秸稈污染控制爆破技術(shù)研究

秸稈污染控制爆破技術(shù)研究

1928年，美國的w.h.ma森發(fā)明了爆炸紙漿制造技術(shù)。該技術(shù)使用7～8MPa的飽和水蒸汽作為介質(zhì)進行爆破,只是在纖維板生產(chǎn)中應用。因該技術(shù)爆破壓力高,因此難以推廣。幾十年來,各國圍繞這項技術(shù)進行了大量研究與實驗。1980年加拿大E.A.Delong發(fā)明了Iotech專利,使用3.8～5.2MPa的飽和水蒸汽爆破經(jīng)化學預處理的木片;加拿大的Stake推出了連續(xù)爆破技術(shù),于1.48～1.76MPa下每4分鐘噴放一次。其它爆破工藝還有Siropuler,Kokta等。國內(nèi)對爆破制漿的研究從80年代中期開始起步,并發(fā)表了研究論文。這些工藝的共同點是針對木材,仍然是先用化學藥品預處理木片,再進行爆破。這樣,仍然需加入大量化學藥品,造成環(huán)境污染。我們基于秸稈與木材在化學組成和結(jié)構(gòu)上的差異,提出對秸稈不加任何化學藥品的低壓汽爆技術(shù)。我們利用汽爆技術(shù)開發(fā)出了清潔制漿、大麻清潔脫膠、秸稈制備腐植酸和活性低聚木糖等一系列創(chuàng)新方法,并研制出3m3和5m3具快開門口的汽爆罐,申請了多項國家發(fā)明專利。由于汽爆過程中不添加任何化學藥品,消除了污染源;在汽爆過程中所降解的半纖維素,可使之資源化,生產(chǎn)高附加值的雙歧生長因子。因此,從根本上解決汽爆的污染問題。大幅度降低了生產(chǎn)成本。目前無污染汽爆技術(shù)在秸稈綜合利用、煙草加工、造紙工業(yè)、中草藥提取和麻纖維清潔脫膠等行業(yè)應用前景廣闊。1從汽爆條件的確定來分析具有細胞結(jié)構(gòu)的植物原料在高壓(1.5MPa)、高溫(190℃)介質(zhì)下汽相蒸煮,半纖維素和木質(zhì)素產(chǎn)生一些酸性物質(zhì),使半纖維素降解成可溶性糖,同時復合胞間層的木質(zhì)素軟化和部分降解,從而削弱了纖維間的粘結(jié)。然后突然減壓,介質(zhì)和物料共同作用完成物理的能量釋放過程。物料內(nèi)的汽相介質(zhì)噴出瞬間急速膨脹,同時物料內(nèi)的高溫液態(tài)水迅速暴沸形成閃蒸,對外作功,使物料從胞間層解離成單個纖維細胞。汽爆可分成兩個階段,首先是汽相蒸煮,高壓蒸汽滲透到物料內(nèi)的空隙,使半纖維素降解成可溶性糖,同時木質(zhì)素軟化和部分降解,降低纖維連結(jié)強度,為爆破過程提供選擇性的機械分離。其次是爆破過程,利用汽相飽和蒸汽和高溫液態(tài)水兩種介質(zhì)共同作用于物料,瞬間完成的絕熱膨脹過程,對外作功。在爆破過程中,膨脹的氣體以沖擊波的形式作用于物料,使物料在軟化條件下產(chǎn)生剪切力變形運動。由于物料變形速度較沖擊波速度小得多,使之多次產(chǎn)生剪切,使纖維有目的分離。二者相輔相成,汽相蒸煮條件的選擇決定著汽爆目的性。汽相蒸煮的溫度和蒸煮時間之間存在交互作用,根據(jù)Arrhenius定律,溫度每升高10℃熱化學反應的速率加倍,溫度的升高從而可縮短蒸煮時間,但爆破機械作用只有在汽相蒸煮臨界點以上才能發(fā)揮出來。汽爆條件的選擇與原料的種類,汽爆物料的用途和汽爆罐的性能有關(guān)。(1)如麥草與木材在汽爆條件上差異較大,不能把麥草等同于木材。(2)制漿、化學纖維和生物轉(zhuǎn)化對植物原料要求差別很大,因此,汽爆條件也不能同樣考慮。如為了得到高得率的紙漿,相應采取了防止組分降解措施。