CN113122483A - 一种玉米秸秆好氧堆肥的快速产热菌剂及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种玉米秸秆好氧堆肥的快速产热菌剂及其应用。属于微生物菌剂发酵技术领域。以总菌量为基础，包括以下原料：过氧乳酸杆菌5％～10％、希尔加德式乳杆菌25％～30％、耐乙酰乳酸杆菌55％～60％、不动杆菌0.5％～1％、罗尔斯通菌0.5％～0.8％、伯克氏菌0.4％～0.8％和醋酸杆菌0.2％～0.5％。本发明可替代一定体量的散煤燃烧，减少冬季的空气污染，实现能源的清洁化利用；同时，菌剂能够促进玉米秸秆好氧堆肥的快速启动，在较短时间达到高温，对玉米秸秆好氧堆肥产热技术的应用有重要作用，可以使堆体尽快进入到能量产出阶段。
Description
技术领域
本发明涉及微生物菌剂发酵技术领域，更具体的说是涉及一种玉米秸秆好氧堆肥的快速产热菌剂及其应用。
背景技术
我国玉米的播种范围大，分布广，是北方和西南山区人民的主要粮食之一。但是玉米在收获的过程中，会产生大量的玉米秸秆在农田里废置，如果不加以收集利用不仅会影响下一季的农业耕作，还会引发秸秆焚烧造成雾霾等空气污染问题，其中的虫卵还有可能导致病虫害。而秸秆的收集储运一般是在田地里就地打捆，而在这之后并没有经济高效的手段去资源化处理这些废置的秸秆。能够专业处理玉米秸秆的工厂数量很少，并且由于秸秆的相对密度小，运输起来经济成本高昂。因此寻找一种能够将秸秆就地还田、资源化利用的方法成为了解决玉米秸秆处理问题的关键。
好氧堆肥是一种在氧气充足的情况下，由专性或兼性好氧细菌降解有机物的生化过程。好氧堆肥由于其降解速度快，堆肥天数短，臭气发生量少等特点成为玉米秸秆等农业废弃物资源化处理的一个优先选择。一般的好氧堆肥过程目的产物是腐熟后的秸秆和进一步处理后的有机肥，对好氧堆肥过程的高温期产生的温度却忽略了利用。在实际的农田中，秸秆的庞大体量如果进行好氧堆肥，会产生相当可观体量的热能，如果将这一能量加以利用起来，尤其是在我国的北方，玉米采收后天气会逐渐变冷，冬季种植的作物多在温室大棚中，这一热量可以辅助温室大棚的加温。另一方面，冬季过后，堆肥腐熟后的秸秆可以还田作为肥料。这样就使秸秆从开始堆肥到堆肥结束整个周期都得到了资源化的利用，间接地减少秸秆的焚烧和废置问题。
玉米秸秆好氧堆肥产热技术目前在我国处于起步阶段，目前并没有成熟的发酵产热及供热系统的产业链。技术要点和一般的好氧堆肥区别在于堆肥温度的快速启动和高温期的维持运转。快速启动的条件主要分为两个方面，启动菌剂和启动工艺。启动菌剂在成分上和好氧堆肥菌剂的不同点在于需要利用多种微生物(包括好氧、厌氧和兼性菌)的共同作用在短期内实现降解菌的大量繁殖和对秸秆的初步降解。目前对于好氧堆肥降解过程菌剂的专利主要集中在快速腐解、减少臭气和提高腐熟品质方面，并且堆肥的基质多数为与禽畜粪便、城市污泥、厨余垃圾等联合堆肥，而专门针对玉米秸秆好氧堆肥产热的快速启动菌剂的开发有一定的技术空白。通过好氧堆肥的方式在高温期将多余的热能换出来，实现对设施农业及农村散户的加温，具有较高的现实意义。
堆肥中主要用的菌株市面上主要以芽孢杆菌、白腐真菌、不动杆菌类为主，但是这类菌株在堆肥过程中的堆肥启动速度不快，产生的热量也不足以达到利用堆肥热实现供暖的目标。
因此开发和使用新品类的复合菌剂对玉米秸秆的好氧堆肥产热技术的落地和推广是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种玉米秸秆好氧堆肥的快速产热菌剂及其应用。本发明可以在一定程度上作为冬季供暖的辅助供热手段，替代一定体量的散煤燃烧，减少冬季的空气污染，实现能源的清洁化利用；同时，提供一种由过氧乳酸杆菌属、耐酸乳杆菌属、希尔加德式乳杆菌属、罗尔斯通菌属、伯克氏菌属、不动杆菌属和醋酸杆菌属组成的微生物复合菌剂，经过活化培养微生物进入对数生长期后，再加入堆肥添加剂等辅助物料，使该菌剂能够促进玉米秸秆好氧堆肥的快速启动，在较短时间达到高温，对玉米秸秆好氧堆肥产热技术的应用有重要作用，可以使堆体尽快进入到能量产出阶段。