一种纤维素类生物质低碳高效循环能源化利用系统技术方案

本发明专利技术公开了一种纤维素类生物质低碳高效循环能源化利用系统，包括：纤维素类生物质的预处理单元，预处理以促进木质纤维素水解；用于产酸的发酵单元，利用瘤胃功能菌对预处理的木质纤维素水解发酵，使得纤维素类生物质转变为溶解性有机质，并分离得到挥发性短链脂肪酸、长链脂肪酸以及醇醚类能源产品；用于产生沼气的厌氧消化单元，将挥发性短链脂肪酸转化为以甲烷为主的生物气，并固液分离得到沼液；用于沼液利用的末端处理单元，将沼液通过酶提取单元提取水解酶，或通过膜处理单元浓缩得到氨氮浓缩液和产水，水解酶、氨氮浓缩液和产水均可回用。本发明专利技术能够更加低碳环保地处理纤维素类生物质；实现纤维素类生物质的闭环降解转化且实现途径温和。化且实现途径温和。化且实现途径温和。

【技术实现步骤摘要】
一种纤维素类生物质低碳高效循环能源化利用系统


[0001]本专利技术属于能源利用
，特别涉及一种纤维素类生物质低碳高效循环能源化利用系统。

技术介绍

[0002]农牧业发展产生大量的纤维素类生物质，如玉米秸秆、小麦秸秆、稻杆、食草动物粪便等。目前，这些纤维素类生物质，仅少量用于牲畜饲养、部分回田或焚烧，仍存在大量的堆积废弃，难以在短时间内资源化利用，占用环境空间资源同时成为有机固体废弃物，逐渐成为新的环境污染源。实现纤维素类生物质的高效降解和能源化具有解决环境污染和缓解能源危机的双重意义，是环境和能源领域备受关注的热点问题。
[0003]当前这些纤维素类生物质资源利用技术主要分为肥料化、饲料化、原料化、基料化和燃料化，即“五化”技术。其中燃料化技术能够很好的实现环境、经济和社会效益相统一，燃料化技术又称为能源化技术，根据操作条件、燃料类型的不同主要分为三大类，分别为直接燃烧技术、热化学技术和生物转化技术。生物转化技术区别于其他技术，最主要的优势在于不对环境产生危害、能耗较低。生物沼气技术通过厌氧消化的方法，产生能源沼气，被认为是非常有潜力的玉米秸秆综合处理技术。而如何实现厌氧发酵对纤维素类生物质的高效降解，是实现纤维素类生物质能源化利用的关键问题之一，但目前尚没有找到一种即经济又高效且稳定的处理方法。例如，专利CN111676076A公开了一种生物质资源生态化利用与能源化利用的耦合方法及系统，将生物质加工成碎料加以利用，减少污染排放量。但是其并未实现纤维素类生物质的低碳高效循环能源化降解利用。

