本發(fā)明屬于有機固體廢物資源化處置領(lǐng)域，具體涉及一種用于污泥堆肥過程中重金屬鈍化技術(shù)，尤其是涉及一種用于污泥堆肥過程中的重金屬鈍化菌劑的生產(chǎn)及應(yīng)用。
背景技術(shù)：
城市污泥是城市污水處理過程中產(chǎn)生的沉淀物。我國年產(chǎn)污泥3000多萬噸，并且以每年15％的速度增長。城市污泥富含N、P、K等養(yǎng)分和有機質(zhì)，是優(yōu)質(zhì)的有機肥源。目前應(yīng)用于商品有機肥生產(chǎn)的城市污泥資源化化技術(shù)主要是高溫好氧堆肥技術(shù)，即在高溫好氧發(fā)酵條件下污泥中有機物快速腐殖化及穩(wěn)定化。但由于多數(shù)污泥中Cu、Pb、Cr、Cd等重金屬含量超標(biāo)，污泥堆肥過程中重金屬無法實現(xiàn)有效的控制，污泥堆肥土地利用存在巨大的環(huán)境風(fēng)險。
目前，重金屬修復(fù)技術(shù)主要為原位鈍化技術(shù)，即添加鈍化劑改變污泥堆肥處理中重金屬(Cu、Pb、Cr、Cd)的形態(tài)，從而實現(xiàn)重金屬的原位鈍化。化學(xué)鈍化劑成本高，二次污染嚴重。微生物原位鈍化技術(shù)因成本低、無二次污染等優(yōu)點成為重金屬鈍化技術(shù)的首選。
重金屬微生物原位鈍化技術(shù)是利用某些微生物對重金屬的吸收、沉淀、氧化還原等作用，從而降低重金屬的毒性及遷移性。硫酸鹽還原菌能把硫酸鹽還原形成H2S并與重金屬反應(yīng)形成沉淀，已廣泛應(yīng)用于水體重金屬鈍化與去除。其鈍化原理為：在硫酸鹽還原條件下，硫酸鹽還原菌重金屬原位鈍化原理主要為：1)硫酸鹽還原過程中釋放出電子或產(chǎn)生能夠還原Cu(II)、Cr(VI)的代謝產(chǎn)物，電子及該代謝物質(zhì)將Cu(II)、Cr(VI)還原為Cu(I)和Cr(III)，重金屬的生物毒性降低；2)硫酸鹽還原一方面消耗水合氫離子，使得溶液pH值升高，金屬離子以氫氧化物形式沉淀，降低重金屬的遷移擴散能力；3)硫化氫與金屬離子反應(yīng)，生成不可溶的金屬硫化物，如Cu2S、PbS、CdS等，實現(xiàn)重金屬的原位鈍化。目前常溫硫酸鹽還原菌重金屬生物修復(fù)技術(shù)已在水體、土壤有機污染物/重金屬修復(fù)中廣泛應(yīng)用。但由于污泥堆肥過程中溫度較高，不能直接添加硫酸鹽還原菌重金屬原位鈍化菌劑，因此常溫硫酸鹽還原菌重金屬原位鈍化菌劑只能在污泥陳化腐熟階段或二次發(fā)酵過程中使用，工藝較為復(fù)雜。
嗜熱硫酸鹽還原菌具有耐高溫及硫酸鹽還原的相關(guān)特性，能夠在高溫條件下實現(xiàn)有毒重金屬的還原固定及有機污染物的加速降解。近年來已發(fā)現(xiàn)部分的嗜熱硫酸鹽還原菌，如Archaeoglobus fulgidus CNCM I-3465和Archaeoglobus fulgidus CNCM I-3469等可用于有機污染物降解。經(jīng)檢索，尚未發(fā)現(xiàn)利用嗜熱硫酸鹽還原菌直接用于污泥堆肥過程重金屬原位鈍化的報道。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有污泥堆肥處置技術(shù)的不足，利用嗜熱硫酸鹽還原菌的硫還原特性，提供一種污泥堆肥重金屬鈍化菌劑及生產(chǎn)方法，并提供應(yīng)用方法。
本發(fā)明提供的污泥堆肥重金屬鈍化菌劑，由嗜熱硫酸鹽還原菌Archaeoglobus veneficus VC-16(DSM 4304)、Thermodesulfobacterium commune YSRA-1(DSM 2178)的一種或兩種發(fā)酵制得。所述的嗜熱硫酸鹽還原菌Archaeoglobus veneficus VC-16(DSM 4304)、Thermodesulfobacterium commune YSRA-1(DSM 2178)的菌種從德國微生物菌種保藏中心DSMZ(Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen Gmbh，DSMZ)購買獲得。所述的嗜熱硫酸鹽還原菌Archaeoglobus veneficus VC-16(DSM 4304)、Thermodesulfobacterium commune YSRA-1(DSM 2178)生物安全等級均為一級.
