三種濕地植物產(chǎn)沼氣潛力及特性研究*

段汝麗，梁承月,2，王昌梅,2，趙興玲,2，吳 凱,2，楊 斌,2，尹 芳,2，柳 靜,2，楊 紅,2，張無敵,2,**，鄧成杰

(1.云南師范大學(xué)，云南 昆明 650500；2.云南省沼氣工程研究中心，云南 昆明 650500；3.云南云譽(yù)科技有限公司，云南 昆明 650217)

受人類生產(chǎn)生活的影響，農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)廢水和生活廢水中的 N、 P養(yǎng)分隨著地表徑流進(jìn)入湖泊、水庫以及河流，導(dǎo)致水內(nèi)的養(yǎng)分含量逐步升高。在《2019中國生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》中，對107個(gè)湖泊進(jìn)行了營養(yǎng)狀況監(jiān)測，其中62.6%的湖泊為中營養(yǎng)狀況，氨氮、總磷和COD仍然是主要污染物[1]。通過對130多個(gè)湖泊的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)非常嚴(yán)重的營養(yǎng)化問題，其中高營養(yǎng)化湖泊和中營養(yǎng)化湖泊占比分別為43.5%和45%[2]。目前，以活性污泥為主要原料的廢水治理方法耗能巨大，運(yùn)行和管理成本一直居高不下。而利用濕地植物，大部分都是以太陽能為能源，不需要任何化學(xué)物質(zhì)，完全可以循環(huán)使用[3]。濕地植被生長迅速，生物量大，能夠有效的吸收富集在水體中的污染因子，因此被廣泛用于污染水體的處理[4]。當(dāng)植物停止生長，它水質(zhì)凈化的能力就會下降。而植物的殘?bào)w中，蘊(yùn)含著大量的水份和有機(jī)物，如果不能及時(shí)收割，就會腐爛分解，造成二次污染。對濕地植物進(jìn)行修剪、收割，也會造成大量的植物殘骸[5]。植物收割后的生物質(zhì)資源化利用是目前困擾著我們的問題。

在現(xiàn)今的能源資源的國際大背景下，綠色能源的發(fā)展是不容忽視的。我國提出的雙碳目標(biāo)，標(biāo)志著傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)向綠色化的轉(zhuǎn)變趨勢。而生物質(zhì)能來源廣泛、成本低廉，還能減緩因大量化石能源消耗而帶來的全球性氣候問題，對生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定也有積極作用，有巨大的發(fā)展前景。利用沼氣發(fā)酵技術(shù)處理收割后的濕地植物，可以產(chǎn)生清潔能源，還能控制濕地植物過度生長和繁殖，減少植物腐爛和隨意堆放對生態(tài)環(huán)境的破壞，為進(jìn)一步推廣水體生物修復(fù)技術(shù)提供了便利，與畜禽糞便混合消化可以進(jìn)一步提高濕地植物的消化效率。

2018年9月，國務(wù)院統(tǒng)一部署開展第三次全國國土調(diào)查，調(diào)查結(jié)果顯示，我國濕地總面積2346.93萬公頃(35203.99萬畝)。云南省濕地總面積為56.35萬公頃[6]。在我國分布的內(nèi)陸淡水濕地類型在我省都有分布。而澄江撫仙湖一次全面收割清運(yùn)面積160畝，水生植物收割量有106余噸[7]。如果將收割后大量濕地植物運(yùn)用沼氣發(fā)酵進(jìn)行處理，不僅能產(chǎn)生清潔能源，緩解資源和能源問題，同時(shí)還能減輕植株殘?bào)w在水體中腐爛和任意堆放對環(huán)境的危害。

采用沼氣發(fā)酵技術(shù)對收獲植物殘骸進(jìn)行處理，可產(chǎn)生清潔能源，減輕目前的能源壓力，是一種很有前景的經(jīng)濟(jì)處理方式[8]。目前對于植物的厭氧發(fā)酵已有大量的研究，但研究最多的是蘆葦秸稈[9]，其他濕地植物的研究較少。濕地植被中富含可降解有機(jī)物，可供生物降解產(chǎn)生甲烷。利用濕地植物產(chǎn)生沼氣，優(yōu)點(diǎn)是：①濕地植物生長快，生物量大，能多次收獲，有機(jī)質(zhì)含量高，熱值和玉米秸稈相當(dāng)，是一種極具發(fā)展前景的生物沼氣發(fā)酵原料；②水體修復(fù)植物生長發(fā)育所需養(yǎng)分全部來自廢水中氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)，不需要投入額外的肥料等化學(xué)品。

