技术领域
[0001] 本
发明涉及重金属污染农田的环境修复领域，具体涉及一种富含重金属的
甜高粱植株联合处置方法，属于
植物资源的综合
回收利用和环境保护领域。
背景技术
[0002]
植物修复是指利用对重金属富集能
力较强的植物，通过吸收和转运将重金属转移并储存在植物地上部分，最终通过
收获地上部分达到减少
土壤重金属含量的目的，主要包括两种方式：一是利用超累积植物的超强吸收能力，提取土壤中重金属；二是选用生长迅速、
生物量较大、富集重金属能力相对较强的非超累积
植物提取重金属。
[0003] 研究人员提出在重金属污染的土地上种植生物产量高的
能源植物，一方面实现对重金属污染农田的综合利用，扩大
能源植物的种植面积，一方面生产
生物质能源(如生物燃气、生物
乙醇等)，产生一定的经济效益，同时可以对土壤中的重金属进行提取修复，达到一举多效的目的，对于受重金属污染农田的农业结构、增加农民收入、加大修复意义和推广范围等均方面有着积极的作用。
[0004] 甜高粱(Sorghum bicolor(Linn.)Moench)作为重要的能源植物，具有光合效率高、生物产量高、抗逆性强、适应性广等特点，并对锌、砷、
铜、镉等重金属具有很强的吸收能力和耐性，可亩产含糖12-14％的茎秆5-6吨。因此甜高粱生产乙醇被认为是极有潜力的替代石油途径之一，其
发酵工艺成熟、生产周期短、生产成本相对低廉的优势。
[0005] 虽然甜高粱可以在重金属污染农田上进行种植，但是大量富含镉等重金属的甜高粱秆发酵渣如不能尽快、合理地加以处置，将可能重新回到土壤，且由于生物体中的重金属具有更高的活性而增大其危害性从而造成二次污染。目前，对于修复植物的处置方法主要是作为废弃物或资源化利用，主要包括焚烧法、堆肥法、压缩填埋法、高温分解法、植物
冶金、香料提取、生物能源等。
[0006] 利用甜高粱发酵产乙醇的技术已经发展的比较成熟，主要包括
粉碎茎秆后榨汁的液态发酵方式和直接固态发酵方式。虽然液态发酵是
生物燃料乙醇所最常用的方法，然而甜高粱茎秆液态发酵过程中存在榨汁困难、
水污染问题严重等缺点，基本上不能控制排放
废水的微量重金属。而甜高粱固态发酵则通过对茎秆进行粉碎，在保证甜高粱粉碎料
含水量在一定范围内的前提下，接入发酵
种子液混匀之后进行发酵产乙醇。与液体发酵相比，固态发酵技术提高了糖利用率，简化了工艺流程，降低了生产成本，避免了大量废水的产生。
[0007] 综上，通过生产乙醇可以实现对修复后甜高粱的能源利用，但是如何妥善地处理发酵后所产生的大量富镉的甜高粱杆发酵渣便成了一个关键的问题，同时处理工艺的经济性和环保性也对这项植物修复技术的发展具有重要的意义。因此基于减量化、无害化和资源化的原则，焚烧法被认为是最可行的技术。
[0008] 因此，需要一种能够有效地解决修复植物的安全处置问题，同时兼具经济性和环保性的富含重金属甜高粱植株的联合处理方法。
发明内容
[0009] 为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种富含重金属甜高粱植株的联合处理方法，采用固态发酵技术处理茎秆生产
燃料乙醇，再通过燃烧技术处理发酵后产生的富含重金属的发酵渣，产生
热能和富含重金属的残渣和飞灰，最后收集残渣和飞灰用于对重金属进行回收。通过两种技术的有效联合与集成，实现了富含重金属甜高粱植株的资源化与能源化利用，与此同时，实现了甜高粱茎秆的减量化和无害化处理。
[0010] 其中所述固态发酵技术用于将甜高粱的茎秆作为原料生产乙醇燃料，其具体步骤为：
[0011] 1.在重金属污染的土壤中种植甜高粱，成熟后获得甜高粱地上部分；
[0012] 2.将新鲜甜高粱茎秆剥叶后粉碎混合均匀，优选地，将茎秆粉碎为直径1-5mm，长度小于50mm；
[0013] 3.称取粉碎料，按照粉碎料
质量的5-15％的接种量，接入已培养好的种子液；其中，接种量是根据菌种的繁殖生长及发酵效率等因素决定。