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种玉米秸秆好氧堆肥的快速产热菌剂，以总菌量为基础，包括以下原料：过氧乳酸杆菌5％～10％、希尔加德式乳杆菌25％～30％、耐乙酰乳酸杆菌55％～60％、不动杆菌0.5％～1％、罗尔斯通菌0.5％～0.8％、伯克氏菌0.4％～0.8％和醋酸杆菌0.2％～0.5％。
本发明还提供了一种玉米秸秆好氧堆肥的快速产热菌剂的应用，包括：将玉米秸秆、麸皮、料A、尿素、水和生石灰充分混匀，在表面播撒经预处理后的菌剂至堆肥空间被填充至85％～90％；所述料A为磷酸氢二钾，或磷酸二氢钾，或过磷酸钙。
优选的：玉米秸秆、麸皮、料A、尿素、水、生石灰和菌剂的质量体积比为：10～12kg：0.5～0.7kg：0.45～0.7kg：0.35～0.4kg：8～10kg：0.12～0.15kg：190～210ml；
其中，当料A为磷酸氢二钾时，质量体积比为：10～12kg：0.5～0.7kg：0.6～0.7kg：0.35～0.4kg：8～10kg：0.12～0.15kg：190～210ml；
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当料A为过磷酸钙时，质量体积比为：10～12kg：0.5～0.7kg：0.45～0.5kg：0.35～0.4kg：8～10kg：0.12～0.15kg：190～210ml。
优选的：预处理包括扩培及活化步骤。
优选的，扩培：将菌剂加入到LB液体培养基，摇匀，密封，震荡培养。
进一步的，菌剂用量为0.5～1ml；于无菌环境下接种在250ml的液体LB培养基中；
优选的，震荡培养：温度30℃；120r/min培养24h。
优选的，活化：将扩培后的菌液接种到葡萄糖～铵液体培养基中震荡培养。
优选的，震荡培养：温度30℃；90r/min培养24h。
进一步的：活化扩培后的复合菌剂的有效活菌数≥1.2×108个/ml。
堆肥的前36h内，通风速率保持在200～250ml/min，36h后，通风速率保持在350～400ml/min。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种玉米秸秆好氧堆肥的快速产热菌剂及其应用，取得的技术效果本发明可以使以玉米秸秆为堆肥底物的好氧堆肥过程快速启动，使整个堆肥过程进入到高温产热状态，同时最终堆肥的产物品质符合国家有机肥料标准NY～525。
在堆肥的规模上对本发明提供的菌剂进行了不同规模的试验。体积分别为5L圆柱形发酵罐、50L圆柱形发酵罐、0.5m3的堆肥坑、2m3的堆肥坑、60m3的中试发酵堆。通过使用上述的堆肥工艺加入菌剂，均实现了在短时间内堆体的中心温度达到55℃以上的效果。并且最后的堆肥产物经过检测均符合有机肥料标准。
对于其他品类的生物质掺混玉米秸秆使用该菌剂也有一定效果。通过使用牛粪、猪粪来替代尿素作为堆肥体系的氮源进行试验发现，启动速度相比不使用本菌剂有明显提升，但是后续的产热效果和肥料品质差别不大。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明所使用的5L反应装置图，其中，常规辅助设备由上至下依次包括室内温湿度传感器、壁面温度传感器、顶部温度传感器、中心温度传感器、底部温度传感器、外壁温度传感器和通风装置。
图2附图为本发明提供的菌剂与市场化商品EM菌剂的堆肥温度对比图。
图3附图为本发明提供的堆肥后物料的SEM图像。
图4附图为本发明提供的堆肥后物料的光学显微镜图像。
图5附图为本发明提供的中试规模的堆肥温度变化曲线。
