CN107188626A

CN107188626A - 一种园林垃圾木质素组分发酵降解方法

Info

Publication number: CN107188626A
Application number: CN201710458541.2A
Authority: CN
Inventors: 林镇荣; 刘敏茹; 尹华; 郭华芳
Original assignee: Guangzhou Institute of Energy Conversion of CAS
Current assignee: Guangzhou Institute of Energy Conversion of CAS
Priority date: 2017-06-16
Filing date: 2017-06-16
Publication date: 2017-09-22

Abstract

本发明公开了一种园林垃圾木质素组分发酵降解方法，包括如下步骤：(1)将物料粉碎成粒径为0.4～0.7cm的物料；(2)经过粉碎的物料置于一级发酵区，向物料添加蘑菇渣发酵液，使物料的含水率为55％～65％，进行一级发酵；(3)向完成一级发酵的物料添加蘑菇渣发酵液，使物料的含水率为45％～55％，随后置于二级发酵区进行二级发酵；(4)将二级发酵后的物料置于三级发酵区进行发酵，完成整个发酵降解过程。本发明针对物料中木质素的特点，采用理化处理与生化处理不同方法进行物料预处理与物料调理，针对发酵降解过程不同温度阶段细菌、真菌、放线菌等不同优势降解菌群的活动特性，实现准确的条件控制，实现木质素高效降解。

Description

一种园林垃圾木质素组分发酵降解方法

技术领域：

本发明属于固废资源化利用技术领域，具体涉及一种园林垃圾木质素组分发酵降解方法。

背景技术：

随着社会发展，园林垃圾的产量日益增加，园林垃圾被随意废弃和焚烧，产生了环境污染问题。园林垃圾富含有机质等营养元素，是一种比较洁净的固体废物，近年来在资源化利用方面逐步得到重视，尤其是通过好氧发酵堆肥的利用方式，已在一些地区取得应用。但是，园林垃圾的主要成分是木质素、纤维素和半纤维素，这三者的成分含量为20％～30％、40％和20％～30％，尽管许多微生物能分解单独存在的纤维素，但由于在细胞壁中纤维素受到木质素的保护，木质素有完整坚硬的外壳，不易被微生物降解，因此，园林垃圾发酵降解的重点和难点在于木质素的降解，需要针对木质素的难降解特性，做好方法控制。

园林垃圾发酵堆肥方法有堆体法和仓体法，堆体法将物料静态堆置发酵，通过翻堆实现供氧和散热，工艺简单，成本较低，但发酵高温期热量不均匀，热量和养分散失大，发酵周期长，发酵时间一般需要30天左右，占用场地面积大，降解效果不理想。仓体法将物料堆置于仓体装置之中，能较好的解决高温期温度不均匀及热量和养分损失大的问题，有利于保持高温发酵阶段的持续和稳定，相对堆体法在降解速度上有较大的提升，应用中要求装置容积比较大，造成设备制造成本比较高，实用性需要改进。

上述两种发酵方式存在不同的问题，主要是因为两种发酵方式都把物料发酵降解过程的升温期和高温期，混合在一个地方完成，同时又缺乏有效的条件控制，造成发酵效率不高，需要的场地或装置比较庞大。

因此，需要一种新的园林垃圾好氧发酵降解方法，为降解不同物质的微生物提供不同的环境条件，实现木质素的高效降解。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种园林垃圾木质素组分发酵降解方法，本发明提出的方法是针对园林垃圾中用于好氧发酵堆肥处理的园林垃圾物料，主要是花木的叶片、草屑和直径小于1.5cm的枝条等，针对物料中木质素的特点，采用理化处理与生化处理不同方法进行物料预处理与物料调理，针对发酵降解过程不同温度阶段细菌、真菌、放线菌等不同优势降解菌群的活动特性，实现准确的条件控制，实现木质素高效降解。

本发明的目的在于提供一种园林垃圾木质素组分发酵降解方法，包括如下步骤：

(1)物料预处理：将物料粉碎成粒径为0.4～0.7cm的物料；

(2)一级发酵：经过步骤(1)粉碎的物料置于一级发酵区，向物料添加蘑菇渣发酵液，使物料的含水率为55％～65％，碳氮质量比为25～30/1，随后进行一级发酵，一级发酵时间为4～5天；

(3)二级发酵：向完成一级发酵的物料添加蘑菇渣发酵液，使物料的含水率为45％～55％，随后置于二级发酵区进行二级发酵，二级发酵时间为7～8天，温度为50℃～65℃；

