CN102373163A - 高温好氧发酵细菌、及其在生活垃圾及污泥等固体废弃物减量化、资源化上的应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微生物领域，具体地，本发明涉及高温好氧发酵细菌、及其在生活垃圾及污泥等固体废弃物减量化、资源化上的应用。本发明筛选到的菌株分别是芽孢杆菌(Bacillus sp.)、假单胞菌(Pseudomonas sp.)和栖热菌(Thermus sp.)，其保藏编号分别为CGMCC NO.4020、CGMCC NO.4021和CGMCC NO.4022。本发明通过原位多点采样法筛选出多株微生物，克服了单点采样培养成的菌液稳定性差的难点；通过大量的单因素以及正交实验，实现了菌株的选优并掌握了复合菌剂最佳的生长条件；高温菌在生活垃圾及污泥等固体废弃物处理上的成功应用，解决了垃圾、污泥等固体废弃物处理技术瓶颈难题，实现了快速减量以及资源化处理垃圾的目的。

Description

高温好氧发酵细菌、及其在生活垃圾及污泥等固体废弃物减量化、资源化上的应用

技术领域

本发明涉及微生物领域，具体地，本发明涉及高温好氧发酵细菌、及其在生活垃圾及污泥等固体废弃物减量化、资源化上的应用。

背景技术

随着社会经济的快速发展和人民生活水平不断提高以及人口的迅速增长，相应而生的城市生活垃圾量也不断增加，垃圾产生与消纳之间的矛盾日趋突出，全国垃圾堆存侵占土地面积高达5亿平方米。垃圾堆放场接近饱和，处理能力严重不足且又不符合标准化垃圾处理的需求，对周边环境污染较大，急需减量化、资源化高效处理垃圾的新技术。

目前，能够对垃圾进行无害化、减量化和资源化处理处置的工业化处理技术主要有卫生填埋、堆肥、焚烧等。从技术工艺角度分析，各系统所追求的目标一致，但各有利弊，技术难易程度差异较大。综合系统分析各地经济、财力、管理和承受力等多种因素，判断城市垃圾处理技术的可行性是非常必要的。

垃圾的卫生填埋处理技术具有抗冲击负荷强、处理量大、单位投资小、运行管理成熟等优点，但近年来，由于各地垃圾产量不断增加，开辟新的填埋场因受土地使用限制而日益发生困难，在这种情况下，各国都谋求采用有效技术措施，提高现有场地的消纳能力，延长其使用周期。此外填埋占地面积大，永久性占用土地，且填埋对地下水始终存在着较大的安全隐患；垃圾焚烧法会产生二次污染，尤其是高毒性的三致(致癌、致畸、致突变)二恶英(Dioxins)类气体，危害人类健康；堆肥法，常规的堆肥法不封闭，恶臭污染严重，严重影响整个厂区环境及周边环境。且由于氮、磷、钾的流失，堆出的肥料半生不熟，肥力下降。

因此对于城市垃圾处理，有必要在现有的工艺上进行进一步的改进，以实现垃圾处理的减量化、无害化、资源化。高温菌垃圾处理技术是目前具有很好发展前途的生活垃圾及污泥等固体废弃物的处理技术。

高温菌垃圾处理技术是指利用自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物或人工接种剂，在人工控制的条件下，保证一定的含水率、供氧量等，使垃圾中可生物降解的有机废物转化为具有良好稳定性的类似腐殖质物质的一种方法。高温菌垃圾处理技术不仅解决有机垃圾污染问题，所产生的有机肥可用于土壤施肥或改良土质，而且经高温发酵后，病源微生物和病毒将被杀灭，保证了资源化产品的使用安全性和剩余残渣的无害化处理。

