CN115010537A - 一种农林废弃物的发酵处理工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种农林废弃物的发酵处理工艺，属于微生物发酵技术领域，包括以下步骤：(1)收集火龙果枝条，分段后加水破碎，得到破碎物料，调节pH至酸性，加入抗坏血酸和/或硫酸亚铁铵，再加入镁铝铜复合催化剂混合，保温搅拌得到第一产物；(2)收集果园杂草、废弃水果和/或果皮，破碎后与所述第一产物混合，得到发酵原料，加入发酵改良剂并分散，调节体系温度和pH后加入发酵菌剂并进行保温发酵，得到发酵产物；本发明先使果枝木质化的茎干充分分解后再与其它易腐熟组分进行发酵制得有机肥料，利用复合微生物的发酵作用，使所述农林废弃物得到资源化循环利用，大大提高了废弃资源的利用率和附加值。

Description

一种农林废弃物的发酵处理工艺
技术领域
本发明涉及微生物发酵技术领域，具体涉及一种农林废弃物的发酵处理工艺。
背景技术
农林废物主要包括农田和果园残留物，如秸秆、残株、杂草、落叶、果实外壳、藤蔓、树枝和其它废物。其含有多种可利用物质，是一种重要的生物质资源。
火龙果属于多年生的爬藤性多肉植物，没有其他果树的木质主杆和枝条，容易形成较大 的树冠，适当剪枝才能促进火龙果主枝的生长和壮大，由于火龙果植株生长迅速，萌芽分枝 能力强，生殖生长期长，营养生长和生殖生长矛盾突出，在火龙果定植后，剪枝并非一次工 作，而是每年都必须根据植株生长结果情况，合理调整枝条分布和诗养枝、挂果枝更替的一 项口常管理措施；因此火龙果园容易产生大量修剪果枝，一般是通过堆肥的方式回田。
由于火龙果长期生长于热带沙漠地区，其叶片已退化，光合作用功能由茎干承担，茎的 内部是大量饱含粘稠液体的薄壁细胞，有利于在雨季吸收尽可能多的水分，而果枝中心为木 质化的茎干，相比废弃水果和果皮，降解难度更大，发酵时间更长，难以被充分利用。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种农林废弃物的发酵处理工艺。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
一种农林废弃物的发酵处理工艺，包括以下步骤：
(1)前处理
收集火龙果枝条，分段后加水破碎，得到破碎物料，调节pH至酸性，加入抗坏血酸和/ 或硫酸亚铁铵，再加入镁铝铜复合催化剂混合，在40-50℃下保温搅拌反应12-24h，得到第 一产物；
(2)发酵处理
收集果园杂草、废弃水果和/或果皮，破碎后与所述第一产物混合，得到发酵原料，加入 发酵改良剂并分散，调节体系温度和pH后加入发酵菌剂并进行保温发酵，得到发酵产物。
优选的，所述火龙果枝条与水的质量比例在1：(2-6)。
优选的，所述破碎物料与所述抗坏血酸、所述硫酸亚铁铵、所述镁铝铜复合催化剂的质 量比例在(100-200)：(0-2)：(0-2)：1。
优选的，所述镁铝铜复合催化剂的制备方法包括以下步骤：
分别称取氯化镁、氯化铝和硝酸铜并溶解在去离子水中，得到溶液A，升温至60-70℃， 在搅拌条件下加入碳酸钠，再加入氢氧化钠溶液调节pH至9-10，保温搅拌反应48-72h，反 应完成后分离沉淀并以碳酸钠溶液洗涤，干燥后制得前体材料，将所述前体材料升温至460-500℃并保温热处理12-24h，制得所述镁铝铜复合催化剂；
其中，所述溶液A中所述氯化镁、氯化铝和硝酸铜的浓度分别在0.2-0.25mol/L、0.1-0.12mol/L、0.08-0.1mol/L，所述碳酸钠与所述溶液A中金属离子的摩尔比为1：(4-5)。
优选的，所述发酵改良剂与所述发酵原料的质量比在1：(50-200)。
优选的，所述发酵改良剂为多孔碳材料，所述发酵改良剂与所述发酵原料的质量比在1： (100-300)。
优选的，所述发酵改良剂的制备方法包括以下步骤：
S1、内核制备
称取硝酸钴并溶解在去离子水中，称取2-甲基咪唑并溶解在去离子水中，在搅拌条件下， 将硝酸钴溶液加入到2-甲基咪唑中，常温搅拌2-4h后，分离沉淀并以醇溶剂洗涤，干燥制得 产物A；其中，所述硝酸钴与所述2-甲基咪唑的质量比在1：(11-12)；
