CN109502763A - 一种固定水体中硝酸盐的制剂及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种固定水体中硝酸盐的制剂，属于污水处理技术领域，所述制剂包括以下重量份的成分：农作物秸秆900～1100份、镁1～2份、锌0.1～0.2份、枯草芽孢杆菌菌剂9～11份，所述枯草芽孢杆菌菌剂中有效活菌数为4×10⁹～6×10⁹cfu/g。本发明采用添加镁、锌元素对农作物秸秆加以改性，可以显著改善枯草芽孢杆菌除了氮素之外的营养物质组成结构，充分满足微生物最大生物量的形成条件。因而通过在改性秸秆中接种枯草芽孢杆菌而得到本发明所述制剂，能够显著提高农作物秸秆对水体中硝酸根的生物吸收与固定速率。此外，本发明操作简单，处理后的制剂可回收用作含氮肥料，无二次污染，具有良好的经济和环境效益。

Description

一种固定水体中硝酸盐的制剂及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，尤其涉及一种固定水体中硝酸盐的制剂及其制备方法和应用。

背景技术

我国大多数农业土壤中有效氮的含量较低，因而在农业生产中需施用大量的氮肥来提高作物产量，尤其是蔬菜作物的产量。但是由于过量地施用氮肥，农业土壤中有效氮含量急剧上升，受灌溉、降水等因素的影响，土壤中过量的硝酸盐会随水移动进入水体环境，造成水体富营养化。同时，有机肥的施用等也含有大量的硝酸盐，这些硝酸盐进入土壤或直接进入水体环境中都有进一步加剧水体富营养化的风险，对水生生态系统造成威胁。因此，研究如何有效去除水体中过量的氮素一直是生态环境领域的热点。

目前，用来去除水体中过量硝酸盐的方法有很多，主要包括：化学脱氮、催化脱氮、反渗透、电渗析、离子交换、生物脱氮等。其中，生物脱氮因其成本低廉、高效和易操作等优点，极具发展前景。

在生物脱氮技术领域，利用农作物秸秆去除硝酸盐可以实现水体脱氮的同时有效利用农作物秸秆，但是仅利用农作物秸秆作为生物脱氮的原料，并不能很好的满足微生物的生长、繁殖。因而现有技术中将多原料结合，共同作为生物固氮原料的技术构思成为了近几年的研究重点。例如，公开号为CN102718316A的专利文件公开了一种低强度超声破解污泥与秸秆水解酸化补充碳源促进生物脱氮的方法及其应用，该技术方案中将秸秆和污泥混合作为微生物碳源。但是污泥的成分不明确且不固定，因而会造成方案的稳定性和重现性较差，不利于大规模推广。且现有的生物脱氮技术多是将水体中的氮素转化为氮氧化物，以气体形态逸失，而并不能将硝酸盐从水中分离出来加以资源化利用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种固定水体中硝酸盐的制剂及其制备方法和应用，该制剂能有效固定水体中的硝酸盐，且吸收固定后的制剂可以作为含氮肥料加以利用。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种固定水体中硝酸盐的制剂，包括以下重量份的成分：农作物秸秆900～1100份、镁1～2份、锌0.1～0.2份、枯草芽孢杆菌菌剂9～11份；所述枯草芽孢杆菌菌剂中有效活菌数为4×10⁹～6×10⁹cfu/g。

