全 文 ：江苏农业学报(JiangsuJ.ofAgr.Sci.), 2008, 24(3):359～ 362
水葫芦厌氧发酵产沼气技术研究进展
何加骏 , 　严少华 , 　叶小梅 , 　常志州
(江苏省农业科学院 ,江苏 南京 210014)
收稿日期:2008-03-06
基金项目:江苏省科技厅太湖治理专项(BS2007117)
作者简介:何加骏(1957-),女 ,江苏南京人 ,副研究员 ,主要从事农业
生态研究。
通讯作者:常志州 , (Tel)025-84390238;(E-mail)chang02@jaas.ac.cn
　　摘要:　水葫芦是中国十大入侵生物之一 , 但由于它生长繁殖快 、水体净化能力强 , 如果加以合理利用 , 可以变
害为宝。本文综述了水葫芦能源化利用的研究进展 ,同时 , 指明了进一步研究方向与重点。
关键词:　水葫芦;厌氧发酵;沼气;
中图分类号:　S555+.5　　　文献标识码:　A　　　文章编号:　1000-4440(2008)03-0359-04
ProgressinAnaerobicDigestionofWaterHyacinths
HEJia-jun, 　YANShao-hua, 　YEXiao-mei, 　CHANGZhi-zhou
(JiangsuAcademyofAgriculturalSciences, Nanjing210014, China)
　　Abstract:　Waterhyacinthhasbeenknownasoneofthemostnoxiousweeds.Butitgrowsfastandhasagreatability
ofphytoremediationforpolutedwater.Ifutilizedreasonably, waterhyacinthcanbenefitenvironmentandhuman.Thestud-
iesinwhichwaterhyacinthwasusedasaresourcefortheproductionofbiogaswithanaerobicdigestionwerereviewed.Fur-
therresearchesonanaerobicdigestionofwaterhyacinthswerealsodiscussed.
Keywords:　waterhyacinth;anaerobicdigestion;biogas
　　水葫芦 ,又名凤眼莲 ,系雨久花科风眼莲属 ,为
多年生漂浮性草本植物。它原产于巴西或南美洲的
一些国家 ,由于它适应性强 ,繁殖快 ,极易破坏当地
的生态系统 ,被世界各国公认为最重要的生物入侵
物种之一[ 1] 。
然而 ,又因水葫芦具有极强水体污染修复能
力 [ 2] ,且自身养分含量高 ,干物质含氮量平均 2.5%
以上 ,且 C/N为 15∶1 ～ 25∶1,易于利用 ,因此 ,如能
对水葫芦进行合理利用 ,化弊为利 ,可使其发挥较好
的作用 。
归纳水葫芦的利用方式 ,主要有饲料化与肥料
化利用 [ 3] ,此外 ,可将水葫芦作为原料 ,用于造纸 ,
制作木板 、手工艺品和家具[ 4] ;又因水葫芦的蛋白
质 、氨基酸(包括人类生存所需又不能自身制造的 8
种氨基酸)、胡萝卜素 、总黄酮和微量元素等 [ 5]营养
成份十分丰富 ,可以将水葫芦用于生产饮料与食品;
此外 ,将水葫芦用于生防的制剂与食用菌基质等研
究[ 6, 7]也见报道 。近年来 ,随着世界石化能源危机
加剧 ,价格进一步提高 ,替代能源技术 ,特别是生物
能源技术研究成为世界各国十分重视的热点领域 ,
因水葫芦生长快 、生物量大 ,将其能源化利用 ,将显
现出巨大的市场潜力。
为提高中国水葫芦能源化利用水平 ,综述了近
二十年来国内外在水葫芦能源化方面研究成果 ,并
在此基础上提出了今后的研究方向 ,以供大家参考
与讨论。
1　水葫芦产气潜力
将水葫芦用作厌氧发酵原料产沼气最早可追溯
到上世纪的七十年代 ,国外 Hanisak[ 8]报道了水葫芦
产气潜力 ,此后 ,又有大量试验结果。由于众多研究
359
是在不同条件下进行 ,其水葫芦产气潜力相差较大 ,
以水葫芦为唯一底物 ,获得的产气潜力为 400 ml/g
VS(挥发性固体含量),同样以水葫芦为唯一底物 ,
其获得的产气潜力仅为 190 ml/gVS, Chanakya
等 [ 9]分别用鲜样与风干样水葫芦为底物 ,采用批次
方法 ,常温下 ,发酵 300 d,所获得的鲜样 、风干样产
气潜力分别为 291 ml/g、245 ml/gTS(总固体含
