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微生物技术或成为城市垃圾生物处理的新技术展望

放大字体  缩小字体 发布日期:2019-10-22  浏览次数:642
  在城市生活垃圾处理过程中,传统垃圾处理法和现代新型垃圾处理法工艺做对比im体育登录,微生物种群对垃圾的分解发酵分析开发出新的微生物技术或成为城市垃圾生物处理的新技术展望 im体育登录。

随着我国城市人口的不断增长和生活水平的提高im体育登录,城市生活垃圾每年以8~10%的速度迅速增长im体育登录,其中约半数是生活有机垃圾im体育登录。垃圾大量堆放im体育登录im体育登录,不仅占用大片土地,使人地矛盾更加突出。而且污染大气im体育登录im体育登录、土壤、地表水以及地下水im体育登录。采用生物技术将其进行生物降解或生物转化im体育登录im体育登录,不仅可以有效处理城市垃圾im体育登录,而且可以实现资源的再利用im体育登录。因此im体育登录im体育登录,与物理法、化学法相比im体育登录im体育登录im体育登录,生物处理技术具有更广阔的发展前景。

内容:
1.各种动植物im体育登录、微生物im体育登录,对自然界存在的各种有机物都有降解作用im体育登录im体育登录,其中微生物的降解作用最大im体育登录。凡自然界存在的有机物,几乎都能被微生物降解im体育登录。生物处理就是依靠自然界广泛分布的微生物,通过生物转化,将城市垃圾中易于生物降解的有机组分转化为腐殖质肥料im体育登录im体育登录、沼气或其他转化产品(如饲料蛋白im体育登录、乙醇或糖类),从而达到城市垃圾无害化和资源化的一种处理方法。
根据处理过程中起作用的微生物对氧气需求的不同im体育登录,生物处理可分为好氧生物处理和厌氧生物处理两大类。
好氧生物处理基本原理
1.1好氧生物处理是一种在有氧的条件下im体育登录,利用好氧微生物使有机物降解并稳定化的生物处理方法im体育登录。城市垃圾中往往含有大量的生物组分的大分子及其中间代谢产物如纤维素im体育登录、碳水化合物im体育登录im体育登录im体育登录、蛋白质im体育登录im体育登录im体育登录、脂肪、氨基酸、脂肪酸等im体育登录im体育登录im体育登录,这些有机物一般都较容易为微生物降解。在好氧生物降解过程中im体育登录,有机废物中的可溶性小分子可透过微生物的细胞壁和细胞膜而为微生物直接吸收利用im体育登录,而不溶的胶体及复杂大分子有机物im体育登录,则先被吸附在微生物体外,依靠微生物分泌的胞外酶分解为可溶性小分子物质,再输送入细胞内为微生物所利用im体育登录。微生物通过自身的生命活动——新陈代谢过程im体育登录,把一部分有机物氧化分解成简单的无机化合物im体育登录im体育登录,如c02im体育登录、HzOim体育登录im体育登录、NH3、P043_、S042~等,从中获得生命活动所需要的能量im体育登录im体育登录im体育登录;同时又把另一部分有机物转化合成新的细胞物质im体育登录,使微生物增殖。
厌氧生物处理基本原理
1.2厌氧生物降解是在无氧条件下im体育登录im体育登录im体育登录,利用厌氧微生物的代谢活动,将有机物转化为各种有机酸im体育登录、醇im体育登录、CH4、H2Sim体育登录im体育登录、c02、NH3、H2等和少量细胞物质的过程im体育登录im体育登录。它是一个多类群细菌的协同代谢过程im体育登录。在此过程中im体育登录,不同微生物的代谢过程相互影响,相互制约im体育登录im体育登录,形成复杂的生态系统。
传统垃圾处理法
目前世界各国处理这类垃圾的方法通常有:
2.1填埋法:通过垃圾收集im体育登录im体育登录,装运到填埋场铺平压实im体育登录。其优点为简便易行im体育登录im体育登录。缺点为造成地下水im体育登录、空气im体育登录im体育登录im体育登录、周围环境污染im体育登录,且占用大量土地。
