申请日2014.07.11
公开(公告)日2014.11.19
IPC分类号C05F9/02; C05F17/02
摘要
本发明属于环境微生物技术和有机废水物及有机废水资源化领域，具体涉及到一种基于腐植化微生物培养装置的微生物强化作用，实现有机废水液态堆肥化的方法。通过微生物培养装置富集培养腐植化微生物，向发酵池供给富含腐植化微生物的培养液，在发酵池内营造能够促进有机污水液态堆肥顺利进行的微生物群落结构。本发明为排污企业提供了一个低成本、高附加值的污水资源化解决方案，能够形成以有机污水资源化及资源化产品应用为核心的生态循环性生产结构转。减少治污投入的同时，改善环境、提高收益。
权利要求书
1.利用腐植化微生物实现有机废水液态堆肥的装置，其特征在于，由调节池(1)、一级发酵池(2)、腐植化微生物培养装置(3)、二级发酵池(4)、熟化池(5)、固液分离装置(6)和固形物脱水装置(7)组成;调节池(1)、一级发酵池(2)、二级发酵池(4)、熟化池(5)和固液分离装置(6)顺次以管道连接，固液分离装置(6)通过泥浆泵连接至固形物脱水装置(7)，腐植化微生物培养装置(3)通过管道向一级发酵池(2)相连，调节池(1)通过提升泵经管道与腐植化微生物培养装置(3)相连，熟化池(5)通过回流泵管道与一级发酵池(2)相连;调节池(1)、一级发酵池(2)、腐植化微生物培养装置(3)、二级发酵池(4)和熟化池(5)的有效容积比例为50：100：1：150：200，一级发酵池(2)、腐植化微生物培养装置(3)、二级发酵池(4)和熟化池(5)的底部设置曝气装置(9)，由鼓风机风机输送空气;调节池(1)、一级发酵池(2)、二级发酵池(4)以及熟化池(5)内的液位高度一致。
2.根据权利要求1所述的利用腐植化微生物实现有机废水液态堆肥的方法及装置，其特征在于，调节池(1)内设置一个或多个桨式搅拌装置(8);曝气装置(9)为平板式微孔曝气头;固液分离装置(6)为气浮式固液分离装置、重力沉降式沉淀装置或过滤式固液分离装置的一种;固形物经脱水装置(7)为板式压滤装置、离心脱水装置或螺杆式挤压脱水装置中的一种;在一级发酵池(2)和二级发酵池(4)内均设有矿物填料(10);矿物填料(10)的外形为柱状，由不锈钢网制成，直径为20~25cm，长度为两个发酵池有效深度的80%，体内填充天然矿物构成，包含云母石10-20%、石英砂30-50%、轻石30-40%、麦饭石10-20%，所有矿石均加工成3-5cm大小的碎块，均匀混合;填料设置密度为2-4个/m2，填料间距不小于25cm。
3.根据权利要求1所述的利用腐植化微生物实现有机废水液态堆肥的方法及装置，其特征在于，腐植化微生物培养装置(3)由培养罐(11)、微生物发生器(12)、曝气装置(9)、温控装置(13)和放流阀(14)组成;培养罐(11)为不锈钢材制作的圆柱形罐体，上方无盖，下端呈圆锥形，圆锥形顶端设置放流阀(14);培养罐(11)外层设置温控装置(13);微生物发生器(12)通过绳索或支架等固定方式设置于培养罐(11)内;微生物发生器(12)由不锈钢材质的外筒(15)和内筒(16)构成;外筒(15)和内筒(16)均为圆柱形;内筒壁开有若干个直径为8mm的圆孔，圆孔覆盖率占筒壁表面积的25%-30%，内筒(16)直径为外筒(15)直径的1/3，内筒(16)高度为外筒(15)高度的1/2，内筒(16)竖直置于