申请日2013.12.10
公开(公告)日2014.04.02
IPC分类号C05F15/00; C05F17/00
摘要
本发明涉及一种污泥超高温好氧发酵方法及其应用。包括以下步骤：1)以污泥为原料，与发酵腐熟物料混合搅拌，并添加发酵起爆剂;2)将步骤1)中得到物料进行好氧发酵;3)将步骤2)中得到的物料进行静态发酵，得到完全腐熟物料。本发明的发酵方法升温快，发酵温度高，高温持续时间长，能有效杀灭城市污泥中的病原菌、杂草种子;有机物分解快，发酵周期短，大大提高城市污泥处理效率;专利高温嗜热菌对臭气成分分解率高，完全避免恶臭污染;投资与运行成本降低15%以上，适于大规模推广。
权利要求书
1.一种污泥超高温好氧发酵方法，包括以下步骤：
1)以污泥为原料，与发酵腐熟物料混合搅拌，并添加发酵起爆 剂;
2)将步骤1)中得到物料进行好氧发酵;
3)将步骤2)中得到的物料进行静态发酵，得到完全腐熟物料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发酵起爆剂， 包括以下A和B两组微生物菌剂制成：
A组：甲基营养型芽孢杆菌(Bacillus methylotrophicus)UTM401 CGMCC No.5927，厌氧芽孢杆菌(Anoxybacillus mongoliensis)UTM 501CGMCC No.5928，厌氧芽孢杆菌(Anoxybacillus pushchinoensis) UTM601CGMCC No.5929，极端嗜热菌(Calditerricola yamamurae) UTM801CGMCC No.6185中的一种或几种;
B组：地芽孢杆菌(Geobacillus sp.)UTM01CGMCC No.5641， 地芽孢杆菌(Geobacillus sp.)UTM02CGMCC No.5642，芽孢杆菌 (Bacillus sp.)UTM03CGMCC No.5643中的一种或几种。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述发酵起爆剂 还包括助料，所述助料为氯化亚铁、硫酸镁、硝酸钠和石灰，其中 氯化亚铁：硫酸镁：硝酸钠：石灰重量比为0.05～0.15：0.01～0.03： 0.02～0.05：0.05～0.15。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述发酵起 爆剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)菌种的活化：将菌株斜面转接至活化培养基平板上，培养 至丰厚;
(2)发酵种子液制备：将步骤(1)中的菌种扩大培养;
(3)发酵起爆剂制备：选择主料与辅料及调理剂混合，然后分 别接种步骤(2)中的发酵种子液，将物料风干过筛后添加助料。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述发 酵起爆剂的添加量为混合物料的1-1.5w%。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中污泥 与发酵腐熟物料的配比为1:1-1:2。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中所述 好氧发酵中经过3-6次翻堆，物料水分降至30-40%，发酵周期10-20 天。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中所述 静态发酵时间12-15天，完全腐熟物料的含水率在30%以下。
9.权利要求1-8任一项所述方法在有机固废堆肥中的应用。
10.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述有机固废 为城市污泥、畜禽粪便、农作物秸秆、生活垃圾、园林枯枝落叶中 的一种或几种。
说明书
一种污泥超高温好氧发酵方法及其应用
技术领域
