生物技术处理城市生活垃圾的研究进展
摘 要: 针对我国目前城市生活垃圾的现状和特点，简要介绍和对比了三种主要的处理方法，着重介绍了国内外生活垃圾生物处理的研究进展，展望了生活垃圾处理的发展趋势。
关键词: 生活垃圾；生物处理；堆肥与厌氧消化；微生物降解
随着我国经济的快速发展和城镇化程度的不断加大，城市生活垃圾问题日益突出，且越来越受到人们的关注。据统计，我国城市生活垃圾产生量平均每年以近9％的速度增长，2001年垃圾年产生量达到1.50亿吨，历年堆存量高达60多亿吨，侵占6亿m2土地。有资料表明，中国目前668座城市中有2/3的城市被垃圾所包围，严重损害城市环境卫生，恶化居住条件，城市生活垃圾已成为非常突出的一个环境问题而阻碍城市的建设发展。因此，研究城市生活垃圾的资源化处理技术，大力发展垃圾处理回用产业是解决该问题的一个有效途径。城市生活垃圾蕴含着大量的能量和资源，若能对其进行回收利用，可节约大量的一次资源，实现资源的可持续利用和经济的可持续发展。
一、我国城市生活垃圾的组成及现状
城市生活垃圾是指在城市日常生活中或者为城市日常生活提供服务的活动中产生的固体废物，主要包括居民生活垃圾、商业垃圾、建筑垃圾(又称为渣土)。组成成分主要有厨房剩余垃圾（厨余）、纸类、塑料、竹木、布类、玻璃及其他废物，其中厨余等易腐有机垃圾含量较高，占总量的50％以上，是生活垃圾处理的主要对象，也是造成垃圾问题的主要原因。以上海为例，目前日产生活垃圾约1.3万吨，其中70％为厨余垃圾，每年需处理的总量达300万吨之多。从环境卫生角度看，它是一种污染；但从资源角度看，它却是一种难得的再生资源。这些被丢弃的有机物质，作为宝贵的生物资源，通过生物处理技术变成优质的有机肥料，无疑是化害为利的有效途径，具有显著的生态环境效益和社会效益。目前，国内外处理城市垃圾的主要方法有卫生填埋、焚烧、堆肥、海洋投弃等；结合我国实际情况和城市生活垃圾的特点，开发较为有效的处理技术已成为当务之急。
二、城市生活垃圾处理现状及存在的问题
目前城市生活垃圾处理较普遍采用的方法有填埋法、堆肥法和焚烧法。
填埋法是将垃圾倾倒在指定场所，填埋到一定深度后压实，并在其上覆盖一层泥土的方法。土地填埋由于技术比较成熟，操作管理比较简单，处理量大，投资和运行费用低，适用性强，因而是当今我国绝大多数城市采用的处理城市生活垃圾的方法。但填埋法也有其技术上的局限性：一是填埋场的选择困难；二是二次污染问题，三是资源浪费问题。垃圾的简易填埋不仅浪费大量宝贵的土地资源，而且存在渗滤液污染地下水及蚁蝇孳生等一系列不利影响。
堆肥是依靠自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物，有控制地促进可被生物降解的有机物向稳定的腐殖转化的生物化学过程，最终形成类似腐殖质，可作为肥料或土壤的改良剂。堆肥技术是实现城市垃圾资源化、无害化的一条重要途径。它不仅可以杀死垃圾中的病原菌，有效处理垃圾中的有机物，增加土壤中的有机成份，而且可生产有机肥料，有利于增加农业产量。特别适用以农业为主的国家。但是堆肥处理并不能处理全部的垃圾，它只是针对垃圾中易腐的，可被微生物降解的有机物质。堆肥时，垃圾中的石块、灰渣、金属、玻璃、塑料等废弃物不能被微生物分解，必须进行分选，另行处理。堆肥方式使垃圾分选等设施的一次性投入多，占地用量大，生产成本高，由于堆肥的营养成份与耕地土壤条件、农作物品种有密切联系，因此垃圾堆肥适用的范围受到限制。
