全 文 ：第一作者:陈　彬 ,男 , 1970年生 ,博士研究生 ,研究员 ,研究方向为环境科学与工程。
＊厦门市科技局科技创新项目(No.3502z2001245)。
水葫芦厌氧发酵工程化应用研究＊
陈 彬1 , 2 赵由才1 曹伟华1 兰吉武1 王金坑2
(1.同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室 ,上海 200092;
2.国家海洋局第三海洋研究所 , 福建 厦门 361005)
　　摘要 在实验室进行了接种率 、破碎程度和温度等对水葫芦厌氧发酵产气率的影响研究。结果表明:水葫芦在中温 35 ℃下 ,
水葫芦和接种污泥的最佳接种率为 1∶1(总固体物质比),经简单切分后产气率最高 ,原料产气率为 0.540 m3/ d(以每千克固体含量
计 ,下同);高温消化与中温消化相比 ,产气率无明显优势。在实验室研究基础上 , 对中国农村地区原有的沼气发酵工艺进行适当的
改进,设计构建了 5 m3+15 m3(酸化池+产气池)两级反应池 , 该反应池在夏季常温条件下运行良好 , 80 d 的平均原料产气率达
0.305 m3/ d。
　　关键词 厌氧发酵 沼气 水葫芦
Research and application of anaerobic fermentation of water hyacinth　Chen Bin1 , 2 , Zhao Youcai 1 , Cao Weihua1 , Lan
J i wu1 , Wang J inkeng2 .(1.State Key Laboratory o f Pollution Control and Resource Reuse , Tong ji University ,
Shanghai 200092;2.Third Institute of Oceanography , State Oceanic Administration , X iamen F ujian 361005)
Abstract:　Serie s o f test runs w ere perfo rmed to de te rmine the effects o f ino culum dose , chopping size and tem-
pera tur e on bioga s production in sing le pha se anaerobic fermentation of wa te r hyacinth.Biogas production w as better
using the anaerobic sludge/ to ta l solids of chapped water hyacinth(TS)ratio o f 1∶1 and the 10 mm hyacinth piece s;
fermentation at 35 ℃ and 55 ℃ resulted in about the same amount o f bio ga s production.The maximum yield w as
0.540 m3/d.A conventiona l dig estion unit wa s conver ted fo r two-phase anaerobic fermentation of wa te r hyacinth with
two reacto rs o f 5 m3 and 15 m3 .The sy stem processed 71.4～ 250.0 kg o f chapped w ater hyacinth / day with a biog as
production ra te averaging 0.305 m3/ d during 80 day s of oper ation in the summer(22 ～ 30 ℃);the sy stem perfo rmed
the best with feeding(250 kg)eve ry o the r day.
Keywords:　Anaerobic fermentation Bio gas production Wa te r hyacinth
　　由于水葫芦本身的特性及其水体污染的日趋严
重 ,导致了水葫芦的疯长 ,而水葫芦爆发会导致严重
的社会 、经济和环境问题 。科学家们在研究中发现 ,
虽然水葫芦生长特别快 、抗性特别强 ,但当它们在受
