CN101864362A - 一种复合微生物菌剂及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于环保技术领域，公开了一种复合微生物菌剂及其应用。该复合微生物菌剂由地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)、恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)、阴沟肠杆菌(Enterobacter cloacae)和粗状假丝酵母(Candida valida)4种菌的发酵液组成。本发明提供的复合微生物菌剂，对各类纤维素、蛋白质以及脂肪类大分子具有很强的消化能力。添加该复合微生物菌剂至剩余污泥和/或厨余垃圾可以加速产甲烷菌的富集，缩短厌氧消化时间，提高沼气产量，并且四种微生物菌株的协同效果优于任意一株、两株或三株微生物的作用。

Description

一种复合微生物菌剂及其应用

技术领域

本发明属于环保技术领域，涉及一种复合微生物菌剂及其应用，具体涉及一种具有生物降解剩余污泥和/或厨余垃圾，促进剩余污泥和/或厨余垃圾厌氧发酵产气沼气能力的复合微生物菌剂及其应用。

背景技术

近年来，随着我国经济的持续快速发展，能源短缺与环境污染已成为我国实现可持续发展的两大瓶颈。在目前所用的能源中95％为化石能源，如石油、煤炭、天然气等，这些矿物燃料都是不可再生能源，化石能源的不断消耗，不仅使这种不可再生的资源显得捉襟见肘，而且它们的大量使用也同时造成了严重的环境污染。哥本哈根会议上，我国政府承诺到2020年单位GDP的二氧化碳排放将比2005年下降40％至45％。这一具有挑战性的目标，表明了我国的决心和信心。从固体废弃物中提炼出甲烷或氢气等可再生清洁能源，既能部分满足我国的能源需求，又一定程度上可化解环境污染。用沼气替代普通化石燃料可以有效避免大气污染与温室效应等环境问题。

另一方面随着我国城市化进程和小城镇建设步伐加快以及人口增加，公众对环境质量的要求日益提高，大量的污水处理厂不断建成并投入使用，随之而来的污泥量也越来越大。目前行业内对于污泥的年产量统计虽然没有达成共识，但规模已经相当大，大约在2000～3000万吨/年。但是长期以来，我国存在着重废水处理，轻污泥处理的倾向，目前我国污泥处理处置技术还处于起步阶段，成熟技术不多，主要有填埋、焚烧、投海及土地利用等传统处理模式。污水处理厂中污泥未经任何处理直接农用的约占60％以上，即使在设有消化池的污水处理厂，消化后的污泥也只是稍加脱水就直接农用或填埋。尽管国家花费了大量人力、物力和财力处理了污水，但由于未经恰当处理处置的这些污泥进入环境后，直接给水体和大气带来二次污染，对生态环境和人类活动构成了严重威胁。所以对污泥的减量化、稳定化、无害化和资源化的研究和实践都变得尤为重要和迫切。

厨余垃圾指的是在居民日常生活以及食品加工中产生的食物废料，主要来源于学校食堂、超市、餐馆等餐饮服务业以及农贸市场等地点。近年来，随着我国城市人民生活水平的提高，厨余垃圾的产生量迅速增加。据统计，国内主要城市的厨余垃圾产生量均已超过1000吨/年。然而，由于我国城市生活垃圾分类体系尚不完善，数量巨大的厨余垃圾进入其他城市生活垃圾处理体系中，对现有的城市生活垃圾收运和处理处置产生了许多不良影响。

厨余垃圾和大多数污水处理厂的剩余污泥可以通过厌氧发酵处理产生沼气，成为一种优质洁净的能源，这种厌氧发酵制取沼气能源已经成为非常看好的途径，国内外都进行了大量研究。沼气发酵是由多种产甲烷菌和非产甲烷菌混合共同发酵完成的。沼气发酵的第一阶段由厌氧和兼性厌氧的水解性细菌或发酵性细菌将纤维素、淀粉、蛋白质脂类等大分子物质水解成单糖、氨基酸和脂肪酸等小分子，进一步代谢成为丙酸、乙酸、丁酸、乙醇等；第二阶段由产氢产乙酸细菌群利用第一阶段产生的有机酸生成乙酸和H₂；第三阶段则由严格厌氧的产甲烷菌群利用乙酸、甲酸、CO₂、H₂等生成甲烷。在这个庞杂的混合发酵体系中，非产甲烷菌与产甲烷菌相互协同，前者为后者提供生长和产甲烷所需的基质，创造适宜的氧化还原条件，并清除有毒物质；产甲烷菌则为非产甲烷菌的生化代谢反应解除反馈抑制，创造热力学上的有利条件。

