專利名稱：人工濕地植物生物質(zhì)資源的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生物質(zhì)資源的應(yīng)用及用其制備燃料的方法，尤其涉及一種人工濕地植物生物質(zhì)資源的應(yīng)用及用其制備燃料的方法。
背景技術(shù)：
人工濕地是20世紀(jì)70年代蓬勃興起的處理污水的方式，它的原理主要是利用濕地中基質(zhì)、濕地植物和微生物之間的相互作用，通過一系列物理的、化學(xué)的以及生物的途徑來凈化污水。濕地植物是人工濕地的核心，在人工濕地技術(shù)中起著重要作用，主要包括直 接吸收氮、磷等污染物，通過根系輸氧促進根區(qū)的氧化還原反應(yīng)與好氧微生物活動及增強和維持介質(zhì)的水力傳輸?shù)取Ｍㄟ^濕地植物不但可以去除污染物，還可以促進污水中營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)和再利用，同時還能綠化土地，改善區(qū)域氣候，促進生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)。人工濕地具有去除污染效果好、運行費用低和易維護等特點，已被廣泛用于污水處理中。然而對于人工濕地植物的資源化和后續(xù)利用研究較為缺位，形成了人工濕地技術(shù)的二次污染問題。另外，現(xiàn)有技術(shù)中固體成型燃料、沼氣和燃料乙醇一般采用農(nóng)作物秸桿等為原料。農(nóng)作物秸桿由于其質(zhì)量輕、體積大，運輸成本較高，同時區(qū)域性較為明顯，主要適用于我國北方等糧食主產(chǎn)區(qū)；并且季節(jié)性較為明顯。并且，采用農(nóng)作物秸桿為原料制備的燃料乙醇，由于其木質(zhì)素含量較高，乙醇發(fā)酵效率低；農(nóng)作物秸桿等為原料制備沼氣其產(chǎn)量也較低。同時在現(xiàn)有技術(shù)中生產(chǎn)燃料乙醇其預(yù)處理一般采用的是酸處理，其處理條件較為激烈，對設(shè)備腐蝕性較強，降低了設(shè)備的使用壽命。人工濕地植物，由于其生長速度快、生物量較高，如水葫蘆等，據(jù)報道，每畝水葫蘆的年產(chǎn)量可達5萬噸；同時，濕地植物一次種植，可以永久收獲，且采用水體中的營養(yǎng)物質(zhì)作為營養(yǎng)源，不需額外添加營養(yǎng)物，因此，其種植成本較低；另外,人工濕地植物作為一種木質(zhì)纖維類的生物質(zhì)資源，具有較高的纖維素和半纖維素含量，較低的木質(zhì)素含量，并且具有較高的熱值，因而可作為一種新的生物質(zhì)資源而加以利用。但目前這些濕地植物沒有得到妥善處置，造成了資源浪費和二次污染等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有人工濕地及制備固體成型燃料、沼氣和燃料乙醇存在的上述問題，提供一種人工濕地植物生物質(zhì)資源的應(yīng)用及用其制備燃料的方法，本發(fā)明不僅可解決人工濕地的二次污染問題，而且可以制備品質(zhì)優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的固體成型燃料、沼氣和燃料乙醇，提高乙醇發(fā)酵率，實現(xiàn)資源有效化利用；通過建立人工濕地——生物能源藕聯(lián)技術(shù)模式，實現(xiàn)人工濕地技術(shù)和生物能源技術(shù)的藕聯(lián)，經(jīng)濟適用性好、凈化效果穩(wěn)定和資源有效利用。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下
一種人工濕地植物生物質(zhì)資源的應(yīng)用，其特征在于利用人工濕地植物生物質(zhì)資源為原料制取燃料。利用人工濕地植物生物質(zhì)資源為原料制取固體成型燃料。所述制取固體成型燃料為將人工濕地植物生物質(zhì)資源經(jīng)切割、干燥，再壓縮成塊狀或顆粒狀形成固體成型燃料。
