申请日2016.09.29
公开(公告)日2017.03.08
IPC分类号C12N1/20; C05F11/08; C05F17/00; C05F15/00; C12R1/01
摘要
一种污泥堆肥重金属钝化菌剂，由嗜热硫酸盐还原菌Archaeoglobus veneficus VC‑16(DSM 4304)、Thermodesulfobacterium commune YSRA‑1(DSM 2178)的一种或两种发酵制得;其生产方法步骤为：1)菌种活化，2)种子液制备，3)固态发酵;本发明还提供了污泥堆肥重金属钝化菌剂的应用;有益效果是：本污泥堆肥重金属钝化菌剂耐热性好，能实现重金属的原位钝化，适应性广、安全性高、钝化效果好;可直接加入污泥混合物料中，工艺简单、无害化程度高;能够利用污泥中有机物及硫酸根离子进行硫酸盐还原，可加速污泥堆肥的腐殖化过程及有机污染物的快速降解。
权利要求书
1.一种污泥堆肥重金属钝化菌剂，由嗜热硫酸盐还原菌Archaeoglobus veneficusVC-16(DSM 4304)、Thermodesulfobacterium commune YSRA-1(DSM 2178)的一种或两种发酵制得，包括嗜热硫酸盐还原菌和辅料，其特征是：污泥堆肥重金属钝化菌剂每g含嗜热硫酸盐还原菌5亿以上，所述辅料包括秸秆粉、城市污泥、麸皮和豆粕：秸秆粉重量比20-30份，城市污泥重量比20-30份，麸皮重量比5-10份，豆粕重量比30-50份，液体培养基重量比1-5份。
2.一种污泥堆肥重金属钝化菌剂的生产方法，其特征是：步骤如下：
1)菌种活化：取硫酸盐还原菌菌种接种于培养基，在45-85℃条件下培养5-10d;优选的，Archaeoglobus veneficus VC-16培养温度为80℃，Thermodesulfobacterium communeYSRA-1培养温度为70℃;
2)种子液制备：将活化的菌种接种于液体培养基中，进行一级、二级、三级扩大培养;培养条件为45-80℃;当培养液OD600在1.8-3.0之间时停止培养，得一级种子;将一级种子按体积比10%接种至1L以上的摇瓶中进行二级扩大培养，当培养液OD600在1.8-3.0之间时停止培养，得二级种子液;
3)固态发酵：扩大培养结束后，按5-10%的接种量将二级种子液种子液接入固态发酵培养基，45-85℃发酵培养5-10d;培养结束后，粉碎过筛，即得污泥堆肥重金属钝化菌剂;
其中，步骤1)和步骤2)所述液体培养基成分为：KCl 0.34g，MgCl2·6H2O 4.00g，MgSO4·7H2O 3.45g，NH4Cl 0.25g，CaCl2·2H2O 0.14g，K2HPO40.14g，NaCl 18.00g，酵母膏0.50g，乳酸钠1.50g，Fe(NH4)2(SO4)2·7H2O溶液(0.1%w/v)2.00mL，微量元素溶液10.00mL，刃天青钠盐溶液(0.1%w/v)0.50mL，NaHCO33.00g，Na2S·9H2O 0.50g，去离子水1000.00mL，pH6.8-7.0;所述微量元素溶液成分为：微量元素溶液成分为：氨三乙酸1.5g，MgSO4·7H2O 3.0g，MnSO4·H2O 0.5g，NaCl 1.0g，FeSO4·7H2O 0.1g，CoCl2·6H2O0.1g，CaCl20.1g，ZnSO4·7H2O 0.1g，CuSO4·5H2O 0.01g，AlK(SO4)2·12H2O 0.01g，H3BO30.01g，Na2MoO4·2H2O 0.01g，去离子水1000mL;
所述的硫酸盐还原菌为Archaeoglobus veneficus VC-16、ThermodesulfobacteriumcommuneYSRA-1的一种或两种;
步骤3)所述固态发酵培养基制备方法为：将秸秆粉、城市污泥、麸皮和豆粕用高速粉碎机粉碎，过60目筛，按照质量百分比为20-30∶20-30∶5-10∶30-50的比例均匀混合均匀，加入1-5%的液体培养基，121℃灭菌;所述液体培养基为步骤1)中液体培养基一致。
