CN105087411A

CN105087411A - 一种用于城市生活垃圾高温堆肥的复合菌剂及其生产方法

Info

Publication number: CN105087411A
Application number: CN201410199212.7A
Authority: CN
Inventors: 韩业君; 贾晓静; 彭小伟; 乔玮博
Original assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Priority date: 2014-05-12
Filing date: 2014-05-12
Publication date: 2015-11-25

Abstract

本发明提供一种用于城市生活垃圾高温堆肥的复合菌剂及其生产方法。该菌剂包括：热纤梭菌、海栖热袍菌，枯草芽孢杆菌、嗜热脂肪芽孢杆菌、耐热芽孢杆菌、高温放线菌。经过单菌斜面培养、种子液扩大培养、脱水干燥混合制得。其生物量及菌种配比达到最优化，有效活菌数高达2.0×10⁹cfu/mL。接种该菌剂进行堆肥时发酵温度维持在55-65℃，堆肥腐熟周期缩短至10-15天。利用该菌剂堆肥具有发酵升温快、维持堆肥温度高、木质纤维素等复杂组分降解率高、堆肥周期短的特点，能显著促进垃圾腐熟，提高有效养分比重，提升堆肥品质，因此广泛适用于各类城市生活垃圾的高温堆肥处理。

Description

一种用于城市生活垃圾高温堆肥的复合菌剂及其生产方法

技术领域

本发明涉及生物工程微生物发酵技术领域，具体为一种用于城市生活垃圾高温堆肥的复合微生物菌剂。本发明还涉及所述复合菌剂的生产方法及其在利用城市生活垃圾高温堆肥中的应用。

背景技术：

城市生活垃圾指由居民生活消费、日常办公产生的废弃物。根据垃圾的不同产生来源和性质，主要包括普通垃圾、餐厨垃圾、清扫垃圾等。近年来，由于城市化进城逐步加快，人口的增加、城市规模的扩大，我国城市生活垃圾产生量平均以8.98％的速度持续大幅度增长，历年垃圾堆存量已达66亿吨，占用耕地5亿多平方米。这些垃圾不仅占用了大量的土地，破坏了城市景观，而且对人类赖以生存的环境造成了持续性的污染，进而对人类的健康构成威胁。对城市生活垃圾的无害化处理已成为城市中迫切需要解决的问题。

目前世界上处理垃圾主要有3种方式：卫生填埋、堆肥和焚烧资源化利用。由于政策、资金、技术等因素，我国许多地方所编制的垃圾处理方案大都采取填埋方式，间接造成了二次环境污染。城市生活垃圾处理应走综合化、减量化、无害化、资源化道路。堆肥法是利用自然界广泛分布的细菌、真菌和放射菌等微生物的新陈代谢作用，在适宜的水分、通气条件下，进行微生物的自身繁殖，从而实现从可降解的有机物向稳定的腐殖质的生物转化。目前堆肥处理主要采用静态通风好氧发酵技术。堆肥技术适合于易腐烂、有机物质含量较高的垃圾处理，具有工艺简单，使用机械设备少，投资少，运行费用低，操作简单等特点。用堆肥法处理城市生活垃圾，还能节约垃圾填埋所占土地，并减轻垃圾焚烧对大气的污染，在安全和经济方面明显优于其他方法，因而成为目前最有发展潜力的垃圾处理技术。

我国生活垃圾堆肥技术经历了上世纪50-60年代农村沤肥阶段，上世纪70-80年代小型实验堆肥推广项目阶段，到现在机械化、规模化、自动化大型堆肥处理工程阶段，处理技术日臻完善。目前以堆肥法处理城市生活垃圾主要采用条堆式、仓式、槽式、装置式发酵工艺，主要工艺路线有间歇动态高温好氧工艺、静态高温好氧工艺及动态高温好氧工艺。其中高温好氧堆肥通过外加热源使堆料温度在整个堆肥过程中维持在50℃以上，这种方法可以在较短的周期内完成堆料的快速降解与腐熟，又可完全杀死病原微生物，提升堆肥产品质量。目前市售堆肥复合菌剂所采用的菌种多为中温好氧菌。如席北斗等将康氏木霉、白腐菌、变色栓菌与EM菌、固氮菌、解磷菌、解钾菌按15：15：15：25：10：10的比例混合筛选出一组高效复合微生物菌剂(席北斗等，2003)。