当前相关专利中利用的有机废弃物主要集中在秸秆，如专利申请号为200510077792.3“复合菌剂预处理秸秆的沼气发酵方法”中公开了一种秸秆预处理后产沼气的方法，能使初始产气时间减少50％，产气速率提高30％，又如专利申请号为200810158002.8“秸秆分解和低温产沼气双功能复合菌剂的应用”中公开了一种直接在秸秆中投加复合菌剂产沼气的方法，能使启动时间缩短5-12天，平均日产气量提高30％-50％。迄今为止，还未见在剩余污泥和/或厨余垃圾中普遍适应且能极大促进沼气产气量的复合微生物菌剂直接加入剩余污泥和/或厨余垃圾中促进沼气发酵的相关报道。

南京加德绿色能源研发有限公司拥有一项选择特定功能微生物降解目标物质的“计算机辅助菌种选择技术(Computer-Assisted Strain Construction and Development Engineering：CASCADE)，它可将微生物新陈代谢途径中遗传与化学信息相关联，应用基于计算机知识模式搜索的筛选思路，对符合降解目标的特定微生物的代谢能力进行评定，从中选择最优的微生物菌种，最大化产生所期望的目标产物。本发明所提供的复合菌剂即通过应用该技术后得到的。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的上述不足，提供一种复合微生物菌剂，直接投加到剩余污泥和/或厨余垃圾中，使得发酵和产沼气速度加快，初始产气时间缩短40％-72％，产气速率提高100％-250％，产气量较不加菌增加100％-150％，并且四种微生物菌株的协同作用效果优于任意一株、两株或三株微生物的作用。

本发明的另一目的是提供该复合微生物菌剂在生物降解污水处理厂剩余污泥和/或厨余垃圾产甲烷中的应用。

一种复合微生物菌剂，其特征在于该复合微生物菌剂主要由地衣芽孢杆菌(Bacilluslicheniformis)发酵液、恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)发酵液、阴沟肠杆菌(Enterobacter cloacae)发酵液和粗状假丝酵母(Candida valida)发酵液组成，所述4种微生物采用常规发酵制备，以上4种发酵液中有效活菌数分别都在10¹⁰个/毫升以上。

所述的复合微生物菌剂中4种菌的发酵液配比如下：地衣芽孢杆菌发酵液1～25重量份，恶臭假单胞菌发酵液1～15重量份，阴沟肠杆菌发酵液3～20重量份，粗状假丝酵母发酵液1～20重量份；优选复合微生物菌剂中4种菌的发酵液配比如下：地衣芽孢杆菌发酵液1～15重量份，恶臭假单胞菌发酵液3～7重量份，阴沟肠杆菌发酵液8～12重量份，粗状假丝酵母发酵液5～14重量份，以上4种菌的发酵液中有效活菌数分别都在10¹⁰个/毫升以上。

所述的复合微生物菌剂在生物降解污水处理厂剩余污泥和/或厨余垃圾产甲烷中的应用。

利用所述的复合微生物菌剂生物降解污水处理厂剩余污泥和/或厨余垃圾产甲烷的方法是将所述复合微生物菌剂与加入产甲烷接种物的剩余污泥和/或厨余垃圾混合，降解剩余污泥和/或厨余垃圾促进产沼气。

所述的产甲烷接种物选自粪坑沉渣、沼气池底沼渣、污水处理厂厌氧消化池底污泥或垃圾填埋场污泥中的任一种或多种。

所述的剩余污泥和/或厨余垃圾需补充水份将总固体浓度调整到2％-7％，进行湿式厌氧发酵产沼气。

应用方法一：

上述复合微生物菌剂的应用，对于以厨余垃圾为原料的厌氧发酵，具体步骤如下：

1、选用来自食堂的厨余垃圾，主要组成为米饭、肉类、蔬菜等，剔除骨头等硬物后用粉碎机将其充分粉碎，通过添加水调节其总含固率为2％-7％。

2、将第一步所得厨余垃圾与水的混合物加入厌氧消化罐中，加入量为消化罐容积的60％-70％(v/v)，加入消化罐容积10％-20％(v/v)的产甲烷接种物，加水至消化罐容积的70％～90％，调节pH至7.4-7.9。