(4)三级发酵：将完成二级发酵后的物料置于三级发酵区，温度为30℃～40℃，持续保温6～7天，完成整个发酵降解过程。

本发明以温度和时间为调控因子的分级发酵，其准确控制堆体温度，有利于降解过程不同菌群微生物的活性得到最好的发挥；经过一级发酵，物料体积已有一定的缩小，可减少对舱体容积的需求；带有辅助加热的舱体式发酵，能实现全程高温和全程保温，为重点分解木质素的高温真菌提供适宜的温度条件，比传统的降解方式提速15％～20％，木质素分解率提高约12％，无害化程度提高约3％；后熟阶段改变传统自然静堆的方式，维持一定时间的中温，促进放线菌进一步分解前阶段产生的腐殖质。

园林垃圾有机碳含量比较高，碳氮质量比(C/N)一般高达50:1左右，高于好氧发酵最适宜的C/N(25～30:1)，通过添加蘑菇渣发酵液，能够调节过高的C/N。同时，蘑菇渣发酵液富含有益菌剂，接种的白腐菌有更好的降解能力，白腐菌能够分泌胞外酶降解木质素，被认为是降解木质素的最主要的微生物，添加蘑菇渣液有利于物料中降解菌群的形成，加快发酵的启动。50％～60％是好氧发酵比较适宜的含水率，而园林垃圾物料蓄水性差，水分流失快，故含水率宜略高至55％～65％。

固体废物与微生物生长关系动力学方程为(当X远小于K_X时)：

其中：

υ——产物生成速率

k——微生物浓度足够大时的固体底物最大分解速率

η——固体废物中可利用有机物占总表面积百分比

Α_υ——固体堆料总比表面积

χ——微生物量

K_χ——微生物浓度的半速系数。

从上述方程可知，接种微生物不仅提高了微生物浓度，而且接种分解有机物能力强的菌剂还提高了k值，从而增大反应速率，降低半速系数，使堆肥反应更为迅速彻底。

本发明提出的木质素发酵降解方法包括三级发酵，发酵降解的不同阶段由不同微生物群落完成，水溶性有机物在发酵初期被数量庞大的细菌微生物快速分解，细菌类微生物适宜的存活环境为30℃左右的中低温，随着温度的升高，细菌类微生物的活性逐步减弱，因此将细菌类微生物降解活动放在一级发酵完成，为堆体提供一定的初始高温。

木质素的降解主要由嗜热真菌在45℃～60℃的高温状态下完成，研究表明，在一定温度范围内，一般为70℃之内，温度每升高10℃，降解速度提高1倍。因此二级发酵时，凭借一级发酵预热与辅助加热措施，保障了物料的初始高温，并以舱体结构的方式提高堆料的保温性能，使发酵物料全程高温。一级发酵之后，微生物对水分的需求已减小，但由于物料水分的流失，因此需要将进入二级发酵的物料含水率重新调节至45％～55％。

发酵高温阶段之后，随着物料降温，放线菌等中温微生物能30℃～40℃环境下恢复活性，保持该温度一段时间，中温微生物将在较长时间维持分解活性，更大程度的降解木质素，分解腐殖质。

优选，步骤(1)中所述的物料预处理的具体步骤是：将物料通过粗粉碎机粉碎，成为粒径2～4cm的物料，晾晒后，转入精细粉碎机进行二次粉碎，将物料的粒径粉碎至0.4～0.7cm。

花木叶片的表面有一层蜡质，不经破碎很难亲水及生物分解。加速木质素降解的理化处理方式一般有辐射、蒸气爆破、膨化、粉碎碾磨等，显然，粉碎碾磨是比较经济可行的方式。采用两级粉碎的工艺，便于针对不同规格的物料使用不同的粉碎刀片，可以将物料粉碎得更加均匀，更好地保护粉碎机刀片，一次粉碎后晾晒24h，可避免精细粉碎时物料的粘结。研究表明，合理的理化处理可破坏50％左右的木质素，使纤维成为非结晶状态。将物料的粒径粉碎至0.4～0.7cm，可以在提高物料理化处理效果，加大微生物与物料接触面积，保持物料透气性和保湿能力等方面取得较好的综合效果。

优选，所述的物料选自叶片、草屑和小枝条中的一种以上，小枝条直径小于2cm。

优选，步骤(2)中所述的经过步骤(1)粉碎的物料以堆体的方式置于一级发酵区。

优选，步骤(3)中所述的二级发酵在圆筒舱内进行。二级发酵阶段采用舱体方式，使堆肥过程更加节能和节约用地，减少氮等营养元素的损失，生产环境更加清洁、可控。

优选，步骤(2)中一级发酵过程中，物料的含氧量为8％～15％。

本发明提出的发酵降解方法的工艺流程是：将园林垃圾物料中的砂石杂质与较大的枝块挑选分离后，首先通过大功率粗粉碎机一次粉碎，得到粒径约2～4cm的粗料，将物料常温晾晒，使其松散，避免在精细粉碎机内造成结团堵塞，完成晾晒进入精细粉碎机进行二次粉碎，物料被粉碎至粒径0.4～0.7cm的状态，经过添加发酵菌液等物料调理后，进入辅以通风供氧的槽式一级发酵，升温一定程度后，转入舱体式的二级发酵，二级发酵的投料阶段设有辅助加热，发酵过程利用引风实现供氧，引风排气经冷凝及吸附净化后排放，完成二级发酵后，物料进入带有中温保温设施的后熟存料仓继续一定时间的三级发酵，最后完成整个发酵降解过程，成为性状稳定的有机肥料。

