一种秸秆催化产热方法

1.本发明涉及一种生物产热方法，具体涉及一种秸秆催化产热方法。


背景技术：

2.每年我国秸秆大量闲置，就地焚烧利用将给大气环境保护造成了巨大的潜在压力，而其生物质能利用方式相对低碳环保，如何改进现有的压块焚烧取热或电的方式，破解了传统秸秆生物质利用中的效益与环保瓶颈，成为现今亟待解决的难题。
3.现有的秸秆发酵和催化的产热技术，是通过两种方式分别进行的，一是通过秸秆微生物发酵堆肥产生热量，但该技术产热时间短且热量有限，采用该方式主要目的是获得秸秆发酵产生的堆肥或二氧化碳气体，获得热量只是兼顾；二是在200—300℃或更高温度下，将秸秆进行热解气化，从获得可燃气等燃烧产生热量。秸秆发酵产热途径技术虽然简单且成本低廉，但热量利用有限；而秸秆热解气化途径需要先转化成可燃气后才能释放热量，工艺复杂，热效率相对较低，应用范围有限。
4.在常温下实现秸秆催化裂解直接高效产热的途径，关键是要探索特异性发酵微生物菌剂将秸秆降解成适宜产物，并采用合适的催化剂将底物直接裂解的同时，释放出大量热量。
5.利用芽孢杆菌合成tio2@芽孢杆菌，利用tio2的光催化作用，可拓展芽孢杆菌的作用范围，以往多有报道其应用在废水、污水处理领域。但鉴于芽孢杆菌种类极为丰富，将tio2与特异性种类芽孢杆菌相结合，也会开发出新的功能。


