空心蓮子草厭氧消化產(chǎn)沼氣潛力及應(yīng)用研究

張莉娟+張無敵+尹芳+趙興玲+柳靜+許玲+劉士清+陳玉保+楊紅

摘要：設(shè)計(jì)對照組（120 mL接種物）和試驗(yàn)組（120 mL接種物+71 g空心蓮子草），采用全混合批量式發(fā)酵模式，在中溫30 ℃的條件下，進(jìn)行沼氣發(fā)酵試驗(yàn)，研究空心蓮子草（Alternanthera philoxeroides Griseb.）的產(chǎn)沼氣潛力。結(jié)果表明，試驗(yàn)組的沼氣發(fā)酵歷時(shí)27 d，凈產(chǎn)氣量為3 080 mL。由試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得出，空心蓮子草的TS產(chǎn)氣潛力為319 mL/g，VS產(chǎn)氣潛力為403 mL/g。

關(guān)鍵詞：空心蓮子草（Alternanthera philoxeroides Griseb.）;厭氧消化;產(chǎn)氣潛力;應(yīng)用前景

中圖分類號(hào)：S216.4 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ?文章編號(hào)：0439-8114（2014）21-5131-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.21.019

Potentials and Application of Biogas Fermentation with

Alternanthera philoxeroides

ZHANG Li-juan，ZHANG Wu-di，YIN Fang，ZHAO Xing-ling，LIU Jing，XU Ling，

LIU Shi-qing，CHEN Yu-bao，YANG Hong

（Yunnan Normal University， Kunming 650092， China）

Abstract： In order to study the potentials of biogas production with Alternanthera philoxeroides， the anaerobic batch fermentation were divided into the control group （120 mL inoculum）， the ?experimental group （120 mL inoculum and 71 g Alternanthera philoxeroides） and performed at 30 ℃. The results showed that the net biogas production of the experimental group during total fermentation time of 27 d was 3 080 mL. The biogas yield of Alternanthera philoxeroides was calculated as 319 mL/g TS or 403 mL/g VS.

Key words： Alternanthera philoxeroides Griseb.; biogas fermentation; biogas production potential; application prospects

空心蓮子草（Alternanthera philoxeroides Griseb.）又名喜旱蓮子草，是莧科（Amaranthaceae） 蓮子草屬（Alternanthera）多年生宿根草本植物。原產(chǎn)于巴西，現(xiàn)已遍及澳洲、美洲、亞洲及非洲的許多國家和地區(qū)。空心蓮子草于20世紀(jì)30年代末引入我國，最初在上海郊區(qū)種植作為飼料，隨后引入我國長江流域及南方各省。空心蓮子草的生命力和適應(yīng)性極強(qiáng)，能適應(yīng)水生和陸生環(huán)境，生長繁殖極快，加之人為引種促進(jìn)其滋生蔓延。20世紀(jì)80年代以來，該草成為我國許多地區(qū)的惡性雜草[1-3]。空心蓮子草具有較強(qiáng)的抗酸堿能力，目前對空心蓮子草的防治采用生物法，對其應(yīng)用主要涉及富營養(yǎng)化、污水及重金屬處理等方面[4]，采用堆漚處理的空心蓮子草還田可增加土壤養(yǎng)分，提高土壤肥力。經(jīng)測定空心蓮子草的腐殖化系數(shù)為0.18，與等量鉀相比，空心蓮子草供鉀更好，可達(dá)到增產(chǎn)的效果[5]。

目前對空心蓮子草的應(yīng)用尚不充分，本試驗(yàn)對空心蓮子草的產(chǎn)氣潛力進(jìn)行了研究，為后續(xù)空心蓮子草的處理及利用提供了一種新型途徑，為雜草應(yīng)用及治理提供了新方法。

1 ?材料與方法

1.1 ?試驗(yàn)材料

發(fā)酵原料為空心蓮子草植株，采自校園花壇，經(jīng)測定TS（總固體含量）為13.59%，VS（揮發(fā)性固體含量）為79.28%，pH 6.5。將取自實(shí)驗(yàn)室的牛糞作為原料富集的接種物，測定TS為8.61%，VS為70.34%，pH 7.5。

