CN101255071A - 一种利用城市污泥生产磷细菌生物肥料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种成本低廉、环境友好型的生产磷细菌生物肥料的方法。该磷细菌生物肥料采用巨大芽孢杆菌(Bacillus megaterium)为生产菌种，以城市污泥作为生产基质，利用种子罐和发酵罐发酵培养而成。整个生长过程发酵周期缩短为36－40小时，芽孢形成率比一般方法提高了20％－40％，倒罐时发酵液活菌数可达到8－10亿个/mL，用烘干灭菌草炭吸附后活菌数可达到1.5－2.0亿个/g，而且，发酵后磷细菌肥料中镉、汞、铅、铬、砷等重金属含量大大低于发酵前。辣椒的田间实验结果表明，该磷细菌生物肥料能提高化肥的利用率，增产增收，对作物的株高、开展度、单果重、整齐度、分枝数和始收期等农艺性状均有积极作用，同时，综合抗病性也有所增强。

Description

一种利用城市污泥生产磷细菌生物肥料的方法
技术领域
本发明涉及一种生物肥料的生产方法，具体地说，本发明涉及一种利用城市污泥生产磷细菌生物肥料的方法。
背景技术
城市污泥是污水处理过程中必然产生的沉淀物。目前，我国城市污泥年产生量约700万吨干重，根据我国城市污水处理目标，预计到2010年污泥产生量将超过800万吨干重。如何妥善处置这些数量日益庞大、高度集中的有机固体废弃物，是城市污水处理厂最头痛的问题之一。
在国际上，现行污泥的处置方式主要有：填埋、土地利用、焚烧等，但它们都存在各自难以克服的缺陷，且也不能满足当前的实际需要。例如，污泥填埋处置占地面积大，合适的填埋场地正急剧减少，并且污泥中有害成分的渗漏会对地下水造成污染；污泥土地利用存在因污泥大量施用造成的重金属、有机污染物与病原体等物质污染食物链与威胁人类健康的问题；而污泥焚烧的投资成本和操作费用高，其处理成本是填埋、土地利用等处理方法的好几倍，并且技术要求高，容易产生二噁英等二次污染物。
在我国，目前城市污泥的主要处置方式是随意弃置与简单填埋，这不仅极大地浪费了污泥中大量的有机质和氮、磷等植物养分，并且已成为水土环境的新隐患，严重干扰了污水处理厂的正常运行。缺乏稳定、环境安全与经济有效的资源化技术是当前我国城市污泥所面临的实际现状。
磷素是农作物生长需要量较大的三要素之一。一般农田土壤中磷素含量丰富，然而这些磷素大多以植物不易吸收利用的难溶性有机态和无机态物质而存在，磷肥施用后也很快为土壤固定形成难溶性磷化合物。因此，我国耕地的2/3面积土壤缺磷，一般土壤中能为植物直接吸收利用的有效态磷素只占土壤全磷含量的2-3％。为此，利用磷细菌分解活化土壤中磷素物质，提高磷的生物有效性，具有重大开发应用价值。巨大芽孢杆菌(Bacillus megaterium)是目前应用最为广泛的磷细菌，也是微生物肥料企业生产微生物肥料的常规菌种。
由于大量化肥的施用，土壤板结，水质下降，农产品严重污染，整个农田生态环境和人们的生存环境受到影响，如何维持我国农业的可持续发展已经引起各级政府的高度重视。特别是我国加入WTO后，我国农业受到严峻挑战，要发展出口创汇农业，必须大力推进绿色食品和无公害食品的发展，作为生产绿色食品生产资料的微生物肥料，已成为农业部重点推广产品。但由于微生物肥料的技术含量高，生产难度大，在我国市场上高质量的产品还很少。具权威部门估计：在未来的五年内，微生物肥料的年需求量将达到化肥用量的30％，市场容量将达到4200万吨，而我国微生物肥料现在的年生产量不足100万吨，远远不能满足市场的需要。
磷细菌生物肥料的主要生产工艺是液体深层发酵，主要生产原料是蛋白胨、玉米粉、黄豆粉、淀粉、酵母膏等工农业产品，这些原料具有两个缺陷：一是成本较高；二是磷细菌在发酵罐中的发酵时间较长(一般为40-72小时)，芽孢形成率较低(一般为50-70％)。因此，在磷细菌生物肥料生产中，如何降低原料成本、缩短发酵时间、提高芽孢形成率，备受关注。例如，发明专利CN1225942A公开了一种生产微生物复合肥料的解磷芽胞菌深层发酵培养基，该培养基由豆芽汁、黄豆浸汁、豆饼粉、淀粉、玉米浆以及一些微量元素组成。据报道，采用该培养基，磷细菌的发酵周期可由40-72小时缩短至24-32小时，芽孢形成率由50-70％提高到95-99％，活菌数可达到1.5-2.5×109个/mL。然而，该培养基是由工农业原料组成的合成培养基，价格仍然较高。经文献与专利检索，在现有技术中还未发现利用城市污泥为原料发酵生产磷细菌生物肥料的报道。
