魏自民，黃彩虹，謝 麗，袁紹軍，楊興民，吳俊秋

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院 環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012；3.同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200082；4.四川大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，四川 成都 610065；5.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210032)

城鄉(xiāng)混合有機(jī)垃圾主要是指垃圾分類后的易腐垃圾（菜場(chǎng)垃圾、餐館飲食業(yè)垃圾、家庭廚房垃圾和各種市場(chǎng)的瓜果皮等）及城鄉(xiāng)結(jié)合部部分農(nóng)業(yè)廢棄物[1]。其特點(diǎn)是：產(chǎn)量大、來(lái)源混雜、有機(jī)質(zhì)比例高（占干物質(zhì)的70%以上）、含水高（一般高達(dá)85%～90%）、生物可利用成分含量高（50%～70%）、熱值低、氮磷等營(yíng)養(yǎng)元素豐富、易腐爛等[2]。采用傳統(tǒng)的填埋和焚燒方法存在較大的弊端，且資源利用率較低。由于其高有機(jī)質(zhì)、高營(yíng)養(yǎng)特性，同時(shí)與其它固廢（如污泥等）比較，處理過(guò)程及產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)均較小[3]。基于以上原因，好氧發(fā)酵是大宗混合有機(jī)垃圾資源化處理處置的最佳方式之一，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開展了大量研究。發(fā)達(dá)國(guó)家早在20世紀(jì)60年代就已開始有機(jī)固廢資源化處理，目前已經(jīng)形成一定處理規(guī)模。如今德國(guó)主要采用堆肥處理和厭氧處理方式，每年收集8.8×106t有機(jī)固體廢棄物，其中83%經(jīng)堆肥處理、17%經(jīng)厭氧處理。據(jù)2015年英國(guó)垃圾資源行動(dòng)綱要（waste and resources action program，WRAP）資料顯示[4]，英國(guó)每年約產(chǎn)生1.5×106t有機(jī)固廢，通過(guò)厭氧發(fā)酵和好氧堆肥處理減排CO22.0×107t/a，同時(shí)英國(guó)計(jì)劃到2025年將有機(jī)固廢循環(huán)利用提高到70%。

2015年，歐盟垃圾的堆肥及回收利用率是44%，2018年，歐盟制定了一個(gè)新目標(biāo)，即2025年要達(dá)到55%，2035年達(dá)到65%[5]。2008年，德國(guó)有接近1 000個(gè)堆肥廠，到2020年底，生活垃圾回收利用率達(dá)到35%以上[5]。在中國(guó)，有機(jī)垃圾好氧堆肥理論、技術(shù)研究較為充分，但由于中國(guó)垃圾成分及收運(yùn)體系的特殊性，相關(guān)成果大多限于實(shí)驗(yàn)室級(jí)別，工業(yè)穩(wěn)定運(yùn)行案例較少[6-8]，產(chǎn)業(yè)起步較晚，目前有機(jī)垃圾的日處理能力僅為2.0×104～3.0×104t，并且以厭氧發(fā)酵為主[9-10]。雖然混合有機(jī)垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼技術(shù)相對(duì)成熟，但由于受其處理規(guī)模小、寒冷地區(qū)冬季適應(yīng)條件差等瓶頸因素影響，對(duì)城鄉(xiāng)大宗混合有機(jī)垃圾資源化集中處理略顯力不從心[11-12]。而好氧發(fā)酵處理技術(shù)則可以完全克服厭氧發(fā)酵的技術(shù)瓶頸，隨著其好氧發(fā)酵技術(shù)的日趨完善，其必將成為中國(guó)混合有機(jī)垃圾資源化處理處置的主流技術(shù)。

目前，由于中國(guó)城鄉(xiāng)混合有機(jī)垃圾組成的差異性，國(guó)外技術(shù)不適合中國(guó)有機(jī)垃圾特性，國(guó)外的管理模式和技術(shù)設(shè)備在中國(guó)難以發(fā)揮原有效能。同時(shí)，混合有機(jī)垃圾好氧發(fā)酵過(guò)程仍存在微生物代謝網(wǎng)絡(luò)不明、生物定向轉(zhuǎn)化機(jī)制不清及風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)缺位等問(wèn)題。因此，亟需針對(duì)性的開展好氧發(fā)酵關(guān)鍵技術(shù)裝備研發(fā)，開辟適合國(guó)情的混合有機(jī)垃圾資源化全過(guò)程生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈，通過(guò)技術(shù)集成創(chuàng)新，建立自主技術(shù)更新機(jī)制，同時(shí)配合政策引導(dǎo)及商業(yè)模式創(chuàng)新，為中國(guó)打造完善的產(chǎn)業(yè)化和市場(chǎng)化混合有機(jī)垃圾資源化處理模式。