3、最后，加入本发明的复合微生物菌剂，加入量为消化罐容积的0.5％-1％(v/v)，搅拌均匀，封盖，保持发酵温度在35℃左右，每10h搅拌一次。

应用方法二：

上述复合微生物菌剂的应用，对于以剩余污泥为原料的厌氧发酵，具体步骤如下：

1、选用污水处理厂剩余污泥，加水调整其总含固率为2-7％。

2、将第一步所得总含固率为2-7％的污泥加入厌氧消化罐中，加入量为消化罐容积的60％-70％(v/v)，加入消化罐容积10-20％(v/v)的产甲烷接种物，加水至消化罐容积的70％～90％，调节pH至7.4-7.8。

3、最后，加入本发明的复合微生物菌剂，加入量为消化罐容积的0.8％-1.6％(v/v)，搅拌均匀，封盖，保持发酵温度在35℃左右，每10h搅拌一次。

在以上应用方法中没有特别限定的，按本领域常规技术选择即可。

本发明的有益效果：

本专利通过对4种性能优异的微生物菌株的有机组合，制成复合微生物菌剂，该复合微生物菌剂对各类纤维素、蛋白质以及脂肪类大分子具有很强的消化能力。

本发明复合微生物菌剂能广泛应用于剩余污泥和/或厨余垃圾，克服了现有技术中只针对单一有机废弃物的问题。

本发明复合微生物菌剂处理剩余污泥和/或厨余垃圾，可以加速产甲烷菌的富集，缩短厌氧消化时间，多个实验结果表明，采用该复合微生物菌剂生物降解污水处理厂剩余污泥和/或厨余垃圾产生沼气效果良好，初始产气时间较不添加复合微生物菌剂缩短40％-72％。

本发明复合微生物菌剂可显著提高产气速率和产气量，产气速率较不添加组提高100％-250％，产气量较不加菌增加100％-150％。

本发明复合微生物菌使用呈现协同效应，即四株菌同时使用时产气效果远优于任意一株、两株或三株菌的使用。

本发明复合微生物菌剂使用简单，只需直接添加入需处理的剩余污泥和/或厨余垃圾即可。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做详细说明，实施例中未详细说明的均按本领域现有技术选择。

实施例1发酵液的制备

本实施例仅以地衣芽孢杆菌(ATCC21416)、恶臭假单胞菌(ATCC15070)、阴沟肠杆菌(ATCC12666)和粗状假丝酵母(ATCC10642)为例对发明的具体内容做详细描述，并不限制本发明复合微生物菌剂中四种微生物来源的选择。

(1)将以上地衣芽孢杆菌(ATCC21416)、恶臭假单胞菌(ATCC15070)、阴沟肠杆菌(ATCC12666)和粗状假丝酵母(ATCC10642)分别活化至各自的保藏用斜面培养基，28-37℃培养16-24小时。

四种微生物的保藏用斜面培养基配方如下：

地衣芽孢杆菌采用培养基：蛋白胨10克，葡萄糖5克，酵母膏5克，氯化钠10克，硫酸锰1克，琼脂15克，自来水1000毫升，pH＝7.2；

恶臭假单胞菌采用培养基：葡萄糖20克，蛋白胨5克，硝酸钠3克，磷酸氢二钾2克，琼脂15克，自来水1000毫升，pH＝7.0；

阴沟肠杆菌采用培养基：葡萄糖20克，牛肉膏10克，氯化铵3克，七水硫酸镁0.3克，氯化钠0.3克，磷酸氢二钾1.5克，琼脂15克，自来水1000毫升，pH＝7.2；

粗状假丝酵母菌种采用培养基：糖蜜100克，硫酸铵1克，尿素1克，磷酸0.6毫升，琼脂15克，自来水1000毫升，pH自然。

(2)将活化好的菌种分别接种于各自液体培养基中，28-37℃，150转/分培养16-20小时至对数生长期，得到种子液。

四种微生物的液体培养基配方与斜面培养基配方相同，配制过程中不需添加琼脂。

(3)种子罐200升，装料量150升，分别按上述4种微生物液体培养基配方投料，然后121℃灭菌20分钟，冷却后分别加入1.5升上述培养至对数期的种子液，培养温度28-37℃，搅拌转速120转/分，通气量1∶1.2(与发酵液体积比)，培养14-18小时至对数期，得发酵种子液。