1.2 ?試驗(yàn)裝置

沼氣發(fā)酵的試驗(yàn)裝置如圖1所示，該裝置由發(fā)酵瓶、集氣瓶、體積計(jì)量瓶以及溫控系統(tǒng)等組成。發(fā)酵瓶為500 mL廣口瓶，用帶玻璃導(dǎo)管的橡皮塞封口;集氣瓶采用500 mL下口三角瓶，用帶玻璃三通的橡皮塞封口;體積計(jì)量瓶采用500 mL廣口瓶，發(fā)酵瓶、集氣瓶和體積計(jì)量瓶通過乳膠管連接。溫控系統(tǒng)由溫控儀（XMT-121型）、熱電偶（WCZT-10型）、交流接觸器（CJT1-10型）、循環(huán)水泵（AP1200型）、電熱管及鐵制水槽組成。

1.3 ?方法

1.3.1 ?原料預(yù)處理 ?將空心蓮子草清理后切碎成長度短于2 cm的小段，以便與接種物充分混合均勻。

1.3.2 ?試驗(yàn)方法 ?試驗(yàn)分別設(shè)試驗(yàn)組和對照組，設(shè)計(jì)5%發(fā)酵液濃度，設(shè)3個(gè)平行重復(fù)試驗(yàn)。為保證試驗(yàn)的一致性，進(jìn)行單瓶配制，料液配比如下。試驗(yàn)組：稱量71 g空心蓮子草，量取120 mL接種物，加入去離子水補(bǔ)足至400 mL;對照組：量取120 mL接種物，加去離子水補(bǔ)足至400 mL。采用全混合批式發(fā)酵模式，中溫30 ℃下厭氧發(fā)酵。

1.3.3 ?測試項(xiàng)目及方法

1）總固體含量（TS）、揮發(fā)性固體含量（VS）采用常規(guī)分析法[6，7]，測定原料接種物，以及發(fā)酵前后料液的TS、VS。TS的測定：在（105±5） ℃的電熱恒溫干燥箱（202型）中烘干至恒重，利用TS計(jì)算公式[7]求出TS;VS的測定：在（550±20） ℃箱形電阻爐（SX2-2.5-12型）中灼燒至恒重，利用VS計(jì)算公式[7]求出VS。

2）pH的測定。采用測定范圍5.5～9.0精密pH試紙測定原料、接種物以及發(fā)酵前后料液的pH。

3）產(chǎn)氣量測定。采用排水集氣法測定，試驗(yàn)啟動(dòng)后，每天定時(shí)記錄各組的產(chǎn)氣量，以各組3個(gè)平行的平均產(chǎn)氣量作為各組的表征產(chǎn)氣量。同時(shí)采用火焰顏色比色卡法[8]，根據(jù)火焰顏色和氣相色譜儀（GC-6890A）確定氣體中的甲烷含量。

2 ?結(jié)果與分析

試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)了5% TS濃度條件下發(fā)酵液每天的產(chǎn)氣量，對產(chǎn)氣速率進(jìn)行計(jì)算，對發(fā)酵液前后的TS、VS、pH進(jìn)行測定，最終得到空心蓮子草的產(chǎn)氣潛力。

2.1 ?產(chǎn)氣情況分析

每天記錄空心蓮子草的產(chǎn)氣量，得出產(chǎn)氣量、甲烷含量與發(fā)酵時(shí)間的規(guī)律如圖2所示。由圖2可知，對于5%發(fā)酵濃度試驗(yàn)組，整個(gè)沼氣發(fā)酵歷時(shí)27 d，日產(chǎn)氣量達(dá)114 mL。空心蓮子草的產(chǎn)氣曲線符合沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣的一般規(guī)律，即試驗(yàn)初期產(chǎn)氣較少，隨著發(fā)酵時(shí)間推移產(chǎn)氣量逐漸增加，達(dá)到峰值后，產(chǎn)氣量又逐漸下降。發(fā)酵第5天達(dá)到產(chǎn)氣高峰，最高產(chǎn)氣量為300 mL，這段發(fā)酵時(shí)期甲烷含量達(dá)65.74%，第12天甲烷含量最高達(dá)78.06%。第15 ～21天，沼氣含量總體呈下降趨勢，中間略有波動(dòng)，在70.86%～74.56%范圍變化，第22～27天，產(chǎn)氣量低于40 mL，沼氣含量較穩(wěn)定，含量在64.49%～68.84%。發(fā)酵體系的pH一直維持在沼氣發(fā)酵正常范圍內(nèi)，說明空心蓮子草是一種較好的沼氣發(fā)酵原料。

