申請日2013.12.10
公開(公告)日2014.04.02
IPC分類號C05F15/00; C05F17/00
摘要
本發(fā)明涉及一種污泥超高溫好氧發(fā)酵方法及其應(yīng)用。包括以下步驟：1)以污泥為原料，與發(fā)酵腐熟物料混合攪拌，并添加發(fā)酵起爆劑;2)將步驟1)中得到物料進(jìn)行好氧發(fā)酵;3)將步驟2)中得到的物料進(jìn)行靜態(tài)發(fā)酵，得到完全腐熟物料。本發(fā)明的發(fā)酵方法升溫快，發(fā)酵溫度高，高溫持續(xù)時間長，能有效殺滅城市污泥中的病原菌、雜草種子;有機(jī)物分解快，發(fā)酵周期短，大大提高城市污泥處理效率;專利高溫嗜熱菌對臭氣成分分解率高，完全避免惡臭污染;投資與運(yùn)行成本降低15%以上，適于大規(guī)模推廣。
權(quán)利要求書
1.一種污泥超高溫好氧發(fā)酵方法，包括以下步驟：
1)以污泥為原料，與發(fā)酵腐熟物料混合攪拌，并添加發(fā)酵起爆 劑;
2)將步驟1)中得到物料進(jìn)行好氧發(fā)酵;
3)將步驟2)中得到的物料進(jìn)行靜態(tài)發(fā)酵，得到完全腐熟物料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述發(fā)酵起爆劑， 包括以下A和B兩組微生物菌劑制成：
A組：甲基營養(yǎng)型芽孢桿菌(Bacillus methylotrophicus)UTM401 CGMCC No.5927，厭氧芽孢桿菌(Anoxybacillus mongoliensis)UTM 501CGMCC No.5928，厭氧芽孢桿菌(Anoxybacillus pushchinoensis) UTM601CGMCC No.5929，極端嗜熱菌(Calditerricola yamamurae) UTM801CGMCC No.6185中的一種或幾種;
B組：地芽孢桿菌(Geobacillus sp.)UTM01CGMCC No.5641， 地芽孢桿菌(Geobacillus sp.)UTM02CGMCC No.5642，芽孢桿菌 (Bacillus sp.)UTM03CGMCC No.5643中的一種或幾種。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述發(fā)酵起爆劑 還包括助料，所述助料為氯化亞鐵、硫酸鎂、硝酸鈉和石灰，其中 氯化亞鐵：硫酸鎂：硝酸鈉：石灰重量比為0.05～0.15：0.01～0.03： 0.02～0.05：0.05～0.15。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述發(fā)酵起 爆劑的制備方法，包括以下步驟：
(1)菌種的活化：將菌株斜面轉(zhuǎn)接至活化培養(yǎng)基平板上，培養(yǎng) 至豐厚;
(2)發(fā)酵種子液制備：將步驟(1)中的菌種擴(kuò)大培養(yǎng);
(3)發(fā)酵起爆劑制備：選擇主料與輔料及調(diào)理劑混合，然后分 別接種步驟(2)中的發(fā)酵種子液，將物料風(fēng)干過篩后添加助料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述發(fā) 酵起爆劑的添加量為混合物料的1-1.5w%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟1)中污泥 與發(fā)酵腐熟物料的配比為1:1-1:2。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟2)中所述 好氧發(fā)酵中經(jīng)過3-6次翻堆，物料水分降至30-40%，發(fā)酵周期10-20 天。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟3)中所述 靜態(tài)發(fā)酵時間12-15天，完全腐熟物料的含水率在30%以下。