(4)生产发酵罐2000升，装料量1500升，生产罐培养基配方同种子罐培养基，然后121℃灭菌20分钟，冷却后分别加入150升上述发酵种子液。各菌株的发酵条件分别为：地衣芽孢杆菌，发酵培养温度37℃，转速200转/分，通气量1∶1.3(与发酵液体积比)，培养时间30小时；恶臭假单胞菌，发酵培养温度30℃，转速180转/分，通气量1∶1(与发酵液体积比)，培养时间20小时；阴沟肠杆菌，发酵培养温度35℃，转速150转/分，通气量1∶1(与发酵液体积比)，培养时间18小时；粗状假丝酵母，发酵培养温度28℃，转速200转/分，通气量1∶1.4(与发酵液体积比)，培养时间22小时。

以上4种菌的发酵液中有效活菌数分别都在10¹⁰个/毫升以上。

实施例2利用复合微生物菌剂处理剩余污泥厌氧发酵产沼气

1、实施例1制备的四种微生物发酵液按如下重量份混合均匀成为复合微生物菌剂：地衣芽孢杆菌发酵液8重量份，恶臭假单胞菌发酵液5重量份，阴沟肠杆菌发酵液10重量份，粗状假丝酵母发酵液7重量份。

2、选用污水处理厂剩余污泥530kg(湿重，总含固率为19.1％)，平均分成5份，每份加水400kg调整其总含固率为4％，混合均匀。

3、将步骤2所得液体混合物分别加入5个相同的600L厌氧消化罐中(每个消化罐加入420L液体混合物)，分别加入消化罐容积10％的产甲烷接种物(选自污水处理厂厌氧消化池底污泥)，加水至消化罐容积的90％，调节pH至7.4。

4、分别向5个厌氧消化罐中加入以下微生物发酵液或微生物发酵液混合物各8000mL：(1)地衣芽孢杆菌发酵液，(2)地衣芽孢杆菌发酵液和恶臭假单胞菌发酵液，(3)地衣芽孢杆菌发酵液、恶臭假单胞菌发酵液和阴沟肠杆菌发酵液，(4)步骤1制备的复合微生物菌剂，(5)空白对照加入等量的水。然后搅拌均匀，封盖，保持35℃恒温厌氧发酵，每10小时搅拌一次，定时记录产气量。5个厌氧消化罐产气情况如表1所示：

表1复合微生物菌剂处理剩余污泥产沼气

实施例3利用复合微生物菌剂处理厨余垃圾厌氧发酵产沼气

1、实施例1制备的四种微生物发酵液按如下重量份混合均匀成为复合微生物菌剂：地衣芽孢杆菌发酵液11重量份，恶臭假单胞菌发酵液6重量份，阴沟肠杆菌发酵液8重量份，粗状假丝酵母发酵液14重量份。

2、选用来自食堂的厨余垃圾130kg(湿重，总含固率为24.5％)，主要组成为米饭、肉类、蔬菜等，剔除骨头等硬物后用粉碎机将其充分粉碎，平均分成2份。

3、向每份粉碎的厨余垃圾中分别加水200kg调节其总含固率为6％，充分搅拌均匀。

4、将步骤3所得液体混合物加入600L厌氧消化罐中，加入消化罐容积15％的产甲烷接种物(选自沼气池池底沼渣)，加水至消化罐容积的80％，调节pH至7.4-7.9。

5、在其中一个厌氧消化罐中加入步骤1中制备的复合微生物菌剂5000mL，另一个作空白对照加入等量的水，搅拌均匀，封盖，保持35℃恒温厌氧发酵，每10h搅拌一次，定时记录产气量。2个厌氧消化罐产气情况如表2所示：

表2复合微生物菌剂处理厨余垃圾产沼气

实施例4利用复合微生物菌剂处理厨余垃圾及污泥厌氧发酵产沼气

1、实施例1制备的四种微生物发酵液按如下比例混合均匀成为复合微生物菌剂：地衣芽孢杆菌发酵液6重量份，恶臭假单胞菌发酵液4重量份，阴沟肠杆菌发酵液12重量份，粗状假丝酵母发酵液12重量份。

2、选用来自食堂的厨余垃圾150kg，主要组成为米饭、肉类、蔬菜等，剔除骨头等硬物，后用粉碎机将其充分粉碎，与来自污水处理厂剩余污泥70kg充分混合均匀(测定其总含固率为20.5％)，平均分成2份，每份加水340kg调整其总含固率为5％，混合均匀。

3、分别将步骤2所得液体混合物400L加入两个相同的600L厌氧消化罐中，分别加入消化罐容积12％的产甲烷接种物(选自沼气池底沼渣)，加水至消化罐容积的80％，调节pH至7.4-7.9。

