CN110550987A - 处理有机固体废弃物的方法及其制备得到的生物有机肥 - Google Patents

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董滨
李昕
沈丹妮
戴晓虎
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    • Y02W30/40—Bio-organic fraction processing; Production of fertilisers from the organic fraction of waste or refuse

Abstract

本发明涉及一种处理有机固体废弃物的方法及其制备得到的生物有机肥，该方法的步骤为：(1)将有机固体废弃物的湿物料与粉碎的辅料混合，得到的混合后物料的含水量为45‑55％；(2)向步骤(1)得到的混合物料接种高温降解菌，向混合物料中通气保证物料充分好氧，并且进行间歇式翻混处理，维持物料温度为65‑75℃高温发酵2‑6天得到中间物料；向步骤(2)得到的中间物料接种极端嗜热菌，翻堆均匀，向中间物料中通气保证物料充分好氧，维持该中间物料的最高温度为85‑90℃并持续2‑5天，然后将物料进行静态发酵18‑21天。与现有技术相比，本发明具有方法可行性高，操作简便，生产周期短，产量高，产品质量稳定，实现了环保与经济效益的双赢等优点。

Description

处理有机固体废弃物的方法及其制备得到的生物有机肥
技术领域
本发明属于有机固体废弃物处理与资源化技术领域，尤其是涉及一种处理有机固体废弃物的方法及其制备得到的生物有机肥。
背景技术
我国每年的固体有机废弃物大约有100多亿吨，如能将其富含的有机质和植物养分转化为有机肥，使资源循环利用率提高的潜力将十分巨大。传统好氧发酵是有机物料中的有机物向更稳定的腐殖质转化的过程，产物是有机肥料和土壤改良剂。传统工艺操作简单，投资少，但其存在很多问题，如占地面积大、生产周期长(约1-2个月甚至更久)、人工成本高、受地域和气候条件影响大、易产生二次污染(臭气等)、腐熟不彻底(腐殖化系数低，富里酸含量较多)等。
与传统堆肥相比，超高温好氧堆肥技术可有效提高堆肥温度，促进有机物降解，可以使物料更加腐殖化，有效杀灭病原微生物，缩短发酵周期(约49天)，降低有机固体废弃物堆肥处理的成本。但是其也存在明显的缺陷，例如极端嗜热菌与本土微生物竞争处于不利地位，其在一定温度下(65℃以上)才能被激活，所以在发酵前期(温度累积段)，即大分子有机物降解期间并不能发挥作用。我们都知道物料中的有机物降解与物料腐殖化呈极强的相关性，尽管极端嗜热菌可以使物料更加腐殖化，但是仍受限于前期大分子有机物降解效率。
为了解决传统高温堆肥腐熟不彻底、超高温发酵前期有机物降解效率等现行技术存在的问题。如何改善现行的利用有机固体废弃物生产生物有机肥的工艺，与开展新型技术处理有机固体废弃物应用于生物有机肥的生产，成为了解决当前生物有机肥存在问题的关键所在。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的处理有机固体废物方法的缺陷而提供一种两相好氧发酵高效处理有机固体废弃物的方法和应用。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种处理有机固体废弃物的方法，包括以下步骤：
(1)将有机固体废弃物的湿物料与粉碎的辅料混合，得到的混合后物料的含水量为45-55％；
(2)一次高温发酵
向步骤(1)得到的混合物料接种高温降解菌，向混合物料中通气保证物料充分好氧，并且进行间歇式翻混处理，维持物料温度为65-75℃高温发酵2-6天得到中间物料，其中高温降解菌的接种量为步骤(1)得到的混合物料重量的0.3-0.5％；
(3)二次超高温发酵
向步骤(2)得到的中间物料接种极端嗜热菌，翻堆均匀，向中间物料中通气保证物料充分好氧，维持该中间物料的最高温度为85-90℃并持续2-5天，然后将物料进行静态发酵18-21天，其中所述极端嗜热菌的接种量为步骤(2)得到的中间物料的0.1％-0.5％。