1 國(guó)內(nèi)外有機(jī)垃圾資源化利用現(xiàn)狀

1.1 城鄉(xiāng)混合有機(jī)垃圾資源化利用迫在眉睫

據(jù)統(tǒng)計(jì)，自2014年起中國(guó)垃圾即以每年8%到10%的速度增長(zhǎng)，直至2020年，全國(guó)各類有機(jī)垃圾產(chǎn)量已近4.5×109～5.0×109t[13]。其中，城鄉(xiāng)混合有機(jī)垃圾包括園林廢棄物、有機(jī)生活垃圾、設(shè)施農(nóng)業(yè)垃圾等，年產(chǎn)量同樣高達(dá)近5.0×108t。如果有機(jī)垃圾處理處置不當(dāng)，對(duì)土壤、地下水、大氣均會(huì)造成有害影響[14]，嚴(yán)重威脅生態(tài)環(huán)境與人類健康。在中國(guó)城鄉(xiāng)結(jié)合部，由于公民對(duì)有機(jī)垃圾資源化利用意識(shí)弱且處理技術(shù)匱乏，導(dǎo)致有機(jī)垃圾污染問(wèn)題尤其嚴(yán)重，亟需資源化效率高、操作簡(jiǎn)易等有機(jī)垃圾處理處置技術(shù)解決上述問(wèn)題。

目前，將有機(jī)垃圾經(jīng)過(guò)好氧發(fā)酵、厭氧發(fā)酵、焚燒或填埋生產(chǎn)有機(jī)肥料、沼氣、熱能、電能或生物炭的技術(shù)應(yīng)用廣泛[1]。有機(jī)垃圾經(jīng)過(guò)厭氧發(fā)酵生成大量氫氣及沼氣等為工業(yè)生產(chǎn)、人類生活提供生物質(zhì)能源[15-16]。然而，當(dāng)有機(jī)垃圾完全發(fā)酵后殘留大量沼渣，其中含有的病原菌及有機(jī)酸限制了其直接利用[17-18]。一般情況下，沼渣將經(jīng)過(guò)高溫好氧發(fā)酵消除其中病原菌、有機(jī)酸及難水解有機(jī)質(zhì)對(duì)環(huán)境的威脅[19]。此外，將有機(jī)垃圾，特別是農(nóng)業(yè)秸稈作為生物燃料一直是中國(guó)處理農(nóng)田廢棄物的主要方式之一。但由于中國(guó)焚燒技術(shù)不成熟、操作不當(dāng)，導(dǎo)致焚燒過(guò)程中產(chǎn)生大量以二噁英為主的污染物，對(duì)大氣造成嚴(yán)重污染[20]。為避免上述問(wèn)題，好氧發(fā)酵逐漸受到研究者廣泛關(guān)注。好氧發(fā)酵作為一種將易腐有機(jī)固廢經(jīng)過(guò)微生物分解轉(zhuǎn)化后生成腐熟肥料的技術(shù)，具有日處理量大、轉(zhuǎn)化效率高、二次污染小、產(chǎn)物利用價(jià)值高等優(yōu)點(diǎn)[21-23]。因此，利用好氧發(fā)酵技術(shù)進(jìn)行易腐有機(jī)固廢資源化處理成為目前研究的熱點(diǎn)。

1.2 有機(jī)垃圾好氧發(fā)酵有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化方式

多種類型易腐有機(jī)垃圾，包括生活垃圾、廚余、秸稈、雜草、枯枝落葉、果蔬廢棄物、畜禽糞便等均可作為原始物料進(jìn)入好氧發(fā)酵系統(tǒng)[24]。根據(jù)有機(jī)垃圾結(jié)構(gòu)組成成分可將好氧發(fā)酵物料中有機(jī)質(zhì)類型歸納為木質(zhì)-纖維素類、蛋白類及脂肪酸類，這三大有機(jī)質(zhì)類型在好氧發(fā)酵過(guò)程中將經(jīng)過(guò)一系列生物轉(zhuǎn)化過(guò)程，最終以穩(wěn)定有機(jī)碳形式貯存同時(shí)釋放CO2[25-26]。然而，在以有機(jī)碳貯存為主要目的的好氧發(fā)酵過(guò)程中，存在著如何有效削弱有機(jī)組分礦化的問(wèn)題。好氧發(fā)酵過(guò)程中，微生物首先利用體系中非結(jié)構(gòu)性小分子有機(jī)質(zhì)滿足自身代謝需求，并向胞外分泌水解酶水解蛋白質(zhì)、烷烴脂肪酸等較易水解大分子物質(zhì)，為后續(xù)生長(zhǎng)提供充足底物[27-28]。隨著好氧發(fā)酵進(jìn)行，微生物代謝活性增強(qiáng)，體系內(nèi)溫度逐漸升高，微生物群落逐漸以放線菌、真菌等抗逆性強(qiáng)微生物類群為主[29]，這些微生物類群可以大量分泌木質(zhì)素、纖維素水解酶，進(jìn)一步水解好氧發(fā)酵體系中難水解有機(jī)質(zhì)[30]。這種由于微生物對(duì)不同有機(jī)組分（如纖維素、木質(zhì)素、蛋白類等）利用難易程度不同，即纖維木質(zhì)素類水解速率遠(yuǎn)低于蛋白類，好氧發(fā)酵過(guò)程中微生物將過(guò)度消耗蛋白類碳，最終導(dǎo)致氮損失嚴(yán)重、好氧發(fā)酵周期緩慢[31-33]。此外，由于好氧發(fā)酵過(guò)程微生物活動(dòng)主要存在分解（CO2釋放）與合成（腐殖酸形成）兩種代謝途徑[34-35]，因此從可持續(xù)利用的角度，提升腐殖質(zhì)的合成代謝途徑是堆肥高質(zhì)資源化的客觀需求。

