全 文 ：水葫芦能源化利用研究进展
陈广银 , 郑　正 , 邹星星
(南京大学环境学院 /污染控制与资源化研究国家重点实验室 ,江苏南京 210093)
　　摘要:水葫芦能源化利用 ,可获得数量可观的生物质能。水葫芦对生长环境要求不高 , 生长迅速 , 将其用于
环境治理 、生态修复 、以及用作堆肥 、饲料等领域 ,符合经济可持续发展的要求。近年来水葫芦能源化利用主要集
中在水解和发酵 、炭化 、气化 、固化成型 、厌氧消化以及综合利用等方面 , 取得了一定进展 ,也存在一定问题。今后
将重点研究如何提高水葫芦能源化利用的效率以及拓展水葫芦的利用途径 ,提高水葫芦的环境友好性。
　　关键词:水葫芦;能源化;利用;研究进展
　　中图分类号:S555 +.509.9　　文献标志码:A　　文章编号:1002-1302(2008)03-0005-05
收稿日期:2007-12-03
基金项目:江苏省科技项目(编号:BS2007148)。
作者简介:陈广银(1981—),男 ,江苏盐城人 ,博士研究生 ,主要从事
固体废弃物处理与资源化利用研究。 E-mail:xzcf2004@ 163.
com。
通讯作者:郑　正 ,教授 ,博士生导师 , E-mail:zzheng@nju.edu.cn。
　　在化石能源渐趋枯竭的今天 ,能源紧张对全球
的影响日益突出 ,世界开始将目光聚集到新生能源
领域。在太阳能 、核能 、水能 、生物质能等诸多新能
源中 ,生物质能源是最安全 、最稳定的能源 ,也是目
前国家重点鼓励发展的新能源领域 [ 1] 。生物质是
指由光合作用而产生的有机体 ,光合作用将太阳能
转化为化学能而储存在生物质中。世界上生物质资
源庞大 ,种类繁多 ,它包括所有的陆生 、水生植物 ,人
类和动物的排泄物以及工业有机废物等 [ 2] 。
水葫芦 (EichhorniacrasipesSolm.),学名凤眼
莲 ,雨久花科 ,俗称布袋莲 、水荷花 、假水仙 ,原产地
巴西 、阿根廷和秘鲁等国 。水葫芦喜高温湿润 ,在
25 ～ 35 ℃下生长速度惊人 , 通常在 8个月内就能从
10棵增至 60万棵 , 是公认的生长最快的植物之一 。
20世纪 30年代水葫芦作为饲料从南亚传入我
国 [ 3] ,目前 ,我国南部 17个省市都存在严重的水葫
芦泛滥问题 ,水葫芦是世界十大害草之一 [ 4] 。水葫
芦能源化利用的研究始于 20世纪 90年代中期 ,发
展速度很快 。水葫芦能源化利用有三大好处:一是
来源广 。由于水葫芦适应力强 ,对生长环境的要求
不高 ,在世界很多地方都有分布 ,很多大中城市已被
水葫芦包围 ,将其能源化利用 ,可以实现能源的多样
化 。二是变废为宝。利用水葫芦生长迅速的特点处
理富营养化或富重金属的废水 ,不但处理了废水 ,还
可以提供数量可观的生物质能。三是可降低大气中
NOx和 CO2的排放量 ,有利于环境保护 ,在能源利
用的同时可实现 CO2的 “零排放 ”[ 5] 。
目前 ,有关水葫芦能源化方面的研究主要集中
在水解和发酵 、炭化 、气化 、固化成型以及厌氧消化
等方面 ,本文对国内外水葫芦能源化利用的现状做
一概述 ,并分析目前存在的不足及未来的发展方向。
1　水葫芦的特性
水葫芦含有丰富的营养成分 ,包括粗蛋白 、粗纤
维 、粗脂肪 、无氮浸出物以及许多氨基酸 、维生素 C、
胡萝卜素和多种微量元素 [ 6] 。水葫芦生长的环境
不同 ,所含的营养成分相差很大 。如在富营养化的
水体中生长的水葫芦氮 、磷含量较高 ,而在重金属污
染的水体中生长的水葫芦重金属含量较高。水葫芦
中常量元素 、微量元素及营养成分含量见表 1[ 7]和
表 2[ 8] 。
2　水葫芦能源化利用技术