高温菌垃圾处理技术主要用于厨余垃圾、污泥、植物落叶等固体废弃物的处理，根据微生物对其的降解性，分成可生物降解、难生物降解和不可生物降解三大类。作为一个整体，微生物分解有机物的能力是惊人的。可以说，凡是自然界存在的有机物，几乎都能被微生物分解。有些菌种，如洋葱假单胞菌(Pseudomonas cepacia)甚至能降解90种以上的有机物，它能利用其中任何一种有机物作为唯一的碳源进行代谢。而且一些微生物能通过自身的分解转化作用将许多有机废物转变成可利用的物质，实现废弃物的资源化利用，并能节约垃圾填埋所占土地，减轻垃圾焚烧对大气的污染。但是关于高温菌在垃圾减量处理上应用的成功的案例在国内尚未见报道。

高温菌在生活垃圾及污泥等固体废弃物减量化、资源化处理上的应用关键在于如何筛选、分离、优选、组合培养以及生物膜固定化等几大难点

发明内容

本发明的目的是找到能高效降解厨余垃圾、污泥及植物落叶等有机生活垃圾的高温微生物，用于生活垃圾及污泥等固体废弃物处理，使生活垃圾及污泥等固体废弃物处理达到有效地减量，同时还能生产出优良肥料。

本发明的目的是提供一种能够用于降解垃圾的高温好氧发酵细菌，芽孢杆菌Bacillus sp.。

本发明的再一目是提供一种能够用于降解垃圾的高温好氧发酵细菌，假单胞菌Pseudomonas sp.。

本发明的再一目是提供一种能够用于降解垃圾的高温好氧发酵细菌，栖热菌Thermus sp.。

本发明的再一目的是提供一种高温好氧发酵细菌复合菌剂。

本发明的再一目的是提供一种用于垃圾处理的生物降解系统。

本发明的再一目的是提供一种降解垃圾及污泥固体废弃物的方法。

同时，本发明还提供了一种使垃圾及污泥等固体废弃物资源化制备优质有机肥的方法。

本发明采用原位多点采样法从多种高温环境中筛选高温好氧发酵菌，并通过富集、分离的方法成功的筛选到三株对垃圾降解效果明显的菌株，建立了一种简单、快速，高效的筛选方法。

采用MIDI全细胞脂肪酸分析方法对所筛选到的菌种进行鉴定。经鉴定，筛选到的菌株分别是M1芽孢杆菌(Bacillus sp.)、M2假单胞菌(Pseudomonas sp.)和F1栖热菌(Thermus sp.)，其保藏编号分别为CGMCC NO.4020、CGMCC NO.4021和CGMCC NO.4022(中国科学院微生物研究所，地址：北京市朝阳区北辰西路1号院3号，邮编：100101，保藏日期为2010年7月20日)。

鉴定步骤包括微生物的纯培养以及脂肪酸的提取：

微生物的纯培养：将分离好的菌株接种于培养基上，于65℃培养箱中培养24h；

脂肪酸提取步骤：a.获菌：用接种环挑到适量菌体(约40mg)，放入干净干燥的培养试管中；b.皂化：向试管中加入皂化试剂，每管加1mL，旋紧盖子震荡5～10s，100℃水浴5min后，稍微冷却，再震荡5～10s，继续水浴25min；c.甲基化：加入甲基化试剂，每管加2mL，震荡5～10s，80℃水浴10min后，并迅速冷却至室温；d.萃取：向试管中加入萃取试剂，每管1.25mL，旋震10min后，打开盖子，用吸管吸走水相；e.洗涤：向试管中加入碱洗液，每管3mL，旋震5min后，静置，吸取上层有机相到GC小瓶，进行色谱分析。

M1芽孢杆菌(Bacillus sp.)，CGMCC NO.4020，乳白色、圆形，革兰氏染色阳性，最适生长温度70℃。

M2假单胞菌(Pseudomonas sp.)，CGMCC NO.4021，乳白色、呈杆状，革兰氏染色阴性，无芽胞杆菌。最适生长温度75℃-80℃。

F1栖热菌(Thermus sp.)，CGMCC NO.4022，乳白色、圆形，没有鞭毛，不产芽孢，革兰氏阴性，最适生长温度70℃-75℃。

根据本发明提供的高温好氧发酵细菌复合菌剂，其包含了上述三种高温好氧发酵细菌之一或多种。优选为芽孢杆菌、假单胞菌、栖热菌，其比例为芽孢杆菌∶假单胞菌∶栖热菌＝1∶1∶2。

