城市生活垃圾

微生物技術(shù)污水處理

污水處理常見微生物

污水處理常見微生物照片

　　隨著我國城市人口的不斷增長和生活水平的提高，城市生活垃圾每年以8~10%的速度迅速增長，其中約半數(shù)是生活有機(jī)垃圾。垃圾大量堆放，不僅占用大片土地，使人地矛盾更加突出。而且污染大氣、土壤、地表水以及地下水。采用生物技術(shù)將其進(jìn)行生物降解或生物轉(zhuǎn)化，不僅可以有效處理城市垃圾，而且可以實現(xiàn)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。
　　內(nèi)容：
　　1.各種動植物、微生物，對自然界存在的各種有機(jī)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(jī)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，通過生物轉(zhuǎn)化，將城市垃圾中易于生物降解的有機(jī)組分轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)肥料、沼氣或其他轉(zhuǎn)化產(chǎn)品(如飼料蛋白、乙醇或糖類)，從而達(dá)到城市垃圾無害化和資源化的一種處理方法。
　　根據(jù)處理過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。
　　好氧生物處理基本原理
　　1.1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(jī)物降解并穩(wěn)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(jī)物一般都較容易為微生物降解。在好氧生物降解過程中，有機(jī)廢物中的可溶性小分子可透過微生物的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜而為微生物直接吸收利用，而不溶的膠體及復(fù)雜大分子有機(jī)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(xì)胞內(nèi)為微生物所利用。微生物通過自身的生命活動——新陳代謝過程，把一部分有機(jī)物氧化分解成簡單的無機(jī)化合物，如c02、HzO、NH3、P043_、S042～等，從中獲得生命活動所需要的能量；同時又把另一部分有機(jī)物轉(zhuǎn)化合成新的細(xì)胞物質(zhì)，使微生物增殖。
　　厭氧生物處理基本原理
　　1.2厭氧生物降解是在無氧條件下，利用厭氧微生物的代謝活動，將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為各種有機(jī)酸、醇、CH4、H2S、c02、NH3、H2等和少量細(xì)胞物質(zhì)的過程。它是一個多類群細(xì)菌的協(xié)同代謝過程。在此過程中，不同微生物的代謝過程相互影響，相互制約，形成復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)。
　　傳統(tǒng)垃圾處理法
　　目前世界各國處理這類垃圾的方法通常有：
　　2.1填埋法：通過垃圾收集，裝運(yùn)到填埋場鋪平壓實。其優(yōu)點為簡便易行。缺點為造成地下水、空氣、周圍環(huán)境污染，且占用大量土地。
　　2.2焚燒法：固體廢棄物高溫分解，深度氧化的綜合處理過程。其優(yōu)點為迅速大幅度減少廢棄物容積，消除有害細(xì)菌，還能用來供熱發(fā)電。缺點為投資大，向大氣排放有害物質(zhì)（如二惡英等）并散布不良塵埃，且發(fā)電量有限。
　　2.3堆肥法：垃圾發(fā)酵后成為無害的腐植質(zhì)。但發(fā)酵周期長，養(yǎng)分含量低，處理后體積大，僅適用于交通不便的農(nóng)村。
　　現(xiàn)代新型垃圾處理法
　　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(wèi)生填埋、厭氧發(fā)酵等處理方法。
　　生活有機(jī)垃圾"消滅型"的微生物菌群
　　3.1復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院和上海理工大學(xué)的科研人員經(jīng)過多年的研究和實踐，已成功開發(fā)出利用微生物分解有機(jī)垃圾的“綠色產(chǎn)品”——生活有機(jī)垃圾處理機(jī)，從而使源頭處理生活有機(jī)垃圾的無害化和減量化成為現(xiàn)實。
　　3.1.1科研人員從自然界篩選出一組能分解生活有機(jī)垃圾的細(xì)菌，再對以上微生物進(jìn)行生長溫度、耗氧需求、耐鹽性、Ph值適應(yīng)范圍、營養(yǎng)要求等以及菌種的生活史特點進(jìn)行研究，經(jīng)組合獲得了"生活有機(jī)垃圾消滅型"的微生物菌種。