技术实现要素：

6.本发明是将秸秆发酵与秸秆催化耦合，实现秸秆的最大限度产热。采用微生物制成的发酵菌剂与tio2催化剂复合。
7.发酵菌剂中采用了多粘类芽孢杆菌，所述多粘类芽孢杆菌(中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心登记入册标号cgmccno：20494，保藏地址：中国北京市朝阳区北辰西路1号院3号，保藏日期：2020年8月6日)，该多粘类芽孢杆菌具有腐解秸秆中木质纤维素的功能，但其由于难以利用现有培养基的碳源，导致其难以培养成活而无法利用。为此在其采集地生境内采集鹅绒委陵菜(potentilla anserina) 地下膨大根制成淀粉并添加到培养基中，即可成功实现多粘类芽孢杆菌的继代扩繁。
8.所述多粘类芽孢杆菌的培养方法：采集西藏高山永久冻土区分布的鹅绒委陵菜地下膨大根，清洗干净并滤去水分，酒精擦拭消毒后粉碎榨浆，纱布过滤后取中层清液沉淀30min，然后将沉淀物低温真空干燥制成鹅绒委陵菜淀粉提取物，并过筛100目后，可以作为该多粘类芽孢杆菌一定发育阶段培养所需的特殊碳源；将菌液浓度为2.0
×ꢀ
106cfu/ml的多粘类芽孢杆菌悬液，以8％(体积分数)接种于液体培养基中，使用常用液体培养基，其液体培养基溶液浓度组成如下：蔗糖2％、蛋白胨4％、磷酸氢二钾0.6％、硫酸氨0.3％、无水氯化钙0.2％，部分碳源采用鹅绒委陵菜淀粉提取物，用量为0.2％，置于摇床培养箱中培养，
温度为28-30℃，转速100r/min，大约3天后，有效活菌数达到1.0
×
108cfu/g以上，即可完成多粘类芽孢杆菌的继代培养。
9.tio2@芽孢杆菌培养方法：试验表明，将特异性的多粘类芽孢杆菌(中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心登记入册标号 cgmcc no：20494，保藏地址：中国北京市朝阳区北辰西路1号院3号，保藏日期：2020年8月6日)与tio2，合成的tio2@芽孢杆菌在一定的光刺激下，可使得秸秆发酵过程中的多聚物官能团发生分子键断裂，从而释放大量远远高于发酵本身的热量。为此需要制作tio2@芽孢杆菌，向液体培养液中注入0.2％的钛酸丁酯(c
16h36
o4ti，分析纯)，并继续培养，一般第10-15d左右液体培养液呈现淡黄色同时底部出现粘稠状菌泥时即停止培养，然后加入淀粉保护剂进行冷冻真空干燥后制成干粉后，每1.0g作为一个单位装袋后备用。
10.催化产热菌料的制备方法：
11.首先，配制复合微生物菌剂，所述复合微生物菌剂具体包括：2.0
ꢀ×
107cfu/g的多粘类芽孢杆菌(中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心登记入册标号cgmcc no：20494，保藏地址：中国北京市朝阳区北辰西路1号院3号，保藏日期：2020年8月6日)60份，1.0
×
107cfu/g 灰黄青霉(中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心登记入册标号cgmcc no：19940，保藏地址：中国北京市朝阳区北辰西路1号院3号，保藏日期：2020年8月6日)40份。两者之间无拮抗。
12.其次，将6kg复合微生物菌剂，前面所述tio2@芽孢杆菌干粉 5.0g，以及与菌群扩繁需要养料(米糠60kg、红糖5kg、尿素12kg、过磷酸钙3kg、硫酸镁20g)，充分混合后作为催化产热菌料，即为3 吨秸秆产热处理所需。催化产热菌料主要是能够实现秸秆发酵与催化耦合，释放出热量。
13.催化产热菌料的产热方法：
14.在待加温空间的一角，建立1个高度3.5m、宽度2-3.5m的框架槽，框架槽槽体使用塑料阳光板或编织膜，要求能够透光从而促进光催化反应而产生热量，框架长度任意，用于填装秸秆；先将秸秆在框架地表分层开始建堆，每层秸秆铺设厚度约0.1-0.5m，铺设秸秆过程中均匀撒入产热菌料，并往秸秆上均匀地反复喷水，使得秸秆堆平均水分含量保持在55～65％范围内。秸秆铺设直至框架槽顶部。
15.在秸秆铺设建堆过程中，设置1个秸秆发酵催化中心反应器。即当铺设厚度达到0.1-0.5m高度时，在秸秆堆中心倒扣放置1个5l透明塑料桶，桶内塞进去一圈光谱范围390-420nm的紫外线光带灯(发热功率3-5w/h)，接上电源并密封线路后再接着铺设秸秆及浇水撒催化产热菌料，同时额外将1.0gtio2@芽孢杆菌干粉与1kg发酵菌料混拌，撒在以5l塑料桶为中心1m半径内的秸秆上，营造一个催化菌料密集从而率先产热的集中区域，进而带动整个秸秆堆体内部升温；整个秸秆堆全程可保持45℃以上长达90-120天的热量释放。
16.秸秆堆内距离顶部50cm的位置放置换热管道，换热管道进、出水管与待加温空间的散热管路相连。由此，整个秸秆堆即可通过塑料膜以及换热管道向加温空间内传导散热。
