微生物垫料及其制备方法和使用其的微生物垫料厕所系统与流程

本发明涉及生物领域，具体而言，涉及微生物垫料及其制备方法和使用其的微生物垫料厕所系统。

背景技术

人类生存与发展面临环境保护、节省能源和可持续循环的尖锐难题，而水是人类赖以生存的宝贵资源。

目前，城市公厕和农村厕所的设计大多采用是水冲进化粪池或进市政排污管网，该种设计在运行后，会出现爆炸、污水二次处理，日常运行成本高、北方过冬、溢罐和资源浪费等问题。

微生物是自然界中生物的一大类群，与人类共同生活，并密切相关，但人们所了解的仅占微生物界不到1％。目前，农业领域已有微生物肥料(菌肥等)，微生物农药(包括杀菌剂、农用抗菌素等)，微生物激素(主要包括赤霉素、酵母菌及细胞分裂素等)，微生物饲料(包括发酵饲料、纤维蛋白饲料、微生物饲料添加剂等)在生产并应用，取得显著成效。

使用微生物垫料在农业饲养畜禽环节得到广泛应用，也取得了很多有益的效果，例如解决养殖场的“三废”排放问题，降低饲料使用，养殖废弃垫料可以做成肥料等。垫料中(特定有益)的微生物能够将人们排泄的粪尿作为扩大菌群的营养源，把粪尿原位快速分解时会产生热量蒸发水分，并生成腐殖酸类、多糖、多肽，氮磷钾养分化合物，co2等小分子简单物质，从而便于农作物吸收。

微生物分解粪尿的适宜温度为5～50℃，在更低的温度下，虽然垫料中的微生物分解粪尿的效率会有所降低，但微生物并不会“冻死”，也不会发生厕所系统“变臭”的现象。同时，本发明中所用微生物的最高耐受温度为80℃，而一般家庭或者公共厕所中发酵所能够达到的发酵温度最高为50℃左右，因而正常使用过程中，也不会导致微生物垫料中的微生物高温死亡。垫料微生物适宜湿度40-70％，而湿度＜40％或＞70％分解粪尿效率会降低，是需要调整垫料中的水分含量。

微生物垫料厕所系统“平移”在农业养殖用发酵床处理畜禽粪便的成功经验，在发酵床养殖基础上，做部分改进和创新，用微生物垫料——生化方法对人的排泄物做到原位快速分解，在人们的使用上与在用的模式差别不大；并做到无恶臭、无水冲、长期周期换垫料和废弃垫料可循环利用。

有鉴于特提出本发明。

技术实现要素：

本发明—微生物垫料(生化)厕所系统，由微生物垫料的制备、垫料厕所底部(垫料池(罐))+厕所上部+配件、垫料厕所日管(新垫料与废垫料更换)和废垫料的制备四部分组成。

第一目的在于提供一种微生物垫料的制备方法，本发明制备方法工艺步骤简便，所制备的微生物垫料能够将人的排泄物原位有效分解，不产生沼气，无爆炸和中毒风险。

第二目的在于提供一种微生物技术解决有机废弃物处理，二次污染问题。

第三目的在于提供一种微生物技术无水冲厕所，解决水资源浪费和污水处理成本问题。

第四目的在于提供一种微生物技术可以解决人们日常生活垃圾中有机部分，湿、粘、臭的问题。

第五目的在于提供一种微生物技术，采用的农业部批准的农用微生物菌株(即：有益菌)，使微生物垫料废弃后简单加工成有机肥料，可循环利用；切实解决——固体有机废弃物生物转化及其资源梯级利用工程技术难题！

第六目的在于提供一种微生物技术，改变古今中外的现有粪污处理模式，建立粪污(有机废弃物)处理新标准，为人们的生活带来便利。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

ⅰ、微生物垫料的制备

一种微生物垫料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：将微生物菌剂与有机废弃物粉料混合后，加水堆料发酵，得到微生物垫料；

其中，所述微生物菌剂包括：地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、戊糖片球菌，以及长柄木霉。堆垛发酵是微生物垫料制备的必要过程，而在微生物垫料填入垫料池(罐)前也必须要进行预发酵，这种预发酵可以达到如下目的：1、有益菌群迅速扩大占位，提高对于人类排泄物的分解利用效率；2、通过高温(＞55℃)过程杀灭自然界杂菌，避免有害菌种对微生物垫料所产生的毒害与污染，使其无法循环利用。

