CN106882913A - 一种巨大芽孢杆菌用于处理城市污泥中的应用及生产生物有机肥的方法 - Google Patents

一种巨大芽孢杆菌用于处理城市污泥中的应用及生产生物有机肥的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种巨大芽孢杆菌用于处理城市污泥中的应用及生产生物有机肥的方法。所述的巨大芽孢杆菌的保藏编号为ACCC10010，分类命名为巨大芽孢杆菌(Bacillus megaterium)，保存于中国农业科学院微生物保藏中心。利用本发明的方法处理城市污泥，通过对污泥发酵前后样品测定，污泥中的有机污染物基本降解完全，并且重金属离子浓度显著降低，达到了城市污泥无害化处理的目的。以处理污泥过程中产生的发酵液为原料生产的生物有机肥，经检测，成品中巨大芽孢杆菌有效活菌数为1.76×108个/g，杂菌率低于10％，pH6.51，符合农业部生物有机肥料标准(NY/T 884-2004)。

Description

一种巨大芽孢杆菌用于处理城市污泥中的应用及生产生物有机肥的方法
技术领域
本发明涉及城市污泥处理技术领域，尤其涉及一种巨大芽孢杆菌用于处理城市污泥中的应用及生产生物有机肥的方法。
背景技术
城市污泥是污水处理过程中产生的固体废弃物。随着我国污水处理事业的发展，污水厂总处理水量和处理程度将不断扩大和提高，产生的污泥量也日益增加。污泥中除了含有大量的有机物和丰富的氮、磷等营养物质，还存在重金属、致病菌和寄生虫等有毒有害成分。为防止污泥造成的二次污染及保证污水处理厂的正常运行和处理效果，污泥的处理处置问题在城市污水处理中占有的位置已日益突出。据国家环保总局提供的数字，目前我国每年大约排放污水401亿m3，已建成运转的城市污水处理厂有400余座，日处理能力2534万m3。按污泥产量占处理水量的0.3％～0.5％(以含水率97％计)计算，我国城市污水厂污泥的产量在7.602万m3/d和12.67万m3/d(以含水率97％计)之间。因此，我国在污水处理事业不断取得进步的同时，将面临巨大的污泥处理处置压力。
从目前已建成运行的城市污水污泥厂来看，污泥处理主要分3个部分，即污泥浓缩、污泥稳定和污泥处置。污泥浓缩主要是降低污泥中的空隙水，通常采用的是物理处理方法，主要包括重力浓缩法、气浮浓缩法、离心浓缩法等。污泥稳定方法常用的是厌氧消化，好氧消化和污泥堆肥也有部分被采用，污泥堆肥正处于不断研究阶段，而热解和化学稳定方法由于技术原因或者经济、能耗原因而很少被采用。污泥的处置途径主要包括土地利用、卫生填埋、焚烧处理和水体消纳等方法。国内的污泥处置，即最终出路存在严重问题，有统计表明，仍有13.79％的污泥没有任何处置，这将为环境污染带来巨大危害。污泥散发的臭气污染空气，病原菌对人类健康产生潜在威胁，重金属和有毒有害有机物污染地表和地下水系统。由于我国污泥处理处置起步较晚，自身处理技术、设备较为落后，而且许多城市没有将污泥处置场所纳入城市总体规划，造成很多处理厂难以找到合适的污泥处置方法和污泥弃置场所。
虽然目前已有报道利用细菌进行城市污泥的处理，但是由于城市污泥的成分复杂，导致细菌成活率低，处理效果不好，因此寻找一种对城市污泥具有更好处理效果的细菌和处理方法具有重大的意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有城市污泥处理中的不足，提供一种巨大芽孢杆菌。该巨大芽孢杆菌可对城市污泥达到无害化处理。并且本发明还提供生产一种无害的，符合农业部生物有机肥料标准(NY/T 884-2012)的微生物肥料的方法。
本发明采用如下技术方案：
