CN113716991B - 一种有机废弃物快速堆肥方法及其膜式发酵系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种有机废弃物快速堆肥方法及其膜式发酵系统。本发明快速堆肥的方法，包括如下步骤：将有机废弃物和腐熟菌剂混合后建堆，得到堆体；使堆体进行好氧发酵，当堆体pH值大于7.2时向堆体喷淋磷酸的水溶液，发酵完毕，即可。本发明方法可通过如下步骤为堆体提供好氧环境：检测堆体内部的氧气浓度，当氧气体积浓度小于13％时，为堆体曝气。本发明通过在堆体表面喷淋稀磷酸调控堆体内微生物生长环境，有利于维持微生物活性，提高堆肥效率，堆肥周期缩短，而且喷洒系统远程观察控制，操作简单；通过调控通氧频率，为微生物生长提供合适的好氧环境，维持微生物活性，提高堆肥效率，缩短堆肥时间；本发明有利于加速我国村镇有机垃圾的资源化利用。

Description

一种有机废弃物快速堆肥方法及其膜式发酵系统
技术领域
本发明属于堆肥技术领域，尤其涉及一种有机废弃物快速堆肥方法及其膜式发酵系统。
背景技术
我国是世界上最大的有机废弃物生产国。据统计，我国2015年城乡有机废弃物年产生量超过60亿t，其中畜禽粪便产生量约38亿t，秸秆产生量超过10亿t。肥料化是其中重要的资源化途径之一，国内大多数有机废弃物肥料化达无害化标准需发酵15-20天，而形成优质有机肥发酵一般需45-60天，周期长是堆肥技术主要瓶颈。
关于有机废弃物肥料化应用，在添加腐熟菌剂对堆体进行发酵的过程中，堆体内部pH值随着发酵过程发生较大变化，时常偏碱性，必然影响堆体内微生物的代谢活性，影响代谢速度，最终影响堆肥产品品质。
目前，堆体内部pH值的调节方式仅控制源头，并没有过程调控，堆肥过程是微生物生长代谢的过程，因此，仅控制源头是不够的。
发明内容
本发明的目的是提供一种有机废弃物快速堆肥方法及其膜式发酵系统，该方法通过调控堆体内部pH值，可强化微生物生存环境酸碱度，有效保障堆体微生物活性，加快堆肥进程，缩短堆肥时间。
本发明提供的快速堆肥的方法，包括如下步骤：将有机废弃物和腐熟菌剂混合后建堆，得到堆体；使所述堆体进行好氧发酵，当所述堆体pH值大于7.2时向堆体喷淋磷酸的水溶液，发酵完毕，即可。
本发明中，所述有机废弃物可为农业有机废弃物，比如，所述有机废弃物可为植物材料、动物粪便和食用菌菌渣中的至少一种，再比如，所述有机废弃物可为质量比为5:3:2的鸡粪、食用菌菌渣和枯树枝。所述食用菌菌渣可为培养香菇后的菌渣。
本发明中，所述腐熟菌剂即为有机废弃物腐熟用微生物菌剂，如通用型腐熟菌剂。所述腐熟菌剂的添加量可在合理范围内调控，所述腐熟菌剂的质量百分含量可为有机废弃物的1％～5％，如3％。
进一步地，所述磷酸的水溶液的浓度可为0.5～1.5mol/L-1，具体可为1mol/L-1；
每次喷淋量可为所述堆体的体积的0.2％～0.5％，具体可为0.3％；
每次喷淋时间为3～10min，具体可为6min；
每隔2h～6h检测一次堆体pH值。
所述方法在喷淋期间和喷淋结束后的0.5～1个小时还可包括保持堆体通风以使喷淋液下渗的步骤。
上述的方法中，可使用膜式发酵系统向堆体喷淋稀磷酸；
所述膜式发酵系统包括稀酸喷淋单元；所述稀酸喷淋单元，包括pH计和喷淋装置；所述喷淋装置包括喷淋管和喷淋泵；
所述喷淋管平铺于所述堆体的表面。
进一步地，所述pH计置于所述堆体的内部；
所述稀酸喷淋单元还包括喷淋控制装置；所述喷淋控制装置被配置成自动读取所述pH计记录的堆体pH，当pH大于7.2时，开启所述喷淋泵；所述喷淋泵将稀酸泵入所述喷淋管进行喷淋；喷淋一定时间后，关闭喷淋泵。
