CN106754461B - 一种生物絮团及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种生物絮团及其制备方法和在水产养殖、水净化、工业水处理以及土壤修复和改良中的应用，生物絮团包含腐熟秸秆粉末、第一微生物菌剂、硝化菌以及反硝化菌，其中第一微生物菌剂包含枯草芽孢杆菌和选择性的放线菌。生物絮团的制备方法包括向腐熟秸秆粉末中加入微生物菌剂、然后依次加入硝化菌和反硝化菌。本发明生物絮团以腐熟秸秆粉末为主体，通过添加特定微生物菌剂、硝化菌和反硝化菌，其主要技术指标达到甚至优于国外同类型的生物絮团，而且，试验证明该生物絮团对于河道污水的净化效果非常好。

Description

一种生物絮团及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种生物絮团及其制备方法。生物絮团适于水污染环境治理以及水产养殖业和其他养殖场液体排放物的净化处理，还适于土壤修复和盐碱地改良，工业水净化处理。
背景技术
生物絮团的概念出现于水产养殖领域。水产养殖中的生物絮团是指在养殖水体中以好氧微生物为主体的有机体和无机物，经生物絮凝作用形成的团聚物，多由细菌、浮游动植物、有机碎屑和一些无机物质相互絮凝组成。如今，生物絮团技术(Bio-flocTechnology,technology，BFT))是通过向养殖水体大量投饵补充有机碳物质，使水体保持一定的碳氮比，定向调控养殖系统微生物群落，并且利用微生物转换水中氨氮成为菌体蛋白，从而显著提高饲料利用率的一种新型养殖技术。生物絮团技术最早在1999年由以色列的养殖专家Avnimelec系统提出，并于2005年在印度尼西亚试验成功。生物絮团技术作为能起到维持水环境稳定、减少换水量、提高养殖成活率、增加产量和降低饲料系数等作用的一项技术，被认为是解决水产养殖产业发展所面临的环境制约和饲料成本的有效替代技术，既降低了饵料成本，又能解决了养殖过程中的水质问题。
虽然生物絮团在水产养殖领域早已为人知晓，但是从未见将生物絮团应用于水净化处理，土壤修复和盐碱地改良并取得优良效果的报道，同时，未见有关生物絮团的配方及其制备工艺的报道。
另一方面，我国秸秆资源极其丰富，但生产中未能合理开发利用，不仅浪费了有机资源，还造成了严重的环境问题。2008年7月国务院下发了《关于加快推进农作物秸秆综合利用的意见》。这对于加快推进秸秆综合利用，实现秸秆的资源化、商品化，促进资源节约、环境保护和农民增收具有重要作用。2015年，国发展改革委、财政部、农业部、环境保护部联合发出通知，要求各地进一步加强秸秆综合利用与禁烧工作，力争到2020年全国秸秆综合利用率达到85％以上。然而，目前秸秆的利用主要还局限在秸秆还田，即把不宜直接作饲料的秸秆(麦秸、玉米秸和水稻秸秆等)直接或堆积腐熟后施入土壤中的一种方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种成本较低且不仅适于水产养殖，还适于水净化、土壤修复和盐碱地改良，工业水处理等领域应用的生物絮团。
本发明同时还提供本发明生物絮团的制备方法和应用。
为解决以上技术问题，本发明采用的一种技术方案如下：
一种生物絮团，其包含腐熟秸秆粉末、第一微生物菌剂、硝化菌以及反硝化菌，其中所述第一微生物菌剂包含枯草芽孢杆菌和选择性的放线菌。
优选地，所述枯草芽孢杆菌为保藏号为CCTCC NoM208057的枯草芽孢杆菌KX-1、保藏号为CCTCC NoM208058的枯草芽孢杆菌KX-2、保藏号为CCTCC NoM208060的枯草芽孢杆菌KX-4的组合，三者的质量比为1：0.4～0.85:0.5～0.85。进一步优选地，所述第一微生物菌剂包含放线菌，且放线菌与所述保藏号为CCTCC NoM208057的枯草芽孢杆菌KX-1的质量比为0.3～0.75:1。