從生物量全利用來看,應以最低成本獲得三組分最大收率為目的。(3)從工程角度考慮汽爆條件,主要是汽相蒸煮的均勻性,也就是汽相傳遞特性,這個問題與起始物料含水量關(guān)系很大。(4)汽爆罐的性能對汽爆條件選擇也影響很大。如汽爆罐放料口直徑與罐體直徑的比例,對于爆破作用有較大影響。2應用范圍2.1不加全民性帶來的秸稈覆蓋技術(shù)傳統(tǒng)制漿工藝造成極嚴重的環(huán)境污染的主要原因是造紙原料利用不合理。特別是我國造紙原料90%為秸稈類原料,其中占原料一半的非纖維素原料及全部化工原料作為廢棄物排放。汽爆制漿作為一種有發(fā)展前途的新技術(shù)受到世界各國的高度重視。國內(nèi)外對汽爆制漿的研究局限在半化學汽爆制漿,仍然有污染,并且很難綜合利用。不加化學藥品低壓汽爆秸稈制漿的新工藝是基于秸稈與木材在化學組成和結(jié)構(gòu)差異的特點,開辟秸稈清潔制漿的新方法。其產(chǎn)品經(jīng)有關(guān)部門測試分析表明已達到了規(guī)模生產(chǎn)的要求,同時實現(xiàn)了秸稈生物量全利用,符合清潔生產(chǎn)的要求。目前我們正在實施建造的以造紙為依托,用生物技術(shù)實現(xiàn)清潔化生產(chǎn)的試驗基地,已列入國家星火計劃。進一步研究生物制漿生產(chǎn)高檔紙新技術(shù),形成以生物技術(shù)為主導的造紙工業(yè)新局面。2.2活性炭吸附法目前,利用吸附原理對重金屬離子廢水和高濃度有機廢水進行處理的方法較為普遍,比如活性炭在處理重金屬離子廢水中是一種常用的吸附劑,但活性炭生產(chǎn)成本較高,會造成廢水處理成本巨增,國內(nèi)企業(yè)廢水治理費用往往大大超過國內(nèi)環(huán)保罰款費用,使得用活性炭處理重金屬離子廢水這一方法的應用受到很大限制。我們提出以固體廢料治理液體廢水的思路,選用經(jīng)汽爆處理的秸稈,代替昂貴的活性炭處理廢水,可大幅度降低廢水的處理成本,提高實際應用的可行性。2.3微生物脫膠和活化大麻纖維開發(fā)在國內(nèi)外長期以來停留在化學脫膠方法上,主要是參照工藝較為成熟的苧麻化學脫膠來進行的,造成環(huán)境污染,嚴重影響大麻紡織業(yè)的發(fā)展。而微生物脫膠的研究自50年代以來國外就已進行,國內(nèi)則在70年代才始有研究。雖然對麻料進行微生物脫膠已經(jīng)有了較為長足的發(fā)展,但其仍是不能滿足工業(yè)化生產(chǎn)的要求,存在著脫膠率低,處理成本高和尚需補充化學處理,仍然污染環(huán)境等問題。本研究是首先采用蒸汽爆碎處理技術(shù),使大麻中的半纖維素和木質(zhì)素部分降解,然后用微生物產(chǎn)酶和酶解耦合的方法對汽爆大麻進一步脫膠,最后用雙氧水對大麻漂白,制備的精干麻潔白松散,質(zhì)量好。汽爆處理首先使80%的半纖維素和果膠降解,不僅為微生物發(fā)酵提供所需的營養(yǎng),而且破壞了大麻的天然結(jié)構(gòu),有利于膠質(zhì)物的酶解脫除,達到大麻脫膠的目的,避免補充化學方法的污染。2.4秸稈蒸碎法制備活性低聚糖的正交試驗目前國外低聚木糖的生產(chǎn)方法雖然已工業(yè)化生產(chǎn),但該法存在著易產(chǎn)生環(huán)境污染、生產(chǎn)過程復雜、產(chǎn)品得率低、生產(chǎn)成本高等問題;效仿研究國外的方法毫無意義。因此,有必要探索一條全新路線,以便進一步降低生產(chǎn)成本和為其他活性低聚糖的生產(chǎn)提供新思路。