本发明提供一种两相好氧发酵高效处理有机固体废弃物技术，是在两个独立的发酵装置进行有机物分解阶段和高温腐殖化阶段，技术利用微生物种间互惠、偏利共生等关系进行协同发酵，在两个独立的发酵装置进行有机物分解阶段和高温腐殖化阶段，为高温降解菌和极端嗜热菌提供各自所需的最佳条件，避免了单相好氧发酵工艺微生物之间和环境对微生物的抑制作用，两相好氧发酵技术也比单相好氧发酵更能充分发挥微生物的活性，提高处理效果。本发明通过一次高温发酵和二次超高温发酵，使有机废弃物更有效地降解与稳定。
优选地，步骤(2)中，所述高温降解菌选自产蛋白酶的好氧菌、产淀粉酶的好氧菌、产纤维素酶的好氧菌、可降解木质素的好氧菌或可降解难降解有机物的好氧菌中的一种或几种；所述的难降解有机物包括木质素、多环芳烃类化合物、有机磷农药或杂环类化合物的一种或几种。
优选地，所述高温降解菌选自枯草芽孢杆菌、黑曲霉、白腐真菌、高温放线菌属中的一种或几种；
更有选地，枯草芽孢杆菌、黑曲霉、白腐真菌、高温放线菌属的有效菌比例为1：1：1：1。
优选地，所述极端嗜热菌选自Thermus thermophilus(栖热嗜热菌)、Calditerricola yamamurae、Calditerricola satsumensis中的一种或几种。
优选地，所述高温降解菌的菌体浓度在2.51×108CFU/g以上；步骤(3)中，所述极端嗜热菌的菌体浓度在1.52×109CFU/g以上。
优选地，步骤(3)中，所述中间物料的堆料高度为0.5-9m。因为超高温发酵时物料初始温度较高65-75℃，不需要降低堆高从而保证升温速率，打破传统好氧发酵堆高限制，传统堆料高度为2m以下，因此处理效率较低，本发明的料堆高度增加，一次处理的物料量也必然增加。
优选地，步骤(1)中，所述有机固体废弃物的湿物料选自畜禽粪便、餐余垃圾或城市污泥中的一种或几种，其含水率为55-80％；所述有机固体废弃物的湿物料与所述辅料的重量比为20:2-6。
优选地，所述辅料选自谷糠、锯末、水稻秸秆、小麦秸秆或玉米秸秆中的一种或几种；
优选地，所述有机固体废弃物中的蛋白质、脂肪、多糖、纤维素类有机物的降解率为40-70％。
本发明的特点为：将一次高温发酵和二次超高温好氧发酵结合，利用微生物种间互惠、偏利共生等关系进行协同发酵。这个过程中，为了能够使一次高温发酵的产物情况能够满足二次超高温好氧发酵的进料需求，本发明对一次高温好氧发酵的初始含水率、物料比、堆高及时间，和二次超高温好氧发酵的堆高及时间等关键工艺参数进行了优化。
在进行含水率变化对协同好氧发酵研究时发现，如果一次高温好氧发酵的初始含水率<45％，则会导致一次高温好氧发酵过程中，普通的嗜温、嗜热微生物活性达不到2.51×108CFU/g以上，影响对废弃物的分解效果(<30％)；若初始含水率>55％，则会导致一次高温好氧发酵的产物含水率>40％，则会导致二次超高温好氧发酵原料透气性低、发酵过程中水蒸发散热多使最高温度达不到85℃以上等问题，影响最终的发酵效果。
同时，我们进行了协同发酵的时间控制研究，实验结果表明，如果一次高温发酵处理时间<2天，则废弃物中的大分子有机物降解程度低于30％，导致后续超高温好氧发酵过程需降解营养物质过多，不利于极端嗜热菌的快速增长，未被分解的营养物质含量会>60％，影响工艺整体对于有机物的降解效果；若一次高温发酵处理时间在6天以上，导致后续二次超高温可利用营养物质<40％，二次超高温最高温度维持时间不能维持2天以上，，不能保证对有害菌类的杀灭率达到100％，经济效益大大降低。
综上，如果不采用本发明的工艺参数，会造成二次超高温好氧发酵启动困难、发酵时间延长等不良影响，最终物料腐熟不完全、不能完全无害化等诸多问题。
通过优化工艺条件，本发明中步骤(2)一次高温发酵中，高温降解菌浓度在2天内就可以增加至初始的5倍以上，并且只需20-30h就可以达到高温期，快速降解大分子有机物，大分子有机物的降解率可达30-50％；并且只需2天即可实现杀灭病原菌，蛔虫卵杀死率>95％，粪大肠菌群<105/kg。
