專利名稱：一種電化學(xué)協(xié)同木質(zhì)纖維素生物降解的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種電化學(xué)協(xié)同木質(zhì)纖維素生物降解的方法，屬于固體廢物處理處置領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
我國農(nóng)作物秸桿資源豐富，以水稻秸桿而言，我國年產(chǎn)水稻秸桿約為1.35億噸，農(nóng)作物秸桿的閑置不僅造成資源的大量浪費，而且污染環(huán)境。秸桿作為ー種可再生能源，蘊含著巨大的生物質(zhì)能量，它的資源化利用，對節(jié)約能源，改善生態(tài)環(huán)境、實現(xiàn)社會的可持續(xù)發(fā)展，有著重要意義。秸桿中含大量的木質(zhì)纖維素，主要有半纖維素、纖維素和木質(zhì)素三個組成分構(gòu)成，各組分都有廣泛的用途。半纖維素是戊糖和己糖的集合物，降解后可被微生物利用生產(chǎn)各種發(fā)酵產(chǎn)品；纖維素是由葡萄糖單元構(gòu)成的高聚物，降解后作為微生物碳源生產(chǎn)各種發(fā)酵產(chǎn)品；木質(zhì)素的基本結(jié)構(gòu)是苯丙烷，単體間通過醚鍵和碳-碳鍵聯(lián)結(jié)而成的復(fù)雜的、無定行的具有三維空間的結(jié)構(gòu)，用途也非常廣泛。目前，對木質(zhì)纖維素原料預(yù)處理的研究主要有物理法(蒸汽爆破、機械粉碎、微波、輻射等)，化學(xué)預(yù)處理(酸、堿、氧化、有機溶劑、超臨界萃取等)，生物預(yù)處理(直接生物處理和生物酶預(yù)處理).研究表明，秸桿木質(zhì)纖維素原料自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜和不均一性，僅依靠ー種是很難實現(xiàn)清潔轉(zhuǎn)化的。因此中國申請CN 102165069 A公開了ー種利用木質(zhì)纖維素制備沼氣的方法，主要是將原料通過擠壓膨化法預(yù)處理，然后與厭氧發(fā)酵菌種混均，進行發(fā)酵產(chǎn)沼氣。當(dāng)中使用了酸堿等化學(xué)試劑，存在較大的環(huán)境污染問題，増加了后續(xù)處理的難度。中國申請CN102051383 A氣爆處理木質(zhì)纖維素原料聯(lián)產(chǎn)沼氣、纖維素和木質(zhì)素的方法。此發(fā)明采用了高溫高壓耗能比較大，而且此方法操 作復(fù)雜。對于預(yù)處理:目前エ業(yè)上木質(zhì)纖維素的預(yù)處理方法是酸法和蒸汽爆破。酸法預(yù)處理需要大量的稀酸，其對環(huán)境污染嚴(yán)重，不符合生態(tài)環(huán)境的要求，產(chǎn)生了副產(chǎn)品，使其整個脫毒エ藝復(fù)雜。蒸汽爆破預(yù)處理，處理的木質(zhì)素未被除去，影響纖維素后期酶法水解。對于發(fā)酵:產(chǎn)氣周期長，效率低；漂浮原料結(jié)殼的殘留；以及產(chǎn)氣速率不好等現(xiàn)實問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供ー種電化學(xué)協(xié)同木質(zhì)纖維素生物降解的方法，從而能高效的降解木質(zhì)纖維素，該方法的操作簡單，對木質(zhì)纖維素原料的降解有很好的效果，而且產(chǎn)的沼氣質(zhì)量比較高，也加快了發(fā)酵的速度，大幅度的提高了生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率，無環(huán)境污染的特點。本發(fā)明通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)本發(fā)明目的:
將木質(zhì)纖維素原料置于150-200°C下進行水熱預(yù)處理30-70min，然后將預(yù)處理過的木質(zhì)纖維素物料與含厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣菌種混合，混合物投入?yún)捬醢l(fā)酵生物反應(yīng)器中，在電壓為0.05-5V，發(fā)酵溫度為30-60°C條件下進行厭氧發(fā)酵，連續(xù)制備沼氣，其中混合物中含厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的菌種為混合物質(zhì)量的15-50%，木質(zhì)纖維素原料為混合物質(zhì)量的10-35%，其余都為水。本發(fā)明中所述厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的菌種為沼氣發(fā)酵的渣水或者污泥、污水處理廠的污泥或人畜糞便馴化而來，即沼氣發(fā)酵渣水、沼氣發(fā)酵污泥、污水處理廠的污泥或人畜糞便中ー種或幾種任意比混合物與木質(zhì)纖維素原料按質(zhì)量比為0.2-0.85:1的比例混合，混合物的含水率在10-40%，發(fā)酵馴化20-55d后制備而成的沼液。本發(fā)明中所述木質(zhì)纖維素原料為秸桿(玉米、小麥、水稻、煙桿)、玉米芯、高粱桿、甘蔗渣、草類中ー種或幾種任意比混合物，粉碎后大小為15-30mm。本發(fā)明中加電壓的方式有兩種，一種是只在混合物中插入ー個電極(陽極或陰扱)，另ー種是插入兩個電扱，電壓為直流電或交流電。本發(fā)明方法利用電化學(xué)協(xié)同能夠加速木質(zhì)纖維素的降解，在發(fā)酵罐中有一個微電場，微電場的形成在一定的程度上使得木質(zhì)纖維素過渡到帶電物質(zhì)起到了加速作用，同時使得帶電微粒子聚集在電極板周圍，使得帶電粒子和微生物菌體充分接觸，從而降解。本發(fā)明方法有助于解決木質(zhì)纖維素不能充分利用的現(xiàn)狀，采用本發(fā)明方法對木質(zhì)纖維素原料的降解有很好的效果，而且產(chǎn)生的沼氣的質(zhì)量比較高，同時也加快了發(fā)酵的速度，大幅度的提高了生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率，而且在發(fā)酵過程中能夠解決結(jié)殼的問題，而且此方法具有無污染、高效率等優(yōu)勢，發(fā)酵后沼液沼渣還可以做有機肥料等特點。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進ー步詳細說明，但本發(fā)明保護范圍不局限于所述內(nèi)容。實施例1:本電化學(xué)協(xié)同木質(zhì)纖維素生物降解的方法，具體操作如下:
(1)水熱處理木質(zhì)纖維素原料:對玉米秸桿1kg(水分為13.30%，纖維素30.24%，半纖維素26.43%，木質(zhì)素14.58%，灰分為6.2%)切成25mm，加入5kg的水，在溫度為150°C進行水熱預(yù)處理，處理的時間是30min ；
(2)然后在預(yù)處理過的木質(zhì)纖維素物料中，加入2kg馴化后含菌種的沼液(沼氣發(fā)酵渣水與玉米芯高粱桿混合物(1:1)按質(zhì)量比0.2:1的比例混合，混合物的含水率在30%，發(fā)酵馴化40d后制備而成的沼液)混均，然后加入到厭氧發(fā)酵的反應(yīng)器中進行發(fā)酵，在發(fā)酵罐中加直流電壓0.25v，發(fā)酵的溫度調(diào)節(jié)為45°C，進行厭氧發(fā)酵30d，連續(xù)制備沼氣；
(3)經(jīng)檢測，發(fā)酵產(chǎn)甲烷比較穩(wěn)定，含甲烷的濃度在78-86%，CO2的濃度在5-15%，發(fā)酵后測定纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的降解率分別為22.5%、86.8%和7.5%。實施例2:本電化學(xué)協(xié)同木質(zhì)纖維素生物降解的方法，具體操作如下:
(1)水熱處理木質(zhì)纖維素原料:對小麥稻桿1kg(水分為12.26%,纖維素32.16%,半纖維素25.61%，木質(zhì)素21.2%，灰分為4.3%)切成15mm，加入5kg的水，在溫度為150°C進行水熱預(yù)處理，處理的時間是30min ；
(2)在處理過的玉米秸桿和進行水熱預(yù)處理剩余的液體中，加入2kg馴化后含菌種的沼液(沼氣發(fā)酵污泥與小麥和煙草秸桿(2:1)混合物按質(zhì)量比0.5:1的比例混合，混合物的含水率在40%，發(fā)酵馴化20d后制備而成的沼液)混均，然后加入到厭氧發(fā)酵的反應(yīng)器中進行發(fā)酵。在發(fā)酵罐中加直流電壓IV，發(fā)酵的溫度調(diào)節(jié)為45°c，進行厭氧發(fā)酵40d，連續(xù)制備沼氣；
(3)經(jīng)檢測，發(fā)酵產(chǎn)甲烷比較穩(wěn)定，含甲烷的濃度在75-87%，CO2的濃度在5-20%，發(fā)酵后測定纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的降解率分別為23.4%、88.5%和6.7%。實施例3:本電化學(xué)協(xié)同木質(zhì)纖維素生物降解的方法，具體操作如下:
(1)水熱處理木質(zhì)纖維素原料:對水稻稻桿Ikg(水分為13.53%,纖維素35.46%,半纖維素21.71%，木質(zhì)素7.95%，灰分為17.8%)切成25mm，加入5kg的水，在溫度為150°C進行水熱預(yù)處理，處理的時間是30min ；
(2)在處理過的玉米秸桿和進行水熱預(yù)處理剩余的液體中，加入2kg馴化后含菌種的沼液(污水處理廠的污泥與甘蔗渣按質(zhì)量比0.6:1的比例混合，混合物的含水率在10%，發(fā)酵馴化55d后制備而成的沼液)混均，然后加入到厭氧發(fā)酵的反應(yīng)器中進行發(fā)酵。在發(fā)酵罐中加直流電壓2v，發(fā)酵的溫度調(diào)節(jié)為45°C，進行厭氧發(fā)酵35d，連續(xù)制備沼氣；
(3)經(jīng)檢測，發(fā)酵產(chǎn)甲烷比較穩(wěn)定，含甲烷的濃度在76-85%，CO2的濃度在5-17%，發(fā)酵后測定纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的降解率分別為29.8%、82.5%和6.6%。實施例4:本電化學(xué)協(xié)同木質(zhì)纖維素生物降解的方法，具體操作如下:
(1)水熱處理木質(zhì)纖維素原料:對煙桿Ikg(水分為10.3%，纖維素31.4%，半纖維素23.1%，木質(zhì)素15%，灰分為6.4%)切成30mm，加入4kg的水，在溫度為200°C進行水熱預(yù)處理，處理的時間是50min ；
(2)在處理過的玉米秸 桿和進行水熱預(yù)處理剩余的液體中，加入5kg馴化后含菌種的沼液(沼氣發(fā)酵渣水和牛糞混合物(1:1)與甘蔗渣按質(zhì)量比0.85:1的比例混合，混合物的含水率在20%，發(fā)酵馴化50d后制備而成的沼液)混均，然后加入到厭氧發(fā)酵的反應(yīng)器中進行發(fā)酵，在發(fā)酵罐中加直流電壓5v，發(fā)酵的溫度調(diào)節(jié)為30°C，進行厭氧發(fā)酵45d，制備沼氣；
(3)經(jīng)檢測，發(fā)酵產(chǎn)甲烷比較穩(wěn)定，含甲烷的濃度為74-86%，CO2的濃度在5-19%，發(fā)酵后測定纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的降解率分別為30.7%,83.4%和7.8%。實施例5:本電化學(xué)協(xié)同木質(zhì)纖維素生物降解的方法，具體操作如下:
(1)水熱處理木質(zhì)纖維素原料:對煙桿3.5kg (水分為10.3%,纖維素31.4%,半纖維素23.1%，木質(zhì)素15%，灰分為6.4%)切成15mm，加入5kg的水，在溫度為180°C進行水熱預(yù)處理，處理的時間是50min ；
