CN105695354A - 超高温好氧堆肥发酵处理城市生活污泥的工艺及应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供包含6株各自具有分泌特殊生物质酶的地衣芽孢杆菌的复合菌剂及其在超高温好氧堆肥发酵处理城市生活污泥中的应用。本发明还提供经超高温好氧堆肥发酵处理的城市生活污泥在土地利用中的应用。将本发明的复合菌剂用于污泥的好氧堆肥发酵优于单一菌株，因多株菌株的混合发酵会产生比单一菌株更多样性的酶，且在发酵过程中产生的氨基酸、维生素、促生长因子等能使各菌株之间相互协同相互促进，提高了对长期高热和对不良化学环境的耐受性以及对有毒有害物质的抗性。利用本发明的复合菌剂进行污泥的好氧堆肥发酵，能够有效分解和消化污泥中的几乎全部毒害性有机物和多种无机物，实现了城市生活污泥的无害化、减量化、稳定化，可行土地利用。

Description

超高温好氧堆肥发酵处理城市生活污泥的工艺及应用

技术领域

本发明涉及微生物学及有机固体废弃物无害化、资源化处理工艺，具体地说，涉及一种超高温好氧堆肥发酵处理城市生活污泥的工艺及应用。

背景技术

污泥是污水处理后伴随产生的固态废弃物。随着我国城市化水平的不断提高，污水处理建设的快速发展，全国污泥年总产量已突破4000万吨(以80％含水量计)，并以每年5％以上的速度增长。如此大量的污泥若不经妥善处置就任意排放将造成地下水、地表水、土壤、空气等的严重二次污染。目前处置污泥的方式主要有：填埋、焚烧、建材利用、土地利用。污泥的填埋仅实施了污染物的转移和暂存，并没有从根本上对污泥中的有机污染物进行处置和控制。污泥焚烧是最彻底的处置方法，可实现最大程度的减量化，处理速度快，回收能量。但处理成本过高，产生二噁英、呋喃、重金属烟雾等大量有害物质。污泥的建材利用消纳量大，市场前景较好，但必须对污泥中的有害物质给予有效控制。土地利用被认为是我国当前最有价值的污泥处置方式。污泥中的有机物、氮、磷、钾和微量元素等含量高于农用厩肥。污泥中的有机质可明显改善土壤的团粒结构、使容重下降，孔隙增多，通气性透水性改善，田间持水能力提高；还可提高土壤的阳离子交换量，改善对酸碱的缓冲能力，提供更多的物质交换和吸附的活性位点，提高土壤保肥性；又可以使土壤中微生物含量增加，代谢强度提高，从而改变土壤的生物学性状，有利于植物生长。还可以减少化肥的使用量，降低农业生产成本，又可缓解农村资源缺乏，土地状态持续恶化的现状。我国是一个发展中国家，又是农业大国，污泥的土地利用是最可行的、最为现实的、符合中国国情的处置方法。

污泥只有达到有关标准才能进行土地利用。污泥堆肥是通过微生物发酵作用将污泥中的寄生虫卵、病源菌、杂草种子等杀灭；将污泥中的有机物由不稳定状态转化为稳定的并具有土壤特征的腐殖质；对污泥中存在的有机污染物及重金属经微生物发酵过程中的高温分解消化以及微生物发酵过程中的矿化钝化等作用得到消除和下降，从而对环境特别是对土壤环境不再构成危害。

传统堆肥一般是利用堆肥物料中的土著微生物，存在发酵时间长(22天以上)，发酵温度低(50～70℃)、腐熟程度低、臭气污染严重等问题。可通过在堆肥中接种微生物的方法以提高堆肥效率和产品质量。如添加HSP菌剂、VT菌剂、EM菌剂，或添加多种芽孢杆菌、放线菌、酵母菌、乳酸菌、光合菌、固氮菌、霉菌等组合制备的堆肥复合菌剂等，均能在不同程度上提高堆肥效率和产品质量。但它们大多为中温菌，所产生的活性成分在50～70℃堆肥高温期将受到抑制甚至完全失去活性，因此大大降低了接种剂的功能。

