CN107032573A - 一种利用白腐真菌协同堆肥钝化城市污泥中有效态铜和镍的方法 - Google Patents

一种利用白腐真菌协同堆肥钝化城市污泥中有效态铜和镍的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种利用白腐真菌协同堆肥钝化城市污泥中有效态铜和镍的方法，属于环境领域。本发明将白腐真菌和堆肥处理方法协同作用于城市污泥有效态铜和镍的钝化处理，稻草秸秆和麸皮堆肥发酵产物固定、螯合有效态铜和镍，同时为白腐真菌提供生长营养物质；而白腐真菌促进堆肥体系中难降解物质分解，促进污泥腐熟，从而促进腐熟产物对铜和镍的螯合钝化作用，同时白腐真菌对铜和镍的吸附、螯合作用，进一步有效提高了城市污泥中有效态铜和镍钝化率，实现了农作废物的资源化利用，降低了城市污泥农用风险，提高了城市污泥资源化利用价值，且此方法无二次污染、处理工艺简单、操作简便，投资和运行费用低等优势，具有很高的实际应用价值。

Description

一种利用白腐真菌协同堆肥钝化城市污泥中有效态铜和镍的 方法
技术领域
本发明属于环境领域，具体涉及一种利用白腐真菌协同堆肥钝化城市污泥中有效态铜和镍的方法。
背景技术
城市污泥经过污水处理厂的脱水处理后，由于其丰富的氮磷营养物质，常用于农用或林业。但因为经济发展，城市污水中的重金属浓度日益增多，进而导致城市污泥中的重金属含量也大幅增长。由于重金属不能被生物代谢利用，会通过食物链在生物体中积累且当浓度超过生物所需用量时，就会对生物体产生毒害作用。其中，铜和镍过量，会在人体内积聚，产生致癌作用。因而，过量重金属限制了城市污泥的资源化农用。由于重金属对生物的毒害性主要取决于重金属的形态而并非重金属浓度的总量，可将污泥中的对生物体有毒害作用的有效态重金属钝化成稳定形态，则可降低重金属对生物体的影响。
城市污泥中的重金属铜和镍主要来自城市污水。城市污泥重金属一般利用淋滤法和电动法将其从固相洗脱到液相，从而实现去除。但一般情况下这些过程适用规模不大、成本高、操作困难，难以满足数量庞大且日益增多的城市污泥处理，并且其滤液容易导致二次污染等问题。
堆肥处理是环境领域土壤处理技术的传统方法，它以各种微生物活动为基础，通过微生物的代谢活动，特别是细菌和真菌，将污泥或土壤中的有机物甚至是有毒有害的物质进行代谢分解，将有机质的数量变少，质量变好。与其他方法相比，该方法操作简单、处理成本低且能够处理种类广。然而堆肥处理对重金属的钝化效率低，使其在城市污泥处理中受到限制。
目前，国内外很多学者通过单独调整堆肥工况条件来或微生物处理城市污泥中的铜和镍，其中调整堆肥工况条件过程中，影响因素多且随机性强，调整过程复杂，可靠性低，而微生物处理污泥重金属中，重金属对微生物毒害性强、微生物繁殖能力低、重金属钝化效率低等问题。因此，如何充分利用堆肥和微生物协同钝化城市污泥有效态铜和镍，成为本领域的难题。
发明内容
为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的目的在于提供一种利用白腐真菌协同堆肥钝化城市污泥中有效态铜和镍的方法。
本发明索要解决的技术问题是：针对现有技术存在的缺陷，提供一种能提高城市污泥重金属铜和镍的钝化率，实现城市污泥资源化农用，且成本低廉、操作简单、运行费用低、处理效果好的利用白腐真菌和堆肥协同钝化城市污泥有效态铜和镍的方法。
本发明的另一目的在于提供一种生物有机肥。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种利用白腐真菌协同堆肥钝化城市污泥中有效态铜和镍的方法，包括以下步骤：