进一步优选地，所述的第一微生物菌剂还包含其他有益微生物，该其他有益微生物可以为例如选自乳酸菌、纳豆菌、光合细菌、酵母菌、地衣芽孢杆菌中的一种或多种，枯草芽孢杆菌KX-1与所述的其他有益微生物的用量质量比为1:0.1～0.8，更优选为1:0.5～0.8。
根据本发明，第一微生物菌剂的用量一般为腐熟秸秆粉末的5wt％～25wt％；硝化菌和反硝化菌的用量一般大于等于80ml/每千克腐熟秸秆粉末。作为优选方案，第一微生物菌剂的用量为腐熟秸秆粉末的8wt％～20wt％，进一步优选地，第一微生物菌剂的用量为腐熟秸秆粉末的12wt％～20wt％。硝化菌和反硝化菌的用量大于等于100ml/每千克腐熟秸秆粉末。
根据本发明，所述生物絮团一般通过以下步骤制得：向腐熟秸秆粉末中加入第一微生物菌剂，混匀，然后依次加入硝化菌和反硝化菌，即得。
优选地，所述生物絮团的水分含量为10wt％～30wt％。
根据本发明，所述的腐熟秸秆粉末为发酵腐熟后的秸秆粉碎而成。腐熟秸秆可以采用现有的发酵腐熟方法来进行。然而，优选按照本发明如下将要描述的方法来制备，采取该方法不受温度条件的限制，在非常低的温度下也能确保制备出的腐熟秸秆粉末，秸秆的腐熟更加彻底，具有较高的营养成分，同时还储存了大量的有益菌。
本发明采取的第二种技术方案是：一种上述的生物絮团的制备方法，其包括以下步骤：
(1)利用第二微生物菌剂发酵秸秆制备所述腐熟秸秆粉末：首先将第二微生物菌剂进行激活，然后与营养物质配置成混合液，进而与干秸秆和选择性的火山岩生物制剂混合，对秸秆进行堆制腐熟，最后粉碎至80目以上，所述火山岩生物制剂包括火山岩颗粒载体和植入于所述的火山岩颗粒载体上的第二微生物菌剂，所述第二微生物菌剂包括保藏号为CCTCC NoM208057的枯草芽孢杆菌KX-1、放线菌、保藏号为CCTCC NoM208058的枯草芽孢杆菌KX-2、保藏号为CCTCC NoM208060的枯草芽孢杆菌KX-4，四者的质量比依次为1:0.3～0.75:0.4～0.85:0.5～0.85，所述的第二微生物菌剂还选择性地包括其他有益微生物和酶制剂，所述的其他有益微生物为选自乳酸菌、光合细菌、酵母菌、地衣芽孢杆菌中的一种或多种；
(2)向腐熟秸秆粉末中加入微生物菌剂、然后依次加入硝化菌和反硝化菌，得到所述生物絮团。
根据本发明，第二微生物菌剂可以与第一微生物菌剂相同或不同。
优选地，第二微生物菌剂包含其他有益微生物且第二微生物菌剂中的枯草芽孢杆菌KX-1与其他有益微生物的用量质量比为1:0.1～0.8，更优选为1:0.5～0.8。
优选地，所述的火山岩生物制剂通过以下步骤制备：
1)、将火山岩磨碎成20～40目的火山岩颗粒，去除粉末后得到火山岩颗粒载体；
2)、将所述的第二微生物菌剂与水按照用量质量比为1:20～50配置成菌液，然后加入氮源和碳源对菌种进行激活，当菌液中的芽孢杆菌80％以上呈营养体状态，活菌数＞50亿/mL时，将所述的火山岩颗粒载体在所述的菌液中浸泡24～72h，然后将所述的火山岩颗粒载体捞出沥干，即得所述的火山岩生物制剂。
优选地，第二微生物菌剂、干秸秆的投料质量比为1:1000～2000。
根据本发明的一个方面，步骤(1)中，采用火山岩生物制剂，且第二微生物菌剂、火山岩生物制剂、干秸秆的投料用量质量比为1:50～80:1000～2000。
优选地，第二微生物菌剂中枯草芽孢杆菌KX-1、放线菌、枯草芽孢杆菌KX-2、枯草芽孢杆菌KX-4的用量质量比为1:0.6～0.7:0.7～0.8:0.7～0.8。
