本發(fā)明涉及以黃化農(nóng)作物秸稈為底物高效水解產(chǎn)酸用于土壤酸化改良的方法。
背景技術(shù)：
中國作為擁有15億畝農(nóng)田的農(nóng)業(yè)大國，每年產(chǎn)生的農(nóng)作物秸稈量很大，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。因此迫切需要一種更加高效實(shí)用的消化秸稈的方法，來解決每年秸稈所產(chǎn)生的環(huán)境壓力。若能有效利用，既能緩和農(nóng)村種植業(yè)發(fā)展與環(huán)境之間的矛盾，又能實(shí)現(xiàn)資源的回收利用，可為當(dāng)前中國農(nóng)作物秸稈的處理提供一種可行的辦法，也符合中國當(dāng)前的環(huán)保政策。
厭氧水解酸化技術(shù)最初運(yùn)用于廢水處理工藝，即在大量水解酸化細(xì)菌的作用下將不溶性有機(jī)物水解為溶解性有機(jī)物，將難生物降解的大分子物質(zhì)轉(zhuǎn)化為易生物降解的小分子物質(zhì)的過程，并通過微生物的代謝過程產(chǎn)生各種有機(jī)酸用于其他領(lǐng)域。由于黃化秸稈特殊的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)，自然界中常規(guī)的水解酸化細(xì)菌對(duì)其很難降解。為提高秸稈的水解酸化效果，對(duì)菌源進(jìn)行定向馴化和對(duì)秸稈進(jìn)行適當(dāng)預(yù)處理非常關(guān)鍵。通過馴化和預(yù)處理，污泥中的水解酸化菌能夠有效利用秸稈中的纖維素和半纖維素，產(chǎn)生的有機(jī)酸作為重要中間代謝產(chǎn)物被大量積累。有機(jī)酸不僅能直接被植物吸收利用，還能對(duì)土壤起到改良的效果。
藍(lán)莓作為一種新興果樹，具有較高的營養(yǎng)與藥用價(jià)值，發(fā)展藍(lán)莓產(chǎn)業(yè)具有十分重大的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益。但藍(lán)莓生長發(fā)育對(duì)土壤環(huán)境的要求比較嚴(yán)格，即需要強(qiáng)酸性土壤（pH 4.5-5.5）。目前藍(lán)莓栽培比較突出的問題就是土壤改良成本太高，這嚴(yán)重制約藍(lán)莓的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。為了加速藍(lán)莓的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培，針對(duì)藍(lán)莓的種植進(jìn)行土壤酸化改良顯得尤為重要。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是根據(jù)上述問題，提供以黃化農(nóng)作物秸稈為底物進(jìn)行水解酸化的最適產(chǎn)酸條件和方法的研究。該方法以高粱秸稈和玉米秸稈為代表性底物，接種經(jīng)過定向馴化的菌源，通過控制水解酸化條件，以期獲得高產(chǎn)有機(jī)酸。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案包括如下步驟：
（1）用微晶纖維素對(duì)活性厭氧污泥進(jìn)行馴化，富集高效降解秸稈的水解酸化菌；
（2）利用固體堿對(duì)黃化秸稈進(jìn)行預(yù)處理；
（3）將馴化后的污泥與處理好的秸稈按一定質(zhì)量比進(jìn)行混合，調(diào)節(jié)體系的含水率及初始pH值，在完全密閉無氧的條件下，恒溫進(jìn)行水解酸化3-4天，得到酸化液；
（4）提取酸化液用于土壤酸化改良或進(jìn)行元素復(fù)配制備藍(lán)莓專用有機(jī)肥，剩余的固體物質(zhì)可用于厭氧消化產(chǎn)沼氣。
其中，所述的活性厭氧污泥取自于本實(shí)驗(yàn)室污水處理厭氧段污泥，其初始TS為14.76%。
其中，所述的活性厭氧污泥的馴化方法為：厭氧發(fā)酵罐（總體積10 L，有效體積6 L）引入初始污泥，用蒸餾水調(diào)節(jié)系統(tǒng)TS值為2-7%。啟動(dòng)加熱裝置于33-42℃條件下預(yù)培養(yǎng)3天；第4天起，每天定期進(jìn)出料200 mL。進(jìn)料配制為：150-200 mL蒸餾水和7-15 g微晶纖維素；經(jīng)過2個(gè)水利停留時(shí)間（HRT）的馴化后（HRT 40 d），馴化結(jié)束；該厭氧泥可作為后續(xù)試驗(yàn)用的菌源。
其中，所述的黃化秸稈是粉碎的高粱秸稈或玉米秸稈，過10-20目篩（取篩下率）。
其中，所述的固體堿為Ca(OH)2固體，且按照秸稈質(zhì)量的4%-7%投加，通過蒸餾水調(diào)節(jié)至體系含水率為75%-85%，在55℃-65℃條件下處理1-2d。
其中，將馴化后的污泥與處理好的秸稈按質(zhì)量比1：（1-2）進(jìn)行混合，蒸餾水調(diào)節(jié)TS為5-6%。KOH調(diào)節(jié)pH為8-11；通入氮?dú)?-5 min創(chuàng)造厭氧環(huán)境；在完全密閉無氧的條件下，恒溫37-45°C進(jìn)行水解酸化3-4天。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于能夠?qū)ⅫS化秸稈進(jìn)行多元化分級(jí)利用，具有成本低廉，操作簡單、無二次污染的優(yōu)點(diǎn)。相較于傳統(tǒng)秸稈單一處理方式，其產(chǎn)生的有機(jī)酸不僅能對(duì)土壤進(jìn)行酸化改良，還能為后續(xù)藍(lán)莓專用有機(jī)肥的制備和秸稈產(chǎn)沼提供原料。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明通過以下實(shí)施例進(jìn)一步詳述，但本實(shí)施例所敘述的技術(shù)內(nèi)容是說明性的，而不是限定性的，不應(yīng)依此來局限本發(fā)明的保護(hù)范圍。