控制的生态系统中时 ,这些特征就成了优点 ,可以利
用来净化水体 ,生产饲料 、食品 、肥料和提供能量等。
在水葫芦厌氧发酵制能方面 ,采用混合发酵和两相
发酵效果都很好[ 1] ,国内外有关学者在这方面进行
了不少的研究 ,如 KIVAISI 等[ 2] 研究了水葫芦在两
相瘤胃厌氧反应器的产气情况 , SRIVASTAVA [ 3]
研究了新鲜浆状水葫芦半连续厌氧消化产气情况 ,
S INGHAL 等[ 4] 研究了用于处理纸浆废水的水葫芦
的厌氧产气规律;国内周岳溪等[ 5-7] 研究了水葫芦在
实验室的厌氧两相消化产气规律。但以上研究基本
停留在实验室可控条件阶段 ,尚未考虑到实际的工
程应用。
　　本研究首先通过实验室小试确定水葫芦厌氧发
酵的工艺参数 ,在此基础上 ,对我国农村地区原有的
沼气发酵工艺进行适当的改进 ,进行水葫芦厌氧发
酵中试实验 ,为水葫芦厌氧发酵工程化应用研究提
供基础。
1　实验室小试
　　通过实验室研究 ,初步确定接种率 、温度和破碎
程度等基本工艺参数 ,为下一步的中试研究设计提
供基本参数。
1.1　材料和方法
1.1.1　恒温条件下水葫芦单相发酵实验
　　(1)原料 。实验用水葫芦取自上海市黄浦江上
游河段。收集后的水葫芦粉碎成浆液或简单切分后
放入冰箱冷冻保存 ,实验备用 。接种物为无锡市污
水处理厂的高效颗粒污泥 。
·455·
陈 彬等　水葫芦厌氧发酵工程化应用研究DOI:10.15985/j.cnki.1001-3865.2007.06.014
　　(2)实验装置。实验装置见图 1。反应器采用
500 mL 三角锥形瓶 ,置于恒温槽内 ,由自动温控仪
控制实验温度 。加入物料后密封反应 ,产生的气体
经过导气软管进入集气瓶 ,集气瓶预先装满水 ,气体
进入后 ,水通过导液软管排入量筒 ,由量筒确定排出
的液体量 ,即反应器厌氧反应产生的气体量。
图 1　实验装置
Fig.1　F low diag ram fo r the sing le phase fermenta tion runs
1—水浴锅;2—反应器;3—集气瓶;4—量筒;
5—导气软管;6—导液软管
　　(3)实验条件和方法 。实验研究了表 1 中 6种
反应条件下的产气性能。水葫芦的总固体物质
(TS)为 94.1%(质量分数),各组样品均加入新鲜水
葫芦 200 g 。
　　实验采用间歇式反应 ,持续时间为 83 d(因后期
产气量极少 ,故作图只到 53 d左右),直至各个反应
器的产气基本结束。期间每天测定产气量 ,不定时
测定反应器内发酵液的 pH 。
表 1　各样品实验条件
Table 1　Expe rimental conditions fo r the single phase
fermentation runs
反应条件 1 2 3 4 5 6
反应温度/ ℃ 35 35 35 35 35 55
破碎程度 粉碎 粉碎 粉碎 粉碎 简单切分 粉碎
接种率1) 1∶0 1∶1 1∶2 2∶1 1∶1 1∶1
　　注:1)接种率为水葫芦与接种污泥的 TS 比。
1.1.2　常温条件下两相消化实验
　　由于单相消化具有停留时间长 、运行稳定性较
差等缺点 ,所以进一步探讨了水葫芦的两相厌氧发
酵工艺。
　　(1)原料 。实验原料同上。
　　(2)实验装置和方法 。实验两相反应装置如图
2所示。第一相酸化相 ,反应器有效体积 1.5 L ,停
留时间 5 d ,每天进出料 300 mL。第二相甲烷相 ,有
效体积2.2 L ,停留11 d ,每天进出料200 mL。产生
的气体由排水法收集 ,其原理同上 。
图 2　两相反应装置
Fig.2　Diagram of experimental devices for two phase reaction
1.2　结果与讨论
1.2.1　恒温条件下水葫芦单相发酵实验结果
　　实验结果如表 2所示 。
　　(1)不同接种率对厌氧发酵产气的影响(考虑
相同反应温度下的影响 ,不计样品 6)。由图 3可知 ,
样品 1整个反应期间 ,产气量很少 ,没有明显的厌氧
反应阶段;样品 2和样品 5 一样 ,经过 5 d的酸化阶
段 ,进入产甲烷阶段 ,35 d后 ,基本发酵完毕 ,但样品
2最大产气量产生在第 20天 ,比样品 5迟 7 d ,总产
气量比样品 5略低。
　　整个反应期间 ,样品 5的产气量最大 ,平均池容
产气率达到0.310 m 3/(m 3 ·d)(以 35 d的有效产气