目前还未见具有分泌特殊生物质酶的耐高温地衣芽孢杆菌的混合菌剂用于城市生活污泥的处理及处理后的产物用于土地利用的相关报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种包含6株各自具有分泌特殊生物质酶的地衣芽孢杆菌的复合菌剂及其在超高温好氧堆肥发酵处理城市生活污泥中的应用。

本发明的另一目的是提供经超高温好氧堆肥发酵处理的城市生活污泥在土地利用中的应用。

为了实现本发明目的，本发明的地衣芽孢杆菌复合菌剂，所述复合菌剂的活性成分为：地衣芽孢杆菌(Bacilluslicheniformis)UTM102、UTM104、UTM107、UTM108、UTM115和UTM118，它们的保藏编号分别为CGMCCNo.9508、CGMCCNo.9509、CGMCCNo.9678、CGMCCNo.9679、CGMCCNo.9680和CGMCCNo.9681。上述6株菌现已保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，地址北京市朝阳区北辰西路1号院3号，中国科学院微生物研究所，邮编100101。其中，菌株UTM104和UTM102的保藏日期为2014年8月13日，其余4株菌的保藏日期为2014年9月18日。

优选地，地衣芽孢杆菌UTM102、UTM104、UTM107、UTM108、UTM115和UTM118的活菌数比为1∶1∶1∶1∶1∶1。

本发明的6株地衣芽孢杆菌分别从四川云南的高温环境土样中分离获得，它们除产生多种淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶、木质素酶、脂肪酶外，还分泌产生植酸酶、几丁质酶、原果胶酶、尿囊素酶、拟除虫菊酯水解酶、偶氮还原酶等水解酶。有关地衣芽孢杆菌UTM102、UTM104、UTM107、UTM108、UTM115和UTM118已分别公开于CN104560817A、CN104498408A、CN104498407A、CN104560816A、CN104560815A和CN104560818A。

本发明所述复合菌剂的制备方法包括以下步骤：

1)各菌株摇瓶种子液的制备；

2)各菌株种子罐种子液的制备；

3)混合发酵液的制备；

4)混合发酵液经浓缩至活菌数≥10¹²cfu/ml，分装、检验、贮藏，即得复合菌剂。

具体方法如下：

1)各菌株摇瓶种子液的制备：从各菌株的斜面培养基上刮菌苔分别接种于装有液体培养基的摇瓶中，200rpm(摇床转速)，40℃培养24小时，得到各菌株摇瓶种子液；

2)各菌株种子罐种子液的制备：将上述各菌株摇瓶种子液分别接种于装有液体培养基的种子罐中，200rpm，通气量1：0.2(v/v)，40℃培养20小时，得到各菌株种子罐种子液；

3)混合发酵液的制备：将上述各菌株种子罐种子液计数后等量混合，接种于装有液体培养基的发酵罐中，200rpm，通气量1：0.3(v/v)，40℃培养至OD₆₀₀≥2.0，即得混合发酵液。

