CN114940635A - 一种有机固废半透膜发酵减排温室气体和制备微生物肥料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种有机固废半透膜发酵减排温室气体和制备微生物肥料的方法，属于有机固废处理技术领域。包括如下步骤：（1）畜禽养殖废水调节碳氮比后，接入腐熟菌好氧培养，得到固废发酵接种菌剂；（2）将畜禽粪便与辅料混合，得到发酵物料；（3）在发酵物料中接入所述固废发酵接种菌剂，覆盖半透膜，进行高温好氧发酵，得到初级发酵产物；（4）所述初级发酵产物陈化处理后，进行细化，得到有机肥基质；（5）向所述有机肥基质中接入植物促生菌，得到微生物肥料。本发明实现了发酵过程中温室气体N2O和CH4减排，加速了发酵物料的腐殖化进程、缩短了发酵周期，制备得到了一种微生物肥料。
Description
技术领域
本发明涉及有机固废处理技术领域，尤其涉及一种有机固废半透膜发酵减排温室气体和制备微生物肥料的方法。
背景技术
随着我国规模化养殖业的迅速发展，畜禽粪便产生量激增。畜禽粪便中含有大量的病原体、致病菌、寄生虫等，未经处理的畜禽粪便会对环境造成污染甚至危害人类健康。尽管发酵是一种成熟的畜禽粪便资源化技术，但发酵过程仍存在诸多问题，例如发酵过程中会释放大量的温室气体，包括N2O和CH4，因此发酵也已经成为全球温室气体的重要排放热区。然而，我国政府提出在2030年实现碳达峰，2060年前实现碳中和。因此如果能够开发出高效化、无害化、低排放的畜禽粪便发酵手段，就可以缓解中国当前畜禽粪便有效利用率低以及发酵造成的温室气体排放问题。
发酵过程中温室气体的排放不仅导致了物料中严重的碳氮损失，降低了发酵产品的价值，而且释放到大气中的温室气体也加剧了当前的温室效应。好氧发酵过程中，气体排放造成的物质损失可能占原始物料中初始N和C的7%~52%和67%，其中CH4约占0.1%~0.6%，N2O排放约占初始N的0.1%~6%，根据IPCC2007中的方法，将温室气体排放量按照全球增温潜势换算成CO2排放当量，发酵过程约排放了68~759g/kg当量CO2。
先前的研究已经报道过一些在减少发酵温室气体排放方面的一些实践，主要包括两种途径，一是调节发酵的运行参数，如温度、通气量、含水量，pH，C/N等，其次是添加外源添加剂，如生物炭，沸石、膨润土和微生物接种剂等，虽然这些尝试都取得了不同程度的减排效果，但是大多工作是基于实验室规模的尝试，且由于操作成本或工程实用性的限制，一些减排策略仍难以广泛的规模化应用。
因此，发展更高效且低排放的畜禽粪便资源化技术，可以缓解当前畜禽粪便有效利用率低以及温室气体排放问题，不仅能够促进养殖业的可持续发展，推动生物质废弃物的资源化利用，同时助力中国碳达峰与碳中和。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供了一种有机固废半透膜发酵减排温室气体和制备微生物肥料的方法，包括如下步骤：
（1）畜禽养殖废水调解碳氮比后，接入腐熟菌好氧培养，得到固废发酵接种菌剂；
（2）将畜禽粪便与辅料混合，得到发酵物料；
（3）在发酵物料中接入所述固废发酵接种菌剂，覆盖半透膜，进行高温好氧发酵，得到初级发酵产物；
（4）所述初级发酵产物陈化处理后，进行细化，得到有机肥基质；
（5）向所述有机肥基质中接入植物促生菌，得到微生物肥料。
优选的，所述畜禽养殖废水的COD浓度为30~60g/L，用餐厨垃圾调节所述畜禽养殖废水的碳氮比为15:1~30:1。
优选的，所述腐熟菌为地衣芽孢杆菌和/或枯草芽孢杆菌；所述腐熟菌为地衣芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌时，二者的有效活菌数之比为0.5~1.5:0.5~1.5；所述腐熟菌的接种量为畜禽养殖废水体积的2%~5%。
优选的，所述发酵腐熟的温度为30~35℃，时间为24~48h。
优选的，所述辅料包括蘑菇渣、稻壳、沼渣和秸秆中的一种或几种；所述辅料的粒径为8~12mm；所述主料与辅料按照碳氮比为20~30混合得到发酵物料，所述发酵物料的水量为50%~60%。
优选的，步骤（3）中所述固废发酵接种菌剂的接种量为10~50L/t。
优选的，所述好氧发酵的曝气量为0.08~0.12 m3/ (m3 min)；所述高温好氧发酵的第1~3天升温至80℃以上，然后在70~85℃维持10~15天，之后让温度自然下降至40~50℃；控制总发酵时间为20~25天。
