CN112028709A - 活性硅材料在制备保水缓释微生物肥料中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了活性硅材料在制备保水缓释微生物肥料中的应用。本发明提供了一种制备微生物肥料的方法，包括如下步骤：1)将使用后活性硅吸附材料进行无害化处理，降解所述使用后活性硅吸附材料中的荧蒽、芘、

Description

活性硅材料在制备保水缓释微生物肥料中的应用
技术领域
本发明属于生物技术领域，尤其涉及活性硅材料在制备保水缓释微生物肥料中的应用。
背景技术
我国是煤炭使用大国，煤基固废排放量日益增加，预计在2020年的年排放量将达到30亿t，其中粉煤灰年排放量将达到9亿t。近年来，内蒙古自治区煤基固废高值化利用工程实验室已经开发出了利用煤基固废制备孔隙发达且吸附性能很好的活性硅吸附材料，可用于协同脱除烟气中的SO2、NOx和PM2.5及其前驱体，但是活性硅吸附材料达到饱和后含有烟气中的多种污染物，使用后活性硅材料的处理与处置问题成为了制约活性硅材料工业化应用的瓶颈。
城市污水处理厂中的剩余污泥中含有单糖5％左右，淀粉2％-8％，还含有丰富的有机质占干重的50％以上，能有效的为微生物提供营养成分。
发明内容
本发明一个目的提供一种活性硅吸附材料的用途。
本发明提供了活性硅吸附材料在制备微生物肥料中的应用。
本发明还提供了活性硅吸附材料在促进微生物肥料保水中的应用。
上述应用中，所述活性硅吸附材料的孔径10-20nm之间，且比表面积在200-300m2/g。
上述应用中，所述活性硅吸附材料为使用后且含有有机污染物的活性硅吸附材料；
所述有机污染物含量低于5mg/kg。
上述应用中，所述有机污染物包括荧蒽、芘、
Figure BDA0002620848680000011
苯并(b)荧蒽和苯并(a)芘这5种多环芳烃，在本发明的实施例中，考虑的有机物污染物含量为这5种多环芳烃的有无污染物含量。
本发明另一个目的是提供一种制备微生物肥料的方法。
本发明提供的方法，包括如下步骤：
1)将活性硅吸附材料、剩余污泥和水混合，得到堆肥基质；
2)用放射形根瘤菌、褐球固氮菌和胶冻样类芽孢杆菌发酵所述堆肥基质，得到微生物肥料。
上述方法中，所述活性硅吸附材料的孔径10-20nm之间，且比表面积在200-300m2/g；
或，所述活性硅吸附材料为使用后且含有有机污染物的活性硅吸附材料(活性硅吸附材料制备方法记载在授权专利ZL2013106375529，公开号为CN103736440A)；
所述有机污染物含量小于5mg/kg(0-5mg/kg，且不等于5mg/kg)。
上述方法中，所述有机污染物包括荧蒽、芘、
Figure BDA0002620848680000021
苯并(b)荧蒽和苯并(a)芘这5种多环芳烃。
上述方法中，步骤1)中，所述将活性硅吸附材料、剩余污泥和水混合为先将活性硅吸附材料和剩余污泥按照质量比为1:3-5混合，再将混合产物与无菌水按照质量体积比1:25-35的比例混合，得到堆肥基质；
或，步骤2)中，所述用放射形根瘤菌、褐球固氮菌和胶冻样类芽孢杆菌发酵所述堆肥基质为将含有放射形根瘤菌、褐球固氮菌和胶冻样类芽孢杆菌的混合菌剂发酵所述堆肥基质；
所述含有放射形根瘤菌、褐球固氮菌和胶冻样类芽孢杆菌的混合菌剂中，各个菌的cfu为等量混合，且所述混合菌剂中菌含量≥1亿个/克。
上述含有放射形根瘤菌、褐球固氮菌和胶冻样类芽孢杆菌的混合菌剂按照如下方法制备：将放射形根瘤菌菌剂、褐球固氮菌菌剂和胶冻样类芽孢杆菌菌剂等体积混合，得到混合菌剂；
