城鄉(xiāng)混合有機垃圾快速穩(wěn)定化及資源化利用技術(shù)的研究構(gòu)想與前景展望

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.中國環(huán)境科學(xué)研究院 環(huán)境基準與風險評估國家重點實驗室，北京 100012；3.同濟大學(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)混合有機垃圾主要是指垃圾分類后的易腐垃圾（菜場垃圾、餐館飲食業(yè)垃圾、家庭廚房垃圾和各種市場的瓜果皮等）及城鄉(xiāng)結(jié)合部部分農(nóng)業(yè)廢棄物[1]。其特點是：產(chǎn)量大、來源混雜、有機質(zhì)比例高（占干物質(zhì)的70%以上）、含水高（一般高達85%～90%）、生物可利用成分含量高（50%～70%）、熱值低、氮磷等營養(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。由于其高有機質(zhì)、高營養(yǎng)特性，同時與其它固廢（如污泥等）比較，處理過程及產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境風險均較小[3]?；谝陨显?，好氧發(fā)酵是大宗混合有機垃圾資源化處理處置的最佳方式之一，國內(nèi)外學(xué)者已開展了大量研究。發(fā)達國家早在20世紀60年代就已開始有機固廢資源化處理，目前已經(jīng)形成一定處理規(guī)模。如今德國主要采用堆肥處理和厭氧處理方式，每年收集8.8×106t有機固體廢棄物，其中83%經(jīng)堆肥處理、17%經(jīng)厭氧處理。據(jù)2015年英國垃圾資源行動綱要（waste and resources action program，WRAP）資料顯示[4]，英國每年約產(chǎn)生1.5×106t有機固廢，通過厭氧發(fā)酵和好氧堆肥處理減排CO22.0×107t/a，同時英國計劃到2025年將有機固廢循環(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，歐盟制定了一個新目標，即2025年要達到55%，2035年達到65%[5]。2008年，德國有接近1 000個堆肥廠，到2020年底，生活垃圾回收利用率達到35%以上[5]。在中國，有機垃圾好氧堆肥理論、技術(shù)研究較為充分，但由于中國垃圾成分及收運體系的特殊性，相關(guān)成果大多限于實驗室級別，工業(yè)穩(wěn)定運行案例較少[6-8]，產(chǎn)業(yè)起步較晚，目前有機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]。雖然混合有機垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼技術(shù)相對成熟，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，對城鄉(xiāng)大宗混合有機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，其必將成為中國混合有機垃圾資源化處理處置的主流技術(shù)。

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

1 國內(nèi)外有機垃圾資源化利用現(xiàn)狀

1.1 城鄉(xiāng)混合有機垃圾資源化利用迫在眉睫

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

目前，將有機垃圾經(jīng)過好氧發(fā)酵、厭氧發(fā)酵、焚燒或填埋生產(chǎn)有機肥料、沼氣、熱能、電能或生物炭的技術(shù)應(yīng)用廣泛[1]。有機垃圾經(jīng)過厭氧發(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，當有機垃圾完全發(fā)酵后殘留大量沼渣，其中含有的病原菌及有機酸限制了其直接利用[17-18]。一般情況下，沼渣將經(jīng)過高溫好氧發(fā)酵消除其中病原菌、有機酸及難水解有機質(zhì)對環(huán)境的威脅[19]。此外，將有機垃圾，特別是農(nóng)業(yè)秸稈作為生物燃料一直是中國處理農(nóng)田廢棄物的主要方式之一。但由于中國焚燒技術(shù)不成熟、操作不當，導(dǎo)致焚燒過程中產(chǎn)生大量以二噁英為主的污染物，對大氣造成嚴重污染[20]。為避免上述問題，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固廢經(jīng)過微生物分解轉(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)物利用價值高等優(yōu)點[21-23]。因此，利用好氧發(fā)酵技術(shù)進行易腐有機固廢資源化處理成為目前研究的熱點。