S2、包覆改性
将所述产物A分散在醇溶剂中，得到分散液，分别称取六氯环磷腈、4,4'-磺酰基二酚并 溶解在醇溶剂中，得到溶液B，在搅拌条件下，将所述溶液B缓慢加入到所述分散液中，搅 拌反应1-10min后，滴加三乙胺并继续搅拌反应16-20h，反应完成后分离沉淀并以醇溶剂洗 涤，干燥制得产物B；其中，所述产物A与所述六氯环磷腈、4,4'-磺酰基二酚的混合质量比 在10：(0.27-0.32)：(0.65-0.7)；
S3、高温碳化
在保护气氛下，将所述产物B以2-3℃/min的速率升温至800-900℃，保温热处理2-3h， 冷却产物以热的稀硫酸溶液洗涤，再以去离子水洗涤至中性，真空干燥制得。
优选的，所述发酵菌剂为EM菌剂或为解淀粉芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、乳酸菌、放线 菌和酵母菌的组合。
优选的，所述发酵菌剂与所述发酵原料的质量比在1：(100-300)。
本发明的另一目的在于提供一种发酵产物，所述发酵产物由所述发酵处理工艺制备得到。
本发明的有益效果为：
(1)本发明针对火龙果果园种植过程中的农林废弃物组成特点，利用复合微生物的发酵 作用，使所述农林废弃物得到完全的无害化处理，并使所述农林废弃物转化为优质的有机肥 料回田，提高火龙果园的土壤肥力，所述农林废弃物得到资源化循环利用，大大提高了废弃 资源的利用率和附加值，同时减少环境污染；本发明得到的有机肥的总养分含量和有机质含 量高于国内同类水平，且工艺简单易操作，具有明显的经济效益和重要的社会意义。
(2)本申请针对火龙果修剪果枝中心木质化的茎干降解难度大、发酵时间长、难以被充 分利用的问题，本发明通过构建还原条件下的复合金属氧化物催化体系对修剪果枝对前处理， 使其木质化的茎干充分分解后再与其它易腐熟组分进行发酵制得有机肥料，具体的，以多孔 的镁铝铜金属-金属氧化物复合材料为分解催化剂，在酸性和还原条件下对心木质化的茎干进 行初步的化学降解，以降低其发酵降解难度，促进发酵效率；进一步的，本发明还以多孔碳 材料为发酵改良剂，利用碳材料惰性多孔的特点，可以作为菌种发酵过程的载体，为各不同 菌种发酵提供局部稳定性环境，改善局部发酵环境，提高复合菌种发酵速率，更进一步的， 本发明以ZIF有机框架材料为核，以六氯环磷腈为磷源、以4,4'-磺酰基二酚为硫源，将六氯 环磷腈和4,4'-磺酰基二酚共聚在ZIF有机框架材料上，高温碳化后，ZIF有机框架材料分解 产气致孔，得到具有磷硫均匀掺杂的复合多孔碳材料，不仅提高其在发酵体系中的亲水性以 及与复合菌体的亲和性，同时促进碳材料的电子交换能力，增强了发酵菌之间的电子转移， 进一步促进有机物的发酵降解。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
一种农林废弃物的发酵处理工艺，包括以下步骤：
(1)前处理
收集火龙果枝条，分段后加水破碎，得到破碎物料，调节pH至6以下，加入抗坏血酸， 再加入镁铝铜复合催化剂混合，在40-50℃下保温搅拌反应12-24h，得到第一产物；
其中，所述火龙果枝条与水的质量比例在1：5；
所述破碎物料与所述抗坏血酸、所述镁铝铜复合催化剂的质量比例在100：(1.2)：1；
所述镁铝铜复合催化剂的制备方法包括以下步骤：
分别称取六水合氯化镁1.2mol、六水合氯化铝0.5mol和五水合硝酸铜0.3mol并溶解在 2L的去离子水中，得到溶液A，升温至60-70℃，在搅拌条件下加入碳酸钠(0.5mol，aq.， 3L)，再加入氢氧化钠溶液调节pH至9-10，保温搅拌反应60h，反应完成后分离沉淀并以 2mol/L的碳酸钠溶液洗涤，干燥后制得前体材料，将所述前体材料升温至480℃并保温热处 理12h，制得所述镁铝铜复合催化剂；
(2)发酵处理
收集果园杂草、废弃水果和果皮，破碎后与所述第一产物混合，得到发酵原料，调节体 系温度和pH后加入发酵菌剂并进行保温发酵，起始温度为25℃，每24h翻拌一次，4次后， 堆放陈化，得到发酵产物；
所述发酵改良剂与所述发酵原料的质量比在1：120；
所述发酵改良剂为商业化活性炭材料；