步骤(3)二次超高温发酵中，可实现物料快速腐熟，加强物料的无害化和腐殖化，实现蛔虫卵杀死率100％，粪大肠菌群<103/kg的无害化效果和腐殖质总量增加为原来的20-120％，且主要为胡敏酸的腐殖化效果。
由此，可见本发明的方法可行性高，操作简便，生产周期短(只需21-28天)，产量高，产品质量稳定，实现了环保与经济效益的双赢，并且可处理各种有机固体废弃物(畜禽粪便、餐余垃圾、城市污泥、秸秆、有机杂物等)。
另外，本发明还提供一种采用上述处理方法制备得到的生物有机肥，该生物有机肥料的腐殖质增加可达到20-120％、最终总有机质含量为45-60％、总养分5.1％-8.2％、含水率为15％-35％、活菌数4.2×108-6.5×1010CFU/g、发芽指数>80％。该生物有机肥的后续筛选、造粒、包装等工序，均采用行业常规设备完成；施肥按照常规施肥方式进行操作。本发明制备得到的生物有机肥具有改良土壤、促进植物生长等多种功能。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)通过一次高温发酵，可使功能发酵菌群迅速增殖，在2天内就可以使高温降解菌浓度增加至初始的5倍以上；物料高温发酵，只需20-30h就可以达到高温期，可以快速降解大分子有机物(可达到30-50％)、杀灭病原菌(蛔虫卵杀死率>95％，粪大肠菌群<105/kg)等；该过程可使超高温发酵从高温发酵的高温期(65-75℃)开始，因此减少超高温好氧发酵升温能耗；并且产生了更多小分子物质，利于后续超高温过程中物料的腐殖化；
(2)二次超高温发酵，在调整物料状态的同时，接种极端嗜热菌，快速激活极端嗜热菌，经过高温发酵的物料含有比原来更多的小分子物质，供极端嗜热菌使用，降低极端嗜热菌的死亡率，实现物料快速腐熟，加强物料的无害化(蛔虫卵杀死率100％，粪大肠菌群<103/kg)与腐殖化(腐殖质总量增加为原来的20-120％，且主要为胡敏酸)；
(3)与原来的有机物分解阶段和高温腐殖化阶段在一个发酵装置的单一好氧发酵技术相比，由于避免了两类菌种相互影响，本发明方法全程高效，显著增加了有机质降解率，明显加强了物料的腐殖化；
(4)本发明利用了微生物种间互惠、偏利共生等关系进行协同发酵，应用范围广，可用于各种常见的有机废弃物，可打破传统好氧发酵堆高限制，生产周期短，产量高，产品质量稳定，可根据需要建立不同规模的生产线，受地域、季节、气候影响小
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例为一种处理有机固体废弃物的方法，工艺流程如图1所示，以枯草芽孢杆菌、白腐真菌、黑曲霉混合菌种进行一次高温发酵，以极端嗜热菌Thermus thermophilus(栖热嗜热菌)作为二次超高温发酵的接种菌。
具体步骤如下：
(1)物料预处理：
将干化污泥(含水率为49.7％)湿物料与粉碎的小麦秸秆(30目)辅料按照重量比为20：4进行混合，调节混合物料的最终含水量在55％。
(2)高温好氧发酵(第一次发酵)：
将步骤(1)所得混合物料，按照调整含水量后的混合物料重量的0.5％接种高温降解菌(枯草芽孢杆菌：白腐真菌：黑曲霉＝1:1:1，有效菌比)，混匀后堆料，物料堆高控制在1.2m，长条形堆放，宽为2m，快速升温后维持最高温度为70℃，发酵时间为3d，高温降解菌的菌粉浓度为2.3×109CFU/g。
(3)超高温好氧发酵(二次超高温发酵)：
将步骤(2)所得的中间物料进行超高温发酵，向物料添加极端嗜热菌，按照高温后物料重量的0.3％进行接种，翻堆均匀，设置由通气设备保证物料充分好氧，保持最高温度达到85℃，并持续3d，发酵时间为18d，极端嗜热菌为Thermus thermophilus(栖热嗜热菌)，菌粉浓度为1.9×109CFU/g。
(4)应用于生产生物有机肥或作为土壤改良剂
将本发明所述方法产生的堆肥产品制作生物有机肥，需要经过后续的筛选、造粒、包装等工序，均采用行业常规设备完成。
(5)质检
本实施例得到成品的主要成分含量及肥效见表1。