(1)堆肥材料预处理：堆肥膨胀剂和生物质选用稻草秸秆和麸皮，将两者洗涤、干燥、剪碎备用；
(2)白腐真菌富集：选用白腐真菌，制备白腐真菌孢子悬浮液；
(3)构建堆肥体系钝化城市污泥中有效态铜和镍：将城市污泥、稻草秸秆、麸皮和白腐真菌孢子悬浮液混合，调节含水率进行堆肥。
优选的，所述的堆肥体系中，城市污泥、稻草秸秆和麸皮按30：9：5(湿重比)比例混合；所述白腐真菌孢子悬浮液与堆肥体系质量比为6％。
优选的，所述的堆肥体系的含水率为60％～70％；堆肥时间为40～60天；翻堆频率为堆肥25天后翻一次，而后每周翻一次。
更优选的，所述的堆肥体系的含水率为64～68％。
优选的，所述的城市污泥中能够进入生态循环系统的有效态铜初始浓度不高于9mg/kg，有效态镍初始浓度不高于6mg/kg。
优选的，所述的白腐真菌孢子悬浮液为黄孢原毛平革菌的孢子悬浮液，黄孢原毛平革菌孢子悬浮液的浓度为2.0×106个/mL。
优选的，所述的稻草秸秆和麸皮用去离子水洗涤4～6次，于50～70℃烘干，稻草剪碎尺寸为1～2cm，麸皮粉碎过筛，筛孔尺寸为10～18目。
一种生物有机肥，利用上述方法实现城市污泥中有效态铜和镍的钝化后，即得到生物有机肥。
本发明的机理是：
白腐真菌是一类能同时处理废水和污泥中有机-无机污染物的微生物，其不仅能够通过自身新陈代谢分泌胞外物质降解或吸附有机-无机污染物，还能利用并分解堆肥体系中难分解的木质素和类木质素物质，生成腐殖酸，促进污泥中的有机质转化为腐殖质，进一步提高污泥腐殖化程度，通过腐殖质对污泥有效态重金属的螯合作用，从而促进污泥中有效态重金属的钝化，同时得到了富含氮、磷元素的生物有机肥，显示出良好的应用前景。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
(1)利用堆肥的方法钝化有效态重金属，不仅综合利用了稻草秸秆、麸皮等农作废物，提高了其利用价值，从而减少农作废物处理处置对环境造成的污染，还能减少城市污泥中有毒有害有机物，改善城市污泥中有机质的质量，促进城市污泥腐殖化，提高其资源化利用的价值。
(2)本发明将白腐真菌和堆肥处理方法协同作用于城市污泥有效态铜和镍的钝化处理，稻草秸秆和麸皮堆肥发酵产物固定、螯合有效态铜和镍，同时为白腐真菌提供生长营养物质；而白腐真菌促进堆肥体系中难降解物质分解，促进污泥腐熟，从而促进腐熟产物对铜和镍的螯合钝化作用，同时白腐真菌对铜和镍的吸附、螯合作用，进一步有效提高了城市污泥中有效态铜和镍钝化率，实现了农作废物的资源化利用，降低了城市污泥农用风险，提高了城市污泥资源化利用价值，且此方法无二次污染、处理工艺简单、操作简便，投资和运行费用低等优势，具有很高的实际应用价值。
(3)利用本发明的方法对有效态铜浓度≤9mg/kg和有效态镍浓度≤6mg/kg的城市污泥，有效态铜去除率达80％以上，有效态镍去除率达70％以上。本发明具有处理效率高、处理效果好、成本低廉、操作简便的优势。
附图说明
图1是白腐真菌协同堆肥钝化城市污泥铜、镍机理图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
以下实施例中，白腐真菌孢子悬浮液是指黄孢原毛平革菌(Phanerochaetechrysosporium，CCTCC AF96007)的孢子悬浮液，其余材料和仪器均为市售。
其中黄孢原毛平革菌孢子悬浮液按照以下制备方法制备：
