一种重金属钝化型有机物料腐熟剂及其制备方法与流程

本发明涉及微生物菌剂污水处理，具体涉及一种重金属钝化型有机物料腐熟剂及其制备方法。

背景技术：

1、近年来，随着农业生产的化肥施用、生活污水排放和生活垃圾焚烧或掩埋越来越多，使得土壤结构受到严重破坏，造成土壤板结、耕地土壤退化、耕层变浅、保水保肥能力下降等，不仅污染生态环境，还会直接影响农作物持续增产、农业提质增效、农民节本增收和农产品质量安全。此外，化肥中含有少量重金属，长期施用化肥可能会因土壤板结引起重金属富集而导致土壤重金属超标，重金属不仅可能会干扰植物的光合作用和呼吸作用，影响植物的营养物质合成和能量代谢；且还会在植物中积累，通过食物、饲料危害人体和牲畜健康。因此，有效合理使用化肥、降低土壤中重金属、改善土壤质量、增产作物及减少环境污染已成为农业安全生产中的一个重要课题。

2、目前，有机物料腐熟剂在农业生产和有机固废处置领域应用非常广泛。然而，现有腐熟剂多因有益微生物能产生糖类物质，它能够与植物粘液、矿物胚体和有机胶体结合在一起，可以改善土壤团粒结构，增强土壤的物理性能和减少土壤颗粒的损失；在一定的条件下，还能参与腐殖质形成。然而，其对土壤和有机废弃物资源化产物中的可交换态重金属含量降低效果不显著，无法缓解土壤中重金属潜在污染问题。

3、因此，研发一种重金属钝化型有机物料腐熟剂及其制备方法，不仅有效弥补现有技术中的不足，且还对降低土壤中可交换态重金属含量、降低重金属污染、改善土壤品质并提升作物产量。

技术实现思路

1、本发明意在提供一种重金属钝化型有机物料腐熟剂及其制备方法，以解决现有技术无法缓解土壤及发酵物料中重金属污染的技术问题。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种重金属钝化型有机物料腐熟剂，包括如下质量份数的原料：构巢曲霉菌粉10～15份、枯草芽孢杆菌菌粉16～25份、琥珀葡萄球菌菌粉12～16份、生物炭20～25份、腐熟猪粪40～50份、尿素2～5份。

3、本方案的原理及优点是：

4、1、本方案通过组合三种微生物获得腐熟剂菌群，便于其在应用过程中协同发挥效果，提升微生物对发酵物料或土壤中有机物进行分解，并对重金属离子进行钝化，达到降低土壤重金属和增加土壤肥力、保水保肥效果。具体的，如构巢曲霉菌粉具备木质素、纤维素分解功能，而枯草芽孢杆菌则具有纤维素分解、溶解土壤中的缓释磷、重金属钝化功能，琥珀葡萄球菌具有重金属钝化功能；三者协同增效，能有效对发酵物料和土壤中有机物料进行分解，便于改善土壤肥力和板结状态，从而有效提升植物产量；且还能利用有机质中碳酸根离子对土壤中的重金属进行沉淀后晶格包裹处理，实现重金属钝化，有效降低土壤中可交换态重金属含量。而重金属分为5种结合形态：可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态以及残余态。其中，可交换态是植物可以吸收的，其他形态植物不可利用，降低可交换态重金属含量即可有效提升土壤生产安全性。

5、2、本方案通过添加尿素水解菌琥珀葡萄球菌，并添加尿素作为诱导剂，有效诱导尿素分解菌分泌脲酶，脲酶能分解添加的尿素和腐熟猪粪中的尿素，从而提升肥力，且分解所得碳酸根也能与重金属形成沉淀，从而降低土壤中可交换态重金属的含量。具体原理如下：本方案通过添加尿素水解菌琥珀葡萄球菌，其合成的脲酶可以催化生物体内部和外部的尿素水解，可以使得尿素水解的速率提高104倍，从而使得生成氨和二氧化碳释放到溶液中后，迅速水解生成co32-和nh4+。尿素水解菌表面一般带负电荷，溶液中的ca2+会被吸附在细菌细胞表面，与水体中的co32-反应，生成caco3沉淀并形成方解石。水解生成的nh4+使得溶液中的ph升高，碱性环境也有利于生成caco3沉淀。而在整个反应过程中，微生物主要起到两个作用，核心作用是提供脲酶分解尿素，另一个是作为碳酸钙晶体的晶核。利用micp技术，微生物在形成方解石的过程中，会与周围环境中部分二价金属离子发生共沉淀。通过共沉淀将这些重金属离子固定在碳酸钙晶体的晶格中，从而达到钝化游离态重金属的目的。