优选的，所述陈化处理后初级发酵产物的含水量低于30%；所述细化的粒度小于2mm。
优选的，所述植物促生菌为枯草芽孢杆菌和解淀粉芽孢杆菌，所述枯草芽孢杆菌和解淀粉芽孢杆菌的有效活菌数之比为0.5~1.5:0.5~1.5；所述植物促生菌的接种量大于0.5亿CFU/g。
本发明还提供了一种所述的方法制备的微生物肥料。
本发明提供的有机固废半透膜发酵方法，以畜禽粪便为主料，以蘑菇渣、稻壳、沼渣、秸秆等生物质废弃物为辅料，通过接种耐高温腐熟菌、覆盖半透膜，进行高温好氧发酵，不仅实现了农业废弃物的资源化利用，还实现了发酵过程中温室气体N2O和CH4减排，加速发酵物料的腐殖化进程、缩短发酵周期，制备得到了一种微生物肥料。同时本发明的方法具有成本低，操作简便的优势，有利于推广和应用，以解决现有技术中存在的问题。
附图说明
图1为实施例1中半透膜高温好氧发酵系统结构示意图，其中：1为发酵槽；2为有机固废发酵基质；3为曝气管道；4为半透膜；5为半透膜固定及密封轴；6为送风管道；7为智能曝气机；
图2为实施例1中半透膜高温好氧发酵和传统发酵的温度变化曲线；
图3为实施例1中半透膜高温好氧发酵和传统发酵过程中CH4排放速率的变化；
图4为实施例1中半透膜高温好氧发酵和传统发酵过程中N2O排放速率的变化。
保藏说明
枯草芽孢杆菌SZX11，拉丁文为Bacillus subtilis，该菌株保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，地址：北京市朝阳区大屯路，中国科学院微生物研究所，保藏日期为：2013年9月16日，保藏编号为：CGMCC No.8188。
地衣芽孢杆菌B4，拉丁文为Bacillus licheniformis，该菌株保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，地址：北京市朝阳区大屯路，中国科学院微生物研究所，保藏日期为：2012年10月15日，保藏编号为：CGMCC No.6677。
解淀粉芽孢杆菌A3，拉丁文为Bacillus amyloliquefaciens，该菌株保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，地址：北京市朝阳区大屯路，中国科学院微生物研究所，保藏日期为：2012年10月15日，保藏编号为：CGMCC No.6676。
枯草芽孢杆菌TL3，拉丁文为Bacillus subtilis，该菌株保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，地址：北京市朝阳区大屯路，中国科学院微生物研究所，保藏日期为：2008年10月13日，保藏编号为：CGMCC No.2698。
具体实施方式
本发明提供了一种有机固废半透膜发酵减排温室气体和制备微生物肥料的方法，包括如下步骤：
（1）畜禽养殖废水调解碳氮比后，接入腐熟菌好氧培养，得到固废发酵接种菌剂；
（2）将畜禽粪便与辅料混合，得到发酵物料；
（3）在有机固废中接入所述固废发酵接种菌剂，覆盖半透膜，进行高温好氧发酵，得到初级发酵产物；
（4）所述初级发酵产物陈化处理后，进行细化，得到有机肥基质；
（5）向所述有机肥基质中接入植物促生菌，得到微生物肥料。
本发明将畜禽养殖废水与餐厨垃圾混合调节碳氮比，接入腐熟菌好氧培养，得到固废发酵接种菌剂。
在本发明中，所述畜禽养殖废水的优选的COD优选为30~60g/L，进一步优选为50g/L。
在本发明中，优选采用自来水调节畜禽养殖废水的COD浓度。
在本发明中，优先用餐厨垃圾调解畜禽养殖废水的碳氮比为15:1~30:1，进一步优选为20:1。
在本发明中，所述腐熟菌优选为地衣芽孢杆菌和/或枯草芽孢杆菌，进一步优选为地衣芽孢杆菌B4和枯草芽孢杆菌SZX11。
在本发明中，所述地衣芽孢杆菌B4，拉丁文为Bacillus licheniformis，该菌株保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，地址：北京市朝阳区大屯路，中国科学院微生物研究所，保藏日期为：2012年10月15日，保藏编号为：CGMCC No.6677。
