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淺析生物處理技術(shù)
摘要：生物技術(shù)是實(shí)現城市垃圾無(wú)害化和資源化的一種有效手段。重點(diǎn)闡述了城市垃圾生物處理的基本原理及3種主要的生物處理方法，簡(jiǎn)要介紹了城市垃圾生物處理方法中的一些新技術(shù)及發(fā)展趨勢，為尋找適合我國國情的垃圾處理技術(shù)提供一些參考。關(guān)鍵詞：城市垃圾；生物處理原理；生物處理技術(shù)。
正文：
城市垃圾處理是環(huán)境污染控制的重要課題之一。城市垃圾也稱(chēng)城市固體廢物，是指在城市居民日常生活中或為城市日常生活提供服務(wù)的活動(dòng)中產(chǎn)生的固體廢物。目前，我國每年城市垃圾產(chǎn)量已超過(guò)1．3億噸，并有資料報道，我國城市垃圾的產(chǎn)量還將以平均每年8％～10％的速度繼續增長(cháng)，北京等少數幾個(gè)大城市增長(cháng)速度還將達到15％～20％[1]。令人擔憂(yōu)的是，大量的城市垃圾目前的處理方式也只是在城市周?chē)逊呕蚝?jiǎn)易填埋，達到無(wú)害化處理基本要求的不足20％[2]，無(wú)論從環(huán)境還是社會(huì )角度考慮，這都是急需盡快給予重視與解決的社會(huì )問(wèn)題。隨著(zhù)居民生活水平的提高，垃圾中的有機物含量迅速增加。采用生物技術(shù)將其進(jìn)行生物降解或生物轉化，不僅可以有效處理城市垃圾，而且可以實(shí)現資源的再利用。因此，與物理法、化學(xué)法相比，生物處理技術(shù)具有更廣闊的發(fā)展前景。
1.城市垃圾生物處理的原理
各種動(dòng)植物、微生物，對自然界存在的各種有機物都有降解作用，其中微生物的降解作用最大。凡自然界存在的有機物，幾乎都能被微生物降解。生物處理就是依靠自然界廣泛分布的微生物，通過(guò)生物轉化，將城市垃圾中易于生物降解的有機組分轉化為腐殖質(zhì)肥料、沼氣或其他轉化產(chǎn)品(如飼料蛋白、乙醇或糖類(lèi))，從而達到城市垃圾無(wú)害化和資源化的一種處理方法。根據處理過(guò)程中起作用的微生物對氧氣需求的不同，生物處理可分為好氧生物處理和厭氧生物處理兩大類(lèi)。
1．1好氧生物處理基本原理
好氧生物處理是一種在有氧的條件下，利用好氧微生物使有機物降解并穩定化的生物處理方法。城市垃圾中往往含有大量的生物組分的大分子及其中間代謝產(chǎn)物如纖維素、碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪、氨基酸、脂肪酸等，這些有機物一般都較容易為微生物降解。在好氧生物降解過(guò)程中，有機廢物中的可溶性小分子可透過(guò)微生物的細胞壁和細胞膜而為微生物直接吸收利用，而不溶的膠體及復雜大分子有機物，則先被吸附在微生物體外，依靠微生物分泌的胞外酶分解為可溶性小分子物質(zhì)，再輸送入細胞內為微生物所利用。微生物通過(guò)自身的生命活動(dòng)——新陳代謝過(guò)程，把一部分有機物氧化分解成簡(jiǎn)單的無(wú)機化合物，如c02、HzO、NH3、P043_、S042～等，從中獲得生命活動(dòng)所需要的能量；同時(shí)又把另一部分有機物轉化合成新的細胞物質(zhì)，使微生物增殖。
1．2厭氧生物處理基本原理
厭氧生物降解是在無(wú)氧條件下，利用厭氧微生物的代謝活動(dòng)，將有機物轉化為各種有機
酸、醇、CH4、H2S、c02、NH3、H2等和少量細胞物質(zhì)的過(guò)程。它是一個(gè)多類(lèi)群細菌的協(xié)同代謝過(guò)程。在此過(guò)程中，不同微生物的代謝過(guò)程相互影響，相互制約，形成復雜的生態(tài)系統。
2.城市垃圾生物處理的方法
目前，對于可生物降解的城市垃圾的處理，世界各國主要采用堆肥、衛生填埋、厭氧發(fā)酵等處理方法。
2．1堆肥法