3.权利要求1所述污泥堆肥重金属钝化菌剂的应用。
说明书
一种污泥堆肥重金属钝化菌剂及生产方法和应用
技术领域
本发明属于有机固体废物资源化处置领域，具体涉及一种用于污泥堆肥过程中重金属钝化技术，尤其是涉及一种用于污泥堆肥过程中的重金属钝化菌剂的生产及应用。
背景技术
城市污泥是城市污水处理过程中产生的沉淀物。我国年产污泥3000多万吨，并且以每年15%的速度增长。城市污泥富含N、P、K等养分和有机质，是优质的有机肥源。目前应用于商品有机肥生产的城市污泥资源化化技术主要是高温好氧堆肥技术，即在高温好氧发酵条件下污泥中有机物快速腐殖化及稳定化。但由于多数污泥中Cu、Pb、Cr、Cd等重金属含量超标，污泥堆肥过程中重金属无法实现有效的控制，污泥堆肥土地利用存在巨大的环境风险。
目前，重金属修复技术主要为原位钝化技术，即添加钝化剂改变污泥堆肥处理中重金属(Cu、Pb、Cr、Cd)的形态，从而实现重金属的原位钝化。化学钝化剂成本高，二次污染严重。微生物原位钝化技术因成本低、无二次污染等优点成为重金属钝化技术的首选。
重金属微生物原位钝化技术是利用某些微生物对重金属的吸收、沉淀、氧化还原等作用，从而降低重金属的毒性及迁移性。硫酸盐还原菌能把硫酸盐还原形成H2S并与重金属反应形成沉淀，已广泛应用于水体重金属钝化与去除。其钝化原理为：在硫酸盐还原条件下，硫酸盐还原菌重金属原位钝化原理主要为：1)硫酸盐还原过程中释放出电子或产生能够还原Cu(II)、Cr(VI)的代谢产物，电子及该代谢物质将Cu(II)、Cr(VI)还原为Cu(I)和Cr(III)，重金属的生物毒性降低;2)硫酸盐还原一方面消耗水合氢离子，使得溶液pH值升高，金属离子以氢氧化物形式沉淀，降低重金属的迁移扩散能力;3)硫化氢与金属离子反应，生成不可溶的金属硫化物，如Cu2S、PbS、CdS等，实现重金属的原位钝化。目前常温硫酸盐还原菌重金属生物修复技术已在水体、土壤有机污染物/重金属修复中广泛应用。但由于污泥堆肥过程中温度较高，不能直接添加硫酸盐还原菌重金属原位钝化菌剂，因此常温硫酸盐还原菌重金属原位钝化菌剂只能在污泥陈化腐熟阶段或二次发酵过程中使用，工艺较为复杂。
嗜热硫酸盐还原菌具有耐高温及硫酸盐还原的相关特性，能够在高温条件下实现有毒重金属的还原固定及有机污染物的加速降解。近年来已发现部分的嗜热硫酸盐还原菌，如Archaeoglobus fulgidus CNCM I-3465和Archaeoglobus fulgidus CNCM I-3469等可用于有机污染物降解。经检索，尚未发现利用嗜热硫酸盐还原菌直接用于污泥堆肥过程重金属原位钝化的报道。
发明内容
本发明的目的在于克服现有污泥堆肥处置技术的不足，利用嗜热硫酸盐还原菌的硫还原特性，提供一种污泥堆肥重金属钝化菌剂及生产方法，并提供应用方法。
本发明提供的污泥堆肥重金属钝化菌剂，由嗜热硫酸盐还原菌Archaeoglobusveneficus VC-16(DSM 4304)、Thermodesulfobacterium commune YSRA-1(DSM 2178)的一种或两种发酵制得。所述的嗜热硫酸盐还原菌Archaeoglobus veneficus VC-16(DSM4304)、Thermodesulfobacterium commune YSRA-1(DSM 2178)的菌种从德国微生物菌种保藏中心DSMZ(Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen Gmbh，DSMZ)购买获得。所述的嗜热硫酸盐还原菌Archaeoglobus veneficus VC-16(DSM 4304)、Thermodesulfobacterium commune YSRA-1(DSM 2178)生物安全等级均为一级.