目前水葫芦能源化技术可以分为水解和发酵 、
炭化 、气化 、固化成型以及厌氧消化等几种 ,每种技
术各有优缺点 ,下面分别加以阐述 。
2.1　水解和发酵
水解和发酵可以产生液体燃料 ,如乙醇 ,该技术
非常适合处理水分含量高的有机废物。水解和发酵
需要可供酵母发酵的糖类 ,而这些糖类在水葫芦中
的含量很低 ,因此须要对发酵原料进行一定的预处
理 ,使其中的糖类更加适合水解过程的需要。预处
理需要相对较高的温度 、浓酸以及耐压反应器 。水
解酶是可供选择的方法之一 , 但水葫芦较高的木质
—5—江苏农业科学　2008年第 3期DOI :10.15889/j.issn.1002-1302.2008.03.040
表 1　水葫芦常量元素 、微量元素含量
常量元素含量(%)
N P2O5 K2O S Ca Mg Fe Mn Na
微量元素含量(mg/kg)
Cu Zn Ni Cr
3.30 1.28 3.36 0.40 1.66 0.30 0.72 0.24 0.21 36.0 170 57.8 12.3
表 2　水葫芦的营养成分
样品
营养成分及含量(%)
水分 粗蛋白质 粗脂肪 粗纤维
无氮
浸出物 粗灰分
鲜样 93.9 1.20 0.20 1.10 2.30 1.30
干样 0 19.67 3.28 18.03 37.70 21.32
素含量影响了水解酶的作用。 Nigam[ 9]利用水葫芦
中的半纤维素乙酸水解产物生产乙醇 ,将水解后的
产物煮沸配合添加过量的石灰和亚硫酸钠处理可以
极大地提高乙醇的产率(提高 84.21%),但乙酸的
存在对乙醇生产有抑制作用。Mishima等[ 10]研究利
用水葫芦生产乙醇的可行性 ,结果表明利用水葫芦生
产乙醇的产量与其他农业废物生产乙醇的产量相当 ,
在发酵工艺充分优化后用水葫芦生产乙醇是完全可
行的 。Thomas等 [ 11]研究发现水解和发酵过程是一个
能量负平衡 ,认为只有在那些对乙醇燃料有较大需求
的地方将水葫芦水解制乙醇才具有可行性。
2.2　炭化
气化 、热裂解和炭化 3阶段的主要产物都是木
炭 ,其副产品气化气可作为工艺自身运行能源的补
充 。水葫芦炭化制木炭主要有两个问题:首先 ,水葫
芦较高的含水率 ,使水葫芦干化的成本很高;其次 ,
水葫芦干物质中灰分的含量较高 ,大约占 40%[ 10] ,
导致最终产品木炭的热值不高 ,直接影响了该技术
的推广应用 ,加之需要较高的投资及技术要求 ,使该
技术在发展中国家很难被接受 。
2.3　焚烧
有些地区将水葫芦晒干后直接焚烧 ,在土地比
较紧缺的地区这是处置水葫芦的有效方式 。新鲜的
水葫芦含水率在 90%左右[ 12] ,即使将水葫芦的含
水率降低到 10%,热值也不超过 1.3 GJ/m3 [ 10] ,与
木材的热值 9.8 GJ/m3相比 ,将水葫芦焚烧处理经
济上显然没有什么吸引力 。
2.4　固化成型技术
将晒干的水葫芦粉碎后过筛 ,经机械压缩制成
块状或球状的固体燃料 , Thomas等认为这是处理水
葫芦较可行的方式之一 [ 11] 。水葫芦压缩制成的固
化燃料的热值为 8.3 GJ/m3 ,与木炭 9.6 GJ/m3相
当。固化成型技术对原料的含水率有严格的要求 ,
一般要求在 10% ～ 15%[ 13] ,而水葫芦的含水率达
90%,需要较大的晾晒场地和较长的晾晒时间 ,且该
技术一次性投资较大 ,水葫芦的运输和晾晒都须要
投入大量的人力和财力 ,增加了该技术的处理成本。
2.5　气化
气化是在一定的热力学条件下 ,利用气化剂将
生物质中的碳氢化合物转化成含 CO和 H2等可燃
气体的过程。可燃气的主要成分有 H2 、CO和 CH4。
气化剂有空气 、氧气 、水蒸气 、水蒸气 -氧气混合气
