CN109180244A - 以介孔氧化硅为重金属钝化剂和微生物载体的堆肥方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以介孔氧化硅为重金属钝化剂和微生物载体的堆肥方法，以脱水污泥为原料，添加羊粪与锯末的混合物，添加表面负载堆肥菌剂的介孔氧化硅为调理剂，添加介孔氧化硅为重金属钝化剂，充分混合后置于堆肥容器中，调节各组分含量使其含水率为65%左右，C/N比为23:1，采用动态鼓风的方式进行堆肥，控制堆体温度不高于70℃，经过25天堆肥后，得到堆肥产品；介孔氧化硅可有效吸附重金属离子，并利用纳米颗粒表面基团与重金属离子反应，从而改变重金属的形态，降低其毒性。同时介孔氧化硅表面含有大量2~50 nm的孔道，为微生物的栖息提供场所，可加速微生物的生长繁殖，提高堆肥效率。

Description

以介孔氧化硅为重金属钝化剂和微生物载体的堆肥方法

技术领域

本发明属于固体废弃物资源化利用领域，具体涉及一种以介孔氧化硅为重金属钝化剂和微生物载体的堆肥方法。

背景技术

随着我国城市化进程的加快，城市污水处理率逐年提高，城市污水处理厂产生的污泥也急剧增加。目前，我国运行中的城市污水处理厂数量达到1414座，污水处理能力达8408万吨/天，月处理污水量约20亿吨，污泥产量（含水率80％）为污水处理量的万分之七，即每月产生200万吨污泥，每年全国需处置污泥（80％含水率）约2500万吨。污泥中含有大量有机质和其他营养元素，通过高温好氧堆肥可有效杀灭污泥中有害病菌，并获得富含有机质的肥料。

随着养殖业的快速发展，产生的畜禽粪便越来越多，如果对这些畜禽粪便不加以处理，其对环境的污染将日益加剧。畜禽粪便含有大量有机质，可将其用于污泥好氧堆肥，为微生物生长繁殖提供碳源和氮源。然而，污泥和畜禽粪便中含有重金属，必须降低重金属毒性，以将其堆肥产品用于农业生产或城市绿化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种以介孔氧化硅为重金属钝化剂和微生物载体的堆肥方法。

为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：一种以介孔氧化硅为重金属钝化剂和微生物载体的堆肥方法，以重量分散为75~85%的含水率为80%左右的脱水污泥为原料，添加15~25%的含水率为5%的羊粪与锯末的混合物，添加3~10%表面负载堆肥菌剂的介孔氧化硅为调理剂，添加1~5%的介孔氧化硅为重金属钝化剂，充分混合后置于堆肥容器中，调节各组分含量使其含水率为65%左右，C/N比为23:1，采用动态鼓风的方式进行堆肥，鼓风量为6~8 m3/h·t，控制堆体温度不高于70 ℃，经过25天堆肥后，物料完全腐熟，得到堆肥产品；

所述介孔氧化硅的制备方法如下：以正硅酸四乙酯（TEOS）为硅源，以十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）为模板剂；将2.1 mL 2 mol/L的NaOH溶液和0.6 g CTAB加入到288 mL蒸馏水中，然后在搅拌状态下于80 ℃加热，直至溶液变澄清；然后逐滴加入3 mL TEOS，并搅拌，在80 ℃下反应2 h；反应结束后，将所得溶液进行离心，干燥，研磨，获得白色粉末状固体；用煅烧法去除模板剂，具体过程为：在搅拌状态下将1.0 g 丙烯酰胺、0.1 mg 交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺和25 mg (NH4)2S2O8加入到10 g 含5% 纳米粒子的悬浊液中，超声15 min使纳米颗粒完全分散于溶液中；然后，升高温度至50 °C，使加入的有机单体发生聚合反应，将所得溶液于80~100 °C干燥过夜；之后，在550 °C下煅烧得到分散性能良好的介孔氧化硅；

所述负载堆肥菌剂的介孔氧化硅制备方法如下：将一定量的介孔氧化硅加入到液体培养基中，堆肥菌剂组成为从堆肥产品中分离得到的耐高温放线菌、酵母菌、地衣芽孢杆菌、短小芽孢杆菌菌群；所述培养基为含有无机盐的牛肉膏培养基，成分为牛肉膏15~25%，NaCl0.5~3%，(NH4)SO4 0.1~5%，NaH2PO4 1%，Na2HPO4 0.5%，pH 7~7.5，介孔氧化硅在液体培养基中质量分数为0.1~1%，恒温培养7天，离心、干燥即得到负载有堆肥菌剂的介孔氧化硅纳米颗粒。