根据本发明的生物降解系统，包括固体载体和其上固定的高温好氧发酵细菌生物膜，其中，所述高温好氧发酵细菌为上述筛选得到的三种高温好氧发酵细菌的一种或多种，优选为这三种菌按照芽孢杆菌∶假单胞菌∶栖热菌＝1∶1∶2的比例组合；所述的固体载体优选为多孔珍珠岩颗粒，并且高温好氧发酵菌剂与多孔珍珠盐颗粒的重量比为1∶1。

根据本发明提供的降解垃圾的方法包括以下步骤：

1)扩大培养上述的高温好氧发酵细菌；

2)将上述高温好氧发酵细菌和固体载体按照1∶1比例混合，加入到湿度为50-60％的锯末中，使高温好氧发酵细菌在固体载体上附着生长并形成生物膜；

3)将垃圾投加至上述固定有高温好氧发酵细菌生物膜的载体的处理设备中。

根据本发明的方法，具体为，将高温好氧发酵细菌复合菌剂进行扩大培养，然后再将其固定于载体上，使菌剂在该载体上能良好的生长形成生物膜，该生物膜具有稳定高效降解垃圾功能，从而完成对生活垃圾及污泥等固体废弃物减量化、资源化处理并生产出优质有机肥料。其中，垃圾的处理量与投放的高温好氧发酵细菌复合菌剂的重量比应为200∶1。高温好氧发酵细菌复合菌剂扩大培养所用的复合菌剂培养基的成分是：牛肉蛋白胨15g/L，酵母提取物4g，NaCL 4g/L，pH 8.0。

因此，根据本发明的通过降解固体废弃物制备生物肥料的方法包括以下步骤：

1)扩大培养上述的高温好氧发酵细菌；

2)将上述高温好氧发酵细菌和固体载体按照1∶1比例混合，加入到湿度为50-60％的锯末中，使高温好氧发酵细菌在固体载体上附着生长并形成生物膜；

3)将固体废弃物投加至上述固定有高温好氧发酵细菌生物膜的载体的处理设备中，其中，垃圾的处理量与投放的高温好氧发酵细菌的重量比为200∶1；

4)收集发酵后的残余物，所述残余物即为生物肥料。

本发明的优势在于：

1)原位多点采样法筛选出多株微生物，克服了单点采样培养成的菌液稳定性差的难点；

2)通过大量的单因素以及正交实验，实现了菌株的选优并掌握了复合菌剂最佳的生长条件；

3)高温菌在生活垃圾及污泥等固体废弃物处理上的成功应用，解决了垃圾减量化、资源化的难题，实现了快速减量处理垃圾的目的。

附图说明

图1为发明的流程图。

具体实施方式

实施例1、高温好氧发酵细菌的筛选

1、高温好氧发酵细菌菌株的分离

采集高温温泉8个点、电厂高温水池10个点的水体中泥样品，在液体富集培养基中经过3-10天富集培养。将富集培养液在分离培养基平板上，温度为75-80℃条件下继续培养，则得到分离单菌株。再将分离得到的单菌株进行2-6次纯化分离培养，从而得到高温好氧发酵细菌10株。

其中，富集培养基的配方是：牛肉蛋白胨15g/L，酵母提取物4g，NaCL 4g/，pH 8.0，75℃-80℃。

分离培养基的配方是：牛肉蛋白胨15g/L，酵母提取物4g，NaCL 4g/L，琼脂20g/L，pH 8.0，75℃-80℃。

2、高温好氧发酵细菌复合菌剂的制备

将分离得到的高温好氧发酵细菌单一菌10株逐一筛选，即将每一个单菌株对垃圾降解的量进行测定，并挑取减量效率为70％以上的菌株。具体方法如下：预先称量好垃圾并按垃圾∶菌种＝200∶1的比例加入-株菌，经24小时降解后称量其重量，根据减量效率＝(处理前垃圾重量-处理后重量)/处理前垃圾重量*100％，即得到垃圾减量效率。