1.2 有機垃圾好氧發(fā)酵有機質(zhì)轉(zhuǎn)化方式

多種類型易腐有機垃圾，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入好氧發(fā)酵系統(tǒng)[24]。根據(jù)有機垃圾結(jié)構(gòu)組成成分可將好氧發(fā)酵物料中有機質(zhì)類型歸納為木質(zhì)-纖維素類、蛋白類及脂肪酸類，這三大有機質(zhì)類型在好氧發(fā)酵過程中將經(jīng)過一系列生物轉(zhuǎn)化過程，最終以穩(wěn)定有機碳形式貯存同時釋放CO2[25-26]。然而，在以有機碳貯存為主要目的的好氧發(fā)酵過程中，存在著如何有效削弱有機組分礦化的問題。好氧發(fā)酵過程中，微生物首先利用體系中非結(jié)構(gòu)性小分子有機質(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)生長提供充足底物[27-28]。隨著好氧發(fā)酵進行，微生物代謝活性增強，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，進一步水解好氧發(fā)酵體系中難水解有機質(zhì)[30]。這種由于微生物對不同有機組分（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)素類水解速率遠低于蛋白類，好氧發(fā)酵過程中微生物將過度消耗蛋白類碳，最終導(dǎo)致氮損失嚴重、好氧發(fā)酵周期緩慢[31-33]。此外，由于好氧發(fā)酵過程微生物活動主要存在分解（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)酵過程中有機質(zhì)資源化是在微生物作用下實現(xiàn)的[36-37]。在對碳轉(zhuǎn)化的研究中，微生物碳泵的概念得以引入進行探討微生物分解、合成代謝在堆肥有機質(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物轉(zhuǎn)化成為難水解有機質(zhì)，并在海洋沉積物中儲存的過程。微生物碳泵明確了微環(huán)境因子、微生物營養(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質(zhì)研究領(lǐng)域，以突出強調(diào)微生物合成代謝對全球氣候變化下陸地碳循環(huán)做出的貢獻[39]。如今，進一步將此概念應(yīng)用于好氧發(fā)酵體系，目的在于研究好氧發(fā)酵微生境對微生物代謝及有機質(zhì)轉(zhuǎn)化的影響，最終實現(xiàn)調(diào)節(jié)微生境因子促進好氧發(fā)酵穩(wěn)定及有機碳的貯存。

圖1 不同物料堆肥過程中有機碳轉(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)示著微生物對有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化，同時表明了高活性微生物對有機質(zhì)的礦化強度[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)酵進行，微生物代謝逐漸從以維持基本代謝的低效生長向以增加生物量代謝為主的高效生長轉(zhuǎn)化，此時微生物生長效率開始增強[43]。同時，微生物高活性導(dǎo)致大量CO2由好氧發(fā)酵體系釋放并對堆肥大分子物質(zhì)的水解帶來影響。原因在于，微生物將通過調(diào)節(jié)胞內(nèi)大分子組成控制細胞繁殖速率，當微生物以生殖生長為主時，將控制胞外酶的合成速率，導(dǎo)致酶合成量降低[44-45]，進而促使好氧發(fā)酵體系中大分子有機質(zhì)的水解受限。然而，當好氧發(fā)酵進入高溫階段，體系內(nèi)部溫度快速升高及營養(yǎng)物質(zhì)迅速消耗驅(qū)動微生物由高生長效率向低生長效率轉(zhuǎn)化，并分泌胞外酶水解大分子有機質(zhì)維持自身生長，然而此時CO2的釋放量依然維持較高水平[43]。隨著好氧發(fā)酵進入腐熟期，體系內(nèi)部環(huán)境逐漸維持穩(wěn)定，微生物活動也進入穩(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，當環(huán)境條件變化劇烈、有機質(zhì)組分組成混雜時微生物代謝方向不定，導(dǎo)致好氧發(fā)酵過程中大量CO2釋放，造成有機碳損失。好氧發(fā)酵代謝中CO2的釋放幾乎全部來源于微生物代謝，控制微生物對小分子物質(zhì)的吸收利用，可有效降低堆肥過程中CO2的釋放，減少有機碳的浪費[17]。因此，如何在維持微生物正常活性的情況下，調(diào)節(jié)微生物代謝由無序至有序，進而實現(xiàn)低碳排放、高碳保留的目的將成為未來研究重點之一。