好氧發(fā)酵過(guò)程中有機(jī)質(zhì)資源化是在微生物作用下實(shí)現(xiàn)的[36-37]。在對(duì)碳轉(zhuǎn)化的研究中，微生物碳泵的概念得以引入進(jìn)行探討微生物分解、合成代謝在堆肥有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化中的重要作用[38-39]。微生物碳泵概念在2010年由焦念志院士[39]首先提出（圖1），用以表征海洋微生物在好氧條件下將水溶性有機(jī)物轉(zhuǎn)化成為難水解有機(jī)質(zhì)，并在海洋沉積物中儲(chǔ)存的過(guò)程。微生物碳泵明確了微環(huán)境因子、微生物營(yíng)養(yǎng)、生理、分子和基因組等在原位調(diào)節(jié)微生物代謝的重要作用。隨后，該概念被引入土壤有機(jī)質(zhì)研究領(lǐng)域，以突出強(qiáng)調(diào)微生物合成代謝對(duì)全球氣候變化下陸地碳循環(huán)做出的貢獻(xiàn)[39]。如今，進(jìn)一步將此概念應(yīng)用于好氧發(fā)酵體系，目的在于研究好氧發(fā)酵微生境對(duì)微生物代謝及有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化的影響，最終實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)微生境因子促進(jìn)好氧發(fā)酵穩(wěn)定及有機(jī)碳的貯存。

圖1 不同物料堆肥過(guò)程中有機(jī)碳轉(zhuǎn)化方式Fig.1 Transformation of organic carbon during composting of different materials

好氧發(fā)酵中CO2的釋放不僅預(yù)示著微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化，同時(shí)表明了高活性微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的礦化強(qiáng)度[40-41]。好氧發(fā)酵初期，微生物為適應(yīng)體系內(nèi)部環(huán)境，代謝以維持基礎(chǔ)呼吸的分解代謝為主[42]。隨著好氧發(fā)酵進(jìn)行，微生物代謝逐漸從以維持基本代謝的低效生長(zhǎng)向以增加生物量代謝為主的高效生長(zhǎng)轉(zhuǎn)化，此時(shí)微生物生長(zhǎng)效率開始增強(qiáng)[43]。同時(shí)，微生物高活性導(dǎo)致大量CO2由好氧發(fā)酵體系釋放并對(duì)堆肥大分子物質(zhì)的水解帶來(lái)影響。原因在于，微生物將通過(guò)調(diào)節(jié)胞內(nèi)大分子組成控制細(xì)胞繁殖速率，當(dāng)微生物以生殖生長(zhǎng)為主時(shí)，將控制胞外酶的合成速率，導(dǎo)致酶合成量降低[44-45]，進(jìn)而促使好氧發(fā)酵體系中大分子有機(jī)質(zhì)的水解受限。然而，當(dāng)好氧發(fā)酵進(jìn)入高溫階段，體系內(nèi)部溫度快速升高及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)迅速消耗驅(qū)動(dòng)微生物由高生長(zhǎng)效率向低生長(zhǎng)效率轉(zhuǎn)化，并分泌胞外酶水解大分子有機(jī)質(zhì)維持自身生長(zhǎng)，然而此時(shí)CO2的釋放量依然維持較高水平[43]。隨著好氧發(fā)酵進(jìn)入腐熟期，體系內(nèi)部環(huán)境逐漸維持穩(wěn)定，微生物活動(dòng)也進(jìn)入穩(wěn)定期，CO2釋放量則趨于降低[46]。由此可知，微生物代謝方向受到好氧發(fā)酵體系內(nèi)部環(huán)境影響，當(dāng)環(huán)境條件變化劇烈、有機(jī)質(zhì)組分組成混雜時(shí)微生物代謝方向不定，導(dǎo)致好氧發(fā)酵過(guò)程中大量CO2釋放，造成有機(jī)碳損失。好氧發(fā)酵代謝中CO2的釋放幾乎全部來(lái)源于微生物代謝，控制微生物對(duì)小分子物質(zhì)的吸收利用，可有效降低堆肥過(guò)程中CO2的釋放，減少有機(jī)碳的浪費(fèi)[17]。因此，如何在維持微生物正?；钚缘那闆r下，調(diào)節(jié)微生物代謝由無(wú)序至有序，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)低碳排放、高碳保留的目的將成為未來(lái)研究重點(diǎn)之一。