9.權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述方法在有機(jī)固廢堆肥中的應(yīng)用。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的應(yīng)用，其特征在于，所述有機(jī)固廢 為城市污泥、畜禽糞便、農(nóng)作物秸稈、生活垃圾、園林枯枝落葉中 的一種或幾種。
說明書
一種污泥超高溫好氧發(fā)酵方法及其應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及有機(jī)固廢棄物資源化利用技術(shù)領(lǐng)域，具體地涉及一種 污泥超高溫好氧發(fā)酵方法及其應(yīng)用。
背景技術(shù)
隨著我國污水處理事業(yè)的快速發(fā)展，城市污水處理廠的污泥產(chǎn) 生量也越來越大，污泥的安全處置已成為當(dāng)今城市環(huán)境保護(hù)亟需解 決的難題。污泥有機(jī)質(zhì)含量高、含水率大、易腐敗產(chǎn)生惡臭、滋生 蚊蠅，傳播病原菌等，如不妥善處置將造成極大的環(huán)境污染�，F(xiàn)行 的污泥處置方式主要有：填埋、焚燒、農(nóng)業(yè)利用等。污泥填埋占用 大量的填埋場資源，易引發(fā)潰壩和地下水污染的風(fēng)險;污泥焚燒則 因?yàn)橥顿Y運(yùn)行成本巨大，產(chǎn)生的焚燒廢氣和焚燒灰難以處理，均無 法作為污泥的主要處置方法大規(guī)模推廣應(yīng)用�；谔幹觅M(fèi)用和廢物 資源化角度考慮，農(nóng)業(yè)利用被認(rèn)為是最具吸引力的、可持續(xù)的污泥 處置方法。
傳統(tǒng)的污泥農(nóng)業(yè)利用主要通過好氧發(fā)酵方式殺滅污泥中的病原 菌和雜草種子、鈍化重金屬、降解有毒有害污染物，從而解決污泥 農(nóng)業(yè)利用的安全問題。但由于傳統(tǒng)堆肥發(fā)酵技術(shù)堆溫上升速度慢， 堆肥溫度低(55-70℃)，高溫持續(xù)時間短，導(dǎo)致堆肥生產(chǎn)周期長、對 病原菌及重金屬的去除效果難以達(dá)到土地利用的標(biāo)準(zhǔn)，且在發(fā)酵過 程中臭氣污染嚴(yán)重、衛(wèi)生條件差等一系列問題，長期制約了污泥好 氧發(fā)酵技術(shù)的推廣應(yīng)用。
針對傳統(tǒng)污泥好氧發(fā)酵中存在的難題，國內(nèi)外許多的學(xué)者和公 司開發(fā)出多種多樣的污泥好氧發(fā)酵調(diào)理劑及發(fā)酵工藝，但這些專利 大多沒有將重點(diǎn)放在如何解決污泥好氧發(fā)酵升溫及維持高溫階段的 停留時間上，而往往從發(fā)酵過程中出現(xiàn)的重金屬、臭氣、病原菌滅 活等單一問題入手，因而不能從根本上解決污泥好氧發(fā)酵中存在的 問題。
申請?zhí)枮?00810137214.8的中國專利公開了一種調(diào)理劑及其在 污泥堆肥中的應(yīng)用，主要是利用0.2-10cm粒徑的浮石作為堆肥膨松 劑，并可在堆肥結(jié)束后通過篩分分離出來循環(huán)使用。該專利解決了 好氧發(fā)酵過程中通風(fēng)透氣的問題，但對于發(fā)酵溫度低、病原菌的去 除及臭氣等問題卻無能為力。
申請?zhí)枮?01010111644.X的中國專利公開了一種污泥堆肥方 法，通過優(yōu)選輔料，接種高效有益生物菌群CK21，添加固化劑鈍化 重金屬，并配以部分比例的營養(yǎng)元素制成生物有機(jī)肥。該工藝解決 了傳統(tǒng)好氧發(fā)酵周期過長、堆肥土地利用重金屬污染的風(fēng)險，但因 需要外源添加的物質(zhì)較多，導(dǎo)致工藝復(fù)雜，成本較高，不利于大規(guī) 模推廣應(yīng)用。類似的專利還有一種有機(jī)廢棄物的規(guī)�；焖俣逊侍� 理方法(中國專利申請?zhí)枺?00910039297.1);一種堆肥處置方法(中 國專利申請?zhí)枺?2152821.7)。
