CN1920168A - 互花米草的厌氧发酵－苏打蒽醌蒸煮制造纸浆的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于资源和轻工业技术领域，具体涉及一种互花米草的厌氧发酵－苏打蒽醌蒸煮制造纸浆的方法。具体步骤为：原料互花米草的预处理，在厌氧条件下进行产酸或产沼气发酵15－60天，然后将发酵后的残渣洗涤脱水后制造纸浆。按互花米草残渣干重6％－14％的氢氧化钠和0.01％－ 0.05％的蒽醌与互花米草残渣混合，投入到纸浆蒸煮锅中，按照液比为1∶3－1∶10加水，封闭蒸煮锅用高压蒸汽蒸煮，蒸煮到压力0.07MP下进行小放气，然后关闭放气阀，在120－160℃温度下，蒸煮0.5－2小时后放锅，洗浆，即得粗纸浆用于后续造纸。本发明不仅能够充分互花米草纤维资源造纸，而其通过厌氧发酵转化互花米草中的非纤维有机资源进行能源或其他产业转化，改善互花米草造纸的原料特性。因此，本发明实现了互花米草的资源化的梯级化高效利用模式，实现了海涂资源的高效利用。
Description
技术领域
本发明属于资源与轻工业技术领域，具体涉及一种互花米草的厌氧发酵-苏打蒽醌蒸煮制造纸浆的方法。
背景技术
互花米草(Spartina aterniflora)原产于美国，是一种生长在潮间带的多年盐沼植物。1980年代初期，互花米草被引入中国用于保滩护岸、促淤造陆，互花米草引进一度对保护海堤安全，促进沿海地区经济发展、生态环境的改善和减灾等多方面做出了重大贡献。但经过20多年的发展，互花米草在我国沿海地区形成80-100万亩得群落，以这种外来入侵种形成的优势群落，给沿海地区带来一系列的负面影响。作为一个具有极强繁殖能力的外来物种，互花米草具有生长旺，繁殖快，植株高而密，与本土物种竞争激烈，改变了淤泥质光滩的景观和本土物种的栖息环境，譬如互花米草侵占滩涂贝类养殖的场所，导致贝类在密集的米草草滩中无法自由活动，健康生长，甚至会窒息死亡；一些贝类不得不迁移至米草草滩外；一些港区也由于互花米草的侵入淤积加快，影响船只出入。在夏秋季互花米草的落叶随着潮水四处漂移，进入滩涂或浅海的藻类养殖地，就会对紫菜，海带等海藻的生产与产品的质量产生一定的影响。
但是，互花米草是一种优质的纤维植物，根据课题组多年的研究，互花米草的化学构成指标大致为：灰分10-13，Nacl盐量3-5％，纤维素30-35％，木质素18-20％，半纤维35-40％，蛋白质质5-8％，粗脂肪2-3％。不仅如此，互花米草属于C4植物，具有高效的第一生产力。根据在苏北和上海两地多年的研究，互花米草单位面积地上部分收获产量在苏北可以达到2.5-3kg/m2，即1600-2000kg/亩；上海地区可以达到3-5kg/m2，即2000-3333kg/亩。目前在良好田间管理的条件下，三大传统粮食作物及其单产(含秸秆产量)分别为：小麦500-600kg/亩，水稻600-1000kg/亩，玉米800-1200kg/亩。在没有任何人为投入管理的条件下，互花米草几乎达到传统作物良好的田间管理产量的2-3倍，如果辅以施肥和人为管理，互花米草可以获得更高的单位产量。利用如此高效的生产力的纤维资源作为造纸原料生产纸浆，将会很大程度缓解我国造纸行业的原料短缺问题。