4、在其中一个厌氧消化罐中加入1中制备的复合微生物菌剂6000mL，另一个作空白对照加入等量的水，搅拌均匀，封盖，保持35℃恒温厌氧发酵，每10h搅拌一次，定时记录产气量。2个厌氧消化罐产气情况如表3所示：

表3复合微生物菌剂处理厨余垃圾及污泥产沼气

实施例5

实施例1制备的四种微生物发酵液按如下比例混合均匀成为复合微生物菌剂：地衣芽孢杆菌发酵液1重量份，恶臭假单胞菌发酵液3重量份，阴沟肠杆菌发酵液9重量份，粗状假丝酵母发酵液5重量份。

按照实施例3的方法利用本实施例制备的复合微生物菌剂处理厨余垃圾产沼气，产气情况如表4：

表4复合微生物菌剂处理厨余垃圾产沼气

实施例6

实施例1制备的四种微生物发酵液按如下比例混合均匀成为复合微生物菌剂：地衣芽孢杆菌发酵液5重量份，恶臭假单胞菌发酵液15重量份，阴沟肠杆菌发酵液8重量份，粗状假丝酵母发酵液10重量份。

按照实施例2的方法利用本实施例制备的复合微生物菌剂处理污水处理厂剩余污泥产沼气，产气情况如表5：

表5复合微生物菌剂处理污泥产沼气

实施例7

实施例1制备的四种微生物发酵液按如下比例混合均匀成为复合微生物菌剂：地衣芽孢杆菌发酵液15重量份，恶臭假单胞菌发酵液7重量份，阴沟肠杆菌发酵液14重量份，粗状假丝酵母发酵液20重量份。

按照实施例2的方法利用本实施例制备的复合微生物菌剂处理污水处理厂剩余污泥产沼气，产气情况如表6：

表6复合微生物菌剂处理污泥产沼气

实施例8

实施例1制备的四种微生物发酵液按如下比例混合均匀成为复合微生物菌剂：地衣芽孢杆菌发酵液25重量份，恶臭假单胞菌发酵液10重量份，阴沟肠杆菌发酵液20重量份，粗状假丝酵母发酵液18重量份。

按照实施例4的方法利用本实施例制备的复合微生物菌剂处理厨余垃圾和污水处理厂剩余污泥产沼气，产气情况如表7：

表7复合微生物菌剂处理厨余垃圾及污泥产沼气

Claims (7)

1.一种复合微生物菌剂，其特征在于该微生物菌剂主要由地衣芽孢杆菌(Bacilluslicheniformis)发酵液、恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)发酵液、阴沟肠杆菌(Enterobacter cloacae)发酵液和粗状假丝酵母(Candida valida)发酵液组成，以上4种发酵液中有效活菌数分别都在10¹⁰个/毫升以上。

2.根据权利要求1所述的复合微生物菌剂，其特征在于所述的复合微生物菌剂中4种菌的发酵液配比如下：地衣芽孢杆菌发酵液1～25重量份，恶臭假单胞菌发酵液1～15重量份，阴沟肠杆菌发酵液3～20重量份，粗状假丝酵母发酵液1～20重量份，以上4种菌的发酵液中有效活菌数分别都在10¹⁰个/毫升以上。

3.根据权利要求2所述的复合微生物菌剂，其特征在于所述的复合微生物菌剂中4种菌的发酵液配比如下：地衣芽孢杆菌发酵液1～15重量份，恶臭假单胞菌发酵液3～7重量份，阴沟肠杆菌发酵液8～12重量份，粗状假丝酵母发酵液5～14重量份，以上4种菌的发酵液中有效活菌数分别都在10¹⁰个/毫升以上。

4.权利要求1所述的复合微生物菌剂在生物降解污水处理厂剩余污泥和/或厨余垃圾产甲烷气体中的应用。

5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于利用所述的复合微生物菌剂生物降解污水处理厂剩余污泥和/或厨余垃圾产甲烷的方法是将所述复合微生物菌剂与加入产甲烷接种物的剩余污泥和/或厨余垃圾混合，降解剩余污泥和/或厨余垃圾促进产沼气。

6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于所述的产甲烷接种物选自粪坑沉渣、沼气池底沼渣、污水处理厂厌氧消化池底污泥或垃圾填埋场污泥中的任一种或多种。

7.根据权利要求5所述的应用，其特征在于所述的剩余污泥和/或厨余垃圾需补充水份将总固体浓度调整到2％-7％，进行湿式厌氧发酵产沼气。