外筒(15)内，位于外筒(15)内部中央;外筒(15)的筒壁开有若干个直径为1mm的圆孔，圆孔覆盖率占筒壁表面积的25%-30%;外筒(15)和内筒(16)之间填充矿物层，包含云母石10-20%、花岗岩30-50%、轻石30-40%、麦饭石10-20%，所有矿石均加工成1.5-3cm大小的碎块，均匀混合;内筒(16)中填充腐植化微生物源，腐植化微生物源为活性腐殖土中混合体积为5%的直径为1-1.5cm的轻石碎块以及1%的直径为1-1.5cm的黑曜岩碎块，取无人为污染的新发育形成的腐殖土，经过筛选去除大质后，粉碎至粒径小于1cm的状态作为腐殖土原料，取腐殖土原料、红糖、淀粉、稻壳、骨粉，按质量比40-60:1-1.5:5-8:15-25：3-5的比例混合后，调整含水率为55%-60%，于密闭容器中，保持30-35℃堆沤25-35天后取出，在50℃下烘干至含水率为15%以下，得到活性腐殖土;培养罐(11)罐体直径为微生物发生器(12)的3-5倍，有效深度为微生物发生器(12)高度的3-5倍。
4.利用腐植化微生物实现有机废水液态堆肥的方法，其特征在于，具体步骤为：
1)有机污水经收集后泵入调节池(1)，若污水中含有大块固态有机物，则需要破碎至粒径小于5mm的状态后混入污水中，污水中总固体含量不超过3%;调节池(1)内利用氢氧化钠或盐酸将污水pH调整至6.5-8.0之间，通过桨式搅拌装置(8)使污水和固形物充分混匀并保持悬浮状态;
2)污水进入一级发酵池(2)，并且将污水加入到腐植化微生物培养装置(3)中，当有机污水原水中五日生化需氧量<600mg/L，总氮<150mg/L时，需外加营养液到腐植化微生物培养装置(3)中;外加营养液的制作方式为，在单位体积的水中加入新鲜腐植土浸出液15%-20%，红糖2.5-3%，尿素0.5-1%，可溶性淀粉2-3%，硫酸亚铁(七水)0.05-0.1%，硝酸钾0.05-0.1%，磷酸钾0.05-0.1%，其中新鲜腐植土浸出液的制作方法为：将1份新鲜腐殖土与3-5份0.8-0.1mol/L的氢氧化钠溶液混合搅拌30min，经过滤得到澄清液，再用盐酸调制PH6.0-7.0之间;在温度保持在25-35℃、溶解氧保持在2.5-3.5mg/L的条件下培养48-72小时后，培养罐(11)中液体的90%作为接种液通过放流阀(14)导入至一级发酵池(2)后，再补充新的污水或营养液至培养罐(11)内再次重复一个培养周期;
3)腐植化微生物培养装置(3)序批式的向一级发酵池(2)提供微生物培培养液，一级发酵池(2)间歇得到腐植化微生物培养装置(3)提供的微生物培养液后，污水停留时间为5-7d，溶解氧浓度保持在2.5-3.5mg/L，水温20℃以上，最适温度范围为28-30℃的条件下发酵;
4)根据上一步水力停留天数，每隔24h一级发酵池(2)中的发酵液的天数之一靠重力进入二级发酵池(6)，污水在二级发酵池(6)内的水力停留时间为7-9d，溶解氧浓度保持在2.5-3.5mg/L的水平;
5)根据上一步水力停留天数，每隔24h二级发酵池(6)中的发酵液的天数之一进靠重力流入熟化(5)池，在熟化池(5)内，水力停留时间为9-11d，溶解氧浓度保持在1.5-2mg/L，熟化后按一级发酵池(2)每次进水量的1%的比例回流熟化阶段的发酵液;