另外，還有很多科研工作者對好氧發(fā)酵裝置及堆肥機(jī)械進(jìn)行了 改進(jìn)研究。申請?zhí)枮?00920099237.4的中國專利公開了一種污泥好 氧發(fā)酵處理裝置，申請?zhí)枮?00820224275.3的中國專利公開了一種 污泥通風(fēng)好氧發(fā)酵控制裝置等等，這些發(fā)明有助于提高污泥好氧發(fā) 酵的自動化水平，但對污泥好氧發(fā)酵的溫度、周期、臭氣、病原菌 及重金屬等核心問題卻沒有任何幫助。
因此，開發(fā)一種升溫速度快，高溫階段持續(xù)時間長的污泥超好 氧發(fā)酵技術(shù)，可以有效縮短發(fā)酵周期、徹底殺滅病原菌及防止發(fā)酵 過程中的臭氣污染，這對于好氧發(fā)酵技術(shù)在污泥處置上的推廣應(yīng)用 具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。經(jīng)文獻(xiàn)與專利檢索，未發(fā)現(xiàn)超過80℃的 污泥超高溫好氧發(fā)酵工藝，并應(yīng)用于城市污泥好氧發(fā)酵處置的先例。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對傳統(tǒng)城市污泥好氧發(fā)酵升溫速度慢、發(fā)酵 溫度低、高溫持續(xù)時間短引起的一系列發(fā)酵問題，提供一種最高發(fā) 酵溫度超過80℃(最高可達(dá)100℃)城市污泥超高溫好氧發(fā)酵方法，以 達(dá)到提高城市污泥處理效率，縮短發(fā)酵周期、有效殺滅病原菌及防 止臭氣污染，同時操作簡便、成本低廉，生產(chǎn)的有機(jī)肥能夠滿足土 地利用標(biāo)準(zhǔn)之效果。
本發(fā)明的另一目的在于提供城市污泥超高溫好氧發(fā)酵方法在有 機(jī)固廢堆肥中的應(yīng)用。
本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：
一種污泥超高溫好氧發(fā)酵方法，包括如下步驟：
1)以污泥為原料，與發(fā)酵腐熟物料混合攪拌，并添加發(fā)酵起爆 劑;
2)將步驟1)中得到的物料進(jìn)行好氧發(fā)酵;
3)將步驟2)中得到的物料進(jìn)行靜態(tài)發(fā)酵，得到完全腐熟物料。
其中，步驟1)中發(fā)酵原料包括城市污泥，但不限于城市污泥， 還包括畜禽糞便、農(nóng)作物秸稈、生活垃圾、園林枯枝落葉等有機(jī)固 體廢棄物。
所述發(fā)酵腐熟物料為步驟3)中所制得的腐熟物料或?yàn)橛稍习?括城市污泥，但不限于城市污泥，還包括畜禽糞便、農(nóng)作物秸稈、 生活垃圾、園林枯枝落葉等有機(jī)固體廢棄物經(jīng)常規(guī)好氧發(fā)酵后，含 水率小于25%的充分腐熟物料。
所述發(fā)酵起爆劑包括以下A和B兩組微生物菌劑制成：
A組：甲基營養(yǎng)型芽孢桿菌(Bacillus methylotrophicus)UTM401 CGMCC No.5927，厭氧芽孢桿菌(Anoxybacillus mongoliensis)UTM 501CGMCC No.5928，厭氧芽孢桿菌(Anoxybacillus pushchinoensis) UTM601CGMCC No.5929，極端嗜熱菌(Calditerricola yamamurae) UTM801CGMCC No.6185中的一種或幾種;
B組：地芽孢桿菌(Geobacillus sp.)UTM01CGMCC No.5641， 地芽孢桿菌(Geobacillus sp.)UTM02CGMCC No.5642，芽孢桿菌 (Bacillus sp.)UTM03CGMCC No.5643中的一種或幾種。
所用菌株保存于中國微生物菌種保藏管理委員會普通微生物中 心(地址：北京市朝陽區(qū)北辰西路1號院3號，中國科學(xué)院微生物 研究所，郵編100101)保藏，保藏號依次是為：