本发明的有益效果是：

1、本发明确定了园林垃圾发酵物料的适宜粒径为0.4～0.7cm，该粒径是综合了保水性、透气性及微生物接触表面积等的最佳参数，有利于提升木质素的分解效果。

2、两次粉碎方法，不同粒径的粉碎工作由不同的粉碎机完成，可以更好地保护粉碎机刀片，实现物料粒径更加均匀、可控，最后得到外观比较理想的堆肥产物。

3、利用蘑菇渣发酵液进行物料调理，有利于提高木质素降解主力菌群白腐菌的丰度，并且较好地应对一级发酵过程水分散失问题，保持适宜的含水率。

4、以温度和时间为调控因子的分级发酵，有以下几个有益效果：准确控制堆体温度，有利于降解过程不同菌群微生物的活性得到最好的发挥；经过一级发酵，物料体积已有一定的缩小，可减少对舱体容积的需求；带有辅助加热的舱体式发酵，能实现全程高温和全程保温，为重点分解木质素的高温真菌提供适宜的温度条件，比传统的降解方式提速15％～20％，木质素分解率提高约12％，无害化程度提高约3％；后熟阶段改变传统自然静堆的方式，维持一定时间的中温，促进放线菌进一步分解前阶段产生的腐殖质。

5、高温阶段采用舱体方式，使堆肥过程更加节能和节约用地，减少氮等营养元素的损失，生产环境更加清洁、可控。

附图说明：

图1是本发明园林垃圾木质素组分发酵降解方法的工艺流程示意图。

具体实施方式：

以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。

除特别说明，本发明中提到的设备和材料均为市售。

实施例1：

本实施例采用如图1所示的工艺流程，园林垃圾来源于城区绿化树木的修剪，其中大的枝干在修剪是已被挑出作为燃料利用，基本没有其它杂物，发酵堆肥现场再简单的去除少量直径2cm以上较粗的枝条，留下以叶片为主，包括草屑和直径2cm以下的小枝条，作为用于堆肥利用的物料。

将物料送进粗粉碎机，粉碎成粒径2～4cm的碎料。由于园林垃圾有时水分含量较高，尤其经过粗粉碎之后，叶片内的粘液释放出来，很容易造成物料粘结，因此将粗粉碎之后的物料放置于遮雨棚底下晾晒24h左右，改善物料松散度，再由精细粉碎机将物料粉至0.4～0.7cm粒径。

精细粉碎机出料时由输送带将物料送入一级发酵槽，一级发酵槽分若干个堆位，每天的物料分别堆放一个位置。利用蘑菇渣发酵液，对物料进行调理，调节C/N至25～30:1，调节物料的含水率为55％～60％。一级发酵区由三面挡板构成，开口一面为物料的进出口，底部有鼓风供氧装置，由含氧量传感器控制风机的启停，控制堆料的含氧量在8％～15％，提供适当的好氧环境，避免厌氧状态和过度通风造成堆体热量和养分损失，物料在此阶段停留4天，完成一次发酵。淀粉、有机酸、糖类等水溶性有机物在此得到分解，细菌类微生物的新陈代谢活动使物料温度上升至45℃左右。

蘑菇渣发酵液可直接购置，或通过购买蘑菇渣，添加园林垃圾发酵过程的蒸汽冷凝水、渗滤液或自来水直接泡制，自然发酵而成，使用时添加量以达到物料适宜含水率来确定。

蘑菇渣发酵液由现场制备和存储，以供持续使用，蘑菇渣价格低廉，容易获得。槽体底部的鼓风供氧装置间歇式启动，经过4天的一级发酵，物料温度上升至45℃左右，但物料的水分被微生物消耗以及蒸发流失，再适度添加蘑菇渣发酵液，使物料的含水率为45％～55％，由铲车翻堆混匀，然后投入螺旋绞龙进料机输送至圆筒舱体内，进行二级发酵，二级发酵的温度为50℃～65℃。