1.3 不同來(lái)源有機(jī)垃圾好氧發(fā)酵穩(wěn)定化及資源化影響因素解析

好氧發(fā)酵的成功需通氣量、碳氮比、pH、含水率、有機(jī)質(zhì)、物料顆粒大小及氮組分濃度等微環(huán)境參數(shù)同時(shí)滿足好氧發(fā)酵物料腐熟的需要[47-48]。通常好氧發(fā)酵工藝參數(shù)也決定了好氧發(fā)酵中腐殖酸產(chǎn)量及質(zhì)量，進(jìn)而影響到好氧發(fā)酵產(chǎn)物的應(yīng)用價(jià)值以及利用方式[49]。經(jīng)過(guò)研究者多年探究發(fā)現(xiàn)，理想好氧發(fā)酵微環(huán)境參數(shù)具體表現(xiàn)為初始物料顆粒在1～3 cm范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)碳氮比至30%左右，并在好氧發(fā)酵過(guò)程中始終維持物料含水率在60%～70%，通氣量在0.15 L/(min·kg·有機(jī)質(zhì))[50-51]。然而，上述條件僅可滿足不同有機(jī)固廢好氧發(fā)酵的腐熟效果，對(duì)于產(chǎn)品品質(zhì)卻不能保障。因此，為得到高品質(zhì)好氧發(fā)酵產(chǎn)物，需調(diào)整好氧發(fā)酵工藝參數(shù)以達(dá)到預(yù)期效果[52]。如：提高好氧發(fā)酵體系通氣量利于產(chǎn)品快速腐熟，并促進(jìn)好氧發(fā)酵物料快速減量化。然而，調(diào)節(jié)好氧發(fā)酵參數(shù)不僅可以影響腐熟產(chǎn)品形成速率，對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)同樣具有顯著影響。探究通氣量對(duì)好氧發(fā)酵腐熟產(chǎn)品結(jié)構(gòu)影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，較低通氣量有利于腐熟產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中復(fù)雜組分的形成，而較高通氣量則更利于其簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)形成[49]。因此，好氧發(fā)酵通氣量不同將影響腐熟產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，而產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)將進(jìn)一步影響其應(yīng)用（圖2）。研究表明，復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品有利于固定受污染土壤中的重金屬、有機(jī)染料及農(nóng)藥等污染物[53-54]；相反，簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)組分則更傾向于提高土壤肥力，促進(jìn)作物生長(zhǎng)[55]。由此可知，好氧發(fā)酵參數(shù)對(duì)腐熟產(chǎn)品形成速率、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用均具有重要影響。當(dāng)然，好氧發(fā)酵工藝參數(shù)對(duì)其進(jìn)程的影響不僅僅局限于腐熟產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，對(duì)于氮、磷以及碳等營(yíng)養(yǎng)組分的轉(zhuǎn)化、污染物的水解、滲濾液排放、污染性氣體等副產(chǎn)物釋放以及抗性基因的轉(zhuǎn)移均具有重要作用[56-58]。因此，好氧發(fā)酵參數(shù)對(duì)其過(guò)程影響是多方面的，值得更加深入且全面的研究。尤其是在產(chǎn)品應(yīng)用方面，中國(guó)地域?qū)拸V，氣候條件及人們生活方式差異造成好氧發(fā)酵物料類型差異較大的同時(shí)土壤性質(zhì)也存在較大差異，導(dǎo)致全國(guó)范圍內(nèi)產(chǎn)品腐熟方式不統(tǒng)一。因此，本文提出對(duì)“征”利用概念以為不同特征的土壤類型匹配適用的好氧發(fā)酵腐熟產(chǎn)品，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)好氧發(fā)酵產(chǎn)品的應(yīng)用價(jià)值最大化。

圖2 不同通氣量對(duì)好氧發(fā)酵產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及應(yīng)用的影響Fig.2 Effects of different aeration rates on the structure and application of aerobic fermentation products

2 快速穩(wěn)定化及資源化利用技術(shù)

針對(duì)城鄉(xiāng)混合有機(jī)垃圾組分混雜及水解效率不同步導(dǎo)致的均質(zhì)性差、資源化產(chǎn)物生物轉(zhuǎn)化及利用效率低、副產(chǎn)物風(fēng)險(xiǎn)防控及可持續(xù)利用技術(shù)匱乏等問(wèn)題，未來(lái)研究應(yīng)重點(diǎn)解析混合垃圾有機(jī)組分定向轉(zhuǎn)化微生物代謝網(wǎng)絡(luò)調(diào)控原理，探明有機(jī)組分快速穩(wěn)定化、腐殖化微生物細(xì)胞工廠定向調(diào)控機(jī)理，突破副產(chǎn)物風(fēng)險(xiǎn)防控、資源化產(chǎn)物分質(zhì)利用技術(shù)瓶頸影響機(jī)制等科學(xué)問(wèn)題。

2.1 關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題

1）城鄉(xiāng)混合有機(jī)垃圾好氧發(fā)酵過(guò)程中有機(jī)組分組成混雜，不同有機(jī)組分微生物代謝網(wǎng)絡(luò)不同，同種有機(jī)組分不同微生物代謝途徑亦不相同，導(dǎo)致好氧發(fā)酵過(guò)程中微生物菌群代謝網(wǎng)絡(luò)紊亂。因此，如何解析微生物代謝網(wǎng)絡(luò)原理，實(shí)現(xiàn)生物轉(zhuǎn)化由紊亂至有序的狀態(tài)，成為目前研究開展必需解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

2）混合有機(jī)垃圾好氧發(fā)酵主要存在以CO2生成的分解途徑及腐殖酸形成的合成途徑，抑制分解、促進(jìn)合成途徑是其資源化技術(shù)的主攻方向。由于木質(zhì)纖維素類水解緩慢，導(dǎo)致前體物醌基及小分子多糖匱乏，是腐殖酸合成途徑受阻瓶頸問(wèn)題，同時(shí)將會(huì)間接造成氨基酸類水解產(chǎn)物代謝加劇，也是揮發(fā)性污染物產(chǎn)生的始作俑者。因此，如何揭示難易生物利用組分同步水解、水解產(chǎn)物協(xié)同轉(zhuǎn)化機(jī)制，實(shí)現(xiàn)定向腐殖酸化、二次污染原位削減，是研究開展必需解決的又一關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

