一种污泥好氧堆肥复合菌剂及其制备方法和应用

1.本发明涉及微生物发酵技术领域，尤其涉及一种污泥好氧堆肥复合菌剂及其制备方法和应用。


背景技术：

2.随着城镇化水平的不断提高，城市污水处理量也越来越大，并伴随产生了大量的污泥。污泥具有容量大、不稳定、易腐败、有恶臭的特点，若不进行有效处理，则会对其堆放和排放区造成严重的二次环境污染，甚至会使土壤受到不可逆转的毒害，影响周围农作物的生长以及对农作物造成污染。
3.传统的污泥处理方法有焚烧法、填埋法和资源化利用。目前的处理方法多采用焚烧法和填埋法，但焚烧法投资巨大，还易造成大气污染；填埋需要占用大量的土地，还易造成环境的二次污染，且大中城市的土地再生资源极少，无法长期采用填埋法。目前国内外常用的污泥无害化、资源化和稳定化处理技术有：厌氧消化和堆肥等。其中，厌氧消化应用最为广泛，但存在安全隐患、运行管理要求较高；堆肥是一种生物处理方法，因其能充分利用污泥中的成分，可变废为宝，有利于建立循环型经济，但目前用于污泥堆肥处理的菌剂多存在腐熟速度慢、达到高温期的时间长、高温期维持时间短、有机物降解速率慢以及腐熟效果差的缺陷，难以达到较佳的腐熟程度。


技术实现要素：

4.针对现有污泥腐熟存在的上述问题，本发明提供一种污泥好氧堆肥复合菌剂及其制备方法和应用，该复合菌剂用于污泥堆肥具有升温速度快、高温期维持时间长、发酵温度高、腐熟速度快、有机物降解率高、含水率下降快和种子发芽指数高的优势，可显著缩短污泥腐熟周期，提升污泥堆肥质量。
5.为达到上述发明目的，本发明实施例采用了如下的技术方案：一种污泥好氧堆肥复合菌剂，其特征在于：包括巴伦氏类芽孢杆菌（paenibacillus barengoltzii）tz-1、地衣芽孢杆菌（bacillus licheniformis）td-4和热反硝化地芽孢杆菌（geobacillus thermodenitrificans）hx-4；所述巴伦氏类芽孢杆菌（paenibacillus barengoltzii）tz-1的保藏编号为cgmcc no.23696，所述地衣芽孢杆菌（bacillus licheniformis）td-4的保藏编号为cgmcc no.24154，所述热反硝化地芽孢杆菌（geobacillus thermodenitrificans）hx-4的保藏编号为cgmcc no.24155。
6.相对于现有技术，本发明提供的污泥好氧堆肥复合菌剂通过将上述巴伦氏类芽孢杆菌tz-1、地衣芽孢杆菌td-4和热反硝化地芽孢杆菌三种菌的联合使用，使其用于污泥堆肥中，可以显著提升污泥堆肥的升温速率和高温发酵期的温度，使污泥在发酵的第二天温度就可超过66℃，七天内温度超过80℃，发酵的最高温度峰值可达到85℃以上；且使污泥堆肥的高温期（50℃以上）维持时间产较长，高温期可持续11-12d，显著缩短污泥的腐熟周期。
同时该复合菌剂还能加快污泥中有机物的降解，提高有机物的降解率，快速降低污泥的含水量，提升污泥堆肥的种子发芽指数和品质。
7.优选的，所述污泥好氧堆肥复合菌剂中，巴伦氏类芽孢杆菌tz-1、地衣芽孢杆菌td-4和热反硝化地芽孢杆菌hx-4的活菌数比值为1:1-3:1-3。
8.上述优选的三种菌剂的使用比例，可以进一步缩短污泥堆肥达到高温期的时间，并提升发酵的温度。
9.优选的，所述污泥好氧堆肥复合菌剂还包括可堆肥用辅料。
10.优选的，所述可堆肥用辅料为稻壳粉。
11.稻壳粉的选择可以进一步提升污泥堆肥的好氧发酵速率，保证复合菌剂在污泥中的菌体活性。
12.优选的，所述污泥好氧堆肥复合菌剂中的活菌总数≥1
