一种利用蚯蚓和复合菌剂进行堆肥发酵的方法和堆肥及应用与流程

本发明涉及堆肥发酵，具体涉及一种利用蚯蚓和复合菌剂进行堆肥发酵的方法以及制备的堆肥和应用。

背景技术：

1、煤矿开采过程中，每采1吨煤，就有约1/3的煤矸石产生。洗选过程中也造成大量煤矸石堆占土地。这不仅浪费土地资源，还因其成分复杂且含重金属，未经处理易造成环境污染。目前，煤矸石的消纳途径丰富，涵盖填埋、回填矿井、建材生产、能源转化等多个领域。但是，由于煤矸石本身具有较强的碱性，经过物理和化学系协同处理后，矸石的碱性仍然存在，而且还有可能进一步增强，加入土壤中会显著提高ph值，导致土壤盐碱化，这不利于许多植物的生长。也有学者研究探讨了矸石作为人工土的使用效果，发现其含有的有机质较少，且矿物质养分的含量不均匀，不能满足大多数植物的生长需求。

2、国内外学者对污泥与矸石混合使用制备人工土进行了研究，虽然二者结合能够对人工土的有机质含量和土壤结构有一定的改善，但是无法有效控制矸石与污泥的混合体系中重金属（如cd、pb）与污泥次生污染物的复合毒性，导致人工土发芽指数偏低（<50%）。而且，将矸石与污泥混合制备的人工土用微生物进行堆肥发酵，发现存在碳氮转化速率低（c/n比降幅<30%）、腐殖质合成周期长（60 d）等技术瓶颈。

技术实现思路

1、鉴于上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种利用蚯蚓和复合菌剂进行堆肥发酵的方法以及制备的堆肥和应用，采用本发明的堆肥发酵方法可优化煤矸石污泥多源固废基质碳氮转化率，提高固废基质中的活动态重金属钝化率和种子发芽指数。

2、本发明的发明人经研究发现，将煤矸石、污泥和秸杆复配制得固废基质后，再接种以生物炭负载保藏编号为cgmcc no.36871的非脱羧勒克莱尔氏菌和保藏编号为shbccd71512的耐寒短杆菌的复合菌剂和蚯蚓进行腐化、发酵，可优化煤矸石污泥多源固废基质碳氮转化率，提高固废基质中的活动态重金属钝化率和种子发芽指数。据分析认为：一方面实现了复合菌剂和蚯蚓协同提高堆肥发酵的效果：上述复合菌剂的存在可促进蚯蚓对堆肥原料的消化，并且还可以促进堆肥体系中可氧化态重金属尤其是汞的转化，并使之以弱酸提取态和可氧化态的形态在蚯蚓体内累积，而蚯蚓在进行上述生物活动的过程中又有利于使得堆肥体系形成适宜微生物发酵的碳氮比变化趋势和稳定适宜的水、气、弱酸环境，进而促进了复合菌剂的增殖效果以及利用固废基质合成腐殖质的合成效率，并且还进一步促进了固废基质中原生的嗜蛋白质菌属和屠场杆菌属的增殖和生物活动，进而协同促进了堆肥的发酵效果；另一方面，由于微生物和蚯蚓的生物活动，有助于固废基质中的煤矸石矿物晶格活化，磷、钾等有益元素活化和释放，提高了基质有效养分含量，同时改善基质结构，进一步提高了复合菌剂和蚯蚓的协同堆肥发酵效果，并且还进一步提高了蚯蚓产量。

3、基于上述分析，第一方面，本发明提供了一种利用蚯蚓和复合菌剂进行堆肥发酵的方法，所述堆肥发酵的方法包括将蚯蚓和复合菌剂接种于固废基质中进行发酵，制得堆肥；

4、其中，所述固废基质包括煤矸石、污泥和有机质；

5、所述复合菌剂包括非脱羧勒克莱尔氏菌和耐寒短杆菌以及负载非脱羧勒克莱尔氏菌和耐寒短杆菌的生物炭；

6、所述复合菌剂包括非脱羧勒克莱尔氏菌和耐寒短杆菌以及负载非脱羧勒克莱尔氏菌和耐寒短杆菌的生物炭；

7、所述非脱羧勒克莱尔氏菌分类命名为非脱羧勒克莱尔氏菌

leclercia

adecarboxylata，保藏编号为cgmcc no.36871；

8、所述耐寒短杆菌的保藏编号为shbcc d71512；

9、所述有机质包括秸秆；所述发酵温度≤35℃。

10、本发明一种优选地实施方式，以干基计，所述煤矸石、污泥和有机质的质量比为1：0.5-2：1-11，优选为1：0.6-1.2：1.5-5.5，更优选为1：0.9-1.1：4-5。

