申请日2016.06.13
公开(公告)日2016.08.10
IPC分类号C02F11/14; C02F11/02; C02F11/00
摘要
一种市政剩余污泥生物干化有机调理剂及其制备方法，属于环境工程技术领域。本发明采用纤维素酶发酵剩余废菌渣和糠醛渣为主要基质，经烘焙炭化后加入棘孢木霉孢子粉、铁粉等，经过复配压块后制备成可用于剩余污泥生物干化的有机调理剂。本发明所述有机调理剂可明显促进污泥生物干化过程启动、提高污泥中部分污染物降解效率及钝化重金属等有益效果。本发明所制备的有机调理剂可用于市政剩余污泥处理处置领域。
权利要求书
1.一种市政剩余污泥生物干化有机调理剂的制备方法，其特征是将有机废弃物纤维素酶发酵废菌渣和糠醛渣按照重量份为(0.5-1)︰1的比例充分混合，经过粉碎后过10目筛，然后放入气氛炉，将气氛炉抽真空后通入氮气开始进行低温烘焙;设置气氛炉经以10℃/分钟的速率升温至450℃，升温至最高温度后，高温保持120分钟;停止加热，自然降温至室温，低温烘焙获得炭化料，获得调理剂基质;然后按照每1000克调理剂基质加入保藏号为CCTCCNo.M 2014001的棘孢木霉CGM-10孢子粉末0.1克-1克，获得生物强化调理剂基质;按照每1000克生物强化调理剂基质加入粒径10-100微米铁粉10克-100克，混合均匀后制备成直径1-3厘米，长度1-4厘米的市政剩余污泥生物干化有机调理剂。
2.一种市政剩余污泥生物干化有机调理剂，其特征是它包括如下组分：有机废弃物纤维素酶发酵废菌渣和糠醛渣按照重量份比例为(0.5-1)︰1混合，然后在每1000克混合物中加入保藏号为CCTCC No.M 2014001的棘孢木霉CGM-10孢子粉末0.1克-1克、粒径为10-100微米的铁粉10克-100克复配后获得市政剩余污泥生物干化有机调理剂。
说明书
市政剩余污泥生物干化有机调理剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种市政剩余污泥生物干化有机调理剂及其制备方法，属于环境工程领域。
背景技术
随着我国城镇化进程的加快和环境质量标准的提高，污水处理量逐年提高。污泥作为城市污水处理过程中的体积最大的副产物，其生成量也在迅速增加，这些大量产生的剩余污泥越来越成为严重的环境与社会问题而受到全社会关注。
由于市政污泥中含有大量的水分(80%左右)，不易脱水，有机物含量多，性质不稳定，必须经过脱水、干化等过程才能进一步处理处置。目前污泥脱水主要采取热干化技术，设备成本很高，且必须利用外加热源才能正常运行，故其能耗极高。污泥生物干化技术是利用微生物高温好氧发酵过程中有机物降解所产生的生物热能，通过强制通风、搅拌等过程调控手段促进污泥中水分的快速蒸发去除，从而实现污泥无害化、稳定化和减量化的目的。该技术具有能耗低、成本低、适应范围广等优点，符合我国国情，在处置市政污泥方面具有重要的推广价值。在国外，意大利(1996)与德国(1997)首先对其进行了工业化应用。研究表明，城市垃圾经生物干化后，含水率明显下降。该已经方法作为制作衍生燃料(RDF)或者作为垃圾焚烧的预处理手段应用于世界发达国家。综上所述，污泥生物干化技术是极具发展前景的污泥处理处置技术，但目前存在着辅料添加量大、处理时间长等问题。生物干化常用辅料一般为农作物秸秆，其收贮运过程会消耗大量人力物力，导致生物干化工程成本上升。朱娟娟(朱娟娟. 颗粒化调理剂的改性及应用研究[D].硕士学位论文, 河南工业大学. 郑州: 2014)对污泥好氧堆肥调理剂进行了较为深入的研究探讨，通过物理改性(爆破法)、化学改性(羧甲基化)、生物改性(乳酸菌强化)开发了多种调理剂并对其功能进行比较分析，对污泥生物干化调理剂的开发具有一定参考价值。