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13.上述优选的污泥好氧堆肥复合菌剂中的活菌总数可以进一步提升污泥好氧发酵的高温期维持时间。
14.本发明还提供了所述污泥好氧堆肥复合菌剂的制备方法，该制备方法包括：将巴伦氏类芽孢杆菌tz-1、地衣芽孢杆菌td-4和热反硝化地芽孢杆菌hx-4的发酵液按照所述污泥好氧堆肥复合菌剂中的各活菌数比例混合后，喷散在可堆肥用辅料上，干燥得到所述污泥好氧堆肥复合菌剂。
15.本发明提供的污泥好氧堆肥复合菌剂的制备方法操作简单，并可使菌体均匀分布在辅料上。
16.优选的，所述巴伦氏类芽孢杆菌tz-1的发酵液的制备方法为：将活化后的巴伦氏类芽孢杆菌tz-1接种到lb液体培养基中，在40-50℃下摇培20-30h得到tz-1种子液，将所述tz-1种子液接种到脂肪酶发酵培养基中，在40-50℃下发酵培养45-50h，得到所述巴伦氏类芽孢杆菌tz-1的发酵液。
17.所述脂肪酶发酵培养基（1000ml）的配方为：葡萄糖4-6g，蛋白胨1.8-2.2g，尿素5-7g，三水磷酸氢二钾0.8-1.2g，硫酸铵0.8-1.2g，七水硫酸镁0.4-0.6g，三丁酸甘油酯8-12ml，蒸馏水补足至1000ml。
18.优选的，所述地衣芽孢杆菌td-4的发酵液的制备方法为：将活化后的地衣芽孢杆菌td-4接种到lb液体培养基中，在40-55℃下摇培30-40h得到td-4种子液，将所述td-4种子液接种到蛋白酶发酵培养基中，在40-55℃下发酵培养45-50h，得到所述地衣芽孢杆菌td-4的发酵液。
19.所述蛋白酶发酵培养基（1000ml）的配方为：葡萄糖1.8-2.2g，蛋白胨1.8-2.2g，碳酸钙1.8-2.2g，硫酸亚铁0.4-0.6g，硫酸铵0.8-1.2g，七水硫酸镁1.8-2.2g，磷酸氢二钾1.8-2.2g，七水磷酸二氢钾0.4-0.6g，蒸馏水补足至1000ml。
20.优选的，所述热反硝化地芽孢杆菌hx-4的发酵液的制备方法为：将活化后的热反硝化地芽孢杆菌hx-4接种到lb液体培养基中，在60-70℃下摇培30-35h得到hx-4种子液，将所述hx-4种子液接种到纤维素酶发酵培养基中，在60-70℃下发酵培养55-65h，得到所述热反硝化地芽孢杆菌hx-4的发酵液。
21.所述纤维素酶发酵培养基（1000ml）的配方为：羧甲基纤维素钠8-12g，蛋白胨8-12g，酵母提取物8-12g，硫酸铵1.8-2.2g，磷酸二氢钾3.5-4.5g，二水氯化钙0.25-0.35g，七
水硫酸镁0.25-0.35g，蒸馏水补足至1000ml。
22.上述lb液体培养基的配方为：氯化钠8-12g，蛋白胨8-12g，酵母浸粉4-6g，蒸馏水补足至1000ml。
23.本发明还提供了所述污泥好氧堆肥复合菌剂在作为污泥堆肥用菌剂中的应用。
24.本发明提供的污泥好氧堆肥复合菌剂用于作为污泥堆肥用菌剂，可以显著提升污泥发酵的速率、发酵温度、高温期持续时间等，并使腐熟产物具有较高的种子发芽指数，降低污泥中的毒害物质含量，有效提升污泥堆肥资源化利用的品质。
25.优选的，所述污泥好氧堆肥复合菌剂与污泥的质量比为1:3-5。
附图说明
26.图1是本发明试验例中的空白组与试验组污泥堆肥的温度随时间变化的曲线图；图2是本发明试验例中的空白组与试验组的污泥堆肥在发酵不同时间后的含水率统计柱形图；图3是本发明试验例中的空白组与试验组的污泥堆肥中的toc含量和有机物含量随时间变化的统计图；图4是本发明试验例中的空白组和试验组污泥堆肥的gi值随时间变化的曲线图。