因此，本发明的目的是提供一种成本低廉、发酵周期缩短、芽孢形成率较高的磷细菌生物肥料的生产方法。
发明内容
本发明的目的在于弥补现有技术中的不足，提供一种廉价的、质量符合《磷细菌肥料》农业标准(NY 412-2000)的磷细菌生物肥料的生产方法，在磷细菌生物肥料生产过程中实现城市污泥的资源化处置。
为了实现上述目的，本发明的利用城市污泥生产磷细菌生物肥料的方法，包括如下步骤：
(1)培养基调理：调节城市污泥的含固率为2-5％，加入1-5g/L消泡剂，用酸或碱调pH为6.5-8.0，搅拌均匀后，在种子罐或发酵罐中灭菌30-60分钟，冷却至30-35℃备用；
符合发酵条件的城市污泥的指标范围见表1：
表1 符合磷细菌生物肥料发酵生产条件的城市污泥的基本性状
  pH   含固率(％)   总碳(％)   总氮(％)   总磷(％)   镉mg/kg   汞mg/kg   铅mg/kg   铬mg/kg   砷mg/kg
  6.0-8.0   2-5   25-45   2-4   1-3   ≤5.0   ≤5.0   ≤300   ≤350  ≤75
(2)摇瓶培养：从保藏正常的巨大芽孢杆菌斜面培养基上挑取一环接种到装有牛肉膏蛋白胨液体培养基的摇瓶中，进行摇瓶培养；
(3)种子罐发酵：将巨大芽孢杆菌摇瓶菌液移入种子罐，接种量为1-3％，进行发酵培养8-12小时，条件为：罐温28-32℃，搅拌速度200-260转/分；
(4)发酵罐发酵：按2-5％的接种量将巨大芽孢杆菌种子液移种到发酵罐发酵培养36-40小时，发酵培养条件：罐温30-35℃，搅拌速度180-220转/分，
(5)发酵结束后，用磷酸将发酵液pH调为6.0-7.5，然后用烘干灭菌草炭进行吸附分装。
其中，所述城市污泥为污水处理过程中产生的沉淀物。
所述消泡剂为选自含硅泡敌XPJ960、聚醚消沫剂GPE、豆油的消泡剂之任一种或一种以上。
在步骤(1)中，所述用于调节pH的酸为选自磷酸、硫酸或盐酸之任一种或一种以上，所述用于调节pH的碱选自氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化钙之任一种或一种以上。
所述牛肉膏蛋白胨液体培养基的成分为牛肉膏5g/L、蛋白胨10g/L和自来水1000mL，其pH为7.2-7.5，灭菌在15磅压力与121℃下进行30-35分钟。
所述摇瓶培养条件为：温度30-35℃、转速150-250转/分，摇瓶装液量20-40％，培养时间12-18小时。
所述种子罐或发酵罐中的发酵培养条件为：罐压0.03-0.05MPa、通气量1∶1.0-1.2V/V/分。
所述吸附分装系用细度为80-100目的烘干灭菌草炭按菌液∶草炭＝1∶3-5的比例。
上述的g/L是指每1L培养基液体中加入目标物的克数；％是指每百份质量的培养基液体中接入接种物的质量份数；V/V/分是指每分钟向1份体积的培养基中通入空气的体积份数。
根据磷细菌生物肥料标准的要求，合格产品中有效活菌数≥1.5亿个/g，杂菌率≤10％，pH值为6.0-7.5，重金属含量没有超过农业部生物肥料行业标准NY227-94中的无害化指标。具体检验方法参照《磷细菌肥料》农业标准(NY 412-2000)。
本发明的技术原理是：以城市污泥所含的碳水化合物与蛋白质、磷以及微量元素为主要营养物质，在维持适宜pH、温度与通气量的条件下，巨大芽孢杆菌菌株得以生长与增殖，发酵液经草炭吸附后制成磷细菌生物肥料产品，产品中抗热性芽孢含量不低于1.5亿个/g，杂菌率低于10％，pH值为6.0-7.5。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)为城市污泥提供了一条崭新的资源化处置途径，同时降低了磷细菌生物肥料的生产成本。
(2)与现有污泥处置技术相比，本方法小仅处置了污泥，而且可获得附加值较高的磷细菌生物肥料产品，从而降低了污泥处理处置成本。