1.3 不同來源有機垃圾好氧發(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、有機質(zhì)、物料顆粒大小及氮組分濃度等微環(huán)境參數(shù)同時滿足好氧發(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，進而影響到好氧發(fā)酵產(chǎn)物的應(yīng)用價值以及利用方式[49]。經(jīng)過研究者多年探究發(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·有機質(zhì))[50-51]。然而，上述條件僅可滿足不同有機固廢好氧發(fā)酵的腐熟效果，對于產(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，對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)同樣具有顯著影響。探究通氣量對好氧發(fā)酵腐熟產(chǎn)品結(jié)構(gòu)影響時發(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)特點將進一步影響其應(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、有機染料及農(nóng)藥等污染物[53-54]；相反，簡單結(jié)構(gòu)組分則更傾向于提高土壤肥力，促進作物生長[55]。由此可知，好氧發(fā)酵參數(shù)對腐熟產(chǎn)品形成速率、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用均具有重要影響。當然，好氧發(fā)酵工藝參數(shù)對其進程的影響不僅僅局限于腐熟產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，對于氮、磷以及碳等營養(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)對其過程影響是多方面的，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土壤性質(zhì)也存在較大差異，導(dǎo)致全國范圍內(nèi)產(chǎn)品腐熟方式不統(tǒng)一。因此，本文提出對“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，進而實現(xiàn)好氧發(fā)酵產(chǎn)品的應(yīng)用價值最大化。

圖2 不同通氣量對好氧發(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)

針對城鄉(xiāng)混合有機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)物風險防控及可持續(xù)利用技術(shù)匱乏等問題，未來研究應(yīng)重點解析混合垃圾有機組分定向轉(zhuǎn)化微生物代謝網(wǎng)絡(luò)調(diào)控原理，探明有機組分快速穩(wěn)定化、腐殖化微生物細胞工廠定向調(diào)控機理，突破副產(chǎn)物風險防控、資源化產(chǎn)物分質(zhì)利用技術(shù)瓶頸影響機制等科學(xué)問題。

2.1 關(guān)鍵科學(xué)問題

1）城鄉(xiāng)混合有機垃圾好氧發(fā)酵過程中有機組分組成混雜，不同有機組分微生物代謝網(wǎng)絡(luò)不同，同種有機組分不同微生物代謝途徑亦不相同，導(dǎo)致好氧發(fā)酵過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)問題。

2）混合有機垃圾好氧發(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題，同時將會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)化機制，實現(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)問題。

3）混合有機垃圾好氧發(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、營養(yǎng)組成等特性差異性顯著。同時不同區(qū)域土壤生態(tài)學(xué)特性不同，對資源化產(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匹配機制，實現(xiàn)對“征”利用，是研究開展必需解決的另一關(guān)鍵科學(xué)問題。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)問題解析

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

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

3）發(fā)酵副產(chǎn)物風險控制及可持續(xù)利用過程控污關(guān)鍵技術(shù)。重點解決副產(chǎn)物風險指標精準識別—評估—預(yù)警、氣體捕捉濃縮—功能材料強化、熱能及揮發(fā)性氨再循環(huán)、浸出液營養(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“征”利用技術(shù)。重點解決資源化產(chǎn)物專用肥增質(zhì)深加工高質(zhì)化、資源化產(chǎn)物多屬性識別-多指標綜合評價、資源化產(chǎn)品屬性差異對“征”土壤利用關(guān)鍵技術(shù)。

2.3 研究體系的構(gòu)建

依據(jù)固廢資源化的國家需求，圍繞城鄉(xiāng)混合有機垃圾快速穩(wěn)定化及資源化利用目標，針對上述諸多技術(shù)瓶頸問題，從原理解析、源頭減量、過程增質(zhì)控污、末端分質(zhì)利用4個層面，將研究構(gòu)想設(shè)置5個重點內(nèi)容：

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

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

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

5）城鄉(xiāng)混合有機垃圾資源化產(chǎn)物高質(zhì)利用技術(shù)與裝備。研究總體設(shè)置以混合有機垃圾好氧發(fā)酵處理處置的源（有機垃圾分類收集源頭）、流（有機垃圾好氧發(fā)酵過程）、匯（資源化產(chǎn)物利用）為主線，以源頭減量、過程發(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，形成一個完整的體系（圖3）。

