微生物與生活垃圾處理

1、微生物與生活垃圾處理摘要 ： 垃圾是人類在日常生活中不可避免地產(chǎn)生的廢棄物，針對(duì)生活垃圾本文介紹了幾種主要生物處理方法，以及分析了在處理過(guò)程中的各種微生物，并指出了生物處理正成為生活垃圾處理的發(fā)展方向之一。關(guān)鍵詞 ： 生活垃圾；生物處理技術(shù)；微生物隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人口的增加以及人民生活水平的提高，城市生活垃圾的產(chǎn)量與日俱增，<<中國(guó)二十一世紀(jì)議程>> 白皮書(shū)指出： “全國(guó)歷年城市生活垃圾存量達(dá) 60 多億噸，有200 個(gè)城市陷入垃圾包圍之中。 ”據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)城市垃圾增長(zhǎng)率大于 10% ，超過(guò)全世界平均8.42% 的年平均增長(zhǎng)速度1。如何處理好如此龐大的城市生活垃圾，已成

2、為全世界廣泛關(guān)注的問(wèn)題。同時(shí)其帶來(lái)的環(huán)境污染和人類聚居狀況惡化等問(wèn)題， 也成為世界各國(guó)共同關(guān)心的問(wèn)題,它還成為制約我國(guó)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的障礙。因此垃圾的處理向著減量化、無(wú)害化和資源化的方向發(fā)展是我們的對(duì)策。目前， 國(guó)內(nèi)外處理垃圾的主要方法有衛(wèi)生填埋、堆肥化、焚燒，其中前兩種處理方式均屬于生物處理技術(shù)。具體來(lái)說(shuō)，這種垃圾生物處理技術(shù)就是城市生活垃圾中固有的或外添加的微生物，在一定控制條件下，進(jìn)行一系列的生物化學(xué)反應(yīng)，使得垃圾中的不穩(wěn)定的有機(jī)物代謝后釋放能量或轉(zhuǎn)化為新的細(xì)胞物質(zhì)，從而垃圾逐步達(dá)穩(wěn)定化的一個(gè)生化過(guò)程。1 生活垃圾生物處理方法1.1 堆肥處理法堆肥是依靠自然界廣泛分布的細(xì)菌、放線菌

3、、真菌等微生物，有控制地促進(jìn)可被生物降解的有機(jī)物向穩(wěn)定的腐殖轉(zhuǎn)化的生物化學(xué)過(guò)程，最終形成類似腐殖質(zhì)，可作為肥料或土壤的改良劑。堆肥技術(shù)是實(shí)現(xiàn)城市垃圾資源化、無(wú)害化的一條重要途徑。它不僅可以殺死垃圾中的病原菌，有效處理垃圾中的有機(jī)物，增加土壤中的有機(jī)成份，而且可生產(chǎn)有機(jī)肥料，有利于增加農(nóng)業(yè)產(chǎn)量2。由于傳統(tǒng)堆肥處理法是利用堆制原料中的土著微生物來(lái)降解有機(jī)污染物，堆肥初期土著微生物數(shù)量少，需要一定時(shí)間才能繁殖起來(lái)，且各種微生物分解速度差別很大，因此傳統(tǒng)堆肥往往存在發(fā)酵時(shí)間長(zhǎng)、產(chǎn)生臭味且肥效低等問(wèn)題。研究表明，進(jìn)行人為接種分解有機(jī)物能力強(qiáng)的微生物，可以加速堆肥材料的腐熟，提高溫度，消滅某些病原體、蟲(chóng)卵

4、等，并能控制臭氣，增加堆肥成品中的有益微生物。因而通過(guò)加入復(fù)合微生物菌劑和調(diào)理劑或分解促進(jìn)劑來(lái)提高和加速堆肥反應(yīng)過(guò)程，成為目前垃圾堆肥研究的熱點(diǎn)。1.2 厭氧消化法厭氧是將復(fù)雜有機(jī)物在無(wú)氧情況下降解成N、 P 無(wú)機(jī)化合物和CH 4、 CO， H 2等氣體。該方法在處理生活垃圾中十分盛行，不僅因?yàn)樗泻芨叩奶幚硇?，而且可獲得甲烷等能源氣體。厭氧消化是將復(fù)雜有機(jī)物首先降解成游離糖、乙醇、揮發(fā)性脂肪酸(VFA) 、 H 2及 C0 2，而后乙醇和揮發(fā)性脂肪酸被氧化成乙酸和 H 2，最后一步是乙酸和H 2，被轉(zhuǎn)化成CH 4，這三步之間有著嚴(yán)格的相互協(xié)調(diào)作用。1.3 混合處理法是將生活垃圾進(jìn)行好氧與厭