其中，所述液体培养基为：葡萄糖10g/L、酵母膏5g/L和蛋白胨5g/L。

前述的方法，步骤4)中所得混合发酵液经陶瓷膜浓缩至活菌数≥10¹²cfu/ml。

本发明还提供所述复合菌剂在有机固体废弃物堆肥发酵中的应用，其中，所述有机固体废弃物包括生活污泥、作物秸秆、动物尸体或畜禽粪便等。

本发明还提供一种超高温好氧堆肥发酵处理城市生活污泥的工艺，所述工艺是在含水量50％-60％的生活污泥中加入所述复合菌剂进行好氧堆肥发酵。

所述工艺包括以下步骤：

(1)向生活污泥中加入水分调节剂将含水量调至50％-60％，然后按总物料湿重0.01％～0.1％加入复合菌剂，拌均混匀；

(2)将上述物料移入发酵槽中，保持堆体氧含量为8％～15％，每隔3～5天翻抛1次；

(3)经18～20天发酵，当物料含水量降至25％以下，终止发酵；将发酵产物进行过筛、包装、检验、贮藏。

其中，步骤(1)所述水分调节剂包括稻壳、秸秆、锯木粉、返混料等。

在堆肥好氧发酵过程中，发酵3～4天时堆体温度达70～85℃，5～16天温度保持在90～100℃，最高温度可达108℃。

本发明还提供由上述工艺制备的经超高温好氧堆肥发酵处理的城市生活污泥。

本发明进一步提供由上述工艺制备的经超高温好氧堆肥发酵处理的城市生活污泥在土地利用中的应用。所述土地利用包括土地改良及修复、园林绿化及农用等。

由于城市生活污泥所含物质的多样性及复杂性，因此将本发明的地衣芽孢杆菌复合菌剂用于污泥的好氧堆肥发酵优于单一菌株，这是因为多株菌株的混合发酵会产生比单一菌株更多样性的酶，并且在发酵过程中产生的氨基酸、维生素、促生长因子等能使各菌株之间相互协同相互促进，提高了对长期高热和对不良化学环境的耐受性以及对有毒害物质的抗性等。利用本发明的复合菌剂进行污泥的好氧堆肥发酵，使堆肥温度长时间维持在80～100℃，最高可达108℃，能够有效分解和消化城市生活污泥中的几乎全部毒害性有机物和多种无机物，真正实现了城市生活污泥的无害化、减量化、稳定化，可行土地利用。

附图说明

图1为本发明实施例2中北京顺义生活污泥处置场的情况。

图2为本发明实施例2中经超高温好氧堆肥发酵处理的生活污泥。

图3为本发明实施例3中施用经超高温好氧堆肥发酵处理的生活污泥的高尔夫球场。

图4为本发明实施例4中施用经超高温好氧堆肥发酵处理的生活污泥的番茄生长状况。

图5为本发明实施例7中施用经超高温好氧堆肥发酵处理的生活污泥的荒沙中骆驼草的生长状况。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段，所用原料均为市售商品。

以下实施例中使用的液体培养基为：葡萄糖10g/L、酵母膏5g/L和蛋白胨5g/L。

固体培养基是在上述液体培养基中添加2％琼脂粉制备而成。

实施例1地衣芽孢杆菌复合菌剂的制备

将4℃保存的地衣芽孢杆菌(Bacilluslicheniformis)菌株UTM102、UTM104、UTM107、UTM108、UTM115、UTM118斜面分别转接至固体培养基斜面上，在40℃下培养至丰满。刮菌苔接种于装有50ml液体培养基的250ml摇瓶中，培养温度40℃，摇床转速200转/分，培养24小时。得到各菌株的摇瓶种子液。

将上述各菌株种子液分别接种至装有液体培养基的6个种子罐中。培养温度40℃，通气量1：0.2(v/v)、搅拌转速200转/分，培养时间20小时。得到各菌株种子罐种子液。

将上述各菌株种子罐种子液计数后，等量混合。再接种至含装液体培养基的同一发酵罐中进行混合发酵培养。接种量约5％(v/v)、培养温度40℃、通气量1：0.3(v/v)、搅拌转速200转/分，培养时间24小时。当OD₆₀₀≥2.0，停止培养，即得各菌株的混合发酵液。