[0014] 优选地，所述种子液为酿酒
酵母(Saccharomyces cerevisiae Hansen)TSH2，所述
酿酒酵母TSH2为经过特殊驯化、遗传改造的特有菌种，TSH2在固体发酵条件下可耐受高温，且吸收可发酵糖速率高效，从而固体发酵效率明显高于其它工业酵母，为高产乙醇酵母菌种，有效解决了以往的菌种针对固体发酵的发酵热累积(高温)、传质效果差的问题。所述酿酒酵母TSH2，保藏编号：CGMCC 14223，保藏单位为中国
微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏日期为2017年06月06日。
[0015] 4.在30℃条件下，将步骤3中所述物料直接在固体
发酵罐中进行固态发酵，即在转鼓式发酵罐中进行发酵，接种量为茎秆质量的10％，发酵时间24h，搅拌转速控制在0.08rpm。
[0016] 5.粗蒸乙醇精馏后得到乙醇，乙醇产率达到90％以上，进一步有效缩短了发酵时间，由
现有技术的24h缩短到20h。
[0017] 其中所述燃烧技术用于对甜高粱茎秆发酵渣和废弃物进行处理，所述燃烧技术采用管式炉燃烧技术，燃烧系统包括配气系统、管式炉、飞灰收集系统和烟气吸收系统组成；
[0018] 所述配气系统，包括气体瓶、
阀门和气体流量计，用于控制气体流速。
[0019] 优选地，所述管式炉，采用SK2-4-10型高温管式炉作为
燃烧器，炉温可在500-1200℃根据实验需要任意设定。
[0020] 所述飞灰收集系统，包括滤筒
支架和设置在支架内的玻璃
纤维滤筒；滤筒支架内的玻璃纤维滤筒用于过滤收集燃烧产生的飞灰。
[0021] 所述烟气吸收系统包括一系列吸收瓶，所述吸收瓶内装5％HNO3+10％H2O2的
混合液，用于吸收气态的重金属。
[0022] 其中，采用燃烧技术在燃烧
温度为900℃时，对甜高粱茎秆发酵渣和废弃物进行燃烧处理，进行镉的回收，具体操作方法为：
[0023] 准确称取甜高粱杆发酵渣，燃烧温度设置在900℃，按照设定好的程序使管式炉升温；当炉温达到设定温度时通入空气，气体流量为5L/min；随后将盛有反应样品的刚玉舟推入，停留30min后，使之完全反应；待系统冷却后，分别收集炉渣、飞灰和烟气吸收液。在燃烧温度为900℃时，飞灰中镉含量最高，此时只需回收收集燃烧后的部分和玻璃纤维滤筒中的飞灰即可实现镉的完全回收，同时最大限度节约能源。
[0024] 在实际生产中，可选用循环
流化床锅炉对甜高粱杆发酵渣进行燃烧处理，燃烧温度为900℃时收集燃烧后的残渣和飞灰以最大限度实现镉的回收；采用所述燃烧技术进行燃烧处理前，还需要对所述甜高粱杆发酵渣进行脱
水处理，蒸馏后的甜高粱杆发酵渣中含水量约为80％，联合采用
太阳能和循环流化床锅炉燃烧产生的热能对甜高粱杆发酵渣进行干燥处理，使含水量降低到50％以下。
[0025] 本发明提供一种富含重金属甜高粱植株的联合处理方法，采用固态发酵技术对甜高粱茎秆进行发酵生产具有经济价值的乙醇，其中选用的特有的酿酒酵母TSH2在保证乙醇产率90％以上的同时进一步缩短了发酵时间；采用燃烧技术对发酵后所产生的大量富镉的甜高粱茎杆发酵渣进行处理，通过控制燃烧的温度以最大限度的回收燃烧后的飞灰和炉渣中的镉，同时产生具有经济价值的热能，本发明通过固态发酵技术和焚烧技术的有效集成，有效地解决修复植物的安全处置问题，并兼具经济性和环保性。
[0026] 应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
[0027] 参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
[0028] 图1为本发明富含重金属甜高粱植株的联合处理方法的具体步骤
流程图。
[0029] 图2为在30℃/min的升温速率条件下，甜高粱茎秆发酵渣的燃烧曲线。