将购得的黄孢原毛平革菌(CCTCC，AF96007)从保藏的斜面培养基上刮取，并接种至土豆葡萄糖培养基，置于37℃的生化培养箱中进行培养，6天后选择生长情况较好的菌种放置在4℃的冰箱内进行保藏；在灭菌台里，用无菌棉签从培养基上粘取目标菌的孢子溶入无菌水中，通过搅拌和震动使孢子均匀分散，形成孢子悬浮液。测定溶液的浊度，当浊度为60％左右时，为本实施例所用的黄孢原毛平革菌的孢子悬浮液，每毫升孢子悬浮液中有数量级为2×106个的孢子。土豆葡萄糖培养基组成为：土豆200g，葡萄糖20g，琼脂20g，水1000mL。
实施例1
一种利用白腐真菌协同堆肥钝化城市污泥中有效态铜和镍的方法，包括以下步骤：
将稻草秸秆用去离子水洗涤5次后，于60℃烘干，剪碎成2cm长小段；城市污泥、稻草秸秆、麸皮为原材料，按30：9：5(湿重比)比例混合搅拌，接种6％(质量比)的黄孢原毛平革菌孢子悬浮液，充分搅拌，调节含水率66％，堆叠成圆锥体，构建总质量为5kg堆肥体系，连续堆肥60天。
将样品于105℃烘干6h，研磨后过100目孔径的筛子，采用BCR提取法分步分形态提取铜、镍，0.45微米滤膜过滤后用ICP-OES测定并计算城市污泥中有效态铜和镍的钝化率，测定结果见表1。
表1有效态铜、镍钝化率随堆肥时间的变化
堆肥天数 0 10 20 40 60
有效态铜钝化率(％) 0 44.08 28.79 72.80 62.34
有效态镍钝化率(％) 0 24.44 15.54 76.43 54.98
由表1可知，当堆肥时间达到40天后，有50％以上的铜和镍被钝化。所以该堆肥方法适宜的堆肥时间为40～60天，最佳堆肥时间为40天。
实施例2
一种利用白腐真菌协同堆肥钝化城市污泥中有效态铜和镍的方法，包括以下步骤：
将稻草秸秆用去离子水洗涤5次后，于60℃烘干，剪碎成2cm长小段；城市污泥、稻草秸秆、麸皮为原材料，按30：9：5(湿重比)比例混合搅拌，接种6％(质量比)的黄孢原毛平革菌孢子悬浮液，充分搅拌，调节含水率60～70％，堆叠成圆锥体，构建总质量为5kg堆肥体系，连续堆肥40天。
将样品于105℃烘干6h，研磨后过100目孔径的筛子，采用BCR提取法分步分形态提取铜、镍，0.45微米滤膜过滤后用ICP-OES测定并计算城市污泥中有效态铜和镍的钝化率，测定结果见表2。
表2堆肥方法在不同含水率条件下对有效态铜、镍的钝化
含水率(％) 60 62 64 66 68 70
有效态铜钝化率(％) 59.45 63.39 68.32 74.50 66.11 60.23
有效态镍钝化率(％) 62.35 66.89 70.36 78.54 67.67 57.78
由表2可知，含水率对白腐真菌协同堆肥钝化城市污泥有效态铜、镍有一定的影响，原因是含水率过高或过低会抑制白腐真菌的生长繁殖以及各种代谢活动，还会影响好氧堆肥对污泥有机物的降解进程，从而降低对有效态铜、镍的钝化作用。所以本发明中适宜的含水率范围为60～70％，最佳含水率为66％。
实施例3
一种利用白腐真菌协同堆肥钝化城市污泥中有效态铜和镍的方法，包括以下步骤：
将稻草秸秆用去离子水洗涤5次后，于60℃烘干，剪碎成2cm长小段；城市污泥、稻草秸秆、麸皮为原材料，按30：9：5(湿重比)比例混合搅拌，接种6％(质量比)的黄孢原毛平革菌孢子悬浮液，充分搅拌，调节含水率66％，堆叠成圆锥体，构建总质量为5kg堆肥体系，连续堆肥40天；其中，翻堆频率设定为两种：一种是每周翻堆一次；另一种是堆肥25天后翻堆一次，而后每周翻一次。
将样品于105℃烘干6h，研磨后过100目孔径的筛子，采用BCR提取法分步分形态提取铜、镍，0.45微米滤膜过滤后用ICP-OES测定并计算城市污泥中有效态铜和镍的钝化率，测定结果见表3。
表3堆肥方法在不同翻堆频率条件下对有效态铜、镍的钝化