本发明的巨大芽孢杆菌可以用于处理城市污泥，所述的巨大芽孢杆菌的保藏编号为ACCC10010，分类命名为巨大芽孢杆菌(Bacillus megaterium)，保存于中国农业科学院微生物保藏中心。
本发明的巨大芽孢杆菌用于处理城市污泥的方法的具体步骤如下：
(1)污泥样品前期处理：
取城市污泥用自来水调整污泥含固率至1-5％，加入消泡剂，消泡剂加入量为1-3g/L，调节污泥样品pH至7～8，分别在种子罐与发酵罐中经0.1MPa压力和121℃温度下灭菌45～60分钟，冷却至30℃备用；
(2)巨大芽孢杆菌摇瓶培养：
将巨大芽孢杆菌按接种量1-5％接种到装有发酵培养基的三角瓶中，进行摇瓶培养，培养条件为：温度25-35℃、转速200-300r/min、培养时间10-20小时；(3)种子罐发酵及发酵罐发酵：
从摇瓶培养液中按接种量1-5％接种巨大芽孢杆菌菌液到种子发酵罐中进行发酵培养，培养条件为：投料量1/3-3/4、罐温25-35℃、罐压0.01-0.05MPa、通气量0.5-2:1(V/V/min)、搅拌速率200-300r/min、发酵时间10-20小时，种子发酵罐所用培养基为经过前期处理后的污泥样品；
种子罐发酵完毕后，从种子罐中按接种量1-5％接种巨大芽孢杆菌菌液到发酵罐中进行发酵培养，培养基为经过前期处理后的污泥样品，发酵条件为：投料量1/3-3/4、罐温25-35℃、罐压0.01-0.05MPa、通气量0.5-2:1(V/V/min)、搅拌速度200-300r/min、发酵时间24-48小时，发酵完成得到发酵液。
步骤(1)中，优选取城市污泥用自来水调整污泥含固率至3％，加入消泡剂，消泡剂加入量为2g/L。
步骤(1)中，所述的消泡剂是豆油、GPE型聚醚类消泡剂、有机硅消泡剂、苯乙醇油酸酯中的一种或几种。
步骤(2)中，优选将巨大芽孢杆菌按接种量3％接种到装有发酵培养基的三角瓶中，进行摇瓶培养，培养条件为：温度30℃、转速250r/min、培养时间15小时。
步骤(2)中，所述摇瓶培养所用培养基的成分为：乳糖10g/L、蛋白胨7.45g/L、NaCl 5g/L、MgSO4·7H2O 2.46g/L、CaCl2 1.22g/L、K2SO4 0.087g/L，起始pH 8.0，使用前先在在0.1MPa压力和121℃温度下灭菌30分钟。
步骤(3)中，优选从摇瓶培养液中按接种量3％接种巨大芽孢杆菌菌液到种子发酵罐中进行发酵培养，培养条件为：投料量2/3、罐温30℃、罐压0.03MPa、通气量1:1(V/V/min)、搅拌速率250r/min、发酵时间15小时。
步骤(3)中，优选种子罐发酵完毕后，按接种量3％接种巨大芽孢杆菌菌液到发酵罐中进行发酵培养，发酵条件为：投料量2/3、罐温30℃、罐压0.03MPa、通气量1:1(V/V/min)、搅拌速率250r/min、发酵时间38小时。
发酵条件优化
为了获得高密度的解磷巨大芽孢杆菌，在实验室条件下，以巨大芽孢杆菌为研究对象，以OD600为依据测定活菌数量，优化最佳液体发酵培养条件。首先，采用单因素试验对其培养条件，如接种量、装液量、发酵温度、起始pH、发酵时间、摇床转速等进行筛选，获得单因素试验最佳值。然后在此基础上，利用L9(34)正交试验对其培养条件进行优化及验证，并制作菌株生长曲线。
通过试验，各因素适宜发酵条件为：最佳接种量为3％、最佳装液量为20mL/250mL三角瓶、适宜发酵温度为30℃、发酵液适宜起始pH 7.0～8.0、摇床转速为250r/min、最佳发酵时间为38h。可为巨大芽孢杆菌处理城市污泥样品提供参考数据。
以本发明的方法得到的发酵液为原料生产生物有机肥的方法的具体步骤如下：取上述发酵液，用磷酸调节发酵液pH为6.0～7.5，然后用烘干草炭按1:2-6的比例进行吸附，干燥粉碎后装袋。