具体实施方式
27.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
28.实施例1一种污泥好氧堆肥复合菌剂，包括巴伦氏类芽孢杆菌（paenibacillus barengoltzii）tz-1、地衣芽孢杆菌（bacillus licheniformis）td-4和热反硝化地芽孢杆菌（geobacillus thermodenitrificans）hx-4；所述巴伦氏类芽孢杆菌（paenibacillus barengoltzii）tz-1的保藏编号为cgmcc no.23696，于2021年11月01日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏地址为北京市朝阳区北辰西路1号院3号；所述地衣芽孢杆菌（bacillus licheniformis）td-4的保藏编号为cgmcc no.24154，于2021年12月21日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏地址为北京市朝阳区北辰西路1号院3号；所述热反硝化地芽孢杆菌（geobacillus thermodenitrificans）hx-4的保藏编号为cgmcc no.24155，于2021年12月21日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏地址为北京市朝阳区北辰西路1号院3号。
29.上述污泥好氧堆肥复合菌剂的制备方法为：1）培养基的准备：lb液体培养基：氯化钠10g，蛋白胨10g，酵母浸粉5g，蒸馏水补足至1000ml；脂肪酶发酵培养基：葡萄糖5g，蛋白胨2g，尿素6g，三水磷酸氢二钾1g，硫酸铵1g，七水硫酸镁0.5g，三丁酸甘油酯10ml，用蒸馏水补足至1000ml；蛋白酶发酵培养基：葡萄糖2g，蛋白胨2g，碳酸钙2g，硫酸亚铁0.5g，硫酸铵1g，七
水硫酸镁2g，磷酸氢二钾2g，七水磷酸二氢钾0.5g，蒸馏水补足至1000ml；纤维素酶发酵培养基：羧甲基纤维素钠10g、蛋白胨10g，酵母提取物10g、硫酸铵2g、磷酸二氢钾4g、二水氯化钙0.3g、七水硫酸镁0.3g、蒸馏水补足至1000ml。
30.2）菌体发酵液的制备：巴伦氏类芽孢杆菌tz-1的发酵液的制备方法为：将活化后的巴伦氏类芽孢杆菌tz-1接种到lb液体培养基中，在45℃下摇培24h得到tz-1种子液，将所述tz-1种子液接种到脂肪酶发酵培养基中，在45℃下发酵培养48h，得到所述巴伦氏类芽孢杆菌tz-1的发酵液；地衣芽孢杆菌td-4的发酵液的制备方法为：将活化后的地衣芽孢杆菌td-4接种到lb液体培养基中，在50℃下摇培34h得到td-4种子液，将所述td-4种子液接种到蛋白酶发酵培养基中，在50℃下发酵培养48h，得到所述地衣芽孢杆菌td-4的发酵液；热反硝化地芽孢杆菌hx-4的发酵液的制备方法为：将活化后的热反硝化地芽孢杆菌hx-4接种到lb液体培养基中，在65℃下摇培32h得到hx-4种子液，将所述hx-4种子液接种到纤维素酶发酵培养基中，在65℃下发酵培养60h，得到所述热反硝化地芽孢杆菌hx-4的发酵液。
31.3）按照巴伦氏类芽孢杆菌tz-1、地衣芽孢杆菌td-4和热反硝化地芽孢杆菌hx-4的活菌数比值为1:2:2的比例，将步骤2）中得到的三种发酵液混合，并将得到的混合发酵液均匀喷洒于稻壳粉（粒径为20目）中，得到污泥好氧堆肥复合菌剂，使污泥好氧堆肥复合菌剂中的活菌总数达到1
