微生物技术在城市生活垃圾处理中的应用

简介： 本文结合堆肥化、卫生填埋两种现行的城市生活垃圾处理工艺，主要介绍了城市生活垃圾生物处理过程中的微生物种群，以及通过分析开发出的新的微生物技术，指出了应用于城市生活垃圾处理的高效的微生物技术的研究方向。
关键字：城市生活垃圾 微生物 强化微生物处理技术 基因工程

随着城市化进程在全球范围的加速，城市化带来的环境污染和人类聚居状况恶化等问题，已成为世界各国共同关心的问题。城市生活垃圾（Municipal solid waste, 简称MSW）是在城市日常生活及为城市生活提供服务的活动中产生的固体废弃物，是城市环境的主要污染物之一。目前，城市生活垃圾处理处置的方法主要包括卫生填埋（Sanitary landfill）、堆肥化(Composting)、焚烧(Incineration)三种，其中前两种处理方式均属于生物处理技术。具体来说，MSW生物处理技术就是城市生活垃圾中固有的或外添加的微生物，在一定控制条件下，进行一系列的生物化学反应，使得MSW中的不稳定的有机物代谢后释放能量或转化为新的细胞物质，从而MSW逐步达稳定化的一个生化过程。

1. 城市生活垃圾生物处理中主要的微生物

MSW生物处理技术主要包括好氧和厌氧生物处理。好氧生物处理如：好氧堆肥、生物反应器填埋等，其工艺中的微生物主要有细菌、放线菌、真菌等微生物种群。厌氧生物处理，如：厌氧消化、厌氧填埋等，其工艺中的微生物又称“瘤胃微生物”，主要有水解细菌、产氢产乙酸菌群和产甲烷菌群等。

1.1 城市生活垃圾好氧生物处理中的微生物

1.1.1 细菌

在MSW好氧生物降解过程中，细菌凭借强大的比表面积，可以快速将可溶性底物吸收到细胞中，进行胞内代谢。总的来说，其数量要比放线菌和真菌多得多。当然，在不同的环境中分离的细菌在分类学上具有多样性，主要有假单胞菌属（pseudomonas）、克雷伯氏菌属（klebsiella）以及芽孢杆菌属（bacillus）的细菌^[1]。在堆肥过程中，细菌总数的变化趋势是高-低-高。堆肥初期，有机废物中携带有的大量细菌分解有机物质释放能量，使堆体温度上升，此时，常温细菌受到抑制，嗜温细菌活跃；当堆温升至高温阶段，只有少量的嗜热细菌可以活动；高温期过后，随着有机成分的减少，堆体温度降低，嗜温及常温细菌又开始活跃，使细菌总数上升。整个好氧降解过程中，嗜温细菌是堆肥系统中最主要的微生物。

1.1.2 放线菌

放线菌具有多细胞菌丝，可以分解一些纤维素,并溶解木质素。它比真菌能够忍受更高的温度和pH值,在垃圾生物降解的高温阶段是分解木质纤维素的优势菌群。研究表明，诺卡氏菌（nocardia）、链霉菌（streptomyces）、高温放线菌（thermoactinomyces）和单孢子菌（micromonospora）等在MSW好氧堆肥中占优势^[1]。

1.1.3 真菌

在MSW生物降解过程中，真菌对垃圾有机成分的分解和稳定化起着重要的作用。真菌不仅能分泌胞外酶，水解有机物质，而且由于其菌丝的机械穿插作用，还对物料起一定的物理破坏作用，促进生化反应。温度是影响真菌生长的重要因素之一，堆肥过程中随着温度的升高,真菌的菌落数开始减少,在64℃左右,嗜热性真菌几乎全部消失。当温度下降到60℃以下时,嗜温性真菌和嗜热性真菌又都会重新出现在堆肥中^[2]。

1.2 厌氧生物处理微生物

MSW的厌氧生物处理依次分为水解、产氢产酸和产甲烷三个阶段，每个阶段各有其独特的微生物类群起生物降解作用。

1.2.1 水解细菌

水解阶段水解细菌利用胞外酶对有机物进行体外酶解，使固体物质变成可溶于水的物质，然后细胞将其吸收，水解成不同产物，该阶段起作用的细菌为水解细菌。Hungate分离出了以下几种水解菌：（1）产琥珀酸拟杆菌属,（2）湖生(lochheadii)芽孢菌属,（3）柱孢梭菌属,（4）生黄瘤胃球菌,（5）白色瘤胃球菌落,（6）溶纤维丁酸弧菌。同时还分离出纤维酶B—1,4—葡聚糖酶,外B—1,4—葡聚糖酶和纤维素二糖酶^[3]。

1.2.2 产氢产乙酸菌群

产氢产乙酸菌群是将第一阶段发酵产物如丙酸等三碳以上有机酸、长链脂肪酸和醇类等氧化分解成乙酸和分子氢。在卫生填埋场中已分离出产氢产乙酸菌布氏甲烷杆菌属和G株布氏甲烷杆菌属等^[3]。