翻堆频率 每周一次 25天后翻堆一次，而后每周翻一次
有效态铜钝化率(％) 76.43 81.02
有效态镍钝化率(％) 62.34 73.36
由表3可知，翻堆频率对利用白腐真菌协同堆肥钝化城市污泥中有效态铜和镍具有影响。翻堆过于频繁，容易导致堆体热量以及水分散失，不利于堆体发酵分解，从而影响堆体代谢产物对有效态铜和镍的螯合作用。因此白腐真菌协同堆肥钝化城市污泥有效态铜和镍的最佳翻堆频率为25天翻堆一次，而后每周翻堆一次。
实施例4
有机肥对照实验：
实验组：实施例3中堆肥后的成品和土壤以质量比1：1混合，施种芥蓝种子，用去离子水浇透湿润，待种子发芽后，每天7：00以及16：00用去离子水浇灌湿润；
对照组：运用与实验组相同的土壤种植芥蓝，用去离子水浇透湿润，待种子发芽后，每天7：00以及16：00用稀释后的尿液浇灌湿润。
两组放于同等环境下种植3个月。
表4有机肥效果对比表
组别 平均株高/cm 平均叶层/层 平均叶片大小/cm2
实验组 14.1 4 36
对照组 10.7 3 28
由表4可知，堆肥后的生物有机肥比现有的有机肥效果更好。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用白腐真菌协同堆肥钝化城市污泥中有效态铜和镍的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)堆肥材料预处理：堆肥膨胀剂和生物质选用稻草秸秆和麸皮，将两者洗涤、干燥、剪碎备用；
(2)白腐真菌富集：选用白腐真菌，制备白腐真菌孢子悬浮液；
(3)构建堆肥体系钝化城市污泥中有效态铜和镍：将城市污泥、稻草秸秆、麸皮和白腐真菌孢子悬浮液混合，调节含水率进行堆肥。
2.根据权利要求1所述的利用白腐真菌协同堆肥钝化城市污泥中有效态铜和镍的方法，其特征在于：
所述的堆肥体系中，城市污泥、稻草秸秆和麸皮按湿重比30：9：5比例混合。
3.根据权利要求2所述的利用白腐真菌协同堆肥钝化城市污泥中有效态铜和镍的方法，其特征在于：
所述的白腐真菌孢子悬浮液与堆肥体系质量比为6％。
4.根据权利要求1所述的利用白腐真菌协同堆肥钝化城市污泥中有效态铜和镍的方法，其特征在于：
所述的堆肥体系的含水率为60％～70％；堆肥时间为40～60天；翻堆频率为堆肥25天后翻一次，而后每周翻一次。
5.根据权利要求4所述的利用白腐真菌协同堆肥钝化城市污泥中有效态铜和镍的方法，其特征在于：
所述的堆肥体系的含水率为64～68％。
6.根据权利要求1所述的利用白腐真菌协同堆肥钝化城市污泥中有效态铜和镍的方法，其特征在于：
所述的城市污泥中能够进入生态循环系统的有效态铜初始浓度不高于9mg/kg，有效态镍初始浓度不高于6mg/kg。
7.根据权利要求1所述的利用白腐真菌协同堆肥钝化城市污泥中有效态铜和镍的方法，其特征在于：
所述的白腐真菌孢子悬浮液为黄孢原毛平革菌的孢子悬浮液。
8.根据权利要求7所述的利用白腐真菌协同堆肥钝化城市污泥中有效态铜和镍的方法，其特征在于：
所述的黄孢原毛平革菌孢子悬浮液的浓度为2.0×106个/mL。
9.根据权利要求1所述的利用白腐真菌协同堆肥钝化城市污泥中有效态铜和镍的方法，其特征在于：
所述的稻草秸秆和麸皮用去离子水洗涤4～6次，于50～70℃烘干，稻草剪碎尺寸为1～2cm，麸皮粉碎过筛，筛孔尺寸为10～18目。
10.一种生物有机肥，其特征在于：利用权利要求1～9任一项所述的方法实现城市污泥中有效态铜和镍的钝化后，即得到生物有机肥。
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