在城市生活垃圾處理過程中，傳統垃圾處理法和現代新型垃圾處理法工藝做對比，微生物種群對垃圾的分解發(fā)酵分析開發(fā)出新的微生物技術或成為城市垃圾生物處理的新技術展望 。
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，通過生物轉化，將城市垃圾中易于生物降解的有機組分轉化為腐殖質肥料、沼氣或其他轉化產品(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。
一、根據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.好氧生物處理基本原理
①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物如纖維素、碳水化合物、蛋白質、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，再輸送入細胞內為微生物所利用。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化合成新的細胞物質，使微生物增殖。
2.厭氧生物處理基本原理
①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，將有機物轉化為各種有機酸、醇、CH4、H2S、c02、NH3、H2等和少量細胞物質的過程。它是一個多類群細菌的協同代謝過程。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。
二、傳統垃圾處理法
目前世界各國處理這類垃圾的方法通常有：
1.填埋法：通過垃圾收集，裝運到填埋場鋪平壓實。其優(yōu)點為簡便易行。缺點為造成地下水、空氣、周圍環(huán)境污染，且占用大量土地。
2.焚燒法：固體廢棄物高溫分解，深度氧化的綜合處理過程。其優(yōu)點為迅速大幅度減少廢棄物容積，消除有害細菌，還能用來供熱發(fā)電。缺點為投資大，向大氣排放有害物質（如二惡英等）并散布不良塵埃，且發(fā)電量有限。
3.堆肥法：垃圾發(fā)酵后成為無害的腐植質。但發(fā)酵周期長，養(yǎng)分含量低，處理后體積大，僅適用于交通不便的農村。
三、現代新型垃圾處理法
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。
生活有機垃圾'消滅型'的微生物菌群
復旦大學生命科學學院和上海理工大學的科研人員經過多年的研究和實踐，已成功開發(fā)出利用微生物分解有機垃圾的“綠色產品”——生活有機垃圾處理機，從而使源頭處理生活有機垃圾的無害化和減量化成為現實。
科研人員從自然界篩選出一組能分解生活有機垃圾的細菌，再對以上微生物進行生長溫度、耗氧需求、耐鹽性、Ph值適應范圍、營養(yǎng)要求等以及菌種的生活史特點進行研究，經組合獲得了'生活有機垃圾消滅型'的微生物菌種。
這種菌種能產生許多種酶，從而使大分子物質（有機垃圾的主要成分）分解成能被微生物利用的低分子物質，微生物攝取這些低分子物質后，將其變成CO2和H2O，以氣體和水汽的形式排出。
該菌種具有快速分解能力，12-20小時可將垃圾全部分解，減量率在95%。菌種一次投入有效期為4-7個月。對有些頑固性廢棄物，如蝦蟹殼、雞鴨毛、筍殼、老菜頭有較強的分解能力。菌種在15--70℃溫度范圍內都能適應，耐鹽達7%，即使長期投入含鹽高的泔腳也不影響。菌種PH范圍在4-9，適應范圍廣。
該菌種經上海和北京環(huán)境檢測中心權威部門鑒定為無毒、無害，遺傳穩(wěn)定，對活體和生態(tài)安全。從自然界分離、篩選得到了一組該項現代高科技生物技術易于操作，為城市生活垃圾的處理提供了一種嶄新的方式。
處理過程基本達到了污染'零排放'，處理后的殘余物可作為優(yōu)良的有機肥改良土壤，用于作物栽培或城市綠化，達到了國際先進水平。
四、MSW生物處理技術
1.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。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。MSW生物處理的優(yōu)劣取決于微生物自身的結構、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量，質量等，開發(fā)出了多種MSW生物處理技術。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。 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微生物的質量或數量的角度來增強MSW的降解率，從而提高處理效率，縮短處理周期.