2.2焚烧法:固体废弃物高温分解im体育登录im体育登录,深度氧化的综合处理过程。其优点为迅速大幅度减少废弃物容积im体育登录im体育登录,消除有害细菌im体育登录im体育登录,还能用来供热发电im体育登录。缺点为投资大,向大气排放有害物质(如二恶英等)并散布不良尘埃,且发电量有限im体育登录。
2.3堆肥法:垃圾发酵后成为无害的腐植质im体育登录。但发酵周期长,养分含量低im体育登录im体育登录im体育登录,处理后体积大im体育登录,仅适用于交通不便的农村im体育登录。
现代新型垃圾处理法
目前,对于可生物降解的城市垃圾的处理im体育登录im体育登录,世界各国主要采用堆肥、卫生填埋、厌氧发酵等处理方法im体育登录im体育登录。
生活有机垃圾'消灭型'的微生物菌群
3.1复旦大学生命科学学院和上海理工大学的科研人员经过多年的研究和实践,已成功开发出利用微生物分解有机垃圾的“绿色产品”——生活有机垃圾处理机im体育登录,从而使源头处理生活有机垃圾的无害化和减量化成为现实im体育登录im体育登录。
3.1.1科研人员从自然界筛选出一组能分解生活有机垃圾的细菌im体育登录im体育登录im体育登录,再对以上微生物进行生长温度im体育登录、耗氧需求、耐盐性im体育登录im体育登录、Ph值适应范围、营养要求等以及菌种的生活史特点进行研究,经组合获得了'生活有机垃圾消灭型'的微生物菌种im体育登录。
3.1.2这种菌种能产生许多种酶im体育登录im体育登录im体育登录,从而使大分子物质(有机垃圾的主要成分)分解成能被微生物利用的低分子物质im体育登录,微生物摄取这些低分子物质后,将其变成CO2和H2Oim体育登录im体育登录im体育登录,以气体和水汽的形式排出im体育登录。
3.1.3该菌种具有快速分解能力im体育登录im体育登录,12-20小时可将垃圾全部分解im体育登录,减量率在95%im体育登录。菌种一次投入有效期为4-7个月im体育登录。对有些顽固性废弃物im体育登录,如虾蟹壳im体育登录、鸡鸭毛、笋壳、老菜头有较强的分解能力im体育登录。菌种在15--70℃温度范围内都能适应im体育登录im体育登录,耐盐达7%im体育登录,即使长期投入含盐高的泔脚也不影响im体育登录。菌种PH范围在4-9im体育登录im体育登录,适应范围广。
3.1.4该菌种经上海和北京环境检测中心权威部门鉴定为无毒、无害im体育登录im体育登录im体育登录,遗传稳定im体育登录,对活体和生态安全im体育登录im体育登录。从自然界分离im体育登录、筛选得到了一组该项现代高科技生物技术易于操作im体育登录,为城市生活垃圾的处理提供了一种崭新的方式。
3.1.5处理过程基本达到了污染'零排放'im体育登录,处理后的残余物可作为优良的有机肥改良土壤im体育登录im体育登录,用于作物栽培或城市绿化im体育登录im体育登录,达到了国际先进水平im体育登录。
MSW生物处理技术
4.1微生物技术在MSW处理过程中的应用
MSW的生物处理主要是利用微生物在一定控制条件下im体育登录im体育登录,使有机物发生生物化学降解,形成一种稳定的化合物的过程im体育登录。微生物对垃圾中有机物降解的快慢im体育登录、对有机成分降解的程度直接决定着处理周期的长短和处理效果的好坏,在MSW处理过程中起着决定性的作用im体育登录im体育登录。MSW生物处理的优劣取决于微生物自身的结构im体育登录im体育登录、所处环境下的代谢状况。目前有很多学者在此方面做出了很大的努力im体育登录im体育登录,通过分析某种处理环境下微生物的特性im体育登录、采用多种方式改变工艺中微生物的数量,质量等im体育登录im体育登录,开发出了多种MSW生物处理技术。强化微生物(纯种分离im体育登录im体育登录im体育登录、强化接种im体育登录im体育登录im体育登录、添加微生物菌剂im体育登录、微生物固定化)以及基因诱变等技术im体育登录im体育登录im体育登录。
4.2.1强化微生物处理技术
强化微生物处理技术是从改变工艺中单位反应器空间内微生物的质量或数量的角度来增强MSW的降解率im体育登录,从而提高处理效率im体育登录im体育登录,缩短处理周期.