5、氧耦合處理，達(dá)到快速降解垃圾的目的。既能克服好氧堆肥周期長(zhǎng)的缺點(diǎn)，又能在厭氧消化中獲得能源。中科院成都微生物研究所廖銀章等人與美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)進(jìn)行合作研究，在發(fā)酵工藝方面取得了一些成果。他們用先好氧后厭氧發(fā)酵、兩步發(fā)酵和高固體濃度發(fā)酵三種方法對(duì)城市有機(jī)垃圾厭氧產(chǎn)甲烷進(jìn)行了研究。研究指出前者具有啟動(dòng)快、產(chǎn)氣量高、處理周期短等優(yōu)點(diǎn)。采用兩步法發(fā)酵可顯著提高揮發(fā)酸和甲烷產(chǎn)量，還能提高城市固體廢物的生物降解率3。2 生活垃圾生物處理中的主要微生物生活垃圾的生物降解均依賴于微生物對(duì)這些物質(zhì)的分解作用，進(jìn)一步了解研究這些微生物，對(duì)于生活垃圾的生物處理具有重要意義。在自然界中存在著豐富的微生物種群，這些微生

6、物雖然個(gè)體微小，但在垃圾處理及環(huán)境污染凈化中卻扮演著不容忽視的重要作用。這些微生物是通過(guò)水和風(fēng)的散播得以存在各處的，因此垃圾中存在有大量微生物。它們由于自身的生理特性，可以通過(guò)自發(fā)的或人為的遺傳、變異等生物過(guò)程適應(yīng)環(huán)境的變化，使之能以各種污染物尤其是有機(jī)污染物為營(yíng)養(yǎng)源，通過(guò)吸收、代謝等一系列反應(yīng)，將環(huán)境中的污染物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定無(wú)害的無(wú)機(jī)物。因而，在生物圈中微生物充當(dāng)著分解者的角色4 。正是這種微生物對(duì)環(huán)境污染的降解作用保證了自然界正常的物質(zhì)循環(huán)，在垃圾處理中發(fā)揮了作用。垃圾的生物處理技術(shù)可分為好氧生物處理和厭氧生物處理。好氧生物處理利用好氧微生物在有氧條件下的代謝作用，將垃圾中復(fù)雜的有機(jī)物分解成二

7、氧化碳和水, 如：好氧堆肥、生物反應(yīng)器填埋等，其工藝中的微生物主要有細(xì)菌、放線菌、真菌等微生物種群。厭氧生物處理是利用在無(wú)氧條件下生長(zhǎng)的厭氧或兼性微生物的代謝作用處理垃圾，其主要降解產(chǎn)物是甲烷和二氧化碳等，如：厭氧消化、厭氧填埋等，其工藝中的微生物又稱“瘤胃微生物”，主要有水解細(xì)菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌群和產(chǎn)甲烷菌群等。當(dāng)今，微生物技術(shù)已成為垃圾處理中的主流方法。2.1 生活垃圾處理中的好氧微生物2.1.1 細(xì)菌在垃圾好氧生物降解過(guò)程中，細(xì)菌憑借強(qiáng)大的比表面積，可以快速將可溶性底物吸收到細(xì)胞中，進(jìn)行胞內(nèi)代謝?？偟膩?lái)說(shuō)，其數(shù)量要比放線菌和真菌多得多。在堆肥過(guò)程中，細(xì)菌總數(shù)的變化趨勢(shì)是高-低 -高。堆肥初