　　3.1.2這種菌種能產(chǎn)生許多種酶，從而使大分子物質(zhì)（有機(jī)垃圾的主要成分）分解成能被微生物利用的低分子物質(zhì)，微生物攝取這些低分子物質(zhì)后，將其變成CO2和H2O，以氣體和水汽的形式排出。
　　3.1.3該菌種具有快速分解能力，12-20小時可將垃圾全部分解，減量率在95%。菌種一次投入有效期為4-7個月。對有些頑固性廢棄物，如蝦蟹殼、雞鴨毛、筍殼、老菜頭有較強(qiáng)的分解能力。菌種在15--70℃溫度范圍內(nèi)都能適應(yīng)，耐鹽達(dá)7%，即使長期投入含鹽高的泔腳也不影響。菌種PH范圍在4-9，適應(yīng)范圍廣。
　　3.1.4該菌種經(jīng)上海和北京環(huán)境檢測中心權(quán)威部門鑒定為無毒、無害，遺傳穩(wěn)定，對活體和生態(tài)安全。從自然界分離、篩選得到了一組該項現(xiàn)代高科技生物技術(shù)易于操作，為城市生活垃圾的處理提供了一種嶄新的方式。
　　3.1.5處理過程基本達(dá)到了污染'零排放'，處理后的殘余物可作為優(yōu)良的有機(jī)肥改良土壤，用于作物栽培或城市綠化，達(dá)到了國際先進(jìn)水平。
　　MSW生物處理技術(shù)
　　4.1微生物技術(shù)在MSW處理過程中的應(yīng)用
　　MSW的生物處理主要是利用微生物在一定控制條件下，使有機(jī)物發(fā)生生物化學(xué)降解，形成一種穩(wěn)定的化合物的過程。微生物對垃圾中有機(jī)物降解的快慢、對有機(jī)成分降解的程度直接決定著處理周期的長短和處理效果的好壞，在MSW處理過程中起著決定性的作用。MSW生物處理的優(yōu)劣取決于微生物自身的結(jié)構(gòu)、所處環(huán)境下的代謝狀況。目前有很多學(xué)者在此方面做出了很大的努力，通過分析某種處理環(huán)境下微生物的特性、采用多種方式改變工藝中微生物的數(shù)量，質(zhì)量等，開發(fā)出了多種MSW生物處理技術(shù)。強(qiáng)化微生物（純種分離、強(qiáng)化接種、添加微生物菌劑、微生物固定化）以及基因誘變等技術(shù)。
　　4.2.1強(qiáng)化微生物處理技術(shù)
　　強(qiáng)化微生物處理技術(shù)是從改變工藝中單位反應(yīng)器空間內(nèi)微生物的質(zhì)量或數(shù)量的角度來增強(qiáng)MSW的降解率，從而提高處理效率，縮短處理周期.
　　4.2.2純種分離
　　強(qiáng)化微生物處理技術(shù)是從改變工藝中單位反應(yīng)器空間內(nèi)微生物的質(zhì)量或數(shù)量的角度來增強(qiáng)MSW的降解率，從而提高處理效率，縮短處理周期。
　　4.2.3強(qiáng)化接種處理技術(shù)
　　純種分離后還要將微生物接種到垃圾中進(jìn)行生物處理，但由于接種微生物的生存環(huán)境發(fā)生了變化，故在微生物適應(yīng)周圍環(huán)境前，處理效率達(dá)不到理想的效果，因而直接在垃圾中進(jìn)行微生物接種的處理效果則應(yīng)好于微生物純種分離后再接種的處理效果。直接在垃圾中進(jìn)行微生物接種可采用多種方式，如：垃圾滲濾液循環(huán)、加入一定比例的垃圾腐熟物等。
　　微生物對垃圾的降解是在多種微生物的協(xié)同作用下完成，在適宜的條件下，微生物協(xié)同作用能力的大小取決于微生物種群的大小與結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。一般說來，生物的種群越大，其自動調(diào)控能力越好，適應(yīng)性就越強(qiáng)，結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。經(jīng)垃圾滲濾液循環(huán)或向待處理的新鮮垃圾中加入一定比例的垃圾腐熟物進(jìn)行強(qiáng)化接種培養(yǎng)后，微生物的種群擴(kuò)大，且循環(huán)次數(shù)越多，微生物的數(shù)量和種群就越大，這樣就會更有利于對垃圾的降解。
　　4.2.4添加微生物菌劑
　　研究表明，單一的細(xì)菌、真菌、放線菌群體，無論其活性多高，在加快垃圾生物降解進(jìn)程中的作用都比不上復(fù)合微生物菌群的共同作用[5].微生物菌劑是采用分離、篩選的有效微生物，配合一定的處理工藝和設(shè)備，通過合理地調(diào)配各種有效微生物的含量，進(jìn)行篩選、培育MSW生物處理的高效復(fù)合微生物菌劑，進(jìn)而來調(diào)節(jié)菌群結(jié)構(gòu)、提高微生物降解活性，提高微生物降解有機(jī)成分的效率。復(fù)合微生物菌群中既有分解性細(xì)菌，又有合成性細(xì)菌；既有纖維素分解菌、真菌，又有放線菌。向工藝中添加復(fù)合微生物菌劑，不僅增加了工藝中微生物初始濃度，而且改善了工藝中微生物的種群結(jié)構(gòu)。作為多種細(xì)菌共存的一種生物群落，依靠相互間共生增殖及協(xié)同作用，代謝出抗氧化物質(zhì)，生成穩(wěn)定而復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，使得整個生物降解過程中微生物數(shù)量保持相對穩(wěn)定，處理效果較佳。