11、本发明一种优选地实施方式，所述固废基质的含水量为45wt%-65wt%，优选为45wt%-55wt%。

12、本发明一种优选地实施方式，所述固废基质的碳氮比为21-27：1（例如，可以为21：1、22：1、23：1、24：1、25：1、26：1和27：1中的任意数值或任意两数值间的任意值）。

13、本发明一种优选地实施方式，所述煤矸石的粒径≤5mm，优选为≤1mm。

14、本发明一种优选地实施方式，所述秸秆的长度为3-5cm。

15、本发明一种优选地实施方式，所述有机质还包括动物粪便。优选地，以干基计，所述秸秆和动物粪便的质量比为1：0.8-1.2，优选为1：0.9-1.1（例如，可以为1：0.9、1：0.92、1：0.94、1：0.96、1：0.98、1：1、1：1.02、1：1.04、1：1.06、1：1.08和1：1.1中的任意数值或者任意两数值间的任意值）。

16、本发明一种优选地实施方式，所述秸秆选自玉米秸秆、小麦秸秆、甘蔗秸秆和水稻秸秆中的至少一种，优选为玉米秸秆。

17、本发明一种优选地实施方式，所述动物粪便优选选自羊粪、牛粪、鸡粪、猪粪和鸽粪中的至少一种，优选为牛粪。

18、本发明一种优选地实施方式，所述污泥选自城市污泥。本发明中，所述城市污泥指的是城镇污水处理厂在净化污水过程中，从初沉池、二沉池等排出的半固态或固态物质（不含栅渣、浮渣和沉砂）。

19、本发明一种优选地实施方式，所述生物炭选自铁改性气化渣基生物炭。

20、本发明一种优选地实施方式，所述复合菌剂的制备方法包括以下步骤：

21、步骤s1：将所述非脱羧勒克莱尔氏菌扩培后离心取菌体，用质量浓度0.85%的盐水重悬菌体，得到非脱羧勒克莱尔氏菌菌液；

22、将所述耐寒短杆菌扩培后离心取菌体，用质量浓度0.85%的盐水重悬菌体，得到耐寒短杆菌菌液；

23、步骤s2：将气化渣和秸秆渣混合均匀，然后在草酸亚铁溶液中浸渍改性；将浸渍后的混合物料取出进行干燥，然后在惰性气氛中依次进行第一热解和第二热解处理，得到铁改性气化渣基生物炭；

24、步骤s3：将非脱羧勒克莱尔氏菌菌液和耐寒短杆菌菌液与铁改性气化渣基生物炭混合，得到混合料液，然后将混合料液置于摇床中进行吸附处理，吸附处理完成后进行离心，得到包含非脱羧勒克莱尔氏菌和耐寒短杆菌以及负载非脱羧勒克莱尔氏菌和耐寒短杆菌的铁改性气化渣基生物炭的复合菌剂。据分析认为，一方面，采用该优选的方法制备的铁改性气化渣基生物炭吸附负载非脱羧勒克莱尔氏菌和耐寒短杆菌，更有利于非脱羧勒克莱尔氏菌和耐寒短杆菌的分布均匀性和稳定性，进一步协同提高对固废基质的发酵效果；另一方面，铁改性气化渣基生物炭携带丰富的fe-oh键和fe-o键；分布均匀性和稳定性更好的非脱羧勒克莱尔氏菌和耐寒短杆菌以及丰富的fe-oh键和fe-o键可协同提高蚯蚓对堆肥中重金属的吸收和转化，有效降低堆肥中重金属的含量。本领域中，fe-oh键和fe-o键可通过常规技术手段测定，比如使用傅里叶变换红外光谱（ftir）法。