6)根据上一步水力停留时间，每隔24h从熟化池(5)中排出发酵混合液至固液分离装置(6)进行固液分离，发酵混合液在固液分离装置(6)中的停留时间为30min，分离后的固态物经固形物脱水装置(7)脱水，挤压出的液体与固液分离后的液体作为HMC发酵液合并转入贮存容器，固态物经固形物脱水装置(7)间歇式的向外排出堆肥产物，间歇间隔为24h;
7)腐植化微生物培养装置(3)批次微生物培养开始时，添加1%的HMC发酵液。
说明书
利用腐植化微生物实现有机废水液态堆肥的方法及装置
技术领域
本发明属于环境微生物技术和有机废气物及有机废水资源化领域，具体涉及到一种基于腐植化微生物培养装置的微生物强化作用，实现有机废水液态堆肥化的方法。
背景技术
经济发展和人们的生活水平提高带来了大量的物质需求，为满足不断增长的需求，大型养殖场、屠宰场、肉制品加工厂、食品厂、餐饮业等规模迅速增大，导致有机污水排放量逐年增大。中国的巨大人口基数和巨大的需求所导致产生的污染排放已居世界首位。
特别是这些有机污水如不妥善处理任意排放，则会产生恶臭和滋生各种病菌，严重的破坏自然环境危害人体健康;如直接排入城镇污水处理厂，则加重了城市污水处理的负荷，影响系统稳定，不易控制达标排放。为此国家出台各项法规条例，约束排污企业的排污行为，要求企业对有机废水妥善处理。由此各种针对有机污水处理的设备和技术大量出现，主要的实施方式为采用物理分离法固液分离、固态废弃物进行堆肥或沼气发酵、有机废水通过生物处理法处理达标排放等基本方法。其中物理分离法主要有沉淀、 气浮等工艺;生物处理法如传统的活性污泥工艺及其派生出的氧化沟、AB法、SBR法等工艺，上述方法因其耗能高、投资大、管理复杂往往不能被广泛推广使用，并不是理想的问题解决方式。沼气工程是养殖废水厌氧处理产生沼气作为清洁能源为周围提供生物燃气的一种处理方式，虽然能回收部分能源，但是工艺过程中产生的沼液和沼渣作为高浓度废弃物大部分不能迅速被还田利用，将面临无法处置的困境。因此，若场地条件允许，很多养殖企业采用使用成本更低廉的天然氧化塘的方式，使污水自然降解达到灌溉水标准直接还田。但这种方式产生大量恶臭污染周边环境，并存在污水下渗污染地下水的问题。由于废弃物处理不当产生环境污染问题而引起的群众上访投诉事件也逐年增加，因此有机废水的处置问题已经成为限制这些排污企业发展的一个重大瓶颈。
另一方面，现代种植养殖业为了保证生产，大量使用化学肥料的农药兽药，不急加速了农用土地和自然水体的污染和机能退化，也产生了农产品农残超标，畜禽制品抗生素超标等食品安全问题。而目前普遍采用的养殖方式，由于抗生素等药物的不当使用，更影响了后续有机污染物的处理过程，如抗生素过量残留引起的堆肥发酵不成功、污水处理系统不稳定等问题。生产和排放的处理之间形成了恶性循环。
有机污染物本身包含了大量的有机质，实际上是宝贵的“资源”，因此应该从珍惜资源、提高资源利用率，变废为宝、循环利用考虑目前问题解决出路。
发明内容
针对上述实际问题，本发明提供了一种以腐植化微生物培养装置强化微生物作用为核心技术，配合内设矿物填料的反应装置对有机废水实现液态堆肥化资源化的方法。转化后的液态发酵液产物富含大量的生物活性物质，能够促进动植物的生长，可应用于农业种植养殖领域，促进生产力提高。本发明中有机废水实现液态堆肥是通过在系统内构建的腐植化微生物菌落结构来实现的，因此我们将该发明中构建腐植化微生物群落的技术称作HMC(Humic Microbial community Construction)技术，将通过HMC技术生成的液态堆肥产物命名为HMC发酵液。