3）混合有機(jī)垃圾好氧發(fā)酵資源化產(chǎn)物特性與區(qū)域垃圾組成、發(fā)酵工藝密切相關(guān)，導(dǎo)致資源化產(chǎn)物腐殖酸濃度及腐殖化程度、營(yíng)養(yǎng)組成等特性差異性顯著。同時(shí)不同區(qū)域土壤生態(tài)學(xué)特性不同，對(duì)資源化產(chǎn)物種類需求亦不相同。因此，如何探明資源化產(chǎn)物利用與土壤特征之間互補(bǔ)匹配機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)“征”利用，是研究開展必需解決的另一關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題解析

1）多源有機(jī)垃圾快速脫水、減污源頭減量關(guān)鍵技術(shù)。重點(diǎn)解決高含水有機(jī)垃圾原位強(qiáng)化脫水-固液分離、固相組分功能微生物強(qiáng)化-工藝參數(shù)優(yōu)化快速穩(wěn)定化等關(guān)鍵技術(shù)。

2）有機(jī)組分定向腐殖酸化增碳增質(zhì)過(guò)程控制關(guān)鍵技術(shù)。重點(diǎn)解決有機(jī)組分同步水解均質(zhì)、水解組分微生物碳泵微生境調(diào)控定向腐殖酸化、功能材料補(bǔ)給固碳增質(zhì)等關(guān)鍵技術(shù)。

3）發(fā)酵副產(chǎn)物風(fēng)險(xiǎn)控制及可持續(xù)利用過(guò)程控污關(guān)鍵技術(shù)。重點(diǎn)解決副產(chǎn)物風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)精準(zhǔn)識(shí)別—評(píng)估—預(yù)警、氣體捕捉濃縮—功能材料強(qiáng)化、熱能及揮發(fā)性氨再循環(huán)、浸出液營(yíng)養(yǎng)復(fù)配原位庭院滴灌及百納米液體肥等關(guān)鍵技術(shù)。

4）好氧發(fā)酵資源化產(chǎn)物末端對(duì)“征”利用技術(shù)。重點(diǎn)解決資源化產(chǎn)物專用肥增質(zhì)深加工高質(zhì)化、資源化產(chǎn)物多屬性識(shí)別-多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)、資源化產(chǎn)品屬性差異對(duì)“征”土壤利用關(guān)鍵技術(shù)。

2.3 研究體系的構(gòu)建

依據(jù)固廢資源化的國(guó)家需求，圍繞城鄉(xiāng)混合有機(jī)垃圾快速穩(wěn)定化及資源化利用目標(biāo)，針對(duì)上述諸多技術(shù)瓶頸問(wèn)題，從原理解析、源頭減量、過(guò)程增質(zhì)控污、末端分質(zhì)利用4個(gè)層面，將研究構(gòu)想設(shè)置5個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容：

1）城鄉(xiāng)混合有機(jī)垃圾聯(lián)合好氧發(fā)酵微生物代謝網(wǎng)絡(luò)定向調(diào)控原理。

2）城鄉(xiāng)混合有機(jī)垃圾多源有機(jī)物源頭快速穩(wěn)定化技術(shù)及裝備。

3）城鄉(xiāng)混合有機(jī)垃圾好氧發(fā)酵多組分協(xié)同定向腐殖酸化技術(shù)與裝備。

4）城鄉(xiāng)混合有機(jī)垃圾好氧發(fā)酵副產(chǎn)物風(fēng)險(xiǎn)控制及可持續(xù)利用技術(shù)與裝備。

5）城鄉(xiāng)混合有機(jī)垃圾資源化產(chǎn)物高質(zhì)利用技術(shù)與裝備。研究總體設(shè)置以混合有機(jī)垃圾好氧發(fā)酵處理處置的源（有機(jī)垃圾分類收集源頭）、流（有機(jī)垃圾好氧發(fā)酵過(guò)程）、匯（資源化產(chǎn)物利用）為主線，以源頭減量、過(guò)程發(fā)酵副產(chǎn)物再循環(huán)、資源化產(chǎn)物分質(zhì)再利用等清潔生產(chǎn)理念為指導(dǎo)。內(nèi)容設(shè)置分工明確，又聯(lián)系緊密，互為支撐，形成一個(gè)完整的體系（圖3）。

圖3 有機(jī)垃圾快速穩(wěn)定及資源化利用技術(shù)研究體系Fig.3 Research system of rapid stabilization and resource utilization of organic waste

3 科學(xué)問(wèn)題解決思路

3.1 探究有機(jī)垃圾好氧發(fā)酵微生物代謝調(diào)控原理

針對(duì)城鄉(xiāng)混合有機(jī)垃圾好氧發(fā)酵微生物代謝網(wǎng)絡(luò)紊亂、物質(zhì)分配規(guī)律不清、代謝產(chǎn)物定向調(diào)控不明等問(wèn)題，基于好氧發(fā)酵有機(jī)組分微生物代謝網(wǎng)絡(luò)由紊亂至有序定向調(diào)控理念：