[0030] 图3为不同温度燃烧后，残渣和飞灰质量(图3a)以及其占总质量的百分比(图3b)的变化。
[0031] 图4为燃烧过程中镉的迁移转化特征，其中图4a为镉在残渣、飞灰和烟气中的质量；图4b镉在残渣、飞灰和烟气中的归一化分布；图4c为残渣、飞灰中镉的含量。
具体实施方式
[0032] 通过参考示范性
实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。
说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
[0033] 在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
[0034] 图1为本发明富含重金属甜高粱植株的联合处理方法的具体步骤流程图。参见图1，本发明提供一种富含重金属甜高粱植株的联合处理方法，采用无废水固态发酵技术处理茎秆，粗蒸乙醇精馏后得到燃料乙醇，通过燃烧技术处理发酵后产生的富含重金属的发酵渣，产生具有经济价值的热能和富含重金属的残渣和飞灰，进行重金属的回收。通过两种技术的有效联合与集成，实现了富含重金属甜高粱植株的资源化与能源化利用，与此同时，实现了甜高粱茎秆的减量化和无害化处理。
[0035] 实施例1甜高粱茎秆的固态发酵技术
[0036] 试验所用甜高粱种植于广东韶关的镉污染农田，土壤中的镉浓度为7.93mg/kg，有效镉含量为2.89mg/kg，茎秆含糖量为11.3％，鲜重为750g/株。采用先进固体发酵(ASSF)技术及特有耐高温、高代谢效率菌株(菌种为酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae Hansen)TSH2)，实现主发酵时间20h内完成，乙醇产率90％以上，且整个工艺过程几乎不产生废水，有效减少重金属的二次污染。
[0037] 具体操作方法为：将新鲜甜高粱茎秆剥叶后粉碎混合均匀(直径1-5mm,长度小于50mm)，称取10kg的粉碎料，按照10％的接种量接入已培养好的种子液(菌种为酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae Hansen)TSH2)，初始发酵温度25-35℃，放入容量为50L的转鼓式发酵罐中进行发酵，搅拌转速控制在0.08rpm，发酵20h，蒸馏后得到乙醇，乙醇理论收率达到90％以上，其中发酵时间由现有技术的24h缩短到20h。
[0038] 本实施例中采用的菌种是经过筛选、驯化及遗传改造后得到，可耐受固体发酵下高温、传质速率低的特点，进一步将发酵时间由现有技术的24h缩短到20h，从而提高发酵效率和乙醇产率。所述菌种为酿酒酵母TSH2，保藏编号为CGMCC 14223，保藏单位为：中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏日期为2017年06月06日。
[0039] 实施例2甜高粱茎秆发酵渣和废弃物的燃烧技术
[0040] 采用管式炉燃烧技术，燃烧系统包括配气系统、管式炉、飞灰收集系统和烟气吸收系统组成。配气系统由气体瓶、阀门和气体流量计组成，控制气体流速。管式炉采用SK2-4-10型高温管式炉作为燃烧器，炉温可在500-1200℃根据实验需要任意设定。燃烧产生的飞灰由滤筒支架内的玻璃纤维滤筒过滤收集。烟气吸收系统由一系列吸收瓶组成，内装5％HNO3+10％H2O2的混合液，用于吸收气态的重金属。
[0041] 具体操作方法为：准确称取4.000g甜高粱杆发酵渣，分别研究其在不同燃烧温度下镉的迁移转化，设置为600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃共5个燃烧温度，按照设定好的程序使管式炉升温，当炉温达到设定温度时通入空气，气体流量为5L/min，随后将盛有反应样品的刚玉舟推入，停留30min后，使之完全反应，待系统冷却后，分别收集炉渣、飞灰和烟气吸收液。