优选的，所述农作物秸秆为禾本科农作物秸秆。

优选的，所述农作物秸秆的长度为0.1～5cm。

优选的，所述农作物秸秆的含氮量为0.01％～0.5％。

优选的，所述农作物秸秆的含水量为20％～45％。

本发明提供了上述方案所述制剂的制备方法，包括以下步骤：

1)将农作物秸秆、镁、锌混合，得到改性农作物秸秆；

2)对步骤1)中所述改性农作物秸秆与枯草芽孢杆菌菌剂混合，进行发酵，得到制剂。

优选的，步骤2)中所述发酵的温度为16～25℃；所述发酵的时间为18～30h。

本发明提供了上述方案所述制剂在固定水体中硝酸盐中的应用，步骤如下：将所述制剂置于待处理的污水中，进行固定处理。

优选的，所述固定的温度为25～45℃；所述固定的时间为72～144h。

优选的，所述应用还包括将所述固定处理后的制剂回收、干燥，得到含氮肥料。

本发明的有益效果：本发明提供了一种固定水体中硝酸盐的制剂，包括以下重量份的成分：农作物秸秆900～1100份、镁1～2份、锌0.1～0.2份、枯草芽孢杆菌菌剂9～11份；所述枯草芽孢杆菌菌剂中有效活菌数为4×10⁹～6×10⁹cfu/g。本发明采用添加镁、锌元素对农作物秸秆加以改性，可以显著改善枯草芽孢杆菌除了氮素之外的营养物质组成结构，充分满足微生物最大生物量的形成，充分发挥改性秸秆对硝酸盐的净化潜力(即单位数量改性秸秆最多能净化硝酸盐的数量)。因而通过在改性秸秆中接种枯草芽孢杆菌而得到本发明所述制剂，能够显著提高农作物秸秆对水体中硝酸根的生物吸收与固定速率。经验证，本发明制剂对硝酸盐的吸收固定能力为20kgN/t，即每吨制剂可处理1000mgN/L浓度的富营养化水体20m³，或处理100mgN/L浓度的富营养化水体200m³。此外，本发明操作简单，材料易得、价格便宜，固定处理后的制剂可以用作含氮肥料，无二次污染，具有良好的经济和环境效益。

具体实施方式

本发明提供了一种固定水体中硝酸盐的制剂，包括以下重量份的成分：农作物秸秆900～1100份、镁1～2份、锌0.1～0.2份、枯草芽孢杆菌菌剂9～11份。

本发明中，所述制剂包括农作物秸秆900～1100份，优选为1000份；所述农作物秸秆优选为禾本科农作物秸秆，更优选为小麦秸秆或水稻秸秆；所述农作物秸秆的长度优选为0.1～5cm，更优选为1～4cm，更优选为2～3cm；所述农作物秸秆需经过粉碎处理，所述粉碎的设备优选为作物粉碎机，本发明的具体实施过程中，所述作物粉碎机为购自于上海春谷机械制造有限公司制造的XGPDFS稻草粉碎机；所述农作物秸秆的含氮量优选为0.01％～0.5％，更优选为0.1％～0.3％，本发明中控制农作物秸秆含氮量的原因是秸秆含氮量过高会导致改性秸秆对水体硝酸盐净化能力下降，含氮量过低不利于净化初期微生物增殖、影响初期净化效果。

本发明中，所述所述农作物秸秆的含水量优选为20％～45％，更优选为25％～40％，本发明中控制农作物秸秆含水量的原因是农作物秸秆水分含量过高会增加粉碎与运输成本，水分含量过低不利于微生物在改性秸秆中的快速增殖而影响初期净化效果。本发明中，所述农作物秸秆来源于农作物产品收获后的废弃部分，其作用是为枯草芽孢杆菌提供充足的碳源和少量其他营养源等。

本发明中，所述制剂包括镁1～2份，优选为1.5份；所述镁为含镁盐或含镁氧化物，优选为含镁硫酸盐。镁是微生物生长与繁殖所必需、而秸秆中含量相对不足的营养元素，本发明中，所述镁的作用是为枯草芽孢杆菌提供镁元素，防止微生物在生长过程中因为镁营养不足受到限制。

本发明中，所述制剂包括锌0.1～0.2份，优选为0.15份；所述锌为含锌盐或含锌氧化物，优选为含锌硫酸盐。锌是微生物生长与繁殖所必需、而秸秆中含量相对不足的营养元素，本发明中，所述锌的作用是为枯草芽孢杆菌提供锌元素，防止微生物在生长过程中因为锌营养不足受到限制。