2.2 ?產(chǎn)氣速率分析

對整個(gè)試驗(yàn)過程中累積產(chǎn)氣量隨發(fā)酵時(shí)間的變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（表1）。空心蓮子草發(fā)酵產(chǎn)氣主要集中在第3～15天，從第3天的400 mL增加到第15天的2 500 mL。最快的產(chǎn)氣階段集中在第6～12天，從1 130 mL增加到2 300 mL。第3～12天產(chǎn)氣速率急速上升，到第15天時(shí)，產(chǎn)氣速率達(dá)到80%以上。若在實(shí)際的沼氣工程運(yùn)用中HRT一般設(shè)計(jì)為15 d。

2.3 ?發(fā)酵前后TS、VS、pH的統(tǒng)計(jì)分析

本試驗(yàn)對空心蓮子草發(fā)酵前后的TS、VS、pH進(jìn)行測定如表2所示。由表2可知，試驗(yàn)組和對照組的TS、VS在發(fā)酵前后均有所下降，但是對照組的TS、VS降解率極低。而試驗(yàn)組發(fā)酵前后的TS、VS均有明顯減少，TS降解率是對照組的6.24倍，而VS降解率是對照組的3.52倍，表明在沼氣發(fā)酵過程中，空心蓮子草的營養(yǎng)成分被微生物充分利用。

2.4 ?產(chǎn)氣潛力分析

通過空心蓮子草的TS和VS含量可以計(jì)算出原料的TS和VS產(chǎn)氣潛力及原料產(chǎn)氣潛力（表3）。由表3可知，對于空心蓮子草的TS和VS產(chǎn)氣潛力均超過300 mL/g，而原料產(chǎn)氣潛力為43 mL/g，空心蓮子草若進(jìn)行沼氣發(fā)酵，能源化潛力十分可觀。

2.5 ?不同發(fā)酵原料的產(chǎn)氣潛力分析

為進(jìn)一步評(píng)價(jià)空心蓮子草的產(chǎn)氣潛力，對發(fā)酵溫度30 ℃下各類植物性的發(fā)酵原料的發(fā)酵時(shí)間及TS產(chǎn)氣潛力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（表4）。與其他植物性原料相比，空心蓮子草的TS產(chǎn)氣潛力僅小于早熟禾、小飛蓬，主要因?yàn)槠涮欠趾康陀谝陨蟽煞N原料。但與其他結(jié)構(gòu)相似的植物性原料相比，空心蓮子草的TS產(chǎn)氣潛力均較高，是其他原料的1.05～5.91倍，同時(shí)空心蓮子草的發(fā)酵時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于其他植物性原料，若應(yīng)用于實(shí)際沼氣工程中，以空心蓮子草為原料，可減少投資成本，經(jīng)濟(jì)效益更高。

3 ?小結(jié)與討論

以空心蓮子草為發(fā)酵原料，30 ℃下進(jìn)行批量式沼氣發(fā)酵試驗(yàn)，試驗(yàn)組的產(chǎn)氣潛力為319 mL/（g·TS），403 mL/（g·VS）。整個(gè)發(fā)酵過程中發(fā)酵體系第2天出現(xiàn)酸化，但不需要外源物質(zhì)調(diào)節(jié)，發(fā)酵體系能夠很快恢復(fù)，并保持在正常的pH范圍。利用空心蓮子草為發(fā)酵原料是可行的，避免含水量高的原料出現(xiàn)體系酸化問題，發(fā)酵具有可行性，并且能源利用率較高。

空心蓮子草與其他植物性原料的產(chǎn)氣潛力進(jìn)行比較，在結(jié)構(gòu)相似的條件下，空心蓮子草具有發(fā)酵時(shí)間短、TS產(chǎn)氣潛力高的特點(diǎn)，所以將空心蓮子草用于實(shí)際沼氣工程中，HRT較短，發(fā)酵罐體積小，可以較少的投資成本獲得較高的能源轉(zhuǎn)化率，而沼氣發(fā)酵后的殘留物可作為優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥直接用作種植肥，物質(zhì)和能源得以循環(huán)，實(shí)現(xiàn)空心蓮子草的綜合利用。