但是，传统的造纸工艺用原料直接造纸，对于互花米草只能获取35-40％的纤维素，而60-65％的其他成分都进入造纸黑液，由于黑液中杂质大，黑液的碱回收或木质素的提取效益都比较差，同时互花米草生物质内在的N、P元素也融进黑液，污染负荷非常大，处理费用高。这造成互花米草作为重要纤维资源用于造纸行业极大的限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够提高海滩空间资源经济效益、生态效益和改善生态环境，提高互花米草造纸效益的互花米草的厌氧发酵-苏打蒽醌蒸煮制造纸浆的方法。
本发明提出的互花米草的厌氧发酵-苏打蒽醌蒸煮制造纸浆的方法，首先对原料互花米草进行预处理，然后在厌氧条件下发酵15-60天，将发酵后的残渣洗涤脱水后用于纸浆原料。按互花米草厌氧发酵残渣干重6％-14％的氢氧化钠和0.01％-0.05％的蒽醌与互花米草残渣混合，按液比为1∶3-1∶10加水，封闭蒸煮锅用高压蒸汽蒸煮，在115℃左右温度下进行小放气，然后关闭放气阀，继续在120-160℃温度下，保温蒸煮0.5-2小时后放锅，对放锅后浆料进行洗浆，即得粗纸浆用于后续造纸，洗涤的黑液进行后续处理。其具体步骤如下：
(1)原料互花米草粉碎预处理；
(2)向步骤(1)所得的预处理互花米草中添加含N元素物质，混合，得到混合料，控制混合料的碳氮比为20∶1-30∶1；将所得混合料投入到发酵装置中，并加入接种物进行接种，加水，在20-40℃温度下，进行厌氧发酵，其中：接种物的加入量、水的加入量和发酵周期由厌氧发酵方法决定；
(3)将步骤(2)中厌氧发酵结束后互花米草的残渣取出，洗涤、除杂、脱水，得到互花米草纸浆制造原料，脱水程度为含水量60-70％，洗涤废水进行后续处理；
(4)向步骤(3)中得到的互花米草纸浆制造原料中加入氢氧化钠、蒽醌，混合得到蒸煮原料，将蒸煮原料投入到纸浆蒸煮容器中，其中：氢氧化钠的加入量为互花米草纸浆制造原料干重的6-14％，蒽醌的加入量为互花米草纸浆制造原料干重的0.01-0.05％；
(5)向步骤(4)中的蒸煮原料中加水，使蒸煮原料中水与互花米草纸浆制造原料干重量比为3∶1-10∶1；
(6)封闭蒸煮锅，采用压力为0.30-0.50MPa的蒸汽蒸煮，当蒸煮到锅内压力为0.07MPa，温度达到115-118℃进行小放气，然后关闭放气阀，在锅内压力为0.105-0.495MPa，温度为120-160℃下，保温蒸煮0.5-2小时后放锅，洗浆，即得粗纸浆用于后续造纸，洗涤的黑液进行后续处理。
本发明中，步骤(2)中所述含N元素物质为尿素、碳酸氢铵或畜禽粪便等中一至多种。
本发明中，步骤(2)中所述接种物为沼渣、沼液或厌氧消化污泥等中任一种。
本发明中，步骤(5)中蒸锅内压力0.105-0.495MPa，温度为120-130℃下，保温蒸煮0.5-2小时，以便提高得浆率，降低能耗。
本发明中，步骤(2)中所述互花米草厌氧发酵装置可以采用厌氧生物酸化转化发酵方法，也可以采用厌氧沼气发酵方法。采用厌氧生物酸化转化发酵方法，保持发酵液pH值5-6条件下发酵15-40天，并周期性抽出反应器中的酸液用于后续利用；采用厌氧沼气发酵方法可以采用各种有机固体废弃物发酵制沼气的工艺发酵30-60天，并收集发酵产生沼气用于能源或化工原料。
本发明中，当采用厌氧沼气发酵方法，接种物干重的加入量为互花米草原料干重的20％以上，水的加入量保证至少覆盖原料上表面以上5cm，发酵时间为30-60天。