8、期，有機(jī)廢物中攜帶有的大量細(xì)菌分解有機(jī)物質(zhì)釋放能量，使堆體溫度上升，此時(shí)，常溫細(xì)菌受到抑制，嗜溫細(xì)菌活躍；當(dāng)堆溫升至高溫階段，只有少量的嗜熱細(xì)菌可以活動(dòng)；高溫期過(guò)后，隨著有機(jī)成分的減少，堆體溫度降低，嗜溫及常溫細(xì)菌又開(kāi)始活躍，使細(xì)菌總數(shù)上升。整個(gè)好氧降解過(guò)程中，嗜溫細(xì)菌是堆肥系統(tǒng)中最主要的微生物。2.1.2 放線菌放線菌具有多細(xì)胞菌絲，可以分解一些纖維素,并溶解木質(zhì)素。它比真菌能夠忍受更高的溫度和pH 值 ,在垃圾生物降解的高溫階段是分解木質(zhì)纖維素的優(yōu)勢(shì)菌群。研究表明，諾卡氏菌、鏈霉菌、高溫放線菌和 單孢子菌等在垃圾好氧堆肥中占優(yōu)勢(shì)。 2.1.3 真菌在垃圾生物降解過(guò)程中，真菌對(duì)垃圾有機(jī)成分的

9、分解和穩(wěn)定化起著重要的作用。真菌不僅能分泌胞外酶， 水解有機(jī)物質(zhì)，而且由于其菌絲的機(jī)械穿插作用，還對(duì)物料起一定的物理破壞作用，促進(jìn)生化反應(yīng)。溫度是影響真菌生長(zhǎng)的重要因素之一，堆肥過(guò)程中隨著溫度的升高,真菌的菌落數(shù)開(kāi)始減少,在 64 左右 ,嗜熱性真菌幾乎全部消失。當(dāng)溫度下降到60 以下時(shí),嗜溫性真菌和嗜熱性真菌又都會(huì)重新出現(xiàn)在堆肥中。2.2 生活垃圾處理中的厭氧微生物垃圾的生物處理技術(shù)中的厭氧生物處理依次分為水解、產(chǎn)氫產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷三個(gè)階段，每個(gè)階段各有其獨(dú)特的微生物類群起生物降解作用。2.2.1 水解細(xì)菌水解階段水解細(xì)菌利用胞外酶對(duì)有機(jī)物進(jìn)行體外酶解，使固體物質(zhì)變成可溶于水的物質(zhì)，然后細(xì)胞將其

10、吸收，水解成不同產(chǎn)物，該階段起作用的細(xì)菌為水解細(xì)菌。2.2.2 產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌群產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌群是將第一階段發(fā)酵產(chǎn)物如丙酸等三碳以上有機(jī)酸、長(zhǎng)鏈脂肪酸和醇類等氧化分解成乙酸和分子氫。在衛(wèi)生填埋場(chǎng)中已分離出產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌布氏甲烷桿菌屬和G 株布氏甲烷桿菌屬等5。2.2.3 產(chǎn)甲烷菌群甲烷菌利用H 2/CO 2、醋酸和甲醇甲酸等C 類化合物為基質(zhì)，將其轉(zhuǎn)化為甲烷。在衛(wèi)生填埋場(chǎng)中產(chǎn)甲烷菌群分桿狀菌、球狀菌和八疊球菌三類。桿狀產(chǎn)甲烷菌通常呈彎曲、鏈狀或絲狀。球狀產(chǎn)甲烷細(xì)菌直徑為0.35微米,球形細(xì)胞呈正圓形或橢圓形 ，成對(duì)排列成鏈狀。八疊球狀產(chǎn)甲烷菌，其細(xì)胞繁殖成規(guī)則、大小一致的類似砂粒的堆積物,有 227