更进一步地，所述喷淋控制装置包括手机控制端；所述pH计记录的堆体pH信号传输至所述手机控制端，当pH大于7.2时，通过所述手机控制端向所述控制装置发送开关信号以启动所述喷淋泵。
上述的方法中，通过如下步骤为所述堆体提供好氧环境：检测所述堆体内部的氧气浓度，当氧气体积浓度小于13％时，为堆体曝气。
进一步地，所述曝气的强度为0.1～0.2m3/min，具体可为0.1m3/min；
每次曝气时间为20～30min，具体可为20min；
每隔15～30min检测一次氧气浓度，具体可为20min或30min。
上述的方法中，使用膜式发酵系统为堆体曝气；
所述膜式发酵系统包括曝气单元；所述曝气单元包括溶氧电极和曝气装置；所述曝气装置包括曝气泵和曝气管；
所述溶氧电极置于所述堆体内部；
所述曝气管置于所述堆体内部。
进一步地，所述曝气装置还包括曝气控制装置；所述曝气控制装置被配制为自动读取所述溶氧电极记录的氧气浓度，当氧气体积浓度小于13％时，开启曝气泵；所述曝气泵将空气泵入曝气管进行曝气，曝气一定时间后，关闭曝气泵。
更进一步地，所述曝气控制装置包括手机控制端；所述溶氧电极记录的氧气浓度传输至手机控制端，当氧气浓度体积小于13％时，通过手机控制端向控制装置发送开关信号启动曝气泵。
本发明提供的用于快速堆肥的膜式发酵系统，包括稀酸喷淋单元和/或曝气单元；
所述稀酸喷淋单元，包括pH计和喷淋装置；所述喷淋装置包括喷淋管和喷淋泵；
所述曝气单元包括溶氧电极和曝气装置；所述曝气装置包括曝气泵和曝气管。
进一步地，所述喷淋装置还包括喷淋控制装置；所述喷淋控制装置被配置成自动读取所述pH计记录的堆体pH，当pH大于特定值时，开启所述喷淋泵；所述喷淋泵将稀酸泵入所述喷淋管进行喷淋；喷淋一定时间后，关闭喷淋泵；
所述曝气单元还包括曝气控制装置；所述曝气控制装置被配置为自动读取溶氧电极记录的氧气浓度，当氧气浓度小于特定值时，开启曝气泵；所述曝气泵将空气泵入曝气管进行曝气，曝气一定时间后，关闭曝气泵。
所述喷淋控制装置可包括手机控制端；所述pH计记录的堆体pH信号传输至所述手机控制端，当pH大于特定值时，通过所述手机控制端向所述控制装置发送开关信号以启动所述喷淋泵。
所述曝气控制装置可包括手机控制端；所述溶氧电极记录的氧气浓度传输至手机控制端，当氧气浓度小于某特定值时，通过手机控制端向控制装置发送开关信号启动曝气泵。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明通过在堆体表面喷淋稀磷酸调控堆体内微生物生长环境，有利于维持堆体微生物活性，提高堆肥效率，堆肥周期缩短，而且喷洒系统远程观察控制，操作简单。本发明可以实现有机废弃物就地资源化处理，省时、省力、节约远途运输成本，在当前生态环境可持续发展要求的前提下，本发明有利于加速我国村镇有机垃圾的快速资源化利用。
(2)本发明通过调控通氧频率，为微生物生长提供合适的好氧环境，从而维持堆体微生物活性，提高堆肥效率，缩短堆肥时间。
(3)利用本发明膜式发酵系统，在发酵过程中即时调控堆体内部的pH值和氧气浓度，实现快速发酵。
附图说明
图1为本发明膜式发酵系统中稀酸喷淋单元的结构示意图。
图1中，各标记如下：
1-磷酸罐、2-喷淋泵、3-喷淋管、4-堆肥。
图2为本发明膜式发酵系统中稀酸喷淋单元的运行逻辑图。
图3为本发明膜式发酵系统中曝气单元的结构示意图。
图3中，各标记如下：