(3)现有磷细菌生物肥料的发酵原料主要是黄豆粉、蛋白胨、酵母膏、玉米粉、淀粉等，原料价格过高是其难于普及的主要限制因素之一。本发明中磷细菌主要依靠城市污泥中自身的可利用成分(糖分、蛋白质与矿质盐等)生长与增殖，添加的成分较少，大大降低了生产成本，从而促进环境友好型微生物肥料的推广应用。
(4)现有磷细菌生物肥料发酵生产中一个技术难题是芽孢形成率较低(一般50-70％)、发酵周期较长(一般40-72小时)。以城市污泥替代黄豆粉等常规原料，可以将芽孢形成率提高到90％以上，发酵罐中的发酵周期缩短到36-40小时，倒罐时发酵液活菌数可达到8-10亿个/mL，用烘干灭菌草炭吸附后活菌数可达到1.5-2.0亿个/g，符合农业部《磷细菌肥料》农业标准(NY 412-2000)中有效活菌数≥1.5亿个/g。
附图说明
图1为本发明磷细菌生物肥料的制备流程图。
具体实施方式
实施例1
(1)城市污泥样品
取上海市某污水处理厂的浓缩污泥，该污泥的基本性质见表2。
表2 供试污泥基本性质
  pH   含固率(％)   总碳(％)   总氮(％)   总磷(％)   镉mg/kg   汞mg/kg   铅mg/kg   铬mg/kg   砷mg/kg
  7.39   3.30   30.5   2.32   1.17   1.2   0.7   63   115   12
(2)污泥调理
用自来水调污泥含固率为3.0％，加入2.0g/L的消泡剂含硅泡敌XPJ960，用磷酸调pH至6.9，分别在种子罐与发酵罐中经15磅压力与121℃温度灭菌60分钟，冷却至35℃备用，灭后pH约为7.1。
(用其它消泡剂，如聚醚消沫剂GPE、豆油等，分别代替含硅泡敌XPJ960的消泡剂，其效果相同。)
(3)摇瓶培养
从巨大芽孢杆菌ACCC10010菌株的斜面上挑取一环接种到装有牛肉膏蛋白胨液体培养基的三角瓶中，进行摇瓶培养。培养条件为：温度30℃、转速200转/分，500mL三角瓶装液200mL培养基，培养时间12小时。牛肉膏蛋白胨液体培养基的成分为：牛肉膏5g/L，蛋白胨10g/L，自来水1000mL；pH 7.2-7.5，在15磅压力与121℃温度下灭菌30分钟。
(4)种子罐发酵
接种2.0％的上述摇瓶菌液，发酵培养。培养条件为：罐温30℃、罐压0.03MPa、通气量1∶1.0(V/V/分)、搅拌速度200转/分、发酵时间10小时。
(5)发酵罐发酵
接种2.0％的种子液到发酵罐。培养条件为：罐温30℃、罐压0.03MPa、通气量1∶1.0(V/V/分)、搅拌速度180转/分、发酵时间40小时。放罐时发酵液中巨大芽孢杆菌ACCC10010菌株的活菌数为9.7×108个/mL，芽孢数8.9×108个/mL，芽孢形成率92％，均显著高于常规牛肉膏蛋白胨液体培养基，其比较结果见表3。
表3 巨大芽孢杆菌ACCC10010菌株在污泥培养40小时的发酵参数及其与常规培养基的比较
  培养基   放罐时发酵液活菌数(个/mL)   放罐时芽孢数(个/mL)   芽孢形成率(％)
  城市污泥(含固率3.0％) 9.7×108 8.9×108 92％
  常规牛肉膏蛋白胨液体培养基 8.5×108 4.3×108 51％
(6)产品质量检验
发酵结束后，用磷酸将发酵液pH调为6.0，用细度为80目的烘干草炭按1∶4的比例吸附分装。经检验，产品中有效活菌数为1.76亿个/g，杂菌率低于10％，pH值为6.0，产品有效期大于2年。成品中重金属的检测结果见表4。
表4 成品中重金属检测结果
  镉Mg/kg   汞mg/kg   铅mg/kg   铬mg/kg   砷mg/kg
  0.3   0.2   15   24   2.1
磷细菌生物肥料成品中重金属含量都低于农业部生物肥料行业标准NY227-94的无害化指标。
所述磷细菌生物肥料的制备流程见图1。
实施例2
(1)城市污泥样品
城市污泥样品性质与表1相同。
(2)污泥调理
用自来水调污泥含固率为2.0％，加入1.0g/L的消泡剂聚醚消沫剂GPE，用磷酸调pH至6.8，分别在种子罐与发酵罐中经15磅压力与121℃温度灭菌60分钟，冷却至35℃备用，灭后pH约为7.0。
(3)摇瓶培养
菌株由巨大芽孢杆菌ACCC10010换成ACCC10099菌株，其余同实施例1。
