空心莲子草厌氧发酵制沼气性能研究

张娅玲， 杨 姝， 秦向东， 朗昌义， 张 超

(1.云南农业大学 基础与信息工程学院，云南 昆明 650201；2. 云南省高校生物天然气产业化技术工程研究中心， 云南 昆明 650201)



空心莲子草厌氧发酵制沼气性能研究

张娅玲1,2， 杨 姝1,2， 秦向东1,2， 朗昌义1， 张 超1

(1.云南农业大学 基础与信息工程学院，云南 昆明 650201；2. 云南省高校生物天然气产业化技术工程研究中心， 云南 昆明 650201)

空心莲子草作为外来入侵物种，防除和综合利用是其主要的研究方向。文章进行了空心莲子草的厌氧发酵试验，并与水葫芦、玉米秸秆的产气性能进行比较。结果表明，空心莲子草厌氧发酵产沼气具有发酵启动迅速、产气量大的优点，可作为理想的沼气原料。

空心莲子草；水葫芦；玉米秸秆；厌氧发酵

空心莲子草又名水花生、革命草，原产于巴西，是入侵性很强的植物种，现已遍及美洲、澳洲、亚洲及非洲的许多国家和地区。其生命力强，适应水生和陆生环境，在我国许多地区滋生蔓延，危害严重。目前，对空心莲子草的研究包括防除与综合利用两个方向，其中综合利用主要为医药、农业生产、治理污染水体以及在食物中的应用等方面[1-3]，但综合利用后的废弃物，特别是用于净化水体的植物残株，如处置不当，很可能造成二次污染。

笔者以空心莲子草为原料开展厌氧发酵制沼气试验，并与常见的沼气原料玉米秸秆、水葫芦的产气性能进行比较，分析研究空心莲子草制沼气的可行性。

1 材料与方法

1.1 试验材料

空心莲子草采自学校路边沟渠，玉米秸秆为学校实验田灌浆期的新鲜秸秆，水葫芦采自滇池。将新鲜原料切成2～3 cm的小段，备用。接种物为水沟底污泥，总干物质量(TS)为18.9%，挥发性有机物(VS)为11.71%，pH值为6.8。

1.2 试验仪器和装置

厌氧发酵装置是由橡皮塞封口的1 L玻璃烧瓶作为反应器(见图1)，通过恒温水浴锅增温和保温，采用排水集气法测定产气量。

图1 发酵装置示意图

1.3 试验设计

发酵原料配制：根据前人的经验[4-5]和前期的预试验，确定总TS浓度控制在6%，接种物和原料干物质质量比为2∶1，发酵温度控制在35℃±1℃。将不同的原料与接种污泥、水混匀，总质量800 g置于1 L的发酵瓶内。空白样中仅加入同等质量的污泥和水。发酵45 d，每日定时测定产气量和甲烷含量。

1.4 分析项目及测定方法

TS和VS的测定：按照国标进行，TS采用105℃±5℃烘干法，VS采用灼烧(500℃～600℃)法。

pH值：采用精密试纸测定。经测量发酵期间pH值为6.5～7.5。

产气量：采用排水法收集发酵产生的气体，根据集气瓶中水的体积计量每日产生气体的体积。

甲烷含量：使用甲烷气体检测仪每日定时测定产生气体的甲烷含量。

2 结果与分析

2.1 厌氧发酵过程中日产气量的变化

日产气量随发酵时间的变化如图2所示，3种原料在发酵开始1 d～3 d均出现了产气高峰，对比这3 d的甲烷含量，均在一个较低的范畴，产气主要是空气加热膨胀及物料排放的废气。此外，空心莲子草在第7 d和第29 d有产气高峰，峰值分别为605 mL·d-1和315 mL·d-1。水葫芦在第10 d出现产气高峰，峰值为545 mL·d-1，随后逐渐减少。玉米秸秆在第11 d到16 d出现连续的产气高峰，产气量大约为500 mL·d-1左右，之后在第24 d和30 d分别有2个小的产气高峰。