本发明所采用的核心技术是通过微生物培养装置富集培养腐植化微生物，向发酵池供给富含腐植化微生物的培养液，在发酵池内营造能够促进有机污水液态堆肥顺利进行的微生物群落结构。
本发明所涉及的实现有机废水液态堆肥方法的装置包括调节池、一级发酵池、腐植化微生物培养装置、二级发酵池、熟化池、固液分离装置、固形物经脱水装置组成。调节池、一级发酵池、二级发酵池、熟化池、固液分离装置顺次以管道连接，固液分离装置产生的固形物通过泥浆泵传送至固形物脱水装置。腐植化微生物培养装置通过管道向一级发酵池输送微生物培养液。调节池通过提升泵经管道与腐植化微生物培养装置相连，熟化池通过回流泵管道与一级发酵池相连。
调节池、一级发酵池、腐植化微生物培养装置、二级发酵池和熟化池的有效容积比例为50：100：1：150：200，一级发酵池、腐植化微生物培养装置、二级发酵池和熟化池的底部都设有曝气装置，由鼓风机风机输送空气;调节池、一级发酵池、二级发酵池和熟化池的液位高度一致;调节池内设置一个或多个桨式搅拌装置;曝气装置为平板式微孔曝气头;固液分离装置为气浮式固液分离装置、重力沉降式沉淀装置或过滤式固液分离装置的一种;固形物经脱水装置为板式压滤装置、离心脱水装置或螺杆式挤压脱水装置中的一种;在一级发酵池和二级发酵池内均设有矿物填料。
矿物填料外形为柱状，直径为20~25cm，长度约为两个发酵池有效深度的80%，由不锈钢网制成的中空圆柱体内填充天然矿物构成，包含云母石10-20%、石英砂30-50%、轻石30-40%、麦饭石10-20%，所有矿石均加工成3-5cm大小的碎块，均匀混合;填料设置密度为2-4个/m2，填料间距不小于25cm，矿石填料为多孔质地。
本发明所涉及的腐植化微生物培养装置由培养罐、微生物发生器、曝气装置、温控装置、放流阀组成;培养罐为不锈钢材制作的圆柱形罐体，上方无盖，下端呈圆锥形，圆锥形顶端设置放流阀;培养罐体外层设置温控装置，曝气装置向罐内充空气;微生物发生器通过绳索或支架等固定方式设置于培养罐内。微生物发生器由不锈钢材质的外筒和内筒构成;外筒和内筒均为圆柱形;内筒壁开有若干个直径为8mm的圆孔，圆孔覆盖率占筒壁表面积的25%-30%，内筒直径为外筒直径的1/3，内筒高度为外筒高度的1/2，内筒竖直置于外筒内，位于外筒内部中央;外筒的筒壁开有若干个直径为1mm的圆孔，圆孔覆盖率占筒壁表面积的25%-30%;外筒和内筒之间填充矿物层，包含云母石10-20%、花岗岩30-50%、轻石30-40%、麦饭石10-20%，所有矿石均加工成1.5-3cm大小的碎块，均匀混合;内筒中填充腐植化微生物源，腐植化微生物源为活性腐殖土中混合体积为5%的直径为1-1.5cm的轻石碎块以及1%的直径为1-1.5cm的黑曜岩碎块，取无人为污染的新发育形成的腐殖土，经过筛选去除大质后，粉碎至粒径小于1cm的状态作为腐殖土原料，取腐殖土原料、红糖、淀粉、稻壳、骨粉，按质量比40-60:1-1.5:5-8:15-25：3-5的比例混合后，调整含水率为55%-60%，于密闭容器中，保持30-35℃堆沤25-35天后取出，在50℃下烘干至含水率为15%以下，得到活性腐殖土;培养罐罐体直径为微生物发生器的3-5倍，有效深度为微生物发生器高度的3-5倍。
