城市生物垃圾的生物质利用途径

生物垃圾是指城市中的枯枝落叶(植物凋落物)、树枝/草坪修剪物、杂草、种子和残花等园林废弃物以及城市居民丢弃的家庭日常生活有机废弃物，如厨余、废纸、废织物、废旧家具和装修板材等。生物质资源是可再生资源中最主要的一种。广义的生物质包括植物、动物及其排泄物、城市垃圾及有机废水等。植物类生物质指利用太阳能、H2O和CO2经光合作用所合成的植物体，主要包括木材、秸秆、水生植物等[1]。
1城市生物垃圾的处理利用现状
目前生物垃圾的处理方法是：大部分运往垃圾处理场进行填埋或直接焚烧。垃圾填埋易造成地下水污染，垃圾焚烧则会产生大量浮尘和苯并芘等致癌物质，严重影响环境卫生和周围居民的健康，而且燃烧成本高，每吨近200元，处理焚烧的残渣每吨近千元[2]；另一小部分则运往城市的垃圾站进行筛选处理，处理后送往堆肥场制成有机肥料。这些肥料一部分供给农田及食用菌培养等使用，一部分用作城区绿地和草坪等的肥料，因工艺落后，造成肥料品质差、肥效低、成本高，使产业化难以为继。
2城市生物垃圾的生物质利用途径
随着可持续发展意识和对城市生态环境要求的逐步提高，生物垃圾禁止焚烧或填埋已是大势所趋。树立经营城市生物垃圾的理念，最大限度地减少废物排放，保护生态环境，是我国发展循环经济的需要。
现代的生物质产业是指利用可再生的生物质，如农作物、林木等植物及其残体和畜禽粪便等有机废弃物以及利用荒山荒坡、盐碱地等边际土地或水面种植的专用能源植物为原料，通过工业技术加工转化，生产生物基产品、生物材料和生物能源的一种新兴产业[3]。它是农业、工业等行业相结合形成的新型产业，是循环经济的典范。生物垃圾等的木质纤维素由纤维素、半纤维素和木质素组成，主要含C、O、H元素，另外还含有少量N、S、P、K及微量元素，是十分宝贵的资源。作为一种含有多种组分的有机物质，生物垃圾的利用途径有很多，主要可分为能源利用，工业化学品、生物制品及型材，农牧业利用三大方向。
2.1能源利用
可再生的生物质能源成为21世纪人类社会能源研究发展的热点。当前，国内外生物质利用的主要研究方向是将其用作能源物质。生物质能源利用技术主要分两大类：一是把生物质转化为直接能量，如热量和电力；二是把生物质转化为可燃能源，如沼气、生物油和氢等。
由于木质素与纤维素、半纤维素交织在一起形成细胞壁结构，并把细胞黏结在一起，对天然纤维素进行预处理，以改变天然纤维素的结构，降低结晶度，脱去木质素，是木质纤维素利用的重要内容。生物质预处理技术有：传统的化学试剂处理、机械处理、辐射处理、蒸汽爆破和超声波技术等。
2.1.1化学转化过程
生物垃圾的化学转化过程有：燃烧、气化、液化、热解和酸碱水解，前4种称热化学转化过程。
1)燃烧是指将生物质直接作为燃料转换成能量的过程。燃烧产生的能量可用于发电或直接供热。热值较高的生物垃圾采用热电联供方式进行处理，工艺流程为：生物垃圾—选择性破碎机—流化床焚烧炉—废热锅炉—供热/汽轮发电机。目前，发达国家已由“直接焚烧法”向“热解焚烧法”发展，我国也已将热解焚烧法列入自然科学领域中的前沿研究项目[4]。
2)气化是指在氧化性环境中将生物质部分燃烧得到气态产品的过程。活性气体可以是空气、富氧空气或氧气，产品气主要是H2、CO、少量CO2、H2O和烃。生物质气化是热化学转化工程中开发最早、最接近商业化规模生产的技术。生物质气化与燃烧是生物质发电的2种主要方式。
3)液化工艺指生物质在高压(高达15MPa)、低温(250℃~400℃)和溶剂存在条件下发生热化学反应得到液态产品(液化油)的过程。液化工艺一般添加还原性气体(H2)并使用催化剂，以提高液化油产率并改善油品质量[1]。
4)生物质热化学转化技术主要指热解技术，是指在隔绝氧化物质的条件下使生物质受热分解为焦炭、燃油和燃气等的过程，它是获得生物质能的重要手段之一[5-6]。