(4)种子罐发酵
接种3.0％的上述摇瓶菌液，发酵培养。培养条件为：罐温35℃、罐压0.03MPa、通气量1∶1.0(V/V/分)、搅拌速度240转/分、发酵时间12小时。
(5)发酵罐发酵
接种5.0％的种子液到发酵罐。培养条件为：罐温35℃、罐压0.03MPa、通气量1∶1.2(V/V/分)、搅拌速度200转/分、发酵时间36小时。放罐时发酵液中活菌数为8.6×108个/mL，芽孢数8.1×108个/mL，芽孢形成率94％。
(6)产品质量检验
发酵结束后，用磷酸将发酵液pH调为6.0，用细度为80目的烘干草炭吸附分装。经检验，液体磷细菌生物肥料产品中有效活菌数为1.62亿个/g，杂菌率低于10％，pH值为6.0，产品有效期大于2年。成品中重金属检测结果见表5。
表5 成品中重金属检测结果
  镉mg/kg   汞mg/kg   铅mg/kg   铬mg/kg   砷mg/kg
  0.2   0.2   18.1   16.8   1.6
磷细菌生物肥料成品中重金属含量都低于农业部生物肥料行业标准NY227-94的无害化指标。
实施例3
(1)城市污泥样品
取广东省广州市某污水处理厂的浓缩污泥，该污泥的基本性质见表6。
表6 供试污泥基本性质
  pH   含固率(％)   总碳(％)   总氮(％)   总磷(％)   镉mg/kg   汞mg/kg   铅mg/kg   铬mg/kg   砷mg/kg
  6.65   4.30   28.2   2.51   0.98   0.95   6.9   35.1   328   4.2
(2)污泥调理
用自来水调节城市污泥含固率为4.0％，加入3g/L的消泡剂含硅泡敌XPJ960，用氢氧化钠调pH至6.8，分别在种子罐与发酵罐中经15磅压力与121℃温度灭菌60分钟，冷却至32℃备用，灭菌后pH约为7.2。
(3)摇瓶培养
从巨大芽孢杆菌ACCC10099斜面上挑取一环接种到装有牛肉膏蛋白胨液体培养基的三角瓶中，进行摇瓶培养。培养条件为：温度32℃、转速200转/分，500mL三角瓶装液150mL培养基，培养时间15小时。牛肉膏蛋白胨液体培养基的成分为：牛肉膏5g/L，蛋白胨10g/L，自来水1000mL；pH 7.2-7.5，经15磅压力与121℃温度灭菌30分钟。
(4)种子罐发酵
接种1％的上述摇瓶菌液，发酵培养。培养条件为：罐温32℃、罐压0.04MPa、通气量1∶1.2(V/V/分)、搅拌速度250转/分、发酵时间8小时。
(5)发酵罐发酵
接种2％的种子液到发酵罐。培养条件为：罐温32℃、罐压0.04MPa、通气量1∶1.1(V/V/分)、搅拌速度180转/分、发酵时间38小时。放罐时发酵液中活菌数为1.12×109个/mL，抗热性芽孢数1.09×109个/mL，芽孢形成率97％，显著高于常规牛肉膏蛋白胨液体培养基，其比较结果见表7。
表7 巨大芽孢杆菌ACCC10099菌株在污泥培养38小时的发酵参数及其与常规培养基的比较
  培养基   放罐时发酵液活菌数(个/mL)   放罐时芽孢数(个/mL)   芽孢形成率(％)
  城市污泥(含固率4.0％)   1.12×109   1.09×109   97％
  常规牛肉膏蛋白胨液体培养基   9.3×108   5.67×108   61％
(6)产品质量检验
发酵结束后，用磷酸将发酵液pH调为6.0，用细度为80目的烘干草炭吸附分装。经检验，磷细菌生物肥料产品中有效活菌数为1.97亿个/g，杂菌率低于10％，pH值为6.0，产品有效期大于2年。成品中重金属检测结果见表8。
表8 成品中重金属检测结果
  镉mg/kg   汞mg/kg   铅mg/kg   铬mg/kg   砷mg/kg
  0.06   1.1   6.8   58   0.7
磷细菌生物肥料成品中重金属含量都低于农业部生物肥料行业标准NY227-94的无害化指标。
实施例4：
辣椒田间试验效果
试验处理；
A 30％的复合肥50kg/亩
B 30％的复合肥35kg/亩+磷细菌生物肥料5kg/亩，混合后立即施用；
小区面积20m2，设3次重复，随机区组排列。所有试验处理均作基肥，后期追肥及管理相同。数据统计方法：产量数据用新复极差法检验显著性。