技术实现思路

[0004]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种纤维素类生物质低碳高效循环能源化利用系统，以实现纤维素类生物质的闭环资源化利用，最大限度地内部循环。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0006]一种纤维素类生物质低碳高效循环能源化利用系统，包括：
[0007]纤维素类生物质的预处理单元，通过酶预处理、机械预处理或者酸碱预处理的方式促进木质纤维素水解；
[0008]用于产酸的发酵单元，利用瘤胃功能菌对预处理的木质纤维素水解发酵，使得纤维素类生物质转变为溶解性有机质，并通过固液分离得到挥发性短链脂肪酸、长链脂肪酸以及醇醚类能源产品；
[0009]用于产生沼气的厌氧消化单元，将所述挥发性短链脂肪酸转化为以甲烷为主的生物气，并固液分离得到沼液；
[0010]用于沼液利用的末端处理单元，将所述沼液通过酶提取单元提取水解酶，或通过膜处理单元浓缩得到氨氮浓缩液和产水，所述水解酶回用至酶预处理环节以强化水解效
能，所述氨氮浓缩液回用至酸碱预处理环节以进行碱预处理，所述产水回流至产酸单元作为系统回用水。
[0011]在一个实施例中，所述酶预处理，使用真菌酶或细菌酶降解纤维素类生物质中的木质素、半纤维素和纤维素；所述机械预处理包括粉碎、微波辐射、喷雾干燥和热解，以使得颗粒尺寸减小至0.5mm以下；所述酸碱预处理包括酸预处理、碱预处理和酸碱混合预处理；所述酸预处理，在温度范围为20～50℃及标准大气压下，使用质量浓度高于39％的HCl或质量浓度高于72％的H2SO4对纤维素类生物质预处理；所述碱预处理，使用质量浓度0.25
‑
6％的NaOH或质量浓度25％的氨溶液对纤维素类生物质预处理；所述酸碱混合预处理，使用HCl与NaOH混合溶液，破坏纤维素类生物质中纤维素的结晶和无定形结构以促进纤维素类生物质的水解。
[0012]在一个实施例中，所述发酵单元包括产酸发酵罐和固液分离装置，所述产酸发酵罐接种富含瘤胃功能菌的接种物，并通过后续投加维持其中瘤胃功能菌的活性及其对难降解纤维素类生物质的降解功效，所述产酸发酵罐包括气体出口和固液产物出口，所述气体出口收集以氢气为主的气体；所述固液分离装置接所述固液产物出口，分离出挥发性短链脂肪酸、挥发性长链脂肪酸以及醇醚类能源产品。
[0013]在一个实施例中，所述瘤胃功能菌通过接种瘤胃液或牛粪提供，并通过后续投加牛粪维持瘤胃菌群活性，持续补充发酵单元中瘤胃功能菌和碱度平衡；或通过微生物技术对瘤胃微生物进行分离和重建得到瘤胃功能菌；所述固液分离装置采用动态膜或真空蒸发实现分离。
[0014]在一个实施例中，将所述挥发性短链脂肪酸从发酵单元中取出以维持产酸发酵罐的环境和能量转化，其中所述产酸发酵罐内的温度维持在39℃且pH不低于5.0。
[0015]在一个实施例中，所述厌氧消化单元，采用厌氧消化的方式利用所述挥发性短链脂肪酸得到高甲烷含量的生物气；或采用生物燃料电池的方式使发酵单元中的氢气及挥发性短链脂肪酸能源化利用。
[0016]在一个实施例中，所述厌氧消化单元固液分离得到的沼液回流或部分回流至发酵单元稀释缓解酸积累，以避免酸中毒对瘤胃功能菌的抑制作用，提高瘤胃功能菌对纤维素类生物质的降解效能，回流量使得发酵单元的pH不低于5.0。
[0017]在一个实施例中，将所述厌氧消化单元中的排泥或排泥与纤维素类生物质制备成生物炭，投至发酵单元强化水解发酵过程，或用作土壤肥料。
[0018]在一个实施例中，所述水解酶为羧甲基纤维素酶、内切
‑
β
‑
1,4
‑
葡聚糖酶和木聚糖酯酶中的一种或几种。
[0019]在一个实施例中，所述产酸发酵罐的监测指标包括pH、短链脂肪酸浓度、化学需氧量、总固体浓度及纤维素含量，pH高于6.5以上可以考虑提高负荷，若是低于5.0需要通过增加沼液回流量或者降低负荷的方式控制pH，并通过控制排泥量的方式控制总固体浓度在30
‑
50g/L，而短链脂肪酸浓度、化学需氧量及纤维素含量作为评判产酸水平的依据；
[0020]所述固液分离装置的监测指标包括出水挥发性固体浓度、浊度、通量，通过以上三种指标评判固液分离效果，并在效果恶化时采取膜清洗或更换膜孔径的措施；
