CN106116946A - 一种修复土壤重金属的生物有机肥料及其制备方法 - Google Patents

一种修复土壤重金属的生物有机肥料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种修复土壤重金属的生物有机肥料，通过将动物粪便、秸秆、餐厨垃圾和经过特殊处理的微生物混合菌群制成生物有机肥料，可降低土壤高价重金属离子含量8％以上；减少作物对重金属富集10％以上；特别是对于Cr的还原达到70％以上；使作物增产5％以上，并且具有保水、保肥和改良土壤结构等多种功效，是一种低成本、高效、简便、环境友好的新型生物修复方法。

Description

一种修复土壤重金属的生物有机肥料及其制备方法
技术领域
本产品涉及农业肥料技术领域，特别是涉及一种修复土壤重金属的生物有机肥料。
背景技术
目前，由于人类对重金属的开采、冶炼、加工及商业制造活动日益增多，造成不少重金属如铅、汞、镉、钴等进入大气、水、土壤中，引起严重的环境污染，土壤的重金属污染更是个日益严重的环境问题，已经引起中央政府的高度关注，在《2016年中央对地方税收返还和支付预算表》中，用于土壤污染专性治理的预算经费高达90.89亿元。土壤重金属污染物主要来源于污水灌溉、工业废渣、城市垃圾、工业废弃物堆放及大气沉降。污水中占较大比例的工业废水的成分比较复杂，且都不同程度的含有生物难以降解的多种重金属，是土壤重金属污染物的主要来源。目前，全世界平均每年排放Hg约1.5万吨，Cu约340万吨，Pb约500万吨，Mn约1500万吨，Ni约100万吨。据我国农业部调查，在约140万公顷的污水灌区中，遭受重金属污染的土地面积占污水灌区面积的64.8％，其中轻度污染的占46.7％，中度污染的占9.7％，严重污染的占8.4％。
国内外用来降解或消除土壤重金属污染的方法基本上可以分为物理法、化学修复技术、生物修复技术等3大类。物理/化学修复技术主要基于土壤理化性质和重金属的不同特性，通过物理化学手段来分离或固定土壤中的重金属达到清洁土壤和降低污染物环境风险和健康风险的技术手段。物理化学修复技术包括换土、客土、深耕翻土等法，土壤淋洗法，热解吸法、玻璃化技术、电动修复等。物理化学技术实施方便灵活，周期较短，适用于多种重金属的处理，在重金属污染土壤工程的修复中得到广泛应用，但该技术实施的工程量较大，成本较高，一定程度上限值其推广应用。因此，迫切需要发展一种低成本、高效、简便、环境友好的新型生物修复方法。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种高效、简便、环境友好的修复土壤重金属的生物有机肥料。
近些年来，由于农业机械化程度的提高，从而使农业机械取代了牲畜。从而使秸秆用作饲料的量大大减少。每年农作物成熟的时候，农民收割作物以后手中剩下的大量秸秆便只能焚烧处理。秸秆露天焚烧污染大气、浪费资源，严重到甚至已影响和干扰了经济的正常秩序，形成新的安全隐患。将秸秆处理制成生物有机肥，不仅避免了焚烧带来的环境污染和资源浪费，而且能够通过一系列生物化学反应将秸秆分解成较稳定的腐殖质，补充氮、磷、钾等作物必需的营养元素，从而改善土壤结构。同时餐厨垃圾也是导致城市污染的重要原因之一。为此，在本发明中还有效利用了餐厨垃圾丰富的营养，经发酵和生物转化为生物有机肥料，从而变废为宝，降低城市污染。
根据文献报道，胶质芽孢杆菌(Bacillus mucilaginosus)对重金属铬是一种有效的微生物吸附剂(高玉振，2015)；酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)菌株不仅是具有实用潜力的生物吸附剂，也是研究重金属生物吸附机理的良好材料(陈灿，2006)；黑曲霉(Aspergillus niger)能够很好的抗重金属并具有很好的富集重金属的能力(樊霆，2012)。