4 ?我國空心蓮子草的應(yīng)用現(xiàn)狀

空心蓮子草作為我國的地區(qū)惡性雜草，目前針對其的防治與應(yīng)用已有研究。

4.1 ?防治方面

在防治方面，近年來調(diào)查空心蓮子草的天敵有10余種，常見的如蚜蟲、龜蝦、卷葉螟、夜蛾、燈蛾、蜻類、負(fù)蝗、蝸牛、蜻翰及一種炭疽葉斑病。對水稻田的空心蓮子草進(jìn)行藥劑防治的試驗(yàn)研究，采用丁草胺、除草醚、二甲四氯混合對照分析治理效果[2]。生物防治方面主要研究利用曲蚊葉甲對空心蓮子草的防治效果，研究結(jié)果表明該方法能有效控制空心蓮子草的過度生長，且曲蚊蟲對其他植物不會(huì)構(gòu)成威脅[15]。我國在利用微生物防除空心蓮子草方面也有進(jìn)展，目前已發(fā)現(xiàn)的對空心蓮子草有致病作用的有蓮子草假隔鏈格孢菌（Nimbya alternantherae），有學(xué)者對其生長和產(chǎn)孢進(jìn)行了研究[16]。

4.2 ?綜合利用

在綜合利用方面，目前的研究主要涉及污水治理、重金屬污染治理、飼料和用藥等方面。

采用空心蓮子草對富營養(yǎng)化水、城市生活污水及含有生活污水的工業(yè)廢水進(jìn)行凈化處理。結(jié)果顯示，在輕度富營養(yǎng)化水體中應(yīng)用可取得較好的凈化效果，空心蓮子草在低濃度污水中不僅有較高的耐污性，而且凈化效率非常顯著[17，18]。除廣泛應(yīng)用于富營養(yǎng)化和城市生活污水外，空心蓮子草還被用于有機(jī)廢水和抑藻試驗(yàn)等不同水體的治理。研究表明，空心蓮子草對有機(jī)廢水有較好的凈化效果，能有效降低COD和氮素含量，對懸浮物也有一定的去除效果，對藻類生長研究也發(fā)現(xiàn)空心蓮子草有明顯的抑藻效應(yīng)[19，20]。針對空心蓮子草在重金屬污染治理方面的研究表明，其對水體中的Na、Cu、Mg、Fe吸收富集能力較強(qiáng)，在土壤中表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐性和富集能力[21，22]。經(jīng)漚制的空心蓮子草還田能增加土壤養(yǎng)分，提高土壤肥力，而且檢測含鉀量是一般綠肥的2～4倍，含氮2.28%，含磷0.33%，比一般綠肥和等量氧化鉀均具有更好的增產(chǎn)作用[5]。我國一些地區(qū)利用空心蓮子草種植黑木耳，成本較低，經(jīng)濟(jì)效益高[23]。在藥用方面，對流行性出血熱病毒感染的乳鼠取得了顯著療效[24]。

5 ?發(fā)展前景及展望

目前，我國針對空心蓮子草的研究在污染治理方面取得了較好的效果，但空心蓮子草的繁殖能力極強(qiáng)，容易造成另一生態(tài)系統(tǒng)的破壞，所以解決這個(gè)問題需要開辟新的途徑。漚制的空心蓮子草能提高土壤肥力，但能源尚未得以充分利用。空心蓮子草用于沼氣發(fā)酵成本較低，沼氣發(fā)酵后的殘留物可作為優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥直接用作種植肥，物質(zhì)和能源得以循環(huán)，實(shí)現(xiàn)空心蓮子草的綜合利用。這為空心蓮子草處理及利用開辟了新徑，同時(shí)提供了實(shí)際應(yīng)用的理論依據(jù)。