25、本发明一种优选地实施方式，步骤s1中，所述非脱羧勒克莱尔氏菌菌液的吸光度为1.0-2.0，优选为1.5-1.6（例如，可以为1.5、1.51、1.52、1.53、1.54、1.55、1.56、1.57、1.58、1.59和1.6中的任意数值或任意两数值间的任意值）。

26、本发明一种优选地实施方式，步骤s1中，所述耐寒短杆菌菌液的吸光度为1.0-2.0，优选为1.5-1.6（例如，可以为1.5、1.51、1.52、1.53、1.54、1.55、1.56、1.57、1.58、1.59和1.6中的任意数值或任意两数值间的任意值）。

27、本发明一种优选地实施方式，步骤s1中，所述非脱羧勒克莱尔氏菌扩培使用第一液体培养基，所述第一液体培养基的配方为：蛋白胨1-4g/l，羧甲基纤维素钠3-10g/l，磷酸二氢钾0.5-2g/l，七水硫酸镁0.3-1.0g/l，氯化钠0.3-1.0g/l，ph 6-9。

28、本发明一种优选地实施方式，步骤s1中，所述非脱羧勒克莱尔氏菌扩培的方法包括：将所述非脱羧勒克莱尔氏菌接种于第一液体培养基中，然后在10-20℃下培养60-80h。

29、本发明一种优选地实施方式，步骤s1中，所述耐寒短杆菌扩培使用第二液体培养基，所述第二液体培养基为lb液体培养基，所述耐寒短杆菌扩培的方法包括：将所述耐寒短杆菌接种于lb液体培养基中，然后在25-35℃下培养60-80h。

30、本发明一种优选地实施方式，步骤s2中，所述气化渣和秸秆渣的质量比为1：0.5-2，优选为1：0.8-1.1。

31、本发明一种优选地实施方式，步骤s2中，所述气化渣的粒径为≤150μm，优选为≤74μm。

32、本发明一种优选地实施方式，步骤s2中，所述秸秆渣的粒径为≤150μm，优选为≤74μm。

33、本发明一种优选地实施方式，步骤s2中，所述秸秆渣选自玉米秸秆渣、小麦秸秆渣、甘蔗秸秆渣和水稻秸秆渣中的至少一种，优选为玉米秸秆渣。

34、本发明一种优选地实施方式，步骤s2中，所述草酸亚铁溶液的浓度为0.3-1.0mol/l（例如，可以为0.3mol/l、0.4mol/l、0.5mol/l、0.6mol/l、0.7mol/l、0.8mol/l、0.9mol/l和1.0mol/l中的任意数值或任意两数值间的任意值）。

35、本发明一种优选地实施方式，步骤s2中，所述浸渍改性的条件包括：浸渍温度为22-28℃，浸渍时间为20-30h。

36、本发明一种优选地实施方式，步骤s2中，所述第一热解的条件包括：热解温度为400-600℃，优选为450-550℃；热解时间为0.5-1.5h，优选为0.8-1.2h。

37、本发明一种优选地实施方式，步骤s2中，所述方法还包括：在第一热解前，在惰性气氛中，以3-10℃/min的速度升温至第一热解温度。

38、本发明一种优选地实施方式，步骤s2中，所述方法还包括：在第二热解前，在惰性气氛中，以1-5℃/min的速度由所述第一热解温度升至第二热解温度。

39、本发明一种优选地实施方式，步骤s2中，所述第二热解的条件包括：热解温度为700-900℃，优选为750-850℃；热解时间为1-3h，优选为1.5-2.5h。

40、本发明一种优选地实施方式，步骤s2中，所述惰性气氛选自氮气气氛、氦气气氛、氖气气氛和氩气气氛中的至少一种。

41、本发明一种优选地实施方式，步骤s3中，所述非脱羧勒克莱尔氏菌菌液和耐寒短杆菌菌液的体积比为1：0.8-1.2。

42、本发明一种优选地实施方式，步骤s3中，所述非脱羧勒克莱尔氏菌菌液和耐寒短杆菌菌液的总量与铁改性气化渣基生物炭的用量比为（40-70）ml：1g，优选为（45-55）ml：1g（例如，可以为45ml：1g、46ml：1g、47ml：1g、48ml：1g、49ml：1g、50ml：1g、51ml：1g、52ml：1g、53ml：1g、54ml：1g和55ml：1g中的任意数值或任意两数值间的任意值）。