所述放射形根瘤菌剂为培养放射形根瘤得到的培养液，且该菌剂的OD600>1.65；
所述褐球固氮菌菌剂培养褐球固氮菌得到的培养液，且该菌剂的OD600>0.900；
所述胶冻样类芽孢杆菌菌剂培养胶冻样类芽孢杆菌得到的培养液，且该菌剂的OD600>0.500。
上述发酵条件为30℃发酵24h；
或在所述步骤1)和2)之间，还包括将所述堆肥基质进行灭菌的步骤；
或，在所述发酵后，还包括收集发酵的产物烘干至含水率在30％-40％的步骤。
上述使用后且含有有机污染物的活性硅吸附材料，若有机污染物中荧蒽、芘、
Figure BDA0002620848680000022
苯并(b)荧蒽和苯并(a)芘这5种多环芳烃总含量小于5mg/kg，则使用后活性硅吸附材料无需进行降解有机污染物处理；若有机污染物中荧蒽、芘、
Figure BDA0002620848680000024
苯并(b)荧蒽和苯并(a)芘这5种多环芳烃总含量大于5mg/kg，则使用后活性硅吸附材料需进行降解有机污染物处理(无害化处理)；
上述方法中，所述无害化处理为用活性污泥降解所述使用后活性硅吸附材料，使所述使用后活性硅吸附材料中荧蒽含量小于等于0.68mg/kg、芘含量小于等于0.52mg/kg、
Figure BDA0002620848680000023
含量小于等于0.80mg/kg、荧蒽含量小于等于0.48mg/kg且苯并(a)芘含量小于等于0.46mg/kg；
活性污泥为普遍指城市污水处理厂中的活性污泥；本实施例中的活性污泥为取自呼和浩特市春华水务污水处理有限公司2017年的污水处理厂曝气池中的活性污泥；该污泥中有机物占75％-85％，无机物占15％-25％；该活性污泥中微生物群体主要包括细菌、酵母菌，真菌和放线菌。
上述无害化处理具体包括如下步骤：
A、将所述使用后活性硅吸附材料与活性污泥按照质量比为1:6的比例混合，得到混合物；
B、将所述混合物调整pH值为7，再32℃反应5天，得到无害化处理的活性硅材料。
上述剩余污泥，取自2017年5月份春华水务污水处理厂曝气池的剩余污泥；剩余污泥含有单糖5％(质量百分含量)，淀粉2％-8％(质量百分含量)，且，剩余污泥中的有机物占其干重的50％以上。
由上述方法制备的微生物肥料也是本发明保护的范围。
上述活性硅吸附材料和剩余污泥在作为制备微生物肥料基质中的应用也是本发明保护的范围；
或，上述使活性硅吸附材料和剩余污泥在制备微生物肥料中的应用也是本发明保护的范围。
本发明提出利用微生物降解活性硅吸附材料吸附的有机污染物，将微生物处理后的活性硅吸附材料用于肥料的制备，既可实现活性硅吸附材料的无害化处理，又可利用活性硅的吸附性能制备保水缓释功能肥料，具有广阔的应用前景。
本发明以利用上述微生物处理后的活性硅吸附材料(无害化处理后的活性硅材料)和剩余污泥混合物为原料，选用能够提高土壤中氮、磷、钾含量的放射形根瘤菌、褐球固氮菌与胶冻样类芽孢杆菌为菌剂，制备微生物肥料，该微生物肥料能够有效的提高土壤中氮、磷、钾含量，改善土壤结构，且具有一定的保水功能。本微生物肥料施肥30天，可使土壤中全氮含量增加了0.88g/kg，速效磷含量增加了68mg/kg，速效钾含量增加了105mg/kg。使用本微生物肥料种植白菜30天，白菜株高增加了19.44％，茎周增加了11.11％，根长增加了12％，干鲜比增加了16.15％，白菜长势明显提高。