6、3、本方案通过添加生物炭，其作为微生物的载体，不仅便于微生物附着，且还能为微生物继续生长增殖提供空间支撑，使得腐熟剂在改善土壤环境的过程中也能持续保持微生物含量，延长腐熟剂的作用时间，进而进一步提升腐熟剂改善土壤状态、钝化重金属及增产植物的技术效果。生物碳还能通过物理方式改善土壤板结状态，且生物炭能够较好地吸附脲酶分解所得铵根离子，从而降低腐熟剂中nh4+的挥发，并促进保氮过程，进一步提升土壤肥力，进而提升植物产量。

7、优选的，所述构巢曲霉菌粉的菌含量不低于2.0×109cfu/g；枯草芽孢杆菌菌粉的菌含量不低于20.0×109cfu/g；琥珀葡萄球菌菌粉的菌含量不低于15.0×109cfu/g。

8、有益效果：本方案采用上述设置，便于提升腐熟剂中微生物含量，进而保证微生物在施用过程中也能持续生长，延长腐熟剂改善土壤土质时间，进而提升腐熟剂对作物的增产效果和对土壤中重金属的钝化效果。申请人通过长期实验发现，若是菌粉含量过少，则会因三种微生物在发酵物料或土壤中存在含量低或分配不均衡，进而造成发酵周期长、物料腐熟和营养释放不均衡，重金属钝化效果具有局部性等系列问题，最终导致作物增产量以及发酵物料和土壤中重金属钝化效果不显著。

9、优选的，本方案还提供一种重金属钝化型有机物料腐熟剂的制备方法，包括如下步骤：

10、s1、制备微生物菌粉：将构巢曲霉、枯草芽孢杆菌、琥珀葡萄球菌分别液体发酵后，发酵产物经过滤、干燥、粉碎后，获得构巢曲霉菌粉、枯草芽孢杆菌菌粉和琥珀葡萄球菌菌粉；

11、s2、制备生物炭：将作物秸秆经热解、酸处理和破碎过筛，获得生物炭；

12、s3、制备腐熟猪粪：将猪粪经脱水、发酵、后腐熟及筛分形成腐熟猪粪；

13、s4、混合形成腐熟剂：将菌粉、生物炭、腐熟猪粪和尿素按上述比例混合，获得腐熟剂。

14、有益效果：本方案采用上述设置，便于采用农田生态系统中常见原料(秸秆、猪粪等)制备获得能改善土壤肥力、钝化土壤重金属、作物增产的腐熟剂，不仅有效降低腐熟剂的制作成本，还能将农田生态系统中常规副产物变废为宝，提升利用率。

15、优选的，在s2中，所述生物炭的制备步骤如下：从农田回收的作物秸秆，去除薄膜杂物后，经500～700℃无氧热解3～5h，随后依次经破碎、研磨、酸处理、清洗、干燥和过筛，筛下物即为生物炭。

16、有益效果：本方案采用从农田直接采收的作物秸秆制作生物炭，不仅有效提升秸秆的利用率，且本方案制备所得生物炭具有较高的孔隙率，其能有效负载微生物，并对土壤肥力、作物生长及养分吸收起到促进作用，从而提升腐熟剂的效果。

17、优选的，在s2中，所述酸处理为采用1.0m hcl处理24h。

18、有益效果：本方案采用上述设置，便于有效去除生物炭孔隙里的杂质，如重金属等，从而有效提升其对微生物的支撑效果，避免重金属毒害微生物而降低腐熟剂的效果；同时调节活性炭的ph值。

19、优选的，在s2中，所述清洗为采用去离子水处理6～8次。

20、有益效果：本方案采用上述设置，便于去除生物炭中残余hcl；同时调节活性炭的ph值接近中性。

21、优选的，在s3中，所述腐熟猪粪的制备方法如下：将猪粪脱水至含水率50～60％，向猪粪中加入构巢曲霉菌粉和枯草芽孢杆菌菌粉混匀后形成发酵物料，混合发酵10～15天后，通风堆放稳定7～10天后获得腐熟猪粪。