1）探究高效運(yùn)行狀況下體系的微生態(tài)特性及碳基轉(zhuǎn)化節(jié)點(diǎn)物質(zhì)類型，揭示基于結(jié)構(gòu)韌性及彈性的高效菌群調(diào)控機(jī)理，解析碳基轉(zhuǎn)化平臺(tái)物質(zhì)-功能菌-環(huán)境因子的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系。

2）闡明氮、硫污染物微生物代謝成因，解析典型新興污染物代謝歸趨，揭示次生污染物代謝影響機(jī)制，篩選主控因子與核心微生物，建立典型二次污染物代謝途徑與氮、硫循環(huán)網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)關(guān)系。

3）基于人工智能與大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，結(jié)合微生物-關(guān)鍵元素轉(zhuǎn)化網(wǎng)絡(luò)圖譜，建立多源混合有機(jī)垃圾好氧發(fā)酵過(guò)程仿真模型，搭建共性調(diào)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)好氧發(fā)酵過(guò)程的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，并提出以微生物為核心的微環(huán)境彈性調(diào)控策略，為有效控制副產(chǎn)物提供技術(shù)支持。

3.2 研發(fā)混合有機(jī)垃圾多源有機(jī)物源頭快速穩(wěn)定化技術(shù)及裝備

針對(duì)城鄉(xiāng)有機(jī)垃圾源頭水分含量高、快速穩(wěn)定化技術(shù)缺失、智能學(xué)習(xí)型裝備匱乏等問(wèn)題，研究混合有機(jī)垃圾超微破碎—固液分離關(guān)鍵技術(shù)，攻克固相組分功能微生物強(qiáng)化—工藝參數(shù)優(yōu)化快速穩(wěn)定化關(guān)鍵技術(shù)，研制智屏顯示—在線監(jiān)測(cè)—反饋調(diào)控等智能學(xué)習(xí)功能的一體式快速穩(wěn)定化技術(shù)裝備，開展工程示范：

1）闡明機(jī)械作用對(duì)顆粒組分轉(zhuǎn)化、微觀結(jié)構(gòu)與脫水效率的調(diào)控機(jī)制，解析生物轉(zhuǎn)化不同階段垃圾顆粒內(nèi)有機(jī)組分代謝網(wǎng)絡(luò)與顆粒結(jié)合水脫除內(nèi)在關(guān)系，建立垃圾超微破碎脫水及原位生物轉(zhuǎn)化控水關(guān)鍵技術(shù)。

2）探索以好氧發(fā)酵關(guān)鍵功能微生物為核心的生物強(qiáng)化手段，研發(fā)基于多階段菌劑復(fù)配強(qiáng)化及微生境因子反饋程控的好氧發(fā)酵代謝技術(shù)，開發(fā)適合混合城鄉(xiāng)有機(jī)垃圾生物增強(qiáng)快速穩(wěn)定化技術(shù)。

3）開發(fā)城鄉(xiāng)混合有機(jī)垃圾資源化反饋預(yù)警智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)及軟件，構(gòu)建智能學(xué)習(xí)一體化好氧發(fā)酵裝備，建立一套集技術(shù)、系統(tǒng)軟件和設(shè)備為一體的有機(jī)垃圾生物轉(zhuǎn)化智能學(xué)習(xí)裝備綜合體。

3.3 研發(fā)混合有機(jī)垃圾好氧發(fā)酵多組分協(xié)同定向腐殖酸化技術(shù)與裝備

針對(duì)城鄉(xiāng)有機(jī)垃圾好氧發(fā)酵有機(jī)組分均質(zhì)性差、定向腐殖酸化技術(shù)匱乏、部分腐殖酸易損失等問(wèn)題，在城鄉(xiāng)混合有機(jī)垃圾好氧發(fā)酵過(guò)程中引入微生物細(xì)胞微工廠理念，基于生物轉(zhuǎn)化核心代謝途徑分子生態(tài)學(xué)調(diào)控原理：

1）闡明工藝混料、復(fù)合酶催化、微生物強(qiáng)化等因素與難降解組分互動(dòng)關(guān)系，研發(fā)微生物調(diào)控多組分同步水解均質(zhì)化技術(shù)體系與裝備。

2）探明多組分水解產(chǎn)物、腐殖質(zhì)形成、核心微生物之間響應(yīng)機(jī)制，揭示核心微生物碳泵定向腐殖酸化影響機(jī)制，研發(fā)微生物碳泵定向腐殖酸化限制因子動(dòng)態(tài)補(bǔ)給調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)。

3）探究易利用腐殖酸結(jié)構(gòu)組成與微生物再利用率響應(yīng)機(jī)制，闡明生物炭、礦物質(zhì)等功能材料對(duì)易利用腐殖酸組分固定效率影響，構(gòu)建微生物菌種結(jié)構(gòu)優(yōu)化、功能材料鈍化等腐殖酸穩(wěn)定化技術(shù)。最終構(gòu)建生物強(qiáng)化水解-微生物碳泵定向轉(zhuǎn)化-功能材料鈍化固碳微生物細(xì)胞微工廠技術(shù)，開展工程示范，確保-20 ℃以下穩(wěn)定運(yùn)行。

