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(jìn)根區(qū)的氧化還原反應(yīng)與好氧微生物活動(dòng)及增強(qiáng)和 維持介質(zhì)的水力傳輸?shù)?。通過濕地植物不但可以去除污染物，還可以促進(jìn)污水中營養(yǎng)物質(zhì) 的循環(huán)和再利用，同時(shí)還能綠化土地，改善區(qū)域氣候，促進(jìn)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(yùn)行費(fèi)用低和易維護(hù)等特點(diǎn)，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)作物秸稈等為原料。 農(nóng)作物秸稈由于其質(zhì)量輕、體積大，運(yùn)輸成本較高，同時(shí)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)作物秸稈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)作物秸稈等為原料制備沼氣其產(chǎn)量也較低。同 時(shí)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?xiàng)l件較為激烈，對設(shè) 備腐蝕性較強(qiáng)，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(bào)道，每畝水葫蘆 的年產(chǎn)量可達(dá)5萬噸；同時(shí)，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(fèi)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(shí)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(shí)現(xiàn)人工濕地技術(shù)和生物能源技術(shù)的藕聯(lián)，經(jīng)濟(jì)適用性好、凈化效果穩(wěn)定和資 源有效利用。為實(shí)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-lOcm、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-lOcm，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1 10，在室溫、180rpm下處理12小時(shí)，再在原料和NaOH的混合料中加入濃度為31%的 H2O2處理12小時(shí)，固液分離后，收集固體殘?jiān)⑶宜礈?，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?jiān)尤雙H4. 8,0. IM檸檬酸鈉緩沖液中，再加 入2. 0% -4. 0%的纖維素酶，在45-50°C，120rpm的條件下處理6-12小時(shí)。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，180rpm的條件下振蕩培養(yǎng)至少24小時(shí)。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(diǎn)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(diǎn)，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(diǎn)，符 合低碳經(jīng)濟(jì)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?xiàng)l件較 為溫和等優(yōu)點(diǎn)，原料與NaOH溶液的質(zhì)量比為1 10，具有NaOH使用量小等優(yōu)點(diǎn)，在室溫、 180rpm下處理12小時(shí)，具有處理?xiàng)l件溫和的優(yōu)點(diǎn)，濃度為31 %的H2O2處理12小時(shí)，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. IM檸檬酸鈉緩沖液，具有成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，再 加入纖維素酶在50°C，120rpm的條件下處理12小時(shí)，具有酶解條件溫和，對設(shè)備要求低等 優(yōu)點(diǎn)。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(diǎn)，在 30°C，ISOrpm的條件下振蕩培養(yǎng)至少24小時(shí)，提高乙醇發(fā)酵率，乙醇產(chǎn)率達(dá)最高值，為 0. 22-8. 27g/100g 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-lOcm 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)作物秸稈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-lOcm，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)作物秸稈等制備的沼氣。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1一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(shí)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-lOcm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(shí)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-lOcm，直接放入?yún)捬醢l(fā)酵裝置中發(fā)酵 制取沼氣燃料。實(shí)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 1 10，在室溫、180rpm下處理12小時(shí)，再在原料和NaOH的混合料中加入濃度為31%的 H2O2處理12小時(shí)，固液分離后，收集固體殘?jiān)?，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?jiān)尤雙H4.8、0. IM檸檬酸鈉緩沖液中，再加入 2. 0-4. 0%的纖維素酶在50°C，120rpm的條件下處理12小時(shí)。纖維素酶的加入量是相對于 待處理的固體殘?jiān)馁|(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，180rpm的條件下振蕩培養(yǎng)至少24小時(shí)。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(shí)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1所示。表1不同人工濕地植物作為能源資源熱值測定結(jié)果 從表1可知，人工濕地植物具有和玉米秸稈相當(dāng)?shù)臒嶂?，因此可作為一種較好的 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)于玉米秸稈。實(shí)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-lOcm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(yùn)輸、熱值高等優(yōu)點(diǎn)，可作為一種替代燃料；同時(shí)燃后的灰份可做為優(yōu)質(zhì)的鉀肥直接還田改良土壤。實(shí)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(xì)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1 10，NaOH濃度為1 %，采用常規(guī)恒溫振蕩培 養(yǎng)搖床，在室溫、180rpm處理12小時(shí)；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(shí)，固液分離，收集殘?jiān)?；固體殘?jiān)?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?jiān)尤?. IM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、120rpm的條件下處理12小時(shí)。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，ISOrpm條件下振蕩培養(yǎng)24小時(shí)。結(jié)果表明經(jīng)24小時(shí)發(fā)酵后，乙醇產(chǎn)率達(dá)最高值， 為0. 22-8. 27g/100g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(shí)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(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
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。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的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)資源為原料制取固體成型燃料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2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。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的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。
5.根據(jù)權(quán)利要求4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-lOcm，直接放入?yún)捬醢l(fā)酵裝置中發(fā)酵制取沼 氣燃料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的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)資源為原料制取乙醇燃料。
7.根據(jù)權(quán)利要求6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。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的人工濕地植物生物質(zhì)資源的應(yīng)用，其特征在于所述預(yù)處理 為，將原料放入濃度為的NaOH溶液中，原料與NaOH溶液的質(zhì)量比為1 10，在室溫、 180rpm下處理12小時(shí)，再在原料和NaOH的混合料中加入濃度為31 %的H2O2處理12小時(shí)， 固液分離后，收集固體殘?jiān)?，并且水洗滌，調(diào)節(jié)PH至4. 8，用于酶水解。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的人工濕地植物生物質(zhì)資源的應(yīng)用，其特征在于所述酶水解 為，將預(yù)處理后的固體殘?jiān)尤隤H4. 8,0. IM檸檬酸鈉緩沖液中，再加入2. 0-4. 0%的纖維 素酶在50°C，120rpm的條件下處理12小時(shí)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9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，ISOrpm的 條件下振蕩培養(yǎng)至少24小時(shí)。
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(shí)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(shí)現(xiàn)人工濕地技術(shù)和生物能源技術(shù)的藕聯(lián)，經(jīng)濟(jì)適用性好、凈化效果穩(wěn)定和資源有效利用。
文檔編號C12P5/02GK101845349SQ201010187068
公開日2010年9月29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, 潘科, 祝其麗, 胡啟春 申請人:農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所