为此，本发明利用胶质芽孢杆菌、酿酒酵母和黑曲霉，结合畜禽粪、农田秸秆和餐厨垃圾，混合堆置制备能够脱重金属的生物有机肥，将有效降低土壤中重金属离子的毒性；同时，结合有机肥对土壤进行修复，改善土壤结构，促进植物对营养元素的吸收，达到健壮植株、增强坑逆性、提高作物产量、降低环境污染和保障人们生活健康的目的。
一种修复土壤重金属的生物有机肥料，包括以下重量百分比的成分：
优选的，所述的秸秆-粪便肥料包括以下主要成分：
优选的，所述的畜禽粪便为鸡粪和牛粪等量混合而成。
一种修复土壤重金属的生物有机肥料的制备方法，包括以下步骤：
(1)微生物菌剂的制备
A、酿酒酵母菌剂的制备方法：取酿酒酵母菌种，加入30℃水中恒温搅拌直至完全溶解，所得到的液体加至液体培养基中，培养4-6d后检测菌体密度达到1.5-3.1×109cfu/mL，即得酿酒酵母菌剂；
B、胶质芽孢杆菌菌剂的制备方法：取胶质芽孢杆菌菌种，加入水中恒温搅拌至完全溶解；所得到的液体加至液体培养基中，150rpm，30-35℃下恒温震荡培养4-6d，使得菌体密度达到6.2-8.3×109cfu/mL即得胶质芽孢杆菌菌剂；
C、黑曲霉菌剂的制备方法：取黑曲霉菌种，加入水中恒温搅拌直至完全溶解，把所得到的液体加入到无机盐溶液中，将无机盐溶液与配料混合，进行搅拌接种，25-30℃下恒温发酵4-6d后即得黑曲霉菌剂；
(2)秸秆-粪便堆肥腐熟
取秸秆粉碎为直径小于2mm的碎末，加入餐厨垃圾混匀，再加入腐熟剂和畜禽粪便，保持水分在60％-70％，控制堆肥高度为1.5米，控制温度为25-35℃条件下堆积腐熟23-26d；之后堆积腐熟升温，使得温度达到60-70℃，维持2-3d，制得腐熟的秸秆-粪便堆肥；
(3)生物有机肥的制备
将上述制得的秸秆-粪便肥料进行摊晾，使其温度降至30-35℃后，均匀混入胶质芽孢杆菌菌剂，并添加尿素、硫酸镁、以及活性炭与硼砂，充分混合发酵2-3d；发酵完成后加入酿酒酵母菌剂和黑曲霉菌剂混合均匀后控制温度25℃再次发酵2-3d；将发酵后的混合物进行干燥、计量装袋，即得生物有机肥料。
优选的，所述的酿酒酵母菌剂液体培养基的组成为：20g蛋白胨、10g酵母抽提物、2g葡萄糖，适量双蒸水溶解，再加入15ml 0.2％腺嘌呤溶液，定容到1L；120℃高压灭菌15min。
优选的，所述的胶质芽孢杆菌菌剂的液体培养基的组成为：蔗糖10g、酵母浸膏0.3g、硫酸铵0.5g、碳酸钙0.5g、七水硫酸镁0.5g、磷酸氢二钾1g，调整pH值7.0-7.5并定容到1L。
优选的，所述的无机盐溶液的成分为：NaCl 1份，CaCl2 0.5份，KCl 0.5份，K2HPO40.5份，NaHCO3 0.25份，MgSO4 1份，FeSO4·7H2O0.025份，蒸馏水2000份；所述的配料混合为：麸皮2000份，豆饼粉2000份，花生秸秆粉1000份。
与现有技术相比本发明的有益效果为：本发明制备的生物有机肥料有机质≥60％，有效活菌数≥0.5亿/g，粪大肠菌群数≤30个/g。与普通化肥相比(100kg/亩)，可降低土壤高价重金属离子含量8％以上；减少作物对重金属富集10％以上；特别是对于Cr的还原达到70％以上；使作物增产5％以上，并且具有保水、保肥和改良土壤结构等多种功效。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
一种修复土壤重金属的生物有机肥料的制备方法，包括以下步骤：
(1)微生物菌剂制备
酿酒酵母菌剂的制备方法：取酿酒酵母菌种20份，加入30℃五倍质量的水恒温搅拌0.5h直至完全溶解，所得到的液体加至1L体积的液体培养基中，培养5d后检测菌体密度达到2.2×109cfu/mL。
液体培养基的组成部分为：20g蛋白胨、10g酵母抽提物、2g葡萄糖，适量双蒸水溶解，再加入15ml 0.2％腺嘌呤溶液，定容到1L；120℃高压灭菌15min。