等。吴志达等 [ 14]研究表明 ,以水蒸气作为气化剂比
空气能得到更多氢气的含量 ,可以通过改变两者的
比例来改变所得气体的组成;随着气化温度提高 ,
H2和 CO含量增加 ,产气率也有所提高;可燃气体
组成类似于石油热裂制气 ,其热值与水煤气相当。
水葫芦气化技术存在与固化成型 、炭化以及焚烧等
技术同样的问题 ,直接影响了水葫芦的能源化利用 ,
鉴于水葫芦较高含水率的特点 ,水葫芦厌氧消化产
气无疑是比较经济可行的方式。
2.6　厌氧消化
厌氧消化是处理有机固体废物常用的一种方
法 ,指在厌氧条件下利用多种(厌氧或兼性)微生物
的共同作用 ,使有机物分解产生可燃气 ,消化过程产
生的气体可直接用于烹饪 、照明 、发热以及发电等 ,
同时产生富含营养成分的沼液。将水葫芦厌氧消化
处理产气是近年来研究的热点 ,不但较好地解决了
水葫芦的出路问题 ,而且可以提供清洁的能源以及
优质的有机肥料 ,符合循环经济的要求 。根据所产
气体种类的不同可分为厌氧产氢和厌氧产沼气(主
要成分是甲烷)两大类。
2.6.1　厌氧产氢　厌氧发酵产氢是通过产氢发酵
细菌的生理代谢作用进行 ,通过对有机物的脱氢作
用 ,平衡氧化还原过程中的剩余电子 ,保证代谢过程
的顺利进行。产氢途径有丙酮酸脱羧作用产氢(在
丙酮酸脱氢酶和氢化酶的作用下重组)、甲酸裂解
产氢和辅酶 I(NADH或 NAD+)氧化还原平衡调节
作用产氢 [ 15] 。pH值是影响产氢效率的关键参数 ,
在厌氧发酵过程中 , pH值随反应过程中有机酸的生
—6— 江苏农业科学　2008年第 3期
成不断降低 ,破坏其原有的缓冲功能 。pH值应介于
5.0 ～ 6.0,不能太低。程军等[ 16]以沼气池污泥和水
葫芦为混合发酵底物 ,以活性污泥煮沸处理后扩大
培养的优势产氢菌株为接种物 ,研究其发酵产氢特
性及影响因素 ,试验表明 ,在沼气池污泥底物中必须
加入优势产氢菌株作接种物才能产生大量 H2;利用
水葫芦作发酵底物时必须预先剔除其富含重金属的
根部以防止对产氢细菌的抑制作用;水葫芦必须经
过酸碱和酶解等预处理才适于细菌发酵;发酵过程
中必须适当处理浮渣以便大量 H2能及时导出 ,否
则会抑制细菌的产氢代谢作用 ,导致产氢能力下降 。
由于水葫芦中木质纤维素含量较高 ,产氢菌可利用
的糖类含量很低 ,这给厌氧产氢增加了难度 。国内
外有关水葫芦厌氧产氢的报道还不多 ,如果能够采
取一定的预处理措施提高水葫芦中糖类的含量 ,水
葫芦厌氧产氢将有很好的发展前景。
2.6.2　厌氧产沼气　沼气发酵又称甲烷发酵 ,指在
一定温度 、湿度 、酸碱度以及厌氧条件下 ,有机物经
多种微生物(主要是产甲烷菌)作用下生产沼气 、消
化液和消化污泥 。沼气发酵中接种是非常重要的一
种技术 ,直接影响沼气的产生速度和产气量 ,对甲烷
的含量也有一定影响 。目前厌氧产沼气常用的接种
物为新鲜牛粪 、老沼气池的沼渣 、腐败河泥或城市污
水处理厂的消化污泥等 [ 17] 。水葫芦因较快的生长
繁殖速度 、较高的有机物含量和含水率 ,是厌氧发酵
很好的原料 。Matsumura[ 18]研究超临界水提取水葫
芦体内的有机物产气 , 但其价格比东京城市供气贵
1.86倍。兰吉武等 [ 19]对水葫芦厌氧发酵产气规律
进行了研究 ,结果表明 , 35 ℃与 55℃相同接种比例
条件下 , 55 ℃条件下产气量更大 ,产气速度明显加
快 ,但系统酸化阶段没有明显缩短;接种率为 1 ∶1
左右有利于反应的进行。 Srivastava[ 20]对新鲜水葫
芦的半连续厌氧消化过程的动力学进行了研究 ,发
现反应过程符合 Chen和 Hashimoto提出的动力学