优选的，本发明所述的微生物垫料的制备方法中，地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、戊糖片球菌，以及长柄木霉的质量比为：(10～20)：(20～30)：(20～30)：(25～35)；更优选的，地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、戊糖片球菌，以及长柄木霉的质量比为：(15～20)：(25～30)：(20～35)：(30～35)；进一步优选的，地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、戊糖片球菌，以及长柄木霉的质量比为：20：25：25：30。

优选的，本发明所述的微生物垫料的制备方法中，所述微生物菌剂的制备方法包括如下步骤：

将地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、戊糖片球菌，以及长柄木霉分别扩繁，然后干燥后粉碎、混合，得到微生物菌剂。

优选的，本发明所述的微生物垫料的制备方法中，所述干燥通过加入干燥吸附剂进行；其中，所述干燥吸附剂由麦饭石和/或海泡石，以及农业废弃物混合制得；更优选的，所述农业废弃物包括米糠或稻壳粉中的一种或两种；更优选的，麦饭石和/或海泡石的质量与农业废弃物的质量比为(1～4):(6～9)。

优选的，本发明所述的微生物垫料的制备方法中，有机废弃物包括：秸秆、园林植物废弃物、谷物壳、麦麸，以及玉米皮中的一种或几种的混合物。

优选的，本发明所述的微生物垫料的制备方法中，微生物菌剂的质量千克数与有机废弃物粉料的体积立方米数之比为：1：(2～8)；更优选的，微生物菌剂的质量千克数与有机废弃物粉料的体积立方米数之比为：1：(3～6)；进一步优选的，微生物菌剂的质量千克数与有机废弃物粉料的体积立方米数之比为：1：(4～5)。

优选的，本发明所述的微生物垫料的制备方法中，所述浇水为使得混合物料的含水量达到50～60％。

优选的，本发明所述的微生物垫料的制备方法中，发酵的时间为7～10天；更优选的，在发酵过程中，还进一步包括对料堆进行温度监测的步骤。

本发明微生物垫料厕所系统具有以下优点：1、无需水冲；2、无臭味(新排粪尿不是非常臭，而在自然环境下分解，速度慢，陈粪尿在腐变时，释放出恶臭气(氨气、硫化氢气、粪臭素等)，许多养分随臭气“跑掉”污染周边环境；)；3、粪尿(及其它有机废弃物)原位同时分解；4、无运行成本，无沼气产生爆炸风险，5、垫料自产热可抗东北寒冬，6、公共厕所是垫料池，家用是垫料罐(我国地域辽阔，冬季温度变化大，池罐尺寸就不同)，7、家庭正常使用，垫料可用＞3年，8、清理废垫料时间宽松，9、废弃垫料经过简单加工可以成为有机肥料，实现资源可持续循环利用。

该微生物垫料厕所系统的维护也比较简单，只需要每隔几日将垫料搅动，使得排泄物与垫料充分接触和混合即可，例如可以采用长柄耙子或者电动搅拌器进行搅拌。

进一步的，如上的微生物垫料厕所系统还能够进一步用于天然废弃物(例如剩菜剩饭，或者水果蔬菜残渣等)的分解，可以将这些天然废弃物置于微生物垫料中，进行分解。

所取出的微生物废弃垫料可以进一步经过堆肥处理，经过高温腐熟，得到可以应用的生物肥料，实现对于废弃垫料的有效循环利用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明具体实施方式中，微生物垫料制备流程示意图；

图2为本发明具体实施方式中，堆料垛发酵温度检测方法示意图；

其中，图2(a)为堆料中心剖面不同深度的温度测定方法示意图；图2(b)为测量点3示意图；图2(c)为测量点2示意图；图2(d)为测量点1示意图；

图3为本发明具体实施方式中，堆料垛不同位置温度变化图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

有鉴于现有微生物垫料无法对于人排泄物进行有效分解，从而导致微生物生态厕所系统无法推广使用等实际问题，本发明特提供了一种新型微生物垫料及其制备方法，已解决现有技术问题。

具体的，本发明微生物垫料的制备包括如下步骤：

(a)菌剂制备：

本发明中，主要是通过地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、戊糖片球菌，以及长柄木霉的配合使用，以实现对于人粪尿等排泄物的生物分解和利用；且如上四种菌种均为农业允许使用菌株；

优选的，所用地衣芽孢杆菌：中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，登记证入册编号：cgmccno.4997；

枯草芽孢杆菌：中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，登记证入册编号：cgmccno.4998；

长柄木霉：中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，登记证入册编号：cgmccno.4996；

戊糖片球菌：中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，登记证入册编号：cgmccno.5001。