②純種分離
強化微生物處理技術是從改變工藝中單位反應器空間內微生物的質量或數量的角度來增強MSW的降解率，從而提高處理效率，縮短處理周期。
③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同作用下完成，在適宜的條件下，微生物協同作用能力的大小取決于微生物種群的大小與結構的穩(wěn)定性。一般說來，生物的種群越大，其自動調控能力越好，適應性就越強，結構越穩(wěn)定。經垃圾滲濾液循環(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)次數越多，微生物的數量和種群就越大，這樣就會更有利于對垃圾的降解。
④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，進而來調節(jié)菌群結構、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構。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同作用，代謝出抗氧化物質，生成穩(wěn)定而復雜的生態(tài)系統，使得整個生物降解過程中微生物數量保持相對穩(wěn)定，處理效果較佳。
五、城市垃圾生物處理的新技術展望
1.生產醇類
城市垃圾中含有纖維素、淀粉和糖等有機質，微生物厭氧代謝這些有機物時，可產生一些例如乙醇、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、美國早已成為利用糖類、谷物淀粉類和纖維素類發(fā)展燃料酒精的典范，美國燃料乙醇的總裝置能力達到約840萬t／a。英國、荷蘭、德國、奧地利、泰國、南非等許多國家的政府均已制定規(guī)劃，積極發(fā)展燃料酒精工業(yè)。目前的方向是，希望利用含纖維素物質如鋸末、蔗渣、破舊報紙、有機垃圾等各種廢物制取酒精。我國有人采用微生物酶制劑對有機垃圾酶解后，用酒精酵母對有機垃圾進行厭氧發(fā)酵生產乙醇。結果表明，在適宜的條件下，每噸垃圾可生產70～90L酒精，這為城市有機垃圾的再生利用，發(fā)展新能源，找到一條新的途徑。
2.生產氫氣
氫是目前最理想的清潔燃料之一，每千克氫燃燒可放出142ⅣU的熱量，是煤的3～4倍。生物制氫思路于1966年提出，在20世紀90年代受到空前重視，其中微生物發(fā)酵法是一種有前景的氫氣制備方法。許多微生物類群具有可降解大分子有機物產氫的特點，因而可以利用城市垃圾中的植物莖葉、家庭廚余等可再生能源廢棄物產生大量氫氣。產氫氣的微生物有異養(yǎng)微生物和自養(yǎng)微生物。氫氣產生菌產生的氫氣，目前主要應用于燃料電池方面。如產氣莢膜梭菌在含有葡萄糖培養(yǎng)基的10L發(fā)酵罐中，產H2速度最高可達18--23L／h，并進而利用所產生的H2推動3．1--3．5V燃料電池的工作。由于微生物的產氫機制和條件還在研究過程中，所以該類微生物能源的使用尚處試驗階段。需要解決的問題是尋找和篩選活性菌株，解決分離H2和02的方法等。中科院微生物研究所篩選了產氫活性較高的菌株，并對其產氫活性進行了研究。
3.合成微生物塑料
聚口一羥基烷酸(poly—j3一hydroxyalkanoates，PHAs)是許多原核微生物在不平衡生長條件(如缺乏氮、磷、氧等)下合成的胞內能量和碳源儲藏性聚合物。PHAs具有與化學合成塑料相似的性質，能拉絲、壓模、注塑等，而且具有化學合成塑料所沒有的特殊性能，如利用其生物相容性可作為外科手術縫線、人造血管和骨骼代用品，術后無需取出。因而在工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)藥和環(huán)保等行業(yè)都具有廣闊的應用前景。PHAs可以用可降解的有機固體廢棄物合成，而城市垃圾中含有大量可降解的有機固體廢棄物，從目前已獲得的研究成果可以展望，利用城市垃圾合成PHAs是生物合成PH魅的一條新途徑，它的研究將受到人們的廣泛重視，在2l世紀將有可能成為塑料工業(yè)發(fā)展的一個新方向。
垃圾處理是城市可持續(xù)發(fā)展所必須解決的一個重大問題，處理的目的是使垃圾資源化、減量化、無害化。微生物在垃圾“三化”中起著積極與重要的作用，利用微生物降解垃圾中有機物，不僅投資和運行費用低，處理效率高，而且還可獲得許多有用的副產品，如沼氣、飼料、蛋白、酒精等。近年來，隨著環(huán)境生物技術的發(fā)展，在生物處理方面出現了不少新技術、新方法，它們的可行性和有效性也逐漸增強，正成為垃圾處理的發(fā)展方向之一。就目前而言，我國應在大力發(fā)展適合我國國情的垃圾衛(wèi)生填埋和垃圾堆肥處理技術的同時，加大利用有機垃圾生產生物能源(燃料酒精、沼氣、生物制氫等)的研究力度，加強降解有機垃圾的高效微生物菌劑的研究。我們相信，隨著垃圾微生物降解機理研究的進一步深入，會有更為有效的微生物和處理工藝使垃圾真正地成為可利用資源。