模型。查国君等 [ 21]研究表明 ,在 25 ℃恒温条件下 ,
水葫芦的 TS(总固体)产气潜力为 634ml/g, VS(挥
发性固体)产气潜力为 834ml/g,新鲜原料产气潜力
为 33.36 ml/g。周岳溪等 [ 22]研究了厌氧固体产酸
相 -上流式折板生物膜产甲烷相组成的两相厌氧工
艺处理鲜水葫芦的运行特点及机理 ,结果表明 ,工艺
运行稳定 ,平均产气量为 100 L/kg鲜水葫芦 ,气体
中甲烷占 73.6% ～ 83.4%。
2.6.2.1　预处理　水葫芦含有较高含量的纤维素
和半纤维素 ,半纤维素与木质素相联结 ,影响微生物
的活动。为了提高沼气产率 ,提高水葫芦的利用率 ,
必须对水葫芦进行一定的预处理 。将水葫芦切碎可
以增加微生物与水葫芦的接触面积 ,加快反应速率 ,
提高水葫芦的产气率 [ 23] 。 Moorhead等 [ 24]在 35 ℃
条件下 ,对水葫芦厌氧发酵的研究结果表明 ,与粒径
为 1.6 mm和 12.7 mm的水葫芦碎片相比 ,粒径为
6.04 mm的水葫芦碎片的单位沼气总产量以及甲烷
产量最高 。Patel等[ 25]发现利用热化学方法将水葫
芦预处理后厌氧发酵可以提高沼气产量;酸浸泡预
处理可以将半纤维素与木质素分开 ,扩大微生物的
活动范围 ,提高微生物活性 ,从而提高沼气产量。陈
晓晔等[ 26]以水葫芦和餐厨垃圾为原料 ,研究稀酸浸
泡预处理水葫芦对产气的影响 ,发现 1.0% H2SO4
预处理后的水葫芦产甲烷量大于未经处理的水葫
芦 ,且系统启动期短 。周岳溪等 [ 27]研究认为 ,水葫
芦稀酸(1.0% H2SO4)预处理 -两相厌氧处置工艺
可以稳定进行水葫芦的处置 , 平均产气量为 134
L/kg鲜水葫芦 。 Patel等 [ 28] 发现添加重金属离子
Fe3+、Zn2+、Ni2 +、Co2+和 Cu2+可以增加沼气产量 ,
提高沼气中甲烷含量 ,且产气稳定性好 。由于水葫
芦对某些重金属具有一定的富集功能 ,因此 ,在废水
中生长的水葫芦可能已含有较高含量的重金属离
子 ,对沼气发酵有利。 Verma等 [ 29]利用处理电镀废
水的水葫芦生产沼气 ,结果表明用处理电镀废水的
水葫芦生产沼气 , 沼气产量更大 , 甲烷的含量也
更高 。
2.6.2.2　混合发酵　由于水葫芦中木质素和灰分
含量较高 ,将水葫芦与一些挥发性固体含量较高的
有机废物混合发酵 ,是提高水葫芦厌氧产沼气量的
有效方法之一。周岳溪等 [ 30]对水葫芦加猪粪两相
厌氧生物处置进行了研究 ,结果表明 , 1kg鲜水葫芦
平均产气量为 330 L,为水葫芦直接两相厌氧处理
的 3.4倍 ,气体中甲烷含量大大提高 ,达 74%左右。
El-Shinnawi等 [ 31]将稻秆 、玉米秸秆 、棉花秸秆和
水葫芦分别与猪粪混合后厌氧发酵产沼气 ,发现
1kg挥发性固体水葫芦的沼气产量较玉米秸秆和棉
花秸秆高 ,但 1 kg总固体水葫芦的产气量较其他农
业废物低 ,这与水葫芦较高的灰分含量有关 。
表 3列出了国内外一些文献报道的以水葫芦作
为主要产气底物的实验产气情况 。从表 3可以看
出 ,水葫芦具有较高的产沼气能力 ,可以与任何畜禽
粪便相媲美。沼气中主要含有 CH4 、CO2和 NH3 ,也
—7—陈广银等:水葫芦能源化利用研究进展
表 3　文献报道的以水葫芦作为主要反应底物的产气情况
文献来源 沼气产量
(L/g, DM) (L/g, VS)
停留时间
(d)
甲烷含量
(%) 底物
周岳溪等 [ 22] 0.100 — 73.6～ 83.4 57.8 水葫芦
周岳溪等 [ 27] 0.134 — 63 — 水葫芦
周岳溪等 [ 30] 0.330 — 63 74 水葫芦 +动物粪便