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108cfu/g。
32.实施例2一种污泥好氧堆肥复合菌剂，包括实施例1中的巴伦氏类芽孢杆菌（paenibacillus barengoltzii）tz-1、地衣芽孢杆菌（bacillus licheniformis）td-4和热反硝化地芽孢杆菌（geobacillus thermodenitrificans）hx-4；上述污泥好氧堆肥复合菌剂的制备方法为：1）培养基的准备：lb液体培养基：氯化钠8g，蛋白胨8g，酵母浸粉4g，蒸馏水补足至1000ml；脂肪酶发酵培养基：葡萄糖4g，蛋白胨1.8g，尿素5g，三水磷酸氢二钾0.8g，硫酸铵0.8g，七水硫酸镁0.4g，三丁酸甘油酯8ml，蒸馏水补足至1000ml；蛋白酶发酵培养基：葡萄糖1.8g，蛋白胨1.8g，碳酸钙1.8g，硫酸亚铁0.4g，硫酸铵0.8g，七水硫酸镁1.8g，磷酸氢二钾1.8g，七水磷酸二氢钾0.4g，蒸馏水补足至1000ml；纤维素酶发酵培养基：羧甲基纤维素钠8g，蛋白胨8g，酵母提取物8g，硫酸铵1.8g，磷酸二氢钾3.5g，二水氯化钙0.25g，七水硫酸镁0.25g，蒸馏水补足至1000ml。
33.2）菌体发酵液的制备：巴伦氏类芽孢杆菌tz-1的发酵液的制备方法为：将活化后的巴伦氏类芽孢杆菌tz-1接种到lb液体培养基中，在40℃下摇培30h得到tz-1种子液，将所述tz-1种子液接种到脂肪酶发酵培养基中，在40℃下发酵培养50h，得到所述巴伦氏类芽孢杆菌tz-1的发酵液；地衣芽孢杆菌td-4的发酵液的制备方法为：将活化后的地衣芽孢杆菌td-4接种到lb液体培养基中，在40℃下摇培40h得到td-4种子液，将所述td-4种子液接种到蛋白酶发酵培养基中，在40℃下发酵培养50h，得到所述地衣芽孢杆菌td-4的发酵液；热反硝化地芽孢杆菌hx-4的发酵液的制备方法为：将活化后的热反硝化地芽孢杆
菌hx-4接种到lb液体培养基中，在60℃下摇培35h得到hx-4种子液，将所述hx-4种子液接种到纤维素酶发酵培养基中，在60℃下发酵培养65h，得到所述热反硝化地芽孢杆菌hx-4的发酵液。
34.3）按照巴伦氏类芽孢杆菌tz-1、地衣芽孢杆菌td-4和热反硝化地芽孢杆菌hx-4的活菌数比值为1:1:1的比例，将步骤2）中得到的三种发酵液混合，并将得到的混合发酵液均匀喷洒于稻壳粉（粒径为20目）中，得到污泥好氧堆肥复合菌剂，使污泥好氧堆肥复合菌剂中的活菌总数达到1
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35.实施例3一种污泥好氧堆肥复合菌剂，包括实施例1中的巴伦氏类芽孢杆菌（paenibacillus barengoltzii）tz-1、地衣芽孢杆菌（bacillus licheniformis）td-4和热反硝化地芽孢杆菌（geobacillus thermodenitrificans）hx-4；上述污泥好氧堆肥复合菌剂的制备方法为：1）培养基的准备：lb液体培养基：氯化钠12g，蛋白胨12g，酵母浸粉6g，蒸馏水补足至1000ml；脂肪酶发酵培养基：葡萄糖6g，蛋白胨2.2g，尿素7g，三水磷酸氢二钾1.2g，硫酸铵1.2g，七水硫酸镁0.6g，三丁酸甘油酯12ml，蒸馏水补足至1000ml；蛋白酶发酵培养基：葡萄糖2.2g，蛋白胨2.2g，碳酸钙2.2g，硫酸亚铁0.6g，硫酸铵1.2g，七水硫酸镁2.2g，磷酸氢二钾2.2g，七水磷酸二氢钾0.6g，蒸馏水补足至1000ml；纤维素酶发酵培养基：羧甲基纤维素钠12g，蛋白胨12g，酵母提取物12g，硫酸铵2.2g，磷酸二氢钾4.5g，二水氯化钙0.35g，七水硫酸镁0.35g，蒸馏水补足至1000ml。
