微生物技術在城市生活垃圾處理中的應用

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簡介： 本文結(jié)合堆肥化、衛(wèi)生填埋兩種現(xiàn)行的城市生活垃圾處理工藝，主要介紹了城市生活垃圾生物處理過程中的微生物種群，以及通過分析開發(fā)出的新的微生物技術，指出了應用于城市生活垃圾處理的高效的微生物技術的研究方向。
關鍵字：城市生活垃圾 微生物 強化微生物處理技術 基因工程

隨著城市化進程在全球范圍的加速，城市化帶來的環(huán)境污染和人類聚居狀況惡化等問題，已成為世界各國共同關心的問題。城市生活垃圾（Municipal solid waste, 簡稱MSW）是在城市日常生活及為城市生活提供服務的活動中產(chǎn)生的固體廢棄物，是城市環(huán)境的主要污染物之一。目前，城市生活垃圾處理處置的方法主要包括衛(wèi)生填埋（Sanitary landfill）、堆肥化(Composting)、焚燒(Incineration)三種，其中前兩種處理方式均屬于生物處理技術。具體來說，MSW生物處理技術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，進行一系列的生物化學反應，使得MSW中的不穩(wěn)定的有機物代謝后釋放能量或轉(zhuǎn)化為新的細胞物質(zhì)，從而MSW逐步達穩(wěn)定化的一個生化過程。

1. 城市生活垃圾生物處理中主要的微生物

MSW生物處理技術主要包括好氧和厭氧生物處理。好氧生物處理如：好氧堆肥、生物反應器填埋等，其工藝中的微生物主要有細菌、放線菌、真菌等微生物種群。厭氧生物處理，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”，主要有水解細菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌群和產(chǎn)甲烷菌群等。

1.1 城市生活垃圾好氧生物處理中的微生物

1.1.1 細菌

在MSW好氧生物降解過程中，細菌憑借強大的比表面積，可以快速將可溶性底物吸收到細胞中，進行胞內(nèi)代謝?？偟膩碚f，其數(shù)量要比放線菌和真菌多得多。當然，在不同的環(huán)境中分離的細菌在分類學上具有多樣性，主要有假單胞菌屬（pseudomonas）、克雷伯氏菌屬（klebsiella）以及芽孢桿菌屬（bacillus）的細菌^[1]。在堆肥過程中，細菌總數(shù)的變化趨勢是高-低-高。堆肥初期，有機廢物中攜帶有的大量細菌分解有機物質(zhì)釋放能量，使堆體溫度上升，此時，常溫細菌受到抑制，嗜溫細菌活躍；當堆溫升至高溫階段，只有少量的嗜熱細菌可以活動；高溫期過后，隨著有機成分的減少，堆體溫度降低，嗜溫及常溫細菌又開始活躍，使細菌總數(shù)上升。整個好氧降解過程中，嗜溫細菌是堆肥系統(tǒng)中最主要的微生物。

1.1.2 放線菌

放線菌具有多細胞菌絲，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)勢菌群。研究表明，諾卡氏菌（nocardia）、鏈霉菌（streptomyces）、高溫放線菌（thermoactinomyces）和單孢子菌（micromonospora）等在MSW好氧堆肥中占優(yōu)勢^[1]。

1.1.3 真菌

在MSW生物降解過程中，真菌對垃圾有機成分的分解和穩(wěn)定化起著重要的作用。真菌不僅能分泌胞外酶，水解有機物質(zhì)，而且由于其菌絲的機械穿插作用，還對物料起一定的物理破壞作用，促進生化反應。溫度是影響真菌生長的重要因素之一，堆肥過程中隨著溫度的升高,真菌的菌落數(shù)開始減少,在64℃左右,嗜熱性真菌幾乎全部消失。當溫度下降到60℃以下時,嗜溫性真菌和嗜熱性真菌又都會重新出現(xiàn)在堆肥中^[2]。

1.2 厭氧生物處理微生物

MSW的厭氧生物處理依次分為水解、產(chǎn)氫產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷三個階段，每個階段各有其獨特的微生物類群起生物降解作用。

1.2.1 水解細菌

水解階段水解細菌利用胞外酶對有機物進行體外酶解，使固體物質(zhì)變成可溶于水的物質(zhì)，然后細胞將其吸收，水解成不同產(chǎn)物，該階段起作用的細菌為水解細菌。Hungate分離出了以下幾種水解菌：（1）產(chǎn)琥珀酸擬桿菌屬,（2）湖生(lochheadii)芽孢菌屬,（3）柱孢梭菌屬,（4）生黃瘤胃球菌,（5）白色瘤胃球菌落,（6）溶纖維丁酸弧菌。同時還分離出纖維酶B—1,4—葡聚糖酶,外B—1,4—葡聚糖酶和纖維素二糖酶^[3]。