本发明中，当采用厌氧生物酸化转化发酵方法，接种物干重的加入量为互花米草原料干重的3％-5％，水的加入量保证至少覆盖原料上表面以上20cm，发酵时间为15-40天。
本发明中，步骤(1)中所述互花米草原料粉碎预处理可以采取以下常规方法：将收割后的互花米草地上部分，通过人工或机械方法切成2～3cm的小段；或者通过秸秆搓揉粉碎机对其进行预处理等。
本发明的优点：充分实现了互花米草的资源化、减量化和无害化的利用，将造成生态环境和海洋经济的害草——互花米草转化成为一种造纸原料。改革开放以来，纸浆在中国的需求量一直呈较快的增长趋势，我国是一个森林资源短缺的国家，为了保护生态平很，近年来国家加大了森林保育工作，这样造纸业原料来源非常紧张。受市场的需求的拉动，全国大量以利用秸秆为原料的小型造纸厂大量上马，特别是淮河流域，造成了当地地表水体的严重污染。近年来的随着环保执法力度加大，没有污染治理能力的纸浆制造企业被关闭，国内必须通过进口获得纸浆，绝干浆价格高达4000-4500元/吨，生产成本较高。因此，本发明提供的互花米草的厌氧发酵-苏打蒽醌蒸煮制造纸浆的方法，将会很大程度缓解国内造纸行业的原料压力和环境压力。
具体实施方式
实施例1：取切碎成2～3cm小段的互花米草干重200g，添加4g尿素，混合，调整碳氮比为25∶1，将所得混合料投入到发酵装置中，接种含水80％的污泥600g，加水200g，在35℃，进行厌氧沼气发酵，发酵时间为30天；然后取出发酵残渣进行洗涤，脱水得到含水70％的互花米草纸浆制造原料400g；取以上互花米草纸浆制造原料44.027，折合绝干重量13.2081g、混合纯度96％的氢氧化钠1.0652g和蒽醌0.0066g，得到蒸煮原料，将蒸煮原料投入小的不锈钢蒸煮罐，不需向蒸煮原料中加水，直接放入蒸煮锅内采用0.3MPa蒸汽蒸煮，当蒸煮锅内压力为0.08MPa，罐内温度达到115℃下进行小放气，关闭放气阀，然后在126℃温度下保温蒸煮1.5小时，放锅、洗浆，经洗涤后可获得粗浆8.449g，得浆率63.97％，卡伯值25.57。
实施例2：取切碎成2～3cm小段的互花米草干重300g，添加6g碳酸氨铵，混合，调整碳氮比为25∶1，将所得混合料投入到发酵装置中，接种含水80％的污泥900g，加水300g，在35℃，进行厌氧沼气发酵，发酵时间为40天；然后取出发酵残渣进行洗涤，脱水得到含水60％的互花米草纸浆制造原料400g；取以上互花米草纸浆制造原料33.0203，折合绝干重量13.2081g，混合纯度96％的氢氧化钠1.4202g和蒽醌0.0066g，得到蒸煮原料，投入小的不锈钢蒸煮罐，向蒸煮原料中加水66.0405g，放入蒸煮锅内采用0.3MPa蒸汽蒸煮，当蒸煮锅内压力为0.08MPa，罐内温度达到118℃进行小放气，关闭放气阀，然后在136℃温度下保温蒸煮1小时，放锅、洗浆，经洗涤后可获得粗浆7.9949g，得浆率60.53％，卡伯值19.98。
实施例3：取切碎成2～3cm小段的互花米草干重200g，添加4g碳酸氢铵，混合，调整碳氮比为20∶1，将所得混合料投入到发酵装置中，接种含水80％的沼渣60g，加水200g，在35℃，进行厌氧生物产酸转化，发酵时间为15天；然后取出发酵残渣进行洗涤，脱水得到含水65％的互花米草纸浆制造原料360g；取以上互花米草纸浆制造原料37.7374，折合绝干重量13.2081g，混合纯度96％的氢氧化钠1.7752g和蒽醌0.0026g，得到蒸煮原料，向蒸煮原料中加水132.081g，投入小的不锈钢蒸煮罐，放入蒸煮锅内采用0.3MPa蒸汽蒸煮，当蒸煮锅内压力为0.07MPa，罐内温度达到116℃进行小放气，关闭放气闭，然后在160℃温度下蒸煮0.5小时，放锅、洗浆。经洗涤后可获得粗浆6.7388g，得浆率51.02％，卡伯值10.75。