堆肥物料包括城市垃圾、污泥、作物秸秆、动物粪便等固体废弃物，它们均含有粗纤维、碳水化合物、脂肪、蛋白质等多种化合物，其中纤维素、半纤维素和木质素等不易为微生物分解的有机物占较大比重，因此提高木质纤维素转化成腐殖质的比重是堆肥充分腐熟的关键问题。而这些复杂化合物的彻底降解，通常需要多种微生物的协同作用。因此即使是活性很高的单一的细菌、真菌或放线菌群体，其在加快堆肥腐熟进程中的作用也很难比得上协同作用的复合微生物菌群(KarmakarSetal.，1992)。

在有机固体废弃物好氧堆肥处理过程中，高效微生物菌剂的合理投加有助于增强微生物生态系统的功能，加速有机物质的分解，促进堆肥物料的腐熟，提高堆肥效率。高温菌较常温菌具有更高的微生物代谢活性和有机物降解速率，在固体废弃物处理领域具有广阔的应用前景和科学价值(薛红卫，赵树欣.2002)。嗜热菌能分泌热稳定性好的各种高温酶，同时菌体代谢活动使堆体维持较高温度，从而更加有效地杀死各种病原微生物。有研究表明，在堆肥过程被降解的木质素中，有2/3以上是在堆肥高温期被嗜热细菌降解的(Mayendeetal.，2006)。此外，有机物在高温下更易溶，堆肥高温期内的嗜热微生物能有效降解生活垃圾中的可溶物质(Cayuelaetal.，2006)。同时，嗜热微生物一般从各种极端环境分离得到，对各种不良环境条件具有高度耐受性。目前国内市售菌剂制作过程粗放、制成的菌剂种类单一，堆肥效果不稳定，堆肥时间长，限制了菌剂在好氧堆肥中的推广应用，影响了堆肥物料的资源化利用水平，进而影响了有机肥的品质。将嗜热菌制成菌剂应用于高温堆肥，可显著缩短工艺运行时间，提高复杂化合物的降解速率，在有机废弃物资源化利用领域具有潜在的应用价值。

发明内容

发明目的：

本发明针对现有市售菌剂竞争力差、堆肥周期长、堆肥物料木质纤维素等复杂化合物降解率低等不足，提供一种用于城市生活垃圾高温堆肥的复合菌剂及其生产方法，该复合菌剂具有多菌共生、酶系互补、作用全面的特点，可有效降解纤维素、半纤维素和木素等复杂组分，实现快速腐熟，提高堆肥生产率，提升堆肥品质，具有经济可能性。

技术方案：

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

本发明从60株高温菌(分离温度60-70℃)中筛选出6株能降解纤维素、半纤维素、木质素、淀粉、脂肪和蛋白质的高温高效菌种，筛选出的菌种为：热纤梭菌(Clostridiumthermocellum)、海栖热袍菌(Thermotogamaritima)，枯草芽孢杆菌(Bacillussubtili)、嗜热脂肪芽孢杆菌(Bacillusstearothermophilus)、耐热芽孢杆菌(Bacillusthermoglucosidasius)和高温放线菌(Thermoactinomyces)。

根据上述筛选结果，本发明设计了一种复合菌剂，包括：热纤梭菌5.0×10⁸-8.5×10⁹cfu/mL、海栖热袍菌6.0×10⁸-1.5×10¹⁰cfu/mL，枯草芽孢杆菌4.0×10⁶-5.0×10⁸cfu/mL、嗜热脂肪芽孢杆菌5.0×10⁸-5.0×10⁹cfu/mL、耐热芽孢杆菌5.0×10⁸-1.0×10¹⁰cfu/mL、高温放线菌1.0×10³-5.0×10⁴cfu/mL。该菌剂组成配比为：热纤梭菌5-10％(v/v)、海栖热袍菌5-15％(v/v)，枯草芽孢杆菌10-20％(v/v)、嗜热脂肪芽孢杆菌：15-25％(v/v)、耐热芽孢杆菌10-20％(v/v)、高温放线菌：5-15％(v/v)。