焚烧法指垃圾中的可燃物，在焚烧炉中与氧进行燃烧氧化的方法。其中的碳、氢、硫等元素与氧进行化学反应，释放出热能，同时产生烟气和固体残渣。焚烧法可使固体废弃物体积减少80％—90％。但由于我国目前城市生活垃圾中有机物含量还不是很高，必须添加辅助燃料才能维持燃烧，垃圾有效价值利用率很低，且焚烧设备一次性投资大、运行费用高，而且焚烧易产生例如二恶英等致癌成分，造成对大气的污染，因此该法目前在我国应用较少。
目前，我国城市生活垃圾收集和处理的主要特点是：收集方面以混合收集为主，绝大多数末实施垃圾分类和分选；处理上主要以填埋为主(占整个处理量的80％)，其次是高温堆肥(占整个处理量的19％)，只有约1％的生活垃圾是经焚烧处理的。据有关专家分析，我国真正符合国际卫生标准的垃圾处理量只占整个垃圾产生量的10％左右，垃圾处理中的二次污染问题比较普遍。只有实施垃圾的综合处理，才能真正实现垃圾的减量化、资源化、无害化目标，实现可持续发展战略，为子孙后代造福。
三、 生活垃圾生物处理方法
（一）堆肥处理法
由于传统堆肥处理法是利用堆制原料中的土著微生物来降解有机污染物，堆肥初期土著微生物数量少，需要一定时间才能繁殖起来，且各种微生物分解速度差别很大，因此传统堆肥往往存在发酵时间长、产生臭味且肥效低等问题。
根据堆肥的基本原理可知，生活垃圾在进行堆肥处理时，堆肥要经历中温-高温-中温的循环过程，大部分有机物的降解是在高温阶段完成的，这个阶段称为第一次发酵。研究表明，通过翻倒物料进行二次发酵堆肥或者通过动态连续堆肥，可以缩短发酵周期。另外，进行人为接种分解有机物能力强的微生物，可以加速堆肥材料的腐熟，提高温度，消灭某些病原体、虫卵等，并能控制臭气，增加堆肥成品中的有益微生物。因而通过加入复合微生物菌剂和调理剂或分解促进剂来提高和加速堆肥反应过程，成为目前垃圾堆肥研究的热点。
（二）厌氧消化法
厌氧是将复杂有机物在无氧情况下降解成N、P无机化合物和CH4、CO2，、H2等气体。该方法在处理生活垃圾中十分盛行，不仅因为它有很高的处理效率，而且可获得甲烷等能源气体。
宋宝增等研究指出，每吨可腐有机物经过厌氧发酵可生产腐殖质(含水率55％)约400kg，沼气100m3，这些沼气如转化为电能约为200kWh。厌氧消化是将复杂有机物首先降解成游离糖、乙醇、挥发性脂肪酸(VFA)、H2及C02，而后乙醇和挥发性脂肪酸被氧化成乙酸和H2，，最后一步是乙酸和H2，被转化成CH4，这三步之间有着严格的相互协调作用。
LiY-Y和Siegmst等人指出，在消化过程中，产酸菌把复杂有机物水解或分解成VFA后，生长速率变慢，VFA氧化成乙酸、H2及C02，这些是产甲烷菌合适的生长底物。挥发酸性脂肪酸VFA浓度与厌氧发酵效率的关系一直是人们关注的焦点，因为VFA是厌氧发酵中重要的中间产物，如果浓度过高，则会形成菌体压力，致使pH值降低，最终导致发酵的失败。
通过浮选法获得的累积污泥垃圾(WAS)经过超声波粉碎、热处理和冷处理后进行厌氧发酵，可以增加VFA浓度和产甲烷量。当VFA浓度达到小于产甲烷发酵的抑制水平时，就可以作为产甲烷菌的底物，因而降解速率增加，而且带有直链的VFA(C2-C6)降解速率大于其同分异构体。
（三）混合处理法