图6附图为本发明提供的中试规模的堆肥氧气含量变化曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种玉米秸秆好氧堆肥的快速产热菌剂及其应用。
实施例中涉及的微生物材料均为市售，例如：过氧乳酸杆菌Lactobacillusperolens购自埃尔文生物公司，产品编号为VIP(i)21007；
希尔加德式乳杆菌Lactobacillus hilgardii购自埃尔文生物公司，产品编号为VIP(i)24171；
耐乙酰乳酸杆菌Lactobacillus acetotolerans.购自埃尔文生物公司，产品编号为HKFSCC173013；
不动杆菌属菌Acinetobacter.购自埃尔文生物公司，产品编号为VIP(i)21111；
罗尔斯通菌Ralstonia pickettii.购自埃尔文生物公司，产品编号为VIP(i)21979；
伯克氏菌Alicycliphilus denitrificans.购自埃尔文生物公司，产品编号为HKGIM1.290；
醋酸杆菌Acetobacter.购自埃尔文生物公司，产品编号为HKGIM1.152。
未提及的设备为常规实验设备，在此不再赘述。
实施例1
一种玉米秸秆好氧堆肥的快速产热菌剂，以总菌量为基础，包括以下原料：过氧乳酸杆菌5％、希尔加德式乳杆菌25％、耐乙酰乳酸杆菌55％、不动杆菌0.5％、罗尔斯通菌0.5％、伯克氏菌0.4％和醋酸杆菌0.2％。
为进一步优化技术方案，活化：将菌剂加入到LB液体培养基，摇匀，密封，震荡培养；其中震荡培养：温度30℃；120r/min培养24h。
为进一步优化技术方案，扩培：将活化后的菌液接种到葡萄糖～铵液体培养基中震荡培养。其中震荡培养：温度30℃；90r/min培养24h。
活化扩培后的复合菌剂的有效活菌数≥1.2×108个/ml。
实施例2
一种玉米秸秆好氧堆肥的快速产热菌剂，以总菌量为基础，包括以下原料：过氧乳酸杆菌8％、希尔加德式乳杆菌27％、耐乙酰乳酸杆菌57％、不动杆菌0.75％、罗尔斯通菌0.6％、伯克氏菌0.6％和醋酸杆菌0.4％。
为进一步优化技术方案，活化：将菌剂加入到LB液体培养基，摇匀，密封，震荡培养；其中震荡培养：温度30℃；120r/min培养24h。
为进一步优化技术方案，扩培：将活化后的菌液接种到葡萄糖～铵液体培养基中震荡培养。其中震荡培养：温度30℃；90r/min培养24h。
活化扩培后的复合菌剂的有效活菌数≥1.2×108个/ml。
实施例3
一种玉米秸秆好氧堆肥的快速产热菌剂，以总菌量为基础，包括以下原料：过氧乳酸杆菌10％、希尔加德式乳杆菌30％、耐乙酰乳酸杆菌60％、不动杆菌1％、罗尔斯通菌0.8％、伯克氏菌0.8％和醋酸杆菌0.5％。
为进一步优化技术方案，活化：将菌剂加入到LB液体培养基，摇匀，密封，震荡培养；其中震荡培养：温度30℃；120r/min培养24h。
为进一步优化技术方案，扩培：将活化后的菌液接种到葡萄糖～铵液体培养基中震荡培养。其中震荡培养：温度30℃；90r/min培养24h。
活化扩培后的复合菌剂的有效活菌数≥1.2×108个/ml。
实施例4
实验设备：使用5L的亚克力材质的立式圆柱发酵罐反应器，外部采用橡塑板材料作为反应器的保温装置，同时搭配以温度传感装置，下部安装通风曝气系统，参见图1(设备均为市售)。
操作步骤：将待发酵的玉米秸秆打碎，达到粒度在L 3.5cm±1.5cm；W 0.5cm，整体密度在67.2±1.2kg/m3。在反应器底部铺上200g秸秆与10～14g麸皮混匀，再加入磷酸氢二钾12～14g、7～8g尿素、160～200g水和2.4～3g生石灰充分混匀，在表面播撒经预处理后的菌剂4ml。