所述人工濕地植物生物質(zhì)資源經(jīng)切割至6-10 cm、干燥至含水率小于15%，再經(jīng)過固體成型設(shè)備壓縮成塊狀或顆粒狀作為固體成型燃料。利用人工濕地植物生物質(zhì)資源為原料制取沼氣燃料。所述制取沼氣燃料為將人工濕地植物生物質(zhì)資源切割至6-10 cm，直接放入?yún)捬醢l(fā)酵裝置中發(fā)酵制取沼氣燃料。利用人工濕地植物生物質(zhì)資源為原料制取乙醇燃料。所述制取乙醇燃料為將人工濕地植物生物質(zhì)資源經(jīng)自然干燥至含水率小于10%、粉碎過20-80目篩，再經(jīng)過預(yù)處理、酶水解、發(fā)酵制取乙醇燃料。所述預(yù)處理為，將原料放入濃度為1%的NaOH溶液中，原料與NaOH溶液的質(zhì)量比為I : 10，在室溫、180 rpm下處理12小時，再在原料和NaOH的混合料中加入濃度為31%的H2O2處理12小時，固液分離后，收集固體殘渣，并且水洗滌，調(diào)節(jié)pH至4. 8，用于酶水解。所述酶水解為，將預(yù)處理后的固體殘渣加入pH4. 8、0. I M檸檬酸鈉緩沖液中，再加入2. 0%-4. 0%的纖維素酶，在45-50° C，120 rpm的條件下處理6-12小時。所述發(fā)酵為，將酶解結(jié)束后的水解液用NaOH調(diào)整至pH 6. 5，再接種乙醇發(fā)酵菌株，在30° C，180 rpm的條件下振蕩培養(yǎng)至少24小時。所述人工濕地植物生物質(zhì)資源包括再力花、水葫蘆、傘草、蘆葦、姜花、澤瀉、長香蒲、腎蕨、香蒲、黃菖蒲、美人蕉、蜘蛛抱蛋、馬蹄蓮、水苦荬等所有用于人工濕地的植物資源。采用本發(fā)明的優(yōu)點在于
一、本發(fā)明解決了現(xiàn)有人工濕地存在的二次污染，并且基于對人工濕地植物具有較高的纖維素和半纖維素含量，較低的木質(zhì)素含量，并且具有較高的熱值等特點，將其制備成生物質(zhì)能源而加以能源化利用。二、本發(fā)明以人工濕地植物作為能源資源，具有環(huán)保、可持續(xù)和成本低的優(yōu)點，符合低碳經(jīng)濟思想。三、本發(fā)明將人工濕地植物作為一種能源資源，生產(chǎn)方法簡單，有助于提升人工濕地的綜合效益，解決人工濕地的二次污染問題。四、本發(fā)明預(yù)處理中，NaOH溶液的濃度為1%，具有NaOH使用量小，處理條件較為溫和等優(yōu)點，原料與NaOH溶液的質(zhì)量比為I :10，具有NaOH使用量小等優(yōu)點，在室溫、180 rpm下處理12小時，具有處理條件溫和的優(yōu)點，濃度為31%的H2O2處理12小時，可有效去除木質(zhì)素等抑制發(fā)酵的物質(zhì)產(chǎn)生。五、本發(fā)明酶水解中，采用pH4. 8、0. I M檸檬酸鈉緩沖液，具有成本低廉的優(yōu)點，再加入纖維素酶在50° C，120 rpm的條件下處理12小時，具有酶解條件溫和，對設(shè)備要求低等優(yōu)點。
六、本發(fā)明發(fā)酵中，水解液用NaOH調(diào)整至pH 6. 5，具有成本低廉等優(yōu)點，在30° C，180 rpm的條件下振蕩培養(yǎng)至少24小時，提高乙醇發(fā)酵率，乙醇產(chǎn)率達最高值，為O. 22-8. 27 g/100 g 干燥原料。七、本發(fā)明中，制取固體成型燃料為將人工濕地植物生物質(zhì)資源經(jīng)切割至6-10 cm左右、干燥，再壓縮成塊狀或顆粒狀形成固體成型燃料，得到的固體成型燃料燃燒率明顯優(yōu)于采用農(nóng)作物秸桿等制備的固體成型燃料。八、本發(fā)明中，制取沼氣燃料為將人工濕地植物生物質(zhì)資源切割至6-10 cm，直接放入?yún)捬醢l(fā)酵裝置中發(fā)酵制取沼氣燃料，沼氣的產(chǎn)率明顯高于采用農(nóng)作物秸桿等制備的沼氣。
