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一種有機(jī)固廢堆肥促腐保氮及重金屬固定的方法

文檔序號:42277099發(fā)布日期:2025-06-27 18:09閱讀:8來源:國知局

本發(fā)明屬于有機(jī)廢棄物資源化處理,具體涉及一種復(fù)合發(fā)酵菌劑聯(lián)合磷酸鹽的復(fù)合添加劑,通過生物降解與化學(xué)鈍化協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)堆肥腐殖化增效、氮素保留及重金屬固定的方法。


背景技術(shù):

1、隨著人口增長和生活水平的提高,對畜產(chǎn)品的需求增加,導(dǎo)致了畜牧業(yè)的擴(kuò)張。集約化的養(yǎng)殖方式使得大量畜禽糞便產(chǎn)生,中國每年畜禽糞便產(chǎn)量達(dá)到38億噸,使其成為重要的農(nóng)業(yè)污染源。推進(jìn)畜禽糞便的資源化還田利用,不僅能夠有效緩解畜禽養(yǎng)殖引發(fā)的環(huán)境污染問題,還可以為種植業(yè)提供有機(jī)肥料,減少化肥的使用量。然而,直接施用或不當(dāng)處理糞便會將重金屬、抗生素和病原體等有毒物質(zhì)引入環(huán)境中,對人類健康和環(huán)境安全構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)。為確保畜禽糞便的安全利用和實(shí)現(xiàn)資源有效轉(zhuǎn)化,通常在畜禽糞便還田之前需對其進(jìn)行堆肥化處理。然而,在常規(guī)堆肥處理進(jìn)程中,大量nh3揮發(fā)會導(dǎo)致嚴(yán)重的氮素?fù)p失,進(jìn)而降低有機(jī)肥的質(zhì)量。因此,在促進(jìn)堆肥腐熟的同時(shí),如何控制氮素?fù)p失和重金屬等環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)是近年來堆肥技術(shù)研究和應(yīng)用的重點(diǎn)。

2、在堆肥過程中,為了縮短發(fā)酵周期,減少氮素?fù)p失并控制環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),往往會向堆體中加入各類微生物、有機(jī)或無機(jī)物質(zhì)作為添加劑。大多數(shù)無機(jī)添加劑具有多孔性和較大比表面積的特點(diǎn)。它們既可作為路易斯酸,催化氨基酸與還原糖的美拉德反應(yīng),形成腐殖質(zhì),又能通過離子吸附或化學(xué)相互作用,防止腐殖質(zhì)被微生物降解。天然和合成的有機(jī)添加劑均可通過增強(qiáng)微生物和酶的活性、減少co2的產(chǎn)生,以及直接參與美拉德反應(yīng)等腐殖化途徑,來促進(jìn)堆肥腐殖化。微生物添加劑如白腐真菌等可促進(jìn)木質(zhì)纖維素及多種芳香族化合物的降解,釋放出多酚、糖類和含氮化合物,從而促進(jìn)腐殖質(zhì)的形成。無機(jī)和有機(jī)添加劑雖具有良好的促腐效果,但也存在成本高和不可重復(fù)使用的問題。此外,由于堆肥環(huán)境的劇烈變化和微生物群落的演變,外源微生物添加劑對促進(jìn)腐殖化的效果也難以控制。而復(fù)合添加劑能夠減少添加劑的用量,節(jié)省成本,同時(shí)結(jié)合不同添加劑的優(yōu)勢來促進(jìn)堆肥腐殖化。因此,開發(fā)一種高效、低成本的堆肥復(fù)合添加劑是目前堆肥促腐保氮以及土地安全利用的關(guān)鍵技術(shù)。

