空心莲子草厌氧消化产沼气潜力及应用研究

张莉娟+张无敌+尹芳+赵兴玲+柳静+许玲+刘士清+陈玉保+杨红

摘要：设计对照组（120 mL接种物）和试验组（120 mL接种物+71 g空心莲子草），采用全混合批量式发酵模式，在中温30 ℃的条件下，进行沼气发酵试验，研究空心莲子草（Alternanthera philoxeroides Griseb.）的产沼气潜力。结果表明，试验组的沼气发酵历时27 d，净产气量为3 080 mL。由试验结果计算得出，空心莲子草的TS产气潜力为319 mL/g，VS产气潜力为403 mL/g。

关键词：空心莲子草（Alternanthera philoxeroides Griseb.）;厌氧消化;产气潜力;应用前景

中图分类号：S216.4        文献标识码：A        文章编号：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

空心莲子草（Alternanthera philoxeroides Griseb.）又名喜旱莲子草，是苋科（Amaranthaceae） 莲子草属（Alternanthera）多年生宿根草本植物。原产于巴西，现已遍及澳洲、美洲、亚洲及非洲的许多国家和地区。空心莲子草于20世纪30年代末引入我国，最初在上海郊区种植作为饲料，随后引入我国长江流域及南方各省。空心莲子草的生命力和适应性极强，能适应水生和陆生环境，生长繁殖极快，加之人为引种促进其滋生蔓延。20世纪80年代以来，该草成为我国许多地区的恶性杂草[1-3]。空心莲子草具有较强的抗酸碱能力，目前对空心莲子草的防治采用生物法，对其应用主要涉及富营养化、污水及重金属处理等方面[4]，采用堆沤处理的空心莲子草还田可增加土壤养分，提高土壤肥力。经测定空心莲子草的腐殖化系数为0.18，与等量钾相比，空心莲子草供钾更好，可达到增产的效果[5]。

目前对空心莲子草的应用尚不充分，本试验对空心莲子草的产气潜力进行了研究，为后续空心莲子草的处理及利用提供了一种新型途径，为杂草应用及治理提供了新方法。

1  材料与方法

1.1  试验材料

发酵原料为空心莲子草植株，采自校园花坛，经测定TS（总固体含量）为13.59%，VS（挥发性固体含量）为79.28%，pH 6.5。将取自实验室的牛粪作为原料富集的接种物，测定TS为8.61%，VS为70.34%，pH 7.5。

1.2  试验装置

沼气发酵的试验装置如图1所示，该装置由发酵瓶、集气瓶、体积计量瓶以及温控系统等组成。发酵瓶为500 mL广口瓶，用带玻璃导管的橡皮塞封口;集气瓶采用500 mL下口三角瓶，用带玻璃三通的橡皮塞封口;体积计量瓶采用500 mL广口瓶，发酵瓶、集气瓶和体积计量瓶通过乳胶管连接。温控系统由温控仪（XMT-121型）、热电偶（WCZT-10型）、交流接触器（CJT1-10型）、循环水泵（AP1200型）、电热管及铁制水槽组成。

1.3  方法

1.3.1  原料预处理  将空心莲子草清理后切碎成长度短于2 cm的小段，以便与接种物充分混合均匀。

1.3.2  试验方法  试验分别设试验组和对照组，设计5%发酵液浓度，设3个平行重复试验。为保证试验的一致性，进行单瓶配制，料液配比如下。试验组：称量71 g空心莲子草，量取120 mL接种物，加入去离子水补足至400 mL;对照组：量取120 mL接种物，加去离子水补足至400 mL。采用全混合批式发酵模式，中温30 ℃下厌氧发酵。

1.3.3  测试项目及方法

1）总固体含量（TS）、挥发性固体含量（VS）采用常规分析法[6，7]，测定原料接种物，以及发酵前后料液的TS、VS。TS的测定：在（105±5） ℃的电热恒温干燥箱（202型）中烘干至恒重，利用TS计算公式[7]求出TS;VS的测定：在（550±20） ℃箱形电阻炉（SX2-2.5-12型）中灼烧至恒重，利用VS计算公式[7]求出VS。