时间计),原料产气率为 0.540 m3/d(以每千克 TS
计 ,下同)。样品2的产气量也较大 ,说明样品2和
表 2　水葫芦单相厌氧发酵各样品产气量和 pH的变化
Table 2　pH and biogas production of the single phase fermentation runs
样品 1 2 3 4 5 6
产气量/mL 1 330 5 870 4 320 4 380 6 380 6 000
pH 5.38～ 6.27 6.59～ 8.46 6.95～ 8.68 6.06～ 8.32 6.78～ 8.31 6.09～ 8.28
pH 到达最低点时间/ d 10 5 6 6 5 11
图 3　不同接种率下产气量随时间的变化
Fig.3　Pro files o f biog as pr oduction in the sing le phase fermentation runs
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　环境污染与防治　第 29 卷　第 6 期　2007年 6月
图 4　不同温度条件下产气量随时间的变化
Fig.4　Pro files o f biog as pr oduction in sing le phase fermenta tion at 35 ℃ and 55 ℃
图 5　粉碎样与简单切分样产气量随时间的变化
Fig.5　Effect of w ater hyacinth size on bioga s production in sing le pha se fermentation
样品 5的接种率 1∶1较合适 ,微生物利用有机物较
充分 。
　　(2)不同温度对厌氧发酵产气的影响。图 4为
在接种率 1∶1条件下 ,35 、55 ℃两种温度对发酵的
影响 。55 ℃条件下 ,水葫芦酸化阶段长 、速度慢 、产
气低缓 ,且在 11 ～ 15 d 有一个产气停滞过程;但进
入甲烷化后 , pH 上升速度快 ,产气速率大 ,产气集
中且总量大。55 ℃总产气量比 35 ℃高 ,但增长不
明显 ,仅为 2.2%。
　　(3)不同破碎程度对厌氧发酵产气的影响。不
同破碎程度对水葫芦厌氧发酵产气的影响见图 5。
粉碎并没有加速整个反应的进行 ,产气率和总产气
量反而略有降低 ,由此可见 ,简单切分更有利于厌氧
发酵反应的进行。实验表明 ,水葫芦酸化反应与甲
烷化反应间存在平衡点 ,简单切分酸化速率较慢 ,酸
化反应与甲烷化反应达到更好的平衡 ,有利于反应
进行;此外 ,简单切分后孔隙较大 ,产气更易溢出 ,在
一定程度上促进了厌氧发酵反应的进行 。
1.2.2　常温条件下两相消化实验结果
　　两相反应的产气量见图 6 。产气量在第 3天有
个高峰期 ,主要是产酸相的产气所致。之后产酸相
产气量逐渐降低 ,而甲烷相产气量逐步升高 ,整体产
气量也逐步升高。在实验末期 ,发现甲烷相的产气
量占总产气量的 79%(体积分数)。观测的产气率
并不是很大 ,只有 0.11 L/d ,这与温度较低(23 ℃左
右)导致产气率较低有关 。
图 6　两相系统产气量变化
Fig.6　Biogas pr oduction pr ofiles of
the two-phase fermentation run
　　两相运行期间的 pH 变化见图 7。由图 7可知 ,
两相 pH 有明显的差别 ,随着反应进行 ,相分离的效
果更好 ,末期甲烷相在 7.0 ,而产酸相在 5.7 ,两相基
本得到了有效的分离。
图 7　两相系统 pH变化
Fig.7　pH profiles of the tw o-phase fermentation run
2　现场中试
2.1　工程选址
　　中试实验选址位于福建省龙海市九龙江南溪支
流 。该地区是典型的水葫芦受灾区 ,而且常年气温
较高 ,可以在常温下对水葫芦进行消化。
2.2　水葫芦厌氧发酵设备及工艺设计
　　发酵池池型采用圆形沼气池 。其池体容积考虑
到水葫芦纤维素含量高 ,水力停留时间会略长于猪粪
尿等一般农村发酵原料 ,设计规模比当地一般发酵池
·457·
陈 彬等　水葫芦厌氧发酵工程化应用研究
略大 ,主池有效容积约为 15 m3 。根据水葫芦具纤维
素含量高 、脱水难 、产酸快和流性差的特性 ,在主发酵
池前串联一小型的酸化池。酸化池池容可根据小试
实验中水葫芦的酸化时间一般为甲烷化时间的 1/6
～ 1/3 ,其池容取高值为产气池的 1/3 ,即5 m3 。