本发明还提供一种以介孔氧化硅为重金属钝化剂和微生物载体的堆肥方法，以重量分散为75~85%的含水率为80%左右的脱水污泥为原料，添加15~25%的含水率为5%的羊粪与锯末的混合物，添加3~10%表面负载堆肥菌的介孔氧化硅为调理剂，添加1~5%的介孔氧化硅为重金属钝化剂，充分混合后置于堆肥容器中，调节各组分含量使其含水率为65%左右，C/N比为23:1，采用动态鼓风的方式进行堆肥，鼓风量为6~8 m3/h·t，控制堆体温度不高于70 ℃，经过25天堆肥后，物料完全腐熟，得到堆肥产品。

与现有技术相比较，本发明的有益效果是：介孔氧化硅是一种多孔性纳米颗粒，其比表面积可达1000 m²/g以上，将其应用于堆肥中，可有效吸附重金属离子，并利用纳米颗粒表面基团与重金属离子反应，从而改变重金属的形态，降低其毒性。同时，介孔氧化硅表面含有大量2~50 nm的孔道，为微生物的栖息提供场所，将负载有微生物的介孔氧化硅加入到堆体中，可加速微生物的生长繁殖，提高堆肥效率。

具体实施方式

实施例1

取含水率为78%的某城市污水处理厂脱水污泥50 kg，添加锯末和羊粪7.5 kg，介孔氧化硅纳米颗粒1 kg，负载有堆肥菌剂的介孔氧化硅颗粒2.5 kg，调节初始含水率为65%左右，C/N比为23:1，充分混合，然后放入堆肥容器中进行好氧堆肥，通风量为6.5 m³/h·t，每天鼓风三次，每次30 min。堆肥期间每天9:00、15:00、21:00记录堆体温度，其平均值作为当天的堆体温度，同时记录环境温度，每三天采用四分法取样一次，样品风干粉碎后，过0.5mm筛储存备用。检测样品pH、含水率、种子发芽指数、重金属Cu、Pb、Zn含量以及重金属形态，并计算重金属钝化率。

检测结果表明，与对照组（直接将菌种混在物料中且未添加介孔氧化硅颗粒）相比，添加介孔氧化硅颗粒和负载有堆肥菌剂的介孔氧化硅颗粒之后，堆体升温速度更快，且最高温度要高5℃。同时，添加介孔氧化硅可明显降低可迁移性重金属Cu、Pb、Zn的含量，与堆肥前相比，可迁移性Cu、Pb、Zn的含量分别下降了65.2%、31.5%和73.6%。与未添加介孔氧化硅的污泥堆肥相比，添加介孔氧化硅可直接降低可迁移性Cu和Zn的含量分别达到35%和21%。

实施例2

取含水率为83%的某城市污水处理厂脱水污泥100 kg，添加锯末和羊粪20 kg，介孔氧化硅纳米颗粒2.5 kg，负载有堆肥菌剂的介孔氧化硅颗粒5 kg，调节初始含水率为65%左右，C/N比为24:1，充分混合，然后放入堆肥容器中进行好氧堆肥，通风量为7.5 m³/h·t，每天鼓风三次，每次30 min。堆肥期间每天9:00、15:00、21:00记录堆体温度，其平均值作为当天的堆体温度，同时记录环境温度，每三天采用四分法取样一次，样品风干粉碎后，过0.5mm筛储存备用。检测样品pH、含水率、种子发芽指数、重金属Cu、Pb、Zn含量以及重金属形态，并计算重金属钝化率。

检测结果表明，与对照组（直接将菌种混在物料中且未添加介孔氧化硅颗粒）相比，添加介孔氧化硅颗粒和负载有堆肥菌剂的介孔氧化硅颗粒之后，堆体高温期（≧55 ℃）要长3天，含水率更低，且堆肥周期短4天。同时，添加介孔氧化硅可明显降低可迁移性重金属Cu、Pb、Zn的含量，与堆肥前相比，可迁移性Cu、Pb、Zn的含量分别下降了75.4%、35.5%和76.1%。与未添加介孔氧化硅的污泥堆肥相比，添加介孔氧化硅可直接高对重金属Cu和Zn的钝化效果。

实施例3

取含水率为84%的某城市污水处理厂脱水污泥25 kg，添加锯末和羊粪1.5 kg，介孔氧化硅纳米颗粒0.2 kg，负载有堆肥菌剂的介孔氧化硅颗粒0.5 kg，调节初始含水率为65%左右，C/N比为25:1，充分混合，然后放入堆肥容器中进行好氧堆肥，通风量为8 m³/h·t，每天鼓风三次，每次30 min。堆肥期间每天9:00、15:00、21:00记录堆体温度，其平均值作为当天的堆体温度，同时记录环境温度，每三天采用四分法取样一次，样品风干粉碎后，过0.5 mm筛储存备用。检测样品pH、含水率、种子发芽指数、重金属Cu、Pb、Zn含量以及重金属形态，并计算重金属钝化率。