有机废水液态堆肥的方法：有机废水经收集进入调节池进行水质的pH调节和均质化;调节后的有机废水依次进入一级发酵池，并由腐植化微生物培养装置供给腐植化微生物;一级发酵池的发酵液再进入二级发酵池发酵;二级发酵池的发酵液再进入熟化池进行熟化;熟化后的发酵液进入固液分离装置进行固液分离;固液分离后的液体作为液体堆肥产物—HMC发酵液进行应用;固液分离后的固形物经脱水装置脱水后，调节水分作为有机肥使用。
具体实施步骤如下
用于液态堆肥的污水为液态或固液混合态，当为固液混合态时，有机污水中的固体应为破碎后的状态，其固体粒径应小于5mm，污水中总固体含量不超过3%。
(1)有机污水经收集后泵入调节池，若污水中含有大块固态有机物，则需要充分破碎至粒径小于5mm的状态后混入污水中，调节池内利用氢氧化钠或盐酸将污水pH调整至6.5-8.0之间，通过桨式搅拌装置使污水和固形物充分混匀并保持悬浮状态。
(2)污水靠重力进入一级发酵池，并且将污水加入到腐植化微生物培养装置中，当有机污水原水中五日生化需氧量<600mg/L，总氮<150mg/L时，需外加营养液到腐植化微生物培养装置中;外加营养液的制作方式为，在单位体积的水中加入新鲜腐植土浸出液15%-20%，红糖2.5-3%，尿素0.5-1%，可溶性淀粉2-3%，硫酸亚铁(七水)0.05-0.1%，硝酸钾0.05-0.1%，磷酸钾0.05-0.1%，其中新鲜腐植土浸出液的制作方法为，将1份新鲜腐殖土与3-5份0.8-0.1mol/L的氢氧化钠溶液混合搅拌30min，经过滤得到澄清液，再用盐酸调制PH6.0-7.0之间。根据实际的需要可调整各添加营养成分的比例。在该装置内微生物发生器中的微生物被活化，在温度保持在25-35℃、溶解氧保持在2.5-3.5mg/L的条件下培养48-72小时后，培养罐中液体的90%作为接种液通过放流阀导入至一级发酵池后，再补充新的污水或营养液至培养罐内再次重复一个培养周期。
(3)腐植化微生物培养装置序批式的向一级发酵池提供微生物培培养液，一级发酵池间歇得到腐植化微生物培养装置提供的微生物培养液后，污水在水力停留时间5-7d，溶解氧浓度保持在2.5-3.5mg/L，水温20℃以上，最适温度范围为28-30℃的条件下发酵。
(4)根据上一步水力停留时间，每隔24h一级发酵池中的天数之一的携带悬浮固体和大量微生物的发酵液靠重力进入二级发酵池。污水在二级发酵池内的水力停留时间为7-9d，溶解氧浓度保持在2.5-3.5mg/L的水平。
(5)根据上一步水力停留时间，每隔24h二级发酵池中的天数之一的发酵液靠重力流入熟化池，在熟化池内，水力停留时间为9-11d，溶解氧浓度保持在1.5-2mg/L的水平，熟化后以一级发酵池每次的进水量1%的比例回流部分熟化阶段的发酵液，用以促进一级发酵池的腐植化微生物的生长。
(6)熟化池与固液分离装置以管道相连，按实际需要可加入提升泵，根据系统水力停留时间每隔24h从熟化池中排出一部分发酵混合液至固液分离装置进行固液分离，发酵混合液在固液分离装置中的停留时间为30min，分离后的固态物经固形物脱水装置脱水，挤压出的液体与固液分离后的液体作为HMC发酵液合并转入贮存容器。根据水力停留时间，间歇式的向外排出堆肥产物，间歇间隔为24h。