　　城市垃圾生物處理的新技術(shù)展望
　　5．1生產(chǎn)醇類
　　城市垃圾中含有纖維素、淀粉和糖等有機(jī)質(zhì)，微生物厭氧代謝這些有機(jī)物時，可產(chǎn)生一些例如乙醇、甲醇等醇類高效燃料。乙醇可用以稀釋汽車用油或其他發(fā)動機(jī)用油，使功效提高10％～15％。巴西、美國早已成為利用糖類、谷物淀粉類和纖維素類發(fā)展燃料酒精的典范，美國燃料乙醇的總裝置能力達(dá)到約840萬t／a。英國、荷蘭、德國、奧地利、泰國、南非等許多國家的政府均已制定規(guī)劃，積極發(fā)展燃料酒精工業(yè)。目前的方向是，希望利用含纖維素物質(zhì)如鋸末、蔗渣、破舊報紙、有機(jī)垃圾等各種廢物制取酒精。我國有人采用微生物酶制劑對有機(jī)垃圾酶解后，用酒精酵母對有機(jī)垃圾進(jìn)行厭氧發(fā)酵生產(chǎn)乙醇。結(jié)果表明，在適宜的條件下，每噸垃圾可生產(chǎn)70～90L酒精，這為城市有機(jī)垃圾的再生利用，發(fā)展新能源，找到一條新的途徑。
　　5．2生產(chǎn)氫氣
　　氫是目前最理想的清潔燃料之一，每千克氫燃燒可放出142ⅣU的熱量，是煤的3～4倍。生物制氫思路于1966年提出，在20世紀(jì)90年代受到空前重視，其中微生物發(fā)酵法是一種有前景的氫氣制備方法。許多微生物類群具有可降解大分子有機(jī)物產(chǎn)氫的特點，因而可以利用城市垃圾中的植物莖葉、家庭廚余等可再生能源廢棄物產(chǎn)生大量氫氣。產(chǎn)氫氣的微生物有異養(yǎng)微生物和自養(yǎng)微生物。氫氣產(chǎn)生菌產(chǎn)生的氫氣，目前主要應(yīng)用于燃料電池方面。如產(chǎn)氣莢膜梭菌在含有葡萄糖培養(yǎng)基的10L發(fā)酵罐中，產(chǎn)H2速度最高可達(dá)18--23L／h，并進(jìn)而利用所產(chǎn)生的H2推動3．1--3．5V燃料電池的工作。由于微生物的產(chǎn)氫機(jī)制和條件還在研究過程中，所以該類微生物能源的使用尚處試驗階段。需要解決的問題是尋找和篩選活性菌株，解決分離H2和02的方法等。中科院微生物研究所篩選了產(chǎn)氫活性較高的菌株，并對其產(chǎn)氫活性進(jìn)行了研究。
　　5．3合成微生物塑料
　　聚口一羥基烷酸(poly—j3一hydroxyalkanoates，PHAs)是許多原核微生物在不平衡生長條件(如缺乏氮、磷、氧等)下合成的胞內(nèi)能量和碳源儲藏性聚合物。PHAs具有與化學(xué)合成塑料相似的性質(zhì)，能拉絲、壓模、注塑等，而且具有化學(xué)合成塑料所沒有的特殊性能，如利用其生物相容性可作為外科手術(shù)縫線、人造血管和骨骼代用品，術(shù)后無需取出。因而在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥和環(huán)保等行業(yè)都具有廣闊的應(yīng)用前景。PHAs可以用可降解的有機(jī)固體廢棄物合成，而城市垃圾中含有大量可降解的有機(jī)固體廢棄物，從目前已獲得的研究成果可以展望，利用城市垃圾合成PHAs是生物合成PH魅的一條新途徑，它的研究將受到人們的廣泛重視，在2l世紀(jì)將有可能成為塑料工業(yè)發(fā)展的一個新方向。
　　垃圾處理是城市可持續(xù)發(fā)展所必須解決的一個重大問題，處理的目的是使垃圾資源化、減量化、無害化。微生物在垃圾“三化”中起著積極與重要的作用，利用微生物降解垃圾中有機(jī)物，不僅投資和運(yùn)行費(fèi)用低，處理效率高，而且還可獲得許多有用的副產(chǎn)品，如沼氣、飼料、蛋白、酒精等。近年來，隨著環(huán)境生物技術(shù)的發(fā)展，在生物處理方面出現(xiàn)了不少新技術(shù)、新方法，它們的可行性和有效性也逐漸增強(qiáng)，正成為垃圾處理的發(fā)展方向之一。就目前而言，我國應(yīng)在大力發(fā)展適合我國國情的垃圾衛(wèi)生填埋和垃圾堆肥處理技術(shù)的同時，加大利用有機(jī)垃圾生產(chǎn)生物能源(燃料酒精、沼氣、生物制氫等)的研究力度，加強(qiáng)降解有機(jī)垃圾的高效微生物菌劑的研究。我們相信，隨著垃圾微生物降解機(jī)理研究的進(jìn)一步深入，會有更為有效的微生物和處理工藝使垃圾真正地成為可利用資源。