CN103864483B - 去除有机固废重金属生产生物有机肥的微生物螯合剂 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种去除有机固废重金属生产生物有机肥的微生物螯合剂，它包括培养基和发酵螯合菌种，培养基与发酵螯合菌种的重量比为1∶9；所述的培养基包括以下重量份的物料：草泥炭60份，活性炭10份，糖泥10份，菜粕5份，麦麸5份；所述的发酵螯合菌种包括以下重量份的原料：黑曲霉0.5份，白腐真菌0.5份，蓝细菌1份，热带假丝酵母菌1.5份，乳酸菌1.5份，亚铁硫杆菌0.5份，链霉菌0.5份，纤维素酶1.5份，糖化酶1.5份，非离子表面活性剂1份。本发明微生物螯合剂能螯合除去有机固体废弃物中的重金属离子，从而将有机废弃物资源充分利用起来，避免浪费，防止污染，保护环境。
Description
技术领域
本发明涉及一种去除有机固废中的重金属生产生物有机肥的微生物发酵螯合剂及其制备、使用方法，属于环境保护领域。
背景技术
生物有机肥是有机固体废弃物经生物肥菌种发酵、除臭和完全腐熟后加工而成的有机肥料。生物有机肥以有机固体废弃物为原料，能够调理土壤、激活土壤中微生物活跃率、克服土壤板结，增加土壤空气通透性，提高土壤肥力，使粮食作物、经济作物、蔬菜类、瓜果类大幅度增产，因此它能够减少环境污染，对人、畜、环境安全、无毒，是一种环保型肥料，得到了大力的推广和大范围的使用。
有机固体废弃物分为7种类型，即（1）动物粪便；（2）作物残留物；（3）生活污泥；（4）食品生产废弃物；（5）工业有机废弃物；（6）木材加工生产废弃物；（7）生活垃圾。其中，动物粪便和作物残留物为主要部分，分别占其总量的21.8%和53.7%。在这些有机固体废弃物中含有大量的重金属，比如汞、铬、铅、镉和砷等，众所周知，这些重金属对人体会产生很多无法避免的危害。如果将其直接作为生物有机肥的原料进行发酵，肥料中重金属含量超标，重金属离子伴随肥料的施用进入土壤，在土壤中重金属离子发生迁移进入植物根部，随着作物的生长进入食物链，从而对人的身体产生危害。因此在制备生物有机肥的过程中必须将有机固体废弃物中的重金属离子除去，但目前尚无一种很好的除去有机固体废弃物中的重金属离子的螯合剂。
现有重金属离子的除去方法基本以螯合法为主，它是用螯合剂与重金属离子螯合形成金属螯合物，从而将重金属离子除去。重金属螯合剂的种类很多，但基本都是采用化合物混合或化合物反应而得，例如申请号为201310091023.3的“一种复合型重金属螯合剂”、申请号为201010295456.7 的“一种重金属螯合剂及其制备方法”、申请号为200810203167.2的“重金属螯合剂及其制备方法”都属于化合物型重金属螯合剂。化合物型金属螯合剂虽然制备简单，但是它按量化合，只能定量投入，并且其应用范围也有很大限制，目前大都只能用在污水处理、土壤修复上，对有机固体废弃物中所含重金属离子不能发挥很好的螯合作用。因为在有机固体废弃物当中，重金属离子被有机固体废弃物的纤维所吸收，被包裹于纤维当中，无法直接与外部加入的试剂发生反应，如果直接使用化合物型重金属螯合剂，它不能对有机物进行降解，重金属离子没有从纤维中降解出来，无法与螯合剂螯合，螯合效果很差。
由于目前大多数有机固体废弃物中的重金属含量都大大超标，不能用作生物有机肥的原料，有机物资源遭到大量的浪费，因此需要一种能够很好的将有机固体废弃物中的重金属离子除去的重金属螯合剂。
发明内容
本发明的目的就在于针对现有技术的不足，提供一种用于去除有机固废重金属生产生物有机肥的微生物螯合剂，它能螯合除去有机固体废弃物中的重金属离子，从而将有机废弃物资源充分利用起来，避免浪费，防止污染，保护环境。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：
一种去除有机固废重金属生产生物有机肥的微生物螯合剂，包括培养基和发酵螯合菌种，培养基与发酵螯合菌种的重量比为1∶9；
所述的培养基包括以下重量份的物料：草泥炭60份，活性炭10份，糖泥10份，菜粕5份，麦麸5份；
