CN104087648A - 城市污泥生物发酵转化腐殖质的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供城市污泥生物发酵转化腐殖质的方法，采用复合物对物料进行固态发酵，其中：所述物料包括城市污泥和秸秆；所述复合物包括枯草芽孢杆菌、黑曲霉和脂肪酶，并且所述枯草芽孢杆菌、黑曲霉和脂肪酶之间的重量配比为(3-5)∶(2-4)∶(2-4)。本发明所述方法发酵时间短，发酵过程无异臭味产生；此外，城市污泥转化的腐殖质达到Q/BJZZT0004-2014标准要求。
Description
技术领域
本发明涉及城市污泥的转化方法，特别是涉及城市污泥生物发酵转化腐殖质的方法。
背景技术
城市污泥是城市生活污水处理过程中所产生的固体废弃物，其成分复杂，通常除了含有大量氮、磷、多种微量元素和有机质等可利用成分外，还含有有毒、有害、难降解的有机物、重金属、病原菌及寄生虫(卵)等物质。城市污泥中有机质含量高，容易形成二次污染，此外其还含有大量的有害物质，如不进行适当处置，将对生态环境和人类自身造成很大危害。
目前，对城市污泥的治理主要包括卫生填埋、焚烧处理、水体消纳和堆肥处理等。卫生填埋是将城市污泥经简单灭菌处理后直接倾倒于低地或谷地制造人工平原，其虽处理成本相对较低，但仍然存在环境污染等问题。焚烧处理是将城市污泥氧化燃烧形成有机物或二氧化碳的过程，其虽然能够实现废物的无害化，但运行能耗高、并且会造成严重的资源浪费。水体消纳是将城市污泥排入水体，其没有进行无毒无害化处理，因此没有从根本上解决环境污染等问题。
堆肥处理是利用自然界广泛存在的细菌、放线菌、真菌等微生物促进固体废弃物中可生物降解的有机物向稳定的类腐殖质生化转化的微生物学过程。然而，城市污泥的堆肥时间通常较长，并且在堆肥过程中和结束后会产生臭味，不仅造成氮素流失，并且需要进行额外的脱臭处理；此外，堆肥转化所形成的产物质量不稳定，还常常因残留有重金属而造成土壤污染，不仅严重影响农作物生长，甚至还会危害人体健康。
发明内容
本发明提供城市污泥生物发酵转化腐殖质的方法，用于解决现有技术中 城市污泥转化过程中发酵时间长、发酵过程产生臭气以及所形成的产物质量不稳定和残留重金属等技术缺陷。
本发明提供的城市污泥生物发酵转化腐殖质的方法，采用复合物对物料进行固态发酵，经所述固态发酵的物料转化为腐殖质，其中：
所述物料包括城市污泥和秸秆；
所述复合物包括枯草芽孢杆菌、黑曲霉和脂肪酶，并且所述枯草芽孢杆菌、黑曲霉和脂肪酶之间的重量配比为(3-5)：(2-4)：(2-4)，例如4：3：3。
本发明对城市污泥的来源不作严格限制，但需要控制该城市污泥的水分含量(含水率)≤80％，水分含量过大时可以通过脱水去除城市污泥中的水分。本发明对秸秆的来源也不作严格限制，其可以包括但不限于小麦秸秆、水稻秸秆、玉米秸秆、花卉枝叶等。
并且，在本发明中，所述复合物可以由所述枯草芽孢杆菌、黑曲霉和脂肪酶组成，此外也可以根据转化目的在所述枯草芽孢杆菌、黑曲霉和脂肪酶中添加其它适宜的菌株或酶制剂。其中，所述枯草芽孢杆菌和黑曲霉均可选用本领域的常规菌株，例如枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)可以为枯草芽孢杆菌AS 1.210、枯草芽孢杆菌AS 1.836等，黑曲霉(Aspergillus niger)可以为黑曲霉AS 3.3928、黑曲霉AS 3.6469等，这些菌株均可购自中国普通微生物菌种保藏管理中心，在使用时，可以采用菌粉进行。脂肪酶(Lipase，EC 3.1.1.3)可普通市购，其酶活可为5000-50000U/g。