本发明涉及有机固废弃物资源化利用技术领域，具体地涉及一种 污泥超高温好氧发酵方法及其应用。
背景技术
随着我国污水处理事业的快速发展，城市污水处理厂的污泥产 生量也越来越大，污泥的安全处置已成为当今城市环境保护亟需解 决的难题。污泥有机质含量高、含水率大、易腐败产生恶臭、滋生 蚊蝇，传播病原菌等，如不妥善处置将造成极大的环境污染。现行 的污泥处置方式主要有：填埋、焚烧、农业利用等。污泥填埋占用 大量的填埋场资源，易引发溃坝和地下水污染的风险;污泥焚烧则 因为投资运行成本巨大，产生的焚烧废气和焚烧灰难以处理，均无 法作为污泥的主要处置方法大规模推广应用。基于处置费用和废物 资源化角度考虑，农业利用被认为是最具吸引力的、可持续的污泥 处置方法。
传统的污泥农业利用主要通过好氧发酵方式杀灭污泥中的病原 菌和杂草种子、钝化重金属、降解有毒有害污染物，从而解决污泥 农业利用的安全问题。但由于传统堆肥发酵技术堆温上升速度慢， 堆肥温度低(55-70℃)，高温持续时间短，导致堆肥生产周期长、对 病原菌及重金属的去除效果难以达到土地利用的标准，且在发酵过 程中臭气污染严重、卫生条件差等一系列问题，长期制约了污泥好 氧发酵技术的推广应用。
针对传统污泥好氧发酵中存在的难题，国内外许多的学者和公 司开发出多种多样的污泥好氧发酵调理剂及发酵工艺，但这些专利 大多没有将重点放在如何解决污泥好氧发酵升温及维持高温阶段的 停留时间上，而往往从发酵过程中出现的重金属、臭气、病原菌灭 活等单一问题入手，因而不能从根本上解决污泥好氧发酵中存在的 问题。
申请号为200810137214.8的中国专利公开了一种调理剂及其在 污泥堆肥中的应用，主要是利用0.2-10cm粒径的浮石作为堆肥膨松 剂，并可在堆肥结束后通过筛分分离出来循环使用。该专利解决了 好氧发酵过程中通风透气的问题，但对于发酵温度低、病原菌的去 除及臭气等问题却无能为力。
申请号为201010111644.X的中国专利公开了一种污泥堆肥方 法，通过优选辅料，接种高效有益生物菌群CK21，添加固化剂钝化 重金属，并配以部分比例的营养元素制成生物有机肥。该工艺解决 了传统好氧发酵周期过长、堆肥土地利用重金属污染的风险，但因 需要外源添加的物质较多，导致工艺复杂，成本较高，不利于大规 模推广应用。类似的专利还有一种有机废弃物的规模化快速堆肥处 理方法(中国专利申请号：200910039297.1);一种堆肥处置方法(中 国专利申请号：02152821.7)。
另外，还有很多科研工作者对好氧发酵装置及堆肥机械进行了 改进研究。申请号为200920099237.4的中国专利公开了一种污泥好 氧发酵处理装置，申请号为200820224275.3的中国专利公开了一种 污泥通风好氧发酵控制装置等等，这些发明有助于提高污泥好氧发 酵的自动化水平，但对污泥好氧发酵的温度、周期、臭气、病原菌 及重金属等核心问题却没有任何帮助。
因此，开发一种升温速度快，高温阶段持续时间长的污泥超好 氧发酵技术，可以有效缩短发酵周期、彻底杀灭病原菌及防止发酵 过程中的臭气污染，这对于好氧发酵技术在污泥处置上的推广应用 具有极为重要的现实意义。经文献与专利检索，未发现超过80℃的 污泥超高温好氧发酵工艺，并应用于城市污泥好氧发酵处置的先例。
发明内容
本发明的目的是针对传统城市污泥好氧发酵升温速度慢、发酵 温度低、高温持续时间短引起的一系列发酵问题，提供一种最高发 酵温度超过80℃(最高可达100℃)城市污泥超高温好氧发酵方法，以 达到提高城市污泥处理效率，缩短发酵周期、有效杀灭病原菌及防 止臭气污染，同时操作简便、成本低廉，生产的有机肥能够满足土 地利用标准之效果。
本发明的另一目的在于提供城市污泥超高温好氧发酵方法在有 机固废堆肥中的应用。
本发明所采取的技术方案是：
一种污泥超高温好氧发酵方法，包括如下步骤：
1)以污泥为原料，与发酵腐熟物料混合搅拌，并添加发酵起爆 剂;
2)将步骤1)中得到的物料进行好氧发酵;
3)将步骤2)中得到的物料进行静态发酵，得到完全腐熟物料。
其中，步骤1)中发酵原料包括城市污泥，但不限于城市污泥， 还包括畜禽粪便、农作物秸秆、生活垃圾、园林枯枝落叶等有机固 体废弃物。