43、本发明一种优选地实施方式，步骤s3中，所述吸附处理的条件包括：吸附温度为20-35℃，优选为23-27℃；吸附时间为6-72h，优选为30-40h。

44、本发明一种优选地实施方式，步骤s3中，所述摇床的转速为140-200rpm。

45、本发明一种优选地实施方式，步骤s3中，所述混合料液的ph值为7.5-8.5。

46、本发明一种优选地实施方式，所述固废基质以含有的水的质量计，所述复合菌剂的接种量为0.9-3 g/kg，优选为0.9-1.3 g/kg（例如，可以为0.9 g/kg、0.9 5g/kg、1 g/kg、1.05 g/kg、1.1 g/kg、1.15 g/kg、1.2 g/kg、1.25 g/kg和1.3 g/kg中的任意数值或任意两数值间的任意值）。

47、本发明一种优选地实施方式，所述堆肥发酵的方法还包括：在接种前，将固废基质铺设成堆体，优选为铺设成条状堆体。

48、本发明一种优选地实施方式，所述堆体的高度为0.2-0.4m。

49、本发明一种优选地实施方式，相对于1m2的所述条状堆体表面积，所述蚯蚓幼苗的接种量为0.5-1.6kg，优选为0.8-1.2kg（例如，可以为0.8kg、0.85kg、0.9kg、0.95kg、1kg、1.05kg、1.1kg、1.15kg和1.2kg中的任意数值或任意两数值间的任意值）。

50、本发明一种优选地实施方式，所述蚯蚓以蚯蚓幼苗的形态接种于固废基质中，所述蚯蚓选自赤子爱胜蚯蚓、威廉环毛蚓、尤金真蚓、掘穴环爪蚓中的至少一种，优选为赤子爱胜蚯蚓。

51、本发明一种优选地实施方式，所述发酵的条件包括：发酵温度≤35℃，优选为22-26℃（例如，可以为22℃、23℃、24℃、25℃和26℃中的任意数值或任意两数值间的任意值），发酵时间为16-24d，优选为18-22d（例如，可以为18d、19d、20d、21d和22d中的任意数值或任意两数值间的任意值）。

52、本发明一种优选地实施方式，所述堆肥发酵的方法还包括：在发酵过程中，对条状堆体进行翻堆；优选地，所述翻堆的频率为3-5天翻堆1次；

53、本发明一种优选地实施方式，所述堆肥发酵的方法还包括：发酵完成后，筛分分离堆肥中的蚯蚓。

54、第二方面，本发明提供了第一方面所述的堆肥发酵方法制备的堆肥。

55、第三方面，本发明提供了第一方面所述的堆肥发酵方法制备的堆肥或第二方面所述的堆肥在土壤改良中的应用。

56、本发明的有益效果至少在于以下几个方面：

57、其一，将煤矸石和污泥以及有机质复配，可提高蚯蚓和复合菌剂的协同作用，使得堆肥产品的碳氮比值（c/n）达到11-16：1，提高了固废基质的熟化质量、种子发芽指数和植株的生物量，有效降低堆肥的重金属毒性（活动态砷钝化率可达到6%以上，活动态汞钝化率可达到8%以上）。

58、其二，铁改性气化渣基生物炭负载非脱羧勒克莱尔氏菌和耐寒短杆菌，不但具有强负载性能和菌群分布优化性能，提高了微生物的代谢活性和堆肥过程中复合熟化菌剂的熟化效果，而且还协同提高了蚯蚓对重金属hg和as的吸收和钝化效果，降低了堆肥产品的重金属生态风险等级。

59、其三，添加蚯蚓可协同复合菌剂提高微生物的关键代谢物，进一步促进了蚯蚓对堆肥基质中重金属hg和as的钝化作用。

60、其四，蚯蚓和低温菌联合措施改善了堆肥基质中微生物菌群结构，提高了嗜蛋白质菌属和屠场杆菌属的相对丰度，提高了微生物的关键代谢物表达量，进一步促使蚯蚓对重金属的钝化。

61、其五，显著促进植物株高和生物量，促生效果显著。