根据本发明提供的方法，所述秸秆包括具有两种以上长度的秸秆段，并且所述秸秆段的长度为1-5cm，直径为0.5-1cm。在本发明一具体方案中，所述秸秆段包括短秸秆段、中秸秆段和长秸秆段；其中，所述短秸秆段与所述中秸秆段的长度差为1-2cm，所述中秸秆段与所述长秸秆段的长度差为1-2cm。短秸秆段、中秸秆段、长秸秆段的长度依次增加，短秸秆段的长度可以1-2cm，中秸秆段的长度可以2-4cm，长秸秆段的长度可以4-5cm，例如短秸秆段、中秸秆段、长秸秆段的长度可以依次1cm、3cm、5cm。
进一步地，所述短秸秆段、所述中秸秆段和所述长秸秆段之间的重量配比为(1-3)：(1-3)：(1-3)。
在本发明中，所述秸秆段不能过长或过短，秸秆段过短(＜1cm)不利 于空气流通，发酵过程容易产生臭气，秸秆段过长(＞5cm)会使水分散发过快，从而导致发酵不完全。此外，在物料中添加两种以上长度(例如三种长度)的秸秆段，有利于物料中污泥与秸秆的均匀分散以及物料中空气的流通，从而缩短发酵时间。
进一步地，所述物料中的城市污泥(氮源)与秸秆(碳源)的重量配比为(6-8)：(2-4)，例如可以为7：3。并且，每千克所述物料所采用的复合物的量可以为15-30mg。适宜的碳氮比和复合物用量有利于物料的快速升温和分解，其不仅能缩短发酵时间，而且能使发酵进行得更加充分和完全，此外在发酵过程中不易产生臭气。
在本发明一具体方案中，所述采用复合物对物料进行固态发酵，具体包括如下步骤：
将所述复合物溶于水，制成复合物溶液；
将所述复合物溶液喷洒在所述秸秆上，再与所述城市污泥进行混合，制成发酵料；
对所述发酵料进行固态发酵。
进一步地，将所述复合物溶于水后，对其进行活化，制成复合物溶液。所述活化例如可以曝气15-30分钟，从而使复合物中的各菌被激活。
进一步地，所述固态发酵依次包括中温阶段、高温阶段和成熟阶段；其中，所述中温阶段在30-40℃的温度下持续8-15h，所述高温阶段在55-65℃的温度下持续36-60h，所述成熟阶段在40℃以下的温度下持续20-30h。
具体地，物料(发酵料)在固态发酵过程中会释放热量，从而使其温度升高，通过监测物料的温度可判断固态发酵的程度。物料的发酵通常首先为中温阶段，其先从室温升温至35-45℃，并在该温度下持续8-15h，随后继续升温至45℃左右进入高温阶段，高温阶段自45℃左右继续升温至55-65℃，并在该温度下持续36-60h，随后降温至40℃左右进入成熟阶段，该阶段持续20-30h后，物料温度降至30℃左右，含水率基本降至30％左右，固态发酵完成。
本发明的固态发酵过程自发进行，在发酵过程中，可以通过适当控制物料(发酵料)的尺寸、氧气含量、水分含量等，使固态发酵处于正常状态。该正常状态下的发酵过程中不会产生臭气，并且发酵时间仅需3-4天即可完 成。特别是，当发酵温度＞60℃时，必须及时进行曝气及翻堆降温，从而保证物料完全发酵。
进一步地，通过混合和/或破碎使所述物料(发酵料)中的秸秆之间的间距＜2cm以及所述物料的尺寸＜15cm。通常，物料(发酵料)呈块状，所述物料的尺寸指的是块状物料的长度和宽度，即，使块状物料的长度和宽度均＜15cm；所述间距和尺寸过大均不利于固态发酵的正常进行。
尤其是，控制所述固态发酵过程中的物料内部的氧气含量为5-10％，并且控制所述发酵过程中的物料中的水分含量为15-60％，进一步为40-60％。物料内部的氧气含量过低易转为厌氧发酵，从而产生臭气，可以通过曝气使氧气含量维持在适宜的范围(5-10％)；水分含量过低(＜15％)不利于微生物的繁殖，水分含量过高(＞60％)容易堵塞物料中的空隙而使发酵产生臭气，在水分含量过低时可以通过喷水使水分含量维持在适宜的范围(40-60％)。
