记者带到实验现场。在一片光秃秃的土地上，唯有中间一块陷下去的地方芳草萋萋。唐金山介绍说，我们脚下埋的全是垃圾，而这块50英尺见方新长出来的草地，就是他们采取新方法后，垃圾迅速腐烂、地面恢复正常的状况。　　

　　谈到新方法，唐先生在实验场的检测房里打开计算机说，垃圾被强行注入空气后，里面的微生物因为有了氧，迅速苏醒复活，开始消化垃圾，加速垃圾的腐烂。　　

　　目前，这项"抽气输氧暴气"垃圾处理新技术不仅可以用于垃圾的好氧降解，而且还成功地用于垃圾场地下水污染的控制和治理。海吉尔公司因此于2002年获得了全美公共事业协会"最优秀项目奖"。该技术已引起美国内外有关方面的极大兴趣，每天从世界各地来的函让该公司应接不暇，而新墨西哥州等附近地区已"近水楼台先得月"，迅速使用了该技术。

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