所述发酵菌剂为EM菌剂；
所述发酵菌剂与所述发酵原料的质量比在1：240。
在发酵的整个过程中，温度的变化总趋势一致，都是由迅速增温阶段、维持高温阶段和 缓慢降温阶段组成，本实施例中，以发酵物料在降温阶段降至35℃时作为发酵终点，其发酵 时间在23-24天，同时测定发酵终点时发酵产物中的水不溶物含量为12.4％。
实施例2
一种农林废弃物的发酵处理工艺，包括以下步骤：
(1)前处理
收集火龙果枝条(同实施例1)，分段后加水破碎，得到破碎物料，调节pH至6以下，加入硫酸亚铁铵，再加入镁铝铜复合催化剂混合，在40-50℃下保温搅拌反应12-24h，得到第一产物；
其中，所述火龙果枝条与水的质量比例在1：5；
所述破碎物料与所述硫酸亚铁铵、所述镁铝铜复合催化剂的质量比例在100：(1.2)：1；
所述镁铝铜复合催化剂的制备方法包括以下步骤：
分别称取六水合氯化镁1.2mol、六水合氯化铝0.5mol和五水合硝酸铜0.3mol并溶解在 2L的去离子水中，得到溶液A，升温至60-70℃，在搅拌条件下加入碳酸钠(0.5mol，aq.， 3L)，再加入氢氧化钠溶液调节pH至9-10，保温搅拌反应60h，反应完成后分离沉淀并以2mol/L的碳酸钠溶液洗涤，干燥后制得前体材料，将所述前体材料升温至480℃并保温热处 理12h，制得所述镁铝铜复合催化剂；
(2)发酵处理
收集果园杂草、废弃水果和果皮(同实施例1)，破碎后与所述第一产物混合，加入发酵 改良剂并分散，得到发酵原料，调节体系温度和pH后加入发酵菌剂并进行保温发酵，起始 温度为25℃，每24h翻拌一次，4次后，堆放陈化，得到发酵产物；
所述发酵改良剂与所述发酵原料的质量比在1：120；
所述发酵改良剂为所述发酵改良剂的制备方法包括以下步骤：
S1、内核制备
称取硝酸钴9g并溶解在60mL去离子水中，得到红色溶液，称取2-甲基咪唑100g并溶 解在400mL去离子水中，在搅拌条件下，将硝酸钴溶液加入到2-甲基咪唑中，常温搅拌2-4h 后，分离沉淀并以乙醇溶剂洗涤，干燥制得产物A；
S2、包覆改性
将所述产物A分散在500mL的甲醇溶剂中，得到分散液，分别称取六氯环磷腈3g、4,4'- 磺酰基二酚6.75g并溶解在150mL甲醇溶剂中，得到溶液B，在搅拌条件下，将所述溶液B缓慢加入到所述分散液中，搅拌反应1min后，滴加10mL的三乙胺溶液并继续搅拌反应20h，反应完成后分离沉淀并以醇溶剂洗涤，干燥制得产物B；
S3、高温碳化
在保护气氛下，将所述产物B以2-3℃/min的速率升温至850℃，保温热处理2-3h，冷 却产物以热的稀硫酸溶液(cH+＝1mol/L)洗涤，再以去离子水洗涤至中性，真空干燥制得；
所述发酵菌剂为EM菌剂；
所述发酵菌剂与所述发酵原料的质量比在1：240。
本实施例中，以发酵物料在降温阶段降至35℃时作为发酵终点，其发酵时间在20-21天， 同时测定发酵终点时发酵产物中的水不溶物含量为12.1％。
实施例3
一种农林废弃物的发酵处理工艺，同实施例2，区别在于，所述发酵菌剂为解淀粉芽孢 杆菌、枯草芽孢杆菌、乳酸菌、放线菌和酵母菌的组合，其活菌数量比为2：1.3：1：1.5：2。
本实施例中，以发酵物料在降温阶段降至35℃时作为发酵终点，其发酵时间在20-21天， 同时测定发酵终点时发酵产物中的水不溶物含量为11.5％。
实施例4
一种农林废弃物的发酵处理工艺，包括以下步骤：
收集火龙果枝条、果园杂草、废弃水果和果皮(同实施例1)，破碎后得到发酵原料，调 节体系温度和pH后加入发酵菌剂并进行保温发酵，起始温度为25℃，每24h翻拌一次，4次后，堆放陈化，得到发酵产物；
所述发酵菌剂为EM菌剂；
所述发酵菌剂与所述发酵原料的质量比在1：240。
本实施例中，以发酵物料在降温阶段降至35℃时作为发酵终点，其发酵时间在30-31天， 同时测定发酵终点时发酵产物中的水不溶物含量为19.2％。
实施例5
一种农林废弃物的发酵处理工艺，同实施例2，区别在于，所述抗坏血酸替换为硫酸亚 铁铵。