11、 巴氏甲烷八疊球菌、巴氏甲烷八疊球菌、嗜熱甲烷八疊球菌等5。3 微生物在垃圾處理中的應(yīng)用3.1 瘤胃微生物降解木質(zhì)纖維素瘤胃是天然復(fù)雜的生物降解系統(tǒng)，因而研究瘤胃微生物對(duì)于我們了解生活垃圾降解機(jī)理具有很重要的借鑒作用和參考價(jià)值。華南理工大學(xué)陳慶今等人對(duì)瘤胃中微生物的研究指出，瘤胃內(nèi)以異養(yǎng)厭氧菌為主，含有有機(jī)垃圾厭氧消化三階段所需要的微生物種類，即瘤胃中存在水解菌、酸化菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)甲烷菌，瘤胃中的微生物是自然界中非常完整的一個(gè)有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的生態(tài)系統(tǒng)6 。一般厭氧消化都存在產(chǎn)物抑制的問(wèn)題，但由于瘤胃微生物是一個(gè)復(fù)合菌群，一種反應(yīng)的產(chǎn)物往往是另外一種反應(yīng)的利用底物，底物抑制現(xiàn)象被排除。城市有

12、機(jī)垃圾中木質(zhì)纖維素是難以被降解的，而瘤胃微生物能夠高效降解木質(zhì)纖維素，是因?yàn)榱鑫妇褐写嬖诟鞣N可以分別降解木質(zhì)素和結(jié)晶纖維素的微生物，它們分泌的各種酶類是降解的關(guān)鍵所在。3.2 堆肥微生物降解有機(jī)物二十世紀(jì)八十年代末國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者致力于研究鑒定堆肥過(guò)程中的微生物，從而篩選出有效的降解生活垃圾的微生物菌株。康建雄研究了生活垃圾堆肥過(guò)程中的微生物數(shù)量，指出垃圾中微生物數(shù)量與垃圾類型、垃圾產(chǎn)生源的地域分布無(wú)關(guān)，與產(chǎn)生源垃圾的新鮮度有關(guān)，同時(shí)確定垃圾處理過(guò)程中，中溫微生物在數(shù)量上占優(yōu)勢(shì)。堆肥過(guò)程中有機(jī)物的分解與穩(wěn)定化主要發(fā)生在高溫階段，此時(shí)中溫型與高溫型微生物都起著巨大作用2 。高效復(fù)合微生物菌群與污

13、泥混合堆肥，可提高有機(jī)污染物的生物降解率。這些高效復(fù)合微生物菌群是由酵母菌、放線菌、乳酸菌、固氮菌、纖維素分解菌等多種微生物經(jīng)特殊方法培養(yǎng)而成，它們依靠相互間協(xié)同作用，迅速分解垃圾中的有機(jī)物，并代謝出抗氧化物質(zhì)，生成復(fù)雜而穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，增加堆肥中的含氮量，抑制有害微生物的生長(zhǎng)繁殖。3.3 木質(zhì)真菌消化降解垃圾由于木質(zhì)素是目前公認(rèn)的微生物難降解的芳香族化合物之一。因此木質(zhì)素的完全降解是真菌、細(xì)菌及相應(yīng)微生物群落共同作用的結(jié)果7 。研究表明，單一的細(xì)菌、真菌、放線菌等群體，無(wú)論其活性多高，在加快垃圾生物降解過(guò)程中的作用都比不上復(fù)合微生物菌群的共同作用8 。其中真菌在降解木質(zhì)素過(guò)程中起著主要作用。

14、降解木質(zhì)素的真菌根據(jù)腐朽類型分為：白腐菌、褐腐菌和軟腐菌。白腐菌降解木質(zhì)素的能力優(yōu)于其降解纖維素的能力，它能夠分泌胞外氧化酶降解木質(zhì)素，而后兩者降解木質(zhì)素的能力弱于其降解纖維素的能力。因此白腐菌被認(rèn)為是最主要的木質(zhì)素降解微生物。3.4 .有效微生物（EM）在生活垃圾處理中的應(yīng)用有效微生物群，是由乳酸菌、酵母菌、放線菌和光合細(xì)菌等四大類80 余種微生物組成的復(fù)合菌制劑9。它是日本科學(xué)家比嘉照夫教授的研究成果，1992 年開(kāi)始用于生產(chǎn)，可用于農(nóng)用、養(yǎng)殖業(yè)及環(huán)境保護(hù)等方面。日本利用有效微生物技術(shù)已取得了相當(dāng)?shù)某晒?。其中，在生活垃圾處理方面，日本已開(kāi)始推廣有效微生物技術(shù)，并提出在家庭內(nèi)將廚房垃圾變成有