(1)Bacillus methylotrophicus.UTM401：CGMCC No.5927(該 菌株的保藏證明及其保藏號已經(jīng)在專利申請?zhí)枮?01210226954.5專 利上公開)、(2)Anoxybacillus sp.UTM501：CGMCC No.5928 (該菌株的保藏證明及其保藏號已經(jīng)在專利申請?zhí)枮?201210227177.6專利上公開)、(3)Anoxybacillus sp.UTM601： CGMCC No.5929(該菌株的保藏證明及其保藏號已經(jīng)在專利申請?zhí)?為201210226967.2專利上公開)、(4)Calditerricola yamamurae.UTM 801：CGMCC No.6185(該菌株的保藏證明及其保藏號已經(jīng)在專利 申請?zhí)枮?01210343222.4專利上公開)、(5)Geobacillus sp.UTM01： CGMCC No.5641(該菌株的保藏證明及其保藏號已經(jīng)在專利申請?zhí)?為201210176596.1專利上公開)、(6)Geobacillus sp.UTM02： CGMCC No.5642(該菌株的保藏證明及其保藏號已經(jīng)在專利申請?zhí)?為201210177294.6專利上公開)、(7)Bacillus sp.UTM03：CGMCC No.5643(該菌株的保藏證明及其保藏號已經(jīng)在專利申請?zhí)枮?201210177647.2專利上公開)。
所述發(fā)酵起爆劑還包括助料，所述助料為氯化亞鐵、硫酸鎂、 硝酸鈉和石灰，其中氯化亞鐵：硫酸鎂：硝酸鈉：石灰重量比為 0.05～0.15：0.01～0.03：0.02～0.05：0.05～0.15。所述發(fā)酵起爆劑的活 菌數(shù)為2.4-4×108個/g。
所述發(fā)酵起爆劑的制備方法包括如下步驟：(1)菌種的活化： 將菌株斜面轉(zhuǎn)接至活化培養(yǎng)基平板上，培養(yǎng)至豐厚;
(2)發(fā)酵種子液制備：將步驟(1)中的菌種擴(kuò)大培養(yǎng);
(3)發(fā)酵起爆劑制備：選擇主料與輔料及調(diào)理劑混合，然后分 別接種步驟(2)中的發(fā)酵種子液，將物料風(fēng)干過篩后添加助料。
步驟(1)中，保存菌種的活化方法是：將4℃保存的生產(chǎn)菌株 斜面轉(zhuǎn)接至活化培養(yǎng)基平板上，培養(yǎng)至豐厚。其中UTM401、UTM 501、UTM601、UTM01、UTM02、UTM03采用LB培養(yǎng)基;UTM 801采用改良YTPG培養(yǎng)基。
LB培養(yǎng)基配方為：胰化蛋白胨10g，酵母提取物5g，NaCl10g， 植物凝膠10g，瓊脂15g。
改良YTPG培養(yǎng)基配方為：酵母提取物1.5～2.5g/L，細(xì)菌蛋白 胨1.5～2.5g/L，葡萄糖1.5～2.5g/L，PIPES4.5～7.5g/L，浸提液1000 ml/L，pH7.2～7.4(用固態(tài)NaOH調(diào)節(jié))，植物凝膠8～12g/L，瓊脂 15～20g/L;浸提液制備方法：稱取50g～100g一次發(fā)酵后腐熟堆肥 (含水率小于30%)，加入250ml蒸餾水，在室溫下，150～200rpm 振蕩8～16小時;取振蕩液在3000～4000rpm下離心5～20min，收集 上清液，得浸提液母液，在4℃保存?zhèn)溆?使用時，用蒸餾水稀釋 1～3倍即為培養(yǎng)基浸提液。
步驟(2)中，發(fā)酵種子液制備采用常規(guī)的發(fā)酵方式進(jìn)行多級擴(kuò) 培2～4代。其中UTM401、UTM501、UTM601、UTM01、UTM02、 UTM03擴(kuò)培培養(yǎng)基為LB培養(yǎng)液，各級擴(kuò)培種子液的OD600在 1.5～3.0之間停止培養(yǎng);UTM801的擴(kuò)培培養(yǎng)基為改良YTPG培養(yǎng)液， 培養(yǎng)2-3天停止;
