CN110357678B

CN110357678B - 一种用于沼渣好氧发酵的起爆剂及其制备方法

Info

Publication number: CN110357678B
Application number: CN201910707355.7A
Authority: CN
Inventors: 沈玉君; 孟海波; 隋斌; 张曦; 程红胜; 宋立秋; 郑圣尉
Original assignee: Academy of Agricultural Planning and Engineering MARA
Current assignee: Academy of Agricultural Planning and Engineering MARA
Priority date: 2019-08-01
Filing date: 2019-08-01
Publication date: 2021-09-21
Anticipated expiration: 2039-08-01
Also published as: CN110357678A

Abstract

本发明提供一种用于沼渣好氧发酵的起爆剂及其制备方法。所述起爆剂包括复合微生物菌剂、生物炭、木醋酸和微生物培养基。所述复合微生物菌剂通过将不同种属的微生物菌剂混合培养制备得到；所述微生物菌剂包括：芽孢杆菌、乳酸菌、肠球菌、短芽孢杆菌、类香味菌和醋酸杆菌。本发明针对沼渣好氧发酵过程升温速率慢、高温期短、不利于腐熟等关键技术瓶颈问题，对沼渣好氧发酵过程有机物质变化及微生物群落结构变化，结合物理、化学和微生物学原理，研发环保高效低成本沼渣好氧发酵起爆剂，以缩短沼渣好氧发酵升温时间，延长高温期，提高好氧发酵产品质量，提高沼渣好氧发酵效率，为沼渣的处理及资源化利用提供技术支撑。

Description

一种用于沼渣好氧发酵的起爆剂及其制备方法

技术领域

本发明属于农业废弃物资源化技术领域，具体涉及一种用于以沼渣为主要原料进行好氧发酵的起爆剂及其制备方法。

背景技术

好氧发酵是有机废弃物资源化利用的有效途径，其本质是在一定的水分、C/N比和通风等条件下，通过微生物作用高温发酵使有机物矿质化、腐殖化和无害化而变成腐熟肥料的过程。发酵原料特性、C/N比、水分、温度、通气状况、pH值等与好氧发酵微生物生长和活性息息相关，进而影响好氧发酵效率和发酵产品腐熟度。一个完整的好氧发酵过程可分为升温、高温、降温和腐熟四个阶段。每个阶段有不同的细菌、放线菌、真菌和原生动物等微生物，利用有机废物和阶段产物作为食物和能量，一直持续到稳定的腐殖质形成为止。微生物繁殖的快慢决定着好氧发酵时间的长短，而微生物繁殖的快慢又受营养物质丰缺的制约，有效营养丰富，微生物繁殖速度就快，反之则慢。Ryckeboer等研究发现，从升温期到高温期，细菌的数量从10⁹-10¹³g^-1下降到 10⁸-10¹²g^-1，下降了1个数量级，而放线菌的数量从10⁷-10⁹g^-1增加到10⁸-10¹²g^-1，上升了3个数量级；Haug等研究表明，从升温期到高温期，放线菌的数量从10⁴g^-1增加到 10⁸g^-1。不同发酵原料其好氧发酵过程的优势菌群也存在差异。Wang等对牛粪好氧发酵过程中的放线菌进行宏基因组分析，强调了放线菌在木质纤维素类物质降解过程中起到了关键作用。王伟东等用新鲜的鸡粪、牛粪及干枯麦秸进行混合好氧发酵，用DGGE技术研究好氧发酵过程微生物群落变化，研究表明，发酵初期堆体中微生物以细菌和放线菌为主，优势微生物菌群为Clostridia bacterium、Bacillus、Clostridium，且主要为Bacillus。Wang等研究发现在猪粪好氧发酵过程中，细菌群落主要以Firmicutes，Proteobacteria，Bacteroidetes和Actinobacteria为主，高温期主要以厚壁菌门中的Bacillus 为主。