所述发酵腐熟物料为步骤3)中所制得的腐熟物料或为由原料包 括城市污泥，但不限于城市污泥，还包括畜禽粪便、农作物秸秆、 生活垃圾、园林枯枝落叶等有机固体废弃物经常规好氧发酵后，含 水率小于25%的充分腐熟物料。
所述发酵起爆剂包括以下A和B两组微生物菌剂制成：
A组：甲基营养型芽孢杆菌(Bacillus methylotrophicus)UTM401 CGMCC No.5927，厌氧芽孢杆菌(Anoxybacillus mongoliensis)UTM 501CGMCC No.5928，厌氧芽孢杆菌(Anoxybacillus pushchinoensis) UTM601CGMCC No.5929，极端嗜热菌(Calditerricola yamamurae) UTM801CGMCC No.6185中的一种或几种;
B组：地芽孢杆菌(Geobacillus sp.)UTM01CGMCC No.5641， 地芽孢杆菌(Geobacillus sp.)UTM02CGMCC No.5642，芽孢杆菌 (Bacillus sp.)UTM03CGMCC No.5643中的一种或几种。
所用菌株保存于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中 心(地址：北京市朝阳区北辰西路1号院3号，中国科学院微生物 研究所，邮编100101)保藏，保藏号依次是为：
(1)Bacillus methylotrophicus.UTM401：CGMCC No.5927(该 菌株的保藏证明及其保藏号已经在专利申请号为201210226954.5专 利上公开)、(2)Anoxybacillus sp.UTM501：CGMCC No.5928 (该菌株的保藏证明及其保藏号已经在专利申请号为 201210227177.6专利上公开)、(3)Anoxybacillus sp.UTM601： CGMCC No.5929(该菌株的保藏证明及其保藏号已经在专利申请号 为201210226967.2专利上公开)、(4)Calditerricola yamamurae.UTM 801：CGMCC No.6185(该菌株的保藏证明及其保藏号已经在专利 申请号为201210343222.4专利上公开)、(5)Geobacillus sp.UTM01： CGMCC No.5641(该菌株的保藏证明及其保藏号已经在专利申请号 为201210176596.1专利上公开)、(6)Geobacillus sp.UTM02： CGMCC No.5642(该菌株的保藏证明及其保藏号已经在专利申请号 为201210177294.6专利上公开)、(7)Bacillus sp.UTM03：CGMCC No.5643(该菌株的保藏证明及其保藏号已经在专利申请号为 201210177647.2专利上公开)。
所述发酵起爆剂还包括助料，所述助料为氯化亚铁、硫酸镁、 硝酸钠和石灰，其中氯化亚铁：硫酸镁：硝酸钠：石灰重量比为 0.05～0.15：0.01～0.03：0.02～0.05：0.05～0.15。所述发酵起爆剂的活 菌数为2.4-4×108个/g。
所述发酵起爆剂的制备方法包括如下步骤：(1)菌种的活化： 将菌株斜面转接至活化培养基平板上，培养至丰厚;
(2)发酵种子液制备：将步骤(1)中的菌种扩大培养;
(3)发酵起爆剂制备：选择主料与辅料及调理剂混合，然后分 别接种步骤(2)中的发酵种子液，将物料风干过筛后添加助料。
步骤(1)中，保存菌种的活化方法是：将4℃保存的生产菌株 斜面转接至活化培养基平板上，培养至丰厚。其中UTM401、UTM 501、UTM601、UTM01、UTM02、UTM03采用LB培养基;UTM 801采用改良YTPG培养基。
LB培养基配方为：胰化蛋白胨10g，酵母提取物5g，NaCl10g， 植物凝胶10g，琼脂15g。