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（責(zé)任編輯 ?韓 ?雪）

4.2 ?綜合利用

在綜合利用方面，目前的研究主要涉及污水治理、重金屬污染治理、飼料和用藥等方面。

采用空心蓮子草對富營養(yǎng)化水、城市生活污水及含有生活污水的工業(yè)廢水進(jìn)行凈化處理。結(jié)果顯示，在輕度富營養(yǎng)化水體中應(yīng)用可取得較好的凈化效果，空心蓮子草在低濃度污水中不僅有較高的耐污性，而且凈化效率非常顯著[17，18]。除廣泛應(yīng)用于富營養(yǎng)化和城市生活污水外，空心蓮子草還被用于有機(jī)廢水和抑藻試驗(yàn)等不同水體的治理。研究表明，空心蓮子草對有機(jī)廢水有較好的凈化效果，能有效降低COD和氮素含量，對懸浮物也有一定的去除效果，對藻類生長研究也發(fā)現(xiàn)空心蓮子草有明顯的抑藻效應(yīng)[19，20]。針對空心蓮子草在重金屬污染治理方面的研究表明，其對水體中的Na、Cu、Mg、Fe吸收富集能力較強(qiáng)，在土壤中表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐性和富集能力[21，22]。經(jīng)漚制的空心蓮子草還田能增加土壤養(yǎng)分，提高土壤肥力，而且檢測含鉀量是一般綠肥的2～4倍，含氮2.28%，含磷0.33%，比一般綠肥和等量氧化鉀均具有更好的增產(chǎn)作用[5]。我國一些地區(qū)利用空心蓮子草種植黑木耳，成本較低，經(jīng)濟(jì)效益高[23]。在藥用方面，對流行性出血熱病毒感染的乳鼠取得了顯著療效[24]。

5 ?發(fā)展前景及展望

目前，我國針對空心蓮子草的研究在污染治理方面取得了較好的效果，但空心蓮子草的繁殖能力極強(qiáng)，容易造成另一生態(tài)系統(tǒng)的破壞，所以解決這個(gè)問題需要開辟新的途徑。漚制的空心蓮子草能提高土壤肥力，但能源尚未得以充分利用。空心蓮子草用于沼氣發(fā)酵成本較低，沼氣發(fā)酵后的殘留物可作為優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥直接用作種植肥，物質(zhì)和能源得以循環(huán)，實(shí)現(xiàn)空心蓮子草的綜合利用。這為空心蓮子草處理及利用開辟了新徑，同時(shí)提供了實(shí)際應(yīng)用的理論依據(jù)。

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（責(zé)任編輯 ?韓 ?雪）

4.2 ?綜合利用

在綜合利用方面，目前的研究主要涉及污水治理、重金屬污染治理、飼料和用藥等方面。

采用空心蓮子草對富營養(yǎng)化水、城市生活污水及含有生活污水的工業(yè)廢水進(jìn)行凈化處理。結(jié)果顯示，在輕度富營養(yǎng)化水體中應(yīng)用可取得較好的凈化效果，空心蓮子草在低濃度污水中不僅有較高的耐污性，而且凈化效率非常顯著[17，18]。除廣泛應(yīng)用于富營養(yǎng)化和城市生活污水外，空心蓮子草還被用于有機(jī)廢水和抑藻試驗(yàn)等不同水體的治理。研究表明，空心蓮子草對有機(jī)廢水有較好的凈化效果，能有效降低COD和氮素含量，對懸浮物也有一定的去除效果，對藻類生長研究也發(fā)現(xiàn)空心蓮子草有明顯的抑藻效應(yīng)[19，20]。針對空心蓮子草在重金屬污染治理方面的研究表明，其對水體中的Na、Cu、Mg、Fe吸收富集能力較強(qiáng)，在土壤中表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐性和富集能力[21，22]。經(jīng)漚制的空心蓮子草還田能增加土壤養(yǎng)分，提高土壤肥力，而且檢測含鉀量是一般綠肥的2～4倍，含氮2.28%，含磷0.33%，比一般綠肥和等量氧化鉀均具有更好的增產(chǎn)作用[5]。我國一些地區(qū)利用空心蓮子草種植黑木耳，成本較低，經(jīng)濟(jì)效益高[23]。在藥用方面，對流行性出血熱病毒感染的乳鼠取得了顯著療效[24]。

5 ?發(fā)展前景及展望

目前，我國針對空心蓮子草的研究在污染治理方面取得了較好的效果，但空心蓮子草的繁殖能力極強(qiáng)，容易造成另一生態(tài)系統(tǒng)的破壞，所以解決這個(gè)問題需要開辟新的途徑。漚制的空心蓮子草能提高土壤肥力，但能源尚未得以充分利用。空心蓮子草用于沼氣發(fā)酵成本較低，沼氣發(fā)酵后的殘留物可作為優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥直接用作種植肥，物質(zhì)和能源得以循環(huán)，實(shí)現(xiàn)空心蓮子草的綜合利用。這為空心蓮子草處理及利用開辟了新徑，同時(shí)提供了實(shí)際應(yīng)用的理論依據(jù)。

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（責(zé)任編輯 ?韓 ?雪）