本发明所述的复合菌剂的生产方法，包括如下步骤：

(1)单菌斜面培养：无菌条件下将热纤梭菌、海栖热袍菌、枯草芽孢杆菌、嗜热脂肪芽孢杆菌、耐热芽孢杆菌和高温放线菌分别接种于LB固体培养基上，在60℃恒温培养箱中培养2d；

(2)一级种子培养：无菌条件下将步骤(1)培养的菌种分别接种于LB液体培养基中，60℃条件下200rpm振荡培养2-5d，制得一级种子；

(3)二级种子扩大培养：无菌条件下按5-10％(v/v)的接种量分别将步骤(2)制得的一级种子进行扩大培养，60℃条件下200rpm振荡培养3-6d，制得高密度培养的二级种子。

(4)菌剂制备：将高密度培养得到的各种二级单菌脱水干燥，制备成休眠体微生物干粉。然后将热纤梭菌5-10％(v/v)、海栖热袍菌5-15％(v/v)，枯草芽孢杆菌10-20％(v/v)、嗜热脂肪芽孢杆菌15-25％(v/v)、耐热芽孢杆菌10-20％(v/v)和高温放线菌5-15％(v/v)混合得到用于处理城市生活垃圾的复合菌剂。

本发明所述的复合菌剂可用于各种城市生活垃圾的堆肥，包括动物粪便、作物秸秆、污泥等的堆肥。

有益效果：

本发明提供的复合菌剂组成菌种活性高，相互之间没有拮抗作用和抑制作用，作用稳定。枯草芽孢杆菌具有很强的淀粉糖化酶活性，能够将淀粉水解成小分子可溶性糖。此外，枯草芽孢杆菌也是中性蛋白酶的重要生产菌。耐热芽孢杆菌分泌的脂肪酶水解脂肪生成甘油和脂肪酸。堆肥初期，淀粉、蛋白质和脂肪等易分解有机物首先被枯草芽孢杆菌和耐热芽孢杆菌降解，堆体迅速升温从而为嗜热菌的生长繁殖提供有利条件。高温阶段，热纤梭菌产生高温纤维素酶，海栖热袍菌半纤维素酶活性高，加之高温放线菌能快速降解木素，共同参与并加剧了堆肥物料中木质纤维素等复杂组分的降解。代谢生成的小分子物质又进一步成为各个菌可利用的营养物质。各个菌协同作用形成良好的共代谢关系，生成复杂而稳定的生态系统，明显提高了木质纤维素分解酶和脱氢酶活性。在堆肥初期接入本发明所提供的复合菌剂能使堆体发酵温度维持在55-65℃，堆肥腐熟周期缩短至10-15天。

本发明提供的复合菌剂，选择功能协同的六种菌，并不断探索使其菌种配比和生物量达到最优化。在堆肥早期接入能快速提升堆体温度，强化木质纤维素的降解，缩短堆肥腐熟周期，从而使生活垃圾堆肥品质提升。

附图说明

图1接种高温复合菌剂进行餐余垃圾和玉米秸秆混合堆肥时堆体温度变化曲线

图2接种高温复合菌剂进行餐余垃圾和玉米秸秆混合堆肥时堆体氧浓度变化曲线

具体实施方式

实施例1：复合菌剂的制备

(1)单体菌种斜面培养：无菌条件下将热纤梭菌、海栖热袍菌、枯草芽孢杆菌、嗜热脂肪芽孢杆菌、耐热芽孢杆菌和高温放线菌分别接种于LB固体培养基上，在60℃恒温培养箱中培养2d；

