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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

时间:2015-03-06 10:25 来源:微生物技术应用 分享到:

  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,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 。



    城市生活垃圾


 


  微生物技术污水处理



  污水处理常见微生物


 


  污水处理常见微生物照片


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

  内容:

  1.各种动植物、微生物,对自然界存在的各种有机物都有降解作用,其中微生物的降解作用最大。凡自然界存在的有机物,几乎都能被微生物降解。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、沼气或其他转化产品(如饲料蛋白、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,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,利用好氧微生物使有机物降解并稳定化的生物处理方法。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、碳水化合物、蛋白质、脂肪、氨基酸、脂肪酸等,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,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,而不溶的胶体及复杂大分子有机物,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。微生物通过自身的生命活动——新陈代谢过程,把一部分有机物氧化分解成简单的无机化合物,如c02、HzO、NH3、P043_、S042~等,从中获得生命活动所需要的能量;同时又把另一部分有机物转化合成新的细胞物质,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,利用厌氧微生物的代谢活动,将有机物转化为各种有机酸、醇、CH4、H2S、c02、NH3、H2等和少量细胞物质的过程。它是一个多类群细菌的协同代谢过程。在此过程中,不同微生物的代谢过程相互影响,相互制约,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,装运到填埋场铺平压实。其优点为简便易行。缺点为造成地下水、空气、周围环境污染,且占用大量土地。

  2.2焚烧法:固体废弃物高温分解,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,消除有害细菌,还能用来供热发电。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。

  2.3堆肥法:垃圾发酵后成为无害的腐植质。但发酵周期长,养分含量低,处理后体积大,仅适用于交通不便的农村。

  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,世界各国主要采用堆肥、卫生填埋、厌氧发酵等处理方法。

  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,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。

  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,再对以上微生物进行生长温度、耗氧需求、耐盐性、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。

  3.1.2这种菌种能产生许多种酶,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,微生物摄取这些低分子物质后,将其变成CO2和H2O,以气体和水汽的形式排出。

  3.1.3该菌种具有快速分解能力,12-20小时可将垃圾全部分解,减量率在95%。菌种一次投入有效期为4-7个月。对有些顽固性废弃物,如虾蟹壳、鸡鸭毛、笋壳、老菜头有较强的分解能力。菌种在15--70℃温度范围内都能适应,耐盐达7%,即使长期投入含盐高的泔脚也不影响。菌种PH范围在4-9,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,遗传稳定,对活体和生态安全。从自然界分离、筛选得到了一组该项现代高科技生物技术易于操作,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',处理后的残余物可作为优良的有机肥改良土壤,用于作物栽培或城市绿化,达到了国际先进水平。

  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,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。微生物对垃圾中有机物降解的快慢、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。MSW生物处理的优劣取决于微生物自身的结构、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,通过分析某种处理环境下微生物的特性、采用多种方式改变工艺中微生物的数量,质量等,开发出了多种MSW生物处理技术。强化微生物(纯种分离、强化接种、添加微生物菌剂、微生物固定化)以及基因诱变等技术。

  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,从而提高处理效率,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,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,但由于接种微生物的生存环境发生了变化,故在微生物适应周围环境前,处理效率达不到理想的效果,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。直接在垃圾中进行微生物接种可采用多种方式,如:垃圾渗滤液循环、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,在适宜的条件下,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。一般说来,生物的种群越大,其自动调控能力越好,适应性就越强,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,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。

  4.2.4添加微生物菌剂

  研究表明,单一的细菌、真菌、放线菌群体,无论其活性多高,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,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,进行筛选、培育MSW生物处理的高效复合微生物菌剂,进而来调节菌群结构、提高微生物降解活性,提高微生物降解有机成分的效率。复合微生物菌群中既有分解性细菌,又有合成性细菌;既有纤维素分解菌、真菌,又有放线菌。向工艺中添加复合微生物菌剂,不仅增加了工艺中微生物初始浓度,而且改善了工艺中微生物的种群结构。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,代谢出抗氧化物质,生成稳定而复杂的生态系统,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。

  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,可产生一些例如乙醇、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,使功效提高10%~15%。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,美国燃料乙醇的总装置能力达到约840万t/a。英国、荷兰、德国、奥地利、泰国、南非等许多国家的政府均已制定规划,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、蔗渣、破旧报纸、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。结果表明,在适宜的条件下,每吨垃圾可生产70~90L酒精,这为城市有机垃圾的再生利用,发展新能源,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,每千克氢燃烧可放出142ⅣU的热量,是煤的3~4倍。生物制氢思路于1966年提出,在20世纪90年代受到空前重视,其中微生物发酵法是一种有前景的氢气制备方法。许多微生物类群具有可降解大分子有机物产氢的特点,因而可以利用城市垃圾中的植物茎叶、家庭厨余等可再生能源废弃物产生大量氢气。产氢气的微生物有异养微生物和自养微生物。氢气产生菌产生的氢气,目前主要应用于燃料电池方面。如产气荚膜梭菌在含有葡萄糖培养基的10L发酵罐中,产H2速度最高可达18--23L/h,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,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,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hydroxyalkanoates,PHAs)是许多原核微生物在不平衡生长条件(如缺乏氮、磷、氧等)下合成的胞内能量和碳源储藏性聚合物。PHAs具有与化学合成塑料相似的性质,能拉丝、压模、注塑等,而且具有化学合成塑料所没有的特殊性能,如利用其生物相容性可作为外科手术缝线、人造血管和骨骼代用品,术后无需取出。因而在工业、农业、医药和环保等行业都具有广阔的应用前景。PHAs可以用可降解的有机固体废弃物合成,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,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,在2l世纪将有可能成为塑料工业发展的一个新方向。

  垃圾处理是城市可持续发展所必须解决的一个重大问题,处理的目的是使垃圾资源化、减量化、无害化。微生物在垃圾“三化”中起着积极与重要的作用,利用微生物降解垃圾中有机物,不仅投资和运行费用低,处理效率高,而且还可获得许多有用的副产品,如沼气、饲料、蛋白、酒精等。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,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。就目前而言,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,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,加强降解有机垃圾的高效微生物菌剂的研究。我们相信,随着垃圾微生物降解机理研究的进一步深入,会有更为有效的微生物和处理工艺使垃圾真正地成为可利用资源。


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