Claims (8)
1、一种互花米草的厌氧发酵-苏打蒽醌蒸煮制造纸浆的方法，其特征在于具体步骤如下：
(1)原料互花米草粉碎预处理；
(2)向步骤(1)所得的预处理互花米草中添加含N元素物质，混合，得到混合料，控制混合料的碳氮比为20∶1--30∶1；将所得混合料投入到发酵装置中，并加入接种物进行接种，加水，在20-40℃温度下，进行厌氧发酵；
(3)将步骤(2)中厌氧发酵结束后互花米草的残渣取出，洗涤、除杂、脱水，得到互花米草纸浆制造原料，脱水程度为含水量60-70％，洗涤废水进行后续处理；
(4)向步骤(3)中得到的互花米草纸浆制造原料中加入氢氧化钠、蒽醌，混合得到蒸煮原料，将蒸煮原料投入到纸浆蒸煮容器中，其中：氢氧化钠的加入量为互花米草纸浆制造原料干重的6-14％，蒽醌的加入量为互花米草纸浆制造原料干重的0.01-0.05％；
(5)向步骤(4)中的蒸煮原料中加水，使蒸煮原料中水与互花米草纸浆制造原料绝干重量比为3∶1-10∶1；
(6)封闭蒸煮锅，采用压力为0.30-0.50MPa的蒸汽蒸煮，当蒸煮到锅内压力为0.07MPa，温度达到115-118℃进行小放气，然后关闭放气阀，在锅内压力为0.105-0.495MPa，温度为120-160℃下，保温蒸煮0.5-2小时后放锅，洗浆，即得粗纸浆用于后续造纸，洗涤的黑液进行后续处理。
2、根据权利要求1所述的互花米草的厌氧发酵-苏打蒽醌蒸煮制造纸浆的方法，其特征在于所述步骤(2)中所述含N元素物质为尿素、碳酸氢铵或畜禽粪便中一至多种。
3、根据权利要求1所述的互花米草的厌氧发酵-苏打蒽醌蒸煮制造纸浆的方法，其特征在于步骤(2)中所述接种物为沼渣、沼液或厌氧消化污泥中任一种。
4、根据权利要求1所述的互花米草的厌氧发酵-苏打蒽醌蒸煮制造纸浆的方法，其特征在于步骤(5)中蒸锅内压力0.105-0.495MPa，温度为120-130℃下，保温蒸煮0.5-2小时。
5、根据权利要求1所述的互花米草的厌氧发酵-苏打蒽醌蒸煮制造纸浆的方法，其特征在于步骤(2)中所述互花米草厌氧发酵方法采用厌氧生物酸化转化发酵方法或厌氧沼气发酵方法。
6、根据权利要求5所述的互花米草的厌氧发酵-苏打蒽醌蒸煮制造纸浆的方法，其特征在于当采用厌氧沼气发酵方法，接种物干重的加入量为互花米草原料干重20％以上，水的加入量保证至少覆盖原料上表面以上5cm，发酵时间为30-60天。
7、根据权利要求5所述的互花米草的厌氧发酵-苏打蒽醌蒸煮制造纸浆的方法，其特征在于当采用厌氧生物酸化转化发酵方法，接种物干重的加入量为互花米草原料干重的3％-5％，水的加入量保证至少覆盖原料上表面以上20cm，发酵时间为15-40天。
8、根据权利要求1所述的互花米草的厌氧发酵-苏打蒽醌蒸煮制造纸浆的方法，其特征在于步骤(1)中所述互花米草原料粉碎预处理采用：将收割后的互花米草地上部分，通过人工或机械方法切成2～3cm的小段；或者通过秸秆搓揉粉碎机对其进行预处理。
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