改良YTPG培养基配方为：酵母提取物1.5～2.5g/L，细菌蛋白 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(用固态NaOH调节)，植物凝胶8～12g/L，琼脂 15～20g/L;浸提液制备方法：称取50g～100g一次发酵后腐熟堆肥 (含水率小于30%)，加入250ml蒸馏水，在室温下，150～200rpm 振荡8～16小时;取振荡液在3000～4000rpm下离心5～20min，收集 上清液，得浸提液母液，在4℃保存备用;使用时，用蒸馏水稀释 1～3倍即为培养基浸提液。
步骤(2)中，发酵种子液制备采用常规的发酵方式进行多级扩 培2～4代。其中UTM401、UTM501、UTM601、UTM01、UTM02、 UTM03扩培培养基为LB培养液，各级扩培种子液的OD600在 1.5～3.0之间停止培养;UTM801的扩培培养基为改良YTPG培养液， 培养2-3天停止;
其中，一级种子液采用恒温水浴摇床振荡培养，转速150～200 prm;二级种子液采用发酵罐培养方式，发酵条件为：接菌量(v/v) 3%-10%，罐装量(v/v)70%-80%，间歇通风搅拌：每间隔4-6小时 通气10-30分钟，通气量(v/v)0.8-1.5:1，每隔8～12小时搅拌10-20 分钟，转速150-180rpm，培养2-7天。
步骤(1)、步骤(2)中，保存菌种的活化和扩培培养温度分别 是：UTM40125～40℃;UTM50150～60℃;UTM60150～60℃; UTM01、UTM02、UTM0360～70℃;UTM80170～80℃。
步骤(3)中，所述主料为木薯加工废弃物，辅料为猪粪和草木 灰，调理剂为玉米面或麦麸;所述木薯加工废弃物、猪粪、草木灰、 玉米面或麦麸的混合比例是：(3～4)：(1～3)：(0.8～1.2)：(0.2～0.5); 所述物料混合后发酵堆的高度为1.2～2.0米。
所述各发酵种子液的接种方法是：
接种方式：用适量的调理剂吸附重量百分比相当于总物料干重 0.2%～0.5%的发酵种子液后，均匀撒于物料混合均匀;
接种时机：当发酵最高温度达到50～60℃时接种UTM501、 UTM601及当发酵最高温度达到65℃时接种UTM01、UTM02、 UTM03中的1～3种发酵种子液;当发酵最高温度达到70℃时接种 UTM801;发酵最高温度降至38～45℃接种UTM401发酵种子液。
发酵管理：当发酵最高温度达到70℃以上维持1～2天后，每隔 2～5天翻堆一次，直至温度下降稳定于环境温度。
所述助料及助料添加至风干物料的重量比为：氯化亚铁 (0.08%～0.12%)、硫酸镁(0.01%～0.03%)、硝酸钠(0.02%～0.04%) 石灰(0.05%～0.15%)。
所述污泥含水率为78-82%，两者混合后物料含水率为45-65%。
发酵腐熟物料作为返混料，污泥与返混料的添加比例为1:1-1:2， 含水率在30%以下。
其中，步骤2)中通过强制通风深层好氧发酵。经过3-6次翻堆， 物料水分降至30-40%，发酵周期约10-20天。
堆体高度为2-3米，物料第三天温度即可达到80℃，最高温度 能达到100℃，80℃以上高温可持续7-15天。
好氧发酵过程中，可进行翻堆，可采用小规模铲车或大规模自 动化翻抛设备实现，翻堆时间一般是在堆体温度出现下降的时候。
其中，步骤3)中所述静态发酵时间12-15天，完全腐熟的物料 含水率为30%以下。
完全腐熟的物料可以进一步通过添加有益微生物、氮磷钾养分、 微量元素等物质，经过粉碎、过筛、造粒等工序，制备成生物有机 肥、有机-无机复混肥、精制专用肥等高附加值产品。
本发明的有益效果为：
本发明的污泥超高温好氧发酵工艺升温快，发酵温度高(最高 可达100℃)，高温持续时间长(80℃以上高温可持续7-15天)， 能有效杀灭城市污泥中的病原菌、杂草种子;有机物分解快，发酵 周期短，20-30天即可完全腐熟，大大提高城市污泥处理效率;对城 市污泥减容/减量化效果显著，污泥减量化达60%以上，减容率达80% 以上;专利高温嗜热菌对臭气成分分解率高，完全避免恶臭污染; 投资与运行成本降低15%以上，适于大规模推广。