优选地，所述的第二微生物菌剂包含酶制剂以使其酸性蛋白酶≥2000u/g，中性蛋白酶≥10000u/g，纤维素酶≥10000u/g。其中，酶制剂为酸性蛋白酶、中性蛋白酶、纤维素酶，当所述的微生物菌剂中的某种酶不足时，即添加相应的酶制剂。
本发明中可采用常规方法进行菌种激活。
优选地，所述的营养物质包括尿素和氨基酸颗粒。
优选地，进行堆制发酵腐熟时，控制湿度在50～65％。
优选地，堆制时，安插透气管，然后在堆制上覆盖薄膜，待堆制的温度上升至50～60℃，除去透气管上方覆盖的薄膜继续发酵10～15天，然后进行翻堆补水，继续发酵5～15天完成发酵腐熟。
本发明还涉及如上所述的生物絮团在水产养殖、水净化、工业水处理以及土壤修复和改良中的应用。
本发明的生物絮团可用于水产养殖，如果再添加上其他工程菌，还是非常好的生物修复材料，如用于参地土壤修复和盐碱地改良。此外，生物絮团还能够作为工业水处理MBR中的生物填料，替代活性污泥，减少污泥量。
具体的，将生物絮团投放于河道中可有效治疗河水。在工业水处理中，生物絮团可代替现有的生物絮凝剂、活性污泥，有效去除氨氮。
本发明中，微生物菌剂可以是如上多种物质的混合物；也可以是多种物质单独包装，使用时按配比进行混合即可。优选地，微生物菌剂是可以是如上多种物质的混合物。
本发明中所用到的包括枯草芽孢杆菌在内的全部菌均是已知的。第一微生物菌剂和第二微生物菌剂不包含硝化菌和反硝化菌。
由于上述技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优点：
本发明提供了生物絮团的配方，该配方以腐熟秸秆粉末为主体，通过添加特定微生物菌剂、硝化菌和反硝化菌，其主要技术指标达到甚至优于国外同类型的生物絮团，而且，实验证明该生物絮团对于河道污水的净化效果非常好。
本发明的生物絮团的制备方法，在制备腐熟秸秆粉末时，以低温菌为诱导菌，它含有枯草(含纳豆)芽孢杆菌、放线菌为主体的多种复合功能有益微生物，能够在低温的情况下繁殖，带动其它菌剂的高速繁殖。既能高温发酵，又能低温发酵，不受地区、季节限制，四季可用，让农民能够在田头就近处理，就地实现秸秆的彻底腐熟，无需对秸秆进行搬运，节省人力、物力、财力；本发明还进一步结合吉林盛产的火山岩，利用火山岩的多孔、表面积大的结构特性，发挥其保水、可作为菌剂的载体以及增强散热功能的功效，并解决了天然矿产资源的利用的问题。
说明书附图
图1为发酵前后秸秆的图片；
图2为带有排气孔的桔杆发酵堆的图片；
图3为腐熟程度好的秸秆发酵堆的图片；
图4为二次翻堆补水的图片；
图5为腐熟秸秆粉末的图片。
具体实施方式
本发明生物絮团为采用农作物秸秆为起始原料，加入特定微生物菌种，选择性搭配长白山火山岩细颗粒，经过生物工程(深度发酵)制作出来的天然生物新材料。
本发明生物絮团不仅能将过去作为废弃物的秸秆得到充分的利用，变废为宝，而且减少了因焚烧秸秆对空气造成的污染。在发酵过程中，在有益低温菌的深度作用下，使秸秆得到彻底熟化，使产品具有极高的营养成分，还储存了大量的有益菌。
将熟透的秸秆经过后续加工成80目以上细末，优选80-100目，形成优质生物骨架，再适当补入发酵时添加的枯草芽孢杆菌、乳酸菌、纳豆菌等菌，然后依次喷洒硝化菌、反硝化菌，控制水分10-30％之间，即得生物絮团。该生物絮团在水体中能快速生成生物膜，使水中的有机物和氨氮充分降解，最终转化为氮气，从而使养殖水体水质保持稳定。
絮团中添加的有益菌能有效改善水产养殖物的肠道，帮助消化吸收，增强免疫力，降低饵料系数。