污泥堆肥重金屬鈍化菌劑，包括嗜熱硫酸鹽還原菌和輔料，其特征是：污泥堆肥重金屬鈍化菌劑每g含嗜熱硫酸鹽還原菌總菌數(shù)5億以上，所述輔料包括液體培養(yǎng)基和固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基，所述液體培養(yǎng)基重量比5-10份，所述固態(tài)重量比90-95份；所述液體培養(yǎng)基成分及配方為：每1000.00mL去離子水加入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，乳酸鈉1.50g，F(xiàn)e(NH4)2(SO4)2·7H2O溶液(0.1％w/v)2.00mL，微量元素溶液10.00mL，刃天青鈉鹽溶液(0.1％w/v)0.50mL，NaHCO33.00g，Na2S·9H2O 0.50g，去離子水1000.00mL；所述微量元素溶液成分及配方為：每1000.00mL去離子水加入氨三乙酸1.5g，MgSO4·7H2O3.0g，MnSO4·H2O 0.5g，NaCl 1.0g，F(xiàn)eSO4·7H2O 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；所述固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基成分及配方為：秸稈粉重量比20-30份，城市污泥重量比20-30份，麩皮重量比5-10份，豆粕重量比30-50份，液體培養(yǎng)基重量比1-5份。
本發(fā)明的另一目的是提供所述污泥堆肥重金屬鈍化菌劑的生產(chǎn)方法，步驟如下：
1)菌種活化：取硫酸鹽還原菌菌種接種于培養(yǎng)基，在45-85℃條件下培養(yǎng)5-10d；優(yōu)選的，Archaeoglobus veneficus VC-16培養(yǎng)溫度為80℃，Thermodesulfobacterium commune YSRA-1培養(yǎng)溫度為70℃；
2)種子液制備：將活化的菌種接種于液體培養(yǎng)基中，進行一級、二級、三級擴大培養(yǎng)；培養(yǎng)條件為45-80℃；當(dāng)培養(yǎng)液OD600在1.8-3.0之間時停止培養(yǎng)，得一級種子；將一級種子按體積比10％接種至1L以上的搖瓶中進行二級擴大培養(yǎng)，當(dāng)培養(yǎng)液OD600在1.8-3.0之間時停止培養(yǎng)，得二級種子液；
3)固態(tài)發(fā)酵：擴大培養(yǎng)結(jié)束后，按5-10％的接種量將二級種子液種子液接入固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基，45-85℃發(fā)酵培養(yǎng)5-10d；培養(yǎng)結(jié)束后，檢測總菌數(shù)達到5億/克以上，粉碎過篩，即得污泥堆肥重金屬鈍化菌劑；
其中，步驟1)和步驟2)所述液體培養(yǎng)基成分為：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，乳酸鈉1.50g，F(xiàn)e(NH4)2(SO4)2·7H2O溶液(0.1％w/v)2.00mL，微量元素溶液10.00mL，刃天青鈉鹽溶液(0.1％w/v)0.50mL，NaHCO33.00g，Na2S·9H2O 0.50g，去離子水1000.00mL，pH6.8-7.0；所述微量元素溶液成分為：微量元素溶液成分為：氨三乙酸1.5g，MgSO4·7H2O 3.0g，MnSO4·H2O 0.5g，NaCl 1.0g，F(xiàn)eSO4·7H2O 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，去離子水1000mL；
所述的硫酸鹽還原菌為Archaeoglobus veneficus VC-16、Thermodesulfobacterium commune YSRA-1的一種或兩種；