经过3天的培养菌株M1、M2、F1的减量效率分别达到：78.88％，81.23％，85.64％。三株菌按照1∶1∶2的比例组合后，处理效果为92.45％，组合后产生了协同增效的效果。因此在本研究中最终使用的是由上述三株菌按照1∶1∶2的比例组合而成的复合菌剂处理生活垃圾、污泥等固体废弃物，即高温好氧发酵细菌复合菌剂。

采用MIDI全细胞脂肪酸分析方法对所筛选到的菌种进行鉴定。经鉴定，本发明筛选得到的菌株，分别为芽孢杆菌(Bacillus sp.)CGMCC NO.4020、假单胞菌(Pseudomonas sp.)CGMCC NO.4021和栖热菌(Thermus sp.)CGMCC NO.4022。

鉴定步骤包括微生物的纯培养以及脂肪酸的提取：

微生物的纯培养：将分离好的菌株接种于培养基上，于65℃培养箱中培养24h；

脂肪酸提取步骤：a.获菌：用接种环挑到适量菌体(约40mg)，放入干净干燥的培养试管中；b.皂化：向试管中加入皂化试剂，每管加1mL，旋紧盖子震荡5～10s，100℃水浴5min后，稍微冷却，再震荡5～10s，继续水浴25min；c.甲基化：加入甲基化试剂，每管加2mL，震荡5～10s，80℃水浴10min后，并迅速冷却至室温；d.萃取：向试管中加入萃取试剂，每管1.25mL，旋震10min后，打开盖子，用吸管吸走水相；e.洗涤：向试管中加入碱洗液，每管3ml，旋震5min后，静置，吸取上层有机相到GC小瓶，进行色谱分析。

实施例2、使用本发明的高温好氧发酵细菌处理垃圾

1、高温好氧发酵细菌复合菌剂的扩大培养

扩大培养实施例1筛选得到的三株菌(M1、M2、F1按照1∶1∶2的比例组合)，采用复合菌剂培养基，按所需要的量进行扩大培养。

复合菌剂培养基的成分是：牛肉蛋白胨15g/L，酵母提取物4g，NaCL 4g/L，pH8.0，在75-80℃条件下培养。

2、垃圾降解

1)生物降解系统的启动

以垃圾处理量为300kg为例，将事先准备好含水率50％-60％的锯末100kg加入处理设备中，然后再投加上述的高温好氧发酵细菌复合菌剂1.5kg与多孔珍珠岩颗粒1.5kg，在75℃-85℃、湿度50％-60％的条件下培养24小时，使菌剂在多孔珍珠岩颗粒上附着并生长形成生物膜，直至锯末由淡黄色变为褐色，即生物系统启动完毕。

2)生物降解系统的调试

处理垃圾的第一周，将生活垃圾100kg每天分三次(早、中、晚)添加于生物系统中，使复合菌剂及时将垃圾降解，避免一次集中投加，影响降解效果，经24小时的处理后，垃圾减量至10kg左右，按上述方法连续操作一周，第二周将处理量提高到每天150kg-200kg，与第一周用同样的方法，垃圾减量至15kg-20kg。依次类推需一个月左右可完成300kg处理量的调试。

3)生物降解系统的运行

调试达到稳定后每天分三次将300kg的生活垃圾投加于生物系统中，在75℃-85℃、湿度50％-60％的条件下运行，由于生物系统内形成良好的生物膜，该复合菌剂生物膜具有稳定降解垃圾的能力，从而完成生活垃圾及污泥等固体废弃物减量处理，减量效果达到90％，同时得到10％的产物，产物经检测，未发现有毒有害物质，是优质的有机肥料。