本发明的优点是：将使用后的活性硅材料利用活性污泥中的微生物无害化处理，将处理后的活性硅材料与剩余污泥的混合物为载体制备微生物肥料，可有效的解决使用后活性硅材料与污水处理厂中剩余污泥的处理与处置问题。以无害化处理后的使用后的活性硅材料与城市污水处理厂中剩余污泥的混合物为载体制备得到微生物肥料，能够有效的解决活使用后性硅材料的处理与处置问题，突破制约活性硅材料工业化应用的瓶颈，同时能够处理城市污水处理厂中剩余污泥的处理问题，可有效的实现资源的循环利用。本生产方法工艺简单，组份配比合理。
附图说明
图1肥料的保水性能。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
下述实施例中所用的菌株如下：
放射形根瘤菌、褐球固氮菌与胶冻样类芽孢杆菌均购于中国工业微生物菌种保藏管理中心，保藏号分别为CICC 20836，CICC 21686，CICC 20667，
放射形根瘤菌对应的培养基编号为CM0014，褐球固氮菌对应的培养基编号为CM0003。
下述实施例中活性硅吸附材料制备方法记载在授权专利ZL2013106375529，公开号为CN103736440A，得到的活性硅吸附材料的孔径10-20nm之间，且比表面积在200-300m2/g。
实施例1、以活性硅材料为添加剂制备的微生物肥料
一、活化菌剂的获得
活化放射形根瘤菌菌剂：将购买回来的放射形根瘤菌在自身灭菌培养基中30℃、150r/min培养10h，重复两次得到活化放射形根瘤菌菌剂(OD600>1.65)。
活化褐球固氮菌菌剂：将购买回来的褐球固氮菌在自身灭菌培养基中30℃、150r/min培养10h，重复两次得到活化褐球固氮菌菌剂(OD600>0.900)。
活化胶冻样类芽孢杆菌菌剂：将购买回来的胶冻样类芽孢杆菌在自身灭菌培养基中30℃、150r/min培养20h，重复两次得到活化胶冻样类芽孢杆菌菌剂(OD600>0.500)。
用于培养放射形根瘤菌的自身灭菌培养基的培养基编号为CM0014。
用于培养褐球固氮菌的自身灭菌培养基的培养基编号为CM0003。
用于培养胶冻样类芽孢杆菌的自身灭菌培养基由以下重量百分数的组分制成：由用于培养放射形根瘤菌培养基和用于培养褐球固氮菌培养基按照体积比为1:1配制而成。
混合菌剂制备：将上述活化放射形根瘤菌菌剂、上述活化褐球固氮菌菌剂和上述活化胶冻样类芽孢杆菌菌剂等体积混合，得到混合菌剂，其中混合菌剂中放射形根瘤菌、褐球固氮菌菌剂和胶冻样类芽孢杆菌的cfu比为1:1:1，混合菌剂中总菌含量≥1亿个/克。
二、活性硅材料无害化处理
检测吸附烟气的使用后活性硅吸附材料，若有机污染物中荧蒽、芘、
Figure BDA0002620848680000041
苯并(b)荧蒽和苯并(a)芘这5种多环芳烃总含量小于5mg/kg，则使用后活性硅吸附材料无需进行降解有机污染物处理；若有机污染物中荧蒽、芘、
Figure BDA0002620848680000051
苯并(b)荧蒽和苯并(a)芘这5种多环芳烃总含量大于等于5mg/kg，则使用后活性硅吸附材料需进行降解有机污染物处理(无害化处理)。
1、使用后的活性硅材料
使用后活性硅吸附材料为用活性硅材料吸附烟气中有机污染物后，得到使用后活性硅吸附材料，使用后活性硅吸附材料中有机污染物中含有荧蒽、芘、
Figure BDA0002620848680000052
苯并(b)荧蒽和苯并(a)芘这5种多环芳烃。
本实施例中的使用后活性硅吸附材料来自于如下：
活性硅吸附材料(为活性硅多孔材料，其孔径10-20nm之间，比表面积在200-300m2/g)取自内蒙古自治区煤基固废高值化利用工程实验室。
将活性硅吸附材料协同脱除烟气中的SO2、NOx和PM2.5及其前驱体，活性硅吸附材料达到饱和后含有烟气中的多种有机污染物，其中有机污染物中含有荧蒽、芘、