其中，一級種子液采用恒溫水浴搖床振蕩培養(yǎng)，轉(zhuǎn)速150～200 prm;二級種子液采用發(fā)酵罐培養(yǎng)方式，發(fā)酵條件為：接菌量(v/v) 3%-10%，罐裝量(v/v)70%-80%，間歇通風(fēng)攪拌：每間隔4-6小時 通氣10-30分鐘，通氣量(v/v)0.8-1.5:1，每隔8～12小時攪拌10-20 分鐘，轉(zhuǎn)速150-180rpm，培養(yǎng)2-7天。
步驟(1)、步驟(2)中，保存菌種的活化和擴(kuò)培培養(yǎng)溫度分別 是：UTM40125～40℃;UTM50150～60℃;UTM60150～60℃; UTM01、UTM02、UTM0360～70℃;UTM80170～80℃。
步驟(3)中，所述主料為木薯加工廢棄物，輔料為豬糞和草木 灰，調(diào)理劑為玉米面或麥麩;所述木薯加工廢棄物、豬糞、草木灰、 玉米面或麥麩的混合比例是：(3～4)：(1～3)：(0.8～1.2)：(0.2～0.5); 所述物料混合后發(fā)酵堆的高度為1.2～2.0米。
所述各發(fā)酵種子液的接種方法是：
接種方式：用適量的調(diào)理劑吸附重量百分比相當(dāng)于總物料干重 0.2%～0.5%的發(fā)酵種子液后，均勻撒于物料混合均勻;
接種時機(jī)：當(dāng)發(fā)酵最高溫度達(dá)到50～60℃時接種UTM501、 UTM601及當(dāng)發(fā)酵最高溫度達(dá)到65℃時接種UTM01、UTM02、 UTM03中的1～3種發(fā)酵種子液;當(dāng)發(fā)酵最高溫度達(dá)到70℃時接種 UTM801;發(fā)酵最高溫度降至38～45℃接種UTM401發(fā)酵種子液。
發(fā)酵管理：當(dāng)發(fā)酵最高溫度達(dá)到70℃以上維持1～2天后，每隔 2～5天翻堆一次，直至溫度下降穩(wěn)定于環(huán)境溫度。
所述助料及助料添加至風(fēng)干物料的重量比為：氯化亞鐵 (0.08%～0.12%)、硫酸鎂(0.01%～0.03%)、硝酸鈉(0.02%～0.04%) 石灰(0.05%～0.15%)。
所述污泥含水率為78-82%，兩者混合后物料含水率為45-65%。
發(fā)酵腐熟物料作為返混料，污泥與返混料的添加比例為1:1-1:2， 含水率在30%以下。
其中，步驟2)中通過強(qiáng)制通風(fēng)深層好氧發(fā)酵。經(jīng)過3-6次翻堆， 物料水分降至30-40%，發(fā)酵周期約10-20天。
堆體高度為2-3米，物料第三天溫度即可達(dá)到80℃，最高溫度 能達(dá)到100℃，80℃以上高溫可持續(xù)7-15天。
好氧發(fā)酵過程中，可進(jìn)行翻堆，可采用小規(guī)模鏟車或大規(guī)模自 動化翻拋設(shè)備實(shí)現(xiàn)，翻堆時間一般是在堆體溫度出現(xiàn)下降的時候。
其中，步驟3)中所述靜態(tài)發(fā)酵時間12-15天，完全腐熟的物料 含水率為30%以下。
完全腐熟的物料可以進(jìn)一步通過添加有益微生物、氮磷鉀養(yǎng)分、 微量元素等物質(zhì)，經(jīng)過粉碎、過篩、造粒等工序，制備成生物有機(jī) 肥、有機(jī)-無機(jī)復(fù)混肥、精制專用肥等高附加值產(chǎn)品。
本發(fā)明的有益效果為：
本發(fā)明的污泥超高溫好氧發(fā)酵工藝升溫快，發(fā)酵溫度高(最高 可達(dá)100℃)，高溫持續(xù)時間長(80℃以上高溫可持續(xù)7-15天)， 能有效殺滅城市污泥中的病原菌、雜草種子;有機(jī)物分解快，發(fā)酵 周期短，20-30天即可完全腐熟，大大提高城市污泥處理效率;對城 市污泥減容/減量化效果顯著，污泥減量化達(dá)60%以上，減容率達(dá)80% 以上;專利高溫嗜熱菌對臭氣成分分解率高，完全避免惡臭污染; 投資與運(yùn)行成本降低15%以上，適于大規(guī)模推廣。