圖3 有機垃圾快速穩(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)問題解決思路

3.1 探究有機垃圾好氧發(fā)酵微生物代謝調(diào)控原理

針對城鄉(xiāng)混合有機垃圾好氧發(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)控不明等問題，基于好氧發(fā)酵有機組分微生物代謝網(wǎng)絡(luò)由紊亂至有序定向調(diào)控理念：

1）探究高效運行狀況下體系的微生態(tài)特性及碳基轉(zhuǎn)化節(jié)點物質(zhì)類型，揭示基于結(jié)構(gòu)韌性及彈性的高效菌群調(diào)控機理，解析碳基轉(zhuǎn)化平臺物質(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，建立多源混合有機垃圾好氧發(fā)酵過程仿真模型，搭建共性調(diào)控平臺，實現(xiàn)好氧發(fā)酵過程的實時精準預(yù)測，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)混合有機垃圾多源有機物源頭快速穩(wěn)定化技術(shù)及裝備

針對城鄉(xiāng)有機垃圾源頭水分含量高、快速穩(wěn)定化技術(shù)缺失、智能學(xué)習型裝備匱乏等問題，研究混合有機垃圾超微破碎—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—反饋調(diào)控等智能學(xué)習功能的一體式快速穩(wěn)定化技術(shù)裝備，開展工程示范：

1）闡明機械作用對顆粒組分轉(zhuǎn)化、微觀結(jié)構(gòu)與脫水效率的調(diào)控機制，解析生物轉(zhuǎn)化不同階段垃圾顆粒內(nèi)有機組分代謝網(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化手段，研發(fā)基于多階段菌劑復(fù)配強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)有機垃圾生物增強快速穩(wěn)定化技術(shù)。

3）開發(fā)城鄉(xiāng)混合有機垃圾資源化反饋預(yù)警智能學(xué)習系統(tǒng)及軟件，構(gòu)建智能學(xué)習一體化好氧發(fā)酵裝備，建立一套集技術(shù)、系統(tǒng)軟件和設(shè)備為一體的有機垃圾生物轉(zhuǎn)化智能學(xué)習裝備綜合體。

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

針對城鄉(xiāng)有機垃圾好氧發(fā)酵有機組分均質(zhì)性差、定向腐殖酸化技術(shù)匱乏、部分腐殖酸易損失等問題，在城鄉(xiāng)混合有機垃圾好氧發(fā)酵過程中引入微生物細胞微工廠理念，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、微生物強化等因素與難降解組分互動關(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)機制，揭示核心微生物碳泵定向腐殖酸化影響機制，研發(fā)微生物碳泵定向腐殖酸化限制因子動態(tài)補給調(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)機制，闡明生物炭、礦物質(zhì)等功能材料對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胞微工廠技術(shù)，開展工程示范，確保-20 ℃以下穩(wěn)定運行。

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

針對城鄉(xiāng)有機垃圾好氧發(fā)酵副產(chǎn)物風險不清、控制技術(shù)匱乏、可持續(xù)利用效率低等問題，開展副產(chǎn)物風險精確識別、預(yù)警、全過程風險控制和可持續(xù)資源化利用技術(shù)與裝備研究：

1）通過全過程監(jiān)測發(fā)酵副產(chǎn)物，明確氣液固相中典型污染物的時空分布規(guī)律，揭示生物轉(zhuǎn)化過程中副產(chǎn)污染物形成及轉(zhuǎn)化機制，基于嗅閾值、風險熵值建立副產(chǎn)物風險評估指標體系，構(gòu)建典型轉(zhuǎn)化模式的好氧發(fā)酵過程副產(chǎn)物風險評估模型。

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)，通過外源營養(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)制過程中百納米顆粒、中微量元素、無機養(yǎng)分等液相分散和協(xié)同作用規(guī)律，獲得精準調(diào)控制備百納米級液體肥的關(guān)鍵技術(shù)。

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

針對城鄉(xiāng)有機垃圾好氧發(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)酵過程營養(yǎng)補給生物轉(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，研制作物專用有機肥、有機生態(tài)修復(fù)劑深加工技術(shù)與裝備。

2）開展資源化產(chǎn)品屬性識別、評價研究，揭示資源化產(chǎn)物屬性與區(qū)域土壤生態(tài)特性匹配機制，集成多源資源化產(chǎn)物分質(zhì)對“征”利用技術(shù)體系。