为促进有机物质腐熟，加快好氧发酵进程，提高发酵产品品质，好氧发酵过程会加入微生物、有机或无机物质等添加剂，包括起爆剂、膨胀剂、接种剂、调理剂等。起爆剂是根据微生物的营养机理，选用微生物易利用的有机物质如糖、蛋白质以及适合有益微生物营养要求的化学药品，按一定比例配制而成的营养调节剂，可以增加发酵开始时微生物的活性，达到“起爆”效果。中国专利CN103694010B公开了一种污泥超高温好氧发酵方法及其应用，该专利通过调控污泥等有机固体废弃物发酵原料、添加发酵起爆剂等，提高城市污泥处理效率，缩短发酵周期，其中起爆剂由甲基营养型芽孢杆菌和地芽孢杆菌两种菌剂及氯化亚铁、硫酸镁、硝酸钠、石灰等助料。申请号为201811527237.X的中国专利公开了一种天然堆肥组合物及其堆制方法，该专利将禽畜粪便、果树树枝和堆肥起爆剂按照质量比为1:1～3的配比混合均匀堆制发酵，得到天然堆肥组合物，其中堆肥起爆剂是将糖类、水果和水按照质量比为1：1～10：10～ 40混合，密封装在塑料桶内，密置于35℃～50℃温度下发酵85天～95天得到。目前，针对畜禽粪便和污泥的好氧发酵过程起爆剂的研发较多，而针对沼渣好氧发酵过程的起爆剂的研发较少，可供沼渣好氧发酵选用的起爆剂也较少。

沼渣含有丰富的营养物质，是优良的有机肥原料，但沼渣以纤维素类物质等难降解有机物为主，C/N比低，含水率高，孔隙率小，导致沼渣在好氧发酵过程升温速率慢、高温期短、不利于腐熟，好氧发酵产品品质较差等问题。专利CN201810265985.9 提供了一种沼渣快速好氧发酵方法，但是在此方法中，好氧发酵过程通风量大，能耗高，不利于沼渣好氧发酵规模化处理。研究表明，以沼渣为主要原料的好氧发酵过程，夏季好氧发酵混合物料能在24小时内快速升温，但是在冬季物料升温慢。因此，有必要针对沼渣好氧发酵过程有机物质变化及微生物群落结构变化，结合物理、化学和微生物学原理，研发环保高效低成本沼渣好氧发酵起爆剂，以缩短沼渣好氧发酵升温时间，提高好氧发酵产品质量，提高沼渣好氧发酵效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于沼渣好氧发酵的起爆剂及其制备方法。

本发明所提供的用于沼渣好氧发酵的起爆剂，包括复合微生物菌剂、生物炭和木醋酸、用于培养所述复合微生物菌剂中菌的微生物培养基。

所述生物炭、木醋酸和微生物培养基形成固定化培养基，

所述固定化培养基中，生物炭、木醋酸与微生物培养基的配比可为：10g：10～20ml： 50～80ml；

所述复合微生物菌剂与所述固定化培养基的配比可为1g：10ml～1g：5ml；

其中，所述复合微生物菌剂通过将不同种属的微生物菌剂混合培养制备得到；

所述微生物菌剂包括：芽孢杆菌(Bacillus)、乳酸菌(Lactobacillus)、肠球菌(Enterococcus)、短芽孢杆菌(Brevibaciillus)、类香味菌(Myroides)和醋酸杆菌(Acetobacter)；

其中，芽孢杆菌、乳酸菌、肠球菌、短芽孢杆菌、类香味菌、醋酸杆菌的数目比可为：20：40～45：8～15：6～10：5～10：2～5，具体可为：20：43：15：9：8：5、20： 44：15：8：8：5。

每g复合微生物菌剂中的活菌数达1×10⁹以上。

上述用于沼渣好氧发酵的起爆剂通过包括下述步骤的方法制备得到：

1)制备复合微生物菌剂；

2)将生物炭、木醋酸与微生物培养基混合，得到固定化培养基；

3)将所述复合微生物菌剂接种到所述固定化培养基中，将所述复合微生物菌剂吸附固定化，离心去除上清液，收集沉淀，冷冻干燥，得到用于沼渣好氧发酵的起爆剂。

上述方法步骤1)中，所述复合微生物菌剂通过将不同种属的微生物菌剂在微生物培养基混合培养制备得到；

其中，所述微生物菌剂包括：芽孢杆菌(Bacillus)、乳酸菌(Lactobacillus)、肠球菌(Enterococcus)、短芽孢杆菌(Brevibaciillus)、类香味菌(Myroides)和醋酸杆菌(Acetobacter)；