往复操作4～5次，实现对反应器的填充。将上方的保温盖子封好，并打开通风曝气系统，前36h的通风速率在200～250ml/min，36h后，通风速率保持在350～400ml/min。实施效果：参见图2，通常可以实现短时间内温度的初步启动，并且堆体的稳定性良好，无异味。整体堆肥过程预计15天左右完成小规模的好氧堆肥，并且相对于市售的EM菌剂来说，启动效果有明显优势。通过对堆肥后的物料进行SEM表征发现，微生物在玉米秸秆的纤维丝之间实现了大量的繁殖，部分秸秆的表面已经彻底的腐烂化，参见图3。
在光学显微镜下也可以明显的看到微生物在秸秆丝上的附着状态，可以较直观的反应降解过程，参见图4。
实施例5
实验设备：使用60m3的中试化条垛式堆肥，选择2.5m×12m的空场地，下方挖掘0.5m左右的坑，两侧使用铁柱配合铁网构建发酵池，保温材料采用普通建筑岩棉，在发酵池的侧面使用波纹管作为预留通气孔。
操作步骤，在发酵池底部铺设20～25cm的玉米秸秆100kg，与6kg的麸皮混合，磷酸二氢钾5.5kg、4kg尿素、90kg水和1.4kg生石灰充分混匀，在表面播撒经预处理后的菌剂2l。
重复操作直至堆肥空间被填充至90％；实现中试规模的好氧堆肥初步搭建。
实施效果：参见图5、6在冬季户外零下的情况下，依然实现了较快速的温度启动，温度在前期最高温度达到了71℃，整体在2个月左右平均温度都在55℃以上，氧气含量与温度变化呈现负相关，证明微生物在好氧状态下对有机物的降解实现了堆体温度的上升与能量积累。通过测试，产生的有机肥在养分、含水率、重金属等指标上均符合国家农业部的NY525标准。
实施例6
与实施例5的区别在于磷酸二氢钾替换为过磷酸钙4.5～5kg。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种玉米秸秆好氧堆肥的快速产热菌剂，其特征在于，以总菌量为基础，包括以下原料：过氧乳酸杆菌5％～10％、希尔加德式乳杆菌25％～30％、耐乙酰乳酸杆菌55％～60％、不动杆菌0.5％～1％、罗尔斯通菌0.5％～0.8％、伯克氏菌0.4％～0.8％和醋酸杆菌0.2％～0.5％。
2.权利要求1所述的一种玉米秸秆好氧堆肥的快速产热菌剂的应用，其特征在于，包括：将玉米秸秆、麸皮、料A、尿素、水和生石灰充分混匀，在表面播撒经预处理后的菌剂至堆肥空间被填充至85％～90％；所述料A为磷酸氢二钾，或磷酸二氢钾，或过磷酸钙。
3.如权利要求2所述的一种玉米秸秆好氧堆肥的快速产热菌剂的应用，其特征在于，所述玉米秸秆、麸皮、料A、尿素、水、生石灰和菌剂的质量体积比为：10～12kg：0.5～0.7kg：0.45～0.7kg：0.35～0.4kg：8～10kg：0.12～0.15kg：190～210ml；
其中，当料A为磷酸氢二钾时，质量体积比为：10～12kg：0.5～0.7kg：0.6～0.7kg：0.35～0.4kg：8～10kg：0.12～0.15kg：190～210ml；
当料A为磷酸二氢钾时，质量体积比为：10～12kg：0.5～0.7kg：0.5～0.55kg：0.35～0.4kg：8～10kg：0.12～0.15kg：190～210ml；
当料A为过磷酸钙时，质量体积比为：10～12kg：0.5～0.7kg：0.45～0.5kg：0.35～0.4kg：8～10kg：0.12～0.15kg：190～210ml。
4.如权利要求2或3所述的应用，其特征在于，所述预处理包括扩培及活化步骤。
5.如权利要求4所述的应用，其特征在于，所述扩培：将菌剂加入到LB液体培养基，摇匀，密封，震荡培养。
6.如权利要求5所述的应用，其特征在于，所述震荡培养：温度30℃；120r/min培养24h。
7.如权利要求4所述的应用，其特征在于，所述活化：将扩培后的菌液接种到葡萄糖～铵液体培养基中震荡培养。
8.如权利要求7所述的应用，其特征在于，所述震荡培养：温度30℃；90r/min培养24h，所述菌剂的有效活菌数≥1.2×108个/ml。
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