胶质芽孢杆菌菌剂的制备方法：取胶质芽孢杆菌菌种20份，加入35℃五倍质量的水恒温搅拌0.5h直至完全溶解；所得到的液体加至1L体积的液体培养基中，150rpm，32℃下恒温震荡培养6d，使得菌体密度达到7.8×109cfu/mL。
液体培养基的组成为：蔗糖10g、酵母浸膏0.3g、硫酸铵0.5g、碳酸钙0.5g、七水硫酸镁0.5g、磷酸氢二钾1g，调整pH值7.0-7.5并定容到1L。
黑曲霉菌剂的制备方法：取黑曲霉菌种20份，加入30℃五倍质量的水恒温搅拌0.5h直至完全溶解，把所得到的液体加入到无机盐溶液中，将无机盐溶液(NaCl 1g，CaCl20.5g，KCl 0.5g，K2HPO4 0.5g，NaHCO3 0.25g，MgSO4 1g，FeSO4·7H2O 25mg，蒸馏水2L)与5kg配料混合(麸皮：豆饼粉：花生秸秆粉＝2:2:1)进行搅拌接种。28℃下恒温发酵5d后即得黑曲霉菌剂。
(2)秸秆-粪便堆肥腐熟
取秸秆粉碎为直径小于2mm的碎末，加入餐厨垃圾混匀，再加入腐熟剂和畜禽粪便，保持水分在60％-70％，控制堆肥高度为1.5米，控制温度为30℃条件下堆积腐熟25d；之后堆积腐熟升温，使得温度达到60-70℃，维持2d，制得腐熟的秸秆-粪便堆肥；
(3)生物有机肥的制备
将上述制得的秸秆-粪便肥料进行摊晾，使其温度降至30℃后，均匀混入胶质芽孢杆菌菌剂，并添加尿素、硫酸镁、以及0.5％的活性炭与0.1％的硼砂，充分混合发酵2d；发酵完成后加入1％的酿酒酵母菌剂和1％的黑曲霉菌剂混合均匀后控制温度25℃再次发酵3d；将发酵后的混合物进行干燥、计量装袋，即得生物有机肥料。
所述的修复土壤重金属的生物有机肥料，包括以下重量百分比的成分：
所述的秸秆-粪便肥料包括以下主要成分：
所述的畜禽粪便为鸡粪和牛粪等量混合而成。
所述的50％秸秆包括20％玉米秸秆，20％水稻秸秆，10％小麦秸秆。
各实施例中生物有机肥料的各重量百分比的成分请见下表：
各实施例中秸秆-粪便肥料的各重量百分比的成分请见下表：
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 实施例6 实施例7
秸秆 50 40 45 55 60 65 45
腐熟剂 1 0.8 0.9 1.5 1.2 1.5 1
餐厨垃圾 5 3 5 8 7 6 5
畜禽粪便 余量 余量 余量 余量 余量 余量 余量
对本发明制备的生物有机肥料进行测试得到如下数据：
将本发明的肥料应用于水稻种植，测试一年后重金属处理效果并与普通的复合肥(N:P2O5:K2O＝2:1:3)进行对比，得到如下数据：
施肥量：100kg/亩，可降低土壤高价重金属离子含量8.5-10％；减少作物对重金属富集12-15％；对于Cr的还原达到75-80％；使作物增产6-8％。
以下为对比实施例，对本发明中的肥料中的菌群进行具体分析。
对比实施例1
将实施例1中的胶质芽孢杆菌菌剂去除，测试一年后重金属处理效果并与普通的复合肥(N:P2O5:K2O＝2:1:3)进行对比，得到如下数据：
施肥量：100kg/亩，可降低土壤高价重金属离子含量2-3％；减少作物对重金属富集3-5％；对于Cr的还原达到25-30％；使作物增产4-5％。
对比实施例2
将实施例1中的酿酒酵母菌剂去除，测试一年后重金属处理效果并与普通的复合肥(N:P2O5:K2O＝2:1:3)进行对比，得到如下数据：
施肥量：100kg/亩，可降低土壤高价重金属离子含量2-3％；减少作物对重金属富集2-3％；对于Cr的还原达到55-60％；使作物增产5-6％。
对比实施例3
将实施例1中的黑曲霉菌剂去除，测试一年后重金属处理效果并与普通的复合肥(N:P2O5:K2O＝2:1:3)进行对比，得到如下数据：
施肥量：100kg/亩，可降低土壤高价重金属离子含量3-4％；减少作物对重金属富集6-8％；对于Cr的还原达到45-50％；使作物增产3-5％。
对比实施例4
将实施例1中的黑曲霉菌剂和酿酒酵母菌剂去除，测试一年后重金属处理效果并与普通的复合肥(N:P2O5:K2O＝2:1:3)进行对比，得到如下数据：