芽孢杆菌、乳酸菌、肠球菌、短芽孢杆菌、类香味菌、醋酸杆菌的配比可为：20： 40～45：8～15：6～10：5～10：2～5，具体可为：20：43：15：9：8：5、20：44：15：8： 8：5或20：44：13：9：9：5；

所述复合微生物菌剂每克含活菌数达1×10⁹以上。

所述微生物培养基通过向每1L水中加入牛肉膏6g，蛋白胨15g，氯化钠6g，121℃灭菌20～30min制备制得。

所述培养的温度可为：20～25℃，时间可为：20～30h。

上述方法步骤2)中，所述生物炭以农业废弃物为原料，按照本领域公知的方法制备得到，具体制备方法是将农业废弃物在400～700℃的温度下炭化1h～3h所得。

所述农业废弃物可为：果木剪枝、玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆、木屑、玉米芯、花生壳等中的一种或多种。

所制得的生物炭的粒度为50～100目。

所述的木醋液为将农业废弃物在高温分解中产生的气体在常温冷却后得到的液体物质，稀释500倍后的稀释液。

所述固定化培养基中，生物炭、木醋酸与微生物培养基的配比可为：10g：10～20ml： 50～80ml，具体可为：10g：15ml：75ml、8g：18ml：72ml。

步骤3)中，所述复合微生物菌剂的接种与固定化培养基的配比可为1g：10ml～1g：5ml，具体可为1g：8ml、1g：10ml。

所述吸附固定化过程要反复振荡，以保证微生物菌剂与培养基混合均匀。

所述固定化的时间可为12～48h，具体可为24h、30h

所述固定化的温度可为20～35℃，具体可为25℃。

所述离心的转速可为2000～4000r/min，离心时间可为10-20min，具体可为15min。

所述冷冻干燥在普通冷冻干燥机中进行即可。

通过上述方法制备得到的起爆剂也属于本发明的保护范围。

上述起爆剂在沼渣好氧发酵中的应用也属于本发明的保护范围。

所述应用，具体为：缩短沼渣好氧发酵升温时间，延长高温期，提高好氧发酵产品质量，提高沼渣好氧发酵效率。

本发明还提供一种沼渣好氧发酵方法，为：在以沼渣为主要成分的发酵原料中添加上述起爆剂，

其中，所述起爆剂的添加质量为沼渣干基质量的8％-12％，具体可为10％。

与现有的技术相比，添加本发明所制得的起爆剂后，堆体进入50℃的时间为 15～18h，相比专利CN201810265985.9(该专利中进入高温期需要20小时)缩短了2～5h； 50℃以上的高温期时间延长，有效提高了沼渣好氧发酵效率和无害化水平。

本发明针对沼渣好氧发酵过程升温速率慢、高温期短、不利于腐熟等关键技术瓶颈问题，对沼渣好氧发酵过程有机物质变化及微生物群落结构变化，结合物理、化学和微生物学原理，研发环保高效低成本沼渣好氧发酵起爆剂，以缩短沼渣好氧发酵升温时间，延长高温期，提高好氧发酵产品质量，提高沼渣好氧发酵效率，为沼渣的处理及资源化利用提供技术支撑。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明进行说明，但本发明并不局限于此。

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、生物材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

下述实施例中所采用的生物炭通过下述方法制备得到：玉米秸秆在550℃的温度下热解炭化2h所得。

下述实施例中所采用的木醋酸通过下述方法制备得到：玉米秸秆高温热解中产生的气体常温冷却后得到的液体，稀释500倍后的稀释液。

实施例1

(1)将芽孢杆菌、乳酸菌、肠球菌、短芽孢杆菌、类香味菌、醋酸杆菌按照配比为20：44：15：8：8：5混合均匀，加入到微生物培养基(向每1L水中加入牛肉膏 6g，蛋白胨15g，氯化钠6g，121℃灭菌15min制备制得)中，25℃下培养温度24h，得到复合微生物菌剂；复合微生物菌剂每克含活菌数达1×10⁹以上；