所述的发酵螯合菌种包括以下重量份的原料：黑曲霉0.5份，白腐真菌0.5份，蓝细菌1份，热带假丝酵母菌1.5份，乳酸菌1.5份，亚铁硫杆菌0.5份，链霉菌0.5份，纤维素酶1.5份，糖化酶1.5份，非离子表面活性剂1份。
上述微生物螯合剂的制备方法为：将所述发酵螯合菌种与培养基按照1∶9的重量比放入保温搅拌器中连续混合搅拌20-30分钟直至充分混合均匀，耗氧发酵6-10天。
本发明所述微生物螯合剂的使用方法为：将微生物螯合剂与有机固体废弃物按照1∶4的重量比混合，堆肥发酵40-50天制得生物有机肥。
与现有技术相比，本发明微生物发酵螯合剂对于有机固体废弃物中的重金属离子去除率高，它采用微生物螯合法来除去有机固体废弃物中的重金属离子，兼具发酵、降解、螯合三种作用于一身，它先对有机物进行降解，使重金属离子从纤维中分离出来，然后再对有机废弃物纤维中吸收的重金属发挥螯合作用，去除重金属离子，这样使得重金属离子去除率高，因为有机固体废弃物中重金属离子是存在于纤维中的，如果不将重金属离子从其中降解分离出来，普通的螯合剂是无法对纤维中的重金属发挥螯合作用的。
在本发明的发酵螯合菌种中配伍有针对有机废弃物中纤维素、木质素发挥降解作用的菌种，即纤维素酶、白腐真菌、热带假丝酵母菌和糖化酶。纤维素酶在分解纤维素时起到生物催化作用，白腐真菌能够分泌胞外氧化酶降解木质素，而热带假丝酵母菌对木质素、纤维素的水解产物进行发酵，快速降解发酵抑制剂，糖化酶利于木质素、纤维素的连续糖化降解，从而使有机废弃物中的纤维素、木质素发生降解反应，从大分子物质分解成小分子物质，使重金属离子从有机废弃物的纤维中游离出来。而本发明螯合菌种中配伍的微生物即对游离出的重金属离子发生螯合作用，去除废弃物中的重金属离子。微生物去除重金属的机理主要包括微生物对重金属的吸附作用和沉淀作用。
吸附作用包括胞外吸附、细胞表面吸附和胞内吸附。比如蓝细菌、亚铁硫杆菌能分泌多糖等胞外聚合物（EPS），EPS具有络合或沉淀金属离子的作用；白腐真菌可以分泌柠檬酸或草酸，柠檬酸为金属螯合剂，草酸与金属形成草酸盐沉淀，都可以去除重金属离子，这些属于胞外吸附。而细胞表面吸附是指金属离子通过与细胞表面，特别是细胞壁组分中的化学基团的相互作用吸附到细胞表面，比如黑曲霉、乳酸菌的细胞壁在分离过程中就可以吸收或吸附重金属离子，形成金属有机化合物，而分离细胞壁吸收重金属量约占38%～77%，且细胞壁的吸收能力比菌丝体总的吸收能力高20%～50%。胞内吸附和转化是一些重金属离子透过细胞膜，进入细胞内，微生物通过区域化作用将重金属离子转变成低毒的形式，比如亚铁硫杆菌、链霉菌、乳酸菌、热带假丝酵母菌。
沉淀作用包括还原作用和金属硫化物沉淀。例如黑曲霉、链霉菌能够分泌特异的氧化还原酶，催化一些变价金属元素发生氧化还原反应，使金属离子的溶解度或毒性降低；亚铁硫杆菌能将硫酸根离子还原成硫离子，硫离子与Zn2+，Cd2+，Pb2+，Cu2+等重金属离子发生沉淀反应，形成不溶性的金属硫化物。
因此本发明发酵螯合菌种配伍适当充分，既有降解纤维素、木质素的菌种，也有螯合重金属离子的菌种，并且在螯合重金属离子时，考虑到微生物去除重金属离子具有多种机理，配伍有不同的微生物来发挥各自的作用，比如蓝细菌、亚铁硫杆菌、白腐真菌主要是胞外吸附重金属，黑曲霉、乳酸菌主要是细胞表面吸附，亚铁硫杆菌、链霉菌、乳酸菌、热带假丝酵母菌主要为胞内吸附和转化，黑曲霉、链霉菌起还原沉淀作用，亚铁硫杆菌能形成金属硫化物沉淀，这样的配伍使得微生物去除重金属的每种作用都有发挥，提高了重金属离子的去除率。而且研究表明，微生物对重金属的去除效果在PH值为酸性或中性偏酸时最好，而本发明配伍的菌种中，白腐真菌可以分泌柠檬酸或草酸，黑曲霉可以生产柠檬酸、葡萄酸，乳酸菌主要产物为乳酸，这样使得发酵螯合剂的PH值小于7，利于提高微生物对重金属的去除效果。
微生物菌种在大量生长繁殖的过程中，细胞膜、细胞壁的生长需要吸收重金属离子，而微生物产生的大量分泌物如乳酸等，对重金属离子进行螯合反应，彻底将重金属离子固态化，这种完全固态稳定后的大分子有机物或晶体物不再发生迁移，也不会再被植物吸收，对土壤也不会带来破坏作用。从而解决了有机固体废弃物作为生物有机肥原料时重金属离子含量超标的问题。