为了使该系统长期良好运行，每年需补加一次复合菌剂与多孔白色珍珠岩颗粒，以垃圾处理量为500kg的设备为例，需补加复合菌剂、多孔白色珍珠岩颗粒分别为2kg、2kg。

实施例3、本发明的高温好氧发酵细菌作为垃圾降解菌剂的指标测定

1)遗传稳定性测定

三种高温好氧发酵细菌在遗传学上15代以内能够保持稳定。

2)抗生素敏感性测定

三种高温好氧发酵细菌敏感的抗生素有氯霉素，四环素，青霉素G，头孢噻吩(头孢I号)，庆大霉素，氧氟沙星(氟嗪酸)，多粘菌素B，克林霉素(氯洁霉素)，酮康唑，咪康唑/达克宁及克霉唑。

3)对家兔急性皮肤刺激性测定

三种高温好氧发酵细菌对家兔急性皮肤刺激性为轻刺激性。

4)小鼠急性经口毒性测定

三种高温好氧发酵细菌的小鼠急性经口毒性的测定结果为＞2000mg/kg。

以上结果均说明，本发明的三种高温好氧发酵细菌适合用于对生活垃圾等固体废物的降解处理，并且通过降解处理得到的肥料不会对人和动物的生存环境产生不良的影响。

Claims (10)

1.一种高温好氧发酵细菌，芽孢杆菌Bacillus sp.，其特征在于，其保藏编号为CGMCC NO.4020。

2.一种高温好氧发酵细菌，假单胞菌Pseudomonas sp.，其特征在于，其保藏编号为CGMCC NO.4021。

3.一种高温好氧发酵细菌，栖热菌Thermus sp.，其特征在于，其保藏编号为CGMCC NO.4022。

4.一种高温好氧发酵细菌复合菌剂，其特征在于，所述复合菌剂包含选自权利要求1、2和3中的一种或多种。

5.根据权利要求4所述的高温好氧发酵细菌复合菌剂，其特征在于芽孢杆菌、假单胞菌、栖热菌的比例为1∶1∶2。

6.权利要求1、2和3所述的高温好氧发酵细菌在固体废弃物资源化、减量化处理中的应用。

7.一种用于固体废弃物处理的生物降解系统，其特征在于，所述生物降解系统包括固体载体和其上固定的高温好氧发酵细菌生物膜，其中，所述高温好氧发酵细菌为权利要求1、2或3所述的高温好氧发酵细菌的一种或多种。

8.根据权利要求7所述的生物降解系统，其中，固体载体是多孔珍珠岩颗粒，高温好氧发酵细菌和多孔珍珠岩颗粒的重量比是1∶1。

9.一种降解固体废弃物的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)扩大培养权利要求1、2和/或3所述的高温好氧发酵细菌；

2)将上述高温好氧发酵细菌和固体载体按照1∶1比例混合，加入到湿度为50-60％的锯末中，使高温好氧发酵细菌在固体载体上附着生长并形成生物膜；

3)将固体废弃物投加至上述固定有高温好氧发酵细菌生物膜的载体的处理设备中，

其中，固体废弃物的处理量与投放的高温好氧发酵细菌的重量比为200∶1。

10.一种通过降解固体废弃物制备生物有机肥料的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)扩大培养权利要求1、2和/或3所述的高温好氧发酵细菌；

2)将上述高温好氧发酵细菌和固体载体按照1∶1比例混合，加入到湿度为50-60％的锯末中，使高温好氧发酵细菌在固体载体上附着生长并形成生物膜；

3)将固体废弃物投加至上述固定有高温好氧发酵细菌生物膜的载体的处理设备中，其中，垃圾的处理量与投放的高温好氧发酵细菌的重量比为200∶1；

4)收集发酵后的残余物，所述残余物即为生物有机肥料。

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