15、機(jī)肥料。用于生活垃圾發(fā)酵的專用粉狀有效微生物只需用0.2% 有效微生物（以米糠為主要成分）的發(fā)酵物，按1% 的用量接種到有機(jī)生活垃圾中，進(jìn)行厭氧發(fā)酵，夏季經(jīng) 7 天后有機(jī)垃圾即被分解，且無(wú)臭無(wú)蚊蠅孳生，同時(shí)可得到無(wú)臭味的、可直接還原于土壤的活菌肥料，并可用于蔬菜和花卉的栽培。EM 技術(shù)處理生活垃圾有效地控制了垃圾帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題，同時(shí)每年能夠節(jié)約 2800 萬(wàn)日元的垃圾處理費(fèi)9。4 微生物技術(shù)展望生活垃圾生物降解是多種微生物共同協(xié)同作用的結(jié)果，無(wú)論是厭氧生物處理垃圾工藝還是好氧生物處理垃圾工藝中，都存在著各種各樣的微生物種群，正是這些微生物種群相互協(xié)調(diào)，互生互克，組成了一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，從

16、而去除了使得垃圾不穩(wěn)定的有機(jī)成分，使垃圾穩(wěn)定化，甚至成為可再生利用的資源。因而在篩選這些有效微生物菌群時(shí)，要考慮不同微生物菌群間的拮抗作用，以確保有效菌種的優(yōu)勢(shì)。目前將篩選到的有效微生物菌群，接種到生活垃圾中，通過(guò)好氧與厭氧聯(lián)合處理工藝降解生活垃圾，是垃圾生物處理的發(fā)展趨勢(shì)。將生活垃圾就地處理成有機(jī)肥料，從源頭消除垃圾，減輕城市生活垃圾給環(huán)境造成的壓力，避免二次污染，從而實(shí)現(xiàn)生活垃圾的無(wú)害化、減量化和資源化。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，各種生物處理技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)，會(huì)有更為有效的垃圾微生物和處理工藝，實(shí)現(xiàn)由生活垃圾“廢物”變?yōu)樵旄Ｈ祟惖摹柏?cái)富”。致謝：本文在寫作過(guò)程中得到了

17、指導(dǎo)老師呂桂芬的悉心指導(dǎo)和批評(píng)指正，也得到了同學(xué)和朋友們的支持和幫助，在此表示深深的謝意。參考資料 ：1 趙由才，柴曉利. 生活垃圾資源化原理與技術(shù)M. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2002 ： 170 180.2 徐會(huì)連 . 固體垃圾的危害及處理P. 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究科普基地，2007 ， 06.3 陳守文，喻子牛等. 微生物生物技術(shù)M. 北京：科學(xué)出版社，2002.4 林夢(mèng)藻 . 微生物學(xué)（第一版）M. 長(zhǎng)春： 東北師范大學(xué)出版社，1998 ：3-7 、 126-129.5 黃得揚(yáng)，陸文靜，王洪濤. 有機(jī)固體廢物堆肥化處理的微生物學(xué)機(jī)理研究J. 環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2004 ，5.6

18、 王家玲，李舜鵬，黃正等. 環(huán)境微生物學(xué)（第二版）M. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1999 ：123-125.7 席北斗，劉鴻亮，孟偉. 垃圾堆肥高效復(fù)合微生物菌劑的制備J. 環(huán)境科學(xué)研究，2003 ， 16.8 張建洲，李宏偉. 微生物在降解污染和環(huán)境保護(hù)中的研究及應(yīng)用J. 內(nèi)蒙古林業(yè)，2004 ， 8.9 陳希芹 . 有效微生物群（EM ）在生活垃圾處理中的應(yīng)用J. 智慧星最專業(yè)的產(chǎn)品技術(shù)指導(dǎo)，2008 ， 1.6Microbial life and waste disposalMeng gen tao ge si Self-study examination student, Class of 2006, Biology, Inner Mongolia Normal UniversitySupervised by lv gui fenAbstract : Human waste is inevitable in everyday life of t