36.2）菌体发酵液的制备：巴伦氏类芽孢杆菌tz-1的发酵液的制备方法为：将活化后的巴伦氏类芽孢杆菌tz-1接种到lb液体培养基中，在50℃下摇培20h得到tz-1种子液，将所述tz-1种子液接种到脂肪酶发酵培养基中，在50℃下发酵培养45h，得到所述巴伦氏类芽孢杆菌tz-1的发酵液；地衣芽孢杆菌td-4的发酵液的制备方法为：将活化后的地衣芽孢杆菌td-4接种到lb液体培养基中，在55℃下摇培30h得到td-4种子液，将所述td-4种子液接种到蛋白酶发酵培养基中，在55℃下发酵培养45h，得到所述地衣芽孢杆菌td-4的发酵液；热反硝化地芽孢杆菌hx-4的发酵液的制备方法为：将活化后的热反硝化地芽孢杆菌hx-4接种到lb液体培养基中，在70℃下摇培30h得到hx-4种子液，将所述hx-4种子液接种到纤维素酶发酵培养基中，在70℃下发酵培养55h，得到所述热反硝化地芽孢杆菌hx-4的发酵液。
37.3）按照巴伦氏类芽孢杆菌tz-1、地衣芽孢杆菌td-4和热反硝化地芽孢杆菌hx-4的活菌数比值为1:3:3的比例，将步骤2）中得到的三种发酵液混合，并将得到的混合发酵液均匀喷洒于稻壳粉（粒径为20目）中，得到污泥好氧堆肥复合菌剂，使污泥好氧堆肥复合菌剂中的活菌总数达到1
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108cfu/g。
38.试验例使用污泥取自河北省石家庄市污水处理厂脱水污泥，颜色呈棕黑色，无明显臭味。
39.将实施例1得到的污泥好氧堆肥复合菌剂与脱水污泥按照1:4的质量比混合，得到污泥堆肥。上述脱水污泥和复合菌剂的组成成分如表1所示。
40.表1堆肥原料的组成堆肥ph含水率/%toc/%tn/%c/n有机物含量%脱水污泥7.1383.5635.283.948.9553.13复合菌剂6.7010.6140.950.5771.8479.59实验分组，分别设置两个污泥堆肥发酵处理组，其中一组为空白组（即污泥中不加复合菌剂），另外一组为上述向污泥中添加实施例1中得到的复合菌剂的试验组。将空白组和试验组均进行曝气处理，曝气采用正压曝气，曝气量为1.5l/min，以通风30min停10min来进行间歇式曝气。并在污泥堆肥过程中的第0、3、5、8、14、21天进行翻堆，总发酵时间为21d。
41.样品采集及保存：每次翻堆时进行取样，从堆体的上、中、下部位各取200g堆肥样品，混合均匀后分成两份。一份在4℃条件下保存，在24h内测定含水率，并制备蒸馏水浸提液测定ph和种子发芽指数（gi）；另一份风干后粉碎备用，用于测定总有机碳（toc）、总氮（tn）和有机物含量。其中，蒸馏水浸提液制备方法为：称取10g堆肥样品，然后用去离子水与污泥以10:1[v(ml):w(g)]的比例混合后在25℃条件下振荡1h，然后在4000r/min下离心15min，取上清液，用于测定样品中ph和gi。
[0042]
堆肥温度检测：堆肥温度能够反映出堆肥体系中各组分的反应活性以及有机物料的降解能力，并可直接反映出堆肥体系的应用效果。
[0043]