1.2.3 产甲烷菌群

甲烷菌利用H₂/CO₂、醋酸和甲醇甲酸等C类化合物为基质，将其转化为甲烷。在卫生填埋场中,产甲烷菌群分杆状菌、球状菌和八叠球菌三类。杆状产甲烷菌通常呈弯曲、链状或丝状,此类细菌有史密斯甲烷短杆菌属、甲酸甲烷杆菌属、巴氏甲烷杆菌属、反刍甲烷短杆菌属、史密斯甲烷杆菌属、嗜热自养甲烷杆菌等；球状产甲烷细菌直径为0.3～5微米,球形细胞呈正圆形或椭圆形,成对排列成链状。此类细菌有巴氏甲烷八叠球菌、范尼氏甲烷球菌、沃氏甲烷球菌、马氏产甲烷球菌、海生产甲烷球菌及嗜热无机营养甲烷球菌等。八叠球状产甲烷菌,其细胞繁殖成规则、大小一致的类似砂粒的堆积物,有227巴氏甲烷八叠球菌、巴氏甲烷八叠球菌、嗜热甲烷八叠球菌等^[3]。

2. 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。因此，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。故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，如：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。

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。

2.1.1 纯种分离

自然界中的微生物总是杂居在一起，即使一粒土或一滴水中也生存着多种微生物。为了提高工艺中某种有效微生物的质量（纯度），提高处理效率，必须进行微生物的纯种分离技术。常见的纯种微生物的分离方法有平板划线分离、液体稀释法分离、利用选择培养基进行分离以及菌丝尖端切割分离^[4]。

（1） 平板划线分离

将已经熔化的培养基倒入培养皿中制成平板，用接种环沾取少量待分离的材料，在培养基表面平行或分区划线(图1)，然后，将培养皿放入恒温箱里培养。在线的开始部分，微生物往往连在一起生长，随着线的延伸，菌数逐渐减少，最后可能形成纯种的单个菌落。

图1 几种划线方法示意图

（2） 液体稀释法

将待分离的样品经过大量稀释后，取稀释液均匀地涂布在培养皿中的培养基表面，培养后就可能得到单个菌落。

（3） 利用选择培养基进行分离

不同的微生物对不同的试剂、染料、抗生素等具有不同的抵抗能力，利用这些特点可配制出适合某种微生物生长而限制其他微生物生长的选择培养基。用这种培养基来培养微生物就可以达到纯种分离的目的。

（4） 菌丝尖端切割

这种方法适于丝状真菌。用无菌的解剖刀切取位于菌落边缘的菌丝的尖端，将它们移到合适的培养基上培养后，就能得到新菌落。

2.1.2 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。

2.1.3 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^[6]。

2.1.4 固定化技术

固定化微生物技术是将微生物固定在载体上，使其高密度密集并保持其生物功能，在适宜的条件下还可增殖，以满足处理工艺的要求^[7]；实质上是从增加单位反应器内微生物数量的角度来提高微生物的活性，使得细胞密度高，微生物流失少、不需分离，就能纯化和保存高效菌株等优势，反应速度快，运行稳定、可靠，从而节约运行成本，提高MSW的处理效率。固定化微生物技术目前国内外还没有一个统一的分类标准，方法也多种多样，主要有载体结合固定化（吸附法）、交联固定化、包埋固定化和共价结合法，各种固定化方法和载体都各有特点,见表1。其中，微生物细胞的固定化方法以包埋法和吸附法最为常用。包埋法是将微生物封闭在天然高分子多糖类或合成高分子凝胶的网络中，从而使微生物固定化；其特点是可以将固定化微生物制成各种形状(球状、块状、圆柱状、膜状、布状、管状等)，但包埋法制得的固定化微生物对传质有一定的影响。吸附法是将微生物细胞附着于固体载体上，微生物细胞与载体之间不起化学反应，并且具有操作简单、固定化条件温和、细胞活性损失小、载体可以反复使用等优点，所以被广泛应用和深入研究^[8]。

表1 各种固定化方法的比较

2.2 基因工程

基因工程技术在MSW处理中应用的基本原理是通过基因分离和重组,将对某种污染物可高效降解的微生物的基因片段转移到受体生物细胞中并表达,使受体生物具有该高效降解污染物的特性,从而达到治理污染，去除有机物的目的^[9]。如可找到特定污染的抗性基因,转基因后构建高效基因工程菌，则可显著提高污染物的降解效率。利用微生物来治理污染快速高效，因此利用基因工程技术构建高效菌种来治理污染，特别是环境中复杂的或难以降解的有毒有害废弃化合物，如人工合成物塑料、除草剂、杀虫剂等必将成为环境生物技术的热点之一。

3.结论

1.无论是厌氧生物处理垃圾工艺还是好氧生物处理垃圾工艺中，都存在着各种各样的微生物种群，正是这些微生物种群相互协调，互生互克，组成了一个复杂的生态系统，从而去除了使得MSW不稳定的有机成分，使MSW稳定化，甚至成为可再生利用的资源。该生态系统中的微生物还有待进一步研究，进而分离出降解某种特定污染物的特定微生物种群。

2.对于城市生活垃圾的各种生物处理技术正方兴未艾，无论是从强化微生物种群的角度，还是从基因工程的角度，都具有较大的发展潜力，要努力根据MSW中存在的微生物种群的特性，开发出高效的MSW生物处理技术。

参考文献：

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