实施例2以餐余垃圾和玉米秸秆为主要原料的三角瓶垃圾降解实验

100g分拣后餐余垃圾，100g玉米秸秆碎料，混匀后调节水分使物料含水率为55％，加入1g复合高温菌剂搅拌均匀，升温至65℃运行3d。结果显示3d内，投加高温复合菌剂后餐余垃圾里的豆制品、肉制品等被迅速降解，其中粗纤维、粗脂肪和粗蛋白分别降解11.5％、15.6％和40.0％，而未添加高温复合菌剂组三者含量几乎不变。投加高温复合菌剂组堆体发酵温度始终维持在55-65℃，而未接种组发酵温度随时间延长逐渐降低至30℃左右(图1)。同时，如图2所示，投加高温复合菌剂组发酵过程中氧浓度始终维持在55-65％，而未接种组发酵液氧浓度随时间延长逐渐降低至30％左右。

实施例3以城市生活垃圾为主要原料的堆肥

首先对原垃圾进行人工分拣，去除其中的纸盒、塑料制品、金属、石块等有机固体，得到有机生活垃圾，主要包括蔬果废弃物、餐厨废弃物、废纸、园林废弃物等。接入0.5％高温复合微生物菌剂，并加水调节堆肥物料含水量至50％左右，用搅拌机充分翻搅后进行堆肥。视发酵温度变化情况每隔3-4d翻堆一次。发酵过程产生的渗滤液回灌到堆肥中，65℃发酵10-15d堆肥腐熟。测得有机质含量降低58.2％，纤维素含量降低40.0％，半纤维素含量降低55.4％，木质素含量降低32.2％。

实施例4以鸡粪和秸秆为主要原料的堆肥

将秸秆切成长度为50mm的碎料，然后与鸡粪按7:3比例混合，喷水搅拌，调节混合物含水量至50-60％，加入0.5％的高温复合菌剂，充分搅拌后进行发酵。物料堆肥温度为65℃，发酵3d后检测物料体积、密度及有机质变化。与堆肥初期相比，堆体体积减少45.3％，湿密度降低22.1％，有机质降解67.2％，半纤维素分解60.5％，纤维素降解45.9％，木质素降解38.8％。添加本高温复合菌剂能有效降解秸秆中的纤维素、半纤维素和木质素。

Claims

1.一种用于城市生活垃圾高温堆肥的复合菌剂，其特征在于该菌剂包括：热纤梭菌(Clostridiumthermocellum)5.0×10⁸-8.5×10⁹cfu/mL、海栖热袍菌(Thermotogamaritima)6.0×10⁸-1.5×10¹⁰cfu/mL，枯草芽孢杆菌(Bacillussubtili)4.0×10⁶-5.0×10⁸cfu/mL、嗜热脂肪芽孢杆菌(Bacillusstearothermophilus)5.0×10⁸-5.0×10⁹cfu/mL、耐热芽孢杆菌(Bacillusthermoglucosidasius)5.0×10⁸-1.0×10¹⁰cfu/mL、高温放线菌(Thermoactinomyces)1.0×10³-5.0×104cfu/mL。

2.根据权利要求1所述的复合菌剂，其特征在于该菌剂组成配比为：热纤梭菌5-10％(v/v)、海栖热袍菌5-15％(v/v)，枯草芽孢杆菌10-20％(v/v)、嗜热脂肪芽孢杆菌：15-25％(v/v)、耐热芽孢杆菌10-20％(v/v)、高温放线菌：5-15％(v/v)。

3.一种如权利要求1或权利要求2所述的复合菌剂的生产方法，包括以下步骤：

(3)二级种子扩大培养：无菌条件下按5-10％(v/v)的接种量分别将步骤(2)制得的一级种子进行扩大培养，60℃条件下200rpm振荡培养3-6d，制得高密度培养的二级种子；

(4)菌剂制备：将高密度培养得到的各种二级单菌脱水干燥，制备成休眠体微生物干粉，然后将热纤梭菌5-10％(v/v)、海栖热袍菌5-15％(v/v)，枯草芽孢杆菌10-20％(v/v)、嗜热脂肪芽孢杆菌15-25％(v/v)、耐热芽孢杆菌10-20％(v/v)、高温放线菌：5-15％(v/v)混合得到用于处理城市生活垃圾复合菌剂。

4.一种如权利要求1或权利要求2所述的复合菌剂在处理城市生活垃圾中的应用。

5.一种如权利要求1或权利要求2所述的复合菌剂在制备生物有机肥方面的应用。