本实施例中，以发酵物料在降温阶段降至35℃时作为发酵终点，其发酵时间在23-24天， 同时测定发酵终点时发酵产物中的水不溶物含量为12.2％。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围 的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解， 可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种农林废弃物的发酵处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(1)前处理
收集火龙果枝条，分段后加水破碎，得到破碎物料，调节pH至酸性，加入抗坏血酸和/或硫酸亚铁铵，再加入镁铝铜复合催化剂混合，在40-50℃下保温搅拌反应12-24h，得到第一产物；
(2)发酵处理
收集果园杂草、废弃水果和/或果皮，破碎后与所述第一产物混合，得到发酵原料，加入发酵改良剂并分散，调节体系温度和pH后加入发酵菌剂并进行保温发酵，得到发酵产物。
2.根据权利要求1所述的一种农林废弃物的发酵处理工艺，其特征在于，所述火龙果枝条与水的质量比例在1：(2-6)。
3.根据权利要求1所述的一种农林废弃物的发酵处理工艺，其特征在于，所述破碎物料与所述抗坏血酸、所述硫酸亚铁铵、所述镁铝铜复合催化剂的质量比例在(100-200)：(0-2)：(0-2)：1。
4.根据权利要求1所述的一种农林废弃物的发酵处理工艺，其特征在于，所述镁铝铜复合催化剂的制备方法包括以下步骤：
分别称取氯化镁、氯化铝和硝酸铜并溶解在去离子水中，得到溶液A，升温至60-70℃，在搅拌条件下加入碳酸钠，再加入氢氧化钠溶液调节pH至9-10，保温搅拌反应48-72h，反应完成后分离沉淀并以碳酸钠溶液洗涤，干燥后制得前体材料，将所述前体材料升温至460-500℃并保温热处理12-24h，制得所述镁铝铜复合催化剂；
其中，所述溶液A中所述氯化镁、氯化铝和硝酸铜的浓度分别在0.2-0.25mol/L、0.1-0.12mol/L、0.08-0.1mol/L，所述碳酸钠与所述溶液A中金属离子的摩尔比为1：(4-5)。
5.根据权利要求1所述的一种农林废弃物的发酵处理工艺，其特征在于，所述发酵改良剂与所述发酵原料的质量比在1：(50-200)。
6.根据权利要求1所述的一种农林废弃物的发酵处理工艺，其特征在于，所述发酵改良剂为多孔碳材料，所述发酵改良剂与所述发酵原料的质量比在1：(100-300)。
7.根据权利要求1所述的一种农林废弃物的发酵处理工艺，其特征在于，所述发酵改良剂的制备方法包括以下步骤：
S1、内核制备
称取硝酸钴并溶解在去离子水中，称取2-甲基咪唑并溶解在去离子水中，在搅拌条件下，将硝酸钴溶液加入到2-甲基咪唑中，常温搅拌2-4h后，分离沉淀并以醇溶剂洗涤，干燥制得产物A；其中，所述硝酸钴与所述2-甲基咪唑的质量比在1：(11-12)；
S2、包覆改性
将所述产物A分散在醇溶剂中，得到分散液，分别称取六氯环磷腈、4,4'-磺酰基二酚并溶解在醇溶剂中，得到溶液B，在搅拌条件下，将所述溶液B缓慢加入到所述分散液中，搅拌反应1-10min后，滴加三乙胺并继续搅拌反应16-20h，反应完成后分离沉淀并以醇溶剂洗涤，干燥制得产物B；其中，所述产物A与所述六氯环磷腈、4,4'-磺酰基二酚的混合质量比在10：(0.27-0.32)：(0.65-0.7)；
S3、高温碳化
在保护气氛下，将所述产物B以2-3℃/min的速率升温至800-900℃，保温热处理2-3h，冷却产物以热的稀硫酸溶液洗涤，再以去离子水洗涤至中性，真空干燥制得。
8.根据权利要求1所述的一种农林废弃物的发酵处理工艺，其特征在于，所述发酵菌剂为EM菌剂或为解淀粉芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、乳酸菌、放线菌和酵母菌的组合。
9.根据权利要求1所述的一种农林废弃物的发酵处理工艺，其特征在于，所述发酵菌剂与所述发酵原料的质量比在1：(100-300)。
10.根据权利要求1-9之一所述的农林废弃物的发酵处理工艺制备得到的发酵产物。
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