(7)HMC发酵液根据污水来源不同，最终呈现出的性状为啤酒色至深褐色液体，CODcr为100-500mg/L，BOD5<5mg/L,总氮为50-200 mg/L ,黄腐酸含量30-120mg/L，pH 6.0-8.0 。HMC发酵液富含腐植化微生物增殖初期所需要的微生物次级代谢产物类物质，因此腐植化微生物培养装置批次微生物培养开始时，可添加1%的HMC发酵液。
与现有技术相比，本发明具有以下明显的优点：
1、利用人工强化手段在系统内构建腐植化微生物群落结构，实现有机污水的液态堆肥工艺。该工艺适应范围广，适合中高浓度的各类无毒害微生物物质的污水，但不包含具有强微生物毒性或含盐量大于10%的有机废水，对难分解有机物降解能力强，液态堆肥产品性质稳定，便于保存和运输。
2、液态堆肥过程中，不产生传统污水处理工艺说产生的恶臭，对环境无不良影响。
3、特殊设计的腐植化微生物培养装置不仅为液态堆肥提供微生物来源，还提供了大量有益于腐植化微生物增殖所必需的微生物代谢产物，这些微生物代谢产物是一级发酵池内构建腐植化微生物群落的关键物质，促进了腐植化微生物占据优势地位，确保液态堆肥的顺利启动的进行。
4、发酵池中设置特殊配比的矿物填料，为腐植化微生物的生长、代谢、合成提供了必须且适宜的硅酸盐物质以及微量矿物质元素，促进了有机物的降解与次级代谢产物的合成，使最终的液态堆肥产物具有更高的生物活性物质含量。
5、熟化池向一级发酵池的回流设计，强化了一级发酵池内的腐植化微生物的增殖，和腐植化微生物群落结构的稳定性，从而进一步促进了液态堆肥的进行，强化了对病原微生物的拮抗和杀灭作用，缩短了系统水力停留时间，提高了堆肥产品的稳定性。
6、本发明方法产生的液态堆肥产品—HMC发酵液，状态为啤酒色至深褐色液体，基本指标为CODcr 100-500mg/L，BOD5<5mg/L,总氮50-200 mg/L ，黄腐酸含量30-120mg/L，pH 6.0-8.0 ，富含微生物代谢产物、大量的酶、氨基酸、核酸以及类腐殖酸、富里酸等活性成分以及丰富的矿物质，并且多以螯合态形式存在，性质稳定，可以长时间储存。HMC发酵液生成后无需消毒，不包含任何病原菌，亚硝酸氮含量在0.02mg/以下。
7、HMC发酵液应用于农业作为有机灌施肥、叶面肥使用，具有改善土壤、抑制常见病害、促进种子发芽及生长、增强植物光合作用、增强植物抗逆性、提高果实内含物含量及总体产量、增强口感、延长农产品保存期的作用。经稀释后与农药混用能够提高提高药效、大幅度降低农药使用量、促进农药降解。
8、HMC发酵液应用于畜禽养殖，所谓饲料添加剂和饮用水添加剂长期使用，可提高畜禽免疫力、减少兽药使用;提高畜禽胃肠道功能、提高饲料回报率;提高畜禽肉质、提高产禽类蛋率和蛋的品质、提高奶牛产奶量;促进动物发情、提高受孕率和产子率。
9、HMC发酵液中富含的微生物次级代谢产物，能促进环境中有益微生物增殖，在畜禽养殖过程中以HMC发酵液直接喷洒或稀释后喷洒于饲养圈舍，能够优化圈舍环境中的微生物生态结构，消除养殖过程中的异味、抑制蚊蝇等有害昆虫的繁殖，预防动物呼吸道疾病。
9、液态堆肥后分理处的固体肥料状态稳定、腐熟程度高、富含有益微生物、不含病原微生物，可根据实际情况直接施用土地，也可以调节水分后进行堆沤进一步熟化，作为有机肥使用。能够活化土壤微生物，促进肥料利用，改良土壤，防治板结。
10、有机污水液态堆肥方法，为排污企业提供了一个低成本、高附加值的污水资源化解决方案，能够形成以有机污水资源化及资源化产品应用为核心的生态循环性生产结构转。减少治污投入的同时，改善环境、提高收益。