5-溶氧电极、6-曝气泵、7-曝气管、8-堆肥。
图4为本发明膜式发酵系统中曝气单元的运行逻辑图。
图5为实施例中喷磷酸处理和不喷磷酸处理的温度变化曲线。
具体实施方式
本发明提供的一种快速堆肥的方法，包括如下步骤：将有机废弃物和腐熟菌剂混合后建堆，得到堆体；使堆体进行好氧发酵，当堆体pH值大于7.2时向堆体喷淋磷酸的水溶液，发酵完毕，即可。通过在堆体表面喷淋稀磷酸调控堆体内微生物生长环境，有利于维持堆体微生物活性，提高堆肥效率，堆肥周期缩短。
本发明用于快速堆肥的膜式发酵系统，包括稀酸喷淋单元和/或曝气单元；
稀酸喷淋单元，包括pH计和喷淋装置；喷淋装置包括喷淋管和喷淋泵；
曝气单元包括溶氧电极和曝气装置；曝气装置包括曝气泵和曝气管。
进一步地，喷淋装置还包括喷淋控制装置；喷淋控制装置被配置成自动读取pH计记录的堆体pH，当pH大于特定值时，开启喷淋泵；喷淋泵将稀酸泵入喷淋管进行喷淋；喷淋一定时间后，关闭喷淋泵。
进一步地，曝气单元还包括曝气控制装置；曝气控制装置被配置为自动读取溶氧电极记录的氧气浓度，当氧气浓度小于特定值时，开启曝气泵；曝气泵将空气泵入曝气管进行曝气，曝气一定时间后，关闭曝气泵。
利用本发明膜式发酵系统，在发酵过程中即时调控堆体内部的pH值和氧气浓度，实现快速发酵。
下面结合具体实施例，对本发明进行详细的说明。
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。
本发明膜式发酵系统包括稀酸喷淋单元和曝气单元；
如图1所示，稀酸喷淋单元包括pH计(图中未示)和喷淋装置；
喷淋装置包括喷淋管3和喷淋泵4。
稀酸喷淋单元的使用方法有两种，第一种，从观察孔人工取样，采用pH计测定pH值，当pH大于特定值时，手动开启喷淋泵；喷淋泵将稀酸泵入喷淋管进行喷淋，喷淋一定时间后，手动关闭喷淋泵；第二种，喷淋装置还包括喷淋控制系统(图中未示)；喷淋控制装置被配置成自动定时读取pH计的堆体pH，当pH大于特定值时，开启喷淋泵；喷淋泵将稀酸泵入喷淋管进行喷淋，喷淋一定时间后，关闭喷淋泵。优选地，稀酸喷淋单元还包括手机控制端；pH计即pH原位自动记录仪记录的堆体pH信号传输至手机控制端，当pH大于特定值时，通过手机控制端向控制装置发送开关信号启动喷淋泵。
本发明稀酸喷淋单元在使用时，如图1所示，将发酵堆体上部的两端各平铺喷淋管，喷淋管通过喷淋泵连接稀酸罐。使用方式有两种：
第一种，定时人工从观察孔取样，并用pH计测定堆体样品pH值，根据肥堆pH的变化情况，判断是否开启稀酸喷淋泵；具体为当堆体pH大于7.2时，手动开启喷淋泵，向堆体表面喷淋稀酸，喷淋一定时间后，关闭喷淋泵。
第二种，在堆体内部放置pH计即pH原位自动记录仪，定时自动读取记录堆体pH并及时远程传输到手机端，堆肥管理员远程根据肥堆pH的变化情况，判断是否开启稀酸喷淋泵，具体为当堆体pH大于7.2时，在手机端开启喷淋泵，通过向喷淋泵发送开关信号启动喷淋泵，向堆体表面喷淋稀酸，喷淋一定时间后，关闭喷淋泵。
在本发明的具体实施例中，如图2所示，每隔2h读取一次堆体pH值，当pH在7.2以上时，手动或手机端开启喷淋泵，将稀磷酸液(稀磷酸浓度控制在0.5～1.5mol/L-1)喷淋堆体一次，每次喷淋量为堆体大小的0.2％～0.5％，每次喷淋时间控制在3～10min，关闭喷淋泵，喷淋期间以及喷淋结束的0.5～1个小时保持通风开启，加大舱体内部的气压，有利于喷淋液体的下渗。
通过向堆体表面喷淋稀磷酸，调控发酵过程中堆体的pH，可使堆体微生物处于活性状态，加速发酵进程。