2）pH的测定。采用测定范围5.5～9.0精密pH试纸测定原料、接种物以及发酵前后料液的pH。

3）产气量测定。采用排水集气法测定，试验启动后，每天定时记录各组的产气量，以各组3个平行的平均产气量作为各组的表征产气量。同时采用火焰颜色比色卡法[8]，根据火焰颜色和气相色谱仪（GC-6890A）确定气体中的甲烷含量。

2  结果与分析

试验统计了5% TS浓度条件下发酵液每天的产气量，对产气速率进行计算，对发酵液前后的TS、VS、pH进行测定，最终得到空心莲子草的产气潜力。

2.1  产气情况分析

每天记录空心莲子草的产气量，得出产气量、甲烷含量与发酵时间的规律如图2所示。由图2可知，对于5%发酵浓度试验组，整个沼气发酵历时27 d，日产气量达114 mL。空心莲子草的产气曲线符合沼气发酵产气的一般规律，即试验初期产气较少，随着发酵时间推移产气量逐渐增加，达到峰值后，产气量又逐渐下降。发酵第5天达到产气高峰，最高产气量为300 mL，这段发酵时期甲烷含量达65.74%，第12天甲烷含量最高达78.06%。第15 ～21天，沼气含量总体呈下降趋势，中间略有波动，在70.86%～74.56%范围变化，第22～27天，产气量低于40 mL，沼气含量较稳定，含量在64.49%～68.84%。发酵体系的pH一直维持在沼气发酵正常范围内，说明空心莲子草是一种较好的沼气发酵原料。

2.2  产气速率分析

对整个试验过程中累积产气量随发酵时间的变化进行统计（表1）。空心莲子草发酵产气主要集中在第3～15天，从第3天的400 mL增加到第15天的2 500 mL。最快的产气阶段集中在第6～12天，从1 130 mL增加到2 300 mL。第3～12天产气速率急速上升，到第15天时，产气速率达到80%以上。若在实际的沼气工程运用中HRT一般设计为15 d。

2.3  发酵前后TS、VS、pH的统计分析

本试验对空心莲子草发酵前后的TS、VS、pH进行测定如表2所示。由表2可知，试验组和对照组的TS、VS在发酵前后均有所下降，但是对照组的TS、VS降解率极低。而试验组发酵前后的TS、VS均有明显减少，TS降解率是对照组的6.24倍，而VS降解率是对照组的3.52倍，表明在沼气发酵过程中，空心莲子草的营养成分被微生物充分利用。

2.4  产气潜力分析

通过空心莲子草的TS和VS含量可以计算出原料的TS和VS产气潜力及原料产气潜力（表3）。由表3可知，对于空心莲子草的TS和VS产气潜力均超过300 mL/g，而原料产气潜力为43 mL/g，空心莲子草若进行沼气发酵，能源化潜力十分可观。

2.5  不同发酵原料的产气潜力分析

为进一步评价空心莲子草的产气潜力，对发酵温度30 ℃下各类植物性的发酵原料的发酵时间及TS产气潜力进行统计（表4）。与其他植物性原料相比，空心莲子草的TS产气潜力仅小于早熟禾、小飞蓬，主要因为其糖分含量低于以上两种原料。但与其他结构相似的植物性原料相比，空心莲子草的TS产气潜力均较高，是其他原料的1.05～5.91倍，同时空心莲子草的发酵时间远远短于其他植物性原料，若应用于实际沼气工程中，以空心莲子草为原料，可减少投资成本，经济效益更高。