Figure BDA0002620848680000053
苯并(b)荧蒽、苯并(a)芘这5种多环芳烃。
经过检测，使用后活性硅吸附材料中含有荧蒽、芘、
Figure BDA0002620848680000054
苯并(b)荧蒽和苯并(a)芘的浓度分别为2.36mg/kg、1.72mg/kg、2.75mg/kg、1.29mg/kg、1.26mg/kg，这5种多环芳烃有机污染物的总浓度为9.38mg/kg(大于3mg/kg)。
2、活性污泥
活性污泥普遍指城市污水处理厂中的活性污泥；本实施例中的活性污泥为取自呼和浩特市春华水务污水处理有限公司2017年的污水处理厂曝气池中的活性污泥；该污泥中有机物占75％-85％，无机物占15％-25％；该活性污泥中微生物群体主要包括细菌、酵母菌，真菌和放线菌。
3、降解有机污染物处理(无害化处理)
利用上述2中的活性污泥中的微生物对活性硅吸附材料中的多环芳烃进行降解，具体为如下：
将上述1的使用后活性硅吸附材料(其中，5种多环芳烃有机污染物的总浓度为9.38mg/kg)与活性污泥按照质量比为1:6的比例混合，得到的混合物，调整pH值为7；再于32℃条件下反应5天实现降解多环芳烃，得到无害化处理的活性硅材料。
检测无害化处理的活性硅材料和上述1的使用后活性硅吸附材料中多环芳烃(PAHs)的含量，实验中分析检测多环芳烃(PAHs)的方法根据美国环境保护署(EPA)中的方法进行，具体如下：利用有机溶剂二氯甲烷对活性硅吸附材料中的多环芳经进行洗脱提取，然后再用气质联用仪定性及定量检测样品中的多环芳烃的种类及含量，此方法分为提取和检测两个环节，其中提取环节包括三个部分：洗脱提取、旋转蒸发、层析分离，检测部分气质联用仪检测层析分离后的样品。PAHs样品气质联用仪检测。调节参数为：采用FID检测器，载气使用氮气，流量为1ml/min，柱箱以5℃/min的速率程序升温，从130℃加热到260℃，保持30min，进样温度设为250℃。
结果表明，
上述1的使用后活性硅吸附材料中有机污染物主要含有荧蒽、芘、
Figure BDA0002620848680000061
苯并(a)荧蒽、苯并(b)芘5种多环芳烃，含量分别为2.36mg/kg、1.72mg/kg、2.75mg/kg、1.26mg/kg、1.29mg/kg，总量为9.38mg/kg；
无害化处理的活性硅材料中荧蒽、芘、
Figure BDA0002620848680000062
苯并(a)荧蒽、苯并(b)芘5种多环芳烃的含量分别为0.68mg/kg、0.52mg/kg、0.80mg/kg、0.48mg/kg、0.46mg/kg，总量为2.94mg/kg(小于5mg/kg)。
上述结果表明，5种多环芳烃的降解率为69％。
三、活性硅材料用于发酵微生物有机肥料
1、活性硅材料和剩余污泥混合物
剩余污泥，取自2017年5月份春华水务污水处理厂曝气池的剩余污泥；剩余污泥含有单糖5％(质量百分含量)，淀粉2％-8％(质量百分含量)，且，剩余污泥中的有机物占其干重的50％以上。
将上述二中的有机污染物中荧蒽、芘、
Figure BDA0002620848680000063
苯并(b)荧蒽和苯并(a)芘这5种多环芳烃总含量小于3mg/kg的使用后活性硅吸附材料(经过上述二的无害化处理后)与剩余污泥按质量比为1:4的比例混合，混合后121℃蒸汽灭菌20min，灭菌后冷却至20℃-30℃待用，得到活性硅材料和剩余污泥混合物。
2、接菌发酵获得肥料
将步骤1得到的活性硅材料和剩余污泥混合物与无菌水按质量体积比1:30(g/ml)的比例混合，得到堆肥基质；