4.2.2纯种分离
强化微生物处理技术是从改变工艺中单位反应器空间内微生物的质量或数量的角度来增强MSW的降解率,从而提高处理效率im体育登录im体育登录,缩短处理周期。
4.2.3强化接种处理技术
纯种分离后还要将微生物接种到垃圾中进行生物处理im体育登录,但由于接种微生物的生存环境发生了变化im体育登录,故在微生物适应周围环境前im体育登录im体育登录,处理效率达不到理想的效果im体育登录,因而直接在垃圾中进行微生物接种的处理效果则应好于微生物纯种分离后再接种的处理效果im体育登录im体育登录。直接在垃圾中进行微生物接种可采用多种方式im体育登录,如:垃圾渗滤液循环im体育登录、加入一定比例的垃圾腐熟物等。
微生物对垃圾的降解是在多种微生物的协同作用下完成im体育登录,在适宜的条件下im体育登录,微生物协同作用能力的大小取决于微生物种群的大小与结构的稳定性im体育登录。一般说来im体育登录im体育登录,生物的种群越大im体育登录im体育登录im体育登录,其自动调控能力越好im体育登录,适应性就越强im体育登录,结构越稳定。经垃圾渗滤液循环或向待处理的新鲜垃圾中加入一定比例的垃圾腐熟物进行强化接种培养后,微生物的种群扩大im体育登录,且循环次数越多,微生物的数量和种群就越大,这样就会更有利于对垃圾的降解im体育登录。
4.2.4添加微生物菌剂
研究表明im体育登录,单一的细菌im体育登录im体育登录、真菌im体育登录im体育登录、放线菌群体im体育登录,无论其活性多高im体育登录,在加快垃圾生物降解进程中的作用都比不上复合微生物菌群的共同作用[5].微生物菌剂是采用分离、筛选的有效微生物im体育登录,配合一定的处理工艺和设备,通过合理地调配各种有效微生物的含量im体育登录im体育登录,进行筛选im体育登录im体育登录、培育MSW生物处理的高效复合微生物菌剂im体育登录,进而来调节菌群结构、提高微生物降解活性im体育登录im体育登录,提高微生物降解有机成分的效率im体育登录。复合微生物菌群中既有分解性细菌im体育登录,又有合成性细菌;既有纤维素分解菌im体育登录、真菌im体育登录im体育登录,又有放线菌。向工艺中添加复合微生物菌剂im体育登录im体育登录,不仅增加了工艺中微生物初始浓度im体育登录,而且改善了工艺中微生物的种群结构im体育登录。作为多种细菌共存的一种生物群落,依靠相互间共生增殖及协同作用im体育登录im体育登录,代谢出抗氧化物质im体育登录im体育登录,生成稳定而复杂的生态系统im体育登录,使得整个生物降解过程中微生物数量保持相对稳定,处理效果较佳im体育登录im体育登录。
城市垃圾生物处理的新技术展望
5.1生产醇类
城市垃圾中含有纤维素、淀粉和糖等有机质,微生物厌氧代谢这些有机物时im体育登录im体育登录,可产生一些例如乙醇im体育登录im体育登录、甲醇等醇类高效燃料。乙醇可用以稀释汽车用油或其他发动机用油im体育登录,使功效提高10%~15%im体育登录。巴西、美国早已成为利用糖类、谷物淀粉类和纤维素类发展燃料酒精的典范im体育登录,美国燃料乙醇的总装置能力达到约840万t/a。英国、荷兰im体育登录、德国im体育登录、奥地利im体育登录im体育登录、泰国im体育登录、南非等许多国家的政府均已制定规划im体育登录,积极发展燃料酒精工业。目前的方向是,希望利用含纤维素物质如锯末im体育登录im体育登录、蔗渣im体育登录、破旧报纸im体育登录、有机垃圾等各种废物制取酒精。我国有人采用微生物酶制剂对有机垃圾酶解后,用酒精酵母对有机垃圾进行厌氧发酵生产乙醇im体育登录im体育登录。结果表明im体育登录,在适宜的条件下im体育登录,每吨垃圾可生产70~90L酒精,这为城市有机垃圾的再生利用im体育登录,发展新能源im体育登录,找到一条新的途径。
5.2生产氢气
