段汝丽，梁承月,2，王昌梅,2，赵兴玲,2，吴 凯,2，杨 斌,2，尹 芳,2，柳 静,2，杨 红,2，张无敌,2,**，邓成杰
(1.云南师范大学，云南 昆明 650500；
2.云南省沼气工程研究中心，云南 昆明 650500；
3.云南云誉科技有限公司，云南 昆明 650217)
受人类生产生活的影响，农业用水、工业废水和生活废水中的 N、 P养分随着地表径流进入湖泊、水库以及河流，导致水内的养分含量逐步升高。在《2019中国生态环境状况公报》中，对107个湖泊进行了营养状况监测，其中62.6%的湖泊为中营养状况，氨氮、总磷和COD仍然是主要污染物[1]。通过对130多个湖泊的调查，发现了一个非常严重的营养化问题，其中高营养化湖泊和中营养化湖泊占比分别为43.5%和45%[2]。目前，以活性污泥为主要原料的废水治理方法耗能巨大，运行和管理成本一直居高不下。而利用湿地植物，大部分都是以太阳能为能源，不需要任何化学物质，完全可以循环使用[3]。湿地植被生长迅速，生物量大，能够有效的吸收富集在水体中的污染因子，因此被广泛用于污染水体的处理[4]。当植物停止生长，它水质净化的能力就会下降。而植物的残体中，蕴含着大量的水份和有机物，如果不能及时收割，就会腐烂分解，造成二次污染。对湿地植物进行修剪、收割，也会造成大量的植物残骸[5]。植物收割后的生物质资源化利用是目前困扰着我们的问题。
在现今的能源资源的国际大背景下，绿色能源的发展是不容忽视的。我国提出的双碳目标，标志着传统产业向绿色化的转变趋势。而生物质能来源广泛、成本低廉，还能减缓因大量化石能源消耗而带来的全球性气候问题，对生态环境的稳定也有积极作用，有巨大的发展前景。利用沼气发酵技术处理收割后的湿地植物，可以产生清洁能源，还能控制湿地植物过度生长和繁殖，减少植物腐烂和随意堆放对生态环境的破坏，为进一步推广水体生物修复技术提供了便利，与畜禽粪便混合消化可以进一步提高湿地植物的消化效率。
2018年9月，国务院统一部署开展第三次全国国土调查，调查结果显示，我国湿地总面积2346.93万公顷(35203.99万亩)。云南省湿地总面积为56.35万公顷[6]。在我国分布的内陆淡水湿地类型在我省都有分布。而澄江抚仙湖一次全面收割清运面积160亩，水生植物收割量有106余吨[7]。如果将收割后大量湿地植物运用沼气发酵进行处理，不仅能产生清洁能源，缓解资源和能源问题，同时还能减轻植株残体在水体中腐烂和任意堆放对环境的危害。
采用沼气发酵技术对收获植物残骸进行处理，可产生清洁能源，减轻目前的能源压力，是一种很有前景的经济处理方式[8]。目前对于植物的厌氧发酵已有大量的研究，但研究最多的是芦苇秸秆[9]，其他湿地植物的研究较少。湿地植被中富含可降解有机物，可供生物降解产生甲烷。利用湿地植物产生沼气，优点是：①湿地植物生长快，生物量大，能多次收获，有机质含量高，热值和玉米秸秆相当，是一种极具发展前景的生物沼气发酵原料；
②水体修复植物生长发育所需养分全部来自废水中氮磷等营养物质，不需要投入额外的肥料等化学品。
宋雪红等[10]对8种湿地植物的产沼气潜力进行了总结，香蒲(TyphaorientalisPresl)、香菇草(Hydrocotylevulgaris)、再力花(Thaliadealbata)、菖蒲(Acoruscalamus)、美人蕉(CannaindicaL.)、紫芋(ColocasiatonoimoNakai)和梭鱼草(PontederiacordataL.)这7种湿地水生植物产气率分别为513.23、539.09、577、508.95、555.05、629.41和 473.09 mL/g(VS)(参见表1)。马来眼子菜(PotamogetonwrightiiMorong)和金鱼藻(Ceratophyllumdemersum)等8种沉水植物中温发酵时的产甲烷率在275～418 mL/g(VS)[11]。