表1实施例1制备的生物有机肥主要成分含量及肥效指数
从表1中可以看出，本实施例制备得到的生物肥可完全达到《有机肥料》(NY52-2012)、《生物有机肥》(NY884-2012)评价标准，并且其菌群浓度可达4.2×108-6.5×1010CFU/g，可有效增加土壤中菌群含量。
实施例2
实施例1制备的生物有机肥作为基肥，混于土壤应用于对四季秋海棠幼苗盆栽种植，以商品肥料作为对照比较了其促生长的效果。
实施例1制得的生物有机肥在四季秋海棠幼苗的应用效果见表2。
表2实施例1中的生物有机肥对四季秋海棠幼苗的促生长效果
注：表中数值均为3次重复实验的平均值。
从表2中可以看出，与市售的商品肥相比，采用本实施例中的生物有机肥，植物的根长、茎长、株鲜重、株干重均有明显的提高，表明该生物有机肥肥效更好，有利于植物的生长。
本实施例的技术不仅将有机固体废弃物实现固体废物处理与资源化利用，而且得到的生物肥料效果优于现有肥料，具有竞争优势。
实施例3
本实施例为一种处理有机固体废弃物的方法，工艺流程如图1所示，以枯草芽孢杆菌、白腐真菌、黑曲霉混合菌种进行一次高温发酵，以极端嗜热菌Calditerricolayamamurae作为二次超高温发酵的接种菌。
具体步骤如下：
(1)物料预处理：
将干化污泥湿物料与粉碎的小麦秸秆(30目)辅料按照重量比为20：2进行混合，调节混合物料的最终含水量在45％。
(2)高温好氧发酵(第一次发酵)：
将步骤(1)所得混合物料，按照调整含水量后的混合物料重量的0.3％接种高温降解菌(枯草芽孢杆菌：白腐真菌：黑曲霉＝1:1:1，有效菌比)，混匀后堆料，物料堆高控制在9.0m，长条形堆放，宽为2m，快速升温后维持最高温度为75℃，发酵时间为2d，高温降解菌的菌粉浓度为2.51×108CFU/g。
在此过程中，高温降解菌浓度在2d内就可以增加至初始的5倍以上，只需20-30h就可以达到高温期，快速降解大分子有机物(可达到30-50％)，只需2d以上杀灭病原菌(蛔虫卵杀死率>95％，粪大肠菌群<105/kg)。
(3)超高温好氧发酵(二次超高温发酵)：
将步骤(2)所得的中间物料进行超高温发酵，向物料添加极端嗜热菌，按照高温后物料重量的0.1％进行接种，翻堆均匀，设置由通气设备保证物料充分好氧，保持最高温度达到85℃，并持续5d，发酵时间为19d，极端嗜热菌为Calditerricola yamamurae，菌粉浓度为1.52×109CFU/g。
在此过程中，实现了物料快速腐熟，加强物料的无害化(蛔虫卵杀死率100％，粪大肠菌群<103/kg)与腐殖化(腐殖质总量增加为原来的20-120％，且主要为胡敏酸)。
(4)应用于生产生物有机肥或作为土壤改良剂
将本发明所述方法产生的堆肥产品制作生物有机肥，需要经过后续的筛选、造粒、包装等工序，均采用行业常规设备完成。
实施例4
本实施例为一种处理有机固体废弃物的方法，工艺流程如图1所示，以枯草芽孢杆菌、黑曲霉、白腐真菌、高温放线菌种进行一次高温发酵，以极端嗜热菌Calditerricolasatsumensis作为二次超高温发酵的接种菌。
具体步骤如下：
(1)物料预处理：
将干化污泥(含水率为49.7％)湿物料与粉碎的小麦秸秆(30目)辅料按照重量比为20：6进行混合，调节混合物料的最终含水量在55％。
(2)高温好氧发酵(第一次发酵)：
将步骤(1)所得混合物料，按照调整含水量后的混合物料重量的0.5％接种高温降解菌(枯草芽孢杆菌：白腐真菌：黑曲霉＝1:1:1，有效菌比)，混匀后堆料，物料堆高控制在0.5m，长条形堆放，宽为2m，快速升温后维持最高温度为65℃，发酵时间为6d，高温降解菌的菌粉浓度为2.3×109CFU/g。
(3)超高温好氧发酵(二次超高温发酵)：
将步骤(2)所得的中间物料进行超高温发酵，向物料添加极端嗜热菌，按照高温后物料重量的0.5％进行接种，翻堆均匀，设置由通气设备保证物料充分好氧，保持最高温度达到90℃，并持续2d，发酵时间为15d，极端嗜热菌为Thermus thermophilus(栖热嗜热菌)，菌粉浓度为1.6×109CFU/g。