图1分别显示了空白组、试验组和环境温度的变化情况。试验用堆肥反应器的初始温度为20℃。堆肥开始阶段，试验组的堆体温度迅速上升，第2天达到66.08℃，第7天达到峰值85.25℃，超高温期(≥80℃)维持了5天，到第14天温度下降到43.01℃，到第18天趋于稳定。空白组的堆体温度上升较慢，到第7天达到最高温度69.48℃，之后温度缓慢下降，到第14天为43.54℃。在21天的堆肥处理中，试验组的温度在50℃以上维持11-12天，堆体温度上升速度快，最高温度相对于空白组明显提升，且高温期持续更长。
[0044]
堆肥含水率检测：含水率是影响微生物生长的重要因素，也是判断腐熟度的关键指标。试验组和空白组的含水率变化如图2所示，其变化趋势先略有上升后显著下降，含水率在第3天稍有上升，主要是因为其中的糖类等易分解有机物分解产生少量水。随堆肥温度提升，堆体内水分会不断挥发到空气中，其中的水分又马上下降。21天的堆肥进程中，试验组的含水率由初始的66.89%下降到第21天的34.21%，共减少了32.68%，空白组的含水率由初始的65.00%下降到第21天的44.75%，减少了20.25%。在堆肥结束时，试验组的含水率低于40%，符合《城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质》(gb/t 23486—2009)的要求。这说明接种本发明提供的复合菌剂对于降低污泥中的水分更加有利。
[0045]
有机物含量和toc的变化检测：检测结果如图3所示，随着堆肥的进行，试验组和空白组的有机物含量变化呈逐渐降低趋势，且试验组的有机物含量比空白组降低更快。在堆肥的初期，由于污泥中存在糖类等低分子易降解有机物，有机物含量下降速度较快。经过21天，试验组中有机物含量从60.88%下降至39.16%，空白组中有机物含量从59.19%下降至46.83%，说明试验组的有机物降解速度明显比空白组快。
[0046]
堆肥过程中试验组和空白组的toc都呈现下降趋势，说明微生物不断分解利用转化堆体中的碳源。试验组和空白组中的toc由初始的33.81%和32.97%下降至第21天的23.77%和26.13%，且试验组比空白组前期下降速度更快，表示试验组的微生物代谢较旺盛，能加速有机物的降解，对腐殖质的形成比空白组更好，以至于试验组的toc含量较少。
[0047]
种子发芽指数检测：种子发芽指数（gi）是用来反应堆肥过程中对种子生长的抑制变化情况，是评价腐熟度的一个生物学指标。检测结果如图4所示，空白组和试验组的gi值变化趋势是先下降后上升。堆肥开始时，试验组和空白组的初始gi值分别为41.04%和42.24%，随着堆肥的进行，有机物快速分解，产生大量对植物具有毒性的小分子物质，如nh3和有机酸等，试验组和空白组中的gi值分别降低至第5天的8.74%和第8天的2.79%，说明试验组降解有机物速率比空白组更快。随后其中的有机物含量减少，对植物具有毒性的小分子物质含量也逐渐减少，在堆肥的第5天，试验组的种子发芽指数慢慢升高，且高于空白组。在堆肥的第21天，试验组的gi值高达97.61%，而空白组的gi值为74.90%。研究表明，当gi值大于50%时，说明堆肥产品基本达到腐熟，当gi值大于80%时，表明堆肥产品已经腐熟。因此，试验组在堆肥结束时达到了腐熟，且可以更快地达到腐熟，而空白组在堆肥结束时只能基本达到腐熟。
[0048]
采用试验例中的上述方法，检测实施例2和实施例3中得到的复合菌剂用于污泥堆肥中的各项指标（堆肥温度、含水率、toc含量、有机物含量和种子发芽指数），检测结果与实施例1中的复合菌剂用于污泥堆肥的效果基本相当。
[0049]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。