3.4 構(gòu)建好氧發(fā)酵副產(chǎn)物風(fēng)險(xiǎn)控制及可持續(xù)利用技術(shù)與裝備

針對(duì)城鄉(xiāng)有機(jī)垃圾好氧發(fā)酵副產(chǎn)物風(fēng)險(xiǎn)不清、控制技術(shù)匱乏、可持續(xù)利用效率低等問(wèn)題，開展副產(chǎn)物風(fēng)險(xiǎn)精確識(shí)別、預(yù)警、全過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)控制和可持續(xù)資源化利用技術(shù)與裝備研究：

1）通過(guò)全過(guò)程監(jiān)測(cè)發(fā)酵副產(chǎn)物，明確氣液固相中典型污染物的時(shí)空分布規(guī)律，揭示生物轉(zhuǎn)化過(guò)程中副產(chǎn)污染物形成及轉(zhuǎn)化機(jī)制，基于嗅閾值、風(fēng)險(xiǎn)熵值建立副產(chǎn)物風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，構(gòu)建典型轉(zhuǎn)化模式的好氧發(fā)酵過(guò)程副產(chǎn)物風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。

2）研究功能微生物原位降解-改性功能材料削減-光催化氧化耦合強(qiáng)化去除發(fā)酵副產(chǎn)物的關(guān)鍵技術(shù)，明確污染物相間遷移規(guī)律和轉(zhuǎn)化機(jī)制，建立副產(chǎn)污染物深度削減和控制技術(shù)。

3）研究熱能再循環(huán)和副產(chǎn)污染物資源化利用技術(shù)，通過(guò)外源營(yíng)養(yǎng)物調(diào)配滲濾液中微量組分，開發(fā)基于滲濾液的庭院專用液體肥制備和滴灌技術(shù)；研究液體肥調(diào)制過(guò)程中百納米顆粒、中微量元素、無(wú)機(jī)養(yǎng)分等液相分散和協(xié)同作用規(guī)律，獲得精準(zhǔn)調(diào)控制備百納米級(jí)液體肥的關(guān)鍵技術(shù)。

3.5 研發(fā)混合有機(jī)垃圾資源化產(chǎn)物高質(zhì)利用技術(shù)與裝備

針對(duì)城鄉(xiāng)有機(jī)垃圾好氧發(fā)酵資源化產(chǎn)物品質(zhì)提升技術(shù)匱乏、資源化產(chǎn)品屬性不清、與區(qū)域土壤生態(tài)特性匹配性差等問(wèn)題，基于資源化產(chǎn)物屬性與區(qū)域土壤生態(tài)需求相匹配的理念：

1）攻克發(fā)酵過(guò)程營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)給生物轉(zhuǎn)化增質(zhì)技術(shù)，研發(fā)資源化產(chǎn)物增質(zhì)深加工技術(shù)與裝備，研制作物專用有機(jī)肥、有機(jī)生態(tài)修復(fù)劑深加工技術(shù)與裝備。

2）開展資源化產(chǎn)品屬性識(shí)別、評(píng)價(jià)研究，揭示資源化產(chǎn)物屬性與區(qū)域土壤生態(tài)特性匹配機(jī)制，集成多源資源化產(chǎn)物分質(zhì)對(duì)“征”利用技術(shù)體系。

3）開展示范區(qū)域土壤特性識(shí)別與資源化產(chǎn)物屬性優(yōu)選研究，建立優(yōu)選資源化產(chǎn)物對(duì)“征”示范工程，形成創(chuàng)新性商業(yè)化推廣模式平臺(tái)。通過(guò)上述研究，形成資源化產(chǎn)物增質(zhì)—功能屬性識(shí)別—適配性評(píng)價(jià)—對(duì)“征”利用等好氧發(fā)酵末端高質(zhì)利用技術(shù)體系。

4 前景展望

通過(guò)本研究的完成，預(yù)期構(gòu)建混合有機(jī)垃圾好氧快速穩(wěn)定化與定向腐殖化技術(shù)、開發(fā)具有智能學(xué)習(xí)功能的一體化好氧發(fā)酵裝備、形成生物轉(zhuǎn)化副產(chǎn)物風(fēng)險(xiǎn)控制及可持續(xù)利用技術(shù)，并建成適用于不同區(qū)域特征的成套技術(shù)示范工程，建立商業(yè)化推廣創(chuàng)新模式。