不同热解条件可得到不同组成和比例的燃烧产物：低温及低热传导速率的热解条件会得到焦炭；低温、高热传导速率和短气体停留时间则得到液态产物；高温、低热传导速率和长气体停留时间则得到气体燃料。而根据热解过程原料停留时间和温度的不同，热解工艺又可分为：常规热解、快速热解和闪解。快速热解最大液体产率可达80%，木材快速热解产物以醇类和酮类为主。目前热解技术的研究热点集中在快速热解，其工艺流程为：生物质预处理(汽爆、水解)—固态发酵—快速热解—生物油、炭、生物气。
5)酸碱水解。最早的纤维素原料的水解方式是酸水解，酸水解就是指在一定的pH、温度和时间条件下，利用纤维素大分子中的β-1，4-糖苷键是一种对酸敏感的羧醛键的特性，在酸性介质中使糖苷键断裂、聚合度下降的过程。部分水解的纤维素产物称为水解纤维素(木质素和糖类)，纤维素完全水解则生成葡萄糖。水解试剂为浓酸(10%~30%)、稀酸(2%~5%)、非水介质(如醇)和无水无机酸(如无水氢氟酸)，水解所用的无机酸一般为硫酸或盐酸。主要工艺有浓硫酸水解法、稀硫酸水解法、浓盐酸水解法等，其中稀硫酸水解法已经在工业上实现。酸水解的优点是工艺成熟、水解完全、反应速率快，缺点是能耗高、反应条件要求高、酸消耗大、对反应设备腐蚀性大，同时产生大量的酸废水，环境污染严重等。因此，现今国内外逐步转向用
纤维素酶水解方法的研究。然而，由于纤维素酶的效率低、成本高，酸水解还是当前较为可行的水解方法。至今，美国仍采用酸预处理—液体发酵纤维素酶制剂—真空发酵工艺路线。
2.1.2生物转化工艺
生物质的生物转化法主要有厌氧消化和酶解发酵等。厌氧消化是指在缺氧环境中利用细菌将生物质转化成可燃气体混合物的过程。产出以甲烷为主的气体是早期的厌氧发酵技术，称为沼气技术[7]。沼气的主要成分是CH4、CO2及少量H2S。沼气可直接用于燃烧、发电，及去除CO2提高品质后用于其他方面。但是，生物质的沼气发酵主要侧重于有机废弃物和家畜粪便的转化，对纤维素原料转化沼气的研究较少。
近年来，随着能源危机的不断出现及环境保护标准的提高，生物质酶解发酵技术得到迅速发展，这方面主要是将生物质转化为清洁的乙醇液体燃料。
降解木质纤维素的酶有纤维素酶(降解纤维素)、木聚糖酶(降解半纤维素)和漆酶(降解木质素)等。由于纤维素含量最高而又不易降解，因此纤维素及其酶是木质纤维素降解中最关键的。由于木质素与纤维素、半纤维素在结构、性状上的差异，实行木质纤维素组分分离、分级定向转化，是实现木质纤维素高值化利用的有效途径[1]。
木质纤维素酶解生产乙醇过程一般分2步：糖化和发酵生产乙醇。糖化是指大分子的木质纤维素降解为小分子的单糖的过程。1)纤维素的降解。纤维素分子式为(C6H10O6)n，纤维素分子是D-葡萄糖以β-1，4-糖苷键相连接而构成的具有复杂结构的结晶分子，是自然界分布最广、含量最多的一种多糖，是植物细胞壁的主要成分，占植物干重的35%~50%，不溶于水及一般溶剂。纤维素酶解发酵的关键是获得经济、高效率的纤维素酶。纤维素酶是降解纤维素β-1，4-糖苷键的一类酶的总称。用于生产纤维素酶的微生物是丝状真菌，其中酶活性较强的是木霉(里氏木霉、绿色木霉、康氏木霉等)、曲霉、根霉和青霉。因易于实现自动化控制和规模化生产，液态发酵是纤维素酶菌的传统生产方式，并几乎成为发酵的代名词。但是，液态发酵会产生大量的有机废水，造成严重的环境污染，而古老的固态发酵技术由于能耗低、不产生有机废水，现今又开始焕发出新的生机。
纤维素酶解发酵乙醇的方法有：分步水解发酵(SHF)、直接转化法、同步糖化发酵(SSF)和固定化细胞发酵等。
SHF法的优点是纤维素酶解发酵成葡萄糖和发酵产生乙醇都在各自最适的条件下进行。缺点是水解产生的葡萄糖将抑制纤维素酶和β-葡萄糖苷酶的酶活。
直接转化法是利用微生物直接发酵纤维素生产乙醇，而不需要进行酶解前处理过程的工艺。