在本发明中，所述枯草芽孢杆菌SZX11，拉丁文为Bacillus subtilis，该菌株保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，地址：北京市朝阳区大屯路，中国科学院微生物研究所，保藏日期为：2013年9月16日，保藏编号为：CGMCC No.8188。
在本发明中，所述腐熟菌优选为地衣芽孢杆菌B4和枯草芽孢杆菌SZX11时，二者的有效活菌数比例优选为0.5~1.5:0.5~1.5，进一步优选为1:1。
在本发明中，所述腐熟菌的接种量优选为畜禽养殖废水体积的2% ~ 5%，进一步优选为3%。
在本发明中，所述腐熟菌在畜禽养殖废水温度降低至40~50℃时接入，进一步优选为温度降低至45℃时接入。
在本发明中，所述发酵腐熟的温度优选为30~35℃，进一步优选为30℃；所述发酵腐熟的时间优选为24~48h，进一步优选为48h。
在本发明中，所述固废发酵接种菌剂中有效活菌数优选大于2亿CFU/mL。
本发明将畜禽粪便与辅料混合，得到发酵物料。
在本发明中，所述畜禽粪便的含水量优选在85%以下。
在本发明中，所述辅料优选包括蘑菇渣、稻壳、沼渣和秸秆中的一种或几种，进一步优选为蘑菇渣、稻壳和秸秆。
在本发明中，所述辅料的粒径优选为8~12mm，进一步优选为10mm。
在本发明中，所述主料与辅料混合后的发酵物料的碳氮比优选为20~30。进一步优选为25。
在本发明中，所述主料与辅料混合后的发酵物料的含水量优选为50%~60%，进一步优选为55%。
在本发明中，所述发酵物料保持疏松透气。
本发明在发酵物料中接入所述固废发酵接种菌剂，覆盖半透膜，进行高温好氧发酵，得到初级发酵产物。
在本发明中，所述固废发酵接种菌剂的接种量优选为10~50L/t，进一步优选为30L/t。
在本发明中，所述固废发酵接种菌剂优选喷洒到发酵物料中。
在本发明中，所述高温好氧发酵优选在发酵槽中进行。
在本发明中，所述发酵槽的高为1.6米、宽为6米、长为40米。
在本发明中，所述发酵槽底部优选铺设三条曝气管道，曝气管道长度与发酵槽长度相等，管道上均匀分布着通风的孔，以便向堆体内进行曝气，提高好氧发酵过程中所需的氧气。
在本发明中，所述曝气管道的管径优选为90mm，管道间隔为1.5m。
在本发明中，曝气管道外侧连接强制通风装置，通过曝气管道向发酵槽内连续进行通风曝气。
在本发明中，好氧发酵的曝气量优选为0.08~0.12 m3/ (m3 min)（表示每立方米的发酵物料每分钟需要曝气0.08~0.12 m3），进一步优选为0.10 m3/ (m3 min)。
在本发明中，进行好氧发酵时，在发酵槽上方用半透膜覆盖，半透膜的四周进行密封固定，使发酵槽形成密封环境。
在本发明中，所述高温好氧发酵的第1~3天优选升温至80℃以上，进一步优选在高温好氧发酵第3天升温至83℃；然后在70~85℃维持10~15天，进一步优选为维持12天，之后优选让发酵温度自然下降至40~50℃，进一步优选自然下降至45℃。
在本发明中，总发酵时间优选为20~25天，进一步优选为24天。
本发明将所述初级发酵产物陈化处理后，进行细化，得到有机肥基质。
在本发明中，所述陈化是发酵结束后将发酵槽内的发酵物料移至陈化车间进行二次自然堆置发酵，使堆肥的温度自然下降，稳定在环境温度时，堆肥腐熟，陈化周期优选为10-15天，进一步优选为15天。
在本发明中，所述陈化处理后初级发酵产物的含水量优选低于30%。
在本发明中，所述细化的粒度优选小于2mm。优选对粒径大于2mm的物料进行粉碎，直至所有物料的粒度小于2mm。
本发明向所述有机肥基质中接入植物促生菌，得到微生物肥料。
在本发明中，所述植物促生菌为枯草芽孢杆菌TL3和解淀粉芽孢杆菌A3。
在本发明中，所述枯草芽孢杆菌TL3，拉丁文为Bacillus subtilis，该菌株保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，地址：北京市朝阳区大屯路，中国科学院微生物研究所，保藏日期为：2008年10月13日，保藏编号为：CGMCC No.2698。
在本发明中，所述解淀粉芽孢杆菌A3，拉丁文为Bacillus amyloliquefaciens，该菌株保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，地址：北京市朝阳区大屯路，中国科学院微生物研究所，保藏日期为：2012年10月15日，保藏编号为：CGMCC No.6676。