其中，地衣芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌分别接种于菌用培养液中，然后在发酵罐中进行发酵扩繁；然后，菌株在活力最旺时放罐(扩繁菌数＞200亿个/ml)，并加入干燥吸附剂进行吸附，并在常温(优选的为20～28℃)下干燥，粉碎成粉末；分别得到地衣芽孢杆菌粉和枯草芽孢杆菌粉。

戊糖片球菌属于乳酸菌，因而可以接入乳酸菌通用培养基中；比如mrs培养基，或mrs肉汤；然后在发酵罐中进行扩繁，发酵罐控制最适生长温度35℃，在菌株活力最旺时放罐(扩繁菌数＞80亿个/ml)，并加入干燥吸附剂进行吸附，并在常温(优选的为20～28℃)下干燥，粉碎成粉末；得到戊糖片球菌粉。

长柄木霉接种后，用遥瓶扩繁，再分散于专用固体培养基中发酵；在菌株活力最旺时(扩繁菌数＞4×10⁸个/ml)，在常温(优选的为20～28℃)下干燥，粉碎成粉末；得到长柄木霉粉。

如上四种细菌扩繁得到对应菌粉的过程中，所用干燥吸附剂优选的由麦糠/稻壳粉与麦饭石/海泡石/碳粉混合得到；

优选的，所用麦糠/稻壳粉的粒径为60～80目，所用麦饭石/海泡石/碳粉的粒径为100～120目；

优选的，二者的质量比为7:3(麦糠/稻壳粉：麦饭石/海泡石/碳粉)。

然后，将如上所制备的四种菌粉混合，即得到菌剂，并使得菌剂中的活菌总数5-10亿个/ml即可，制成微生物制剂；

同时，地衣芽孢杆菌粉、枯草芽孢杆菌粉、戊糖片球菌粉和长柄木霉粉等四种菌粉的质量比例为：(10～20)：(20～30)：(20～30)：(25～35)；优选的，地衣芽孢杆菌粉、枯草芽孢杆菌粉、戊糖片球菌粉和长柄木霉粉等四种菌粉的质量比例为：(15～20)：(25～30)：(20～35)：(30～35)；

特别的，地衣芽孢杆菌粉、枯草芽孢杆菌粉、戊糖片球菌粉和长柄木霉粉等四种菌粉的质量比例为：20：25：25：30。

菌剂对于微生物垫料的使用效果，特别是对于人类粪尿等排泄物的原位分解效果，是至关重要的。需要通过多种菌株的相互配合，才能够实现粪尿的高效分解。本发明中，也是通过对于所用菌株种类的搭配选择和优化，从而才能够使得进一步所制备的微生物垫料能够实现对于排泄物的原位有效分解，从而使得微生物生态厕所系统能够实施。

国内外研究和实际应用证明，多菌种的协同作用，使其取长补短、扬长避短，互补缺失，具有比单一菌剂更显著、更稳定、更适用的应用效果；复合型多菌种制剂将成为今后实用化发展方向。

有机质的化学组分：1、含碳有机物质，2、含氮有机物质，3、含磷有机物质，4、含硫有机物质；有机质的质地分纤维素和木质素。

枯草和地衣芽孢杆菌具有固氮、解磷和解钾的功能，这样特性就能分解有机质的1、含碳有机物质，2、含氮有机物质，3、含磷有机物质，4、含硫有机物质；用枯草和地衣芽孢杆菌能分泌多种抗菌杀菌物质特性，抑制多种病虫害的发生。如脂肽类、肽类、磷脂类、类噬体颗粒、细菌素、几丁质酶、蛋白酶等，不仅能够抑制或杀死病原菌，而且还可以克服病原菌对现有的抗菌素的抗性问题。

枯草和地衣芽孢杆菌分泌的抑菌物质不仅能抑制植物病虫害的发生，同时还能对人类肠道致病菌：大肠杆菌、结肠炎耶尔森氏菌、副溶血弧菌、金黄色葡萄球菌、伤寒沙门氏菌和痢疾志贺氏菌等的生长繁殖有效抑制。

自然界广泛存在的糖类物质主要是多糖，包括淀粉、纤维素、半纤维素、果胶和几丁质等，糖类物质是微生物赖以生存的主要碳源物质与能源物质，戊糖片球菌无蛋白水解作用，发酵多种糖产酸不产气，酸环境下更适应菌的生长。

木霉是产纤维素酶活性最高的菌株之一，所产生的纤维素酶对作物秸秆有降解作用，并能强力分解粗纤维、木质素等大分子有机物，使其转化为利于植物吸收利用的小分子物质，效果非常好。