由于生物絮团在前期发酵过程中，微生物将秸秆的可被降解的物质完全分解利用。因此，投放到水体中，不会增加负荷，不会污染水体，不会产生二次污染，同时含有的有益菌可以净化水体。
如果再添加上其他工程菌，还是非常好的生物修复材料，如用于参地土壤修复和盐碱地改良，同时也能够作为工业水处理MBR中的生物填料，替代活性污泥，减少污泥量。
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1：腐熟秸秆的制备
一、主要原材料
1、第一微生物菌剂，按重量比：
Figure BDA0001138357030000061
配制好的复合菌剂要求：酸性蛋白酶≥2000u/g，中性蛋白酶≥10000u/g，纤维素酶≥10000u/g，不足部分加入相应的酶制剂。
枯草芽孢杆菌KX-1可在2～8℃生存繁殖。
2、火山岩生物制剂
火山岩生物制剂，是利用火山岩的多孔、表面积大的结构特性，含有大量的硅、钾、钠、铁、镁、铝、硅、钙、钛、锰、铁、镍、钴等几十种矿物质和微量元素，以及对重金属的螯合性，以其为载体，植入经过验证，对人畜和其他生物无害的多种有益微生物菌群(包含放线菌、芽孢杆菌等多种有益微生物，以低温菌为主)后形成的产品。火山生物制剂在堆肥过程具有微生物富集缓释的作用以及散热透气的功效，另外可以保水、蓄水，可促进土壤团粒结构的形成，有效改善植物根部微生物环境，为作物生长提供微量元素，促进植物生长。
具体制备方法：
a、基材的准备
将天然火山岩磨碎成小于1mm的颗粒、去除粉末后，待用；
b、菌液的配制
并按照以下配方配制复合菌剂：按重量比
Figure BDA0001138357030000062
Figure BDA0001138357030000071
①激活
将选取的复配有益功能菌置入具有进水、曝气、加热控温及排水功能的干净方槽，按照1:20～50稀释，加入一定量的氮源、碳源，激活菌种；
②浸泡
显微镜下镜检芽孢杆菌大多呈营养体状态，平皿菌落计数法检测活菌数＞50亿/mL，可将处理后的载体放入方槽内浸泡；
③排水、沥干
浸泡24～72h后，将菌液从底排排干后，将载体捞出沥干；
3、氨基酸颗粒
纯生物发酵浓缩制得，含有丰富的氮源及其他营养成分。
二、制备过程
(一)、相关设备和材料
1、大型饲料粉碎切割机：将晒干的稻草切成1～2cm长。
2、大型搅拌机：前进后出型的大型砂浆搅拌机。
3、大型喷雾器：用于拌料时喷洒菌剂和营养液的混合液。
4、农用塑料薄膜：若干。
5、菌种激活设备。
6、拌料相关工具或设备。
7、透气管：直径10cm左右，周围打孔的塑料管。
8、其它材料：红糖、米糠、尿素
(二)、用法、用量及发酵周期
1、用量
每1公斤第一微生物菌剂+60kg火山岩生物制剂，约发酵、腐熟1～2吨干秸秆，发酵、腐熟时的环境温度为5～10℃。
2、用法(以激活1Kg菌种，发酵1T秸秆为例)
1)菌种激活
与水按照1：20～30的比例稀释，加入4Kg新鲜的米糠、0.5Kg红糖激活12h。
2)营养源与辅料配制
尿素22Kg，氨基酸颗粒10Kg，用水充分溶解后，稀释至约1.2～1.5T。
3)混合
将1)中激活后的菌液加入2)中混合均匀成混合液。
4)拌料：湿度控制在50～65％左右
将粉碎后的秸秆从搅拌机前端(进料口)送入，并加入火山生物制剂后，从两端用喷雾器向进料口和出料口同时喷洒3)中的混合液，搅拌均匀后从搅拌机后端输出，进行堆制。
5)物料建堆
堆制成圆锥型(底部直径约为3米)或长条状梯型(底宽2m，高1.5m，上宽1.0m)，视实际情况而定，并放置透气管，覆盖薄膜，进行发酵。待3天后温度可达50～60℃时，将透气管上覆盖的薄膜除去。
6)二次翻堆