但所述及的调理剂主要原料为农业废弃物，因其未经过烘焙等加工过程，其水分含量通常较高、容易破碎，不利于重复利用。中国发明专利申请书201210550977.1提供了一种污泥生物干化调理剂，其组成为秸杆，锯末或者是秸杆、锯末以等体积混合形成的混合物，其主要功能是可以提高生物干化堆体中的氧气供给，快速启动生物干化过程并可提高干化污泥产品的燃烧热值。该发明中所用的调理剂成分较为单一，其主要功能是调整污泥的炭氮比和透气性，不具备其他功能(如微生物强化、部分污染物降解或钝化等)。中国发明专利200810239356.5向污泥中添加比例为污泥干重10%的石灰作为碱性破解剂，混合均匀后再加入破碎秸秆作为调理剂，调理剂重量占混合物料总重的35%，加入堆肥熟料作为接种剂进行接种。该发明采用石灰对污泥进行碱性破解后再加入秸秆调节炭氮比、透气性等，并采用熟料对污泥进行回接种，可以促进污泥生物干化快速启动。然而，该发明存在着处理过程复杂、未形成方便使用的产品、添加量大等缺陷，在实际应用中存在着诸多限制。
糠醛渣是利用生物质原料如玉米芯、秸秆、稻壳等生产糠醛后产生的废弃物，其主要特点是水分、盐分含量高、酸性大且有异味，其随意排放对环境和水体有着严重的污染问题。由于糠醛渣中仍含有大量的纤维素、半纤维素和木质素等，具有资源化利用潜力。
丝状真菌是发酵工业重要的生产菌种，用于衣康酸、柠檬酸、真菌淀粉酶、纤维素酶、葡萄糖酸钠、青霉素等多种产品的生产当中。当前，纤维素酶的生产已经成为我国第四大酶种，且其发酵方式主要为液态发酵，其发酵过程中产生的大量废菌丝体严重污染环境，亟待处理。发酵废菌丝体中含有几丁质成分，且残留有部分纤维素成分(如麸皮、微晶纤维素等)类物质，具有良好的生物吸附性，是一种具有广阔应用潜力的功能性生物材料。然而，目前微生物发酵菌渣因含水量高、粘度大等问题面临着随意弃置、对周边环境污染严重、资源化利用难度大且易形成二次污染等问题。
本发明针对污泥生物干化过程中辅料利用效率低、用量大及生物干化效率低等问题;以及纤维素酶生产过程中产生的废菌渣和糠醛渣作为主要基质开发了一种剩余污泥生物干化功能性有机调理剂及其制备方法，可以在变废为宝的同时有效提高辅料利用率，并通过回收实现其循环利用，从而提高污泥的处理效率，也同时对纤维素酶发酵废菌渣和糠醛渣进行了综合利用开发，为有机固体废弃物的资源化利用提供了新途径。
发明内容
针对现有技术所存在的问题与不足，本发明目的是提供一种市政剩余污泥生物干化有机调理剂及其制备方法。该方法利用废菌渣和糠醛渣作为基质制备污泥生物干化调理剂，可以在实现废菌渣的资源化利用的同时开发功能性的生物干化有机调理剂，有着十分广阔的应用前景。
本发明所用原料为纤维素酶发酵废菌渣，所用菌株为棘孢木霉CCTCC No.M2014001的棘孢木霉CGM-10(Trichoderma asperellum CGM-10)，菌株已于2014年1月6日保藏于中国典型培养物保藏中心(CCTCC)，保藏编号为CCTCC No.M 2014001，地址为武汉市武汉大学。
一种市政剩余污泥生物干化有机调理剂的制备方法，其具体步骤包括：(1)将有机废弃物纤维素酶发酵废菌渣和糠醛渣按照重量份为(0.5-1)︰1的比例充分混合，经过粉碎后过10目筛，然后放入气氛炉，将气氛炉抽真空后通入氮气，开始进行低温烘焙;设置气氛炉以10℃/分钟速率由室温升温至450℃;升温至最高温度后，高温保持120分钟获得炭化料;停止加热，自然降温至室温，获得调理剂基质;(2)按照每1000克调理剂基质加入保藏号为CCTCC No. M 2014001的棘孢木霉CGM-10孢子粉末0.1克-1克，获得生物强化调理剂基质;(3)按照每1000克生物强化调理剂基质加入粒径10-100微米铁粉10克-100克，混合均匀后制备成直径1-3厘米，长度1-4厘米的市政剩余污泥生物干化有机调理剂。