将混合发酵液用陶瓷膜(0.25μm)浓缩至菌落数≥10¹²cfu/ml，分装、检验、贮藏待用。

实施例2复合菌剂用于城市生活污泥处理

取北京排水集团的生活污泥，按污泥约100吨(含水量约80％)、加稻壳、秸秆、锯木粉、返混料等水分调节剂约60吨(含水量约25％)混合拌均，混合物含水量约60％。向物料中添加实施例1的复合菌剂约10升，充分混合拌均后用装载车移入发酵槽中，堆体高度不低于2.8m。发酵槽14m×8m×5m，底部设有二根通气管,用4.7KW鼓风机不断供气，并根据堆体温度及物料腐熟程度调节通气量。第2～4天后堆体温度上升至70～85℃，第5～16天堆体温度上升到90～100℃，最高105～108℃。每当温度上升速度减慢，用装载车倒槽一次(见图1)。一个发酵周期约18～20天，中间倒槽3～4次。当倒槽后堆体温度不再维持高温，停止供气，发酵结束，此时物料水分为25％左右，土褐色(见图2)。用此方法处理生活污泥前后重金属、有机污染物的检测结果以及用此方法处理后样品的全检结果分别见表1-表3。

表1北京地区生活污泥经堆肥发酵前后重金属检测结果(mg/kg)

表2北京地区生活污泥经堆肥发酵前后有机污染物检测结果

表3北京地区生活污泥经堆肥发酵后样品检测结果

从表1-表3可以看出本发明的6株各自具有特殊生物质酶基因的地衣芽孢杆菌的混合菌用于城市生活污泥处理，可降低重金属的及有机污染物的含量，经处理后的生活污泥用各项指标均达到可农用污泥A的有关标准。

尽管不同地区的生活污泥中有机污染物、重金属含量不一样，但采用本发明的复合菌剂均能达到相同效果。采用此法处理分别对郑州市厦门市生活污泥进行好氧堆肥发酵处理后重金属的及有机污染物的检测结果见表4和表5。

表4郑州市生活污泥经堆肥发酵前后重金属及有机污染物检测结果(mg/kg)

表5厦门市生活污泥经堆肥发酵前后重金属及有机污染物检测结果(mg/kg)

根据多地区生活污泥的处理情况，结果均符合国家有关污泥农用A标准。

实施例3处理后的生活污泥在高尔夫球场草坪上的应用

在播种球道草或果岭草前，将土地挖15～25cm深，按1m²加入5kg实施例2的经好氧堆肥发酵处理的生活污泥，混均弄平后播种草种40-70g/m²，复盖少量砂土，浇水。按常规高尔夫球场草坪方法管理。使用污泥后草坪可以1年内不再施肥，(在非雨季)浇水次数由每天一次，变成一周4次，并且侵染性病害减少(见图3)。施用污泥与对照(不施用污泥)草坪生长状况的比较见表6。

表6某高尔夫球场草坪施用污泥草坪生长状况

可以看出，经超高温好氧堆肥发酵的城市生活污泥，能促进植物根系生长，提高植物抗旱性，减少化肥使用量，增加植物抗病害能力。

实施例4处理后的生活污泥在番茄种植中的应用

在某大棚种植番茄‘红玛瑙140’。大棚面积100m×12m。分两组：添加实施例2的经好氧堆肥发酵处理的生活污泥(5kg/m²)的实验组和不加污泥对照组。控制大棚温度，白天20-25℃，夜间温度13-17℃；光照强度20000-50000lx；土壤湿度控制60-80％，空气湿度控制35-55％；实验组在番茄生长的全部过程中不施肥料，对照组施底肥一次，追肥3次，共用肥料0.6kg/m²。实验结果见表7。

表7番茄产量及品质

实验结果表明两组在产量及品质上之间无明显差异(见图4)。但在一年一茬的管理期，实验组不再追肥，土壤表层含水量实验组比对照组提高2％，土壤容量降低3％，孔隙度增加2％。两组虽然均感染青枯病，但实验组明显轻于对照组。另外施用污泥的实验组田间管理简单，减低生产成本。

实施例5处理后的生活污泥在盐碱地的应用

在山西太原某中度盐碱地，0～30cm深土壤含盐量约0.4535％，pH8.21。按每亩约30吨施用实施例2的经好氧堆肥发酵处理的生活污泥，翻地平整后播种玉米，进行正常田间管理。未施用者作对照。种植玉米后土壤状况见表8。