3、微生物在堆肥過程中的腐殖化和氮循環(huán)過程中起著至關(guān)重要的作用。先前的研究表明,在堆肥中添加微生物菌劑優(yōu)化了微生物群落結(jié)構(gòu),加速了木質(zhì)纖維素的降解,促進(jìn)了腐殖化過程,并增強(qiáng)了氮素的保留能力,從而提高了堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量。白腐真菌黃孢原毛平革菌(phanerochaete?chrysosporium)作為一種高效木質(zhì)纖維素降解功能菌,通過分泌錳過氧化物酶(mnp)、木質(zhì)素過氧化物酶(lip)及漆酶(lac)組成的非特異性氧化酶系,靶向裂解木質(zhì)素-纖維素復(fù)合結(jié)構(gòu),并降解芳香族化合物,釋放多酚、還原糖及含氮化合物等腐殖質(zhì)前體物質(zhì),直接驅(qū)動腐殖酸合成,顯著提升堆肥腐殖化效率并縮短周期。硫還原地桿菌(geobactersulfurreducens)是一種腐殖質(zhì)還原菌,能通過硫還原代謝途徑,將硫酸鹽、亞硫酸鹽等還原為硫化物,與重金屬離子結(jié)合形成穩(wěn)定的金屬硫化物沉淀,此外,可介導(dǎo)高價(jià)態(tài)重金屬的電子傳遞,將其還原為低毒性的低價(jià)態(tài)形式,顯著降低重金屬的生物有效性及生態(tài)毒性,已廣泛用于酸性礦山廢水治理、污染土壤修復(fù)等場景。盡管白腐真菌已被證實(shí)具有高效的木質(zhì)纖維素降解能力,但其在堆肥氮素轉(zhuǎn)化中的具體作用仍不明確,而硫還原地桿菌雖廣泛應(yīng)用于重金屬生物修復(fù),其對腐殖質(zhì)合成及有機(jī)碳穩(wěn)定的貢獻(xiàn)尚未明晰?,F(xiàn)有技術(shù)中,單一菌劑因功能局限性與環(huán)境適應(yīng)性不足,難以同步實(shí)現(xiàn)堆肥腐殖化強(qiáng)化、氮素保留及重金屬風(fēng)險(xiǎn)管控。復(fù)合微生物菌劑結(jié)合了不同功能的微生物,與單一菌劑相比,它為調(diào)控堆肥過程提供了一種更全面的方法,從而加快堆肥的腐熟。因此,白腐真菌和硫還原地桿菌在畜禽糞便堆肥中的協(xié)同作用也值得深入研究。

4、在堆肥過程中添加酸性化學(xué)品如磷酸鹽,不僅能有效降低物料的ph值,抑制nh4+向nh3的轉(zhuǎn)化,還能與nh4+結(jié)合,使其穩(wěn)定下來,減少堆肥過程中的氮損失。有研究發(fā)現(xiàn)添加磷石膏和過磷酸鈣能夠促進(jìn)腐殖質(zhì)的形成,并進(jìn)一步提高堆肥的成熟度。然而,關(guān)于微生物復(fù)合菌劑與磷酸鹽在堆肥過程中是否能協(xié)同增效,共同促進(jìn)堆肥質(zhì)量提升的相關(guān)報(bào)道較為稀缺,這一領(lǐng)域的研究尚待深入探索。

5、綜上,針對有機(jī)固廢堆肥腐熟效果不佳、堆肥氮素?fù)p失、重金屬殘留等問題,制備復(fù)合微生物菌劑混合添加磷酸鹽,構(gòu)建堆肥中“促腐—固氮—控污”協(xié)同體系,對提高有機(jī)固廢堆肥品質(zhì)、實(shí)現(xiàn)堆肥產(chǎn)品土地安全利用具有重要意義。


技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對堆肥腐熟效果不佳、堆肥氮素?fù)p失、重金屬殘留等問題,提出一種有機(jī)固廢堆肥促腐保氮及重金屬固定的方法。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:

3、一種有機(jī)固廢堆肥促腐保氮及重金屬固定的方法,包括以下步驟:

4、(1)制備白腐真菌-硫還原地桿菌復(fù)合發(fā)酵菌劑;