水葫芦(Eichhorniacrassipes)、水盾草(Cabombacaroliniana)和槐叶萍(Salvinianatans)这三种浮水植物的产气潜力分别是267、221和 155 mL/g(VS)[12]。董诗旭等[13]以滇池新鲜蓝藻(Cyanobacteria)为消化底物，在平均温度为 20.2 ℃ 的消化环境下，蓝藻的产气潜力为 491 mL/g(VS)。采用餐厨、粪便和芦苇作为发酵剂，研究了餐厨添加量对混合沼气发酵效果的影响，发现合理提高餐厨比例有利于提高产气效果[14]。大量研究表明，湿地植物具有良好的产气潜力，将其用于沼气发酵是可行的，甚至某些湿地植物沼气发酵时的产气量高于一般农作物秸秆[15]。因此，沼气发酵可作为湿地植物资源化利用的一种方式。
表1 湿地植物厌氧消化的产沼气潜力
本文在 35 ℃ 恒温水浴的发酵环境条件下，以新鲜的芦苇、睡莲和菖蒲茎叶为发酵原料，采用实验室自制的 500 mL 批量式发酵装置，探究这三种湿地植物的产沼气潜力及产气特性。
1.1 实验原料与接种物
实验材料为取自云南师范大学呈贡校区内的三种湿地植物：芦苇、睡莲和菖蒲。采集这些湿地植物的茎叶，用捣碎机将新鲜的样品进行打碎处理，备用。接种物为云南省沼气工程中心驯化的活性污泥，总固体TS质量分数为13.17%,VS质量分数(VS为总固体物质中的有机固体物质)即有机质的质量分数为49.70%。
1.2 实验设计
1.2.1 实验装置
实验系统装置为实验室自行研制的批量发酵装置(如图1所示)。主要由温控插座、水浴锅、发酵瓶和量气筒组成。由温控插座控制水浴锅里的温度。发酵瓶中产生的沼气通过导气管进入量气筒内，产气量就是产气前后量气筒内水面的差值。
1.电热恒温水浴锅；
2.发酵瓶；
3.橡胶塞；
4.玻璃管；
5.导气管；
6.取气口；
7.量气筒。
1.2.2 实验组设计
本实验设计3个实验组和1个对照组，每组下设3个平行，单瓶配料。实验采用批量式厌氧发酵的方法，在恒温水浴锅中35±1 ℃ 进行，总料液量为 400 mL。实验组1：将芦苇茎叶打碎处理后加入 20 g，接种物 100 mL，加水至 400 mL；
实验组2：将睡莲茎叶打碎处理后加入 20 g，接种 100 mL，加水至 400 mL；
实验组3：将菖蒲茎叶打碎处理后加入 20 g，接种物 100 mL，加水至 400 mL；
对照组：加入接种物 100 mL，加水至 400 mL。发酵料液的配比如表2所示。
表2 发酵料液的配比
1.3 分析指标及方法
1)日产气量：采用排水法收集气体，每天在特定时间记录水面刻度差值；
2)总固体含量(TS)：将样品在 105 ℃ 温度下烘至恒重后计算[10]；
3)挥发性固体含量(VS)：将TS测定的总固体的恒重样品置于 550 ℃ 条件下灼烧至恒重，得到灰分质量后根据公式进行计算[10]；
4)发酵物料的酸碱度(pH)：pH5.5～9.0精密试纸测定；
5)甲烷含量：气相色谱仪(GC9700II)测定；
6)累积产气量：排水集气法，每天定时记录排水量，为日产气量的总和；
7)纤维素含量：纤维素测定仪测算；
8)蛋白质含量：凯氏定氮仪测量；
9)脂肪含量：脂肪测定仪测算[10]。
2.1 植物成分分析
三种湿地植物主要成分分析结果如表3所示，结果以干物质(TS)含量计。
表3 三种湿地植物的主要成分
从表3看出，三种湿地植物含有的有机质较多，能被沼气发酵的相关微生物分解利用，但三种原料中的成分含量各有不同：
1)原料中VS的质量分数相差不大，TS的质量分数差异较大。芦苇的TS和VS质量分数在三者中最高，达到了54.18%和92.33%，而睡莲和菖蒲的TS质量分数较低，分别为15.72%和11.30%，只有芦苇TS质量分数的五分之一左右；
睡莲和菖蒲VS的质量分数分别达到了86.70%和82.42%，灰分的质量分数较高；