本发明的实施，至少具有以下优点：
1、本发明的复合物组成合理，其能够高效并且快速地对城市污泥进行发酵，从而使其完全转化为腐殖质，转化生成的腐殖质感官质量好，无恶臭味和机械杂质，达到Q/BJZZT 0004-2014标准要求。
2、本发明的物料通过设置具有不同长度的秸秆段，不仅使物料具有一定的疏松感，而且有利于物料的均匀分散和空气流通，利用复合物对该物料进行固态发酵时更加充分和完全，并且发酵时间短、发酵过程无异味。
3、本发明的方法利用城市污泥和秸秆等废弃物作为原料转化腐殖质，不仅实现了对城市污泥的无害化、工业化、资源化治理，还能生成质量稳定的腐殖质，其在施入土壤后能够改善土壤，增加肥力，并且对作物的生长发育具有一定的积极作用。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一、污泥及辅料
城市污泥：来自某城市污水厂，其总铅含量达180mg/kg左右，总铬含量达300mg/kg左右；将该城市污泥脱水至含水率约为80％；
复合物：由枯草芽孢杆菌菌粉、黑曲霉菌粉和脂肪酶(粉末)混合而成，并且枯草芽孢杆菌菌粉、黑曲霉菌粉和脂肪酶之间的重量配比为4：3：3，其中：
枯草芽孢杆菌(菌种编号：1.210)：活菌数≥1010个/g菌粉；
黑曲霉(菌种编号：3.3928)：孢子数≥109个/g菌粉；
脂肪酶(购自深圳绿微康生物工程有限公司)：酶活为10000U/g；
辅料(秸秆)：取直径为0.5-1cm的水稻秸秆，将其分别切割成长度约为1cm的短秸秆段、长度约为3cm的中秸秆段和长度约为5cm的长秸秆段后，按照短秸秆段、中秸秆段、长秸秆段的重量配比为2：1：1进行混合。
二、制备发酵料
分别称取上述城市污泥700kg、上述辅料(秸秆)300kg、上述复合物25g；将25g上述复合物溶于水中，曝气活化20分钟后，制成复合物溶液；
将上述复合物溶液喷洒在上述称量好的辅料上，置于混合机中；向混合机中分批等量加入城市污泥，每次加料后混合5分钟左右，直至加完全部的城市污泥，总混合时间不少于15分钟，制成块状发酵料，通过控制复合物溶液的浓度使该发酵料的水分含量为60％左右；
检测该块状发酵料的尺寸(包括长度和宽度)以及发酵料中的秸秆之间的间距，当发酵料的尺寸(长度或宽度)≥15cm和/或秸秆之间的间距≥2cm时对其进行继续混合和/或破碎，直至制成的发酵料的尺寸＜15cm并且发酵料中的秸秆之间的间距＜2cm为止。
三、固态发酵
将上述制成的发酵料置于氧化槽中进行固态发酵，该氧化槽上置备机械翻抛、位移装置，该发酵料的固态发酵依次经历中温阶段、高温阶段和成熟阶段；其中，中温阶段发酵料自室温(＜40℃)开始升温，并且升温至40℃左右时持续约10h，随后继续升温至45℃左右进入高温阶段；高温阶段自45℃ 左右开始升温，并且升温至65℃左右时持续约50h，随后开始降温，温度降至40℃左右时进入成熟阶段，该阶段持续约24h后，温度继续降至30℃左右，发酵料含水率达到30％左右时，固态发酵完成，总发酵时间为3-4天；
在上述固态发酵过程中，通过氧气传感器、水分传感器和温度传感器时时监控发酵料内部的氧气含量、水分含量和温度；在氧气含量低于5％时通过曝气使氧气含量为6-7％，在水分含量低于40％时对发酵料进行矢量喷水并翻堆，使发酵料水分含量为40-60％，在温度高于60℃时同时进行曝气和翻堆，使温度维持在65℃左右并且氧气含量维持在6-7％，可以采用常规翻抛机对发酵料进行翻堆；