本发明中，所述制剂包括枯草芽孢杆菌菌剂9～11份，优选为10份；所述枯草芽孢杆菌菌剂中有效活菌数为4×10⁹～6×10⁹cfu/g，优选为5×10⁹cfu/g。本发明对枯草芽孢杆菌的菌株类型没有特殊限制，以能够快速分解农作物秸秆为宜。本发明中，所述枯草芽孢杆菌的作用是分解改性秸秆获取其中的碳素等营养物质，在生长与繁殖过程中大量吸收利用水体中的硝酸盐，转化为不溶于水的微生物生物量氮和有机氮。在本发明的具体实施过程中，所述枯草芽孢杆菌优选为南京宁粮生物肥料有限公司和淮安大华生物科技有限公司生产的秸秆快腐菌剂。

本发明提供了上述方案所述制剂的制备方法，包括以下步骤：

1)将农作物秸秆、镁、锌混合，得到改性农作物秸秆；

2)对步骤1)中所述改性农作物秸秆与枯草芽孢杆菌菌剂混合，进行发酵，得到制剂。

在本发明中，将农作物秸秆、镁、锌混合，得到改性农作物秸秆。在本发明的具体实施过程中，镁和锌分别加水溶解后，采用边喷雾边搅拌秸秆的方法与将镁和锌与农作物秸秆混合，得到改性农作物秸秆，然后再将改性农作物秸秆与枯草芽孢杆菌菌剂混合；所述喷雾的设备优选为自走式喷杆喷雾机；所述搅拌的设备优选为行走式翻抛机翻抛搅拌。本发明对水的添加比例没有特殊限制，以能将镁和锌充分溶解即可；所述搅拌的转速没有限制，以能将镁和锌溶液与秸秆混合均匀即可；所述喷雾速率没有限制。

本发明在得到改性农作物秸秆后，将所述改性农作物秸秆与枯草芽孢杆菌菌剂混合，进行发酵，得到的水体硝酸盐净化制剂；所述制剂中枯草芽孢杆菌的有效活菌数为5×10⁸cfu/g；所述发酵的温度优选为16～25℃，更优选为20℃；所述发酵的时间优选为18～30h，更优选为24h。

本发明提供了上述方案所述制剂在固定水体中硝酸盐中的应用，步骤如下：将将所述制剂置于待处理的污水中，进行固定处理；所述待处理污水的pH值优选为5～8.5，更优选为6.5～7.5；所述pH值条件为弱酸、弱碱或中性条件，该条件有利于选取的菌株生长、繁殖和对硝酸盐的吸收、转化；所述污水的温度优选为15～35℃，更优选为25～30℃；所述固定的温度优选为25～45℃，更优选为30～40℃；所述固定的时间优选为72～144h，更优选为84～132h，更优选为96～120h；所述固定的设备优选为处理池；所述处理池的规格优选为长×宽×高＝100m×2m×0.5m。

本发明将固定处理后的制剂回收、干燥，得到含氮肥料；所述干燥的温度优选为65～75℃；所述干燥的时间优选为6～10d；所述含氮肥料的含水量优选为25％～30％。本发明中，所述含氮肥料可以用作有机肥料，在各类作物和土壤上加以利用。

下面结合实施例对本发明提供的一种固定水体中硝酸盐的制剂及其制备方法和应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1一种固定水体中硝酸盐的制剂的制备方法

1)选择氮含量占秸秆总重的0.5％的新鲜小麦秸秆，将秸秆材料破碎成长度为1cm的小段，取900g备用；

2)取1.5g硫酸镁、0.15g氯化锌添加到100mL水中充分溶解，得到镁、锌混合水溶液；

3)采用边喷雾边搅拌秸秆的方法与将镁、锌混合水溶液与小麦秸秆混合，得到改性小麦秸秆；

4)取9g南京宁粮生物肥料有限公司生产的秸秆快腐菌剂(枯草芽孢杆菌有效活菌数为5*10⁹cfu/g)，将上述秸秆快腐菌剂混入改性小麦秸秆，充分拌匀，在16℃条件下培养24h，得到制剂。

实施例2一种固定水体中硝酸盐的制剂的制备方法

1)选择氮含量占秸秆总重的0.4％的新鲜水稻秸秆，将秸秆材料破碎成长度为5cm的小段，取1100g备用；

2)取1g氯化镁、0.2g硫酸锌添加到100mL水中充分溶解，得到镁、锌混合水溶液；

3)采用边喷雾边搅拌秸秆的方法与将镁、锌混合水溶液与水稻秸秆混合，得到改性水稻秸秆；

4)取11g淮安大华生物科技有限公司生产的秸秆快腐菌剂(枯草芽孢杆菌有效活菌数为5*10⁹cfu/g)，将上述秸秆快腐菌剂混入改性水稻秸秆，充分拌匀，在26℃条件下培养30h，得到制剂。