一种市政剩余污泥生物干化有机调理剂，其特征是它包括如下组分：有机废弃物纤维素酶发酵废菌渣和糠醛渣按照重量份比例为(0.5-1)︰1混合，然后在每1000克混合物中加入保藏号为CCTCC No.M 2014001的棘孢木霉CGM-10孢子粉末0.1克-1克、粒径为10-100微米的铁粉10克-100克复配后获得市政剩余污泥生物干化有机调理剂。
本发明所述棘孢木霉CGM-10(保藏号为CCTCC No. M 2014001)孢子粉的制备方法如下：
(1)活化培养基：土豆提取液200克，葡萄糖20克，自来水1000毫升，琼脂20克，pH 5.0。其中土豆提取液是指，土豆200克，切块煮沸30分钟后用细纱布(80-150目)过滤后所得澄清提取液。
(2)棘孢木霉孢子粉的制备：棘孢木霉CGM-10接种于活化培养基上，30℃条件下培养10天，待平板上布满绿色孢子后收集孢子并稍微研磨获得松散孢子粉。
本发明所述纤维素酶发酵废菌渣是指利用木霉、曲霉等菌株采用液体发酵方式生产纤维素酶，经过滤处理后产生的废菌渣。
本发明所述糠醛渣是指利用玉米芯、秸秆或者稻壳等生物质原料提取糠醛后剩余的废弃物。上述纤维素酶发酵废菌渣和糠醛渣需要经过干燥处理，其含水量为30%以下。棘孢木霉CGM-10从市政污泥中筛选获得。
本发明中如无特殊说明，原料用量均为重量份。
本发明有益的效果是：提供一种用于污泥的优良有机调理剂，该调理剂采用废弃物纤维素酶发酵废菌渣和糠醛渣制备，可以最大限度实现固体废弃物的资源化利用。其具体分析如下：1. 本发明所述市政剩余污泥生物干化有机调理剂加入了菌种棘孢木霉(Trichoderma asperellum CGM-10)孢子粉进行了微生物强化。该菌株经过物理化学诱变，具有生长速度快，产酸量高的特点，有利于降低污泥发酵过程中的pH值，臭味气体氨气的排放量降低80%以上，这对生物干化或者污泥中有机质的保存具有重要意义。此外，该菌株还可以产漆酶，可以降解污泥等发酵基质中的有害物质。菌株分泌的大量有机酸产生的酸性微环境也为铁碳微电极的正常工作提供了良好的条件。
2. 本发明所述市政剩余污泥生物干化有机调理剂还加入了铁粉，从而在调理剂内部形成铁碳微电极，可以提高有机污染物的降解水平，减少了最终产品中的有害物质。
3.本发明所述市政剩余污泥生物干化有机调理剂采用纤维素酶发酵废菌渣和糠醛渣进行制备，由于废菌渣中含有部分几丁质、麸皮和微晶纤维素等成分，而糠醛渣中含有丰富的木质纤维素、木质素等，经过部分炭化后形成了微孔及炭颗粒，其吸附能力大幅度上升且成本低廉(较木质纤维素来源生物炭吸附剂成本降低70%以上)，从而使得本发明所述调理剂具有良好的吸附性能，可以对发酵基质中的有害物质如重金属、有机污染物进行部分吸附从而避免其进一步散失导致二次污染。直接采用干燥废菌渣和糠醛渣并不能明显提高调理剂的吸附性能。试验表明，不经过烘焙炭化处理的废菌渣和糠醛渣的吸附性是炭化后废菌渣的20-30%。
4. 糠醛渣具有酸性，可以降低发酵过程中的pH值，与不加糠醛渣的辅料对比，发酵过程中总氨气排放量下降90%以上。本发明制备的市政剩余污泥生物干化有机调理剂产品颗粒大小适中，在加入剩余污泥后可以大幅提高发酵基质的透气性，有利于微生物的快速增殖，加快生物干化速度和处理效率。较之不成型的粉末状调理剂其干化时间可以缩短3-5天，最高堆体温度可提高8-12℃，超过50℃时间可延长2-3天。
具体实施方式
以下结合实施例对发明进行进一步说明。
