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淺析生物處理技術(shù)
摘要：生物技術(shù)是實現(xiàn)城市垃圾無害化和資源化的一種有效手段。重點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(xù)增長，北京等少數(shù)幾個大城市增長速度還將達到15％～20％[1]。令人擔憂的是，大量的城市垃圾目前的處理方式也只是在城市周圍堆放或簡易填埋，達到無害化處理基本要求的不足20％[2]，無論從環(huán)境還是社會角度考慮，這都是急需盡快給予重視與解決的社會問題。隨著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，通過生物轉(zhuǎn)化，將城市垃圾中易于生物降解的有機組分轉(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。
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(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，有機廢物中的可溶性小分子可透過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(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，把一部分有機物氧化分解成簡單的無機化合物，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物轉(zhuǎn)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氧條件下，利用厭氧微生物的代謝活動，將有機物轉(zhuǎn)化為各種有機
酸、醇、CH4、H2S、c02、NH3、H2等和少量細胞物質(zhì)的過程。它是一個多類群細菌的協(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，形成復雜的生態(tài)系統(tǒng)。
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(wèi)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、放線菌和真菌等微生物，使來源于生物的有機廢物分解，向比較穩(wěn)定的腐殖質(zhì)進行生化轉(zhuǎn)化的微生物過程。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，通過生物處理技術(shù)將生活垃圾中的有機物質(zhì)轉(zhuǎn)變成優(yōu)質(zhì)的有機肥料，具有良好的環(huán)境效益和社會效率。根據(jù)堆肥過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℃，故也稱高溫堆肥。與傳統(tǒng)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(guī)模采用機械處理等優(yōu)點，因而好氧堆肥技術(shù)的應用已較為普遍。但隨著“垃圾能源學”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，在未來的垃圾處理技術(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(jù)堆肥過程中物料運動形式分為靜態(tài)堆肥和動態(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(xiàn)狀而言，靜態(tài)堆肥較為適用，但隨著人民生活水平的提高，垃圾組成中有機物含量將高達50％--70％，對于未來高有機物含量組成的垃圾則必須采用動態(tài)堆肥bJ技術(shù)。此外，在靜態(tài)堆肥基礎(chǔ)上發(fā)展起來的間歇式動態(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，處理工藝簡單，發(fā)酵倉數(shù)少和投資小。傳統(tǒng)的堆肥法存在發(fā)酵時間長，產(chǎn)生臭味且肥效低等問題。近幾年來，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、寄生蟲卵和雜草種子等，且能控制臭氣【3】|。
2．2衛(wèi)生填埋法
衛(wèi)生填埋法是從傳統(tǒng)的堆放和填地處理的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，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性厭氧微生物對垃圾中的有機物進行分解轉(zhuǎn)化，使之最終達到穩(wěn)定化。衛(wèi)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題，但由于這種方法簡單易行，造價和處理成本低，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(wèi)生填埋的垃圾有機物含量不應太高，以免帶來嚴重的地下水、空氣和周圍環(huán)境的污染問題�，F(xiàn)階段，由于我國城市垃圾中無
機物含量高，填埋后比較穩(wěn)定；產(chǎn)生的臭味比較小，不會使大氣質(zhì)量惡化；滲出液也較少，對地下水影響小，因此，衛(wèi)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，這在今后相當長一段時間將不會改變。國家環(huán)境保護總局2002年10月向社會公布的處理城市垃圾的國家行動方案規(guī)定，今后我國的城市垃圾將進行填埋處理，并把垃圾填埋產(chǎn)生的氣體收集起來發(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，它是通過有目的的控制手段強化微生物過程從而加速垃圾中有機組分轉(zhuǎn)化和穩(wěn)定的一種衛(wèi)生填埋場運行方式�？刂剖侄我话惆ㄒ后w(水、滲透液)注入、備選覆蓋層設(shè)計、營養(yǎng)添加、pH值調(diào)節(jié)、溫度調(diào)節(jié)和供氧等。該技術(shù)具有生物降解速度快，穩(wěn)定化時間短，填埋場產(chǎn)氣量高、收集完全，一般無需復雜的滲透液處理設(shè)施等特點。與傳統(tǒng)衛(wèi)生填埋場相比，大大減少了場外后處理費用。生物反應器填埋場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(zhuǎn)化為沼氣的過程。由于該技術(shù)工藝簡單，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(nèi)厭氧消化應用最廣泛的是農(nóng)村沼氣發(fā)酵，而在城市垃圾處理方面的應用，除少量廢水處理廠的污泥進行厭氧處理外，真正城市垃圾進行厭氧消化處理的很少見報道。厭氧發(fā)酵，在降解和穩(wěn)定有機污染物同時，還產(chǎn)生了一種十分寶貴清潔能源——沼氣。因此，國內(nèi)外許多學者都在積極研究并開發(fā)一些新型的厭氧發(fā)酵技術(shù)。例如，近年來，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(nèi)學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(zhèn)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(jié)約100萬噸標準煤。因此，如何利用現(xiàn)有沼氣技術(shù)，開發(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
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，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)動機用油，使功效提高10％～15％。巴西、美國(轉(zhuǎn)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(nèi)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。活性污泥微生物以好氧細菌為主，也存活著真菌、原生動物和后生動物等。這些微生物群體組成了一個相對穩(wěn)定的生態(tài)系�；钚晕勰嘀械募毦援愷B(yǎng)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(shù)大致在107~109個。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(gòu)造較為復雜而且種類繁多，是多細胞的異養(yǎng)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產(chǎn)生污泥膨脹現(xiàn)象，嚴重影響活性污泥系統(tǒng)的正常工作。真菌在活性污泥法中的出現(xiàn)往往與水質(zhì)有關(guān)。
原生動物的主要攝食對象是細菌�；钚晕勰嘀械脑鷦游镏饕腥庾阆x、鞭毛蟲和纖毛蟲三類。原生動物為單細胞生物，大多為好氧化能異養(yǎng)型菌。在活性污泥法的應用中，常通過觀察原生動物的種類和數(shù)量，間接地判斷污水處理的效果，所以原生動物又稱為活性污泥系統(tǒng)的指示性動物。
以細菌、原生動物以及活性污泥碎片為食的后生動物（如輪蟲、線蟲等）在活性污泥中不經(jīng)常出現(xiàn)，特別是輪蟲僅在有機物含量低且水質(zhì)好的系統(tǒng)（即完全氧化型的活性污泥系統(tǒng)）中才較多出現(xiàn)，因此輪蟲又稱為活性污泥系統(tǒng)的指示性動物，是出水水質(zhì)好的標志。
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