CN1482105A

CN1482105A - 利用皂素废渣和废水发酵制备有机肥料的方法

Info

Publication number: CN1482105A
Application number: CNA031283691A
Authority: CN
Inventors: 缪礼鸿; 毛义华
Original assignee: Wuhan Polytechnic University
Current assignee: Wuhan Polytechnic University
Priority date: 2003-07-24
Filing date: 2003-07-24
Publication date: 2004-03-17

Abstract

本发明涉及利用薯蓣皂素工业生产中产生的皂素废渣和皂素废水生产有机肥料的方法。具体做法是：酸性皂素废水中预先加入生石灰进行中和，再与皂素废渣和麸皮、碳酸氢铵等辅料混合均匀，通过接种由高温放线菌、地衣芽孢杆菌等组成的混合菌株，经高温好氧堆肥发酵而制备成商品化有机肥料，该有机肥料经植物盆栽和大田试验证明肥效显著。

Description

利用皂素废渣和废水发酵制备有机肥料的方法

本发明属于有机肥料生产技术领域或环境污染治理技术领域，其具体涉及利用薯蓣皂素工业生产中产生的废渣和废水生产有机肥料的方法。

薯蓣属(Dioscorea L)植物中所含的薯蓣皂甙元是合成甾体激素类等药物的主要原料。薯蓣皂甙元的生产主要应用盾叶薯蓣(Dioscorea zingiberensisC.H.Wright)和穿龙薯蓣(Dioscorea nipponica Makino)等为原料(封玉贤等，天然产物研究与开发，1994)。盾叶薯蓣，又名黄姜，除含有2％左右的薯蓣皂甙元(以下简称皂素)外，还含有约40％的淀粉和50％的纤维素等成分(秦天才等，自然资源，1996)。多数皂素厂都采用酸水解法生产工艺，其生产工艺是：将薯蓣原料粉碎浸泡后任其自然发酵数天，加入强酸(硫酸或盐酸)加热水解后转入过滤池，滤除酸液(称之为头次皂素废水)，再加清水洗涤2次，过滤所排出的废水分别称之为二次皂素废水和三次皂素废水，然后收集滤渣，经烘干后滤渣(皂素水解物)用溶剂汽油提取获得皂素，并排出皂素废渣。整个皂素生产过程中所产生的主要废弃物为皂素废水和皂素废渣。其中高浓度皂素废水(包括头次皂素废水和二次皂素废水)和皂素废渣所造成的环境污染最为严重。

黄姜皂素废水主要成分

皂素废水	有机质(％)	还原糖(％)	总氮(％)	全磷(P₂O₅)(％)	全钾(K₂O)(％)	pH	COD(mg/L)
皂素废水	有机质(％)	还原糖(％)	总氮(％)	全磷(P₂O₅)(％)	全钾(K₂O)(％)	pH	COD(mg/L)	头次废水	11	3.4	0.29	0.119	0.087	0.45	105000
二次废水	6.2	2.0	0.13	0.055	0.051	1.0	60000	头次废水	11	3.4	0.29	0.119	0.087	0.45	105000

从资源利用方面讲，高浓度皂素废水中含有较高浓度的糖类和其他有机质成分、氮素和矿质元素等，具有一定的利用价值。有关文献资料报道表明，可以从高浓度皂素废水中提取葡萄糖(黄进等，农业工程学报，2001)或利用其中的糖类进行酒精发酵(中国专利.-CN1124776；黄姜皂素废水治理技术研讨会资料汇编，湖北省环保局，2003)，但都只是利用了废水中的还原糖，仍存在二次废水的再处理问题。相关的报道有酒精废水可用作酵母菌的培养基，用于单细胞蛋白的生产和酒精废水的辅助治理方法(吴松平，环境污染治理技术与设备，2001)；利用味精发酵废水培养酵母菌(黑亮等，环境科学，2002)和苏云金芽孢杆菌(杨建州，环境污染治理技术与设备，2002)都可以降低废水中氮素和COD的含量，但都存在设备投资大、运行成本高和二次废水的进一步处理等问题(石振清等，环境污染治理技术与设备，2001)，使得这些方法的应用受到了一定的局限性。

有机肥料不仅含有作物生长所需的氮、磷、钾等大量元素和多种微量元素，还具有改善土壤的水、肥、气、热条件等多种功能(中国有机肥料资源，农业出版社，1999)。陈世和(上海环境科学，1989)等研究表明，施用堆肥后，土壤全氮增加34.3％、碱解氮增加41.4％、速效磷增加186％、速效钾增加76％。Godbole(In Management and Utilization of Biogas PlantSlurry.Himanspublication，1988)报道，施用堆肥等有机肥可以明显提高当季和以后两季作物的氮素利用率。Sharma(Tech.Bull.，1991)研究证实，堆肥肥效比化肥低，但堆肥与化肥配合施用比化肥单独施用效果好。李艳霞，等。(生态学报，2002)研究了城市污泥堆肥生产草坪基质的应用效果，试验结果表明，城市污泥堆肥基质能明显提高黑麦草的地上和地下生物量和叶绿素含量，与不施肥和施化肥的对照相比，污泥堆肥还能提高草坪的质量。