5、(2)將白腐真菌-硫還原地桿菌復(fù)合發(fā)酵菌劑與磷酸鹽添加劑混勻,得復(fù)合添加劑;將復(fù)合添加劑添加至堆肥原料中,調(diào)節(jié)初始c/n比為20,調(diào)節(jié)初始含水率為60%~65%,得堆體;

6、(3)將堆體進(jìn)行好氧堆肥處理。

7、進(jìn)一步的,上述白腐真菌-硫還原地桿菌復(fù)合發(fā)酵菌劑的制備方法包括以下步驟:

8、s1:將白腐真菌和硫還原地桿菌分別接種至斜面培養(yǎng)基,于溫度33~36℃條件下恒溫培養(yǎng)24~48小時(shí),分別制得白腐真菌活化菌種和硫還原地桿菌活化菌種;

9、s2:將步驟s1的白腐真菌活化菌種和硫還原地桿菌活化菌種分別接種至種子培養(yǎng)基,于溫度33~36℃、轉(zhuǎn)速120rpm條件下振蕩培養(yǎng)18~24小時(shí)至對數(shù)期,分別制得白腐真菌種子液和硫還原地桿菌種子液;

10、s3:將步驟s2的白腐真菌種子液和硫還原地桿菌種子液按體積比1:0.5~1:2混合,然后按10vol%的接種量接種至發(fā)酵培養(yǎng)基中,于溫度33~36℃、轉(zhuǎn)速150rpm、通風(fēng)量0.8vvm、罐壓0.08mpa條件下通氣發(fā)酵18~24小時(shí),制得白腐真菌-硫還原地桿菌復(fù)合發(fā)酵菌劑;

11、所述斜面培養(yǎng)基配方為:每1l體積中含有酵母提取物5g、胰蛋白胨10g、nacl?10g、瓊脂15~20g,其余為蒸餾水;所述種子培養(yǎng)基配方為:每1l體積中含有酵母膏4~8g、胰蛋白胨8~12g、土豆浸提液18~20ml、氯化鈉8~12g、瓊脂15~20g,其余為蒸餾水;所述發(fā)酵培養(yǎng)基配方為:每1l體積中含有豬糞浸提液800~900ml、土豆浸提液100~200ml;所述土豆浸提液的制備方法為:將新鮮土豆去皮切片后與蒸餾水按1:3~5w/v的比例混合,煮沸30~40分鐘,過濾取濾液,即得土豆浸提液;所述豬糞浸提液的制備方法為:豬糞105℃干燥24小時(shí)后與蒸餾水按1:5~10w/v的比例混合,25~30℃浸提24~48小時(shí),離心取上清液,即得豬糞浸提液。其中,土豆浸提液能供給淀粉、葡萄糖等易降解碳源與維生素b族、生物素等生長因子,刺激微生物的代謝活性;豬糞浸提液能提供硫源與有機(jī)氮源,為微生物提供代謝底物,同時(shí)具有緩釋特性,避免氨濃度過高抑制菌群活性;發(fā)酵培養(yǎng)基包含土豆浸提液和豬糞浸提液,具有營養(yǎng)互補(bǔ)、代謝協(xié)同等特點(diǎn),可使菌群提前適應(yīng)復(fù)雜底物,提升后續(xù)復(fù)合菌劑的功能表達(dá)。

12、進(jìn)一步,上述白腐真菌-硫還原地桿菌復(fù)合發(fā)酵菌劑與磷酸鹽添加劑的質(zhì)量比為1:0.2~1。

13、進(jìn)一步,上述磷酸鹽添加劑為磷石膏、過磷酸鈣和磷酸二氫鈣中的任意一種或多種。

14、進(jìn)一步,上述復(fù)合添加劑的添加量為堆肥原料干重的0.5wt%~5wt%。

15、進(jìn)一步,上述好氧堆肥處理的過程持續(xù)42天,分為升溫期、高溫期、冷卻期和腐熟期;升溫期和高溫期每天翻堆1次、每次翻堆的時(shí)間30~40分鐘,進(jìn)入冷卻期后每天翻堆2次、每次翻堆的時(shí)間30~40分鐘、翻堆的時(shí)間間隔8~12小時(shí)。