宋雪紅等[10]對8種濕地植物的產(chǎn)沼氣潛力進(jìn)行了總結(jié)，香蒲(TyphaorientalisPresl)、香菇草(Hydrocotylevulgaris)、再力花(Thaliadealbata)、菖蒲(Acoruscalamus)、美人蕉(CannaindicaL.)、紫芋(ColocasiatonoimoNakai)和梭魚草(PontederiacordataL.)這7種濕地水生植物產(chǎn)氣率分別為513.23、539.09、577、508.95、555.05、629.41和 473.09 mL/g(VS)(參見表1)。馬來眼子菜(PotamogetonwrightiiMorong)和金魚藻(Ceratophyllumdemersum)等8種沉水植物中溫發(fā)酵時(shí)的產(chǎn)甲烷率在275～418 mL/g(VS)[11]。水葫蘆(Eichhorniacrassipes)、水盾草(Cabombacaroliniana)和槐葉萍(Salvinianatans)這三種浮水植物的產(chǎn)氣潛力分別是267、221和 155 mL/g(VS)[12]。董詩旭等[13]以滇池新鮮藍(lán)藻(Cyanobacteria)為消化底物，在平均溫度為 20.2 ℃ 的消化環(huán)境下，藍(lán)藻的產(chǎn)氣潛力為 491 mL/g(VS)。采用餐廚、糞便和蘆葦作為發(fā)酵劑，研究了餐廚添加量對混合沼氣發(fā)酵效果的影響，發(fā)現(xiàn)合理提高餐廚比例有利于提高產(chǎn)氣效果[14]。大量研究表明，濕地植物具有良好的產(chǎn)氣潛力，將其用于沼氣發(fā)酵是可行的，甚至某些濕地植物沼氣發(fā)酵時(shí)的產(chǎn)氣量高于一般農(nóng)作物秸稈[15]。因此，沼氣發(fā)酵可作為濕地植物資源化利用的一種方式。

表1 濕地植物厭氧消化的產(chǎn)沼氣潛力

本文在 35 ℃ 恒溫水浴的發(fā)酵環(huán)境條件下，以新鮮的蘆葦、睡蓮和菖蒲莖葉為發(fā)酵原料，采用實(shí)驗(yàn)室自制的 500 mL 批量式發(fā)酵裝置，探究這三種濕地植物的產(chǎn)沼氣潛力及產(chǎn)氣特性。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料與接種物

實(shí)驗(yàn)材料為取自云南師范大學(xué)呈貢校區(qū)內(nèi)的三種濕地植物：蘆葦、睡蓮和菖蒲。采集這些濕地植物的莖葉，用搗碎機(jī)將新鮮的樣品進(jìn)行打碎處理，備用。接種物為云南省沼氣工程中心馴化的活性污泥，總固體TS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.17%,VS質(zhì)量分?jǐn)?shù)(VS為總固體物質(zhì)中的有機(jī)固體物質(zhì))即有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為49.70%。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置為實(shí)驗(yàn)室自行研制的批量發(fā)酵裝置(如圖1所示)。主要由溫控插座、水浴鍋、發(fā)酵瓶和量氣筒組成。由溫控插座控制水浴鍋里的溫度。發(fā)酵瓶中產(chǎn)生的沼氣通過導(dǎo)氣管進(jìn)入量氣筒內(nèi)，產(chǎn)氣量就是產(chǎn)氣前后量氣筒內(nèi)水面的差值。

1.電熱恒溫水浴鍋；2.發(fā)酵瓶；3.橡膠塞；4.玻璃管；5.導(dǎo)氣管；6.取氣口；7.量氣筒。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)組設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)3個(gè)實(shí)驗(yàn)組和1個(gè)對照組，每組下設(shè)3個(gè)平行，單瓶配料。實(shí)驗(yàn)采用批量式厭氧發(fā)酵的方法，在恒溫水浴鍋中35±1 ℃ 進(jìn)行，總料液量為 400 mL。實(shí)驗(yàn)組1：將蘆葦莖葉打碎處理后加入 20 g，接種物 100 mL，加水至 400 mL；實(shí)驗(yàn)組2：將睡蓮莖葉打碎處理后加入 20 g，接種 100 mL，加水至 400 mL；實(shí)驗(yàn)組3：將菖蒲莖葉打碎處理后加入 20 g，接種物 100 mL，加水至 400 mL；對照組：加入接種物 100 mL，加水至 400 mL。發(fā)酵料液的配比如表2所示。