表8土壤状况(0～30cm)

以上结果表明，污泥具有较极强的吸附性和离子交换性，能吸附土壤中游离的钠离子或通过离子交换作用置换出的钠离子。被吸附的钠离子与氯离子或其它负价的官能团结成溶于水的络合物，随灌溉水进入到耕作层以下，不再危害作物生长。加之污泥中含有的大量微物，特别是含有多功能生物质水解酶的微生物，它们的新陈代谢作用进一步降低土壤的碱性，以逐步达到改良盐碱地的目的。

实施例6处理后的生活污泥在治沙中的应用

在宁夏银川某沙荒地施用实施例2的经好氧堆肥发酵处理的生活污泥，按每亩约污泥50吨与沙混合铺平(10～25cm)，然后保持自然状态。观查两年中沙粒变化情况，结果见表9。

表9施用污泥的沙土变化

由于本发明的污泥中含有大量微生物的特别是含有能在极端干旱、高温和高pH值环境中生存的微生物，它们具有独特性质从大气中吸收水分，分泌的黏液将沙粒粘连逐步形成生物结皮。污泥中的大量有机质又为其它植物定居创造了条件，形成“生物地毯”，从而起到固沙及改良沙化地的作用。

实施例7处理后的生活污泥在治沙中的应用

在宁夏银川某沙荒地施用实施例2的经好氧堆肥发酵处理的生活污泥，按每亩约污泥50吨、保水剂200kg及骆驼草种子100g,直播，灌水一次。然后顺其自然生长。对照组不加污泥。2013年3月～2014年3月骆驼草的生长情况见表10。

表10沙化地骆驼草生长情况

通过全年对骆驼草生长的观查，发现污泥组出芽高于对照组500％，植株生长更茂盛(见图5)，出新叶时间比对照组提前近一个月。

实施例8处理后的生活污泥在修复PAHs污染土壤中的应用

多环芳烃(PAHs)在环境中普遍存，与人类健康关系密切，是公认的强致癌物质。在沈抚灌区某荒地施用实施例2的经好氧堆肥发酵处理的生活污泥，按每亩20吨施用。将土挖20～30cm，混以污泥、平地，任其杂草生长。6个月后再测表层(0～25cm)土壤中PAHs值，不加污泥组作对照。结果见表11。

表11土壤中PAHs变化

可以看出，在土壤中施入经高温好氧堆肥发酵的生活污泥，由于污泥中的大量微生物代谢作用大大降低了土壤表层中的PAHs含量。

实施例9处理后的生活污泥在修复镉污染土壤中的应用

广西某炼铝厂附近荒废土地，翻挖(20～30cm)后施用实施例2的经好氧堆肥发酵处理的生活污泥，按每亩20吨施用。随后任其杂草生长。12个月后再测表层(0～25cm)土壤中镉含量，不加污泥组作对照。结果见表12。

表12土壤中镉含量变化

可以看出，在土壤中施入经高温好氧堆肥发酵的生活污泥，由于污泥中的大量微生物，其代谢作用大大降低了土壤表层中的镉含量。

实施例10处理后的生活污泥在修复铬污染土壤中的应用

河南某皮革厂附近荒废土地，翻挖(20～30cm)后施用实施例2的经好氧堆肥发酵处理的生活污泥，按每亩30吨施用。随后任其杂草生长。12个月后再测表层(0～35cm)土壤中Cr⁺⁶和总铬含量，及深层土(5～7m)浸出液中6价铬和总铬含量。结果见表13-表14。