附图说明
17.图1为普通菌料与催化菌料秸秆产热温度对比。
18.发明有益效果
19.在对秸秆中的木质纤维素主要进行同步的发酵与催化，红外光谱测试发现秸秆发酵、微生物开始活动产生代谢产物后，发酵物在 2100～2400cm-1
和2800～3000cm-1
范围内，吸收峰ch2基团的c-h键以及c-c键伸缩振动，实现木质纤维素的解离，同时释放出远超过燃烧热的热量，这种秸秆催化释放的热量，使得秸秆堆再没有外源辅热的情况下，在24h内即可从室温急剧升温到50℃以上，且能够长达90-120天持续产热和输出热量。
具体实施方式
20.本发明的研究试验于2021年11月2日至2022年3月5日期间，在长春市九台区耐尔温室内进行。
21.预先进行复合菌剂的效果验证试验。分别将2.0
×
107cfu/g的多粘类芽孢杆菌0.006克(标记为“j0”)，以及将2.0
×
107cfu/g的多粘类芽孢杆菌6克混合1.0
×
107cfu/g灰黄青霉0.004克(标记为“j1”)，接种到滤纸(无淀粉滤纸，2
×
5cm，三条/瓶)为唯一碳源的培养液中， 37℃，200rpm振荡培养，每2天记录滤纸崩解情况1次，以验证1.0
ꢀ×
107cfu/g灰黄青霉添加后的滤纸崩解效果。结果发现j1处理后第10 天即出现滤纸发黄变软的现象，而j0处理的滤纸仅维持细小纤维悬浮的初始阶段，因此在原有多粘类芽孢杆菌添加复配灰黄青霉形成复合菌剂，能够加快滤纸纤维素结构的崩解和解离，进而促进秸秆的产热。
22.表1不同降解天数下的滤纸崩解情况
23.处理第2天第4天第6天第8天第10天j0
‑‑
j1-
24.注：
“‑”
表示未变化；“ ”表示有细小纤维悬浮；“ ”表示滤纸边缘起毛；“ ”表示滤纸发黄变软。
25.试验选用了两个架构完全一致的日光温室，单体面积均为280m2。分别在每个温室的山墙处。建立1个高度2.0m、宽度2.2m、长度6m 的框架，框架使用塑料膜做内衬，先将秸秆在框架地表分层开始建堆，每层秸秆铺设厚度约0.1-0.5m，铺设秸秆过程中1个温室的秸秆堆撒入本发明所述催化产热菌料，所述催化产热菌料包括6kg上述复合微生物菌剂，与米糠60kg、红糖5kg、尿素12kg、过磷酸钙3kg、硫酸镁20g和5.0g所述tio2@芽孢杆菌干粉混合，即为催化产热菌料(记为“催化菌料”)。
26.另1个温室内，将6kg所述复合微生物菌剂，与米糠60kg、红糖5kg、尿素12kg、过磷酸钙3kg、硫酸镁20g和5.0g所述芽孢杆菌干粉混合后，撒入秸秆堆中发酵，即为发酵菌料(记为“普通菌料”)。
27.在两个秸秆堆分别向秸秆中撒入催化菌料和普通菌料过程中，均匀地反复喷水，秸秆铺设直至框架顶部50cm的位置放置换热管道，换热管道进、出水管与待加温空间的散热管路相连，整个秸秆堆在升温后，即可通过塑料膜以及换热管道向拟加温空间内传导散热。安装好换热管道后，在其上方继续铺设秸秆撒水，使得秸秆堆平均水分含量保持在65％以上。然后在上述两个秸秆堆中心的相同位置，分别插入相同深度的2只温度计，定期记录上午9：00的秸秆堆中心温度。两个秸秆堆产热时间从2021年11月5日到2022年3月5日结束。
28.试验数据如图1所示，从2021年11月5日开始，普通菌料的发热温度为42.50℃，催化菌料的发热温度为62.65℃。可见，本技术催化菌后料的发热温度明显高于普通菌料的发
热温度，即初始发热温度高，这也表明发酵与催化协同作用明显提高了产热量。
29.又由图1所示，在2021年11月5日到2021年12月5日之间，即第1个月，催化菌料和普通菌料随着时间两者的发热温度都相应的增加，但是，在2021年12月5日之后直到2022年3月5，也就是第2-5个月，普通菌料的产热温度降低明显，而催化菌料的产热温度下降不明显。也就是从第2-5个月开始，一方面，催化菌料处理的秸秆堆，无论是持续产热时间还是中心最高温度，都远远高于普通菌料处理的秸秆堆，催化菌料处理的产热效果明显优于普通菌料处理；另外一个方面，在1-5个月的过程中，催化菌料相比普通菌料，可以更为有效的产热。
30.又如表2所示，在试验中期分别同时采集不同处理的秸秆，经过红外光谱测试发现，在2100～2400cm-1
和2800～3000cm-1
范围内，与普通菌料处理相比，催化菌料处理下的秸秆大分子基团红外光谱吸收峰(透射率)明显减弱，表明催化菌料处理下木质纤维素的解离，秸秆大分子基团c-h键、c-c键伸缩振动可释放出远超过燃烧热的热量。
31.表2秸秆不同处理下的红外光谱平均透射率(％)
32.波数范围2100-2400cm-1
2800～3000cm-1
催化菌料97.4597.62普通菌料99.3298.68
33.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。