如图3所示，曝气单元包括溶氧电极5和曝气装置；
曝气装置包括曝气泵6和曝气管7。
曝气装置还可包括曝气控制装置(图中未示)；曝气控制装置被配置成自动读取溶氧电极的氧气浓度，当氧气浓度小于特定值时，开启曝气泵；喷淋泵将空气泵入曝气管进行曝气，曝气一定时间后，关闭曝气泵。
优选地，曝气单元还包括手机控制端；溶氧电极记录的氧气浓度传输至手机控制端，当氧气浓度小于某特定值时，通过手机控制端向控制装置发送开关信号启动曝气泵。
本发明曝气单元在使用时，如图3所示，将带有预设场地铺设防渗膜后，在场地上放置与物料长度相等的曝气管；曝气管的一端与曝气泵连接。溶氧电极放置于堆体内，定时读取记录堆体内部氧气浓度并及时远程传输到手机端，堆肥管理员远程根据氧气浓度的变化情况，判断是否开启曝气泵，具体为当溶氧量小于某特定值时，在手机端开启曝气泵，通过向曝气泵发送开关信号启动曝气泵，向堆体内部曝气，曝气一定时间后，关闭曝气泵。
在本发明的具体实施例中，如图4所示，当氧气浓度小于13％时，手动或手机端开启曝气泵，曝气强度为每一立方米的物料需要0.1～0.2m3/min，曝气时间控制在20～30min，每隔15～30min检测一次。
通过向堆体内部曝气，调控发酵过程中堆体的好氧环境，可使堆体微生物处于活性状态，加速发酵进程。
实施例1、快速堆肥
通过如下步骤实现有机废弃物的快速堆肥：
(1)以鸡粪、菌渣和枯树枝为原料进行堆肥试验。取自北京市农林科学院周边绿化枯枝落叶；菌渣是北京农林科学院植保所提供；鸡粪是北京市农林科学院畜牧所养殖基地采集。枯树枝粉碎粒径2～3cm长的碎片。堆肥开始时，湿度调整到60％左右。碳氮比控制在25-30左右，鸡粪：菌渣：枯树枝＝5:3:2。菌渣为培养香菇后的菌渣，由质量比为68:15:15的棉籽壳、玉米芯和麸皮组成。菌剂是市售菌剂，北京雷邦斯生物技术有限公司，益菌发酵宝。
(2)堆肥开始时，将菌剂添加至上述有机废弃物中，添加量为3％。物料混匀建堆(堆体大小为7立方左右，具体是5m×1.5m×1m)进行好氧发酵，设置两个处理，每个处理三个平行，堆肥发酵过程中喷淋稀磷酸和不喷淋稀磷酸。对比腐熟效果。
对于喷淋稀磷酸的处理，堆体上方两端安装平铺的喷淋管，喷淋管通过喷淋泵连接稀酸池，采用膜式发酵设备将外膜覆于堆体上，外膜的四周压边，防止漏气。
两个处理均采用本发明曝气单元进行曝气，操作如下：在场地上放置与物料长度相等的曝气管两根，将物料于曝气管上方堆成堆体；曝气管的一端与曝气泵连接。温度传感器及氧气传感器放置于物料的上中下三个位置。
(3)建堆覆膜完成后，进行连续或者间断曝气，根据溶氧仪显示调整通氧频率。
其中，喷淋稀磷酸组在发酵过程中，当堆体pH值大于7.2时向堆体喷淋磷酸的水溶液，具体步骤如下：使用本发明膜式发酵系统，根据pH定期监测数据(每2h检测一次)，手动控制喷淋装置开关或采用手机控制端控制喷淋泵，当pH在7.2以上时，开启喷淋泵，将稀磷酸液(磷酸浓度为1mol/L-1)喷淋堆体一次，喷淋量为堆体体积的0.3％，喷淋时间在6min。喷淋期间以及喷淋结束的1个小时保持通风开启，加大舱体内部的气压，有利于喷淋液体的下渗。
其中，通过如下步骤为堆体发酵提供好氧环境，检测堆体内部的氧气浓度，当氧气浓度小于13％VOL时，为堆体曝气，具体步骤如下：使用本发明膜式发酵系统，当堆体内部的氧气浓度小于13％VOL时，开启曝气泵；曝气泵将空气泵入曝气管进行曝气，每次曝气为20min，曝气强度0.1m3/min，关闭曝气泵。每隔30min检测一次堆体氧气浓度。