表13表层土壤(0～35cm)中铬含量变化

表14深层土壤(5～7m)浸出液中铬含量变化

Cr⁺⁶具有毒性强、溶于水、迁移性强的特点。从表13和表14可知，由于污泥中大量存在的微生物和有机物将Cr⁺⁶还原成Cr⁺³，以及微生物代谢中产生的有机酸与Cr⁺³形成稳定的络合(螯合)物而固定，阻止Cr⁺⁶的迁移。从而降低土壤表层中的Cr⁺⁶和深层土壤中Cr⁺⁶含量。又由于深层土壤中Cr⁺⁶和总Cr含降低，对地下水的污染减轻。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.地衣芽孢杆菌复合菌剂，其特征在于，所述复合菌剂的活性成分为：地衣芽孢杆菌(Bacilluslicheniformis)UTM102、UTM104、UTM107、UTM108、UTM115和UTM118，它们的保藏编号分别为CGMCCNo.9508、CGMCCNo.9509、CGMCCNo.9678、CGMCCNo.9679、CGMCCNo.9680和CGMCCNo.9681。

2.根据权利要求1所述的复合菌剂，其特征在于，地衣芽孢杆菌UTM102、UTM104、UTM107、UTM108、UTM115和UTM118的活菌数比为1∶1∶1∶1∶1∶1。

3.根据权利要求1或2所述的复合菌剂，其特征在于，所述复合菌剂的制备方法包括以下步骤：

1)各菌株摇瓶种子液的制备；

2)各菌株种子罐种子液的制备；

3)混合发酵液的制备；

4)混合发酵液经浓缩至活菌数≥10¹²cfu/ml，分装、检验、贮藏，即得复合菌剂。

4.根据权利要求1-3任一项所述的复合菌剂，其特征在于，

1)各菌株摇瓶种子液的制备：从各菌株的斜面培养基上刮菌苔分别接种于含装液体培养基的摇瓶中，200rpm，40℃培养24小时，得到各菌株摇瓶种子液；

2)各菌株种子罐种子液的制备：将上述各菌株摇瓶种子液分别接种于装有液体培养基的种子罐中，200rpm，通气量为1：0.2(v/v)，40℃培养20小时，得到各菌株种子罐种子液；

3)混合发酵液的制备：将上述各菌株种子罐种子液计数后等量混合，接种于装有液体培养基的发酵罐中，200rpm，通气量为1：0.3(v/v)，40℃培养至OD₆₀₀≥2.0，即得混合发酵液；

其中，所述液体培养基为：葡萄糖10g/L、酵母膏5g/L和蛋白胨5g/L。

5.根据权利要求1-4任一项所述的复合菌剂，其特征在于，步骤4)中所得混合发酵液经陶瓷膜浓缩至活菌数≥10¹²cfu/ml。

6.权利要求1-5任一项所述复合菌剂在有机固体废弃物堆肥发酵中的应用，其中，所述有机固体废弃物包括生活污泥、作物秸秆、动物尸体或畜禽粪便。

7.超高温好氧堆肥发酵处理城市生活污泥的工艺，其特征在于，所述工艺是在含水量50％-60％的生活污泥中加入权利要求1-5任一项所述复合菌剂进行好氧堆肥发酵。

8.根据权利要求7所述的工艺，其特征在于，包括以下步骤：

(1)向生活污泥中加入水分调节剂将含水量调至50％-60％，然后按总物料湿重0.01％～0.1％加入复合菌剂，拌均混匀；

(2)将上述物料移入发酵槽中，保持堆体氧含量为8％～15％，每隔3～5天翻抛1次；

(3)经18～20天发酵，当物料含水量降至25％以下，终止发酵；将发酵产物进行过筛、包装、检验、贮藏；

其中，步骤(1)所述水分调节剂包括稻壳、秸秆、锯木粉、返混料。

9.根据权利要求7或8所述工艺制备的经超高温好氧堆肥发酵处理的城市生活污泥。

10.权利要求9所述经超高温好氧堆肥发酵处理的城市生活污泥在土地利用中的应用，其中，所述土地利用包括土地改良及修复、园林绿化及农用。