空心莲子草和水葫芦的产气高峰出现较早，而玉米秸秆相对靠后，原因可能和原料的形态结构和C/N有关。空心莲子草茎中空为管状，水花生中部膨胀成囊状、内有气室，二者疏松的形态结构有利于发酵微生物分泌的水解酶与原料充分接触。玉米秸秆利用扫描电镜观察发现，表面结构致密，呈现有序有规律的排列且质地坚硬，纤维表面平整光滑，使水解酶对原料的可及度下降[6]，产气进程减缓。同时，C/N也对厌氧发酵的进程产生了影响：已有研究表明，空心莲子草和水葫芦为富氮原料，C/N<25∶1，代谢分解和产气速率较快。玉米秸秆属于富碳原料，C/N>30∶1，具有产气速度慢，发酵周期长的特点[7-8]。另外，由于有机物降解难易程度不同，当大分子有机质水解、产酸的速率与产甲烷的速率不能保持平衡时，造成沼气日产气量呈现上下起伏的变化[9]。

图2 发酵过程中日产气量的变化

2.2 厌氧发酵甲烷含量的变化

甲烷含量随发酵时间的变化如图3所示。3种原料的甲烷含量变化趋势基本相同，在发酵初期就出现显著增加，水葫芦在第2 d甲烷含量就超过40%，在第5 d达到50%，最高可达61.13%。空心莲子草在第7 d甲烷含量达到50%，最高可达63.84%。玉米秸秆甲烷含量的增加幅度最慢，在第9 d达到50%，但最大值可达66.19%。

甲烷含量的增长幅度的差异，同样与原料的形态结构和C/N相关，原料疏松的结构与相对较低的C/N，提高了原料与微生物酶的作用面积，加快了发酵速率。

图3 发酵过程中甲烷含量的变化

2.3 厌氧发酵过程中累计产气量的变化

3种原料的累计产气量见图4。在发酵前期，水花生累计产气量迅速增加，水葫芦累计产气量增长幅度在第10 d达到日产气高峰后逐渐放缓，在第27 d累计产气量已达总产气量的90%，产气进入平台期。空心莲子草前期累计产气量的变化与水葫芦基本一致，但在26 d后随第2个产期高峰期的出现，累计产气量出现第2次快速增加，在发酵的第32 d累计产气量达到总产气量的90%。而玉米秸秆的累计产气量在发酵前7 d增长相对较慢，随后迅速增加，在第27 d累计产气量超过空心莲子草和水葫芦，之后保持相同的增长趋势，发酵第35 d累计产气量达到总产气量的90%。

有机物的水解是厌氧发酵的限速阶段。一般来说，碳水化合物的降解最快，其次是蛋白质、脂肪，最慢的是纤维素和木质素。累计产气量呈现不同的变化趋势，这和原料的纤维素结构和含量有关。纤维素是生物质能源化中主要的利用物质，玉米秸秆中的纤维素含量要高于其它两种[10-12]。前人[13-15]研究也表明，水葫芦、空心莲子草的纤维素含量主要为无定形态，占纤维素总量的80%左右，其纤维素的聚合度和结晶度远远低于常见的陆生植物秸秆如玉米秸秆、水稻秆的纤维素。这使得水葫芦和空心莲子草中参与发酵的微生物酶对纤维素的可及度增加，利用速率加快。

图4 发酵过程中累计产气量的变化

2.4 TS产气率和甲烷产率

试验对不同原料的TS产气率和产甲烷量进行统计，扣除作为空白对照的接种污泥的产气数据，计算出各原料的TS产气率和产甲烷率。如图5所示，空心莲子草和玉米秸秆的TS产气率分别为618.5 mL·g-1和611 mL·g-1，TS甲烷产率分别为333.2 mL·g-1和344.3 mL·g-1。水葫芦产气量相对较低，TS产气率和甲烷产率分别为510.7 mL·g-1，276.2 mL·g-1。实验数据显示，空心莲子草的产气量与玉米秸秆的产气量相近，TS产气率和甲烷产率均高于水葫芦，这与李荣峰[16]的研究结果一致。

3 结论

文章开展了空心莲子草的厌氧发酵试验，并与常用的沼气原料水葫芦、玉米秸秆的产气性能进行比较。空心莲子草的TS产气率和甲烷产率高于水葫芦，与玉米秸秆相近，但其发酵前期产气进程又优于玉米秸秆。综合来说，空心莲子草厌氧发酵产沼气具有发酵启动快、产气量大的优点，可作为理想的沼气原料进行能源化、生态化利用。

图5 发酵产率的比较

[1] 常瑞英，王仁卿，张依然，等.入侵植物空心莲子草的入侵机制及综合管理[J].生态与农村环境学报,2013，29(1):17-23.