对比例1

除制剂中不添加锌、镁和秸秆快腐菌剂外，其他制备方法与实施例2相同，得到对照组制剂1。

对比例2

除制剂中不添加秸秆快腐菌剂外，其他制备方法与实施例2相同，得到对照组制剂2。

实施例3

以实施例2、对比例1和对比例2中得到的制剂、对照组制剂1和对照组制剂2为基质材料，分别作为实验组、对照组1和对照组2对含硝酸盐废水进行吸收固定净化实验。其中，基质材料和污水的质量比为1∶200，污水的pH为6.5，硝酸氮的初始浓度为100mgN/L，吸收固定温度35℃，吸收固定时间144h，测定每组硝酸氮的吸收固定量，测定结果参见表1，结果显示：对水稻秸秆进行营养平衡改性与接种枯草芽孢杆菌菌剂，显著提高了基质材料对硝酸氮的吸收固定量。

表1每组硝酸氮的吸收固定情况

实施例4

设置对照试验，对本发明实施例3中实验组的固定处理后的制剂在20℃的条件下进行自然风干得到的含氮肥料的施用效果进行验证，具体实验设置如下：将本发明实施例2的制剂处理污水后的含氮肥料作为处理1；实施例2中长度为5cm的水稻秸秆作为处理2；不施用任何秸秆或有机肥作为处理3；“沃绿宝”有机肥(江苏沃绿宝有机农业发展有限公司提供)作为处理4；“奉元”有机肥(江苏永佳现代农业科技有限公司提供)作为处理5。施用地点为江苏省扬州市耕地质量与农业环境保护站沙头试验示范基地，施用时间为小白菜种植前，作为基肥施入；施用量为500kg/666.7m²。观察小白菜生长情况。生长30天后测定各组小白菜产量，测定结果参见表2。表2结果显示：本发明中固定硝酸盐后的制剂施用效果显著优于未处理秸秆，同时优于现有商品有机肥；与不施用任何肥料的空白相比，施用未经任何处理的秸秆会导致小白菜减产。

表2各组小白菜产量测定

从上述实施例可知，本发明的制剂既可提高对水体中硝酸盐的固定效率，又可实现对农业废弃物及氮素污染物的资源化利用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种固定水体中硝酸盐的制剂，包括以下重量份的原料：农作物秸秆900～1100份、镁1～2份、锌0.1～0.2份、枯草芽孢杆菌菌剂9～11份；

所述枯草芽孢杆菌菌剂中有效活菌数为4×10⁹～6×10⁹cfu/g。

2.根据权利要求1所述的制剂，其特征在于，所述农作物秸秆为禾本科农作物秸秆。

3.根据权利要求1或2所述的制剂，其特征在于，所述农作物秸秆的长度为0.1～5cm。

4.根据权利要求3所述的制剂，其特征在于，所述农作物秸秆的含氮量为0.01％～0.5％。

5.根据权利要求4所述的制剂，其特征在于，所述农作物秸秆的含水量为20％～45％。

6.权利要求1～5任意一项所述制剂的制备方法，包括以下步骤：

1)将农作物秸秆、镁、锌混合，得到改性农作物秸秆；

2)将步骤1)中所述改性农作物秸秆与枯草芽孢杆菌菌剂混合，发酵，得到制剂。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述发酵的温度为16～25℃；所述发酵的时间为18～30h。

8.权利要求1～5任意一项所述的制剂或权利要求6或7所述方法制备得到的制剂在固定水体中硝酸盐的应用。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述制剂应用于固定水体中硝酸盐的步骤如下：将所述制剂置于待处理的污水中，进行固定处理；所述固定的温度为25～45℃；所述固定的时间为72～144h。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述应用在固定处理后还包括：制剂回收、干燥，得到含氮肥料。