1.2.2 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酸、長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^[3]。

1.2.3 產(chǎn)甲烷菌群

甲烷菌利用H₂/CO₂、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,此類細菌有史密斯甲烷短桿菌屬、甲酸甲烷桿菌屬、巴氏甲烷桿菌屬、反芻甲烷短桿菌屬、史密斯甲烷桿菌屬、嗜熱自養(yǎng)甲烷桿菌等；球狀產(chǎn)甲烷細菌直徑為0.3～5微米,球形細胞呈正圓形或橢圓形,成對排列成鏈狀。此類細菌有巴氏甲烷八疊球菌、范尼氏甲烷球菌、沃氏甲烷球菌、馬氏產(chǎn)甲烷球菌、海生產(chǎn)甲烷球菌及嗜熱無機營養(yǎng)甲烷球菌等。八疊球狀產(chǎn)甲烷菌,其細胞繁殖成規(guī)則、大小一致的類似砂粒的堆積物,有227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^[3]。

2. 微生物技術在MSW處理過程中的應用

MSW的生物處理主要是利用微生物在一定控制條件下，使有機物發(fā)生生物化學降解，形成一種穩(wěn)定的化合物的過程。因此，微生物對垃圾中有機物降解的快慢、對有機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。故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，如：強化微生物（純種分離、強化接種、添加微生物菌劑、微生物固定化）以及基因誘變等技術。

2.1 強化微生物處理技術

強化微生物處理技術是從改變工藝中單位反應器空間內(nèi)微生物的質(zhì)量或數(shù)量的角度來增強MSW的降解率，從而提高處理效率，縮短處理周期。

2.1.1 純種分離

自然界中的微生物總是雜居在一起，即使一粒土或一滴水中也生存著多種微生物。為了提高工藝中某種有效微生物的質(zhì)量（純度），提高處理效率，必須進行微生物的純種分離技術。常見的純種微生物的分離方法有平板劃線分離、液體稀釋法分離、利用選擇培養(yǎng)基進行分離以及菌絲尖端切割分離^[4]。

（1） 平板劃線分離

將已經(jīng)熔化的培養(yǎng)基倒入培養(yǎng)皿中制成平板，用接種環(huán)沾取少量待分離的材料，在培養(yǎng)基表面平行或分區(qū)劃線(圖1)，然后，將培養(yǎng)皿放入恒溫箱里培養(yǎng)。在線的開始部分，微生物往往連在一起生長，隨著線的延伸，菌數(shù)逐漸減少，最后可能形成純種的單個菌落。

圖1 幾種劃線方法示意圖

（2） 液體稀釋法

將待分離的樣品經(jīng)過大量稀釋后，取稀釋液均勻地涂布在培養(yǎng)皿中的培養(yǎng)基表面，培養(yǎng)后就可能得到單個菌落。

（3） 利用選擇培養(yǎng)基進行分離

不同的微生物對不同的試劑、染料、抗生素等具有不同的抵抗能力，利用這些特點可配制出適合某種微生物生長而限制其他微生物生長的選擇培養(yǎng)基。用這種培養(yǎng)基來培養(yǎng)微生物就可以達到純種分離的目的。

（4） 菌絲尖端切割

這種方法適于絲狀真菌。用無菌的解剖刀切取位于菌落邊緣的菌絲的尖端，將它們移到合適的培養(yǎng)基上培養(yǎng)后，就能得到新菌落。

2.1.2 強化接種處理技術

純種分離后還要將微生物接種到垃圾中進行生物處理，但由于接種微生物的生存環(huán)境發(fā)生了變化，故在微生物適應周圍環(huán)境前，處理效率達不到理想的效果，因而直接在垃圾中進行微生物接種的處理效果則應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，適應性就越強，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行強化接種培養(yǎng)后，微生物的種群擴大，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。

2.1.3 添加微生物菌劑

研究表明,單一的細菌、真菌、放線菌群體,無論其活性多高,在加快垃圾生物降解進程中的作用都比不上復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備，通過合理地調(diào)配各種有效微生物的含量，進行篩選、培育MSW生物處理的高效復合微生物菌劑，進而來調(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成分的效率。復合微生物菌群中既有分解性細菌，又有合成性細菌；既有纖維素分解菌、真菌，又有放線菌。向工藝中添加復合微生物菌劑，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^[6]。