同时本发明微生物发酵螯合剂具有随有机废弃物中重金属离子含量的不同，不断产生连续螯合的作用，这是化合物型螯合剂所不能比的，化合物型螯合剂只能是定量投入，只能按量化合。
本发明微生物发酵螯合剂由特殊的发酵螯合菌种和培养基组成，本发明培养基由草泥炭、活性炭、糖泥、菜粕和麦麸组成，活性炭在培养基配方中为复合菌群发酵提供必要的有机碳源，活性炭在配方中为复合菌群发酵起到提供住宿和迁移吸附作用，糖泥在配方中为复合菌群发酵提供必要能量物质，菜粕在配方中为复合菌群发酵提供必要的有机氮源，麦麸在配方中为二次能量源，因此本发明培养基不仅为微生物菌种提供必要的养分，微生物得到高速繁殖，同时还起到了为微生物重金属螯合剂提供住宿和迁移能量的作用。
具体实施方式
为了更加清楚的理解本发明的目的、技术方案及有益效果，下面对本发明做进一步的说明，但并不将本发明的保护范围限定在以下实施例中。
一、制备微生物螯合剂：
取以下重量份的物料：草泥炭60份，活性炭10份，糖泥10份，菜粕5份，麦麸5份，混合均匀制得培养基；
取以下重量份的原料：黑曲霉0.5份，白腐真菌0.5份，蓝细菌1份，热带假丝酵母菌1.5份，乳酸菌1.5份，亚铁硫杆菌0.5份，链霉菌0.5份，纤维素酶1.5份，糖化酶1.5份，非离子表面活性剂1份，混合均匀制得发酵螯合菌种；
将上述发酵螯合菌种与培养基按照1∶9的重量比放入保温搅拌器中连续混合搅拌20-30分钟直至充分混合均匀，耗氧发酵6-10天即得本发明微生物发酵螯合剂。
二、使用本发明微生物螯合剂来处理有机固体废弃物制备生物有机肥：
取有机固体废弃物70kg（包括动物粪便10kg,作物残留物10kg,生活污泥10kg,食品生产废弃物10kg,工业有机废弃物10kg,木材加工生产废弃物10kg和生活垃圾10kg），检测其中的重金属离子含量，如下表所示：
将微生物发酵螯合剂与有机固体废弃物按照1∶4的重量比混合，采用先进的GORE膜覆盖无臭好氧堆肥工艺堆肥发酵40-50天制得生物有机肥并对其进行检测，其检测结果如下所示：
三、对比试验：用一种由水、多胺化合物、卤代环氧烷以及1.3.5-三嗪-2.4.6-三硫醇三钠盐反应制得的复合化合物型重金属螯合剂（专利申请号：201310091023.3，该螯合剂去除废水中的重金属离子达到国家标准）来处理上述相同的有机固体废弃物，处理后检测其中的金属离子含量，并判断其是否达到肥料要求，检测结果如下所示：
以上试验结果表明，通过本发明提供的微生物螯合剂处理过的有机固体废弃物堆肥发酵制得的生物有机肥，重金属离子含量低，达到了国家要求的生物有机肥肥料标准，而使用普通化合物型螯合剂来处理有机固体废弃物，该类型螯合剂虽然对于去除废水中的重金属离子有很好的效果，但对于有机固体废弃物中的重金属离子几乎没有除去，重金属离子含量高，堆肥发酵后也无法用作肥料使用。
Claims (4)
1.一种去除有机固废重金属生产生物有机肥的微生物螯合剂，其特征在于：包括培养基和发酵螯合菌种，培养基与发酵螯合菌种的重量比为1∶9；
所述的培养基包括以下重量份的物料：草泥炭60份，活性炭10份，糖泥10份，菜粕5份，麦麸5份；
所述的发酵螯合菌种包括以下重量份的原料：黑曲霉0.5份，白腐真菌0.5份，蓝细菌1份，热带假丝酵母菌1.5份，乳酸菌1.5份，亚铁硫杆菌0.5份，链霉菌0.5份，纤维素酶1.5份，糖化酶1.5份，非离子表面活性剂1份。
2.一种根据权利要求1所述的微生物螯合剂的制备方法，其特征在于：将所述发酵螯合菌种与培养基按照1∶9的重量比混合，耗氧发酵6-10天。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述发酵螯合菌种与培养基按上述重量比放入保温搅拌器中连续混合搅拌20-30分钟。
4.一种根据权利要求1所述的微生物螯合剂的使用方法，其特征在于：将权利要求1所述的微生物螯合剂与有机固体废弃物按照1∶4的重量比混合，堆肥发酵40-50天即得生物有机肥。
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