隨著我國城市人口的不斷增長和生活水平的提高，城市生活垃圾每年以8~10%的速度迅速增長，其中約半數是生活有機垃圾。垃圾大量堆放，不僅占用大片土地，使人地矛盾更加突出。而且污染大氣、土壤、地表水以及地下水。采用生物技術將其進行生物降解或生物轉化，不僅可以有效處理城市垃圾，而且可以實現資源的再利用。因此，與物理法、化學法相比，生物處理技術具有更廣闊的發(fā)展前景。
一、根據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.好氧生物處理基本原理
①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物如纖維素、碳水化合物、蛋白質、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，再輸送入細胞內為微生物所利用。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化合成新的細胞物質，使微生物增殖。
2.厭氧生物處理基本原理
①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，將有機物轉化為各種有機酸、醇、CH4、H2S、c02、NH3、H2等和少量細胞物質的過程。它是一個多類群細菌的協同代謝過程。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。
二、傳統垃圾處理法
目前世界各國處理這類垃圾的方法通常有：
1.填埋法：通過垃圾收集，裝運到填埋場鋪平壓實。其優(yōu)點為簡便易行。缺點為造成地下水、空氣、周圍環(huán)境污染，且占用大量土地。
2.焚燒法：固體廢棄物高溫分解，深度氧化的綜合處理過程。其優(yōu)點為迅速大幅度減少廢棄物容積，消除有害細菌，還能用來供熱發(fā)電。缺點為投資大，向大氣排放有害物質（如二惡英等）并散布不良塵埃，且發(fā)電量有限。
3.堆肥法：垃圾發(fā)酵后成為無害的腐植質。但發(fā)酵周期長，養(yǎng)分含量低，處理后體積大，僅適用于交通不便的農村。
三、現代新型垃圾處理法
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。
生活有機垃圾'消滅型'的微生物菌群
復旦大學生命科學學院和上海理工大學的科研人員經過多年的研究和實踐，已成功開發(fā)出利用微生物分解有機垃圾的“綠色產品”——生活有機垃圾處理機，從而使源頭處理生活有機垃圾的無害化和減量化成為現實。
科研人員從自然界篩選出一組能分解生活有機垃圾的細菌，再對以上微生物進行生長溫度、耗氧需求、耐鹽性、Ph值適應范圍、營養(yǎng)要求等以及菌種的生活史特點進行研究，經組合獲得了'生活有機垃圾消滅型'的微生物菌種。
這種菌種能產生許多種酶，從而使大分子物質（有機垃圾的主要成分）分解成能被微生物利用的低分子物質，微生物攝取這些低分子物質后，將其變成CO2和H2O，以氣體和水汽的形式排出。
該菌種具有快速分解能力，12-20小時可將垃圾全部分解，減量率在95%。菌種一次投入有效期為4-7個月。對有些頑固性廢棄物，如蝦蟹殼、雞鴨毛、筍殼、老菜頭有較強的分解能力。菌種在15--70℃溫度范圍內都能適應，耐鹽達7%，即使長期投入含鹽高的泔腳也不影響。菌種PH范圍在4-9，適應范圍廣。
該菌種經上海和北京環(huán)境檢測中心權威部門鑒定為無毒、無害，遺傳穩(wěn)定，對活體和生態(tài)安全。從自然界分離、篩選得到了一組該項現代高科技生物技術易于操作，為城市生活垃圾的處理提供了一種嶄新的方式。
處理過程基本達到了污染'零排放'，處理后的殘余物可作為優(yōu)良的有機肥改良土壤，用于作物栽培或城市綠化，達到了國際先進水平。
四、MSW生物處理技術
1.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。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。MSW生物處理的優(yōu)劣取決于微生物自身的結構、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量，質量等，開發(fā)出了多種MSW生物處理技術。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。
強化微生物處理技術是從改變工藝中單位反應器空間內微生物的質量或數量的角度來增強MSW的降解率，從而提高處理效率，縮短處理周期.