(2)将生物炭、木醋酸与微生物培养基按10g：15ml：75ml的比例混合均匀，得到高效固定化培养基。

(3)取1g复合微生物菌剂置于250ml锥形瓶中，加入8ml高效固定化培养基，保证每克含有益菌数1×10⁹以上，25℃下在150rpm振荡机中吸附固定24h，4000r/min 下离心15min，倒掉上清液，下层沉淀冷冻干燥后即为沼渣好氧发酵起爆剂。

实施例2

(1)将芽孢杆菌、乳酸菌、肠球菌、短芽孢杆菌、类香味菌、醋酸杆菌按照配比为20：44：13：9：9：5混合均匀，加入到微生物培养基(向每1L水中加入牛肉膏 6g，蛋白胨15g，氯化钠6g，121℃灭菌15min制备制得)中，25℃下培养温度28h，得到复合微生物菌剂。

(2)将生物炭、木醋酸与微生物培养基按8g：18ml：72ml的比例混合均匀，得到高效固定化培养基。

(3)取1g复合微生物菌剂置于250ml锥形瓶中，加入10ml高效固定化培养基，保证每克含有益菌数10亿以上，25℃下在150rpm振荡机中吸附固定30h，4000r/min 下离心20min，倒掉上清液，下层沉淀冷冻干燥后即为沼渣好氧发酵起爆剂。

实施例3

(1)将芽孢杆菌、乳酸菌、肠球菌、短芽孢杆菌、类香味菌按照配比为20：45： 15：10：10(不含醋酸杆菌)，混合均匀，加入到微生物培养基(向每1L水中加入牛肉膏6g，蛋白胨15g，氯化钠6g，121℃灭菌15min制备制得)中，25℃下培养温度 26h，得到复合微生物菌剂。

(2)将生物炭、木醋酸与微生物培养基按10g：20ml：70ml的比例混合均匀，得到高效固定化培养基。

(3)取1g复合微生物菌剂置于250ml锥形瓶中，加入10ml高效固定化培养基，保证每克含有益菌数10亿以上，25℃下在150rpm振荡机中吸附固定30h，4000r/min 下离心15min，倒掉上清液，下层沉淀冷冻干燥后即为本发明起爆剂。

对照例

按照申请号为201811527237.X的专利制备畜禽粪便发酵起爆剂，主要由以下步骤制备而成：

将糖类、水果和水按照质量比为1:5:35的配比混合均匀；

将混合物封装在塑料桶内，密封后置于35℃温度下发酵90天，得到对照起爆剂。

取北京市顺义区东华山沼气工程新鲜猪粪沼渣和猪粪，含水率70％左右，晒干的小麦秸秆(含水率5％左右)切碎为1～3cm；将猪粪沼渣、猪粪和秸秆三种原料按8:5:5 比例在混料机中混合均匀。设置不添加起爆剂、对照起爆剂、起爆剂1、起爆剂2、起爆剂3共5个处理，其中，不添加起爆剂作为对照处理(CK)，添加对照起爆剂的为处理FB，添加起爆剂1的处理为QB1，添加起爆剂2的处理为QB2，添加起爆剂3 的处理为QB3，起爆剂的添加量为沼渣干基的10％，调节pH至7～8，将混合物堆制置于好氧发酵罐，强制通风，每隔半小时鼓风曝气一次，通风时间为5min，通风量为 0.15m³·min^-1·m^-3，每4天翻堆一次，共发酵20天，发酵产品呈茶褐色、结构疏松。

如表1，添加起爆剂后，相比未添加起爆剂的CK和添加对照组起爆剂的FB处理，堆体温度升到40℃时间缩短了16～46h，堆体进入到50℃及以上的高温期缩短了 33～79h，此外，相比于不含醋酸杆菌的起爆剂3，添加起爆1和起爆剂2的处理，沼渣好氧发酵升温较快，且高温持续时间也相对较长；添加起爆剂1和起爆剂2后，堆体从40℃到50℃升温速率约为2℃/h和2.5℃/h，相比CK组0.3℃/h和FB组0.67℃/h，升温速率大大提高。添加起爆剂后堆体50℃及以上持续时间为9～10天，相比CK和 FB处理延长了3～4天。可以看出，添加起爆剂能有效提高堆体升温速率，延长堆体高温期。