[0042] 采用电感耦合
等离子体发射
光谱仪(Agilent 7700X,Agilent Technologies,USA)测定其中镉的含量。对甜高粱杆发酵渣及共燃烧后的飞灰、残渣采用
微波消解(CEM-MARS)法进行消解，消解酸体系为HNO3-HClO4-HF(2:2:1)，消解液定容。对烟气吸收液样品参照EPA METHOD 29方法将两瓶5％HNO3+10％H2O2吸收液转移至500ml容量瓶中，并用定容。
[0043] 参见图2-图4，图2为在30℃/min的升温速率条件下，甜高粱茎秆发酵渣的燃烧曲线，其中：TGA表示质量的变化情况，DTG表示质量对时间的一阶微分，DTA反映燃料燃烧过程中燃料的
能量变化情况。由图可知，甜高粱茎秆发酵渣的燃烧可以分为预热和干燥、挥发分析出、挥发分燃烧、
焦炭燃烧燃尽等四个阶段，最大失重速率集中发生在约350℃时，即在挥发分燃烧阶段。
[0044] 图3为残渣和飞灰质量在不同温度燃烧条件下的变化情况，由图3a可知：随着温度的增加，燃烧更加充分，导致残渣和飞灰的质量呈下降的趋势，由图3b可知，其所占固体样品的百分比由600℃下的11.2％下降到900℃下的6.00％，这说明经过燃烧后，样品质量明显减少，有效实现了甜高粱残渣的减量化和无害化处理。
[0045] 图4表明不同燃烧温度下镉的迁移转化特征。镉的沸点低，是一种易挥发重金属。
[0046] 图4a为不同燃烧温度下镉在炉渣、飞灰和烟气中的质量曲线，由图可知，镉在残渣中的质量随着温度的升高而降低，而镉在飞灰中的质量则随着温度的升高先升高再降低，在烟气中的质量则没有变化。
[0047] 图4b为镉在不同温度下在炉渣、飞灰和烟气中的质量变化的归一化分布图，由图可知，镉主要分布在飞灰中，而在烟气和残渣中的质量较低；虽然镉在底渣、飞灰、烟气中均有分布，但是根据物质平衡的理论，不同温度下均可达到100％的回收，并且对镉的归一化分布没有显著影响。
[0048] 图4c为残渣、飞灰中镉的含量，由图可知，镉在残渣和飞灰中的含量随着温度的升高呈不同的变化，900℃下在残渣中的镉含量为2.23mg/kg，而在飞灰中含量可达63.3mg/kg。
[0049] 综上可知：在900℃温度下燃烧，飞灰中镉含量最高，此时只需收集燃烧后残渣和飞灰即可实现镉的回收，同时最大限度节约能源，也避免了在低温下燃烧会产生二恶英的问题。
[0050] 在实际生产中，可采用循环流化床锅炉对甜高粱杆发酵渣进行燃烧处理，所述燃烧温度为900℃时，收集燃烧后的残渣和飞灰以最大限度实现镉的回收，同时不会再次对环境造成污染。所述镉回收的方法为通过
堆浸法和
电沉积技术实现镉的回收。
[0051] 所述燃烧技术能够有效处理甜高粱茎秆发酵渣和废弃物，产生具有经济价值的热能用于乙醇生产及发电或供热，对于富含重金属的残渣和飞灰中的重金属回收率可达到100％，实际生产中，在保证甜高粱茎秆发酵渣充分燃烧的情况下，在燃烧温度为900℃时，镉完全回收，同时最大限度节约能源；实现了甜高粱茎秆的减量化和无害化处理，同时还实现了富含重金属甜高粱植株的资源化与能源化利用。
[0052] 本发明在于提供一种富含重金属甜高粱植物的联合处理方法，实现对富含重金属甜高粱植株的安全处置，具体的方法是采用固态发酵技术处理茎秆产生有经济价值的乙醇，再通过燃烧技术处理发酵后产生的富含重金属的发酵渣，产生具有经济价值的热能和可用于提取重金属的残渣和飞灰。通过两种技术的有效联合与集成，实现了富含重金属甜高粱植株的资源化与能源化利用，与此同时，实现了甜高粱茎秆的减量化和无害化处理。
[0053] 结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由
权利要求所限定。