每24小时测量一次内容物的温度。在不同的温度期间，从5个不同位置收集样品(约200g)进行分析，样品位于表面以下约25cm处。每次取样后，将五个样品彻底混合，形成均匀的混合样品。
制作温度变化曲线，如图5所示，结果显示，喷磷酸处理组升温的速度更快，60℃以上的温度持续时间长，对病原菌消杀效果更好。
采用实时荧光定量PCR技术对堆肥样品的16s rDNA进行分析，具体步骤如下：
(1)提取有机物料总DNA：腐熟有机物料总DNA使用美国MOBIO公司的PowerMaxSoil DNA Isolation Kit试剂盒，每个样品称取0.25g样品，依照试剂盒说明提取土壤总DNA。
(2)使用SYBR Green定量PCR法测定16S rRNA基因，反应在ABI 7500Real-timePCR(ABI，USA)仪器上进行。
RealTime PCR样本检测
1、操作过程如下：
1)、将所有DNA样品分别配置Realtime PCR反应体系。体系配置如下：
Figure BDA0003100621630000071
轻弹管底将溶液混合，5000rpm短暂离心。
2)、加样
a.将18ul混合液加到96-PCR板对应的每个孔中。
b.再加入对应的2μl DNA。
c.小心粘上Sealing Film封口膜，并短暂离心混合。
d.在设置PCR程序前将准备好的PCR板放在冰上。
3)、标准品配置
3.1PCR扩增
以客户提供样本为模板，用目的基因引物进行PCR扩增。反应体系如表1所示:
表1、反应体系
成分 体积(μl)
目的基因上游引物(10μM) 1
目的基因下游引物(10μM) 1
1号模板 1
2×Taq MasterMix 25
水 22
共 50
扩增条件为94℃5min预变性后，94℃30S、55℃30S、72℃30s共30个循环.最后1轮循环完成后再72℃延伸10min。反应完毕后，用1％琼脂糖凝胶电泳检查扩增结果，目的片段进行琼脂糖凝胶回收，步骤见康为世纪琼脂糖凝胶DNA回收试剂盒使用说明。
3.2TA克隆
回收的PCR产物进行TA连接、连接体系如表2所示：
表2、连接体系
成分 体积(μl)
回收后的目的片段 4
T载体 1
2×Solution buffer 5
共 10
22℃连接约4小时、转化感受态细胞DH5α，步骤见康为世纪DH5α感受态细胞使用说明。
3.3菌落PCR鉴定阳性克隆
挑取白色菌落，悬于10μl灭菌水中，取1μl作为模板进行菌落PCR，其余4℃保存，菌落PCR体系如表3所示：
表3、菌落PCR体系
成分 体积(μl)
目的基因上游引物(10μM) 0.2
目的基因下游引物(10μM) 0.2
模板 1
2×Taq MasterMix 5
水 3.6
共 10
扩增条件为94℃5min预变性后，94℃30S、55℃30S、72℃30s共30个循环.最后1轮循环完成后再72℃延伸10min。
反应完毕后，用1％琼脂糖凝胶电泳检查扩增结果。
3.4提取质粒
提取质粒作为绝对定量的标准品。
将质粒标准品从101-105进行10倍梯度稀释，每个梯度取2ul做模板建立标准曲线。
4)、将上述96-PCR板置于Realtime PCR仪上进行PCR反应。
按以下程序进行：95℃，30秒；40个PCR循环(95℃，5秒；60℃，40秒(收集荧光))。为了建立PCR产物的熔解曲线，扩增反应结束后，按(95℃，10秒；60℃，60秒；95℃，15秒)；并从60℃缓慢加热到99℃(仪器自动进行-Ramp Rate为0.05℃/秒)。