3  小结与讨论

以空心莲子草为发酵原料，30 ℃下进行批量式沼气发酵试验，试验组的产气潜力为319 mL/（g·TS），403 mL/（g·VS）。整个发酵过程中发酵体系第2天出现酸化，但不需要外源物质调节，发酵体系能够很快恢复，并保持在正常的pH范围。利用空心莲子草为发酵原料是可行的，避免含水量高的原料出现体系酸化问题，发酵具有可行性，并且能源利用率较高。

空心莲子草与其他植物性原料的产气潜力进行比较，在结构相似的条件下，空心莲子草具有发酵时间短、TS产气潜力高的特点，所以将空心莲子草用于实际沼气工程中，HRT较短，发酵罐体积小，可以较少的投资成本获得较高的能源转化率，而沼气发酵后的残留物可作为优质的有机肥直接用作种植肥，物质和能源得以循环，实现空心莲子草的综合利用。

4  我国空心莲子草的应用现状

空心莲子草作为我国的地区恶性杂草，目前针对其的防治与应用已有研究。

4.1  防治方面

在防治方面，近年来调查空心莲子草的天敌有10余种，常见的如蚜虫、龟虾、卷叶螟、夜蛾、灯蛾、蜻类、负蝗、蜗牛、蜻翰及一种炭疽叶斑病。对水稻田的空心莲子草进行药剂防治的试验研究，采用丁草胺、除草醚、二甲四氯混合对照分析治理效果[2]。生物防治方面主要研究利用曲蚊叶甲对空心莲子草的防治效果，研究结果表明该方法能有效控制空心莲子草的过度生长，且曲蚊虫对其他植物不会构成威胁[15]。我国在利用微生物防除空心莲子草方面也有进展，目前已发现的对空心莲子草有致病作用的有莲子草假隔链格孢菌（Nimbya alternantherae），有学者对其生长和产孢进行了研究[16]。

4.2  综合利用

在综合利用方面，目前的研究主要涉及污水治理、重金属污染治理、饲料和用药等方面。

采用空心莲子草对富营养化水、城市生活污水及含有生活污水的工业废水进行净化处理。结果显示，在轻度富营养化水体中应用可取得较好的净化效果，空心莲子草在低浓度污水中不仅有较高的耐污性，而且净化效率非常显著[17，18]。除广泛应用于富营养化和城市生活污水外，空心莲子草还被用于有机废水和抑藻试验等不同水体的治理。研究表明，空心莲子草对有机废水有较好的净化效果，能有效降低COD和氮素含量，对悬浮物也有一定的去除效果，对藻类生长研究也发现空心莲子草有明显的抑藻效应[19，20]。针对空心莲子草在重金属污染治理方面的研究表明，其对水体中的Na、Cu、Mg、Fe吸收富集能力较强，在土壤中表现出较强的耐性和富集能力[21，22]。经沤制的空心莲子草还田能增加土壤养分，提高土壤肥力，而且检测含钾量是一般绿肥的2～4倍，含氮2.28%，含磷0.33%，比一般绿肥和等量氧化钾均具有更好的增产作用[5]。我国一些地区利用空心莲子草种植黑木耳，成本较低，经济效益高[23]。在药用方面，对流行性出血热病毒感染的乳鼠取得了显著疗效[24]。

5  发展前景及展望

目前，我国针对空心莲子草的研究在污染治理方面取得了较好的效果，但空心莲子草的繁殖能力极强，容易造成另一生态系统的破坏，所以解决这个问题需要开辟新的途径。沤制的空心莲子草能提高土壤肥力，但能源尚未得以充分利用。空心莲子草用于沼气发酵成本较低，沼气发酵后的残留物可作为优质的有机肥直接用作种植肥，物质和能源得以循环，实现空心莲子草的综合利用。这为空心莲子草处理及利用开辟了新径，同时提供了实际应用的理论依据。