堆制约15天后，进行二次翻堆补水。
3、发酵周期
约30天左右整个腐熟过程完成，秸秆变成褐色或黑褐色；堆料有生物发酵的清香的泥土味道、氨味；堆内布满大量白色菌丝、质感疏散。
发酵结束后的腐熟秸秆的成分分析参见表1。
表1
Figure BDA0001138357030000081
对比例1
基本上与实施例1相同，不同之处在于：
1、微生物菌剂，按重量比
Figure BDA0001138357030000082
Figure BDA0001138357030000091
配制好的复合菌剂要求：酸性蛋白酶≥2000u/g，中性蛋白酶≥10000u/g，纤维素酶≥10000u/g，不足部分加入相应的酶制剂。
2、火山岩生物制剂中植入的菌剂为：
Figure BDA0001138357030000092
按实施例1的方法对干秸秆进行发酵后，腐熟秸秆的成分分析参见表2。
表2
Figure BDA0001138357030000093
实施例1与对比例1秸秆腐熟度对比(失重率法)，其结果参见表3。
表3
Figure BDA0001138357030000094
Figure BDA0001138357030000101
上述试验是五月底六月初在东北长春进行的。因东北地区水稻只种植一季，一般每年十月份可以收割，此次试验的时间在天气温度、湿度与吉林份水稻成熟收割季节相似，使试验结果更具有说服性。
实施例2：生物絮团的制备
生物絮团制备包括如下步骤：
(1)按照实施例1的方法制得的腐熟秸秆，用粉碎机粉碎成80目左右，得到腐熟秸秆粉末；
(2)按每千克腐熟秸秆粉末添加200克第一微生物菌剂向腐熟秸秆粉末中添加第一微生物菌剂，然后依次喷洒硝化菌和反硝化菌，硝化菌和反硝化菌的加入量为100ml每千克腐熟秸秆粉末，即得生物絮团。
所得生物絮团的图片参见图5。
对本例所得生物絮团和国外某公司的生物絮团的有机指标进行了检测，结果参见表4，此外还对本例生物絮团的微量元素进行了检测，结果参见表5。
表4
Figure BDA0001138357030000102
表5
Figure BDA0001138357030000103
实施例3：生物絮团应用于河道污水净化处理试验
试验用水：昆山天瑞环境公司十号河坝内污水(溶氧0.62mg/L氨氮14.9mg/L)
水样：2L
试验：先后进行二次试验，结果分别参见表6和表7。
表6
Figure BDA0001138357030000111
表7
Figure BDA0001138357030000112
注：
1.每次试验都是取相同河水，每个单元2000ml。
2.水温与室外水温相同。
3.每次试验曝气量相同。
4.试验中水必清为对照处理剂，其主要由本发明所述的几种低温菌组成。
以上对本发明做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，且本发明不限于上述的实施例，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1. 一种生物絮团，其特征在于：包含腐熟秸秆粉末、第一微生物菌剂、硝化菌以及反硝化菌，其中所述第一微生物菌剂包含枯草芽孢杆菌和放线菌；所述枯草芽孢杆菌为保藏号为CCTCC NoM208057的枯草芽孢杆菌KX-1、保藏号为CCTCC NoM208058的枯草芽孢杆菌KX-2、保藏号为CCTCC NoM208060 的枯草芽孢杆菌KX-4的组合，三者的质量比为1：0.4~0.85:0.5~0.85；所述放线菌与所述保藏号为CCTCC NoM208057的枯草芽孢杆菌KX-1的质量比为0.3~0.75:1；所述的第一微生物菌剂还包含其他有益微生物，所述的其他有益微生物为选自乳酸菌、纳豆菌、光合细菌、酵母菌、地衣芽孢杆菌中的一种或多种，所述的枯草芽孢杆菌KX-1与所述的其他有益微生物的用量质量比为1:0.1~0.8；所述第一微生物菌剂中酸性蛋白酶≥2000u/g，中性蛋白酶≥10000u/g，纤维素酶≥10000u/g，不足部分加入相应的酶制剂；所述第一微生物菌剂的用量为所述腐熟秸秆粉末的8wt%~20wt%；所述硝化菌和反硝化菌的用量大于等于100ml/每千克腐熟秸秆粉末。