量), 348ml/g、292 ml/gVS。
中国四川成都食品公司水葫芦科研组[ 10] ,于
1979 ～ 1980年进行了水葫芦与秸秆产气潜力对比
研究 ,认为水葫芦产气潜力高于秸秆 ,可达 400ml/g
TS,查国君等 [ 11]报道水葫芦在 25 ℃恒温条件下 ,
其 TS产气潜力为 634 ml/g, VS产气潜力为 834
ml/g,新鲜原料产气潜力为 33.36ml/g。
Yukihiko[ 12]在水葫芦化学元素分析基础上 ,推
算出水葫芦化学结构为 C6H1206.8 ,依据水葫芦成份 ,
进一步推算出在厌氧条件下 ,水葫芦厌氧发酵产甲
烷与二氧化碳量分别为 14.8%、40.5%(质量比),
换算成质量体积比分别为 207.2 ml/g、206.2 ml/g,
理论产气(沼气)潜力为 413.4 ml/g,其中甲烷含量
为 50.1%。
2　水葫芦的预处理技术
Chanakya等 [ 9]研究发现 ,水葫芦虽然含有较高
的可发酵物质 ,具有较高的产气潜力 ,但因较高木素
质含量 ,影响了水葫芦的实际生物产气量 。此外 ,由
于水葫芦比重轻 ,含水量高 ,不仅使反应器中有机负
荷量调节困难 ,也由于它飘浮的特性 ,使反应器进出
料增加难度且易堵塞 ,即是将水葫芦切碎在传统的
批次反应器中仍然存在困难 [ 13] ,因此 ,水葫芦的预
处理技术尤为重要。
水葫芦切碎处理 ,可增加微生物接触底物 (水
葫芦)的比表面积 , 有利于提高产气[ 14] , Moorhead
等 [ 15]在中温条件下 ,研究了不同接种量以及氮水平
条件下 ,不同切碎长度对水葫芦产气的影响 ,当接种
量最大 (4.7∶10.0, 质量体积比)与 C/N比最小
(C/N为 15∶1)条件下 ,水葫芦切碎长度为 6.1 mm
时 ,分别较 1.6 mm与 12.7 mm长度的获得更高的
产气量 。
兰吉武等 [ 16]比较了简单切分与粉碎对水葫芦
产气率的影响 ,结果发现简单切分比粉碎可以获得
更高的产气量与产气率 ,分析其原因认为:水葫芦酸
化反应与甲烷化反应间存在一个平衡点 ,水葫芦粉
碎后粒度小 ,酸化速度过快 ,不利于酸化反应与产甲
烷反应之间的平衡;水葫芦简单切分后酸化速率较
慢 ,酸化反应与产甲烷反应达到了平衡 ,有利于反应
进行 。另一方面 ,水葫芦简单切分后孔隙率高 ,产气
更易溢出 , 在一定程度上促进了厌氧发酵反应的
进行 。
Patel等 [ 17]采用热化学方法 ,在 pH11、121℃条
件下处理 1h,以减轻木素质对纤维素与半纤维素生
物降解的影响 ,结果处理组产气效率与产气量较对
照提高了 60%;Ali等 [ 18]应用真菌或化学方法对水
葫芦进行预处理 ,也增加了水葫芦产气量。
在以水葫芦为底物的厌氧发酵试验中 ,一些金
属元素的添加 , 如:Fe3 +、 Zn2+、 Ni2+、 Co2 +和
Cu2+ ,不仅有利产气 ,提高产气量 ,还可以提高气体
中甲烷含量与系统运行的稳定性 [ 19] 。用来自电镀
厂铜污染水体中生长的水葫芦进行发酵试验 ,与未
污染水体中生长的水葫芦相比 ,可以获得更好的产
气量与甲烷含量 [ 20] ;用基于修复纸浆废水的水葫
芦作产气试验 ,其产气量也大于来自清洁水源的水
葫芦 [ 21] ;Geeta等 [ 22]报道在水葫芦厌氧发酵过程中
添加 Ni,同样可以增加水葫芦或水葫芦与奶牛粪便
混合的产气量;添加不同形态的硼化合物也起到促
进水葫芦中有机物降解 , 提高产气量的作用[ 23] 。
Patel等 [ 24]还试验了不同吸附材料对水葫芦产气效
率的影响 ,结果表明在厌氧反应器中添加一定量的
活性炭 、硅胶及铝粉等 ,均不同程度地提高了产气
率 ,同时还减少了出水中 COD(化学需氧量)、BOD
(生物需氧量)的量 。
将水葫芦与其它畜禽粪便或人粪尿混合发酵 ,
因粪便可以为水葫芦发酵提供更多微生物数量 ,更
丰富的生物多样性以及更多的养分 ,可增加水葫芦
的产气量与产气效率[ 25, 26] 。
3　厌氧发酵工艺
为了克服水葫芦易飘浮 、易堵塞进出料管道以
及进料困难 、产气效率低的缺点 ,许多研究者进行了
不同发酵工艺试验 , Annachhatre等 [ 27]用碱对水葫
芦进行预处理 ,结合细胞固定化技术 ,采用两相法 ,
即:酸化相与产甲烷相 ,获得了比批次工艺高得多的
产气效率 。
研究者开展了直接从水葫芦酸化过程中提取挥
360 江 苏 农 业 学 报 　2008年 第 24 卷 第 3期
发性脂肪酸(VFA),然后采用液体进料方式进行连