将生活垃圾进行好氧与厌氧耦合处理，达到快速降解垃圾目的的方法叫混合处理法。这种方法既能克服好氧堆肥周期长的缺点，又能在厌氧消化中获得能源。
中科院成都微生物研究所廖银章等人与美国佛罗里达大学进行合作研究，在发酵工艺方面取得了一些成果。他们用先好氧后厌氧发酵、两步发酵和高固体浓度发酵三种方法对城市有机垃圾厌氧产甲烷进行了研究。研究指出前者具有启动快、产气量高、处理周期短等优点；而厌氧发酵法，则有启动困难，产气量少的缺点。所以，采用两步法发酵可显著提高挥发酸和甲烷产量，还能提高城市固体废物的生物降解率。
Gabriele Schober等人利用两级消化及好氧处理工艺设备，经过这三个阶段过程，有机物去除率达96％以上，进一步证实了有机生活垃圾通过生物技术处理完全能够矿化。同时研究进一步指出城市固体垃圾，尤其是厨余垃圾，适合于消化降解工艺，而且两级消化比一级消化更方便、有效，含有可降解有机物垃圾消化，可获得大量气体。
四、生活垃圾生物处理中的微生物
生活垃圾的生物降解均依赖于微生物对这些物质的分解作用，进一步了解研究这些微生物，对于生活垃圾的生物处理具有重要意义。
（一）瘤胃微生物
瘤胃是天然复杂的生物降解系统。研究瘤胃微生物对于我们了解生活垃圾降解机理具有很重要的借鉴作用和参考价值。由于瘤胃微生物生态系统复杂多样而又独特，目前对于其降解机理了解还不够透彻。瘤胃微生物所需的养分主要来自于饲料中的蛋白质和碳水化合物。
上海农科院畜牧兽医研究所杭怡琼等人研究瘤胃微生物指出，瘤胃中白腐真菌在适宜的条件下，其菌丝首先利用其分泌的超纤维素酶溶解表面的蜡质，然后菌姓进入秸秆内部，并产生纤维素酶、半纤维素酶、内切聚糖酶、外切聚糖酶，降解秸秆中的木质素和纤维素，使其成为含有酶的糖类，以利于消化吸收。
华南理工大学陈庆今等人对瘤胃中微生物的研究指出，瘤胃内以异养厌氧菌为主，含有有机垃圾厌氧消化三阶段所需要的微生物种类，即瘤胃中存在水解菌、酸化菌、产氢产乙酸菌和产甲烷菌，瘤胃中的微生物是自然界中非常完整的一个有机物质转化的生态系统。一般厌氧消化都存在产物抑制的问题，但由于瘤胃微生物是一个复合菌群，一种反应的产物往往是另外一种反应的利用底物，底物抑制现象被排除。城市有机垃圾中木质纤维素难以被降解的根本原因在于瘤胃微生物能够高效降解木质纤维素，瘤胃菌群中存在各种可以分别降解木质素和结晶纤维素的微生物分泌的各种酶类，这就是降解的关键所在。
（二）堆肥微生物
二十世纪八十年代末，国内外许多学者致力于研究鉴定堆肥过程中的微生物，从而筛选出有效的降解生活垃圾的微生物菌株。
Finstein等研究垃圾生物处理时，指出垃圾中所含微生物种群及其数量为该垃圾的基本属性之一，并对该垃圾的堆肥化过程有明显的影响。
康建雄也研究了生活垃圾堆肥过程中的微生物数量，指出垃圾中微生物数量与垃圾类型、垃圾产生源的地域分布无关，与产生源垃圾的新鲜度有关，同时确定垃圾处理过程中，中温微生物在数量上占优势。堆肥过程中有机物的分解与稳定化主要发生在高温阶段，此时中温型与高温型微生物都起着巨大作用。
中科院南京土壤研究所的顾希贤等从堆肥、畜粪、土壤等22个样品中，分离得到纤维素分解菌198株，经归并后有54株，其中真菌46株，放线菌7株，细菌1株。他们将分解纤维素的真菌接种于生活垃圾两次发酵时期，使堆温又一次上升，并维持4天以上，从而增加了堆肥腐殖质的含量，显著提高了堆肥的肥效。