具體實施方式

實施例I
一種人工濕地植物生物質(zhì)資源的應(yīng)用，利用人工濕地植物生物質(zhì)資源為原料制取燃料。本發(fā)明可利用人工濕地植物生物質(zhì)資源為原料制取固體成型燃料。制取固體成型燃料時將人工濕地植物生物質(zhì)資源經(jīng)切割、干燥，再壓縮成塊狀或顆粒狀形成固體成型燃料。例如，人工濕地植物生物質(zhì)資源經(jīng)切割6-10 cm左右、干燥至含水率小于15%，再經(jīng)過固體成型設(shè)備壓縮成塊狀或顆粒狀作為固體成型燃料。實施例2
一種人工濕地植物生物質(zhì)資源的應(yīng)用，利用人工濕地植物生物質(zhì)資源為原料制取燃料。本發(fā)明可利用人工濕地植物生物質(zhì)資源為原料制取沼氣燃料。例如，將人工濕地植物生物質(zhì)資源切割至6-10 cm，直接放入?yún)捬醢l(fā)酵裝置中發(fā)酵制取沼氣燃料。實施例3
一種人工濕地植物生物質(zhì)資源的應(yīng)用，利用人工濕地植物生物質(zhì)資源為原料制取燃料。本發(fā)明可利用人工濕地植物生物質(zhì)資源為原料制取乙醇燃料。所述制取乙醇燃料為將人工濕地植物生物質(zhì)資源經(jīng)自然干燥至含水率小于10%、粉碎過20-80目篩，再經(jīng)過預(yù)處理、酶水解、發(fā)酵制取乙醇燃料。預(yù)處理為，將原料放入濃度為1%的NaOH溶液中，原料與NaOH溶液的質(zhì)量比為I :10，在室溫、180 rpm下處理12小時，再在原料和NaOH的混合料中加入濃度為31%的H2O2處理12小時，固液分離后，收集固體殘渣，并且水洗滌，調(diào)節(jié)pH至4. 8，用于酶水解。酶水解為，將預(yù)處理后的固體殘渣加入pH4. 8、0. I M檸檬酸鈉緩沖液中，再加入2. 0-4. 0%的纖維素酶在50° C，120 rpm的條件下處理12小時。纖維素酶的加入量是相對于待處理的固體殘渣的質(zhì)量。發(fā)酵為，將酶解結(jié)束后的水解液用NaOH調(diào)整至pH 6. 5，再接種畢赤酵母菌株DSM3652，在30。C，180 rpm的條件下振蕩培養(yǎng)至少24小時。畢赤酵母菌株DSM3652在德國DSMZ菌種保藏中心有保藏。人工濕地植物生物質(zhì)資源包括再力花、水葫蘆、傘草、蘆葦、姜花、澤瀉、長香蒲、腎蕨、香蒲、黃菖蒲、美人蕉、蜘蛛抱蛋、馬蹄蓮、水苦荬等所有用于人工濕地的植物資源。實施例4
不同人工濕地植物作為能源資源的評估
將不同人工濕地植物樣品經(jīng)自然干燥5-10天后(含水率小于10%)，粉碎過20-80目篩，貯存于-20°C備用。利用IKA C2000熱值測定儀測定不同人工濕地植物資源的熱值，如表I所示。表I不同人工濕地植物作為能源資源熱值測定結(jié)果· — 樣品熱擔(dān)(MIKg)
1__再力花__15704_
2__水HF__14355_
3____17JCT_
4____ITiMSS_
5__. __17JS39_
^m15417
7長香鋪16Ji27
8WM17^34
9香蒱15JB8
10黃1&120
11HAS14搬^n^ ML欄
1314.763
14水SH14JM7
_15____15.709_
Ifi-玉來趙Ff1(SlS43
從表I可知，人工濕地植物具有和玉米秸桿相當(dāng)?shù)臒嶂担虼丝勺鳛橐环N較好的生物質(zhì)能源資源加以利用。通過本發(fā)明中的處理工藝制備的固體成型燃料、沼氣和燃料乙醇品質(zhì)可優(yōu)于玉米秸桿。實施例5
人工濕地植物資源制取固體成型燃料
人工濕地植物生物質(zhì)資源經(jīng)切割至6-10 cm左右、干燥至含水率小于15%、再經(jīng)過商品化的固體成型設(shè)備，壓縮成塊狀或顆粒狀作為燃料，具有方便運輸、熱值高等優(yōu)點，可作為一種替代燃料；同時燃后的灰份可做為優(yōu)質(zhì)的鉀肥直接還田改良土壤。實施例6