氢是目前最理想的清洁燃料之一im体育登录im体育登录im体育登录im体育登录,每千克氢燃烧可放出142ⅣU的热量im体育登录im体育登录,是煤的3~4倍im体育登录。生物制氢思路于1966年提出im体育登录,在20世纪90年代受到空前重视im体育登录im体育登录,其中微生物发酵法是一种有前景的氢气制备方法im体育登录。许多微生物类群具有可降解大分子有机物产氢的特点im体育登录im体育登录im体育登录im体育登录,因而可以利用城市垃圾中的植物茎叶im体育登录im体育登录、家庭厨余等可再生能源废弃物产生大量氢气im体育登录。产氢气的微生物有异养微生物和自养微生物im体育登录im体育登录。氢气产生菌产生的氢气im体育登录,目前主要应用于燃料电池方面im体育登录。如产气荚膜梭菌在含有葡萄糖培养基的10L发酵罐中im体育登录im体育登录im体育登录,产H2速度最高可达18--23L/him体育登录,并进而利用所产生的H2推动3.1--3.5V燃料电池的工作。由于微生物的产氢机制和条件还在研究过程中im体育登录,所以该类微生物能源的使用尚处试验阶段。需要解决的问题是寻找和筛选活性菌株,解决分离H2和02的方法等。中科院微生物研究所筛选了产氢活性较高的菌株im体育登录im体育登录,并对其产氢活性进行了研究。
5.3合成微生物塑料
聚口一羟基烷酸(poly—j3一hydroxyalkanoatesim体育登录,PHAs)是许多原核微生物在不平衡生长条件(如缺乏氮im体育登录im体育登录、磷im体育登录、氧等)下合成的胞内能量和碳源储藏性聚合物im体育登录。PHAs具有与化学合成塑料相似的性质,能拉丝im体育登录、压模、注塑等im体育登录,而且具有化学合成塑料所没有的特殊性能im体育登录,如利用其生物相容性可作为外科手术缝线im体育登录im体育登录im体育登录、人造血管和骨骼代用品im体育登录,术后无需取出。因而在工业im体育登录、农业im体育登录im体育登录im体育登录、医药和环保等行业都具有广阔的应用前景im体育登录im体育登录im体育登录。PHAs可以用可降解的有机固体废弃物合成im体育登录im体育登录,而城市垃圾中含有大量可降解的有机固体废弃物,从目前已获得的研究成果可以展望im体育登录,利用城市垃圾合成PHAs是生物合成PH魅的一条新途径,它的研究将受到人们的广泛重视im体育登录im体育登录,在2l世纪将有可能成为塑料工业发展的一个新方向im体育登录。
垃圾处理是城市可持续发展所必须解决的一个重大问题im体育登录,处理的目的是使垃圾资源化、减量化im体育登录im体育登录、无害化im体育登录。微生物在垃圾“三化”中起着积极与重要的作用im体育登录im体育登录,利用微生物降解垃圾中有机物im体育登录,不仅投资和运行费用低,处理效率高im体育登录,而且还可获得许多有用的副产品im体育登录,如沼气im体育登录、饲料im体育登录im体育登录、蛋白im体育登录、酒精等im体育登录im体育登录im体育登录。近年来,随着环境生物技术的发展,在生物处理方面出现了不少新技术、新方法im体育登录im体育登录,它们的可行性和有效性也逐渐增强,正成为垃圾处理的发展方向之一im体育登录im体育登录。就目前而言im体育登录,我国应在大力发展适合我国国情的垃圾卫生填埋和垃圾堆肥处理技术的同时im体育登录im体育登录,加大利用有机垃圾生产生物能源(燃料酒精、沼气、生物制氢等)的研究力度im体育登录,加强降解有机垃圾的高效微生物菌剂的研究im体育登录。我们相信im体育登录im体育登录,随着垃圾微生物降解机理研究的进一步深入im体育登录,会有更为有效的微生物和处理工艺使垃圾真正地成为可利用资源im体育登录。 
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