为了克服葡萄糖的反馈抑制作用，SSF法将酶解和发酵工艺在同一容器中进行，同时采用耐高温酒精酵母，发酵温度设定在37℃~38℃，可兼顾酶解与乙醇发酵温度不一致的问题。
固定化细胞发酵研究最多的是酵母和运动发酵单胞菌的固定化，可维持高浓度细胞连续使用，提高发酵液中的乙醇浓度。常用的载体有海藻酸钠、卡拉胶、多空玻璃等。
2)木质素降解。在木质纤维素中，木质素含量仅次于纤维素，占植物细胞化学组成的15%~30%。木质素主要降解酶有：木质素过氧化物酶(LiP)、锰过氧化物酶(MnP)和漆酶。在木质纤维素组分分离降解中，木质素可被真菌深度降解。
3)半纤维素制乙醇。生物质原料中，半纤维素含量略低于纤维素，与纤维素不同，半纤维素易于水解，而其50%以上的成分是木糖，因此木糖发酵技术是半纤维素发酵制乙醇的关键。目前各国主要采用基因克隆技术构建发酵木糖的酿酒酵母工程细菌。另外，随着最环保的能源——氢能源利用技术的发展，利用光合菌或厌氧菌在常温常压下进行酶催化反应的生物制氢技术也有所发展。2.2可降解材料的生产
醋酸纤维于20世纪20年代初由英国首先试制成功并成功实现工业化、商业化生产。目前，在纤维素纤维中醋酸纤维是仅次于粘胶纤维的第二大品种。醋酸纤维可以用于制造纺织品、烟用滤嘴、片基和塑料制品等。
目前，工业上主要采用以冰醋酸或二氯甲烷为溶剂加催化剂2种方法生产醋酸纤维素。化学反应方程式为[8]：

2.3农牧业、园林利用
面对全球持续增长的人口压力、粮食需求以及日益严重的生态环境污染，农牧园林业的可持续发展将在这些问题的解决中发挥至关重要的作用。
1)有机肥料。生物肥料，也称菌肥，一般是指微生物肥料，是某种或数种特定菌的发酵液或是发酵液经吸附后的固体菌剂，它与堆肥、绿肥、饼肥和粪肥等并称为有机肥料。
此外，生物垃圾也可制作堆肥。目前我国常用的生物垃圾堆肥技术可分为2类：简易高温堆肥技术，多采用静态发酵工艺；机械化高温堆肥技术，一般采用间歇式动态好氧发酵工艺。堆肥的工艺过程[4]为：垃圾进入地坑—抓斗起重机—输送机—滚筒筛粗选—手工挑选(塑料、玻璃、纸等)—磁选机选金屑—第一次发酵—第二次发酵—弛张筛细选—去除硬物料—品质优良的堆肥成品。
2)粉碎覆盖。将切割粉碎后的生物垃圾覆盖在绿地土壤表面，不仅有利于分解，还具有增加土壤有机质和营养物质、抑制杂草、减少土壤侵蚀和降低大气悬浮物等生态功能。新种植的植物在种植后可直接覆盖,而已生长的植物的最佳覆盖时间是每年的春末。树皮、碎木片等不易分解的废弃物是很好的覆盖材料，而杂草等易腐烂的有机废弃物则不宜作为覆盖材料。美国的研究表明，一般覆盖厚度不宜超过10cm。覆盖层大体有2层：上层的5~8cm以粒径大于20mm的粗粒为主，下层2~5cm以细粒为主。木片作为覆盖材料时，厚度在0.5~1cm、大小在3~8cm左右比较合适[9]。
3)食用菌培养基质。阔叶树种等木材类及其木屑可以作为食用菌培养源，能获得较好的经济效益。
4)生物农药。利用生物工程技术开发树叶资源项目将为人类提供新的资源。目前世界上比较先进的技术是通过收集树叶燃烧的烟雾制造生物农药。
3生物质资源发展前景
1)生物质燃烧(热电联供)、气化、液化和热解技术，由于其高效环保而受到能源领域的关注。液化和热解技术，特别是快速热解是目前研究的热点，在能源日益紧张的情况下，液体生物油因在储存、运输和利用等方面的优势，具有很好的应用前景。
2)生物质酶解发酵技术，虽然因酶系物的制造造成其完全水解效率低、生产成本高，现阶段难以适应工业化要求，但因其是一种新型的环保技术，同样也得到了应有的重视。例如，固态发酵因污染废水少而受到广泛的关注。
3)生物质的制肥、覆盖等技术已得到广泛的应用，生物质的农牧业/园林利用体现了向自然生态系统的直接回归(叶落归根)，实现了与生态系统进行能量与物质循环的生态城市建设目标。
参考文献：
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