(4)应用于生产生物有机肥或作为土壤改良剂
将本发明所述方法产生的堆肥产品制作生物有机肥，需要经过后续的筛选、造粒、包装等工序，均采用行业常规设备完成。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种处理有机固体废弃物的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将有机固体废弃物的湿物料与粉碎的辅料混合，得到的混合后物料的含水量为45-55％；
(2)一次高温发酵
向步骤(1)得到的混合物料接种高温降解菌，向混合物料中通气保证物料充分好氧，并且进行间歇式翻混处理，维持物料温度为65-75℃高温发酵2-6天得到中间物料，其中高温降解菌的接种量为步骤(1)得到的混合物料重量的0.3-0.5％；
(3)二次超高温发酵
向步骤(2)得到的中间物料接种极端嗜热菌，翻堆均匀，向中间物料中通气保证物料充分好氧，维持该中间物料的最高温度为85-90℃并持续2-5天，然后将物料进行静态发酵18-21天，其中所述极端嗜热菌的接种量为步骤(2)得到的中间物料的0.1％-0.5％。
2.根据权利要求1所述的一种处理有机固体废弃物的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述高温降解菌选自产蛋白酶的好氧菌、产淀粉酶的好氧菌、产纤维素酶的好氧菌、可降解木质素的好氧菌或可降解难降解有机物的好氧菌中的一种或几种；所述的难降解有机物包括木质素、多环芳烃类化合物、有机磷农药或杂环类化合物的一种或几种。
3.根据权利要求2所述的一种处理有机固体废弃物的方法，其特征在于，所述高温降解菌选自枯草芽孢杆菌、黑曲霉、白腐真菌、高温放线菌属中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的一种处理有机固体废弃物的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述极端嗜热菌选自Thermus thermophilus、Calditerricola yamamurae、Calditerricolasatsumensis中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的一种处理有机固体废弃物的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述高温降解菌的菌体浓度在2.51×108CFU/g以上；步骤(3)中，所述极端嗜热菌的菌体浓度在1.52×109CFU/g以上。
6.根据权利要求1所述的一种处理有机固体废弃物的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述中间物料的堆料高度为0.5-9m。
7.根据权利要求1所述的一种处理有机固体废弃物的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述有机固体废弃物的湿物料选自畜禽粪便、餐余垃圾或城市污泥中的一种或几种，其含水率为55-80％；所述有机固体废弃物的湿物料与所述辅料的重量比为20:2-6。
8.根据权利要求7所述的一种处理有机固体废弃物的方法，其特征在于，所述辅料选自谷糠、锯末、水稻秸秆、小麦秸秆或玉米秸秆中的一种或几种。
9.根据权利要求1所述的一种处理有机固体废弃物的方法，其特征在于，所述有机固体废弃物中的蛋白质、脂肪、多糖、纤维素类有机物的降解率为40-70％。
10.一种采用权利要求1所述的方法制备得到的生物有机肥，其特征在于，该生物有机肥料的腐殖质增加可达到20-120％、最终总有机质含量为45-60％、总养分5.1％-8.2％、含水率为15％-35％、活菌数4.2×108-6.5×1010CFU/g、发芽指数>80％。
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