表2 發(fā)酵料液的配比

1.3 分析指標(biāo)及方法

1)日產(chǎn)氣量：采用排水法收集氣體，每天在特定時(shí)間記錄水面刻度差值；

2)總固體含量(TS)：將樣品在 105 ℃ 溫度下烘至恒重后計(jì)算[10]；

3)揮發(fā)性固體含量(VS)：將TS測定的總固體的恒重樣品置于 550 ℃ 條件下灼燒至恒重，得到灰分質(zhì)量后根據(jù)公式進(jìn)行計(jì)算[10]；

4)發(fā)酵物料的酸堿度(pH)：pH5.5～9.0精密試紙測定；

5)甲烷含量：氣相色譜儀(GC9700II)測定；

6)累積產(chǎn)氣量：排水集氣法，每天定時(shí)記錄排水量，為日產(chǎn)氣量的總和；

7)纖維素含量：纖維素測定儀測算；

8)蛋白質(zhì)含量：凱氏定氮儀測量；

9)脂肪含量：脂肪測定儀測算[10]。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物成分分析

三種濕地植物主要成分分析結(jié)果如表3所示，結(jié)果以干物質(zhì)(TS)含量計(jì)。

表3 三種濕地植物的主要成分

從表3看出，三種濕地植物含有的有機(jī)質(zhì)較多，能被沼氣發(fā)酵的相關(guān)微生物分解利用，但三種原料中的成分含量各有不同：

1)原料中VS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相差不大，TS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異較大。蘆葦?shù)腡S和VS質(zhì)量分?jǐn)?shù)在三者中最高，達(dá)到了54.18%和92.33%，而睡蓮和菖蒲的TS質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，分別為15.72%和11.30%，只有蘆葦TS質(zhì)量分?jǐn)?shù)的五分之一左右；睡蓮和菖蒲VS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達(dá)到了86.70%和82.42%，灰分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高；

2)三種發(fā)酵原料的脂肪和蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)均較高，分別為2.73%、2.10%、4.30%(TS)和9.88%、18.32%、17.88%(TS)，蘆葦?shù)牡鞍踪|(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低為9.88%(TS)，睡蓮的蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)是最高達(dá)到了18.32%(TS)，睡蓮的脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低為2.10%(TS)，菖蒲的脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高達(dá)4.30%(TS)。

3)纖維素是濕地植物中主要的組成物質(zhì)，其中半纖維素含量越高植物的產(chǎn)氣率越高，木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加則會使植物的產(chǎn)氣率下降。三種濕地植物的纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的大小順序依次為：蘆葦>菖蒲>睡蓮；半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異較大，大小順序依次為：蘆葦>菖蒲>睡蓮；木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化范圍在3.35%～10.15%(TS)之間，大小順序依次為：蘆葦>菖蒲>睡蓮。

2.2 產(chǎn)氣潛力和產(chǎn)氣特性的分析

2.2.1 日產(chǎn)氣量的分析

三種原料的日產(chǎn)氣情況見圖2。從圖2可以看出，各發(fā)酵原料的產(chǎn)氣情況各有不同，其中蘆葦?shù)姆逯翟?470 mL 左右，睡蓮的峰值在 270 mL 上下，菖蒲的產(chǎn)氣峰值只有 200 mL 左右。

圖2 日產(chǎn)氣量

三種植物中蘆葦?shù)漠a(chǎn)氣量最多，發(fā)酵產(chǎn)氣天數(shù)最多為 59 d，遠(yuǎn)超于其他兩種原料的產(chǎn)氣情況。蘆葦在第 6 d 達(dá)到第一個(gè)產(chǎn)期高峰，產(chǎn)氣量在 450 mL 左右，在第 8 d 產(chǎn)氣量降至第一個(gè)峰谷，產(chǎn)氣量在 230 mL 左右，經(jīng)過 7 d 的波動增長，在第 15 d 到達(dá)了第二個(gè)產(chǎn)氣高峰，產(chǎn)氣量在 470 mL 左右，而后整體成下降趨勢，直至產(chǎn)氣結(jié)束。睡蓮和菖蒲的產(chǎn)氣規(guī)律較為相似，日產(chǎn)氣量的整體變化趨勢情況類似。睡蓮和菖蒲的產(chǎn)氣天數(shù)為 25 d 左右，睡蓮在經(jīng)過第 2 d 的產(chǎn)氣高峰(產(chǎn)氣量在 280 mL 左右)后，在第 3 d 產(chǎn)氣量降至第一個(gè)峰谷(產(chǎn)氣量在 210 mL 左右)，在第5天產(chǎn)氣量略有提升，此后產(chǎn)氣量整體呈現(xiàn)下降趨勢。菖蒲在經(jīng)過第 2 d 的產(chǎn)氣高峰(產(chǎn)氣量在 210 mL 左右)后，在第 5 d 產(chǎn)氣量降至第一個(gè)峰谷(產(chǎn)氣量在 155 mL 左右)，在第 7 d 產(chǎn)氣量略有提升，此后產(chǎn)氣量整體呈現(xiàn)下降趨勢。蘆葦中有機(jī)質(zhì)的量是最多的，在發(fā)酵期間的產(chǎn)氣量也最多，發(fā)酵周期最長。