污泥堆肥重金属钝化菌剂，包括嗜热硫酸盐还原菌和辅料，其特征是：污泥堆肥重金属钝化菌剂每g含嗜热硫酸盐还原菌总菌数5亿以上，所述辅料包括液体培养基和固态发酵培养基，所述液体培养基重量比5-10份，所述固态重量比90-95份;所述液体培养基成分及配方为：每1000.00mL去离子水加入KCl 0.34g，MgCl2·6H2O 4.00g，MgSO4·7H2O 3.45g，NH4Cl 0.25g，CaCl2·2H2O 0.14g，K2HPO40.14g，NaCl 18.00g，酵母膏0.50g，乳酸钠1.50g，Fe(NH4)2(SO4)2·7H2O溶液(0.1%w/v)2.00mL，微量元素溶液10.00mL，刃天青钠盐溶液(0.1%w/v)0.50mL，NaHCO33.00g，Na2S·9H2O 0.50g，去离子水1000.00mL;所述微量元素溶液成分及配方为：每1000.00mL去离子水加入氨三乙酸1.5g，MgSO4·7H2O3.0g，MnSO4·H2O0.5g，NaCl 1.0g，FeSO4·7H2O 0.1g，CoCl2·6H2O 0.1g，CaCl20.1g，ZnSO4·7H2O 0.1g，CuSO4·5H2O 0.01g，AlK(SO4)2·12H2O 0.01g，H3BO30.01g，Na2MoO4·2H2O0.01g;所述固态发酵培养基成分及配方为：秸秆粉重量比20-30份，城市污泥重量比20-30份，麸皮重量比5-10份，豆粕重量比30-50份，液体培养基重量比1-5份。
本发明的另一目的是提供所述污泥堆肥重金属钝化菌剂的生产方法，步骤如下：
1)菌种活化：取硫酸盐还原菌菌种接种于培养基，在45-85℃条件下培养5-10d;优选的，Archaeoglobus veneficus VC-16培养温度为80℃，Thermodesulfobacteriumcommune YSRA-1培养温度为70℃;
2)种子液制备：将活化的菌种接种于液体培养基中，进行一级、二级、三级扩大培养;培养条件为45-80℃;当培养液OD600在1.8-3.0之间时停止培养，得一级种子;将一级种子按体积比10%接种至1L以上的摇瓶中进行二级扩大培养，当培养液OD600在1.8-3.0之间时停止培养，得二级种子液;
3)固态发酵：扩大培养结束后，按5-10%的接种量将二级种子液种子液接入固态发酵培养基，45-85℃发酵培养5-10d;培养结束后，检测总菌数达到5亿/克以上，粉碎过筛，即得污泥堆肥重金属钝化菌剂;
其中，步骤1)和步骤2)所述液体培养基成分为：KCl 0.34g，MgCl2·6H2O 4.00g，MgSO4·7H2O 3.45g，NH4Cl 0.25g，CaCl2·2H2O 0.14g，K2HPO40.14g，NaCl 18.00g，酵母膏0.50g，乳酸钠1.50g，Fe(NH4)2(SO4)2·7H2O溶液(0.1%w/v)2.00mL，微量元素溶液10.00mL，刃天青钠盐溶液(0.1%w/v)0.50mL，NaHCO33.00g，Na2S·9H2O 0.50g，去离子水1000.00mL，pH6.8-7.0;所述微量元素溶液成分为：微量元素溶液成分为：氨三乙酸1.5g，MgSO4·7H2O 3.0g，MnSO4·H2O 0.5g，NaCl 1.0g，FeSO4·7H2O 0.1g，CoCl2·6H2O 0.1g，CaCl20.1g，ZnSO4·7H2O 0.1g，CuSO4·5H2O 0.01g，AlK(SO4)2·12H2O 0.01g，H3BO30.01g，Na2MoO4·2H2O 0.01g，去离子水1000mL;