2.3　水葫芦厌氧反应池的运行
　　(1)原料 。中试所用水葫芦来自南溪支流。新
鲜水葫芦的含水率以 94.1%计 , TS 为 5.9%(质量
分数),挥发性固体(VS)为 4.3%。接种微生物取
自研究区内原有的农家沼气池发酵渣液 。
　　(2)试验方法 。①接种启动和试运行阶段。从
原沼气池出料间利用虹吸管把沼液虹吸到酸化池和
产气池中 ,接种渣液 3 d ,酸化池中的料液高度达一
半以上止 ,然后封盖。接种完全后将水葫芦破碎进
料 ,平均每天进料(新鲜水葫芦)约 125 kg(持续约 3
～ 4 d)。 ②中试试验阶段。在产气池产气基本稳定
后 ,投加破碎后的水葫芦以一定的梯度逐步提高有
机负荷 ,运行稳定后测量产气量 。进料频率开始为
每3 、4 d进料 1次 ,每次进料(新鲜水葫芦)约为250
kg 左右。中间阶段调整到每 2天进 1次 ,最后提高
到每天进 1次 ,整个中试阶段持续约 80 d。
　　(3)测试方法 。试验时不定期检测中间池和堆
沤池的 pH 、碱度和 COD 。其中 pH 采用 pH250A4
测量仪测定;碱度采用 0.1 mo l/L 盐酸滴定法;
COD采用重铬酸钾法;沼气量采用湿式气体流量计
测量 。
2.4　结果与讨论
2.4.1　中试实验整体产气情况
　　整体运行期间 ,除了开始 1 周左右产生的气体
没有接入气流计外 ,其余产生的气体都接入了气流
计。气流计出来的气体接入沼气灶都能作为燃料燃
烧 ,说明甲烷含量较高。由表 3可知 ,水葫芦适合于
厌氧消化 ,产气效果很好 ,基本与实验室的研究结果
一致 。
表 3　中试实验主要技术参数
Table 3　Summary o f the pilo t scale fe rmenta tion study
运行
天数
/ d
总产
气量
/m3
平均每天
产气量
/m3
平均每天
进料量
/ kg
平均原料
产气率1)
/(m 3· d-1)
平均原料
产气率2)
/(m3· d-1)
80 108.5 1.36 75 0.018 0.305
　　注:1)以每千克新鲜水葫芦计;2)以每千克 TS 计。
2.4.2　进料负荷对厌氧发酵的影响结果
　　由表 4可知 ,随着进料频率的增加 ,进料负荷提
高 ,原料产气率有下降趋势 。每 2天进 1次的平均
每天产气量和每 3 、4天进 1次的平均每天产气量差
不多。说明在产气量都较大的基础上 ,进料频率增
加到 2 d进 1次 ,处理的水葫芦量较多 ,对解决水葫
芦问题更有利。但是每天进 1次 ,则产气量下降 ,说
明超负荷运行。因此 ,每 2天进 1次料较为合适 ,此
时平均 VS 进料负荷在 1.07 kg/(m3 ·d)。
表 4　不同进料负荷条件下的实验结果
Table 4　Results of the pilot scale fermentation runs o f
different feeding frequency
进料频率/(d·次-1) 4～ 3 2 1
温度范围/ ℃ 30～ 27 28～ 25 25～ 22
平均进料/(k g· d-1) 71.4 124.1 250.0
平均 VS进料负荷
/(kg·m-3· d-1) 0.61 1.07 2.05
平均每天产气量/m3 2.30 2.26 1.80
平均原料产气率1)/(m3· d-1) 0.754 0.422 0.176
　　注:1)以每千克 VS计。
3　结　论
　　(1)水葫芦在中温 35 ℃下 ,最佳接种率为
1∶1;水葫芦经简单切分后产气效率最高 ,平均容积
产气率可达 0.310 m 3/(m 3 · d), 原料产气率为
0.540 m 3/d;高温条件总产气量比中温下略高 ,但无
明显差别;两相分离后系统稳定性良好 ,有利于整体
的厌氧消化 。
　　(2)在实验室研究基础上 ,设计构建了 5 m 3 +
15 m3(酸化池+产气池)两级反应池 ,该反应池在夏
季常温条件下运行良好 ,80 d 的平均原料产气率达
0.305 m3/d;进料频率在每 2天进 1次 ,每次 250.0
kg 新鲜水葫芦 ,产气和处理量都较佳 。
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责任编辑:贺锋萍　(修改稿收到日期:2007-01-22)
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　环境污染与防治　第 29 卷　第 6 期　2007年 6月