固态发酵完成后，城市污泥转化为腐殖质，对腐殖质进行如下检测：
感观检查：在室内和非阳光直射的条件下，目测观察产品外观，鼻嗅鉴别产品气味；
按NY 525-2012中5.2规定的方法测定有机质；按NY/T 798-2004中5.3.5和5.3.7规定的方法测定水分及pH值；按GB/T 19524.1-2004规定的方法测定粪大肠菌群数；按GB/T 19524.2-2004规定的方法测定蛔虫卵死亡率；按照NY/T 1978-2010规定的方法测定重金属；检测结果如表1所示。
实施例2
一、污泥及辅料
城市污泥：来自某城市污水厂，其总砷含量达45mg/kg左右，总铬含量达400mg/kg左右；将该城市污泥脱水至含水率约为60％；
复合物：由枯草芽孢杆菌菌粉、黑曲霉菌粉和脂肪酶(粉末)混合而成，并且枯草芽孢杆菌菌粉、黑曲霉菌粉和脂肪酶之间的重量配比为5：2：4，其中：
枯草芽孢杆菌菌粉(菌种编号：1.210)：活菌数≥1010个/g菌粉；
黑曲霉(菌种编号：3.6469)：孢子数≥109个/g菌粉；
脂肪酶(购自深圳绿微康生物工程有限公司)：酶活为5000U/g；
辅料(秸秆)：取直径为0.8-1cm的玉米秸秆，将其分别切割成长度约为1.5cm的短秸秆段、长度约为3cm的中秸秆段和长度约为4.5cm的长秸秆段后，按照短秸秆段、中秸秆段、长秸秆段的重量配比为1：2：2进行混合。
二、制备发酵料
分别称取上述城市污泥800kg、上述辅料(秸秆)200kg、上述复合物15g；将15g上述复合物溶于水中，曝气活化15分钟后，制成复合物溶液；
将上述复合物溶液喷洒在上述称量好的辅料上，置于混合机中；向混合机中分批等量加入城市污泥，每次加料后混合5分钟左右，直至加完全部的城市污泥，总混合时间不少于15分钟，制成块状发酵料，通过控制复合物溶液的浓度使该发酵料的水分含量为55％左右；
检测该块状发酵料的尺寸(包括长度和宽度)以及发酵料中的秸秆之间的间距，当发酵料的尺寸(长度或宽度)≥15cm和/或秸秆之间的间距≥2cm时对其进行继续混合和/或破碎，直至制成的发酵料的尺寸＜15cm并且发酵料中的秸秆之间的间距＜2cm为止。
三、固态发酵
将上述制成的发酵料置于氧化槽中进行固态发酵，该氧化槽上置备机械翻抛、位移装置，该发酵料的固态发酵依次经历中温阶段、高温阶段和成熟阶段；其中，中温阶段发酵料自室温开始升温，并且升温至45℃左右时持续约8h后进入高温阶段；高温阶段自45℃左右开始升温，并且升温至60℃左右时持续约56h，随后开始降温，温度降至40℃左右时进入成熟阶段，该阶段持续约20h，随后温度继续降至30℃左右，发酵料含水率达到30％左右时，固态发酵完成，总发酵时间为3-4天；
在上述固态发酵过程中，通过氧气传感器、水分传感器和温度传感器时时监控发酵料内部的氧气含量、水分含量和温度；在氧气含量低于5％时通过曝气使氧气含量为6-8％，在水分含量低于40％时对发酵料进行喷水并翻堆，使发酵料水分含量为40-55％，在温度高于60℃时同时进行曝气和翻堆，使温度维持在60℃左右并且氧气含量维持在6-8％，可以采用常规翻抛机对发酵料进行翻堆；
固态发酵结束后，城市污泥转化为腐殖质，该腐殖质的质量检测结果如表1所示。
实施例3
一、污泥及辅料
城市污泥：来自某城市污水厂，将其脱水至含水率约为80％；
复合物：由枯草芽孢杆菌菌粉、黑曲霉菌粉和脂肪酶(粉末)混合而成，并且枯草芽孢杆菌菌粉、黑曲霉菌粉和脂肪酶之间的重量配比为3：4：4，其中：