堆肥法是指在人工控制條件下，利用自然界廣泛分布的細菌、放線(xiàn)菌和真菌等微生物，使來(lái)源于生物的有機廢物分解，向比較穩定的腐殖質(zhì)進(jìn)行生化轉化的微生物過(guò)程。垃圾堆肥是目前廣泛應用且經(jīng)濟有效的處理和消納城市垃圾的重要途徑之一，通過(guò)生物處理技術(shù)將生活垃圾中的有機物質(zhì)轉變成優(yōu)質(zhì)的有機肥料，具有良好的環(huán)境效益和社會(huì )效率。根據堆肥過(guò)程中微生物對氧氣的需求情況不同，可分為好氧堆肥和厭氧堆肥。通常好氧堆肥堆溫高，一般在55℃～60℃，極限可達80℃，故也稱(chēng)高溫堆肥。與傳統的厭氧堆肥相比，好氧堆肥具有基質(zhì)分解徹底、發(fā)酵周期短、異味小、占地面積小、可大規模采用機械處理等優(yōu)點(diǎn)，因而好氧堆肥技術(shù)的應用已較為普遍。但隨著(zhù)“垃圾能源學(xué)”的產(chǎn)生，有機垃圾的厭氧堆肥技術(shù)也得到了廣泛關(guān)注與快速發(fā)展，鑒于好氧技術(shù)與厭氧技術(shù)各自的特點(diǎn)，在未來(lái)的垃圾處理技術(shù)應用中，好氧堆肥和厭氧堆肥技術(shù)將綜合運用，這也是堆肥技術(shù)發(fā)展大勢所趨。
根據堆肥過(guò)程中物料運動(dòng)形式分為靜態(tài)堆肥和動(dòng)態(tài)堆肥；按堆肥堆制方式，可分為露天式堆肥(野積式堆肥)和裝置式堆肥(封閉式堆肥)。堆肥的發(fā)展趨勢是由靜態(tài)堆肥向動(dòng)態(tài)堆肥，露天式堆肥向裝置式堆肥的方向發(fā)展。就目前我國城市垃圾組成現狀而言，靜態(tài)堆肥較為適用，但隨著(zhù)人民生活水平的提高，垃圾組成中有機物含量將高達50％--70％，對于未來(lái)高有機物含量組成的垃圾則必須采用動(dòng)態(tài)堆肥bJ技術(shù)。此外，在靜態(tài)堆肥基礎上發(fā)展起來(lái)的間歇式動(dòng)態(tài)好氧堆肥處理技術(shù)也具有一定優(yōu)勢，例如發(fā)酵周期短，處理工藝簡(jiǎn)單，發(fā)酵倉數少和投資小。傳統的堆肥法存在發(fā)酵時(shí)間長(cháng)，產(chǎn)生臭味且肥效低等問(wèn)題。近幾年來(lái)，人們借助于微生物選育技術(shù)，加強了對降解能力強的高效菌種的研究，將這些菌種應用于垃圾堆肥處理中，不但能有效加快堆肥材料的腐熟，縮短發(fā)酵周期，提高堆肥產(chǎn)品質(zhì)量等，而且溫度高，能有效殺滅某些病原體、寄生蟲(chóng)卵和雜草種子等，且能控制臭氣【3】|。
2．2衛生填埋法
衛生填埋法是從傳統的堆放和填地處理的基礎上發(fā)展起來(lái)的，始于20世紀60年代，其原理與厭氧堆肥相同，都是利用好氧微生物、兼性厭氧微生物和專(zhuān)性厭氧微生物對垃圾中的有機物進(jìn)行分解轉化，使之最終達到穩定化。衛生填埋法雖然速度慢、占地多、減量少，且存在滲濾液污染水體的問(wèn)題，但由于這種方法簡(jiǎn)單易行，造價(jià)和處理成本低，至今仍然是土地遼闊的國家或城市以及發(fā)展中國家處理城市垃圾的主要方法。用于衛生填埋的垃圾有機物含量不應太高，以免帶來(lái)嚴重的地下水、空氣和周?chē)h(huán)境的污染問(wèn)題�，F階段，由于我國城市垃圾中無(wú)
機物含量高，填埋后比較穩定；產(chǎn)生的臭味比較小，不會(huì )使大氣質(zhì)量惡化；滲出液也較少，對地下水影響小，因此，衛生填埋技術(shù)在我國城市垃圾處理領(lǐng)域的主導地位，占處理總
量的70％以上，這在今后相當長(cháng)一段時(shí)間將不會(huì )改變。國家環(huán)境保護總局2002年10月向社會(huì )公布的處理城市垃圾的國家行動(dòng)方案規定，今后我國的城市垃圾將進(jìn)行填埋處理，并把垃圾填埋產(chǎn)生的氣體收集起來(lái)發(fā)電。城市垃圾的最新填埋處理技術(shù)是生物反應器填埋場(chǎng)，它是通過(guò)有目的的控制手段強化微生物過(guò)程從而加速垃圾中有機組分轉化和穩定的一種衛生填埋場(chǎng)運行方式�？刂剖侄我话惆ㄒ后w(水、滲透液)注入、備選覆蓋層設計、營(yíng)養添加、pH值調節、溫度調節和供氧等。該技術(shù)具有生物降解速度快，穩定化時(shí)間短，填埋場(chǎng)產(chǎn)氣量高、收集完全，一般無(wú)需復雜的滲透液處理設施等特點(diǎn)。與傳統衛生填埋場(chǎng)相比，大大減少了場(chǎng)外后處理費用。生物反應器填埋場(chǎng)已在美國獲得廣泛重視，已被認為可能是對垃圾處理的革新。
2．3厭氧發(fā)酵法