施肥量：100kg/亩，可降低土壤高价重金属离子含量1-2％；减少作物对重金属富集2-3％；对于Cr的还原达到20-30％；使作物增产3-5％。
由对比实施例1-4的测试数据可以知道，将三种微生物共同使用比单独使用一种微生物或两种微生物共同使用的土壤重金属修复效果好很多。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种修复土壤重金属的生物有机肥料，其特征在于，包括以下重量百分比的成分：
胶质芽孢杆菌菌剂 1-3％
尿素 0.2-0.7％
硫酸镁 0.05-0.2％
活性炭 0.3-0.8％
硼砂 0.08-0.15％
酿酒酵母菌剂 0.5-1.5％
黑曲霉菌剂 0.7-2％。
秸秆-粪便肥料 余量。
2.如权利要求1所述的一种修复土壤重金属的生物有机肥料，其特征在于，所述的秸秆-粪便肥料包括以下主要成分：
秸秆 40-65％
腐熟剂 0.8-1.5％
餐厨垃圾 3-8％
畜禽粪便 余量。
3.如权利要求1所述的一种修复土壤重金属的生物有机肥料，其特征在于，所述的畜禽粪便为鸡粪和牛粪等量混合而成。
4.一种修复土壤重金属的生物有机肥料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)微生物菌剂的制备
A、酿酒酵母菌剂的制备方法：取酿酒酵母菌种，加入30℃水中恒温搅拌直至完全溶解，所得到的液体加至液体培养基中，培养4-6d后检测菌体密度达到1.5-3.1×109cfu/mL，即得酿酒酵母菌剂；
B、胶质芽孢杆菌菌剂的制备方法：取胶质芽孢杆菌菌种，加入水中恒温搅拌至完全溶解；所得到的液体加至液体培养基中，150rpm，30-35℃下恒温震荡培养4-6d，使得菌体密度达到6.2-8.3×109cfu/mL，即得胶质芽孢杆菌菌剂；
C、黑曲霉菌剂的制备方法：取黑曲霉菌种，加入水中恒温搅拌直至完全溶解，把所得到的液体加入到无机盐溶液中，将无机盐溶液与配料混合，进行搅拌接种，25-30℃下恒温发酵4-6d后即得黑曲霉菌剂；
(2)秸秆-粪便堆肥腐熟
取秸秆粉碎为直径小于2mm的碎末，加入餐厨垃圾混匀，再加入腐熟剂和畜禽粪便，保持水分在60％-70％，控制堆肥高度为1.5米，控制温度为25-35℃条件下堆积腐熟23-26d；之后堆积腐熟升温，使得温度达到60-70℃，维持2-3d，制得腐熟的秸秆-粪便堆肥；
(3)生物有机肥的制备
将上述制得的秸秆-粪便肥料进行摊晾，使其温度降至30-35℃后，均匀混入胶质芽孢杆菌菌剂，并添加尿素、硫酸镁、以及活性炭与硼砂，充分混合发酵2-3d；发酵完成后加入酿酒酵母菌剂和黑曲霉菌剂混合均匀后控制温度25℃再次发酵2-3d；将发酵后的混合物进行干燥、计量装袋，即得生物有机肥料。
5.如权利要求4所述的一种修复土壤重金属的生物有机肥料的制备方法，其特征在于，所述的酿酒酵母菌剂液体培养基的组成为：20g蛋白胨、10g酵母抽提物、2g葡萄糖，适量双蒸水溶解，再加入15ml0.2％腺嘌呤溶液，定容到1L；120℃高压灭菌15min。
6.如权利要求4所述的一种修复土壤重金属的生物有机肥料的制备方法，其特征在于，所述的胶质芽孢杆菌菌剂的液体培养基的组成为：蔗糖10g、酵母浸膏0.3g、硫酸铵0.5g、碳酸钙0.5g、七水硫酸镁0.5g、磷酸氢二钾1g，调整pH值7.0-7.5并定容到1L。
7.如权利要求4所述的一种修复土壤重金属的生物有机肥料的制备方法，其特征在于，所述的无机盐溶液的成分为：NaCl 1份，CaCl2 0.5份，KCl 0.5份，K2HPO4 0.5份，NaHCO30.25份，MgSO4 1份，FeSO4·7H2O 0.025份，蒸馏水2000份；所述的配料混合为：麸皮2000份，豆饼粉2000份，花生秸秆粉1000份。
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