2.2.2 累積產(chǎn)氣量的對比

三種原料累積產(chǎn)氣結(jié)果如圖3所示。從圖3看出，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，所有實(shí)驗(yàn)組的產(chǎn)氣量都是不斷增長的，說明發(fā)酵瓶內(nèi)進(jìn)行著正常的沼氣發(fā)酵。三組中蘆葦?shù)睦鄯e產(chǎn)氣量最高，達(dá)到了 8367 mL。蘆葦組、睡蓮組和菖蒲組在沼氣發(fā)酵結(jié)束后的累積產(chǎn)氣量分別為 8367 mL、2182 mL 和 1686 mL。蘆葦、睡蓮和菖蒲的產(chǎn)氣量分別在第 25 d、10 d 和 10 d 就達(dá)到總產(chǎn)氣量的80%以上。

圖3 累積產(chǎn)氣量

選用的三種濕地植物中，蘆葦所含有機(jī)質(zhì)的量最多，使其沼氣發(fā)酵過程有充足的營養(yǎng)物質(zhì)，可用于厭氧菌的生物降解，發(fā)酵周期最長、產(chǎn)氣量最多。菖蒲的累積產(chǎn)氣量最低，三種濕地植物中菖蒲的木質(zhì)素較高，有機(jī)質(zhì)的量最少，導(dǎo)致其產(chǎn)氣量最低。

2.2.3 甲烷含量的對比

在整個(gè)過程中，每隔 3 d 測定一次沼氣中的甲烷體積分?jǐn)?shù)，直到實(shí)驗(yàn)組的產(chǎn)氣量低于 10 mL 以下為止。圖4顯示了3個(gè)實(shí)驗(yàn)組的甲烷體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化趨勢。

圖4 甲烷含量變化

從圖4看出，蘆葦、睡蓮和菖蒲三個(gè)組在發(fā)酵的第 3 d 氣體中的甲烷體積分?jǐn)?shù)均達(dá)到了30%以上；睡蓮組和菖蒲組在發(fā)酵的第6 d氣體中的甲烷體積分?jǐn)?shù)均在60%以上，第 6 d 之后這兩組氣體中的甲烷體積分?jǐn)?shù)一直在60%～70%間波動在發(fā)酵后期；實(shí)驗(yàn)的第 6 d，蘆葦組氣體中的沼氣體積分?jǐn)?shù)超過50%，隨后總體上呈現(xiàn)出上升的趨勢，到了后期，氣體中的甲烷體積分?jǐn)?shù)超過了60%。到發(fā)酵結(jié)束蘆葦、睡蓮和菖蒲的平均甲烷體積分?jǐn)?shù)達(dá)到了57%、60%和58%。

2.3 發(fā)酵前后發(fā)酵液的變化

發(fā)酵結(jié)束后料液pH值在7.0～7.5內(nèi)，這個(gè)范圍內(nèi)有利于產(chǎn)甲烷相關(guān)菌種的合成代謝，從而促進(jìn)碳水化合物和蛋白質(zhì)的水解和酸化過程。發(fā)酵前后料液的TS和VS的變化情況見表4。

發(fā)酵結(jié)束后，三種發(fā)酵原料的TS和VS都有所下降，睡蓮的TS降解率和VS降解率分別為18.11%和21.13%，比其他發(fā)酵原料兩種都高，蘆葦和菖蒲中較多的木質(zhì)纖維素的存在降低了這兩種原料的利用率。有機(jī)質(zhì)對濕地植物原料沼氣發(fā)酵的具體影響還有待進(jìn)一步探究。

表4 發(fā)酵前后料液TS和VS的變化

表4(續(xù))

