一种多孔生物质载体接种成矿菌种高温好氧发酵有机固体废物制备生物碳的方法

技术领域

本发明属于固体废物处理处置技术领域，更具体地涉及一种有机固废好氧发酵生物碳及其制备方法。

背景技术

有机固废：指人类在生产建设、日常生活和其他活动中产生的污染环境的固态、半固态有机质含量15%以上的废弃物。

有机固废来源主要包括：农业、市政和工业，如市政污泥、工业有机污泥（一般固废）、河湖底泥、餐厨垃圾、秸秆等，本发明所述处理工艺主要针对一般有机固废，即农业、市政有机固废，及非危废的工业有机固废。在这些有机固废中，市政污泥、河湖底泥和工业有机污泥（一般固废）是造成有机固废重金属、病原微生物超标的主要来源，因此，本发明重点针对这几类有机固废的处理处置，但本发明方法也可应用于其他有机固废的处理。

生物有效性削减是重金属固化技术在国内外土壤修复中的成功经验，为我们进一步改进污泥、底泥等有机固废的处理处置，实现安全的土地利用带来了希望，成矿微生物是降低土壤中重金属生物有效性的成功举措，但是在污泥、底泥等有机固废的处理处置中尚未见报道。

中国发明专利申请CN105001007A、 CN103864484A、CN112661372A、CN112441851A等均重点关注污泥制有机肥的成本、反应速率等经济性指标，却忽视了所制得产物的安全性指标。

有鉴于此，如何在确保资源合理利用、防止环境二次污染的前提下，寻找出一种高效、低成本的好氧发酵工艺显得极为重要。

发明内容

鉴于背景技术存在的上述技术问题，需要提供一种有机固废好氧发酵生物碳及其制备方法，所述有机固废好氧发酵生物碳及其制备方法需首要提高产物的环境安全性，并兼具资源利用率高、高效低成本的特点。

为实现上述目的，在本发明的第一方面，发明人提供了一种有机固废好氧发酵生物碳的制备方法，所述制备方法，依次包括以下步骤：

S1. 所述混合破碎步骤依次包括：

（1）将含水率为50～85％的市政污泥、工业有机污泥（一般固废）、河湖底泥、餐厨垃圾等有机固体废物，倒入具有混合搅拌功能的箱体、槽体等容器中；

（2）所述有机固废中添加发酵、成矿菌液及秸秆、竹屑、木屑、玉米芯等农林副产物多孔生物质载体，通过抓斗、搅拌桨等，混合均匀；

（3）将混合物料送入破碎机进行粗破碎，破碎后的混合物料输送回混合容器（如为混合破碎一体机，可省去物料转移步骤）；

（4）加入醋酸、草酸等废酸液调节pH值为酸性（<7.0）;

（5）倒入以合适配比的接种有嗜热成矿微生物的多孔无机固体，陶粒、活性炭、硅藻土、竹炭等，通过抓斗、搅拌桨等，混合均匀；

（6）将破碎后的混合物料堆放在通气、集水发酵槽中，得到高不大于1 .2m的物料堆垛；

S2. 所述高温好氧发酵步骤依次包括：

（1）向发酵物料通气，静置24-48h；

（2）待所述发酵物料的温度高于70℃，反应2-10h；

（3）翻堆，使所述发酵物料内外得到均匀发酵；

（4）再通气静置8-24h，待所述发酵物料的温度再次高于70℃，反应2-10h；

（5）重复翻堆和静置，保证高温好氧发酵反应总时间达到1d以上，得到高温好氧发酵物料；

（6）当所述物料发酵温度无法超过60℃，停止通气，结束发酵；

S3. 将发酵后的物料导入陈化槽，堆成不高于40cm的物料层（可立体多层布置），保持通风，放置陈化，得到生物碳前体；

S4. 将所述生物碳前体按后续用途进行破碎，过5-20目筛，得到所述有机固废好氧发酵生物碳，包装出仓；未过筛的多孔载体材料收集起来以便下次发酵再行利用。

所述嗜热矿化微生物为嗜热、耐高温矿化微生物，优选的，包含砷氧化、铁锰氧化类微生物的一种或几种。

所述高温发酵微生物包含可发酵木质素等纤维的自产热好氧菌种，优选的，包含乳酸菌、酵母菌、嗜热糖球菌、高温木质素降解菌、嗜热脂肪土芽孢杆菌、热葡糖苷酶土芽孢杆菌、嗜热嗜油土芽孢杆菌、高温放线菌、枯草芽孢杆菌、嗜热脱氮芽孢杆菌、粪肠球菌和地衣芽孢杆菌等的一种或几种。