查国君等 [ 21] 0.634 0.834 — — 水葫芦
Patel等 [ 25] 0.190 0.293 8 62 ～ 66 水葫芦
Patel等 [ 28] 0.143 0.286 8 — 水葫芦
Moorhead等 [ 24] — 0.20～ 0.28 15～ 60 63 ～ 67 水葫芦
可能含有少量的 H2S。沼气中甲烷含量在 60%以
上 ,这主要与原料的特性有关 [ 32] ,温度 、pH值和停
留时间都可能影响沼气的组成 。
2.7　综合利用
在研究水葫芦能源化利用问题时应更多采用系
统论思想 ,将环境污染问题作为一个系统考虑 ,国内
外已有很多学者认识到这个问题。各种资源化利用
水葫芦的研究很多 ,如饲料 、污水处理 、装饰材料 、堆
肥和厌氧发酵等 ,但大都还停留在对水葫芦的处理
上 ,疏忽了对水葫芦的综合利用 。Singhal等 [ 33]研究
利用处理造纸废水后的水葫芦厌氧发酵产沼气的可
行性 ,发现用 20%废水稀释液放养的水葫芦厌氧发
酵 ,沼气的产量较在去离子水中生长的水葫芦要大 。
Verma等 [ 29]利用处理电镀废水的水葫芦生产沼气 ,
发现用处理电镀废水的水葫芦厌氧发酵沼气的产量
更大 ,甲烷的含量也更高。黄和等 [ 34]对标准胶加工
废水和氧化塘放养的水葫芦厌氧发酵制沼气进行了
研究 ,结果表明 ,水葫芦是一种良好的沼气发酵原
料 ,批量发酵沼气量 0.344L/gTS;常温下水葫芦预
发酵后与废水按 1∶3比例(以 COD计)混合连续发
酵 ,混合液 COD可产沼气 0.556 L/g,容积产气率达
1.78L/(L· d),为氧化塘放养的水葫芦提供了一
个有效的处理方法。莫斯科水处理研究所引种水葫
芦净化生活和工业污水的效果显著 ,该研究所试验
在污水池面放养水葫芦 ,不仅可以有效去除污水中
的铜 、铁 、磷 、硝酸盐和石油中的残留有机化合物 ,还
能杀灭污水中的所有病菌。用水葫芦处理过的畜 、
禽养殖场排出的污泥(水),还可养殖蚯蚓 ,使蚯蚓
的产量增加 2倍。而繁殖蚯蚓后的污泥又是一种高
效有机肥 ,最后将水葫芦厌氧发酵产沼气 ,实现了资
源的最大利用。
3　问题和展望
水葫芦能源化利用不但解决了水葫芦的出路问
题 ,还可以获得数量可观的清洁能源 ,是水葫芦资源
化利用的重要途径。目前 ,有关水葫芦能源化利用
的研究大都还停留在实验室阶段 ,规模还比较小。
由于水葫芦有含水率高 、挥发性固体含量低的特点 ,
使炭化 、焚烧 、气化和固化成型技术受到限制 。因为
水解和发酵制乙醇是一个能量负平衡的过程 ,该技
术在现阶段利用缺乏经济可行性 ,只有在一些对乙
醇燃料有较高需求的地区才可能小范围使用 。厌氧
消化是处理水分含量较高的有机废物的一种很好的
技术 ,但目前存在单位质量水葫芦产气量低 、产气过
程不稳定以及受环境影响较大的缺点 ,这方面的研
究也大都还停留在工艺研究上 ,对水葫芦厌氧消化
产气的机理研究还不够深入 。如何迅速降低水葫芦
的含水率 ,提高水葫芦的能源转化率 ,这是今后水葫
芦能源化利用需要解决的问题 。此外 ,对水葫芦进
行一定的物化或生化预处理 ,再进行厌氧消化也是
研究的方向。
水葫芦是大自然赐予人类的一种资源 ,如何充
分有效地利用这种资源 ,不仅能解决目前水葫芦泛
滥的危害 ,同时可以变废为宝。水葫芦能源化利用
只是水葫芦资源化利用的一个分支 ,也可作为其他
利用方式的上游 (畜禽饲料 、工业原料等)或下游
(污水处理)的一种补充 ,具体采取何种处理方式还
要结合当地的实际情况 ,因地制宜 ,充分发挥水葫芦
的资源特性。
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