秸稈汽爆生產(chǎn)活性低聚木糖的方法是基于蒸汽爆碎處理小麥秸稈,可使其中木聚糖選擇性地降解分離的特點,開辟應用物理原理制低聚糖的新方法。秸稈汽爆生產(chǎn)活性低聚木糖的方法具有生產(chǎn)過程簡單(簡化了堿提取木聚糖、木聚糖酶的生產(chǎn)制備和木聚糖的酶水解過程)、無污染(固形渣作為發(fā)酵蛋白飼料原料)、產(chǎn)品得率高(在汽爆過程中,木聚糖沒有損失,木聚糖回收率80%)、生產(chǎn)成本低(汽爆過程僅消耗蒸汽,其用量為0.5噸蒸汽/噸小麥秸稈)等優(yōu)點。2.5腐植酸制作生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量好,為果近十幾年來,腐植酸在我國工業(yè)、農(nóng)業(yè)、畜牧、醫(yī)藥等領(lǐng)域的研究與應用有了較大的發(fā)展,不少成果在國民經(jīng)濟中發(fā)揮了良好的作用,取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。據(jù)不完全統(tǒng)計,全國各種腐植酸加工企業(yè)已超過百家,這些生產(chǎn)廠家大多以煤炭資源為原料,消耗了寶貴的煤炭資源。也有個別廠家以農(nóng)副產(chǎn)品下腳料為原料,通過微生物發(fā)酵生產(chǎn)腐植酸,但該法存在著生產(chǎn)周期長,產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定的缺點。汽爆秸稈生產(chǎn)腐植酸的方法是基于在汽相蒸煮過程中,木質(zhì)素部分醚鍵斷裂,反應活性增強,與秸稈中的含氮化合物、灰分和半纖維素水解糖反應形成腐植酸類物質(zhì)的特性,開辟應用物理原理制腐植酸的新方法。2.6氫氧化鉀熔鹽液相氧化法我國草酸工業(yè)自1955年開始興起,在80年代末至90年代初,形成了一股草酸熱,碳水化合物硝酸氧化法生產(chǎn)草酸的家廠紛紛上馬,但由于存在嚴重污染,且生產(chǎn)成本都很高,不久又大批下馬。草酸的理想生產(chǎn)工藝應具備原料易得、工藝簡單、操作簡便、成本低廉,且無三廢污染等特點。本研究提出的氫氧化鉀熔鹽液相氧化法是O2-離子化的高溫熔劑,作為強化多相反應的新系統(tǒng),具有常規(guī)氧化過程無法比擬的優(yōu)越性。與溶劑中的離子一樣,遵守化學平衡定律,易把握條件,可定量控制反應,選擇性強,所產(chǎn)生的廢渣廢液容易綜合利用,沒有環(huán)境污染。2.7乙醇-ph值的提取法乙醇溶解秸稈木質(zhì)素制液體燃料的新方法是基于用乙醇萃取秸稈木質(zhì)素時,木質(zhì)素在乙醇溶液中表現(xiàn)較穩(wěn)定的溶解狀態(tài)而提出的。一般要從乙醇溶液中提取出木質(zhì)素,就必須先蒸餾出50%的乙醇,再調(diào)整pH值達2～3,才能使得木質(zhì)素沉淀。這樣,操作復雜。提取出的木質(zhì)素至今用途不多。木質(zhì)素本身具有較高的熱值和辛烷值,乙醇又是清潔燃料,因而提出不蒸出酒精,直接用乙醇溶解木質(zhì)素作為新型液體燃料的方法。2.8發(fā)酵菌株的篩選纖維素酶解轉(zhuǎn)化應用的最大障礙在于成本太高,纖維素酶制劑的成本是纖維質(zhì)原料的五十倍。而液態(tài)發(fā)酵存在著對培養(yǎng)基要求高,酶系不齊全和易造成環(huán)境污染等問題。而利用天然秸稈如麥草、玉米秸稈等,固體發(fā)酵纖維素酶得率低,并且所產(chǎn)纖維素酶的β-葡萄糖苷酶活很低。