厭氧發(fā)酵亦稱(chēng)沼氣發(fā)酵，是指有機物在厭氧微生物(或兼氧微生物)的作用下分解轉化為沼氣的過(guò)程。由于該技術(shù)工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，而且嚴格密封的沼氣池還能提高原料的肥效和殺滅寄生蟲(chóng)卵。在歐洲，有機垃圾厭氧消化處理量已占有機垃圾量的25％。國內厭氧消化應用最廣泛的是農村沼氣發(fā)酵，而在城市垃圾處理方面的應用，除少量廢水處理廠(chǎng)的污泥進(jìn)行厭氧處理外，真正城市垃圾進(jìn)行厭氧消化處理的很少見(jiàn)報道。厭氧發(fā)酵，在降解和穩定有機污染物同時(shí)，還產(chǎn)生了一種十分寶貴清潔能源——沼氣。因此，國內外許多學(xué)者都在積極研究并開(kāi)發(fā)一些新型的厭氧發(fā)酵技術(shù)。例如，近年來(lái)，逐步形成的以濕式完全混合厭氧消化、厭氧干發(fā)酵、兩步厭氧消化等為主的工藝形式。此外，國內學(xué)者在運用先好氧后厭氧發(fā)酵技術(shù)和新型厭氧消化器處理城市有機垃圾方面，也取得了很好的效果。我國是人口大國也是能源需求大國，如果把我國城鎮排放的有機廢物作為沼氣發(fā)酵原料，每年便可獲得90億立方米沼氣，相當于節約100萬(wàn)噸標準煤。因此，如何利用現有沼氣技術(shù)，開(kāi)發(fā)適合我國具體情況的厭氧發(fā)酵處理技術(shù)，從垃圾中回收沼氣，不僅具有極大的經(jīng)濟意義，而且具有積極的社會(huì )意義。
3.城市垃圾生物處理的新技術(shù)展望
3．1生產(chǎn)醇類(lèi)
城市垃圾中含有纖維素、淀粉和糖等有機質(zhì)，微生物厭氧代謝這些有機物時(shí)，可產(chǎn)生一些例如乙醇、甲醇等醇類(lèi)高效燃料。乙醇可用以稀釋汽車(chē)用油或其他發(fā)動(dòng)機用油，使功效提高10％～15％。巴西、美國(轉載于:m，呈不定形狀，微具土壤味�；钚晕勰嗑哂休^大
的比表面積，可達2000~10000m2/m3。
3.2、活性污泥的組成
活性污泥主要由四部分組成：具有代謝功能的活性微生物群體；微生物內源呼吸和自身氧化的殘留物；被污泥絮體吸附的難降解有機物；被污泥絮體吸附的無(wú)機物。
活性污泥的凈化功能主要取決于棲息在活性污泥上的微生物�；钚晕勰辔⑸镆院醚跫毦鸀橹�，也存活著(zhù)真菌、原生動(dòng)物和后生動(dòng)物等。這些微生物群體組成了一個(gè)相對穩定的生態(tài)系�；钚晕勰嘀械募毦援愷B型的原核細菌為主，對正常成熟的活性污泥，每毫升活性污泥中的細菌數大致在107~109個(gè)。細菌雖是微生物主要的組成部分，但是活性污泥中哪些種屬的細菌占優(yōu)勢，要看污水中所含有機物的成分以及活性污泥法運行操作條件等因素
真菌構造較為復雜而且種類(lèi)繁多，是多細胞的異養型微生物。與活性污泥法處理有關(guān)的真菌主要是霉菌。霉菌是微小的腐生或寄生的絲狀真菌，它能夠分解碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)及其它含氮化合物。但是，真菌的大量的增殖會(huì )產(chǎn)生污泥膨脹現象，嚴重影響活性污泥系統的正常工作。真菌在活性污泥法中的出現往往與水質(zhì)有關(guān)。
原生動(dòng)物的主要攝食對象是細菌�；钚晕勰嘀械脑鷦�(dòng)物主要有肉足蟲(chóng)、鞭毛蟲(chóng)和纖毛蟲(chóng)三類(lèi)。原生動(dòng)物為單細胞生物，大多為好氧化能異養型菌。在活性污泥法的應用中，常通過(guò)觀(guān)察原生動(dòng)物的種類(lèi)和數量，間接地判斷污水處理的效果，所以原生動(dòng)物又稱(chēng)為活性污泥系統的指示性動(dòng)物。
以細菌、原生動(dòng)物以及活性污泥碎片為食的后生動(dòng)物（如輪蟲(chóng)、線(xiàn)蟲(chóng)等）在活性污泥中不經(jīng)常出現，特別是輪蟲(chóng)僅在有機物含量低且水質(zhì)好的系統（即完全氧化型的活性污泥系統）中才較多出現，因此輪蟲(chóng)又稱(chēng)為活性污泥系統的指示性動(dòng)物，是出水水質(zhì)好的標志。
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