2.4 不同原料的產(chǎn)氣潛力對比分析

蘆葦、睡蓮、菖蒲與其他植物發(fā)酵原料的產(chǎn)氣情況對比見表5。經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，利用濕地植物發(fā)酵產(chǎn)沼氣是可行的。蘆葦組、睡蓮組和菖蒲組在沼氣發(fā)酵結(jié)束后的累積產(chǎn)氣量分別為 8367 mL、2182 mL 和 1686 mL。蘆葦、睡蓮以及菖蒲的有機(jī)物質(zhì)組成各不同，使得它們的產(chǎn)氣特征呈現(xiàn)出明顯的差別，但是它們都具有良好的產(chǎn)氣潛能。蘆葦、睡蓮和菖蒲的產(chǎn)氣量分別在第 25 d、10 d和 10 d 就達(dá)到總產(chǎn)氣量的80%以上。三種濕地植物蘆葦?shù)挠袡C(jī)質(zhì)的量最多，累積產(chǎn)氣量最多，產(chǎn)氣率最高，產(chǎn)氣周期最長；睡蓮的有機(jī)質(zhì)的量略少于菖蒲的，受菖蒲中較多木質(zhì)素的影響，睡蓮的累積產(chǎn)氣量更多，但菖蒲的產(chǎn)氣率更高；到發(fā)酵過程結(jié)束蘆葦、睡蓮和菖蒲的平均甲烷體積分?jǐn)?shù)達(dá)到了57%、60%和58%，這三種濕地植物可以用于沼氣發(fā)酵。

表5 不同原料的產(chǎn)沼氣潛力及甲烷含量對比

1)之前沒有睡蓮沼氣發(fā)酵的相關(guān)研究，本次實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)睡蓮的產(chǎn)氣率和甲烷率都較高，產(chǎn)氣良好。

2)蘆葦和蘆葦?shù)漠a(chǎn)氣潛力比之前的研究中表現(xiàn)的更好，VS的產(chǎn)氣率是原來的幾倍。分析認(rèn)為可能是之前研究中實(shí)驗(yàn)采用的是3～5月的風(fēng)干原料，而本次實(shí)驗(yàn)原料的采樣時(shí)間在11月秋冬季節(jié)，原料新鮮，成熟期的蘆葦和菖蒲中已經(jīng)積累了大量的有機(jī)質(zhì)，產(chǎn)氣更好，蘆葦和菖蒲中積累的不同的有機(jī)質(zhì)含量也有所差異，更利于沼氣發(fā)酵。

3)蘆葦、睡蓮和菖蒲的產(chǎn)氣率在這幾種原料中處于中間偏上。原料產(chǎn)氣率：玉米秸稈>油菜秸稈>蘆葦>花卉秸稈>睡蓮>藍(lán)藻>菖蒲>蔬菜廢棄物；TS產(chǎn)氣率：蘆葦>花卉秸稈>藍(lán)藻>蔬菜廢棄物>菖蒲>睡蓮>油菜秸稈>玉米秸稈；VS產(chǎn)氣率：蘆葦>藍(lán)藻>菖蒲>花卉秸稈>睡蓮>蔬菜廢棄物。實(shí)驗(yàn)的蘆葦、睡蓮和菖蒲的平均甲烷在57%～60%，產(chǎn)氣良好。

3 結(jié)論

1)在35±1 ℃ 的條件下，蘆葦組、睡蓮組和菖蒲組的累積產(chǎn)氣量分別為 8367 mL、2182 mL 和 1686 mL，產(chǎn)氣量分別在第 25 d、10 d 和 10 d 就達(dá)到總產(chǎn)氣量的80%以上，平均甲烷體積分?jǐn)?shù)達(dá)到了57%、60%和58%；產(chǎn)沼氣潛力為蘆葦 32971 mL/g(VS)，睡蓮 1385 mL/g(VS)，1516 mL/g(VS)。

2)首次研究了睡蓮產(chǎn)沼氣潛力及特性，結(jié)果表明睡蓮的產(chǎn)氣率和甲烷率都較高，產(chǎn)氣良好，是較好的沼氣發(fā)酵原料。

3)與玉米秸稈、油菜秸稈、花卉秸稈、藍(lán)藻和蔬菜廢棄物這些沼氣發(fā)酵原料的發(fā)酵潛力進(jìn)行對比，蘆葦、睡蓮和菖蒲的各項(xiàng)產(chǎn)氣參數(shù)均處于中上水平，是較好的沼氣發(fā)酵原料。