[2] 王志勇，赵昌明，空心莲子草的可利用价值[J].河北农业科学,2010,14(10):113-114,116.

[3] 肖 宇，孙 力，田 媛，等.空心莲子草的应用研究[J].黑龙江科学,2013,4(3):32-33.

[4] 高士忠.不同粒径对玉米秸秆厌氧发酵影响的试验研究[J].河南农业大学报,2008，42(3):327-329

[5] 郑元景.有机废料厌氧发酵技术[M].北京：化学工业出版社，1988:2-3.

[6] 陈尚钘，勇 强，徐 勇，等.稀酸预处理对玉米秸秆纤维组分及结构的影响[J].中国粮油学报，2011,26(6)：13-19.

[7] 朱 磊，胡国梁，卢剑波，等.水葫芦的资源化利用[J].浙江农业科学，2006,4:460-463.

[8] 涂 武.空心莲子草发酵产沼气的试验研究[D].湖北：湖北大学，2012.

[9] 任海伟，姚新泉，李金平，等.青贮玉米秸秆与牛粪混合厌氧消化产气性能的试验研究[J].中国沼气，2015，33(1):28-32.

[10] 罗 娟，董保成，陈 羚，等.畜禽粪便与玉米秸秆厌氧消化的产气特性试验[J].农业工程学报，2012，28(10)：219-224.

[11] 朱 磊，胡国梁，卢剑波，等. 水葫芦的资源化利用[J].浙江农业科学，2006,4:460-463.

[12] Chanakya H N, Borgaonkar S, Meena G, et al. Solidphase biogas-production with garbage or water hyacinth[J]. Bioresource Technology, 1993, 46:227-231.

[13] 周文兵. 凤眼莲秸秆堆肥和钾素回收及其纤维改性材料的特性研究[D]. 武汉：华中农业大学，2007.

[14] 武少伟. 铁锰硅对凤眼莲生物质结构的影响[D]. 武汉：华中农业大学，2010.

[16] 罗 娟，董保成，陈 羚，等.畜禽粪便与玉米秸秆厌氧消化的产气特性试验[J].农业工程学报，2012，28(10)：219-224.

[16] 李荣峰，兰翠玲，龙水声，等.六种杂草原料发酵产沼气的比较研究[J].中国沼气，2013， 31(1):16-19.

Anaerobic Fermentation Performance of Alternanthera Philoxeroides

ZHANG Ya-ling1,2, YANG Shu1,2, QIN Xiang-dong1,2, LANG Chang-yi1, ZHANG Chao1

(1.College of Basic Science and Information Engineering, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China；2.Engineering and Research Center for Industrial Biogas Technology of Yunnan Province University, Kunming 650201, China)

As an alien invasive species, the main research direction forAlternantheraphiloxeroidesis control and comprehensive utilization. This paper carried out an anaerobic fermentation test ofAlternantheraphiloxeroides. Its biogas production capacity was compared withEichhorniacrassipesand Corn stover. The result showed that anaerobic fermentation ofAlternantheraphiloxeroideswas fast start-up, and had high biogas yield, could be an ideal biogas feedstock.

AlternantheraPhiloxeroides;Eichhorniacrassipes; Corn stover; anaerobic fermentation

2015-09-22

项目来源： 云南省教育厅科学研究基金(2013Y471)

张娅玲(1979-)，女，汉族，云南安宁人，硕士，主要从事生物天然气的研究利用，E-mail：zyl_yn@163.com 通信作者： 张 超，E-mail：zc1314km@163.com

S216.4; S451

B

1000-1166(2016)01-0029-03