专利名称：人工湿地植物生物质资源的应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种生物质资源的应用及用其制备燃料的方法，尤其涉及一种人工湿 地植物生物质资源的应用及用其制备燃料的方法。
背景技术：
人工湿地是20世纪70年代蓬勃兴起的处理污水的方式，它的原理主要是利用湿 地中基质、湿地植物和微生物之间的相互作用，通过一系列物理的、化学的以及生物的途径 来净化污水。湿地植物是人工湿地的核心，在人工湿地技术中起着重要作用，主要包括直接 吸收氮、磷等污染物，通过根系输氧促进根区的氧化还原反应与好氧微生物活动及增强和 维持介质的水力传输等。通过湿地植物不但可以去除污染物，还可以促进污水中营养物质 的循环和再利用，同时还能绿化土地，改善区域气候，促进生态环境的良性循环。人工湿地 具有去除污染效果好、运行费用低和易维护等特点，已被广泛用于污水处理中。然而对于人 工湿地植物的资源化和后续利用研究较为缺位，形成了人工湿地技术的二次污染问题。另外，现有技术中固体成型燃料、沼气和燃料乙醇一般采用农作物秸秆等为原料。 农作物秸秆由于其质量轻、体积大，运输成本较高，同时区域性较为明显，主要适用于我国 北方等粮食主产区；并且季节性较为明显。并且，采用农作物秸秆为原料制备的燃料乙醇， 由于其木质素含量较高，乙醇发酵效率低；农作物秸秆等为原料制备沼气其产量也较低。同 时在现有技术中生产燃料乙醇其预处理一般采用的是酸处理，其处理条件较为激烈，对设 备腐蚀性较强，降低了设备的使用寿命。人工湿地植物，由于其生长速度快、生物量较高，如水葫芦等，据报道，每亩水葫芦 的年产量可达5万吨；同时，湿地植物一次种植，可以永久收获，且采用水体中的营养物质 作为营养源，不需额外添加营养物，因此，其种植成本较低；另外，人工湿地植物作为一种木 质纤维类的生物质资源，具有较高的纤维素和半纤维素含量，较低的木质素含量，并且具有 较高的热值，因而可作为一种新的生物质资源而加以利用。但目前这些湿地植物没有得到 妥善处置，造成了资源浪费和二次污染等问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有人工湿地及制备固体成型燃料、沼气和燃料乙醇存在的上述问题，提供一种人工湿地植物生物质资源的应用及用其制备燃料的方法，本发明不 仅可解决人工湿地的二次污染问题，而且可以制备品质优于现有技术的固体成型燃料、沼 气和燃料乙醇，提高乙醇发酵率，实现资源有效化利用；通过建立人工湿地——生物能源藕 联技术模式，实现人工湿地技术和生物能源技术的藕联，经济适用性好、净化效果稳定和资 源有效利用。为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下一种人工湿地植物生物质资源的应用，其特征在于利用人工湿地植物生物质资 源为原料制取燃料。
利用人工湿地植物生物质资源为原料制取固体成型燃料。所述制取固体成型燃料为将人工湿地植物生物质资源经切割、干燥，再压缩成块 状或颗粒状形成固体成型燃料。所述人工湿地植物生物质资源经切割至6-lOcm、干燥至含水率小于15%，再经过 固体成型设备压缩成块状或颗粒状作为固体成型燃料。
利用人工湿地植物生物质资源为原料制取沼气燃料。所述制取沼气燃料为将人工湿地植物生物质资源切割至6-lOcm，直接放入厌氧发 酵装置中发酵制取沼气燃料。利用人工湿地植物生物质资源为原料制取乙醇燃料。所述制取乙醇燃料为将人工湿地植物生物质资源经自然干燥至含水率小于10%、 粉碎过20-80目筛，再经过预处理、酶水解、发酵制取乙醇燃料。所述预处理为，将原料放入浓度为1 %的NaOH溶液中，原料与NaOH溶液的质量比 为1 10，在室温、180rpm下处理12小时，再在原料和NaOH的混合料中加入浓度为31%的 H2O2处理12小时，固液分离后，收集固体残渣，并且水洗涤，调节pH至4. 8，用于酶水解。所述酶水解为，将预处理后的固体残渣加入pH4. 8,0. IM柠檬酸钠缓冲液中，再加 入2. 0% -4. 0%的纤维素酶，在45-50°C，120rpm的条件下处理6-12小时。所述发酵为，将酶解结束后的水解液用NaOH调整至pH 6. 5，再接种乙醇发酵菌 株，在30°C，180rpm的条件下振荡培养至少24小时。所述人工湿地植物生物质资源包括再力花、水葫芦、伞草、芦苇、姜花、泽泻、长香 蒲、肾蕨、香蒲、黄菖蒲、美人蕉、蜘蛛抱蛋、马蹄莲、水苦荬等所有用于人工湿地的植物资 源。