在本发明中，所述枯草芽孢杆菌TL3和解淀粉芽孢杆菌A3的有效活菌数之比优选为0.5~1.5:0.5~1.5，进一步优选为1:1。
在本发明中，所述枯草芽孢杆菌TL3和解淀粉芽孢杆菌A3优选为固体菌粉。
在本发明中，所述固体菌粉所含有效活菌数独立的为100亿CFU/g。
在本发明中，所述植物促生菌的接种量优选大于0.5亿CFU/g。
本发明还提供了一种微生物肥料，所述微生物肥料无臭味或有泥土味，含水量小于30%，有机质含量大于20%，总养分（N+P2O5+K2O）大于8%。
下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，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
收集畜禽养殖废水和餐厨垃圾，用餐厨垃圾将畜禽养殖废水的碳氮比调节为20:1，用自来水将畜禽养殖废水的COD调节至50g/L，作为液体培养基，装入发酵罐中，接入液体培养基体积比2%的地衣芽孢杆菌B4和枯草芽孢杆菌SZX11培养液，其中地衣芽孢杆菌B4和枯草芽孢杆菌SZX11的有效活菌数之比为1:1。于30℃温度环境下，通入无菌空气培养48小时，得到固废发酵接种菌剂，检测其有效活菌数大于20亿CFU/mL，备用。
收集含水量在85%以下的鸡粪作为主料，将晾干的蘑菇渣、稻壳、秸秆粉碎成10mm作为辅料，将主料和辅料按照碳氮比25混合，得到发酵物料。其中发酵物料的含水量为60%，保持疏松透气。在发酵物料中按照30 L/t喷洒固废发酵接种菌剂，混合均匀，得到混合发酵物料。
将混合发酵物料移入高1.6米、宽6米、长40米发酵槽，发酵槽底部预先铺设了三条曝气管道，曝气管道长度与发酵槽长度相等，管径为90 mm，管道间隔为1.5 m，管道上均匀分布着通风的小孔，以便向堆体内进行曝气。混合发酵物料的堆体建成后，发酵槽上方采用半透膜进行覆盖，膜的四周进行密封固定，促使槽内形成一个密闭的环境。另外设有强制通风装置，通过曝气管道向堆体内连续进行通风曝气，曝气量为0.10 m3/ (m3 min)。半透膜高温好氧发酵系统结构示意图如图1所示。1为发酵槽；2为混合发酵物料；3为曝气管道；4为半透膜；5为半透膜固定及密封轴；6为送风管道；7为智能曝气机。发酵期间控制发酵第1~3天的发酵温度升温至80℃，然后维持70~85℃的发酵温度12天，之后使发酵温度自然下降，控制总发酵时间为24天，此时发酵温度降低至50℃以下，发酵结束，得到初级发酵产物。
发酵过程中，每天监测发酵温度的变化，结果如图2所示。从图2中可以看出，发酵第1~3天发酵温度迅速上升，到第3天温度达到82℃，之后的12天内温度维持在70~85℃之间，为高温发酵阶段。第15天之后，发酵温度开始下降，直至发酵结束，温度下降至42℃。
发酵过程中，还在半透膜高温好氧发酵系统安装温室气体静态采集装置，用于监测温室气体N2O和CH4。温室气体静态采集装置上设有气体采样口，在发酵过程中用于发酵产生的温室气体进行采集。收集的气体样品装入气体采样袋中并尽快使用气相色谱仪对N2O和CH4的浓度进行测定，由此计算发酵过程中N2O和CH4的排放通量。结果如图3和图4所示。与传统槽式好氧发酵方式相比，本实施例中的半透膜高温好氧发酵的主要区别是覆盖了半透膜系统，半透膜高温好氧发酵减少了物料生物转化过程中N2O和CH4的排放，特别是高温阶段N2O和CH4的日均排放通量分别减少了79%和45%。
实施例2
将实施例1制备的初级发酵产物降至常温（25℃），进行陈化处理，即将发酵物料移至陈化车间进行二次发酵，堆肥的温度自然下降，稳定在环境温度时，堆肥腐熟，陈化周期为15天。物料的含水量降低至30%以下，然后进行筛分细化，筛出颗粒小于2mm的颗粒备用，将颗粒大于2mm的颗粒粉碎直至所有物料的粒径小于2mm，得到颗粒均匀的有机肥基质。然后再有机肥基质中接入由枯草芽孢杆菌TL3和解淀粉芽孢杆菌A3组成的植物促生菌，两种菌的固体菌粉中有效活菌数为100亿CFU/g，接种量为0.5亿CFU/g。混合均匀后，即得到微生物肥料。所得微生物肥料物料松散，无臭味或有泥土味，含水量小于30%，有机质含量大于20%，总养分（N+P2O5+K2O）大于8%。各项指标满足微生物肥料标准（NYT 798-2015）要求。