实践证明，未经任何处理的薯蓣皂素废渣直接还田对作物有害，导致“烧苗”现象。CN1392120公开了一种将黄姜提取皂素后的残渣与适量的碱性物质进行中和后生产农用肥的方法。该法虽简单易行，但未经高温堆肥发酵，肥效不高，电未利用黄姜皂素废水。

本发明的目的在于：1、以薯蓣皂素生产过程中产生的皂素废渣和皂素废水为主要原料，经过高温堆肥发酵，生产有机肥料和有机-无机复混肥料，供植物生长利用。2、以皂素废渣吸收利用高浓度的皂素废水，生产有机肥料，实现皂素生产中废弃物的资源化利用，同时减少了高浓度废水的总量，使得皂素废水的治理难度和治理成本降低。

本发明的目的可通过以技术方案来实现：

一种利用薯蓣皂素生产中的有机废渣和废水发酵制备有机肥料的方法，其技术关键在于：

1、皂素废渣与辅料和添加剂混合均匀后，再加入经生石灰调至pH6-7.0的高浓度皂素废水(头次废水和二次废水)充分混合均匀，混合后的培养料pH值为6.5-8.0。干料与废水之比为1∶1.5至1∶2.5。皂素废渣中所加入的辅料和添加剂分别是占皂素渣重量5-20％(W/W)的草炭，1-5％(W/W)的麸皮，1-6％(W/W)的碳酸氢铵，1-4％(W/W)的尿素，1-6％(W/W)的过磷酸钙。皂素废水中加入生石灰(CaO含量大于85％)的量为3-7％(W/W)。

2、然后接入经扩培的由高温放线菌(Thermoactinomvces sp.)、微小毛霉(Mucor pusillus.)、固氮菌(Azotobacter sp.)、嗜热脂肪芽孢杆菌(Bacillusstearothermophilus)、地衣芽孢杆菌(Bacillus lichehiformis)、巨大芽孢杆菌(Bacillus megatherium)、硅酸盐细菌(Bacillus mucilaginosus)组成的混合菌株，接种量为0.1-0.5(W/W)，其中嗜温高温放线菌在混合菌种中的含量在50％(W/W)以上。菌种与培养料混合菌匀后进行堆肥发酵。

3、发酵温度为45-70℃，发酵时间为7-12天。每隔2-3天翻堆1次。

4、将发酵后的堆肥集中堆放1-3周，干燥至含水量20％以下，制成有机肥料产品。

5、本方法所述的薯蓣皂素废渣和废水包括用黄姜(盾叶薯蓣)和穿龙薯蓣为原料，通过硫酸或盐酸水解工艺提取皂素后所产生的废渣和废水。

用该法制备的有机肥料产品的特征是有机质含量高，富含植物所需的N、P、K和Ca、Mg等多种营养元素、有益微生物等成分。

本发明所具有的优点是：

1、可有效利用薯蓣皂素生产过程中产生的皂素废渣和废水，开发有机肥料资源，并消除皂素废渣、废水对环境的污染。实现废弃物的资源化利用。

2、高浓度薯蓣皂素废水中的各种营养成分获得了充分利用，无二次污染。

3、减少了高浓度薯蓣皂素废水的排放量，减轻了皂素废水对环境的污染。

4、制成的有机肥料和以本有机肥料为主要原料制成的有机-无机复混肥料及生物有机肥料可用于多种农作物的生产。

5、采用高温堆肥发酵方式，堆肥生产周期短，制成的有机肥料养分含量高。

6、生产工艺简单合理，所需投资少，生产成本低。

7、作为薯蓣皂素工业的一种废水、废渣治理和资源化利用方法，适宜在各薯蓣皂素生产企业推广应用。

以下结合实施例进一步详述本发明。

本发明的工艺流程图如下：

皂素废渣、废水有机肥料生产工艺流程

实施例1：参照工艺流程图，有机肥料生产工艺为：皂素废水中预先加入6％生石灰，搅拌均匀，调节pH至7.0。皂素渣中添加2.0％(W/W)的麸皮，14％(W/W)的草炭、3％(W/W)的碳酸氢铵、3％(W/W)的过磷酸钙混合均匀，再与中和至中性的皂素废水按料与水的比例为1∶2(W/W)的比例进行混合、搅拌均匀。然后接入以扩培的由50％高温放线菌，其余为高温曲霉和高温细菌、固氮菌等组成的混合菌种；接种量为0.1％(W/W)，培养料堆成条垛状，在室温下进行高温好氧堆肥发酵。整个发酵期分为主发酵和后发酵：主发酵10天，分别在接种后的第3、5、7天进行一次翻堆，维持堆料温度在45℃-65℃之间。主发酵结束后，堆肥温度开始下降，堆肥进入后发酵阶段，分开发酵的堆肥可集中在一起放置1-3周，经此阶段堆肥将进一步腐熟、物料的含水量下降至20％以下。经检测，发酵好的有机肥料中，有机质含量为52.5％，全氮含量为1.84％，全磷含量为1.66％，全钾含量为1.21％，总NPK养分含量为4.71％，水分含量为18.5％，各项指标均达到农业部有机肥料部颁标准NY525-2002。