2.根据权利要求1所述的生物絮团，其特征在于：所述的枯草芽孢杆菌KX-1、所述的放线菌、所述的枯草芽孢杆菌KX-2、所述的枯草芽孢杆菌KX-4的质量比为1:0.6:0.8:0.8。
3.一种如权利要求1至2中任一项权利要求所述的生物絮团的制备方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
（1）利用第二微生物菌剂发酵秸秆制备所述腐熟秸秆粉末：首先将所述第二微生物菌剂进行激活，然后与营养物质配置成混合液，进而与干秸秆和火山岩生物制剂混合，对秸秆进行堆制腐熟，最后粉碎至80目以上，所述火山岩生物制剂包括火山岩颗粒载体和植入于所述的火山岩颗粒载体上的第二微生物菌剂，所述第二微生物菌剂包括保藏号为CCTCCNoM208057的枯草芽孢杆菌KX-1、放线菌、保藏号为CCTCC NoM208058的枯草芽孢杆菌KX-2、保藏号为CCTCC NoM208060 的枯草芽孢杆菌KX-4，四者的质量比依次为1: 0.3~0.75: 0.4~0.85: 0.5~0.85，所述的第二微生物菌剂还包括其他有益微生物，所述的其他有益微生物为选自乳酸菌、光合细菌、酵母菌、地衣芽孢杆菌中的一种或多种；所述第二微生物菌剂中，所述的枯草芽孢杆菌KX-1与所述的其他有益微生物的用量质量比为1:0.1~0.8；
（2）向腐熟秸秆粉末中加入第一微生物菌剂、然后依次加入硝化菌和反硝化菌，得到所述生物絮团，所述第一微生物菌剂的用量为所述腐熟秸秆粉末的8wt%~20wt%；所述硝化菌和反硝化菌的用量大于等于100ml/每千克腐熟秸秆粉末。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述的火山岩生物制剂通过以下步骤制备：
（1）将火山岩磨碎成20~40目的火山岩颗粒，去除粉末后得到火山岩颗粒载体；
（2）将所述的第二微生物菌剂与水按照用量质量比为1:20~50配置成菌液，然后加入氮源和碳源对菌种进行激活，当菌液中的芽孢杆菌80%以上呈营养体状态，活菌数＞50亿/mL时，将所述的火山岩颗粒载体在所述的菌液中浸泡24~72h，然后将所述的火山岩颗粒载体捞出沥干，即得所述的火山岩生物制剂。
5. 根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述的第二微生物菌剂、所述的火山岩生物制剂、所述的干秸秆的投料用量质量比为1:50~80: 1000~2000。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：进行堆制发酵腐熟时，控制湿度在50~65%，堆制时，安插透气管，然后在堆制上覆盖薄膜，待堆制的温度上升至50~60℃，除去透气管上方覆盖的薄膜继续发酵10~15天，然后进行翻堆补水，继续发酵5~15天完成发酵腐熟。
7.一种如权利要求1至2中任一项权利要求所述的生物絮团在水产养殖、水净化、工业水处理中的应用。
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