人工濕地植物資源制取燃料乙醇
人工濕地植物生物質(zhì)資源經(jīng)干燥(一般要求含水率小于10%)、粉碎，再經(jīng)過酸、堿或蒸汽爆破等預(yù)處理技術(shù)，再使用纖維素酶水解，作為乙醇發(fā)酵的原料，通過微生物(如現(xiàn)有的釀酒酵母、細菌和重組酵母等)發(fā)酵等制取燃料乙醇。人工濕地植物生物質(zhì)資源經(jīng)干燥至含水率小于10%、粉碎，再經(jīng)過NaOH-纖維素酶處理技術(shù)處理用于纖維素酶解。NaOH-纖維素酶處理技術(shù)工藝
原料與NaOH溶液的固液質(zhì)量比為I : 10，NaOH濃度為1%，采用常規(guī)恒溫振蕩培養(yǎng)搖床，在室溫、180 rpm處理12小時；在原料與NaOH溶液的混合物中加入濃度為31%的H2O2 (w/V)，H2O2被稀釋到濃度為1% (w/v)，處理12小時，固液分離，收集殘渣；固體殘渣用H2O洗滌，調(diào)節(jié)PH至4. 8，用于纖維素酶水解。
竹子生物質(zhì)廢棄物纖維素酶水解工藝
將固體殘渣加入O. I M檸檬酸鈉緩沖液(pH4. 8)中，再加入纖維素酶，采用常規(guī)恒溫振蕩培養(yǎng)搖床在50° C、120 rpm的條件下處理12小時。采用高效乙醇發(fā)酵菌種發(fā)酵
酶解結(jié)束后，水解液用NaOH調(diào)整至pH 6. 5，再接種畢赤酵母菌株DSM3652，在30° C，180 rpm條件下振蕩培養(yǎng)24小時。結(jié)果表明經(jīng)24小時發(fā)酵后，乙醇產(chǎn)率達最高值，為O. 22-8. 27 g/100 g干燥原料。畢赤酵母菌株DSM3652在德國DSMZ菌種保藏中心有保藏。顯然，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員根據(jù)所掌握的技術(shù)知識和慣用手段，根據(jù)以上所述內(nèi)容，還可以作出不脫離本發(fā)明基本技術(shù)方案的多種形式，這些形式上的變換均在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種人工濕地植物生物質(zhì)資源的應(yīng)用，其特征在于利用人工濕地植物生物質(zhì)資源為原料制取沼氣燃料。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的人工濕地植物生物質(zhì)資源的應(yīng)用，其特征在于所述制取沼氣燃料為將人工濕地植物生物質(zhì)資源切割至6-10 cm，直接放入?yún)捬醢l(fā)酵裝置中發(fā)酵制取沼氣燃料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種人工濕地植物生物質(zhì)資源的應(yīng)用，利用人工濕地植物生物質(zhì)資源為原料制取燃料。本發(fā)明不僅可解決人工濕地的二次污染問題，而且可以制備品質(zhì)優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的固體成型燃料、沼氣和燃料乙醇，實現(xiàn)資源有效化利用；通過建立人工濕地——生物能源藕聯(lián)技術(shù)模式，實現(xiàn)人工濕地技術(shù)和生物能源技術(shù)的藕聯(lián)，經(jīng)濟適用性好、凈化效果穩(wěn)定和資源有效利用。
文檔編號C10L1/02GK102899115SQ201210412248
公開日2013年1月30日 申請日期2010年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月28日
發(fā)明者何明雄, 胡啟春, 祝其麗, 潘科 申請人:農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所