枯草芽孢杆菌(菌种编号：1.836)：活菌数≥1010个/g菌粉；
黑曲霉(菌种编号：3.3928)：孢子数≥109个/g菌粉；
脂肪酶(购自深圳绿微康生物工程有限公司)：酶活为8000U/g；
辅料(秸秆)：将小麦秸秆切割直径为0.5-0.8cm、长度分别约为2cm、3cm、4cm的短秸秆段、中秸秆段和长秸秆段后，按照短秸秆段、中秸秆段、长秸秆段的重量配比为3：1：2进行混合。
二、制备发酵料
分别称取上述城市污泥600kg、上述辅料(秸秆)400kg、上述复合物30g；将30g上述复合物溶于水中，曝气活化30分钟后，制成复合物溶液；
将上述复合物溶液喷洒在上述称量好的辅料上，置于混合机中；向混合机中分批等量加入城市污泥，每次加料后混合5分钟左右，直至加完全部的城市污泥，总混合时间不少于15分钟，制成块状发酵料，通过控制复合物溶液的浓度使该发酵料的水分含量为50％左右；
检测该块状发酵料的尺寸(包括长度和宽度)以及发酵料中的秸秆之间的间距，当发酵料的尺寸(长度或宽度)≥15cm和/或秸秆之间的间距≥2cm时对其进行继续混合和/或破碎，直至制成的发酵料的尺寸＜15cm并且发酵料中的秸秆之间的间距＜2cm为止。
三、固态发酵
将上述制成的发酵料置于氧化槽中进行固态发酵，该发酵料的固态发酵依次经历中温阶段、高温阶段和成熟阶段；其中，中温阶段发酵料自室温(＜35℃)开始升温，并且升温至35℃左右时持续约12h，随后继续升温至45℃左右进入高温阶段；高温阶段自45℃左右开始升温，并且升温至65℃左右时持续约48h，随后开始降温，温度降至40℃左右时进入成熟阶段，该阶段持续约28h，随后温度继续降至30℃左右，发酵料含水率达到30％左右时，固态发酵完成，总发酵时间为3-4天；
在上述固态发酵过程中，通过氧气传感器、水分传感器和温度传感器时 时监控发酵料内部的氧气含量、水分含量和温度；在氧气含量低于5％时通过曝气使氧气含量为5-7％，在水分含量低于40％时对发酵料进行喷水并翻堆，使发酵料水分含量为40-50％，在温度高于60℃时同时进行曝气和翻堆，使温度维持在65℃左右并且氧气含量维持在5-7％，可以采用常规翻抛机对发酵料进行翻堆；
固态发酵结束后，城市污泥转化为腐殖质，该腐殖质的质量检测结果如表1所示。
实施例4
采用实施例1的方法制备发酵料，其中不同的是，所采用的辅料(秸秆)为直径0.5-1cm、长度约为5cm的水稻秸秆；
按照实施例1的方法进行发酵，其中中温阶段在40℃左右的温度下持续1天左右，高温阶段在65℃左右的温度下持续4-5天，成熟阶段在40℃左右的温度下持续2天左右，至温度降至30℃左右，发酵料含水率达到30％左右时，固态发酵完成，总发酵时间为7-8天，在发酵过程中产生微量臭气，固态发酵转化生成的腐殖质的质量检测结果如表1所示。
实施例5
采用实施例1的方法制备发酵料，其中不同的是，所采用的辅料(秸秆)为直径0.5-1cm、长度约为1cm的水稻秸秆；
按照实施例1的方法进行发酵，其中中温阶段在40℃左右的温度下持续1天左右，高温阶段在65℃左右的温度下持续3天，成熟阶段在40℃左右的温度下持续2天左右，至温度降至30℃左右，发酵料含水率降至30％左右时，固态发酵完成，总发酵时间为6天左右，在发酵过程中产生少量臭气，固态发酵转化生成的腐殖质的质量检测结果如表1所示。
表1城市污泥生物发酵转化生成的腐殖质的质量检测结果
对照例1
除仅采用实施例1的枯草芽孢杆菌菌粉对物料进行固态发酵外，其它同实施例1；