所述烘干草炭的细度小于80目，优选用烘干草炭按1:4的比例进行吸附。
本发明所述巨大芽孢杆菌来自中国农业科学院微生物保藏中心，保藏编号为ACCC10010。该菌株对城市污泥中的有机磷等有机化合物具有很好的降解效果，同时还能钝化城市污泥中重金属活性。
本发明的积极效果如下：
利用本发明的巨大芽孢杆菌用于处理城市污泥的方法处理城市污泥，通过对污泥发酵前后样品测定，污泥中的有机污染物基本降解完全，并且重金属离子浓度显著降低，达到了城市污泥无害化处理的目的。
以处理污泥过程中产生的发酵液为原料生产的生物有机肥，经检测，成品中巨大芽孢杆菌有效活菌数为1.76×108个/g，杂菌率低于10％，pH 6.51，符合农业部生物有机肥料标准(NY/T 884-2012)。
附图说明
图1是本发明中城市污泥处理工艺流程图。
具体实施方式
下面的实施例是对本发明的进一步详细描述。
实施例1处理城市污泥的方法
本发明的巨大芽孢杆菌用于处理城市污泥的方法的具体步骤如下：
(1)污泥样品前期处理：
取城市污泥用自来水调整污泥含固率至1％，加入消泡剂，消泡剂加入量为3g/L，调节污泥样品pH至7～8，分别在种子罐与发酵罐中经0.1MPa压力和121℃温度下灭菌45分钟，冷却至30℃备用；
(2)巨大芽孢杆菌摇瓶培养：
将巨大芽孢杆菌按接种量5％接种到装有发酵培养基的三角瓶中，进行摇瓶培养，培养条件为：温度25℃、转速300r/min、培养时间10小时；
(3)种子罐发酵及发酵罐发酵：
从摇瓶培养液中按接种量5％接种巨大芽孢杆菌菌液到种子发酵罐中进行发酵培养，培养条件为：投料量1/3、罐温35℃、罐压0.01MPa、通气量2:1(V/V/min)、搅拌速率200r/min、发酵时间20小时，种子发酵罐所用培养基为经过前期处理后的污泥样品；
种子罐发酵完毕后，从种子罐中按接种量1％接种巨大芽孢杆菌菌液到发酵罐中进行发酵培养，步骤1污泥前期处理后所得污泥样品作为培养基，发酵条件为：投料量3/4、罐温25℃、罐压0.05MPa、通气量0.5:1(V/V/min)、搅拌速度300r/min、发酵时间24小时，发酵完成得到发酵液。
步骤(1)中，所述的消泡剂是豆油。
步骤(2)中，所述摇瓶培养所用培养基的成分为：乳糖10g/L、蛋白胨7.45g/L、NaCl 5g/L、MgSO4·7H2O 2.46g/L、CaCl2 1.22g/L、K2SO4 0.087g/L，起始pH 8.0，使用前先在在0.1MPa压力和121℃温度下灭菌30分钟。
实施例2处理城市污泥的方法
本发明的巨大芽孢杆菌用于处理城市污泥的方法的具体步骤如下：
(1)污泥样品前期处理：
取城市污泥用自来水调整污泥含固率至5％，加入消泡剂，消泡剂加入量为1g/L，调节污泥样品pH至7～8，分别在种子罐与发酵罐中经0.1MPa压力和121℃温度下灭菌60分钟，冷却至30℃备用；
(2)巨大芽孢杆菌摇瓶培养：
将巨大芽孢杆菌按接种量1％接种到装有发酵培养基的三角瓶中，进行摇瓶培养，培养条件为：温度35℃、转速200r/min、培养时间20小时；
(3)种子罐发酵及发酵罐发酵：
从摇瓶培养液中按接种量1％接种巨大芽孢杆菌菌液到种子发酵罐中进行发酵培养，培养条件为：投料量3/4、罐温25℃、罐压0.05MPa、通气量0.5:1(V/V/min)、搅拌速率300r/min、发酵时间10小时，种子发酵罐所用培养基为经过前期处理后的污泥样品；