高效复合微生物菌群与污泥混合堆肥，可提高有机污染物的生物降解率。清华大学席北斗等人利用高效复合微生物菌群对生活垃圾和污泥混合堆肥，可以迅速缩短堆肥过程。这些高效复合微生物菌群是由酵母菌、放线菌、乳酸菌、固氮菌、纤维素分解菌等多种微生物经特殊方法培养而成；它们依靠相互间协同作用，迅速分解垃圾中的有机物，并代谢出抗氧化物质，生成复杂而稳定的生态系统，增加堆肥中的含氮量，抑制有害微生物的生长繁殖。
（三）纤维素降解菌
纤维素是植物残体中最丰富的部分，它是由β(1—4)键的葡萄糖单元所组成的长链状大分子。通常一条链中含有10000多个葡萄糖分子，其葡萄糖亚基排列紧密有序，形成类似晶体的不透水的网状结构，以及分子间结合不甚紧密、排列不整齐的无定形区域。纤维素易与半纤维素、木质素等难分解的物质相复合,因此,纤维素不能溶于水，难以水解，其分解需要至少3组水解酶的协同作用:纤维素内切酶(endo-cellulase)、端解酶(exo-cellulase)和纤维素二糖酶(cellobiase)，纤维素分解首先是纤维素的晶体消失，继而生成纤维二糖、戊二糖，最后纤维二糖酶将其分解成葡萄糖，葡萄糖便于吸收。
尽管多种微生物如：假单胞菌(Pseudomonas)色杆菌(Chromobacterium)、芽孢杆菌(Bacillus)，以及多种真菌诸如木霉(Trichoderma)、毛壳素菌(Chaetomium)、青霉(Penicillium)等可通过纤维素酶的作用分解纤维素。但利用纤维素之前，必须把它从木质素和半纤维素包裹中释放出来，因此，纤维素的分解和木质素的分解是紧密相关的。
（四）木质真菌
由于木质素由芳香烃的衍生物以C-C键、-O-键纵横交联在一起，其侧链又与半纤维素以价键结合形成一个十分致密的网络结构，将纤维素紧紧包裹在里面，以屏蔽效应阻碍了纤维素酶吸附纤维素分子，因而是目前公认的微生物难降解的芳香族化合物之一。
据研究报道，木质素的完全降解是真菌、细菌及相应微生物群落共同作用的结果，其中真菌中的木腐菌在降解木质素过程中起着主要作用。降解木质素的木腐菌根据腐朽类型分为：白腐菌、褐腐菌和软腐菌。前两者属担子菌纲，软腐菌属半知菌类。褐腐菌主要分解纤维素和半纤维素(都是糖的聚合物)，对木质素的分解有限 (苯丙烯醇的聚合物)，褐腐菌降解后的木质是棕色的，仍保持大量木质素改良残留物和少部分碳水化合物，能在森林里存活很长时间。软腐菌在中温环境下对木质素有降解能力，它能降解硬木或软木，包括土壤中的植物残渣，但其降解速度非常慢。在自然界中木质素的降解主要靠白腐菌，大多数白腐菌既可降解硬木又可降解软木，其对木质素的降解速度和效率与其他菌种相比，具有明显的优越性。因此白腐菌被认为是最主要的木质素降解微生物。
白腐菌降解木质素机理：白腐菌降解木质素的过程可分为细胞内和细胞外两过程。首先是产生H2O2的氧化酶：细胞内葡萄糖氧化酶，细胞外乙二醛氧化酶。它们在分子氧的参与下氧化相应底物激活过氧化物酶，从而启动酶催化循环。
同时，合成对木质素降解起作用的胞外酶，这些酶包括白腐菌分泌的虫漆酶(1accase)、木素过氧化酶(lignin peroxid)、氧化酶(oxidative en.zym)、依赖锰的过氧化酶(manganese peroxidase)以及酚氧化酶(phenoloxidase)。其中漆酶是氧化酚类物质，它将酚上的氢给予氧生成醌自由基，借助自由基反应，与木素的部分分解一起发生高分子化，这些反应主要导致侧链和芳香环裂解。在白腐菌降解木质素过程中，木质素降解酶作为高效催化剂参与反应，借助自身形成的H202，靠酶触启动一系列的自由基链反应，先形成高活性的酶中间体，将木质素等有机物(RH)氧化成许多不同的自由基(R•)和氧化能力很强的羟基自由基(•OH)，实现对木质素的生物降解。