4.1 科學(xué)、技術(shù)及產(chǎn)業(yè)預(yù)期

在科學(xué)理論解析層面，提出城鄉(xiāng)混合有機(jī)垃圾好氧發(fā)酵微生物代謝網(wǎng)絡(luò)調(diào)控原理，探明好氧發(fā)酵有機(jī)組分快速穩(wěn)定化、腐殖化微生物細(xì)胞工廠定向調(diào)控機(jī)制，揭示混合垃圾好氧發(fā)酵副產(chǎn)物賦存形態(tài)、歸趨及資源化產(chǎn)物對(duì)“征”高質(zhì)利用機(jī)制。上述原理、機(jī)制的建立將極大豐富中國(guó)有機(jī)垃圾快速穩(wěn)定化及資源化利用技術(shù)的理論體系。在技術(shù)裝備研發(fā)層面，將針對(duì)城鄉(xiāng)混合有機(jī)垃圾高質(zhì)資源化目標(biāo)，以低碳、低能耗、低成本，易維護(hù)為理念，形成“源頭減量—過(guò)程增質(zhì)控污—末端資源化產(chǎn)物對(duì)“征”持續(xù)利用”型全鏈條集成技術(shù)與裝備體系：攻克好氧發(fā)酵具智能學(xué)習(xí)型一體化源頭減水、減污、減溶等快速穩(wěn)定化核心技術(shù)與裝備，突破好氧發(fā)酵有機(jī)組分協(xié)同轉(zhuǎn)化定向腐殖化、揮發(fā)性氨及熱能再循環(huán)、副產(chǎn)物風(fēng)險(xiǎn)防控等增質(zhì)控污過(guò)程控制技術(shù)瓶頸，構(gòu)建發(fā)酵資源化產(chǎn)物提質(zhì)增效深加工、資源化產(chǎn)物屬性與土壤生態(tài)需求互補(bǔ)等末端對(duì)“征”利用技術(shù)體系。在技術(shù)集成示范層面，注重技術(shù)間互補(bǔ)性，針對(duì)示范區(qū)域氣候、社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件、生態(tài)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)，開展規(guī)?；瘜?duì)“征”工程示范。通過(guò)研究實(shí)施，將完成有機(jī)垃圾快速穩(wěn)定化與資源化利用系列技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，豐富中國(guó)環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)體系，為促進(jìn)有機(jī)垃圾資源化奠定基礎(chǔ)。研究完成后，所提出的理論、研發(fā)的技術(shù)裝備總體達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，集成技術(shù)模式推廣后將促進(jìn)相關(guān)行業(yè)進(jìn)步，并為生產(chǎn)企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

4.2 社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前中國(guó)生活垃圾年產(chǎn)生量達(dá)4.0×108t，已成為全國(guó)城市一個(gè)重要的污染源。2017年3月國(guó)務(wù)院辦公廳發(fā)布《生活垃圾分類制度實(shí)施方案》垃圾分類產(chǎn)生的易腐垃圾約占50%，按方案要求2020年生活垃圾回收利用率達(dá)到35%以上，按此比例計(jì)算，有機(jī)垃圾資源化年處理量約為0.7×108t。因此，如果將有機(jī)垃圾進(jìn)行資源化處理，不僅可節(jié)約大量的垃圾填埋用地，減少填埋滲濾液對(duì)土壤及地下水污染，提升周邊空氣質(zhì)量，改善群眾生活質(zhì)量，還可創(chuàng)造大量的經(jīng)濟(jì)生態(tài)效益[59]。

以國(guó)內(nèi)知名有機(jī)固廢處理企業(yè)為例（北京嘉博文生物科技有限公司），有機(jī)垃圾處理廠正式投產(chǎn)后，年消化混合有機(jī)垃圾約9.0×105t，年產(chǎn)量2.0×105t，減少CO排放量2.6×104t，氮氧化物排放量約3.2×105t，顆粒物排放量約6.2×104t，減少溫室氣體排放量約1.6×105t，生態(tài)環(huán)保效益明顯；同時(shí)提供管理、技術(shù)人員固定就業(yè)機(jī)會(huì)約110人。按照有機(jī)垃圾資源化年處理量0.7×108t，需要建廠78個(gè)，減少污染排放總量約1.9×107t，解決數(shù)萬(wàn)人就業(yè)問(wèn)題，達(dá)到年產(chǎn)1.6×107t，售賣價(jià)格以1 600 元/t計(jì)，創(chuàng)收2.56×1010元，生態(tài)、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益顯著。此外，中國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，長(zhǎng)期施用化肥造成土壤有機(jī)質(zhì)過(guò)度礦化，有機(jī)質(zhì)含量降低，多數(shù)有機(jī)質(zhì)含量在1%以下，與健康土壤有機(jī)質(zhì)需達(dá)到5%以上具有較大差距，因此有機(jī)肥需求量極大。目前有機(jī)肥施入土壤后對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的提升效率為每畝投入1.5 t，2年時(shí)間，可提升土壤有機(jī)質(zhì)0.1個(gè)百分點(diǎn)。中國(guó)耕地面積約2.0×109畝，三分之二的土壤有機(jī)質(zhì)含量不到1%，按照國(guó)際健康土壤有機(jī)質(zhì)含量5%計(jì)算，在保證有機(jī)質(zhì)不礦化的條件下，需要施用有機(jī)肥約3.2×1010t。因此，市場(chǎng)需求空間極大，經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益顯著。

綜上，生活垃圾分類已在全國(guó)范圍內(nèi)展開，在末端處理方面，一些大城市基本建立了以焚燒為主體的終端處理模式，但成本較高、易造成二次污染。由于有機(jī)垃圾來(lái)源于大自然賦予人類的食物，經(jīng)過(guò)人類活動(dòng)變成垃圾，經(jīng)生物轉(zhuǎn)化后回歸自然。因此，城鄉(xiāng)混合有機(jī)垃圾資源化處理不僅保證了中國(guó)城鄉(xiāng)生活垃圾分類網(wǎng)絡(luò)暢通，也實(shí)現(xiàn)了資源的可持續(xù)利用，具有重大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益。