步驟3)所述固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基制備方法為：將秸稈粉、城市污泥、麩皮和豆粕用高速粉碎機粉碎，過60目篩，按照質(zhì)量百分比為20-30∶20-30∶5-10∶30-50的比例均勻混合均勻，加入1-5％的液體培養(yǎng)基，121℃滅菌；所述液體培養(yǎng)基為步驟1)中液體培養(yǎng)基一致。
本發(fā)明同時提供所述污泥堆肥重金屬鈍化菌劑的應(yīng)用：
在污泥堆肥物料中加入1-5％污泥堆肥重金屬鈍化菌劑并進行堆肥發(fā)酵，包括以下步驟：
1)堆肥原料預(yù)處理：堆肥原料由含水率60-80％的城市污泥和含水率為20-40％蓬松材料組成，污泥與蓬松材料重量比為5∶1-2，用堿調(diào)pH值為6.5-7.5；所述的蓬松材料為有機質(zhì)為木屑、菇渣、秸稈、稻殼中的至少一種。
2)菌劑接種：按1-5％比例接種重金屬鈍化菌劑，混勻。
3)高溫好氧堆肥：將混合物進行好氧堆肥，當(dāng)污泥堆肥溫度達到60℃后，每天翻堆一次；發(fā)酵20-40d。
4)粉碎篩分：待污泥堆體溫度降至35℃或35℃以下后將污泥堆肥粉碎，過篩。
5)重金屬鈍化效果檢驗：污泥堆制完成后，檢測污泥堆肥中Cu、Zn、Pb、Cr、Cd等有效態(tài)重金屬含量，當(dāng)有效態(tài)重金屬含量降低70％以上，重金屬鈍化菌劑符合質(zhì)量標(biāo)準。
本發(fā)明的有益效果是：
本發(fā)明提供的污泥堆肥重金屬鈍化菌劑耐熱性好，在污泥高溫堆制過程中可以實現(xiàn)其生長與增殖，并實現(xiàn)重金屬的原位鈍化，具有適應(yīng)性廣、安全性高、鈍化效果好等特點。
本發(fā)明提供的污泥堆肥重金屬鈍化菌劑直接加入污泥混合物料中進行高溫堆制，無需二次發(fā)酵工藝，具有工藝簡單、無害化程度高等優(yōu)點。
本發(fā)明提供的污泥堆肥重金屬鈍化菌劑能夠利用污泥中有機物及硫酸根離子進行硫酸鹽還原，在實現(xiàn)重金屬鈍化的同時可加速污泥堆肥的腐殖化過程及有機污染物的快速降解。
具體實施方式
下面結(jié)合具體實施例進一步詳細說明本發(fā)明。
污泥堆肥重金屬鈍化菌劑的生產(chǎn)方法：
實施例1
一種污泥堆肥重金屬鈍化菌劑的生產(chǎn)方法，具體步驟如下：
1)菌種活化：取Archaeoglobus veneficus VC-16菌種接種于100mL硫酸鹽還原菌液體液體培養(yǎng)基中，在80℃條件下培養(yǎng)7d。
液體培養(yǎng)基成分為：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，乳酸鈉1.50g，F(xiàn)e(NH4)2(SO4)2·7H2O溶液(0.1％w/v)2.00mL，微量元素溶液10.00mL，刃天青鈉鹽溶液(0.1％w/v)0.50mL，NaHCO33.0g，Na2S·9H2O 0.50g，去離子水1000.00mL，pH6.8-7.0。其中微量元素溶液成分為：氨三乙酸1.5g，MgSO4·7H2O 3.0g，MnSO4·H2O 0.5g，NaCl 1.0g，F(xiàn)eSO4·7H2O 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，去離子水1000mL。
2)種子液制備：將活化的菌種接種于500mL上述液體培養(yǎng)基中，進行一級、二級擴大培養(yǎng)；培養(yǎng)條件為80℃。當(dāng)培養(yǎng)液OD600在1.8時停止培養(yǎng)，得一級種子；將一級種子按體積比10％接種至2L搖瓶中進行二級擴大培養(yǎng)，當(dāng)培養(yǎng)液OD600在2.5時停止培養(yǎng)，得二級種子液。