所述农林副产物多孔生物质载体为纤维素、有机质含量高的农林副产物，优选的，为秸秆、竹屑、木屑、玉米芯等。

所述酸性废液为不含重金属，或重金属含量低于国家标准要求，添加后不会导致所产生物碳重金属含量超标的有机、无机酸性溶液，优选的，为有机酸性废液，如醋酸、草酸等。

所述混合物料适宜pH为酸性，优选地，为3-6.5。

所述高温好氧发酵过程的指充分通气的条件下，以不低于70℃的反应温度发酵2-10小时，并在翻堆后，重复该过程，最终总反应时间3d以上。

所述多孔载体材料为可循环使用的多孔无机固体，优选的，为平均粒径为5-10cm的陶粒、活性炭、硅藻土、竹炭等。

所述有机固废为含水率为50～85％、或经简单机械脱水后可达含水率为50～85％的市政污泥、工业有机污泥（一般固废）、河湖底泥、餐厨垃圾等。

所述有机固废、农林废弃物多孔生物质载体和多孔载体材料的重量比为20:(2～10):(1～5)。

所述向发酵物料通气步骤，为每1m

所述一种有机固废好氧发酵生物碳，为按照上述制备方法制得的，含水率40%以下的聚散态固体，可用于土壤改良、烧结制砖/水泥、低碘值活性炭、污泥脱水助剂。

区别于现有技术，上述技术方案至少具有以下有益效果：

1）嗜热矿化微生物矿化有机固废中重金属，所生成硫酸盐、砷酸盐、锑酸盐等盐类化合物，将重金属固化或吸附于晶格中，转化或降低了生物碳中的有害重金属的含量和生物有效性，大大提升了生物碳产物的安全性；

2）添加的高温发酵微生物可利用有机固废和农林废弃物多孔生物质载体，与空气中氧气，持续高温产热，所产生高热可为嗜热矿化微生物矿化有机固废中重金属提供能量供给，并大大提升反应速率，实现自持反应，节能降耗，从而获得高无机质含量的终产物，避免陈化过程发生厌氧反应导致的腐败和臭气；高温过程还可以实现蛔虫卵、粪大肠菌群等的失活；

3）酸性废液可进一步加速嗜热矿化微生物对重金属的成矿反应速率，杀灭蛔虫卵、粪大肠菌群等病原体，有机废酸液还可为发酵反应提供高效碳源，从而实现酸性废液和有机固废的协同处置；

4）含多孔结构的农林废弃物和载体材料有助于好氧发酵过程中氧气的传输与储存，促进了发酵进程，并防止产生恶臭，提高了有机固废好氧发酵形成生物碳的效率和生物碳的品质；同时多孔结构为成矿过程提供了包埋和发育位点，进一步提高了所得生物碳的安全性；

5）该工艺产生的生物质碳，可循环用于生物碳发酵工艺中，取代传统生物碳发酵中使用大量的菌液、菌剂等物料，具有低成本发酵特点；

6）该工艺所产生物质碳，根据所添加农林废弃物、载体材料的性质，可分别适用于土壤改良、焚烧制砖/水泥、加热碳化等应用，其共同特点是有机固废中所含重金属已初步成矿或吸附固化，所含有机质中易降解部分已发酵产热，难降解部分已基本碳化，所含虫卵、大肠杆菌等病原体已高温消毒、失活，因而极大地提升了应用的安全性。

附图说明

图1为实施例采用的高温好氧发酵工艺流程图；

图2为实施例和对比例中样品的重金属含量；

图3为实施例和对比例中样品经不同发酵处理后的重金属生物有效性；

图4为实施例和对比例中样品信息及重金属含量表；

图5为实施例和对比例中样品经本发明方法处理后相对生物有效性表。

实施方式

下面结合实施例、对比例详细说明本发明所述的有机固废好氧发酵生物碳的制备方法。应理解，这些实施例仅用于说明本申请而不用于限制本申请的范围。

实施例中样品信息列表如图4，其中S1-10为取自我国不同市镇污水处理厂的污泥样品，D11-15为取自我国不同流域河湖底泥样品，F16-18为取自我国不同城市的餐厨垃圾样品。

实施例1、将含水率为80±5％的市政污泥S1-10，分别倒入具有混合搅拌、破碎功能的箱体容器中；加入嗜酸嗜热铁锰、砷氧化菌液，以及乳酸菌、酵母菌、嗜热糖球菌、高温木质素降解菌、嗜热脂肪土芽孢杆菌、热葡糖苷酶土芽孢杆菌、高温放线菌、枯草芽孢杆菌、嗜热脱氮芽孢杆菌组成的混合高温好氧发酵菌液及秸秆、玉米芯等多孔生物质载体，经搅拌桨/破碎刀具，混合破碎、搅拌均匀；加入醋酸/草酸废液调节混合物料pH值为4-6.5；倒入过20目筛的陶粒/活性炭，继续混合均匀；底泥、秸秆/竹屑和陶粒/活性炭的重量比为20:5:2。