采用本发明的优点在于一、本发明解决了现有人工湿地存在的二次污染，并且基于对人工湿地植物具有 较高的纤维素和半纤维素含量，较低的木质素含量，并且具有较高的热值等特点，将其制备 成生物质能源而加以能源化利用。二、本发明以人工湿地植物作为能源资源，具有环保、可持续和成本低的优点，符 合低碳经济思想。三、本发明将人工湿地植物作为一种能源资源，生产方法简单，有助于提升人工湿 地的综合效益，解决人工湿地的二次污染问题。四、本发明预处理中，NaOH溶液的浓度为1 %，具有NaOH使用量小，处理条件较 为温和等优点，原料与NaOH溶液的质量比为1 10，具有NaOH使用量小等优点，在室温、 180rpm下处理12小时，具有处理条件温和的优点，浓度为31 %的H2O2处理12小时，可有效 去除木质素等抑制发酵的物质产生。五、本发明酶水解中，采用pH4. 8,0. IM柠檬酸钠缓冲液，具有成本低廉的优点，再 加入纤维素酶在50°C，120rpm的条件下处理12小时，具有酶解条件温和，对设备要求低等 优点。六、本发明发酵中，水解液用NaOH调整至pH 6. 5，具有成本低廉等优点，在 30°C，ISOrpm的条件下振荡培养至少24小时，提高乙醇发酵率，乙醇产率达最高值，为 0. 22-8. 27g/100g 干燥原料。
七、本发明中，制取固体成型燃料为将人工湿地植物生物质资源经切割至6-lOcm 左右、干燥，再压缩成块状或颗粒状形成固体成型燃料，得到的固体成型燃料燃烧率明显优 于采用农作物秸秆等制备的固体成型燃料。八、本发明中，制取沼气燃料为将人工湿地植物生物质资源切割至6-lOcm，直接放入厌氧发酵装置中发酵制取沼气燃料，沼气的产率明显高于采用农作物秸秆等制备的沼气。
具体实施例方式实施例1一种人工湿地植物生物质资源的应用，利用人工湿地植物生物质资源为原料制取 燃料。本发明可利用人工湿地植物生物质资源为原料制取固体成型燃料。制取固体成型燃料时将人工湿地植物生物质资源经切割、干燥，再压缩成块状或 颗粒状形成固体成型燃料。例如，人工湿地植物生物质资源经切割6-lOcm左右、干燥至含水率小于15%，再 经过固体成型设备压缩成块状或颗粒状作为固体成型燃料。实施例2一种人工湿地植物生物质资源的应用，利用人工湿地植物生物质资源为原料制取 燃料。本发明可利用人工湿地植物生物质资源为原料制取沼气燃料。例如，将人工湿地植物生物质资源切割至6-lOcm，直接放入厌氧发酵装置中发酵 制取沼气燃料。实施例3一种人工湿地植物生物质资源的应用，利用人工湿地植物生物质资源为原料制取 燃料。本发明可利用人工湿地植物生物质资源为原料制取乙醇燃料。所述制取乙醇燃料为将人工湿地植物生物质资源经自然干燥至含水率小于10%、 粉碎过20-80目筛，再经过预处理、酶水解、发酵制取乙醇燃料。预处理为，将原料放入浓度为1 %的NaOH溶液中，原料与NaOH溶液的质量比为 1 10，在室温、180rpm下处理12小时，再在原料和NaOH的混合料中加入浓度为31%的 H2O2处理12小时，固液分离后，收集固体残渣，并且水洗涤，调节pH至4. 8，用于酶水解。酶水解为，将预处理后的固体残渣加入pH4.8、0. IM柠檬酸钠缓冲液中，再加入 2. 0-4. 0%的纤维素酶在50°C，120rpm的条件下处理12小时。纤维素酶的加入量是相对于 待处理的固体残渣的质量。发酵为，将酶解结束后的水解液用NaOH调整至pH 6. 5，再接种毕赤酵母菌株 DSM3652，在30°C，180rpm的条件下振荡培养至少24小时。毕赤酵母菌株DSM3652在德国 DSMZ菌种保藏中心有保藏。人工湿地植物生物质资源包括再力花、水葫芦、伞草、芦苇、姜花、泽泻、长香蒲、肾 蕨、香蒲、黄菖蒲、美人蕉、蜘蛛抱蛋、马蹄莲、水苦荬等所有用于人工湿地的植物资源。
实施例4不同人工湿地植物作为能源资源的评估将不同人工湿地植物样品经自然干燥5-10天后(含水率小于10% )，粉碎过 20-80目筛，贮存于_20°C备用。利用IKA C2000热值测定仪测定不同人工湿地植物资源的 热值，如表1所示。表1不同人工湿地植物作为能源资源热值测定结果 从表1可知，人工湿地植物具有和玉米秸秆相当的热值，因此可作为一种较好的 生物质能源资源加以利用。通过本发明中的处理工艺制备的固体成型燃料、沼气和燃料乙 醇品质可优于玉米秸秆。实施例5 人工湿地植物资源制取固体成型燃料人工湿地植物生物质资源经切割至6-lOcm左右、干燥至含水率小于15%、再经过 商品化的固体成型设备，压缩成块状或颗粒状作为燃料，具有方便运输、热值高等优点，可作为一种替代燃料；同时燃后的灰份可做为优质的钾肥直接还田改良土壤。实施例6