在纖維素酶的使用中,需要復配β-葡萄糖苷酶活或在纖維素酶的發(fā)酵過程中,混合接種高產(chǎn)β-葡萄糖苷酶活的菌株,這樣,使纖維素酶的生產(chǎn)成本頗高,目前難以推廣。本研究首先采用蒸汽爆碎處理技術(shù),使秸稈中的半纖維素和木質(zhì)素部分降解,以此作為發(fā)酵的主要培養(yǎng)料。它不僅是營養(yǎng)物和膨松劑,而且是纖維素酶的很好誘導物,用汽爆麥草作底物進行固態(tài)發(fā)酵與直接用麥草作底物相比,不僅使纖維素酶的濾紙酶提高了2～5倍,而且使纖維素酶的β-葡萄糖苷酶活接近于濾紙酶水平,這樣大大降低了高活性纖維素酶生產(chǎn)成本。2.9汽爆秸稈降解法以液態(tài)發(fā)酵法制取木質(zhì)素酶,因這種合成培養(yǎng)基中必需添加昂貴的黎蘆醇,且發(fā)酵周期長,故生產(chǎn)成本很高,離實際應用尚有很大距離,急需研究高效低成本體系。大多研究為以木質(zhì)素模擬物作白腐菌降解特性研究,很難反映出降解過程,木質(zhì)素生物降解機制仍不清楚。本研究所選用的汽爆秸稈不僅為白腐菌提供了易利用的營養(yǎng)物質(zhì)如半纖維素水解物,且由于木質(zhì)素已部分被降解,其降解產(chǎn)物具有誘導木質(zhì)素酶產(chǎn)生的物質(zhì),完全可以取代通常液態(tài)發(fā)酵必需添加的昂貴的黎蘆醇。這樣由于發(fā)酵原料簡單廉價,不必添加昂貴的藜蘆醇,且所得木質(zhì)素酶產(chǎn)品酶活高,產(chǎn)率高,從而大大降低了生產(chǎn)成本。使得木質(zhì)素酶的工業(yè)化生產(chǎn)成為現(xiàn)實。2.10堆后復配無機肥料技術(shù)的必要性目前,我國生產(chǎn)有機肥的主要原料是泥炭、油餅和城市垃圾等,這些原料受產(chǎn)地和儲藏的限制,難以大規(guī)模生產(chǎn)。而利用秸稈制備有機肥料技術(shù),有的是簡單粉碎處理,堆漚時間長,有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化率低,肥效也不理想;有的采用高溫高壓爆碎處理后,自然堆漚后復配無機肥料,這樣處理一方面秸稈在高溫高壓爆碎處理所水解的糖被浪費,并造成環(huán)境污染;另一方面秸稈有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化率仍較低,秸稈僅僅起到載體的作用;再者主要肥效來自無機肥料,秸稈的作用未能充分發(fā)揮,增加了秸稈的處理成本。從而制約了秸稈生產(chǎn)有機肥料推廣。針對現(xiàn)有利用秸稈生產(chǎn)有機肥技術(shù)的不足,本研究的目的是提供一種以秸稈為主要原料,開發(fā)出一種新型生物有機復合肥(有機化、生物化、緩施化)生產(chǎn)工藝方法,達到具有生態(tài)調(diào)節(jié)土壤品質(zhì)和有益微生物種群優(yōu)勢,防止化肥的污染和浪費,即生態(tài)肥料。另一方面,本發(fā)明充分發(fā)揮秸稈的作用,生產(chǎn)出肥效高的肥料,實現(xiàn)了秸稈高技術(shù)還田。2.11菌種的篩選本研究是在多年研究纖維素資源綜合利用的基礎(chǔ)上,選擇高效低成本的蒸汽爆碎處理秸稈技術(shù),篩選出了具有較高纖維素酶活、半纖維素酶活的高蛋白含量的菌株。用該菌株發(fā)酵秸稈,可快速降解汽爆秸稈中的粗纖維,在高蛋白菌絲體增殖的同時,積累大量的纖維素酶和半纖維素酶,從而對秸稈持續(xù)降解。為了進一步增加秸稈飼料的蛋白質(zhì)含量,并使氨基酸組成保持平衡