按照实施例1的方法进行发酵，其中中温阶段在40℃左右的温度下持续2天左右，高温阶段在65℃左右的温度下持续5-6天，成熟阶段在40℃左右的温度下持续3天左右，至温度降至30℃左右，发酵料含水率达到30％左右时，固态发酵完成，总发酵时间达10-11天；此外，在发酵过程中产生大量的臭气，并且转化生成的腐殖质中具有恶臭味和较多的机械杂质，总铅含量达100mg/kg左右，总铬含量达230mg/kg左右。
对照例2
除复合物由实施例2的枯草芽孢杆菌菌粉和黑曲霉菌粉混合而成，并且枯草芽孢杆菌菌粉与黑曲霉菌粉的重量配比为6：4外，其它同实施例2；
按照实施例2的方法进行发酵，其中中温阶段在45℃左右的温度下持续1天左右，高温阶段在65℃左右的温度下持续5-6天，成熟阶段在40℃左右的温度下持续2天左右，至温度降至30℃左右，发酵料含水率达到30％左右时，固态发酵完成，总发酵时间达8-9天；此外，在发酵过程中产生一定的臭气，并且转化生成的腐殖质中具有恶臭味和较多的机械杂质，总砷含量达30mg/kg左右，总铬含量达200mg/kg左右。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.城市污泥生物发酵转化腐殖质的方法，其特征在于，采用复合物对物料进行固态发酵，其中：
所述物料包括城市污泥和秸秆；
所述复合物包括枯草芽孢杆菌、黑曲霉和脂肪酶，并且所述枯草芽孢杆菌、黑曲霉和脂肪酶之间的重量配比为(3-5)：(2-4)：(2-4)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述秸秆包括具有两种以上长度的秸秆段，并且所述秸秆段的长度为1-5cm，直径为0.5-1cm。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述秸秆段包括短秸秆段、中秸秆段和长秸秆段；其中，所述短秸秆段与所述中秸秆段的长度差为1-2cm，所述中秸秆段与所述长秸秆段的长度差为1-2cm。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述短秸秆段、所述中秸秆段和所述长秸秆段之间的重量配比为(1-3)：(1-3)：(1-3)。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述物料中的城市污泥与秸秆的重量配比为(6-8)：(2-4)。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每千克所述物料所采用的复合物的量为15-30mg。
7.根据权利要求1至6任一所述的方法，其特征在于，所述采用复合物对物料进行固态发酵，具体包括如下步骤：
将所述复合物溶于水，制成复合物溶液；
将所述复合物溶液喷洒在所述秸秆上，再与所述城市污泥进行混合，制成发酵料；
对所述发酵料进行固态发酵。
8.根据权利要求1至6任一所述的方法，其特征在于，所述固态发酵依次包括中温阶段、高温阶段和成熟阶段；其中，所述中温阶段在30-40℃的温度下持续8-15h，所述高温阶段在55-65℃的温度下持续36-60h，所述成熟阶段在40℃以下的温度下持续20-30h。
9.根据权利要求1至8任一所述的方法，其特征在于，通过混合和/或破碎使所述物料中的秸秆之间的间距＜2cm以及所述物料的尺寸＜15cm。
10.根据权利要求1至8任一所述的方法，其特征在于，控制所述固态发酵过程中的物料内部的氧气含量为5-10％，并且控制所述发酵过程中的物料中的水分含量为15-60％。
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