圆筒舱体进料端安装有温度传感器，当新进物料温度低于45℃时，控制系统发出指令启动辅助加热，当物料温度上升至55℃时，辅助加热关闭，舱内全程保持50～65℃高温。手动间歇式开启舱体转动，每8h转动0.5h，促进物料温度均匀和透气性。当氧含量传感器监测到舱内堆体含氧量低于8％时，发出指令启动位于舱体尾端的引风机，使舱内形成负压，新鲜空气进入舱体供氧，当堆体含氧量高于15％时，则停止引风工作。从舱体引出的空气湿度较大，经过冷凝罐冷凝，去除水分，再经旋风除尘器除尘，最后经过吸附槽吸附净化后排放，吸附材料采用经过二级发酵的物料，一方面节约吸附材料成本，一方面可以达到三级发酵的效果并吸收排气中的各类养分，最后也能成为肥料成品，大约每个月更换一批新的吸附材料。

经过7天的二级发酵之后，物料从舱体出料转移到三级发酵区，利用空气源热泵-太阳能热水系统提供30℃～35℃保温，保温时间7天，使中温微生物有适宜的温度，更好地恢复活性，继续分解物料中残余较难降解的木质素，同时让多余的水分得到散发，完成三级发酵，成为有机肥产品。

实施例2

与实施例1相同，不同之处在于：

一级发酵前，调节物料的含水率为55％～60％，一级发酵的时间为5天，二级发酵的温度为60℃～65℃，发酵时间为8天，三级发酵的温度为35℃～40℃，发酵时间为6天。

对比例1

传统堆体式堆肥过程中，园林垃圾物料被粉碎至粒径1.5～2cm，通过添加氮肥或鸡粪等，增加N元素，调节物料的C/N至25～30:1。根据物料的含水率状况，利用自来水适当补充物料水分，调节物料含水率为50％～60％，以堆体的方式静置发酵，每1～2天通过铲车进行物料翻堆，实现堆体内部物料的供氧和堆体升温后物料的均匀受热，持续堆置约23～25天，利用微生物的新陈代谢活动分解有机质，降解垃圾物料，中间根据水分流失情况适当补充水分。发酵完成后，作为有机粗肥进入下一步加工利用。

经发明人实际试验，对比例1的发酵方式，持续堆置23天、24天或25天，得到的结果基本保持不变。

表1为实施例1～2与对比例1的效果对比表，如表1所示：

表1

由表1可以得出：实施例1～2的完成降解时间为17～19天，对比例1完成降解需要23～25天，实施例1～2的降解速度比对比例1显著增快，提速15％～20％。由于实施例1～2的高温过程是在封闭的圆筒舱内完成，物料的有机质含量及氮营养元素均保持较好，实施例1中有机质含量及氮损失率分别为55.0％和31.5％，实施例2中有机质含量及氮损失率分别为55.3％和32.5％，均优于对比例1的47.1％和46.7％。同时，由于实施例1～2有全程高温的圆筒舱发酵过程，因此发酵完成后蛔虫卵死亡率达到97％～99％，明显高于国家《生物有机肥产品技术指标要求》所要求的95％和对比例1的90％～96％，无害化程度提高约3％。

以上对本发明提供的园林垃圾木质素组分发酵降解方法进行了详细的介绍，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的技术方案及其核心思想，应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种园林垃圾木质素组分发酵降解方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)物料预处理：将物料粉碎成粒径为0.4～0.7cm的物料；

(2)一级发酵：经过步骤(1)粉碎的物料置于一级发酵区，向物料添加蘑菇渣发酵液，使物料的含水率为55％～65％，碳氮质量比为25～30/1，物料在常温下进行一级发酵，自然升温，一级发酵时间为4～5天；

2.根据权利要求1所述的园林垃圾木质素组分发酵降解方法，其特征在于，步骤(1)中所述的物料预处理的具体步骤是：将物料通过粗粉碎机粉碎，成为粒径2～4cm的物料，晾晒后，转入精细粉碎机进行二次粉碎，将物料粉碎至粒径0.4～0.7cm。

3.根据权利要求1或2所述的园林垃圾木质素组分发酵降解方法，其特征在于：步骤(1)中所述的物料选自叶片、草屑和小枝条中的一种以上，小枝条的直径小于2cm。

4.根据权利要求1或2所述的园林垃圾木质素组分发酵降解方法，其特征在于：步骤(2)中所述的一级发酵过程中，物料的含氧量为8％～15％。

5.根据权利要求1或2所述的园林垃圾木质素组分发酵降解方法，其特征在于：步骤(2)中所述的经过步骤(1)粉碎的物料以堆体的方式置于一级发酵区。

6.根据权利要求1或2所述的园林垃圾木质素组分发酵降解方法，其特征在于：步骤(3)中所述的二级发酵在带有辅助加热的圆筒舱内进行。