再将步骤一得到混合菌剂按照体积百分含量10％的接菌量接入上述堆肥基质，再置于恒温振荡培养箱中30℃，150r/min(HA-B北京中兴伟业仪器有限公司)发酵24h，收集发酵产物；
再将发酵产物40℃-60℃低温烘干，控制含水率在30％-40％之间，得到微生物肥料。
四、微生物肥料质量测定指标
1、污染：肉眼观察微生物肥料是否发生霉变，例如青霉污染或者曲霉污染，是否变色，是否产生异味等。
结果，肉眼观察微生物肥料在存放过程中，质地均匀，前期湿润慢慢变干，没有异味产生，没有发生霉变。
2、pH：取微生物肥料3g与去离子水按质量比1:5混合震荡10min后静置30min，然后测定样品悬浮液pH。
微生物肥料的pH值在80天前略微变大，但在80天之后稳定在7.64左右，符合微生物肥料的产品技术指标pH在5-8之间。
3、含水率：取10g微生物肥料放入质量为M0的干燥的蒸发皿中，称重，质量为M1。放入烘箱中烘干至恒重，取出放至室温后称重，质量为M2。则微生物肥料的含水率W％为：
Figure BDA0002620848680000071
结果为：微生物肥料的含水率在120天内不断降低，在第120天含水率虽然小于35％，但是仍然符合微生物肥料生产技术指标；本发明的方法获得的微生物肥料能够长时间保水，保水时间远远高于现有的微生物肥料。
4、有效菌体数：取微生物肥料10g，加入有玻璃珠的无菌水中，静置20min，然后放入摇床中180r/min震荡半小时得到菌悬液，将菌悬液稀释适当倍数，取50μL涂布于3号固体培养基平板上，将平板放入30℃的恒温培养箱中培养24h，最终以出现20-300个菌落的平板进行计数。
在20天内微生物肥料并没有染杂菌，随着时间的不断变长，微生物肥料中有杂菌开始生长，但是仍然符合微生物肥料生产国家标准(NY/T 798-2004)杂菌数≤30％。三株有效菌体数在120天内数量不断减少，但是在60天内都可以保持在109cfu/g以上，120天仍然保持在107cfu/g以上，并且120天时微生物肥料的总有效菌体数为1.98×108cfu/g，已经达到微生物肥料生产标准(NY/T 798-2004)所规定的总有效菌体数＞0.2亿cfu/g，每种有效菌体数＞0.01亿cfu/g。
5、微生物肥料中重金属含量的测定
方法根据微生物生产国家标准NY/T 798-2004规定测定，具体方法如下：砷含量测定方法：原子荧光光度法；汞含量测定方法：原子荧光光度法；铅含量测定方法：原子吸收光度法；镉含量测定方法：原子吸收光度法；铬含量测定方法：原子吸收光度法。
结果微生物肥料堆体中As含量22.24mg/kg、Pb含量37.76mg/kg、Cr含量70.24mg/kg，不含Hg和Cd，符合国家标准(NY/T 798-2004)。
6、保水性能
图1显示肥料在室温25℃下，自然风干过程中含水量的变化情况，肥料具有保水性能。
五、微生物肥料的应用
1、微生物肥料对种子发芽率的影响
(1)供试品种：白菜种子，挑选大小、形状、色泽、饱满程度相似的白菜种子。
(2)根据花盆的大小，每个花盆均盛有3千克的土壤，花盆中的土壤高度保持一致，实验设置16个处理，分别为1#-12#上述四制备的微生物肥料、13#史丹利复合肥、14#蒙草有机肥、15#蒙草菌肥和16#土壤空白，每个处理设置一个不同植物的对照，分别为：⑴-⒃。
蒙草菌肥和蒙草有机肥来自蒙草公司，史丹利复合肥来自史丹利三安蔬菜用复合肥，销售公司为：惟妙惟肖绿植旗舰店。