②純種分離
強化微生物處理技術是從改變工藝中單位反應器空間內微生物的質量或數量的角度來增強MSW的降解率，從而提高處理效率，縮短處理周期。
③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同作用下完成，在適宜的條件下，微生物協同作用能力的大小取決于微生物種群的大小與結構的穩(wěn)定性。一般說來，生物的種群越大，其自動調控能力越好，適應性就越強，結構越穩(wěn)定。經垃圾滲濾液循環(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)次數越多，微生物的數量和種群就越大，這樣就會更有利于對垃圾的降解。
④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，進而來調節(jié)菌群結構、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構。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同作用，代謝出抗氧化物質，生成穩(wěn)定而復雜的生態(tài)系統，使得整個生物降解過程中微生物數量保持相對穩(wěn)定，處理效果較佳。
五、城市垃圾生物處理的新技術展望
1.生產醇類
城市垃圾中含有纖維素、淀粉和糖等有機質，微生物厭氧代謝這些有機物時，可產生一些例如乙醇、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、美國早已成為利用糖類、谷物淀粉類和纖維素類發(fā)展燃料酒精的典范，美國燃料乙醇的總裝置能力達到約840萬t／a。英國、荷蘭、德國、奧地利、泰國、南非等許多國家的政府均已制定規(guī)劃，積極發(fā)展燃料酒精工業(yè)。目前的方向是，希望利用含纖維素物質如鋸末、蔗渣、破舊報紙、有機垃圾等各種廢物制取酒精。我國有人采用微生物酶制劑對有機垃圾酶解后，用酒精酵母對有機垃圾進行厭氧發(fā)酵生產乙醇。結果表明，在適宜的條件下，每噸垃圾可生產70～90L酒精，這為城市有機垃圾的再生利用，發(fā)展新能源，找到一條新的途徑。
2.生產氫氣
氫是目前最理想的清潔燃料之一，每千克氫燃燒可放出142ⅣU的熱量，是煤的3～4倍。生物制氫思路于1966年提出，在20世紀90年代受到空前重視，其中微生物發(fā)酵法是一種有前景的氫氣制備方法。許多微生物類群具有可降解大分子有機物產氫的特點，因而可以利用城市垃圾中的植物莖葉、家庭廚余等可再生能源廢棄物產生大量氫氣。產氫氣的微生物有異養(yǎng)微生物和自養(yǎng)微生物。氫氣產生菌產生的氫氣，目前主要應用于燃料電池方面。如產氣莢膜梭菌在含有葡萄糖培養(yǎng)基的10L發(fā)酵罐中，產H2速度最高可達18--23L／h，并進而利用所產生的H2推動3．1--3．5V燃料電池的工作。由于微生物的產氫機制和條件還在研究過程中，所以該類微生物能源的使用尚處試驗階段。需要解決的問題是尋找和篩選活性菌株，解決分離H2和02的方法等。中科院微生物研究所篩選了產氫活性較高的菌株，并對其產氫活性進行了研究。
3.合成微生物塑料
聚口一羥基烷酸(poly—j3一hydroxyalkanoates，PHAs)是許多原核微生物在不平衡生長條件(如缺乏氮、磷、氧等)下合成的胞內能量和碳源儲藏性聚合物。PHAs具有與化學合成塑料相似的性質，能拉絲、壓模、注塑等，而且具有化學合成塑料所沒有的特殊性能，如利用其生物相容性可作為外科手術縫線、人造血管和骨骼代用品，術后無需取出。因而在工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)藥和環(huán)保等行業(yè)都具有廣闊的應用前景。PHAs可以用可降解的有機固體廢棄物合成，而城市垃圾中含有大量可降解的有機固體廢棄物，從目前已獲得的研究成果可以展望，利用城市垃圾合成PHAs是生物合成PH魅的一條新途徑，它的研究將受到人們的廣泛重視，在2l世紀將有可能成為塑料工業(yè)發(fā)展的一個新方向。
垃圾處理是城市可持續(xù)發(fā)展所必須解決的一個重大問題，處理的目的是使垃圾資源化、減量化、無害化。微生物在垃圾“三化”中起著積極與重要的作用，利用微生物降解垃圾中有機物，不僅投資和運行費用低，處理效率高，而且還可獲得許多有用的副產品，如沼氣、飼料、蛋白、酒精等。近年來，隨著環(huán)境生物技術的發(fā)展，在生物處理方面出現了不少新技術、新方法，它們的可行性和有效性也逐漸增強，正成為垃圾處理的發(fā)展方向之一。就目前而言，我國應在大力發(fā)展適合我國國情的垃圾衛(wèi)生填埋和垃圾堆肥處理技術的同時，加大利用有機垃圾生產生物能源(燃料酒精、沼氣、生物制氫等)的研究力度，加強降解有機垃圾的高效微生物菌劑的研究。我們相信，隨著垃圾微生物降解機理研究的進一步深入，會有更為有效的微生物和處理工藝使垃圾真正地成為可利用資源。