不止上述四种菌株的配伍，还可以加入光合菌等等有益菌，进一步提高菌剂使用效率。利用光合菌特性：能在厌氧光照或好氧黑暗条件下，分解有机物料含硫化物和氨等，作为供氢体兼碳源进行光合作用的微生物。在规模化扩繁光合菌时注意，兼顾厌氧或好氧。

多年实践经验总结，相较于地衣芽孢杆菌粉、枯草芽孢杆菌粉、戊糖片球菌粉，以及长柄木霉粉的单独使用、或者其中任意两种及三种的搭配使用而言，在自然环境下使用，只有将如上这四种菌种配合使用(或再增加几个菌种)，才能够通过菌种间的相互作用，实现到对于粪尿等人体排泄物和日常有机质废弃物原位高效分解，并还能够使得应用其的微生物垫料厕所系统满足厕所使用环境标准要求。如果少于四种菌种，任一种、两种，或者三种菌种独自/搭配伍使用，则所制备的微生物垫料在实际应用中，是无法实现排泄物以及日常有机废弃物原位有效分解的，更无法满足微生物垫料厕所系统在使用中，对于空气中氨浓度、硫化氢浓度、吲哚(粪臭素)、二氧化碳浓度、噪音，等未来环境新标准的要求。

(b)微生物垫料制备

微生物垫料可以进一步由如上所制得的微生物菌剂与有机废弃物混合后，加水发酵制得。

进一步的，在将菌剂和有机废弃物混合发酵前，还优选的需要将这些有机废弃物分别进行粉碎，以得到相应的粉料，从而能够与菌剂进行更为均匀的混合。

其中，所述有机废弃物包括：秸秆(例如玉米秸秆、水稻秸秆、高粱秸秆、大豆秸秆等农业秸秆中的一种或几种)，园林植物废弃物(例如园林枯枝干叶草等)，谷物壳(加工粮食所得副产物，例如稻壳、高粱壳等谷物壳中的一种或几种)，麦麸，以及玉米皮中的一种或几种；

优选的，本发明中，所述有机废弃物为：秸秆(或园林枯枝干叶草)和谷物壳，以及麦麸(或玉米皮)。

同时，优选的，以体积百分数计，有机废弃物粉料的组成为：秸秆(或园林枯枝干叶草)粉料40～60％，例如可以为，但不限于45、50，或者55％等；谷物壳粉料30～50％，例如可以为，但不限于35、40，或者45％等；以及麦麸(或玉米皮)粉料5～20％，例如可以为，但不限于10，或者15％等；

更优选的，以体积百分数计，有机废弃物粉料的组成为：秸秆(或园林枯枝干叶草)粉料50～60％，谷物壳粉料30～40％，麦麸(或玉米皮)粉料10～20％；

进一步优选的，以体积百分数计，有机废弃物粉料的组成为：秸秆(或园林枯枝干叶草)粉料50％，谷物壳粉料40％，麦麸(或玉米皮)粉料10％；

特别的，以体积百分数计，有机废弃物粉料的组成为：秸秆(或园林枯枝干叶草)粉料50％，稻壳粉料40％，麦麸(或玉米皮)粉料10％。

同时，菌剂与有机废弃物(有机废弃物粉料)的比例为1：(2～8)(kg/m³)，例如可以为，但不限于1:3、1:4、1:5、1:6，或者1：7等；

优选的，菌剂与有机废弃物(有机废弃物粉料)的比例为1：(3～6)(kg/m³)；

特别的，菌剂与有机废弃物(有机废弃物粉料)的比例为1：4(kg/m³)。

进一步的，本发明中，可以将菌剂与多种有机废弃物(有机废弃物粉料)混匀后加水堆垛发酵；也可以将菌剂与部分有机废弃物(或者特定种类的有机废弃物)混匀后，再与剩余部分的有机废弃物(剩余部分的有机废弃物也可以先混匀后再进行混合)进行混匀，然后再加水堆垛发酵；

优选的，本发明中，是分别将：菌剂与麦麸粉料/玉米皮粉料混匀；谷物壳粉料与秸秆粉料混匀，稻壳粉料与秸秆粉料混合过程中，还可以适当加入少量水；然后，将分别得到的两种混合物继续混匀，接着堆垛发酵。

在如上过程中，需要控制加水量，并通过加水使得待堆垛发酵的混合物料中含水量达到50～60％(优选为55％)，然后发酵7～10天。

同时，在堆垛发酵过程中，需要对堆料垛进行温度测定，优选的，分别在堆料垛的三个典型点进行温度测定，即堆料外侧斜坡、中部、斜坡三个位置。温度的测定一次为10cm、20cm、30cm、40cm、50cm、60cm、70cm、80cm、90cm、100cm，其中40cm-100cm用长杆温度计测定，10cm-30cm用普通酒精温度计测定。