通过以上实施例可知，通过接种耐高温腐熟菌（枯草芽孢杆菌SZX11和地衣芽孢杆菌B4），并覆盖半透膜、安装曝气管，进行高温好氧发酵，将畜禽粪便、蘑菇渣、稻壳、秸秆等有机固废快速腐熟，发酵物料的温度比传统发酵提升10℃以上，加速无害化进程。在接种植物促生菌（枯草芽孢杆菌TL3和解淀粉芽孢杆菌A3），生产兼有促进植物生长和防治植物病害功能的优质微生物肥料，能够实现资源的有效利用，减少环境污染，1、降低肥料生产成本，具有广泛的地域和气候条件适应性。另外该高温发酵系统能够常年快速高效的处理农业废弃物，产能高且稳定。
相比于传统的发酵方法，本发明采用的半透膜高温好氧发酵能够有效的减少温室气体N2O和CH4的排放，高温阶段N2O和CH4的日均排放通量分别减少了79%和45%，由此减少堆体物料的养分流失，并缓解了由发酵造成的环境污染。同时，半透膜内能够形成一个微高压的内环境，促使堆体内供氧均匀充分，可为微生物繁殖提供良好的生长环境，促进有机废弃物腐殖化；另外半透膜具有保湿保温的作用，有助于促进堆体内的高温的形成，从而加速腐殖化进程，同时高温也会促进发酵中抗生素的消解，抗性基因的丰度降低了89%以上，从而减少抗性基因的转移风险。
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)
1.一种有机固废半透膜发酵减排温室气体和制备微生物肥料的方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）畜禽养殖废水调解碳氮比后，接入腐熟菌好氧培养，得到固废发酵接种菌剂；
（2）将畜禽粪便与辅料混合，得到发酵物料；
（3）在发酵物料中接入所述固废发酵接种菌剂，覆盖半透膜，进行高温好氧发酵，得到初级发酵产物；
（4）所述初级发酵产物陈化处理后，进行细化，得到有机肥基质；
（5）向所述有机肥基质中接入植物促生菌，得到微生物肥料。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述畜禽养殖废水的COD浓度为30~60g/L，用餐厨垃圾调节所述畜禽养殖废水的碳氮比为15:1~30:1。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述腐熟菌为地衣芽孢杆菌和/或枯草芽孢杆菌；所述腐熟菌为地衣芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌时，二者的有效活菌数之比为0.5~1.5 :0.5~1.5；所述腐熟菌的接种量为畜禽养殖废水体积的2%~5%。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述发酵腐熟的温度为30~35℃，时间为24~48 h。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述辅料包括蘑菇渣、稻壳、沼渣和秸秆中的一种或几种；所述辅料的粒径为8~12 mm；所述主料与辅料按照碳氮比为20~30混合得到发酵物料，所述发酵物料的含水量为50%~65%。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤（3）中所述固废发酵接种菌剂的接种量为10~50 L/t。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述高温好氧发酵的曝气量为0.08~0.12 m3/(m3 min)；所述高温好氧发酵的第1~3天升温至80℃以上，然后在70~85℃维持10~15天，之后让温度自然下降至40~50℃；控制总发酵时间为20~25天。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述陈化处理后初级发酵产物的含水量低于30%；所述细化的粒度小于2mm。
9.如权利要求1~8任一项所述的方法，其特征在于，所述植物促生菌为枯草芽孢杆菌和解淀粉芽孢杆菌，所述枯草芽孢杆菌和解淀粉芽孢杆菌的有效活菌数之比为0.5~1.5:0.5~1.5；所述植物促生菌的接种量大于0.5亿CFU/g。
10.一种权利要求1~9任一项所述的方法制备的微生物肥料。
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