表9 磷细菌生物肥料对辣椒产量的影响
Figure A20071003776000101
表9 试验结果表明，与习惯施肥相比，复合肥与磷细菌生物肥料混合施用产量提高10.66％，增产效果明显。
表10 不同处理对辣椒综合性状的影响
处理   株高cm   开展度cm   单果重Kg   整齐度％   分支数个/株   分枝节位cm   综合抗病性
  A   61.2   59.2   0.048   75   25.33   12.6   中
  B   65.6   61.2   0.059   89   27.8   11.8   较强
  B-A   4.4   2   0.011   14   2.47   0.8   -
表10试验结果表明，处理B与处理A相比，株高分别增高4.4cm，开展度分别增加2.0cm，单果重增加11g，整齐度分别提高14％，分枝数分别增加2.47，分枝节位高度分别降低0.8cm，始收期提前2天，综合抗病性也有所增强。
由此可见，利用城市污泥生产的磷细菌生物肥料不仅能促进作物生长，提高作物产量，而且能够有效降低化肥用量，减少环境污染和资源浪费。

Claims (10)

1. 一种利用城市污泥生产磷细菌生物肥料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)培养基调理：调节城市污泥的含固率为2-5％，加入1-5g/L消泡剂，用酸或碱调pH为6.5-8.0，搅拌均匀后，在种子罐或发酵罐中灭菌30-60分钟，冷却至30-35℃备用；
(2)摇瓶培养：从保藏正常的巨大芽孢杆菌斜面培养基上挑取一环接种到装有牛肉膏蛋白胨液体培养基的摇瓶中，进行摇瓶培养；
(3)种子罐发酵：将巨大芽孢杆菌摇瓶菌液移入种子罐，接种量为1-3％，进行发酵培养8-12小时，条件为：罐温28-32℃，搅拌速度200-260转/分；
(4)发酵罐发酵：按2-5％的接种量将巨大芽孢杆菌种子液移种到发酵罐发酵培养36-40小时，发酵培养条件：罐温30-35℃，搅拌速度180-220转/分；
(5)发酵结束后，用磷酸将发酵液pH调为6.0-7.5，然后用烘干灭菌草炭进行吸附分装。
2. 如权利要求1所述的利用城市污泥生产磷细菌生物肥料的方法，其特征在于，所述城市污泥为污水处理过程中产生的沉淀物。
3. 如权利要求1所述的利用城市污泥生产磷细菌生物肥料的方法，其特征在于，所述消泡剂为选自含硅泡敌XPJ960、聚醚消沫剂GPE、豆油的消泡剂之任一种或一种以上。
4. 如权利要求1所述的利用城市污泥生产磷细菌生物肥料的方法，其特征在于，在步骤(1)中所述用于调节pH的酸为选自磷酸、硫酸或盐酸之任一种或一种以上。
5. 如权利要求1所述的利用城市污泥生产磷细菌生物肥料的方法，其特征在于，在步骤(1)中所述用于调节pH的碱选自氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化钙之任一种或一种以上。
6. 如权利要求1所述的利用城市污泥生产磷细菌生物肥料的方法，其特征在于，所述牛肉膏蛋白胨液体培养基的成分为：牛肉膏5g/L，蛋白胨10g/L，自来水1000mL。
7. 如权利要求1所述的利用城市污泥生产磷细菌生物肥料的方法，其特征在于，所述牛肉膏蛋白胨液体培养基调理pH为7.2-7.5，灭菌在15磅压力与121℃下进行30-35分钟。
8. 如权利要求1所述的利用城市污泥生产磷细菌生物肥料的方法，其特征在于，所述摇瓶培养条件为：温度30-35℃、转速150-250转/分，摇瓶装液量20-40％，培养时间12-18小时。
9. 如权利要求1所述的利用城市污泥生产磷细菌生物肥料的方法，其特征在于，所述种子罐或发酵罐中的发酵培养条件为：罐压0.03-0.05MPa、通气量1∶1.0-1.2V/V/分。
10. 如权利要求1所述的利用城市污泥生产磷细菌生物肥料的方法，其特征在于，所述吸附分装系用细度为80-100目的烘干灭菌草炭按菌液∶草炭＝1∶3-5的比例。
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