由如上步骤所制备的微生物垫料，可以进一步作为垫料而用于厕所系统中，而本发明微生物垫料厕所系统，则包含如下四部分：

i、微生物垫料制备；

ii、垫料厕所底部(垫料池(罐)，用于垫料和排泄物装载)+厕所上部(比如蹲便或座便器)+配件(排泄后用以混合排泄物和垫料的混合装置、记录使用人次的计数装置等)；

由于微生物垫料在分解粪尿时可以自发热，因而，本发明微生物垫料厕所系统即使在低温条件下，也能够发挥正常的生物分解作用。然而，如果在极寒冷(冰冻层＞1米)的东北地区还需要进行保温处理，以下方式三选一；1、用住宅的暖气，在罐体下部做3根纵向盘管；2、罐体缠绕保温带；3、罐体做保温层。

iii、垫料厕所日管(新垫料与废垫料更换)；

为保证微生物垫料的分解效率，生态厕所系统中的微生物垫料在使用几年后，需要进行更换，可以用泵车等将垫料抽出。

iv、废弃垫料的制备

使用一段时间的废弃微生物垫料可以经过加工制成有机肥料，实现有机废弃物资源可持续循环利用。

本发明具体的：如果在公共厕所中使用，则可以将由如上方法所制备的微生物垫料铺设于厕所底部，形成垫料池；如果家庭使用，则可以将微生物垫料填充于垫料罐中，并将垫料罐与特为垫料厕所开发的——蹲便+座器连接。

实施例1

按照如下步骤，制备实施例1的生物垫料：

(1)微生物菌剂制备：

(i)将60～80目的麦糠/稻壳粉，与100～120目的麦饭石/海泡石，按照质量比为7:3的比例混合，得到干燥吸附剂。

(ii)将地衣芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌分别接种于菌用培养液中，然后在发酵罐中进行发酵扩繁；然后，菌株在活力最旺时放罐(扩繁菌数＞200亿个/ml)，并加入干燥吸附剂进行吸附，并在常温下干燥，粉碎成粉末，分别得到地衣芽孢杆菌粉和枯草芽孢杆菌粉；

戊糖片球菌接入mrs培养基基中，然后在发酵罐中进行扩繁，发酵罐控制最适生长温度35℃，在菌株活力最旺时放罐(扩繁菌数＞80亿个/ml)，并加入干燥吸附剂进行吸附，并在常温下干燥，粉碎成粉末，得到戊糖片球菌粉；

长柄木霉接种后，用遥瓶扩繁，再分散于专用固体培养基中发酵；在菌株活力最旺时(扩繁菌数＞4×10⁸个/ml)，在常温下干燥，粉碎成粉末，得到长柄木霉粉。

(iii)按照质量比20：25：25：30的比例，将地衣芽孢杆菌粉、枯草芽孢杆菌粉、戊糖片球菌粉和长柄木霉粉等四种菌粉混合，得到微生物菌剂。

(2)微生物垫料制备：

按照微生物菌剂：有机废弃物粉料＝1:4(kg/m³)的比例，进行有机废弃物粉料的量取；

有机废弃物中，各原料体积占比如下：秸秆粉料50％，稻壳粉料40％，以及麦麸粉料10％(如上各种粉料可以由对应的有机废弃物粉碎得到)；

将微生物菌剂与麦麸粉料混合；同时，将稻壳粉料与秸秆粉料混合，并在稻壳粉料和秸秆粉料的混合过程中加入少量水；

如上混合过程可参考图1；

接着，将两种混合后的混合料再次混合均匀，然后加水至混合料中的含水量达到55％，堆垛发酵7-10d，即得到实施例1的微生物垫料；

堆垛发酵期间，检测料堆中心剖面和不同深度的温度，具体方法参考图2，堆料过程中温度变化情况请参考图3。

实验例1

分别将实施例所制得的微生物垫料填充于体积为3m³，且形状相同的垫料罐中，然后将所得垫料罐与马桶相连接，得到实施例1的微生物垫料厕所系统，然后随机在北方某地进行实验测试，实验测试在秋季进行，在人口组成、年龄接近的家庭中进行；同时，以未铺设生物垫料的普通旱厕作为对比；结果如下表所示：

由如上对比数据可知，铺设有本发明实施例微生物垫料的厕所系统能够有效的将人体排泄物分解为氨氮，实现对于排泄物的有效分解和利用。

尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。