表1试验处理及相关温度时间表

表中各指标，每组平行做三次，取平均值。

好氧发酵20天后，发酵产品的理化性质如表2所示。添加起爆剂1和起爆剂2 后，产品的含水率、挥发分、电导率、E4/E6均小于CK组，含水率和GI均高于CK 和FB处理；添加本发明的起爆剂后，产品内部形成了大分子腐殖酸，腐殖化程度比 CK高；产品GI大于80％，无植物毒性，相比CK更有利于植物生长。

综上，添加起爆剂能有效提高沼渣好氧发酵升温速率，延长高温期时间，提高好氧发酵产品质量。

表2好氧发酵产品性质

表中各指标，每组平行做三次，取平均值。

Claims

1.一种起爆剂，包括复合微生物菌剂、生物炭、木醋酸和用于培养所述复合微生物菌剂中菌的微生物培养基；

其中，所述生物炭、木醋酸和微生物培养基形成固定化培养基，

所述固定化培养基中，生物炭、木醋酸与微生物培养基的配比为：10g：10～20ml：50~80ml；

所述复合微生物菌剂与所述固定化培养基的配比为1g：10ml~1 g：5 ml；

所述复合微生物菌剂通过将不同种属的微生物菌剂混合培养制备得到；

所述微生物菌剂包括：芽孢杆菌、乳酸菌、肠球菌、短芽孢杆菌、类香味菌和醋酸杆菌；所述芽孢杆菌、乳酸菌、肠球菌、短芽孢杆菌、类香味菌、醋酸杆菌的数目比为：20：40~45：8~15：6~10：5~10：2~5，其中，每g复合微生物菌剂中的活菌数达1×10⁹以上。

2.制备权利要求1所述的起爆剂的方法，包括如下步骤：

1）制备复合微生物菌剂；

2）将生物炭、木醋酸与微生物培养基混合，得到固定化培养基；

3）将所述复合微生物菌剂接种到所述固定化培养基中，将所述复合微生物菌剂吸附固定化，离心去除上清液，收集沉淀，冷冻干燥，得到用于沼渣好氧发酵的起爆剂。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤1）中，所述复合微生物菌剂通过将不同种属的微生物菌剂在微生物培养基混合培养制备得到；

其中，所述微生物菌剂包括：芽孢杆菌、乳酸菌、肠球菌、短芽孢杆菌、类香味菌和醋酸杆菌；

芽孢杆菌、乳酸菌、肠球菌、短芽孢杆菌、类香味菌、醋酸杆菌的配比为：20：40~45：8~15：6~10：5~10：2~5；

所述微生物培养基通过向每1L水中加入牛肉膏6g，蛋白胨15g，氯化钠6g，121℃灭菌20~30min制备制得；

所述培养的温度为：20~25℃，时间为：20~30h；

所述复合微生物菌剂每克含活菌数达1×10⁹以上。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤2）中，所述固定化培养基中，生物炭、木醋酸与微生物培养基的配比为：10 g：10～20ml：50~80ml。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤3）中，所述复合微生物菌剂的接种与固定化培养基的配比为1g：10ml~1 g：5 ml；

所述吸附固定化过程中反复振荡，

所述固定化的时间为12~48h；

所述固定化的温度为20~35℃；

所述离心的转速为2000~4000r/min，离心时间为10-20min。

6.权利要求1所述的起爆剂在沼渣好氧发酵中的应用。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：所述应用为：在缩短沼渣好氧发酵升温时间，延长高温期，提高好氧发酵产品质量，提高沼渣好氧发酵效率中的应用。

8.一种沼渣好氧发酵方法，为：在以沼渣为主要成分的发酵原料中添加权利要求1所述的起爆剂，好氧发酵，即可。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述起爆剂的添加质量为沼渣干基质量的8%-12%。