(3)肥料的使用和播种：本实验采用一次性施肥，每个花盆施肥5g，在种植之前将肥料均匀的洒在土壤表面轻轻搅拌，然后将15粒白菜种子均匀的种在花盆中间位置距离土壤表面1.5厘米左右。种植过程中保证每个花盆的浇水量相同。
(4)发芽率计算：播种后4天，确定每个花盆中发芽种子的数量，计算发芽率。
发芽率＝(种子发芽数量/播种种子数量)×100％
2、不同方法制备的微生物肥料对土壤中氮、磷、钾含量的影响
(1)土壤取样：在花盆中土壤表面至土壤下10厘米处均匀取样，避光风干，粉碎，过筛(孔径为1mm)
(2)土壤速效钾：火焰光度法(根据标准NY/T889-2004)
(3)土壤速效磷：钼锑抗比色法(根据标准HJ704-2014)
(4)土壤全氮：凯氏定氮法(根据标准HJ717-2014)
3、微生物肥料对植物生长的影响
(1)株高：用直尺测定植物距离土壤表面的高度
(2)茎周：土壤表面最低处植物的周长
(3)根系长：有直尺测定土壤下面根系的长度
(4)干鲜比：将植物放在质量为m的培养皿上测得质量为M0，然后放入80℃的烘箱中1h，之后调至60℃烘干至恒重M1。
干鲜比＝[(M1－m)/(M0－m)]×100％
结果如表1：
表1肥料对植物生长情况的影响
Figure BDA0002620848680000081
Figure BDA0002620848680000091
使用本发明制备的微生物肥料施肥30天，可使土壤中全氮含量增加了0.88g/kg，速效磷含量增加了68mg/kg，速效钾含量增加了105mg/kg。
使用本微生物肥料种植白菜30天，白菜株高增加了19.44％，茎周增加了11.11％，根长增加了12％，干鲜比增加了16.15％，白菜长势明显提高。

Claims (9)

1.活性硅吸附材料在制备微生物肥料中的应用。
2.活性硅吸附材料在促进微生物肥料保水中的应用。
3.根据权利要求1或2所述的应用，其特征在于：所述活性硅吸附材料比表面积在200-300m2/g。
4.根据权利要求1-3中任一所述的应用，其特征在于：所述活性硅吸附材料为使用后且含有有机污染物的活性硅吸附材料；
所述有机污染物含量小于5mg/kg。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于：所述有机污染物为荧蒽、芘、
Figure FDA0002620848670000011
苯并(b)荧蒽和苯并(a)芘这5种多环芳烃。
6.一种制备微生物肥料的方法，包括如下步骤：
1)将活性硅吸附材料、剩余污泥和水混合，得到堆肥基质；
2)用放射形根瘤菌、褐球固氮菌和胶冻样类芽孢杆菌发酵所述堆肥基质，得到微生物肥料。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：
所述活性硅吸附材料的比表面积在200-300m2/g；
或，所述活性硅吸附材料为使用后且含有有机污染物的活性硅吸附材料；
所述有机污染物含量小于5mg/kg；
或，所述有机污染物为荧蒽、芘、
Figure FDA0002620848670000012
苯并(b)荧蒽和苯并(a)芘这5种多环芳烃。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于：
步骤1)中，所述将活性硅吸附材料、剩余污泥和水混合为先将所述活性硅吸附材料和所述剩余污泥按照质量比为1:3-5混合，得到混合产物，再将所述混合产物与无菌水按照质量体积比1:25-35的比例混合，得到堆肥基质。
9.由权利要求6-8任一所述方法制备的微生物肥料。
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