3）開展示范區(qū)域土壤特性識別與資源化產(chǎn)物屬性優(yōu)選研究，建立優(yōu)選資源化產(chǎn)物對“征”示范工程，形成創(chuàng)新性商業(yè)化推廣模式平臺。通過上述研究，形成資源化產(chǎn)物增質(zhì)—功能屬性識別—適配性評價—對“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

通過本研究的完成，預(yù)期構(gòu)建混合有機垃圾好氧快速穩(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)物風險控制及可持續(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)酵有機組分快速穩(wěn)定化、腐殖化微生物細胞工廠定向調(diào)控機制，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“征”高質(zhì)利用機制。上述原理、機制的建立將極大豐富中國有機垃圾快速穩(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，將針對城鄉(xiāng)混合有機垃圾高質(zhì)資源化目標，以低碳、低能耗、低成本，易維護為理念，形成“源頭減量—過程增質(zhì)控污—末端資源化產(chǎn)物對“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)物風險防控等增質(zhì)控污過程控制技術(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)需求互補等末端對“征”利用技術(shù)體系。在技術(shù)集成示范層面，注重技術(shù)間互補性，針對示范區(qū)域氣候、社會經(jīng)濟條件、生態(tài)環(huán)境保護目標，開展規(guī)?；瘜Α罢鳌惫こ淌痉?。通過研究實施，將完成有機垃圾快速穩(wěn)定化與資源化利用系列技術(shù)標準、規(guī)范，豐富中國環(huán)境保護標準體系，為促進有機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)裝備總體達到國際先進水平，集成技術(shù)模式推廣后將促進相關(guān)行業(yè)進步，并為生產(chǎn)企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益。

4.2 社會、經(jīng)濟、生態(tài)效益

據(jù)統(tǒng)計，目前中國生活垃圾年產(chǎn)生量達4.0×108t，已成為全國城市一個重要的污染源。2017年3月國務(wù)院辦公廳發(fā)布《生活垃圾分類制度實施方案》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到35%以上，按此比例計算，有機垃圾資源化年處理量約為0.7×108t。因此，如果將有機垃圾進行資源化處理，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)濟生態(tài)效益[59]。

以國內(nèi)知名有機固廢處理企業(yè)為例（北京嘉博文生物科技有限公司），有機垃圾處理廠正式投產(chǎn)后，年消化混合有機垃圾約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；同時提供管理、技術(shù)人員固定就業(yè)機會約110人。按照有機垃圾資源化年處理量0.7×108t，需要建廠78個，減少污染排放總量約1.9×107t，解決數(shù)萬人就業(yè)問題，達到年產(chǎn)1.6×107t，售賣價格以1 600 元/t計，創(chuàng)收2.56×1010元，生態(tài)、社會、經(jīng)濟效益顯著。此外，中國是農(nóng)業(yè)大國，長期施用化肥造成土壤有機質(zhì)過度礦化，有機質(zhì)含量降低，多數(shù)有機質(zhì)含量在1%以下，與健康土壤有機質(zhì)需達到5%以上具有較大差距，因此有機肥需求量極大。目前有機肥施入土壤后對土壤有機質(zhì)的提升效率為每畝投入1.5 t，2年時間，可提升土壤有機質(zhì)0.1個百分點。中國耕地面積約2.0×109畝，三分之二的土壤有機質(zhì)含量不到1%，按照國際健康土壤有機質(zhì)含量5%計算，在保證有機質(zhì)不礦化的條件下，需要施用有機肥約3.2×1010t。因此，市場需求空間極大，經(jīng)濟、生態(tài)效益顯著。

綜上，生活垃圾分類已在全國范圍內(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。由于有機垃圾來源于大自然賦予人類的食物，經(jīng)過人類活動變成垃圾，經(jīng)生物轉(zhuǎn)化后回歸自然。因此，城鄉(xiāng)混合有機垃圾資源化處理不僅保證了中國城鄉(xiāng)生活垃圾分類網(wǎng)絡(luò)暢通，也實現(xiàn)了資源的可持續(xù)利用，具有重大的社會、經(jīng)濟、生態(tài)效益。