实施例1：一种市政剩余污泥生物干化有机调理剂的制备方法，它包括如下步骤：(1)调理剂基质的制备：将烘干后的纤维素酶发酵废菌渣和糠醛渣按照重量份为0.5︰1的比例充分混合，经过粉碎后过10目筛，然后放入气氛炉，将气氛炉抽真空后通入氮气，开始进行低温烘焙;设置气氛炉以10℃/分钟速率由室温升温至450℃;450℃保持120分钟;停止加热，自然降温至室温，获得调理剂基质。(2)生物强化调理剂基质的制备：将保藏号为CCTCCNo. M 2014001的棘孢木霉CGM-10孢子粉末0.1克加入1000克步骤(1)中获得的调理剂基质，混合后获得生物强化调理剂基质作为微生物强化生物吸附剂。(3)市政剩余污泥生物干化有机调理剂的制备：将铁粉10克加入1000克经步骤(2)获得的微生物强化调理剂基质中，混合均匀后制备成直径1厘米，长度1厘米的市政剩余污泥生物干化有机调理剂。
将经本实施例获得的有机调理剂与市政剩余污泥混合调整含水量为65%，取30公斤物料在50升GRTL-D-50D 型固体发酵罐中进行生物干化处理7天，期间每日通风6次，通风量为0.3︰1 (体积比，以污泥实际体积为准)，每次持续时间为30分钟;通风时进行搅拌，转速为5转/分钟，持续时间为10分钟。处理完毕得到含水量48%的生物干化污泥产品。
将上述生物干化过程中的有机调理剂换成锯末和粉碎秸秆，其他条件保持不变，处理完毕后基质含水量分别为55%和52%。
将经本实施例获得的有机调理剂与NaOH预处理后的市政剩余污泥(市政脱水污泥初始含水量80%，取污泥40公斤，加入氢氧化钠320克，30℃条件下处理3天)，混合调整含水量为65%，取30公斤物料在50升GRTL-D-50D 型固体发酵罐中进行生物干化处理7天，期间每日通风6次，通风量为0.3︰1 (体积比，以污泥实际体积为准)，每次持续时间为20分钟;通风时进行搅拌，转速为5转/分钟，持续时间为10分钟。处理完毕得到含水量39%的生物干化污泥产品。
将上述生物干化过程中的有机调理剂换成锯末和粉碎秸秆，其他条件保持不变，处理完毕后基质含水量分别为46%和43%。
具体结果见表1。表1 本发明有机调理剂与其他调理剂效果比较
本实施例对污泥减量化效果明显，处理后的有效重金属和多环芳烃去除率远高于对照组，可以用于土壤修复、生物炭土或者园林绿化土、营养土等。
实施例2：市政剩余污泥生物干化有机调理剂的制备方法，它包括如下步骤：(1)调理剂基质的制备：将烘干后的纤维素酶发酵废菌渣和糠醛渣按照重量份为0.8︰1的比例充分混合，经过粉碎后过10目筛，然后放入气氛炉，将气氛炉抽真空后通入氮气，开始进行低温烘焙;设置气氛炉以10℃/分钟速率由室温升温至450℃;保持120分钟;停止加热，自然降温至室温，获得调理剂基质。(2)生物强化调理剂基质的制备：将保藏号为CCTCC No. M2014001的棘孢木霉CGM-10孢子粉末0.5克加入1000克步骤(1)中获得的调理剂基质，混合后获得生物强化调理剂基质作为微生物强化生物吸附剂。(3)市政剩余污泥生物干化有机调理剂的制备：将铁粉100克加入1000克经步骤(2)获得的微生物强化生物吸附剂中，混合均匀后制备成直径2厘米，长度3厘米的市政剩余污泥生物干化有机调理剂。
将经本实施例获得的有机调理剂与市政剩余污泥混合调整含水量为65%，取30公斤物料在50升GRTL-D-50D 型固体发酵罐中进行生物干化处理7天，期间每日通风12次，通风量为0.5︰1 (体积比，以污泥实际体积为准)，每次持续时间为30分钟;通风时进行搅拌，转速为5转/分钟，持续时间为15分钟。处理完毕得到含水量40%的生物干化污泥产品。