将破碎混匀后的混合物料S1-10，分别堆放在通气、集水发酵槽中，得到高1.0 m的物料堆垛；按每1m

当物料发酵温度无法超过60℃，停止通气，结束发酵；将发酵后的物料导入陈化槽，堆成不高于40cm的物料层（可立体多层布置），保持通风，放置陈化，得到生物碳前体；

将所述生物碳前体按后续作为低碘值活性炭进行破碎，过20目筛，得到所述有机固废好氧发酵生物碳，包装出仓；未过筛的多孔载体材料收集起来下次发酵再行利用。

所得产物标记为R1-10。

实施例2、将含水率为85~95％的河湖底泥D11-15，经板框、叠螺、带式等压滤机或其他机械脱水装置脱水后，得到含水率约为65%的底泥样品，倒入混合槽中；加入嗜酸嗜热锰氧化菌、砷氧化菌的复合成矿菌液，以及乳酸菌、酵母菌、嗜热糖球菌、高温木质素降解菌、嗜热脂肪土芽孢杆菌、热葡糖苷酶土芽孢杆菌、嗜热嗜油土芽孢杆菌、高温放线菌、枯草芽孢杆菌、嗜热脱氮芽孢杆菌、粪肠球菌和地衣芽孢杆菌组成的混合高温好氧发酵菌液及秸秆、稻壳、玉米芯等多孔生物质载体，经抓斗搅拌均匀后，转入破碎槽；加入稀盐酸等废酸液调节混合物料pH值为1-3.5；倒入过20目筛的陶粒、硅藻土，继续混合均匀；底泥、秸秆/竹屑和陶粒/硅藻土的重量比为20:1:10。

将破碎混匀后的混合物料堆放在通气、集水发酵槽中，得到高1.0 m的物料堆垛；

按每1m

当物料发酵温度无法超过60℃，停止通气，结束发酵；将发酵后的物料导入三层式陈化槽，堆成不高于40cm的物料层，每层上方留出不低于30cm空间，保持通风，放置陈化7d，得到生物碳前体；

将所述生物碳前体按后续用作烧结砖/水泥用基材进行破碎，过6目筛，得到所述有机固废好氧发酵生物碳，包装出仓；未过筛的多孔载体材料收集起来以便下次发酵再行利用。

所得产物标记为RD11-15。

实施例3、将含水率为85~95％的餐厨垃圾F16-18，经板框、叠螺、带式等压滤机或其他机械脱水装置脱水后，得到含水率约为83%的食糜样品，倒入具有混合搅拌、破碎功能的箱体容器中；加入实施例1的混合高温好氧发酵生物质及秸秆、玉米芯等多孔生物质载体，经搅拌桨/破碎刀具，混合破碎、搅拌均匀；加入醋酸/草酸废液调节混合物料pH值为3-5.5；餐厨垃圾、秸秆/竹屑的重量比为20:10。

将破碎混匀后的混合物料F16-18，分别堆放在通气、集水发酵槽中，得到高1.0 m的物料堆垛；按每1m

当物料发酵温度无法超过60℃，停止通气，结束发酵；将发酵后的物料导入陈化槽，堆成不高于40cm的物料层（可立体多层布置），保持通风，放置陈化，得到生物碳前体；

将所述生物碳前体按后续作为土壤改良剂进行破碎，过20目筛，得到所述有机固废好氧发酵生物碳，包装出仓；未过筛的多孔载体材料收集起来下次发酵再行利用。

所得产物标记为RF16-18。

对比例1

本对比例基本与实施例1的处理条件相同，不同之处在于：本对比例中好氧发酵，不添加高温好氧菌液及成矿菌液，仅依靠自身残留微生物进行好氧发酵。所得产物标记为BS1-10。

对比例2

本对比例基本与实施例2的处理条件相同，不同之处在于：本对比例中好氧发酵，不添加成矿菌液，仅添加高温发酵菌液进行好氧发酵。所得产物标记为BD11-15。

对比例3

本对比例基本与实施例3的处理条件相同，不同之处在于：本对比例中好氧发酵时间仅2小时。所得产物标记为BF16-18。

混合后各实施、对比例样品中重金属含量如下表所示，均较混合前有所降低，这是由于混合农林副产物多孔生物质载体和多孔无机质载体稀释了发酵物料中重金属的含量。应用小鼠经口暴露，对物料的生物有效性进一步测定，结果见图5。由该图可知，经过高温好氧发酵和成矿菌共同作用下，各类样品的生物有效性均较对比例大为降低，且除个别样品外，均低于10%，因此，该方法是对阴阳离子重金属均有较好效果的全新处理工艺。

经进一步检视，经该工艺处理后样品中，未发现虫卵，粪大肠菌培养，未见菌落。对病原体控制符合国家标准中规定。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。