所述的硫酸盐还原菌为Archaeoglobus veneficus VC-16、Thermodesulfobacterium commune YSRA-1的一种或两种;
步骤3)所述固态发酵培养基制备方法为：将秸秆粉、城市污泥、麸皮和豆粕用高速粉碎机粉碎，过60目筛，按照质量百分比为20-30∶20-30∶5-10∶30-50的比例均匀混合均匀，加入1-5%的液体培养基，121℃灭菌;所述液体培养基为步骤1)中液体培养基一致。
本发明同时提供所述污泥堆肥重金属钝化菌剂的应用：
在污泥堆肥物料中加入1-5%污泥堆肥重金属钝化菌剂并进行堆肥发酵，包括以下步骤：
1)堆肥原料预处理：堆肥原料由含水率60-80%的城市污泥和含水率为20-40%蓬松材料组成，污泥与蓬松材料重量比为5∶1-2，用碱调pH值为6.5-7.5;所述的蓬松材料为有机质为木屑、菇渣、秸秆、稻壳中的至少一种。
2)菌剂接种：按1-5%比例接种重金属钝化菌剂，混匀。
3)高温好氧堆肥：将混合物进行好氧堆肥，当污泥堆肥温度达到60℃后，每天翻堆一次;发酵20-40d。
4)粉碎筛分：待污泥堆体温度降至35℃或35℃以下后将污泥堆肥粉碎，过筛。
5)重金属钝化效果检验：污泥堆制完成后，检测污泥堆肥中Cu、Zn、Pb、Cr、Cd等有效态重金属含量，当有效态重金属含量降低70%以上，重金属钝化菌剂符合质量标准。
本发明的有益效果是：
本发明提供的污泥堆肥重金属钝化菌剂耐热性好，在污泥高温堆制过程中可以实现其生长与增殖，并实现重金属的原位钝化，具有适应性广、安全性高、钝化效果好等特点。
本发明提供的污泥堆肥重金属钝化菌剂直接加入污泥混合物料中进行高温堆制，无需二次发酵工艺，具有工艺简单、无害化程度高等优点。
本发明提供的污泥堆肥重金属钝化菌剂能够利用污泥中有机物及硫酸根离子进行硫酸盐还原，在实现重金属钝化的同时可加速污泥堆肥的腐殖化过程及有机污染物的快速降解。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步详细说明本发明。
污泥堆肥重金属钝化菌剂的生产方法：
实施例1
一种污泥堆肥重金属钝化菌剂的生产方法，具体步骤如下：
1)菌种活化：取Archaeoglobus veneficus VC-16菌种接种于100mL硫酸盐还原菌液体液体培养基中，在80℃条件下培养7d。
液体培养基成分为：KCl 0.34g，MgCl2·6H2O 4.00g，MgSO4·7H2O 3.45g，NH4Cl0.25g，CaCl2·2H2O 0.14g，K2HPO40.14g，NaCl 18.00g，酵母膏0.50g，乳酸钠1.50g，Fe(NH4)2(SO4)2·7H2O溶液(0.1%w/v)2.00mL，微量元素溶液10.00mL，刃天青钠盐溶液(0.1%w/v)0.50mL，NaHCO33.0g，Na2S·9H2O 0.50g，去离子水1000.00mL，pH6.8-7.0。其中微量元素溶液成分为：氨三乙酸1.5g，MgSO4·7H2O 3.0g，MnSO4·H2O 0.5g，NaCl 1.0g，FeSO4·7H2O 0.1g，CoCl2·6H2O 0.1g，CaCl20.1g，ZnSO4·7H2O 0.1g，CuSO4·5H2O 0.01g，AlK(SO4)2.12H2O 0.01g，H3BO30.01g，Na4MoO4·2H2O 0.01g，去离子水1000mL。