将上述生物干化过程中的有机调理剂换成锯末和粉碎秸秆，其他条件保持不变，处理完毕后基质含水量分别为53%和51%。
将经本实施例获得的有机调理剂与NaOH预处理后的市政剩余污泥(市政脱水污泥初始含水量80%，取污泥40公斤，加入氢氧化钠320克，30℃条件下处理3天)，混合调整含水量为65%，取30公斤物料在50升GRTL-D-50D 型固体发酵罐中进行生物干化处理7天，期间每日通风12次，通风量为0.5︰1 (体积比，以污泥实际体积为准)，每次持续时间为30分钟;通风时进行搅拌，转速为8转/分钟，持续时间为15分钟。处理完毕得到含水量35%的生物干化污泥产品。
将上述生物干化过程中的有机调理剂换成锯末和粉碎秸秆，其他条件保持不变，处理完毕后基质含水量分别为43%和41%。具体见表2。表2 本发明有机调理剂与其他调理剂效果比较
本实施例对污泥减量化效果明显，处理后的有效重金属和多环芳烃去除率远高于对照组，可以用于土壤修复、生物炭土或者园林绿化土、营养土等。
实施例3：市政剩余污泥生物干化有机调理剂及其制备方法，它包括如下步骤：(1)调理剂基质的制备：将烘干后的纤维素酶发酵废菌渣和糠醛渣按照重量份为1︰1的比例充分混合，经过粉碎后过10目筛，然后放入气氛炉，将气氛炉抽真空后通入氮气，开始进行低温烘焙;设置气氛炉以10℃/分钟速率由室温升温至450℃;保持60分钟;停止加热，自然降温至室温，获得调理剂基质。(2)生物强化调理剂基质的制备：将保藏号为CCTCC No. M2014001的棘孢木霉CGM-10孢子粉末1克加入1000克步骤(1)中获得的炭化料，混合后获得生物强化调理剂基质作为微生物强化生物吸附剂。(3)市政剩余污泥生物干化有机调理剂的制备：将铁粉50克加入1000克经步骤(2)获得的微生物强化生物吸附剂中，混合均匀后制备成直径3厘米，长度4厘米的市政剩余污泥生物干化有机调理剂。将经本实施例获得的有机调理剂与市政剩余污泥混合调整含水量为65%，取30公斤物料在50升GRTL-D-50D 型固体发酵罐中进行生物干化处理7天，期间每日通风12次，通风量为0.6︰1 (体积比，以污泥实际体积为准)，每次持续时间为40分钟;通风时进行搅拌，转速为10转/分钟，持续时间为15分钟。处理完毕得到含水量41%的生物干化污泥产品。
将上述生物干化过程中的有机调理剂换成锯末和粉碎秸秆，其他条件保持不变，处理完毕后基质含水量分别为52%和49%。
将经本实施例获得的有机调理剂与NaOH预处理后的市政剩余污泥(市政脱水污泥初始含水量80%，取污泥40公斤，加入氢氧化钠320克，30℃条件下处理3天)，混合调整含水量为65%，取30公斤物料在50升GRTL-D-50D 型固体发酵罐中进行生物干化处理7天，期间每日通风12次，通风量为0.5︰1 (体积比，以污泥实际体积为准)，每次持续时间为30分钟;通风时进行搅拌，转速为5转/分钟，持续时间为15分钟。处理完毕得到含水量38%的生物干化污泥产品。
将上述生物干化过程中的有机调理剂换成锯末和粉碎秸秆，其他条件保持不变，处理完毕后基质含水量分别为53%和50%。具体见表3。表3 本发明有机调理剂与其他调理剂效果比较
本实施例对污泥减量化效果明显，处理后的有效重金属和多环芳烃去除率远高于对照组，可以用于土壤修复、生物炭土或者园林绿化土、营养土等。
实施例4：一种市政剩余污泥生物干化有机调理剂，它包括如下组分：有机废弃物纤维素酶发酵废菌渣和糠醛渣按照重量份比例为(0.5-1)︰1混合，然后在每1000克混合物中加入保藏号为CCTCC No. M 2014001的棘孢木霉CGM-10孢子粉末0.1克-1克、粒径为10-100微米的铁粉10克-100克复配后获得市政剩余污泥生物干化有机调理剂。