续发酵产沼气研究工作 [ 28, 29] 。Abbasi等 [ 28]将水葫
芦放在一个可连续搅拌的酸化反应器中 ,用部分畜
禽粪便作为接种物 ,让水葫芦进行发酵 ,将发酵产生
的挥发性有机酸引入 UAF(上流式厌氧滤池)反应
器中 ,用经驯化过的污泥作接种物 ,进行厌氧发酵 ,
产气量(VAF)为 0.38m3 /(kg· d),甲烷含量 60%。
Kivaisi等 [ 30]通过对有机负荷 、水力滞留时间以及对
酸化反应器中稀释度进行优化 ,酸化采用瘤胃式反
应器 ,厌氧反应采用 UASB(升流式厌氧污泥床)工
艺 ,结果水葫芦酸化过程中产生的有机酸 100%地
转化为沼气 。
Chanakya等[ 31]报道了一种酸化液部分回流到酸
化反应器中的方法 ,酸化相水葫芦按每周 1次半连续
添加 ,酸化处理后水葫芦残体由酸化反应器底部排出 ,
排出的残渣应用高效蚯蚓反应器进行处理 ,以此提高
产气效率与水葫芦的利用率。针对农村水压式沼气池
畜禽粪便来源短缺的问题 , Sankar等[ 32]设计了一种简
便的水葫芦产酸相反应器 ,把从酸化相中产生的 VFA
(挥发性有机酸)导入沼气池 ,该方法与以畜禽粪便为
唯一底物的对照池相比 ,产气量提高了 20%。Sharma
等[ 33]设计了一种批次式三相厌氧发酵工艺 ,即碱预处
理反应器 、酸化反应器与厌氧消化反应器;Ganesh
等[ 34]认为:在小型厌氧发酵装置上 ,可以采用一种更经
济 、更简便的方法 ,构建成水葫芦两相发酵反应器 ,并
指出可以用塑料桶 、带有龙头的塑料袋以及皮管等作
为获取水葫芦酸解液的反应器。
周岳溪等[ 35]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 ,试验结果表明 ,该工艺运行稳
定 ,平均产气量为 100 ml/g(鲜水葫芦),气体中甲
烷含量高达 73.3% ～ 83.4%。
陈彬等 [ 36]采用两相反应装置 ,在接种率 1∶1条
件下 ,比较了中温(35 ℃)与高温(55 ℃)两种温度
对水葫芦发酵的影响 , 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值上升速度快 ,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%。
4　今后的研究方向与重点
大量的试验表明 ,水葫芦在相对静止且营养丰
富的水体中 ,年生物量(干重)可达 750 t/hm2 ,如果
合理打捞与管理 , 年生物量 (干重)可达 13 500
t/hm2 ,如将水葫芦进行厌氧发酵产沼气 ,可获得理
论沼气量为 372 060 m3 /hm2 , 折能量为 1.6 ×109
cal,折标准煤 225 t,相当于种植 150 hm2油菜所获
得的生物柴油热值 ,可见 ,开发利用水葫芦作为能源
作物 ,潜力巨大 。
基于水葫芦物理与化学特性 ,综合国内外已有
的研究成果 ,作者认为应在以下几方面重点突破 ,一
是预处理技术 ,研究适当的脱水方法 ,以增加有机负
荷与沼液沼渣中养分含量;探索物理 、化学以及生物
相结合的预处理技术 ,改善水葫芦的物理性状与可
生化性 ,提高水葫芦的产气性能 。二是厌氧发酵工
艺 ,应以两相法工艺为重点 ,集成已有的 UASB(升
流式厌氧污泥床 )、ABR(厌氧折流板反应器 )、
CSTR(连续流搅拌槽式反应器)等工艺 ,进一步优化
工艺参数 ,获得更为高效的工艺技术 ,同时结合工艺
要求 ,研制配套的设备 ,以降低成本 ,提高投资效率。
三是共发酵技术 ,即研究以水葫芦为主要底物与畜
禽粪便 、人粪尿 、生活污泥 、农产品加工废弃物或能
源作物等共发酵技术。四是 “二步法 ”产能技术 ,即
研究将水葫芦产氢与产甲烷相结合的新型工艺技
术 ,充分挖掘水葫芦作为能源植物的产能潜力。五
是水葫芦沼液沼渣利用技术 ,研究沼液沼渣养分特
征 、农田安全使用定额与技术 ,研究沼液沼渣使用中
减少氮损失技术与途径 。六是水葫芦厌氧发酵生物
过程及控制技术 ,采用现代分子生物学手段 ,从基因
水平上研究厌氧发酵的微生物生态 ,全面认识水葫
芦两相法厌氧发酵微生物的群落结构 、适应机制和
演替规律 ,从整体上解析厌氧发酵微生物的代谢能
力;以高通量筛选技术和 “序列引导分离 ”技术为手
段 ,研究可培养和未培养功能微生物的生理学特征 、
生长限速因子 、营养需求及配伍适应性 ,为进一步的
技术攻关提供理论基础 。
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