2)种子液制备：将活化的菌种接种于500mL上述液体培养基中，进行一级、二级扩大培养;培养条件为80℃。当培养液OD600在1.8时停止培养，得一级种子;将一级种子按体积比10%接种至2L摇瓶中进行二级扩大培养，当培养液OD600在2.5时停止培养，得二级种子液。
3)固态发酵：将秸秆粉、城市污泥、麸皮和豆粕按质量百分比为25∶20∶8∶47的比例均匀混合均匀，加入5%的上述液体培养基，调节pH 7.0，121℃灭菌制成固态发酵培养基。扩大培养结束后，按10%的接种量将二级种子液接入固态发酵培养基，混匀，70℃培养10d。培养结束后，粉碎过筛，即得污泥堆肥重金属钝化菌剂。
实施例2
一种污泥堆肥重金属钝化菌剂的生产方法，具体步骤如下：
1)菌种活化：取Thermodesulfobacterium commune YSRA-1VC-16菌种接种于100mL硫酸盐还原菌液体液体培养基中，在70℃条件下培养10d。液体培养基同实施例1。
2)种子液制备：将活化的菌种接种于500mL上述液体培养基中，进行一级、二级扩大培养;培养条件为70℃。当培养液OD600在2.0时停止培养，得一级种子;将一级种子按体积比10%接种至2L摇瓶中进行二级扩大培养，当培养液OD600在2.8时停止培养，得二级种子液。
3)固态发酵：将秸秆粉、城市污泥、麸皮和豆粕按照质量百分比为20∶30∶5∶45的比例均匀混合均匀，加入5%的上述液体培养基，调节pH 7.0，121℃灭菌制成固态发酵培养基。扩大培养结束后，按10%的接种量将二级种子液接入固态发酵培养基，混匀，70℃培养10d。培养结束后，粉碎过筛，即得污泥堆肥重金属钝化菌剂。
实施例3
污泥堆肥重金属钝化菌剂的应用例一，具体步骤如下：
1)堆肥物料预处理：堆肥原料由含水率75%的城市污泥和含水率为30%秸秆组成，污泥与秸秆重量比为5∶2，混合后物料的含水率约62%，用NaOH调节pH值为7.0。
2)菌剂接种：按5%比例接种实施例1生产的重金属钝化菌剂，混匀。
3)高温好氧堆肥：将混合物进行好氧堆肥，当污泥堆肥温度达到60℃后，每天翻堆一次;发酵30d。
4)粉碎筛分：待污泥堆体温度降至35℃以下将污泥堆肥粉碎，过筛。
5)重金属钝化效果检验：污泥堆肥堆至制完成后，检测污泥堆肥中Cu、Cr重金属价态及Cu、Pb、Cr、Cd等活性态重金属含量。结果表明，与对照比较，Cu(II)、Cr(VI)含量降低75.89%和82.18%，Cu、Pb、Cr、Cd活性态重金属含量分别下降76.98、85.64、87.28和86.45，说明在堆肥堆制过程中添加该重金属钝化剂能够实现Cu、Pb、Cr、Cd重金属的原位钝化。
实施例4
污泥堆肥重金属钝化菌剂的应用例二，具体步骤如下：
1)堆肥物料预处理：堆肥原料由含水率65%的城市污泥和含水率为40%的木屑组成，污泥与木屑重量比为5∶1，混合后物料含水率约61%，用NaOH调节pH值为7.5。
2)菌剂接种：按2%比例接种实施例2生产的重金属钝化菌剂，混匀。
3)高温好氧堆肥：将混合物进行好氧堆肥，当污泥堆肥温度达到50℃后，每天翻堆一次;发酵25d。
4)粉碎筛分：待污泥堆体温度降至35℃以下将污泥堆肥粉碎，过筛。
5)重金属钝化效果检验：：污泥堆制完成后，检测污泥堆肥中Cu、Cr重金属价态及Cu、Pb、Cr、Cd等活性态重金属含量。结果表明，与对照比较，Cu(II)、Cr(VI)含量降低70.85%和80.24%，Cu、Pb、Cr、Cd活性态重金属含量下降68-85%，说明在堆肥堆制过程中添加该重金属钝化剂能够实现Cu、Pb、Cr、Cd重金属的原位钝化。