16、進(jìn)一步,上述促腐為提高堆肥的腐殖酸含量和胡敏酸-富啡酸比值;保氮為提高堆肥的硝氮含量和總氮含量;重金屬固定為鈍化重金屬,降低重金屬生物有效性和環(huán)境遷移性。

17、上述一種有機(jī)固廢堆肥促腐保氮及重金屬固定的方法在如下任一種或多種中的應(yīng)用:

18、1)在處理有機(jī)固廢中的應(yīng)用;

19、2)在堆肥促腐保氮中的應(yīng)用;

20、3)在重金屬固定中的應(yīng)用。

21、與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明取得的有益效果為:

22、(1)本發(fā)明通過“復(fù)合發(fā)酵菌劑—磷酸鹽”協(xié)同作用顯著提升腐殖化效率。白腐真菌通過分泌漆酶等木質(zhì)纖維素降解酶,降解木質(zhì)纖維素并釋放腐殖質(zhì)前體物,硫還原地桿菌通過其細(xì)胞外電子傳遞系統(tǒng),參與醌類腐殖質(zhì)中間體的電子轉(zhuǎn)移,從而加速腐殖質(zhì)的合成。磷酸鹽作為微生物生長的關(guān)鍵營養(yǎng)物質(zhì),能夠促進(jìn)復(fù)合菌劑的代謝活性,進(jìn)而影響腐殖質(zhì)的合成過程。堆肥結(jié)束后,腐殖酸含量提高13.1%~53.2%,聚合度(dp=ha/fa)顯著提升,縮短堆肥發(fā)酵周期。

23、(2)本發(fā)明通過“復(fù)合發(fā)酵菌劑—磷酸鹽”協(xié)同作用有效減少氮素?fù)p失。白腐真菌通過促進(jìn)硝化作用,顯著提高硝氮含量,硫還原地桿菌通過其細(xì)胞外電子傳遞系統(tǒng),加速含氮腐殖質(zhì)的合成實(shí)現(xiàn)固氮。磷酸鹽通過調(diào)節(jié)堆體ph,抑制銨態(tài)氮向氨氣的轉(zhuǎn)化,減少氮素?fù)p失。堆肥結(jié)束后,總氮含量提高16.79%~28.31%,促進(jìn)堆肥氮素固持。

24、(3)本發(fā)明通過“復(fù)合發(fā)酵菌劑—磷酸鹽”協(xié)同作用降低重金屬生物有效性和環(huán)境遷移性,降低堆肥產(chǎn)品的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。硫還原地桿菌代謝產(chǎn)生的s2-與cd2+、pb2+等重金屬形成難溶硫化物,此外將cr(vi)等高毒重金屬形態(tài)還原為cr(iii),磷酸鹽的po43-與cu2+、zn2+等重金屬生成穩(wěn)定磷酸鹽。zn和cu的生物有效性分別降低了4.71%~17.17%和4.32%~44.36%,堆肥結(jié)束后的重金屬含量符合《畜禽糞便堆肥技術(shù)規(guī)范》(ny/t?3442—2019)。(4)本發(fā)明方法具有環(huán)境友好與經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢。復(fù)合發(fā)酵菌劑通過強(qiáng)化硝化作用減少堆肥氮素氣體如nh3和n2o排放,減輕空氣污染,提高堆肥品質(zhì)有利于土地安全利用,減少環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。磷石膏和過磷酸鈣等磷酸鹽的使用不僅減少了廢棄物的處理成本,還將其轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的堆肥添加劑,實(shí)現(xiàn)了工業(yè)副產(chǎn)物高值化,可替代沸石、硅藻土等高價(jià)鈍化劑,原料成本降低30%~50%,有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

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