（五）有效微生物(EM)
EM(Effective Microorganisms)即有效微生物群，是日本科学家比嘉照夫教授于20世纪80年代研制的，它是一种集乳酸菌、酵母菌、放线菌和光合细菌等5个科、10个属、80余种微生物组成的微生态制剂。而所谓的EM技术，就是在“抗酸性物质”存在的情况下，将“厌氧性微生物”和“需氧性微生物”共存培养后，再加以利用的技术。EM于1992年开始用于生产，可用于农用、养殖业及环境保护等方面。
对塑料、纤维、垃圾以及其他有机物混入的废弃物进行再利用时，由于有强烈的挥发性物质，因此会对人体的健康产生危害。但是在最初处理阶段(粉碎废弃物的冲击阶段)，如果使用EM技术，则可以完全清除恶臭气体，且不需臭氧杀菌，对作业人员健康的危害也随之消除。通常认为，好氧菌的氧化分解没有味道，引起腐败的厌氧菌属于发生异味的类别，但并不是所有的厌氧菌都会发生异味。即使同样的厌氧性菌,能够用于制作食品的那种就属于有益的类别，在厌氧条件下不但不发出异味,而且还会发出诱人的芳香。由此可知:“为了切断异味源,并且不产生‘活性污泥’，可以利用厌氧性有益发酵微生物”。因此，EM可对垃圾处理过程中产生的异味有较好的改善作用，化臭为香，净化了环境，保护了人身健康。
日本利用EM技术已取得了相当的成功。其中，在生活垃圾处理方面，日本已开始推广EM技术，并提出在家庭内将厨房垃圾变成有机肥料。厨房垃圾是城市生活垃圾的主要来源，若能在源头就彻底消除，无疑将最大限度地减少对环境的压力，避免二次污染。根据用途，EM分为不同种类，其中用于生活垃圾发酵的专用粉状EM只需用0.2％EM(以米糠为主要成分)的发酵物，按1％的用量接种到有机生活垃圾中，进行厌氧发酵，夏季经7天后有机垃圾即被分解，且无臭无蚊蝇孳生，同时可得到无臭味的、可直接还原于土壤的活菌肥料，并可用于蔬菜和花卉的栽培。
同济大学利用Z-lant技术研制了一台生活垃圾处理装置，该菌液由多种EM微生物培养而成，与生活垃圾一起投入垃圾处理装置进行反应，生活垃圾迅速被有效微生物群消化分解，最终变生活垃圾为有机肥料。
五、展望
生活垃圾生物降解是多种微生物共同协同作用的结果，因而在筛选这些有效微生物菌群时，要考虑不同微生物菌群间的拮抗作用，以确保有效菌种的优势。
目前将筛选到的有效微生物菌群，接种到生活垃圾中，通过好氧与厌氧联合处理工艺降解生活垃圾，是垃圾生物处理的发展趋势。但其前提条件是实行城市垃圾分类，提高垃圾有机物含量，这在许多发达国家都已付诸实行。
家庭生活垃圾处理越来越受到各国政府重视。它能将生活垃圾就地处理成有机肥料，从源头消除垃圾，减轻城市生活垃圾给环境造成的压力，避免二次污染，从而实现生活垃圾的无害化、减量化和资源化。我们相信，随着垃圾微生物降解机理研究的进一步深入，会有更为有效的垃圾微生物和处理工艺，实现由生活垃圾“废物”变为造福人类的“财富”。
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