3)固態(tài)發(fā)酵：將秸稈粉、城市污泥、麩皮和豆粕按質(zhì)量百分比為25∶20∶8∶47的比例均勻混合均勻，加入5％的上述液體培養(yǎng)基，調(diào)節(jié)pH 7.0，121℃滅菌制成固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基。擴大培養(yǎng)結(jié)束后，按10％的接種量將二級種子液接入固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基，混勻，70℃培養(yǎng)10d。培養(yǎng)結(jié)束后，粉碎過篩，即得污泥堆肥重金屬鈍化菌劑。
實施例2
一種污泥堆肥重金屬鈍化菌劑的生產(chǎn)方法，具體步驟如下：
1)菌種活化：取Thermodesulfobacterium commune YSRA-1VC-16菌種接種于100mL硫酸鹽還原菌液體液體培養(yǎng)基中，在70℃條件下培養(yǎng)10d。液體培養(yǎng)基同實施例1。
2)種子液制備：將活化的菌種接種于500mL上述液體培養(yǎng)基中，進行一級、二級擴大培養(yǎng)；培養(yǎng)條件為70℃。當(dāng)培養(yǎng)液OD600在2.0時停止培養(yǎng)，得一級種子；將一級種子按體積比10％接種至2L搖瓶中進行二級擴大培養(yǎng)，當(dāng)培養(yǎng)液OD600在2.8時停止培養(yǎng)，得二級種子液。
3)固態(tài)發(fā)酵：將秸稈粉、城市污泥、麩皮和豆粕按照質(zhì)量百分比為20∶30∶5∶45的比例均勻混合均勻，加入5％的上述液體培養(yǎng)基，調(diào)節(jié)pH 7.0，121℃滅菌制成固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基。擴大培養(yǎng)結(jié)束后，按10％的接種量將二級種子液接入固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基，混勻，70℃培養(yǎng)10d。培養(yǎng)結(jié)束后，粉碎過篩，即得污泥堆肥重金屬鈍化菌劑。
實施例3
污泥堆肥重金屬鈍化菌劑的應(yīng)用例一，具體步驟如下：
1)堆肥物料預(yù)處理：堆肥原料由含水率75％的城市污泥和含水率為30％秸稈組成，污泥與秸稈重量比為5∶2，混合后物料的含水率約62％，用NaOH調(diào)節(jié)pH值為7.0。
2)菌劑接種：按5％比例接種實施例1生產(chǎn)的重金屬鈍化菌劑，混勻。
3)高溫好氧堆肥：將混合物進行好氧堆肥，當(dāng)污泥堆肥溫度達到60℃后，每天翻堆一次；發(fā)酵30d。
4)粉碎篩分：待污泥堆體溫度降至35℃以下將污泥堆肥粉碎，過篩。
5)重金屬鈍化效果檢驗：污泥堆肥堆至制完成后，檢測污泥堆肥中Cu、Cr重金屬價態(tài)及Cu、Pb、Cr、Cd等活性態(tài)重金屬含量。結(jié)果表明，與對照比較，Cu(II)、Cr(VI)含量降低75.89％和82.18％，Cu、Pb、Cr、Cd活性態(tài)重金屬含量分別下降76.98、85.64、87.28和86.45，說明在堆肥堆制過程中添加該重金屬鈍化劑能夠?qū)崿F(xiàn)Cu、Pb、Cr、Cd重金屬的原位鈍化。
實施例4
污泥堆肥重金屬鈍化菌劑的應(yīng)用例二，具體步驟如下：
1)堆肥物料預(yù)處理：堆肥原料由含水率65％的城市污泥和含水率為40％的木屑組成，污泥與木屑重量比為5∶1，混合后物料含水率約61％，用NaOH調(diào)節(jié)pH值為7.5。
2)菌劑接種：按2％比例接種實施例2生產(chǎn)的重金屬鈍化菌劑，混勻。
3)高溫好氧堆肥：將混合物進行好氧堆肥，當(dāng)污泥堆肥溫度達到50℃后，每天翻堆一次；發(fā)酵25d。
4)粉碎篩分：待污泥堆體溫度降至35℃以下將污泥堆肥粉碎，過篩。
5)重金屬鈍化效果檢驗：：污泥堆制完成后，檢測污泥堆肥中Cu、Cr重金屬價態(tài)及Cu、Pb、Cr、Cd等活性態(tài)重金屬含量。結(jié)果表明，與對照比較，Cu(II)、Cr(VI)含量降低70.85％和80.24％，Cu、Pb、Cr、Cd活性態(tài)重金屬含量下降68-85％，說明在堆肥堆制過程中添加該重金屬鈍化劑能夠?qū)崿F(xiàn)Cu、Pb、Cr、Cd重金屬的原位鈍化。