应用实例1.以皂素废渣、废水有机肥料为主要原料生产有机-无机复混肥

将上述皂素废渣、废水发酵的有机肥料与无机肥料(尿素、磷铵、过磷酸钙和硫酸钾等粉碎后的混合物)按6∶4或1∶1的比例混合均匀，生产出的有机-.无机复混肥料的NPK总养分的含量大于15％，产品质量符合农业部有机-无机复混肥料部颁标准NY481-2002。

应用实例2：在小麦上使用皂素渣有机肥料和有机-无机复混肥料的效果

取未种植作物的生荒土分装于12个盆栽钵中，设4个处理(见表2)，每个处理3盆重复。肥料于小麦播种前一周施于土中。施肥标准为每盆施有机肥50克，或施有机-无机复混肥料15克，或施无机复混肥料10克，对照不施任何肥料。每盆播种相同粒数的小麦种子，于温室条件下进行盆栽，观察小麦苗期的生长情况。盆栽试验结果表明：与不施肥的对照相比，施有机肥料和有机-无机复混肥料的小麦叶色浓绿。苗期40天后比较不同处理的麦苗鲜重，施有机肥料和有机-无机复混肥料的处理较不施肥的对照麦苗鲜重分别增加64.6％和74.3％。与施无机复混肥料相比，它们之间无显著差异。此结果表明用废渣和废水生产的有机肥料和以该有机肥配制的有机-无机复混肥料能够明显地促进小麦苗期的生长，具有较好的肥效。

有机肥料和有机-无机复混肥料在小麦苗期的盆栽试验结果

处理	出苗	叶色	鲜重(克/盆)	比对照增加量(％)
处理	出苗	叶色	鲜重(克/盆)	比对照增加量(％)	不施肥(对照)	好	淡绿	3.93	-
有机肥料	好	浓绿	6.47	64.6％	不施肥(对照)	好	淡绿	3.93	-
有机肥料	好	浓绿	6.47	64.6％	有机-无机复混肥料	好	浓绿	6.85	74.3
无机复混肥料	较差	浓绿	6.50	65.4	有机-无机复混肥料	好	浓绿	6.85	74.3

应用实例3：油菜种植施肥

选用相同肥力的同一块地，进行油菜的肥料田间试验。皂素渣有机肥料和有机-无机复混肥料的每亩施肥量分别为200公斤和100公斤，观察油菜的生长情况并测定产量。试验结果表明，施用有机肥料和有机-无机复混肥料的油菜产量比不施肥的对照分别增加55％和48％，增产因素明显。

Claims

1、种用薯蓣属植物提取皂素后的废渣和废水为主要原料，经高温堆肥发酵制备有机肥料的方法，其特征在于：皂素废水中加入3-7％(W/W)的生石灰进行中和，然后与皂素废渣和辅料、添加剂混合均匀，所加入的辅料和添加剂分别是占皂素废渣重量5-20％(W/W)的草炭，1-5％(W/W)的麸皮，1-6％(W/W)的碳酸氢铵，1-4％(W/W)的尿素，1-6％(W/W)的过磷酸钙。通过接种人工选育的混合菌株，经过高温好氧堆肥发酵而成的有机肥料。

2、权利要求1所述的方法，其特征在于：皂素废渣、废水、生石灰、辅料、和添加剂混合后的培养料pH值为6.5-8.0。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：接入经扩培的由高温放线菌(Thermoactinomyces sp.)、微小毛霉(Mucorpusillus.)、固氮菌(Azotobactersp.)、嗜热脂肪芽孢杆菌(Bacillus stearothermophilus)、地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)、巨大芽孢杆菌(Bacillus megatherium)、硅酸盐细菌(Bacillus mucilaginosus)组成的混合菌株，接种量为0.1-0.5(W/W)，其中高温放线菌在混合菌种中的含量在50％(W/W)以上。菌种与培养料混合菌匀后进行堆肥发酵。

4、根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于：堆肥发酵温度为45-70℃，发酵时间为7-12天。

5、据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的皂素废渣包括盾叶薯蓣(又称黄姜)和穿龙薯蓣(Dioscorea nipponica Makino)提取皂素后的残渣。所述的废水包括采用H₂SO₄水解工艺和HCl水解工艺所产生的皂素废水。