实验结果如表4所示。喷磷酸和不喷磷酸两种堆肥系统的基因丰度变化趋势存在显著差异。在加本发明喷磷酸的肥堆中，16s rDNA的拷贝数为3.28×1010～16.89×1010/g样品。在不喷磷酸处理中，每克样品16s rDNA的拷贝数为0.95×1010～9.86×1010。结果表明，喷磷酸堆肥运行过程中产生的细菌数量较多，有机物的分解速度快于不喷磷酸处理。
表4、不喷磷酸和喷磷酸的两种堆肥系统不同温度期间16s rDNA的拷贝数
处理 不喷磷酸处理/平均值(/10<sup>10</sup>) 喷磷酸处理/平均值(/10<sup>10</sup>)
升温期 0.95 3.28
高温期 9.86 16.89
降温期 4.41 8.67
腐熟期 1.45 5.76
因此，通过喷淋稀磷酸堆体物料可以得到必要的稀酸补充，强化微生物生存环境酸碱度，有效保障堆体微生物活性，加快堆肥进程，缩短堆肥时间。

Claims (7)

1.一种快速堆肥的方法，包括如下步骤：将有机废弃物和腐熟菌剂混合后建堆，得到堆体；使所述堆体进行好氧发酵，当所述堆体pH值大于7.2时向堆体喷淋磷酸的水溶液，发酵完毕，即可；
所述磷酸的水溶液的浓度为0.5～1.5mol/L-1；
每次喷淋量为所述堆体的体积的0.2％～0.5％；
每次喷淋时间为3～10min；
每隔2～6h检测一次堆体pH值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法在喷淋期间和喷淋结束后的0.5～1个小时还包括保持堆体通风以使喷淋液下渗的步骤。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：使用膜式发酵系统向堆体喷淋稀磷酸；
所述膜式发酵系统包括稀酸喷淋单元；所述稀酸喷淋单元，包括pH计和喷淋装置；所述喷淋装置包括喷淋管和喷淋泵；
所述喷淋管平铺于所述堆体的表面。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述pH计置于所述堆体的内部；
所述喷淋装置还包括喷淋控制装置；所述喷淋控制装置被配置成自动读取所述pH计记录的堆体pH，当pH大于7.2时，开启所述喷淋泵；所述喷淋泵将稀酸泵入所述喷淋管进行喷淋；喷淋一定时间后，关闭喷淋泵。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：通过如下步骤为所述堆体提供好氧环境：检测所述堆体内部的氧气浓度，当氧气体积浓度小于13％时，为堆体曝气。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述曝气的强度为0.1～0.2m3/min；
每次曝气时间为20～30min；
每隔15～30min检测一次氧气浓度。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：使用膜式发酵系统为堆体曝气；
所述膜式发酵系统包括曝气单元；所述曝气单元包括溶氧电极和曝气装置；所述曝气装置包括曝气泵和曝气管；
所述溶氧电极置于所述堆体内部；
所述曝气管置于所述堆体内部；和/或，
所述曝气装置还包括曝气控制装置；所述曝气控制装置被配制为自动读取所述溶氧电极记录的氧气浓度，当氧气体积浓度小于13％时，开启曝气泵；所述曝气泵将空气泵入曝气管进行曝气，曝气一定时间后，关闭曝气泵。
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