(2)在處理過的玉米秸桿和進行水熱預(yù)處理剩余的液體中，加入1.5kg馴化后含菌種的沼液(沼氣發(fā)酵污泥和渣水混合物(2:1)與水稻秸桿和草(3:1)混合物按質(zhì)量比0.8:1的比例混合，混合物的含水率在25%，發(fā)酵馴化45d后制備而成的沼液)混均，然后加入到厭氧發(fā)酵的反應(yīng)器中進行發(fā)酵，在發(fā)酵罐中加直流電壓0.1v,發(fā)酵的溫度調(diào)節(jié)為60°C，進行厭氧發(fā)酵28d，制備沼氣；
(3)經(jīng)檢測，發(fā)酵產(chǎn)甲烷比較穩(wěn)定，含甲烷的濃度80-85%，CO2的濃度在5%-18%，發(fā)酵后測定纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的降解率分別為34.6%,88.5%和7.9%。
權(quán)利要求
1.一種電化學(xué)協(xié)同木質(zhì)纖維素生物降解的方法，其特征在于:將木質(zhì)纖維素原料置于150-200°C下進行水熱預(yù)處理30-70min，然后將預(yù)處理過的木質(zhì)纖維素物料與含厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣菌種混合，混合物投入?yún)捬醢l(fā)酵生物反應(yīng)器中，在電壓為0.05-5v，發(fā)酵溫度為30-60°C條件下進行厭氧發(fā)酵，連續(xù)產(chǎn)沼氣，其中混合物中含厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣菌種的量為混合物質(zhì)量的15-50%，木質(zhì)纖維素原料為混合物質(zhì)量的10-35%，其余為水。
2.根據(jù)權(quán)利I所述電化學(xué)協(xié)同木質(zhì)纖維素生物降解的方法，其特征在于:厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣菌種為沼氣發(fā)酵渣水、沼氣發(fā)酵污泥、污水處理廠的污泥或人畜糞便中ー種或幾種與木質(zhì)纖維素原料按質(zhì)量比為0.2-0.85:1的比例混合，混合物的含水率在10-40%，發(fā)酵馴化20-55d后制備而成的沼液。
3.根據(jù)權(quán)利I或2所述電化學(xué)協(xié)同木質(zhì)纖維素生物降解的方法，其特征在于:木質(zhì)纖維素原料為秸桿、玉米芯、高粱桿、 甘蔗渣、草類中ー種或幾種，粉碎后大小為15-30_。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電化學(xué)協(xié)同木質(zhì)纖維素生物降解的方法，方法中先將木質(zhì)纖維素原料進行水熱預(yù)處理溫度在150℃-200℃，然后將預(yù)處理過的木質(zhì)纖維素原料和水溶液與含厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的菌種混合，投入?yún)捬醢l(fā)酵生物反應(yīng)器中，加電壓為0.05v-5v，發(fā)酵的溫度為30℃-60℃，進行厭氧發(fā)酵；本發(fā)明對木質(zhì)纖維素原料的降解有很好的效果，而且產(chǎn)的沼氣的質(zhì)量比較高，也加快了發(fā)酵的速度，大幅度的提高了生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率，發(fā)酵后的沼液沼渣還可以做有機復(fù)合肥。
文檔編號C12P5/02GK103088074SQ201310059970
公開日2013年5月8日 申請日期2013年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月26日
發(fā)明者瞿廣飛, 曾金花, 劉玉環(huán), 寧平 申請人:昆明理工大學(xué)