[0021]所述厌氧消化单元的监测指标包括pH、沼气产量及占比、沼液化学需氧量及短链脂肪酸浓度，通过调整负荷的方式控制pH在7.5以上，根据沼气产量及占比、进出水的化学
需氧量及短链脂肪酸浓度计算甲烷转化率作为厌氧消化水平的评判依据。
[0022]本专利技术还提供了基于所述纤维素类生物质低碳高效循环能源化利用系统的方法，包括如下步骤：
[0023]步骤1，利用预处理单元，通过酶预处理、机械预处理或者酸碱预处理的方式对纤维素类生物质进行预处理；
[0024]步骤2，在发酵单元接种富含瘤胃功能菌的接种物，将预处理之后的纤维素类生物质送入发酵单元，在瘤胃功能菌的作用下水解发酵，并分离得到挥发性短链脂肪酸、长链脂肪酸以及醇醚类能源产品；
[0025]步骤3，将分离得到的挥发性短链脂肪酸送入厌氧消化单元，在厌氧条件下将其转化为以甲烷为主的生物气，并固液分离得到沼液和排泥；
[0026]步骤4，将所述沼液通过酶提取单元提取水解酶，或通过膜处理单元浓本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纤维素类生物质低碳高效循环能源化利用系统，其特征在于，包括：纤维素类生物质的预处理单元(1)，通过酶预处理、机械预处理或者酸碱预处理的方式促进木质纤维素水解；用于产酸的发酵单元(2)，利用瘤胃功能菌对预处理的木质纤维素水解发酵，使得纤维素类生物质转变为溶解性有机质，并通过固液分离得到挥发性短链脂肪酸、长链脂肪酸以及醇醚类能源产品；用于产生沼气的厌氧消化单元(3)，将所述挥发性短链脂肪酸转化为以甲烷为主的生物气，并固液分离得到沼液；用于沼液利用的末端处理单元(4)，将所述沼液通过酶提取单元提取水解酶，或通过膜处理单元浓缩得到氨氮浓缩液和产水，所述水解酶回用至酶预处理环节以强化水解效能，所述氨氮浓缩液回用至酸碱预处理环节以进行碱预处理，所述产水回流至产酸单元(2)作为系统回用水。2.根据权利要求1所述纤维素类生物质低碳高效循环能源化利用系统，其特征在于，所述酶预处理，使用真菌酶或细菌酶降解纤维素类生物质中的木质素、半纤维素和纤维素；所述机械预处理包括粉碎、微波辐射、喷雾干燥和热解，以使得颗粒尺寸减小至0.5mm以下；所述酸碱预处理包括酸预处理、碱预处理和酸碱混合预处理；所述酸预处理，在温度范围为20～50℃及标准大气压下，使用质量浓度高于39％的HCl或质量浓度高于72％的H2SO4对纤维素类生物质预处理；所述碱预处理，使用质量浓度0.25
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6％的NaOH或质量浓度25％的氨溶液对纤维素类生物质预处理；所述酸碱混合预处理，使用HCl与NaOH混合溶液，破坏纤维素类生物质中纤维素的结晶和无定形结构以促进纤维素类生物质的水解。3.根据权利要求1所述纤维素类生物质低碳高效循环能源化利用系统，其特征在于，所述发酵单元(2)包括产酸发酵罐和固液分离装置，所述产酸发酵罐接种富含瘤胃功能菌的接种物，并通过后续投加维持其中瘤胃功能菌的活性及其对难降解纤维素类生物质的降解功效，所述产酸发酵罐包括气体出口和固液产物出口，所述气体出口收集以氢气为主的气体；所述固液分离装置接所述固液产物出口，分离出挥发性短链脂肪酸、挥发性长链脂肪酸以及醇醚类能源产品。4.根据权利要求3所述纤维素类生物质低碳高效循环能源化利用系统，其特征在于，所述瘤胃功能菌通过接种瘤胃液或牛粪提供，并通过后续投加牛粪维持瘤胃菌群活性，持续补充发酵单元(2)中瘤胃功能菌和碱度平衡；或通过微生物技术对瘤胃微生物进行分离和重建得到瘤胃功能菌；所述固液分离装置采用动态膜或真空蒸发实现分离。5.根据权利要求3或4所述纤维素类生物质低碳高效循环能源化利用系统，其特征在于，将所述挥发性短链脂肪酸从发酵单元(2)中取出以维持产酸发酵罐的环境和能量转化，其中所述产酸发酵罐内的温度维持在39℃且pH不低于5.0。6.根据权利要求3或4所述纤维素类生物质低碳高效循环能源化...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢保山，常享琳，陈荣，韩咏辰，张毅，唐喜芳，王晓昌，
申请(专利权)人：西安建筑科技大学，
类型：发明
国别省市：