實(shí)施例1：
一種以高粱秸稈為底物經(jīng)水解酸化后高效產(chǎn)酸的方法，步驟如下：
1）厭氧發(fā)酵罐（總體積10 L，有效體積6 L）引入初始污泥（TS 14.76%），用蒸餾水調(diào)節(jié)系統(tǒng)TS值為3%。啟動(dòng)加熱裝置于37.0±0.5℃條件下預(yù)培養(yǎng)3天。第4天起，每天定期進(jìn)出料200 mL。進(jìn)料配制為：200 mL蒸餾水和10 g微晶纖維素。經(jīng)過2個(gè)水利停留時(shí)間（HRT）的馴化后（HRT 40 d），馴化結(jié)束。
2）取粉碎至10目的高粱秸稈20 g，加入1.2 g Ca(OH)2固體，用16 g蒸餾水調(diào)節(jié)含水率。密封后，放入60°C烘箱中處理24 h。
3）取經(jīng)過馴化的菌源，測得其TS=0.831%。規(guī)定整個(gè)體系的有效體積為150ml。準(zhǔn)確稱取13.291g經(jīng)過預(yù)處理的秸稈和13.291g污泥進(jìn)行混合，加入蒸餾水直至總體積為150ml（TS 5%）。其中菌源與秸稈的質(zhì)量比為1：1。
4）用1 mol/L的KOH溶液調(diào)節(jié)體系初始pH為9，通入一段時(shí)間的氮?dú)?，直至整個(gè)體系處于無氧狀態(tài)。
5）連接集氣袋后，對(duì)裝置進(jìn)行密封，然后置于41℃的培養(yǎng)箱恒溫條件下水解酸化4天。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果：反應(yīng)結(jié)束后，利用比色法測得反應(yīng)結(jié)束時(shí)體系中總有機(jī)酸濃度為3040mg/L (以乙酸計(jì))。
實(shí)施例2：
一種以玉米秸稈為底物經(jīng)水解酸化后高效產(chǎn)酸的方法，步驟如下：
1）厭氧發(fā)酵罐（總體積10 L，有效體積6 L）引入初始污泥（TS 14.76%），用蒸餾水調(diào)節(jié)系統(tǒng)TS值為3%。啟動(dòng)加熱裝置于37.0±0.5℃條件下預(yù)培養(yǎng)3天。第4天起，每天定期進(jìn)出料200 mL。進(jìn)料配制為：200 mL蒸餾水和10 g微晶纖維素。經(jīng)過2個(gè)水利停留時(shí)間（HRT）的馴化后（HRT 40 d），馴化結(jié)束。
2）取粉碎至10目的玉米秸稈20 g，加入1.2 g Ca(OH)2固體，用16 g蒸餾水調(diào)節(jié)含水率。密封后，放入60°C烘箱中處理24 h。
3）取經(jīng)過馴化的菌源13.291g（TS=0.831%）和13.291 g預(yù)處理后的玉米秸稈混合，加入蒸餾水直至總體積為150 ml（TS 5%）。其中菌源與秸稈的質(zhì)量比為1：1。
4）用1 mol/L的KOH溶液調(diào)節(jié)體系初始pH為11，通入一段時(shí)間的氮?dú)猓敝琳麄€(gè)體系處于無氧狀態(tài)。
5）連接集氣袋后，對(duì)裝置進(jìn)行密封，然后置于45℃的培養(yǎng)箱恒溫條件下水解酸化4天。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果：反應(yīng)結(jié)束后，利用比色法測得反應(yīng)結(jié)束時(shí)體系中有機(jī)酸濃度為1825 mg/L(以乙酸計(jì))。
實(shí)施例3：
一種以玉米秸稈為底物經(jīng)水解酸化后高效產(chǎn)酸的方法，步驟如下：
1）厭氧發(fā)酵罐（總體積10 L，有效體積6 L）引入初始污泥（TS 14.76%），用蒸餾水調(diào)節(jié)系統(tǒng)TS值為3%。啟動(dòng)加熱裝置于37.0±0.5℃條件下預(yù)培養(yǎng)3天。第4天起，每天定期進(jìn)出料200 mL。進(jìn)料配制為：200 mL蒸餾水和10 g微晶纖維素。經(jīng)過2個(gè)水利停留時(shí)間（HRT）的馴化后（HRT 40 d），馴化結(jié)束。
2）取粉碎至20目的玉米秸稈20g，加入1.2 g Ca(OH)2固體，用16g蒸餾水調(diào)節(jié)含水率。密封后，放入60°C烘箱中處理24 h。
3）取經(jīng)過馴化的菌源6.700 g（TS=0.831%）和13.400 g預(yù)處理后的玉米秸稈混合，加入蒸餾水直至總體積為150 ml（TS 5%），其中菌源與秸稈的質(zhì)量比為1：2。
4）用1 mol/L的KOH溶液調(diào)節(jié)體系初始pH為10，通入一段時(shí)間的氮?dú)猓敝琳麄€(gè)體系處于無氧狀態(tài)。
5）連接集氣袋后，對(duì)裝置進(jìn)行密封，然后置于37℃的培養(yǎng)箱恒溫條件下水解酸化4天。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果：反應(yīng)結(jié)束后，利用比色法測得反應(yīng)結(jié)束時(shí)體系中有機(jī)酸濃度為1545mg/L(以乙酸計(jì))。