[發明專利]水體修復木質纖維類原料預處理法及相應的產氫法

在審

• 申請號: 201510083066.6
• 申請日: 2015-02-15
• 公開（公告）號: CN104673858A
• 公開（公告）日: 2015-06-03
• 發明（設計）人: 彭紅云;高鈴鈴;李夢蛟;沈一斌
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: C12P19/14
• 分類號: C12P19/14;C12P19/02;C12P3/00
• 代理公司: 杭州中成專利事務所有限公司 33212
• 代理人: 金祺

技術領域

本發明屬于污水營養鹽氮磷治理與生物質能轉化利用領域，涉及一種水體修復木質纖維類原料預處理法及相應的產氫方法。

背景技術

化石能源是當今人類社會能源與資源的基礎。當今高速發展的現代工農業科技不僅耗竭了大量的化石能源，同時帶來了一系列重大的環境問題，導致環境污染日益加重、全球氣候變暖等。水體富營養化已成為我國凸顯的重大環境問題。過量氮磷輸入而引起水質的日益惡化，加快了水體富營養化進程。在中國，環保部監測的60個湖泊(水庫)中超過25.0％的水庫處于富營養化。由于植物對營養鹽的積累作用，人工濕地植物凈化技術廣泛地用于污水的生態化治理。在尾水深度處理生態濕地凈化基地中，綠葦、再力花、蘆竹、埃及莎草、旱傘草和柳樹等具有富集碳的能力(固定大氣CO₂)強，對氮磷等污染水體的適應能力強，易繁殖、夏季生長快等特點，同時因其潛在的生物質能源價值而越來越引起重視，作為生態濕地凈化基地的先鋒植物。科學界一直在尋找既能減緩溫室氣體排放，又能消減氮肥使用的生物能源生產系統。通過優化人工濕地結構，選育適宜的濕地植物，加大人工濕地污水處理效率，提高濕地植物的生物量，利用這種技術的能量潛力高達1836GJ?ha^-1yr^-1。若將中國每年的廢氮全部利用，則總潛在能量產出可達1.6×10⁸GJ?yr^-1，相當于全國汽油消耗量的7％。因而，人工濕地污水處理系統成為新型生物能源的生產系統，在處理污水的同時可以生產生物能源。然而，水體生態化治理過程中產出大量的生物質資源，是可再生性的非糧木質纖維類生物質資源，如果不加以定期移除的話，被植物吸收同化的氮磷營養鹽會通過降解而重新返回水體。因而污水生態治理的水體修復植物的合理利用迫在眉睫。如何將污水處理過程中的植物進行降解轉化為生物質能源，以替代日趨緊張的化石能源，同時可以保護生態環境和減緩溫室效應，是當今國際研究的前沿重點和難點。而且修復植物木質纖維的能源轉化關鍵技術研究，有助于促進我國污染環境生物修復環保技術的產業化和可持續發展。

生態濕地植物凈化產出生物質主要成份是富含碳素的木質纖維，木質纖維由多糖(主要是纖維素和半纖維素，兩者占70％～80％)和木素(14％～17％)等特殊結構的大分子物質組成。植物木質纖維素類原料在天然生境中具有結構多樣性，而影響木質纖維原料發酵的主要屏障在于其結構組成。濕地植物綠葦、再力花、蘆竹、埃及莎草、旱傘草中的纖維素－木質素含量相對比較高，但是其木質纖維類纖維素的結晶性能顯著不同。木質纖維素類生物質轉化的核心性關鍵問題是：木質纖維素類生物質是如何抗擊生物降解的，微生物是如何攻擊植物的抗降解屏障的，破解抗性屏障提高生物轉化效率的可能途徑，即如何采用預處理技術將復雜的木質纖維素類生物質高聚物降解為單糖，繼而發酵為生物質能。木質纖維素原料中，纖維素、半纖維素和木質素緊密交聯在一起，由于化學結構和性質完全不同，各組分利用率很低，必須進行適當預處理、組分分離、破壞或改變部分結構等過程才能實現其高值利用。人工濕地植物生物質原料經干燥(一般要求含水率小于10％)、粉碎，再經過酸、堿或蒸汽爆破等預處理技術，然后使用纖維素酶水解，通過微生物發酵等可以制取生物能源。

專利CN101255479公開了一種將木質纖維素高效糖化的預處理方法，其特征在于包括粗粉碎、堿液濕磨、堿回收和酶解步驟，將粗粉碎后的木質纖維素原料與濃度為0.1％～3％的一價金屬堿液混合，常溫下進行濕法粉碎后將固液分離，液體用于回收一價金屬堿，固體即改性木質纖維素進一步酶解，制得糖液。專利CN101117777公開了一種采用氨液浸泡+真空爆破對木質纖維素原料進行預處理，它通過對粉碎至約1cm的原料以1mL液體/g原料的比例噴灑一定濃度的氨水，反應后進行真空爆破處理，在轉化過程中先進行中和處理，在厭氧發酵轉化中，污泥接種量為4kg/m³。經過處理的原料總體上比未經任何處理的原料產氣量提高約70％，改善了原料的轉化率。