检测结果表明，与对照组（直接将菌种混在物料中且未添加介孔氧化硅颗粒）相比，添加介孔氧化硅颗粒和负载有堆肥菌剂的介孔氧化硅颗粒之后，堆体最高温度可达72℃，明显高于对照组。同时，添加介孔氧化硅可明显降低可迁移性重金属Cu、Pb、Zn的含量，与堆肥前相比，可迁移性Cu、Pb、Zn的含量分别下降了61.4%、29.5%和68.6%。与未添加介孔氧化硅的污泥堆肥相比，添加介孔氧化硅之后，对Cu和Zn的钝化效果分别提高了15%和23%。

上述三个实施例中，所述介孔氧化硅的制备方法如下：以正硅酸四乙酯（TEOS）为硅源，以十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）为模板剂；将2.1 mL 2 mol/L的NaOH溶液和0.6 gCTAB加入到288 mL蒸馏水中，然后在搅拌状态下于80 ℃加热，直至溶液变澄清；然后逐滴加入3 mL TEOS，并搅拌，在80 ℃下反应2 h；反应结束后，将所得溶液进行离心，干燥，研磨，获得白色粉末状固体；用煅烧法去除模板剂，具体过程为：在搅拌状态下将1.0 g 丙烯酰胺、0.1 mg 交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺和25 mg (NH4)2S2O8加入到10 g 含5% 纳米粒子的悬浊液中，超声15 min使纳米颗粒完全分散于溶液中；然后，升高温度至50 °C，使加入的有机单体发生聚合反应，将所得溶液于80~100 °C干燥过夜；之后，在550 °C下煅烧得到分散性能良好的介孔氧化硅；

所述负载堆肥菌剂的介孔氧化硅制备方法如下：将一定量的介孔氧化硅加入到液体培养基中，堆肥菌剂组成为从堆肥产品中分离得到的耐高温放线菌、酵母菌、地衣芽孢杆菌、短小芽孢杆菌菌群；所述培养基为含有无机盐的牛肉膏培养基，成分为牛肉膏15~25%，NaCl0.5~3%，(NH4)SO4 0.1~5%，NaH2PO4 1%，Na2HPO4 0.5%，pH 7~7.5，介孔氧化硅在液体培养基中质量分数为0.1~1%，恒温培养7天，离心、干燥即得到负载有堆肥菌剂的介孔氧化硅纳米颗粒。

三个实施例中，实施例2的方案可迁移性Cu、Pb、Zn的含量下降幅度达到最大，为最佳实施例。

Claims (1)

1.一种以介孔氧化硅为重金属钝化剂和微生物载体的堆肥方法，其特征在于：

取含水率为83%的污水处理厂脱水污泥100 kg，添加锯末和羊粪20 kg，介孔氧化硅纳米颗粒2.5 kg，负载有堆肥菌剂的介孔氧化硅颗粒5 kg，调节初始含水率为65%左右，C/N比为24:1，充分混合，然后放入堆肥容器中进行好氧堆肥，通风量为7.5 m³/h·t，每天鼓风三次，每次30 min；堆肥期间每天9:00、15:00、21:00记录堆体温度，其平均值作为当天的堆体温度，同时记录环境温度，每三天采用四分法取样一次，样品风干粉碎后，过0.5 mm筛储存备用；

所述介孔氧化硅的制备方法如下：以正硅酸四乙酯（TEOS）为硅源，以十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）为模板剂；将2.1 mL 2 mol/L的NaOH溶液和0.6 g CTAB加入到288 mL蒸馏水中，然后在搅拌状态下于80 ℃加热，直至溶液变澄清；然后逐滴加入3 mL TEOS，并搅拌，在80 ℃下反应2 h；反应结束后，将所得溶液进行离心，干燥，研磨，获得白色粉末状固体；用煅烧法去除模板剂，具体过程为：在搅拌状态下将1.0 g 丙烯酰胺、0.1 mg 交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺和25 mg (NH4)2S2O8加入到10 g 含5% 纳米粒子的悬浊液中，超声15 min使纳米颗粒完全分散于溶液中；然后，升高温度至50 °C，使加入的有机单体发生聚合反应，将所得溶液于80~100 °C干燥过夜；之后，在550 °C下煅烧得到分散性能良好的介孔氧化硅；

所述负载堆肥菌剂的介孔氧化硅制备方法如下：将一定量的介孔氧化硅加入到液体培养基中，堆肥菌剂组成为从堆肥产品中分离得到的耐高温放线菌、酵母菌、地衣芽孢杆菌、短小芽孢杆菌菌群；所述培养基为含有无机盐的牛肉膏培养基，成分为牛肉膏15~25%，NaCl0.5~3%，(NH4)SO4 0.1~5%，NaH2PO4 1%，Na2HPO4 0.5%，pH 7~7.5，介孔氧化硅在液体培养基中质量分数为0.1~1%，恒温培养7天，离心、干燥即得到负载有堆肥菌剂的介孔氧化硅纳米颗粒。