种子罐发酵完毕后，从种子罐中按接种量5％接种巨大芽孢杆菌菌液到发酵罐中进行发酵培养，步骤1污泥前期处理后所得污泥样品作为培养基，发酵条件为：投料量1/3、罐温35℃、罐压0.01MPa、通气量2:1(V/V/min)、搅拌速度200r/min、发酵时间48小时，发酵完成得到发酵液。
步骤(1)中，所述的消泡剂是GPE型聚醚类消泡剂。
步骤(2)中，所述摇瓶培养所用培养基的成分为：乳糖10g/L、蛋白胨7.45g/L、NaCl 5g/L、MgSO4·7H2O 2.46g/L、CaCl2 1.22g/L、K2SO4 0.087g/L，起始pH 8.0，使用前先在在0.1MPa压力和121℃温度下灭菌30分钟。
实施例3处理城市污泥的方法
(1)污泥样品前期处理
取上海市某污水处理厂污泥，随机取样，测定该污泥基本理化性质，测定结果如表1。
表1污泥理化性质
用自来水调整污泥含固率至3.0％，加入消泡剂，消泡剂加入量为2.0g/L，调节污泥样品pH至7.0～8.0左右，分别在种子罐与发酵罐中经0.1MPa压力和121℃温度下灭菌45～60分钟，冷却至30℃备用，灭菌后污泥样品pH约为7.0～8.0。
(2)巨大芽孢杆菌摇瓶培养
将巨大芽孢杆菌按接种量3％接种到多个装有发酵培养基的三角瓶中，进行摇瓶培养。培养条件为：温度30℃、转速250r/min、500mL三角瓶装液200mL培养基、培养时间15小时。摇瓶培养所用培养基的成分为：乳糖10g/L、蛋白胨7.45g/L、NaCl 5g/L、MgSO4·7H2O 2.46g/L、CaCl2 1.22g/L、K2SO4 0.087g/L，起始pH 8.0，在0.1MPa压力和121℃温度下灭菌30分钟。
(3)种子罐发酵及发酵罐发酵
从摇瓶培养液中按接种量3％接种巨大芽孢杆菌菌液到种子发酵罐中进行发酵培养。培养条件为：投料量2/3、罐温30℃、罐压0.03MPa、通气量1:1(V/V/min)、搅拌速率250r/min、发酵时间15小时。种子发酵罐所用培养基为经过处理后的污泥样品。
种子罐发酵完毕后，按接种量3％接种巨大芽孢杆菌菌液到发酵罐中进行发酵培养。发酵条件为：投料量2/3、罐温30℃、罐压0.03MPa、通气量1:1(V/V/min)、搅拌速度250r/min、发酵时间38小时。发酵罐发酵完毕后，取放灌时发酵液样品进行测定，测定结果为：活菌数9.7×108个/mL、芽孢数8.9×108个/mL，芽孢形成率高达92％。
实施例4磷细菌生物肥料成品生产
在实施例3发酵罐发酵结束后，用磷酸调节发酵液pH为6.0～7.5，然后用细度小于80目的烘干草炭按1:4的比例进行吸附，干燥后装袋。经检测，成品中有效活菌数为1.76×108个/g，杂菌率低于10％，pH为6.51，同时对样品进行元素分析，各主要重金属检测结果如表2。磷细菌生物肥料成品中主要重金属含量都低于农业部生物肥料行业标准NY 227-94的关于无害化的标准，实现了城市污泥的无害化处理。同时保持对成品的监测，检测表明，6个月后，该成品各项指标均保持正常。
表2磷细菌生物肥料成品主要重金属检测结果
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种巨大芽孢杆菌用于处理城市污泥中的应用，其特征在于：所述的巨大芽孢杆菌的保藏编号为ACCC10010，分类命名为巨大芽孢杆菌(Bacillusmegaterium)，保存于中国农业科学院微生物保藏中心。
2.一种巨大芽孢杆菌用于处理城市污泥的方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：
(1)污泥样品前期处理：
取城市污泥用自来水调整污泥含固率至1-5％，加入消泡剂，消泡剂加入量为1-3g/L，调节污泥样品pH至7～8，分别在种子罐与发酵罐中经0.1MPa压力和121℃温度下灭菌45～60分钟，冷却至30℃备用；