2.1.4 固定化技術

固定化微生物技術是將微生物固定在載體上，使其高密度密集并保持其生物功能，在適宜的條件下還可增殖，以滿足處理工藝的要求^[7]；實質(zhì)上是從增加單位反應器內(nèi)微生物數(shù)量的角度來提高微生物的活性，使得細胞密度高，微生物流失少、不需分離，就能純化和保存高效菌株等優(yōu)勢，反應速度快，運行穩(wěn)定、可靠，從而節(jié)約運行成本，提高MSW的處理效率。固定化微生物技術目前國內(nèi)外還沒有一個統(tǒng)一的分類標準，方法也多種多樣，主要有載體結(jié)合固定化（吸附法）、交聯(lián)固定化、包埋固定化和共價結(jié)合法，各種固定化方法和載體都各有特點,見表1。其中，微生物細胞的固定化方法以包埋法和吸附法最為常用。包埋法是將微生物封閉在天然高分子多糖類或合成高分子凝膠的網(wǎng)絡中，從而使微生物固定化；其特點是可以將固定化微生物制成各種形狀(球狀、塊狀、圓柱狀、膜狀、布狀、管狀等)，但包埋法制得的固定化微生物對傳質(zhì)有一定的影響。吸附法是將微生物細胞附著于固體載體上，微生物細胞與載體之間不起化學反應，并且具有操作簡單、固定化條件溫和、細胞活性損失小、載體可以反復使用等優(yōu)點，所以被廣泛應用和深入研究^[8]。

表1 各種固定化方法的比較

2.2 基因工程

基因工程技術在MSW處理中應用的基本原理是通過基因分離和重組,將對某種污染物可高效降解的微生物的基因片段轉(zhuǎn)移到受體生物細胞中并表達,使受體生物具有該高效降解污染物的特性,從而達到治理污染，去除有機物的目的^[9]。如可找到特定污染的抗性基因,轉(zhuǎn)基因后構(gòu)建高效基因工程菌，則可顯著提高污染物的降解效率。利用微生物來治理污染快速高效，因此利用基因工程技術構(gòu)建高效菌種來治理污染，特別是環(huán)境中復雜的或難以降解的有毒有害廢棄化合物，如人工合成物塑料、除草劑、殺蟲劑等必將成為環(huán)境生物技術的熱點之一。

3.結(jié)論

1.無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，組成了一個復雜的生態(tài)系統(tǒng)，從而去除了使得MSW不穩(wěn)定的有機成分，使MSW穩(wěn)定化，甚至成為可再生利用的資源。該生態(tài)系統(tǒng)中的微生物還有待進一步研究，進而分離出降解某種特定污染物的特定微生物種群。

2.對于城市生活垃圾的各種生物處理技術正方興未艾，無論是從強化微生物種群的角度，還是從基因工程的角度，都具有較大的發(fā)展?jié)摿?，要努力根?jù)MSW中存在的微生物種群的特性，開發(fā)出高效的MSW生物處理技術。

參考文獻：

[1] 黃得揚，陸文靜，王洪濤. 有機固體廢物堆肥化處理的微生物學機理研究[J]. 環(huán)境污染治理技術與設備，2004，5：13

[2] 羋振明，高忠愛，祁夢蘭等合編. 固體廢物的處理與處置[M]. 北京：高等教育出版社，1992 231～232

[3] 楊琦，張亞雷，汪立忠等. 垃圾填埋場的厭氧降解作用及其微生物類群[J]. 中國沼氣，1997, 15：8-12

[4] 祖若夫，胡寶龍，周德慶. 微生物學實驗教程[M]. 上海：復旦大學出版社，1993 140-151

[5] 席北斗,劉鴻亮,孟偉. 垃圾堆肥高效復合微生物菌劑的制備[J]. 環(huán)境科學研究，2003，16：58

[6] 席北斗，劉鴻亮，黃國和等. 復合微生物菌劑強化堆肥技術研究[J]. 環(huán)境污染與防治，2003，5：264

[7] 胡燕榮，于雪峰. 固定化微生物處理有機污染物的研究進展[J]. 干旱環(huán)境監(jiān)測，2002，4：195

[8] 何延青，劉俊良，楊平等. 微生物固定化技術與載體結(jié)構(gòu)的研究[J]. 環(huán)境科學，2004，25：101

[9] 宋春敬，宋春娟，段昌群. 分子生物學技術及其在污染生態(tài)學中的應用研究進展[J]. 云南大學學報( 自然科學版)，2003，5：72