22、有益效果：本方案先通过脱水将猪粪中固液分离，避免多余液体降低腐熟效果；再向组分中加入构巢曲霉菌粉和枯草芽孢杆菌菌粉，两种微生物分解的酶，不仅有效将组分中未消化完全的植物残渣分解为小分子，提升腐熟猪粪中肥力；且还能使两种微生物发酵增殖，较高含量的微生物含量在后续处理后仍然保存较多，便于在其他原料混合腐熟剂施用后，继续将土壤中有机物分解为植物生长所需的营养物质，不仅有效改善土壤肥力，还能促进作物增产，在此过程中，配合尿素分解菌的钝化作用，还能有效降低土壤中可交换态重金属含量。

23、优选的，所述构巢曲霉菌粉和枯草芽孢杆菌菌粉的添加量分别为0.1～0.2％和0.2～0.5％。

24、有益效果：本方案采用上述设置，便于促进猪粪快速发酵腐熟，缩短猪粪腐熟时间，从而提升生产效率。申请人通过长期实验发现，若是菌粉添加量过少，则会因猪粪发酵不均衡、不彻底而降低猪粪腐熟效果；而若是菌粉添加过多，则会因微生物繁殖过多而破坏猪粪载体性质，并大量消耗已分解代谢物导致猪粪失去载体性质和养分流失，从而降低其中营养肥力，进而影响腐熟剂对作物增产效果以及对发酵物料的发酵效果。

25、优选的，混合发酵过程中，包括对发酵物料堆体下方设置暴气装置，并以0.05～0.1m3/(min·m3)的速率通风发酵。

26、有益效果：本方案采用上述设置，通气便于将发酵过程中因局部厌氧产生的氨气和硫化氢置等恶臭气体置换排出，一方面有效改善发酵环境，另一方面，还能为发酵物料中的微生物补充提供氧气，便于其发酵过程中生长增殖并提供物质转化动力，避免发酵过程中微生物因缺氧数量大幅度下滑而影响猪粪发酵效果，具体表现在缺/厌氧环境抑制好氧发酵菌群活性及分解能力，厌氧菌等非目标菌群成为优势菌群，显著降低好氧菌群数量并吸收大量营养成分；同时，在缺/厌氧环境产生的氨气和硫化氢等气体，不能及时、有效外排，对好氧发酵菌群产生毒害作用。申请人实验还发现，若是通气速度过快，则会因气体剪切力过大破坏发酵菌团微环境，伤害细菌细胞，同时气体携带堆体内热量快速外溢，降低发酵温度和微生物活性而影响发酵效果；若是通气速度过慢，也会因三种微生物缺氧、内部温度过高，同时氨气和硫化氢等气体开始毒害微生物，导致其繁殖速率大幅度下滑而影响猪粪发酵效果。

27、优选的，所述混合发酵过程中，还包括对发酵物料翻抛2～3次。

28、有益效果：本方案采用上述设置，便于向发酵物料中通气，提升微生物发酵效果。申请人通过长期实验发现，若是发酵中途不翻抛或翻抛次数过少，则会因发酵物料发酵不均衡，或堆体内局部温度长期过高而降低微生物数量及其活性而减低猪粪发酵效果，而若是翻抛次数过多，则会因堆体温度变化幅度和热量散失过大，影响微生物发酵环境的稳定性而影响猪粪发酵效果，且多次对发酵物料进行翻抛也会增加人力物力，得不偿失。

29、优选的，所述堆放稳定包括将发酵物料转运至厂房自然通风条件下堆放稳定7～10天，所述堆放厚度为50～70cm。

30、有益效果：本方案采用上述设置，便于提升腐熟猪粪中的微生物的稳定性及营养成分，以及腐殖质的积累，进而提升腐熟剂对作物增产效果。申请人通过实验发现，若是堆放厚度过厚，则会因堆体内外温差过大和通风效果差而影响腐熟猪粪稳定性和含水率差异大，而若是堆放过薄，则会大量占用生产场地，使得场地利用率降低，且还会导致腐熟猪粪温度骤降，影响腐熟猪粪稳定性；同时堆体内部水分和营养成分快速流失，不利于腐熟剂的制备和营养成分的存储；而若是堆放时间过短，则会因发酵后腐熟猪粪后腐熟过程未完成，发酵温度未将至常温，水分含量偏高而导致腐熟猪粪与三种菌剂和生物炭混合不均衡，易结块，影响腐熟剂效果，而若是堆放时间过长而导致大量占用生产场地，粉尘沉降影响质量，同时，长期风吹导致腐熟猪粪风化/老化，降低其活性。