(2)巨大芽孢杆菌摇瓶培养：
将巨大芽孢杆菌按接种量1-5％接种到装有发酵培养基的三角瓶中，进行摇瓶培养，培养条件为：温度25-35℃、转速200-300r/min、培养时间10-20小时；
(3)种子罐发酵及发酵罐发酵：
从摇瓶培养液中按接种量1-5％接种巨大芽孢杆菌菌液到种子发酵罐中进行发酵培养，培养条件为：投料量1/3-3/4、罐温25-35℃、罐压0.01-0.05MPa、通气量0.5-2:1(V/V/min)、搅拌速率200-300r/min、发酵时间10-20小时，种子发酵罐所用培养基为经过前期处理后的污泥；
种子罐发酵完毕后，从种子罐中按接种量1-5％接种巨大芽孢杆菌菌液到发酵罐中进行发酵培养，培养基为经过前期处理后的污泥，发酵条件为：投料量1/3-3/4、罐温25-35℃、罐压0.01-0.05MPa、通气量0.5-2:1(V/V/min)、搅拌速度200-300r/min、发酵时间24-48小时，发酵完成得到发酵液。
3.如权利要求2所述的巨大芽孢杆菌用于处理城市污泥的方法，其特征在于：步骤(1)中，取城市污泥用自来水调整污泥含固率至3％，加入消泡剂，消泡剂加入量为2g/L。
4.如权利要求2所述的巨大芽孢杆菌用于处理城市污泥的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的消泡剂是豆油、GPE型聚醚类消泡剂、有机硅消泡剂、苯乙醇油酸酯中的一种或几种。
5.如权利要求2所述的巨大芽孢杆菌用于处理城市污泥的方法，其特征在于：步骤(2)中，将巨大芽孢杆菌按接种量3％接种到装有发酵培养基的三角瓶中，进行摇瓶培养，培养条件为：温度30℃、转速250r/min、培养时间15小时。
6.如权利要求2所述的巨大芽孢杆菌用于处理城市污泥的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述摇瓶培养所用培养基的成分为：乳糖10g/L、蛋白胨7.45g/L、NaCl 5g/L、MgSO4·7H2O 2.46g/L、CaCl2 1.22g/L、K2SO4 0.087g/L，起始pH 8.0，使用前先在在0.1MPa压力和121℃温度下灭菌30分钟。
7.如权利要求2所述的巨大芽孢杆菌用于处理城市污泥的方法，其特征在于：步骤(3)中，从摇瓶培养液中按接种量3％接种巨大芽孢杆菌菌液到种子发酵罐中进行发酵培养，培养条件为：投料量2/3、罐温30℃、罐压0.03MPa、通气量1:1(V/V/min)、搅拌速率250r/min、发酵时间15小时。
8.如权利要求2所述的巨大芽孢杆菌用于处理城市污泥的方法，其特征在于：步骤(3)中，种子罐发酵完毕后，按接种量3％接种巨大芽孢杆菌菌液到发酵罐中进行发酵培养，发酵条件为：投料量2/3、罐温30℃、罐压0.03MPa、通气量1:1(V/V/min)、搅拌速率250r/min、发酵时间38小时。
9.一种以权利要求2-8任一项所述的方法得到的发酵液为原料生产生物有机肥的方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：取上述发酵液，用磷酸调节发酵液pH为6.0～7.5，然后用烘干草炭按1:2-6的比例进行吸附，干燥粉碎后装袋。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述烘干草炭的细度小于80目，用烘干草炭按1:4的比例进行吸附。
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