人工湿地植物资源制取燃料乙醇人工湿地植物生物质资源经干燥(一般要求含水率小于10% )、粉碎，再经过酸、 碱或蒸汽爆破等预处理技术，再使用纤维素酶水解，作为乙醇发酵的原料，通过微生物(如 现有的酿酒酵母、细菌和重组酵母等)发酵等制取燃料乙醇。人工湿地植物生物质资源经干燥至含水率小于10%、粉碎，再经过NaOH-纤维素 酶处理技术处理用于纤维素酶解。NaOH-纤维素酶处理技术工艺原料与NaOH溶液的固液质量比为1 10，NaOH浓度为1 %，采用常规恒温振荡培 养摇床，在室温、180rpm处理12小时；在原料与NaOH溶液的混合物中加入浓度为31%的 H2O2 (w/v)，H2O2被稀释到浓度为1 % (w/v)，处理12小时，固液分离，收集残渣；固体残渣用 H2O洗涤，调节pH至4. 8，用于纤维素酶水解。竹子生物质废弃物纤维素酶水解工艺将固体残渣加入0. IM柠檬酸钠缓冲液(pH4.8)中，再加入纤维素酶，采用常规恒 温振荡培养摇床在50°C、120rpm的条件下处理12小时。采用高效乙醇发酵菌种发酵酶解结束后，水解液用NaOH调整至pH 6. 5，再接种毕赤酵母菌株DSM3652，在 30°C，ISOrpm条件下振荡培养24小时。结果表明经24小时发酵后，乙醇产率达最高值， 为0. 22-8. 27g/100g干燥原料。毕赤酵母菌株DSM3652在德国DSMZ菌种保藏中心有保藏。显然，本领域的普通技术人员根据所掌握的技术知识和惯用手段，根据以上所述 内容，还可以作出不脱离本发明基本技术方案的多种形式，这些形式上的变换均在本发明 的保护范围之内。
权利要求
一种人工湿地植物生物质资源的应用，其特征在于利用人工湿地植物生物质资源为原料制取燃料。
2.根据权利要求1所述的人工湿地植物生物质资源的应用，其特征在于利用人工湿 地植物生物质资源为原料制取固体成型燃料。
3.根据权利要求2所述的人工湿地植物生物质资源的应用，其特征在于所述制取固 体成型燃料为将人工湿地植物生物质资源经切割、干燥，再压缩成块状或颗粒状形成固体 成型燃料。
4.根据权利要求1所述的人工湿地植物生物质资源的应用，其特征在于利用人工湿 地植物生物质资源为原料制取沼气燃料。
5.根据权利要求4所述的人工湿地植物生物质资源的应用，其特征在于所述制取沼 气燃料为将人工湿地植物生物质资源切割至6-lOcm，直接放入厌氧发酵装置中发酵制取沼 气燃料。
6.根据权利要求1所述的人工湿地植物生物质资源的应用，其特征在于利用人工湿 地植物生物质资源为原料制取乙醇燃料。
7.根据权利要求6所述的人工湿地植物生物质资源的应用，其特征在于所述制取乙 醇燃料为将人工湿地植物生物质资源经自然干燥至含水率小于10%、粉碎过20-80目筛， 再经过预处理、酶水解、发酵制取乙醇燃料。
8.根据权利要求7所述的人工湿地植物生物质资源的应用，其特征在于所述预处理 为，将原料放入浓度为的NaOH溶液中，原料与NaOH溶液的质量比为1 10，在室温、 180rpm下处理12小时，再在原料和NaOH的混合料中加入浓度为31 %的H2O2处理12小时， 固液分离后，收集固体残渣，并且水洗涤，调节PH至4. 8，用于酶水解。
9.根据权利要求8所述的人工湿地植物生物质资源的应用，其特征在于所述酶水解 为，将预处理后的固体残渣加入PH4. 8,0. IM柠檬酸钠缓冲液中，再加入2. 0-4. 0%的纤维 素酶在50°C，120rpm的条件下处理12小时。
10.根据权利要求9所述的人工湿地植物生物质资源的应用，其特征在于所述发酵 为，将酶解结束后的水解液用NaOH调整至pH 6. 5，再接种乙醇发酵菌株，在30°C，ISOrpm的 条件下振荡培养至少24小时。
全文摘要
本发明公开了一种人工湿地植物生物质资源的应用，利用人工湿地植物生物质资源为原料制取燃料。本发明不仅可解决人工湿地的二次污染问题，而且可以制备品质优于现有技术的固体成型燃料、沼气和燃料乙醇，实现资源有效化利用；通过建立人工湿地——生物能源藕联技术模式，实现人工湿地技术和生物能源技术的藕联，经济适用性好、净化效果稳定和资源有效利用。
文档编号C12P5/02GK101845349SQ201010187068
公开日2010年9月29日 申请日期2010年5月28日 优先权日2010年5月28日
发明者何明雄, 潘科, 祝其丽, 胡启春 申请人:农业部沼气科学研究所