参考文献：

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（责任编辑  韩  雪）

4.2  综合利用

在综合利用方面，目前的研究主要涉及污水治理、重金属污染治理、饲料和用药等方面。

采用空心莲子草对富营养化水、城市生活污水及含有生活污水的工业废水进行净化处理。结果显示，在轻度富营养化水体中应用可取得较好的净化效果，空心莲子草在低浓度污水中不仅有较高的耐污性，而且净化效率非常显著[17，18]。除广泛应用于富营养化和城市生活污水外，空心莲子草还被用于有机废水和抑藻试验等不同水体的治理。研究表明，空心莲子草对有机废水有较好的净化效果，能有效降低COD和氮素含量，对悬浮物也有一定的去除效果，对藻类生长研究也发现空心莲子草有明显的抑藻效应[19，20]。针对空心莲子草在重金属污染治理方面的研究表明，其对水体中的Na、Cu、Mg、Fe吸收富集能力较强，在土壤中表现出较强的耐性和富集能力[21，22]。经沤制的空心莲子草还田能增加土壤养分，提高土壤肥力，而且检测含钾量是一般绿肥的2～4倍，含氮2.28%，含磷0.33%，比一般绿肥和等量氧化钾均具有更好的增产作用[5]。我国一些地区利用空心莲子草种植黑木耳，成本较低，经济效益高[23]。在药用方面，对流行性出血热病毒感染的乳鼠取得了显著疗效[24]。

5  发展前景及展望

目前，我国针对空心莲子草的研究在污染治理方面取得了较好的效果，但空心莲子草的繁殖能力极强，容易造成另一生态系统的破坏，所以解决这个问题需要开辟新的途径。沤制的空心莲子草能提高土壤肥力，但能源尚未得以充分利用。空心莲子草用于沼气发酵成本较低，沼气发酵后的残留物可作为优质的有机肥直接用作种植肥，物质和能源得以循环，实现空心莲子草的综合利用。这为空心莲子草处理及利用开辟了新径，同时提供了实际应用的理论依据。

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（责任编辑  韩  雪）

4.2  综合利用

在综合利用方面，目前的研究主要涉及污水治理、重金属污染治理、饲料和用药等方面。

采用空心莲子草对富营养化水、城市生活污水及含有生活污水的工业废水进行净化处理。结果显示，在轻度富营养化水体中应用可取得较好的净化效果，空心莲子草在低浓度污水中不仅有较高的耐污性，而且净化效率非常显著[17，18]。除广泛应用于富营养化和城市生活污水外，空心莲子草还被用于有机废水和抑藻试验等不同水体的治理。研究表明，空心莲子草对有机废水有较好的净化效果，能有效降低COD和氮素含量，对悬浮物也有一定的去除效果，对藻类生长研究也发现空心莲子草有明显的抑藻效应[19，20]。针对空心莲子草在重金属污染治理方面的研究表明，其对水体中的Na、Cu、Mg、Fe吸收富集能力较强，在土壤中表现出较强的耐性和富集能力[21，22]。经沤制的空心莲子草还田能增加土壤养分，提高土壤肥力，而且检测含钾量是一般绿肥的2～4倍，含氮2.28%，含磷0.33%，比一般绿肥和等量氧化钾均具有更好的增产作用[5]。我国一些地区利用空心莲子草种植黑木耳，成本较低，经济效益高[23]。在药用方面，对流行性出血热病毒感染的乳鼠取得了显著疗效[24]。

5  发展前景及展望

目前，我国针对空心莲子草的研究在污染治理方面取得了较好的效果，但空心莲子草的繁殖能力极强，容易造成另一生态系统的破坏，所以解决这个问题需要开辟新的途径。沤制的空心莲子草能提高土壤肥力，但能源尚未得以充分利用。空心莲子草用于沼气发酵成本较低，沼气发酵后的残留物可作为优质的有机肥直接用作种植肥，物质和能源得以循环，实现空心莲子草的综合利用。这为空心莲子草处理及利用开辟了新径，同时提供了实际应用的理论依据。

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（责任编辑  韩  雪）