2)三种发酵原料的脂肪和蛋白质量分数均较高，分别为2.73%、2.10%、4.30%(TS)和9.88%、18.32%、17.88%(TS)，芦苇的蛋白质质量分数最低为9.88%(TS)，睡莲的蛋白质量分数是最高达到了18.32%(TS)，睡莲的脂肪质量分数最低为2.10%(TS)，菖蒲的脂肪质量分数最高达4.30%(TS)。
3)纤维素是湿地植物中主要的组成物质，其中半纤维素含量越高植物的产气率越高，木质素质量分数的增加则会使植物的产气率下降。三种湿地植物的纤维素质量分数的大小顺序依次为：芦苇>菖蒲>睡莲；
半纤维素质量分数的差异较大，大小顺序依次为：芦苇>菖蒲>睡莲；
木质素质量分数的变化范围在3.35%～10.15%(TS)之间，大小顺序依次为：芦苇>菖蒲>睡莲。
2.2 产气潜力和产气特性的分析
2.2.1 日产气量的分析
三种原料的日产气情况见图2。从图2可以看出，各发酵原料的产气情况各有不同，其中芦苇的峰值在 470 mL 左右，睡莲的峰值在 270 mL 上下，菖蒲的产气峰值只有 200 mL 左右。
图2 日产气量
三种植物中芦苇的产气量最多，发酵产气天数最多为 59 d，远超于其他两种原料的产气情况。芦苇在第 6 d 达到第一个产期高峰，产气量在 450 mL 左右，在第 8 d 产气量降至第一个峰谷，产气量在 230 mL 左右，经过 7 d 的波动增长，在第 15 d 到达了第二个产气高峰，产气量在 470 mL 左右，而后整体成下降趋势，直至产气结束。睡莲和菖蒲的产气规律较为相似，日产气量的整体变化趋势情况类似。睡莲和菖蒲的产气天数为 25 d 左右，睡莲在经过第 2 d 的产气高峰(产气量在 280 mL 左右)后，在第 3 d 产气量降至第一个峰谷(产气量在 210 mL 左右)，在第5天产气量略有提升，此后产气量整体呈现下降趋势。菖蒲在经过第 2 d 的产气高峰(产气量在 210 mL 左右)后，在第 5 d 产气量降至第一个峰谷(产气量在 155 mL 左右)，在第 7 d 产气量略有提升，此后产气量整体呈现下降趋势。芦苇中有机质的量是最多的，在发酵期间的产气量也最多，发酵周期最长。
2.2.2 累积产气量的对比
三种原料累积产气结果如图3所示。从图3看出，整个实验过程中，所有实验组的产气量都是不断增长的，说明发酵瓶内进行着正常的沼气发酵。三组中芦苇的累积产气量最高，达到了 8367 mL。芦苇组、睡莲组和菖蒲组在沼气发酵结束后的累积产气量分别为 8367 mL、2182 mL 和 1686 mL。芦苇、睡莲和菖蒲的产气量分别在第 25 d、10 d 和 10 d 就达到总产气量的80%以上。
图3 累积产气量
选用的三种湿地植物中，芦苇所含有机质的量最多，使其沼气发酵过程有充足的营养物质，可用于厌氧菌的生物降解，发酵周期最长、产气量最多。菖蒲的累积产气量最低，三种湿地植物中菖蒲的木质素较高，有机质的量最少，导致其产气量最低。
2.2.3 甲烷含量的对比
在整个过程中，每隔 3 d 测定一次沼气中的甲烷体积分数，直到实验组的产气量低于 10 mL 以下为止。图4显示了3个实验组的甲烷体积分数随时间的变化趋势。
图4 甲烷含量变化
从图4看出，芦苇、睡莲和菖蒲三个组在发酵的第 3 d 气体中的甲烷体积分数均达到了30%以上；
睡莲组和菖蒲组在发酵的第6 d气体中的甲烷体积分数均在60%以上，第 6 d 之后这两组气体中的甲烷体积分数一直在60%～70%间波动在发酵后期；
实验的第 6 d，芦苇组气体中的沼气体积分数超过50%，随后总体上呈现出上升的趋势，到了后期，气体中的甲烷体积分数超过了60%。到发酵结束芦苇、睡莲和菖蒲的平均甲烷体积分数达到了57%、60%和58%。
2.3 发酵前后发酵液的变化
发酵结束后料液pH值在7.0～7.5内，这个范围内有利于产甲烷相关菌种的合成代谢，从而促进碳水化合物和蛋白质的水解和酸化过程。发酵前后料液的TS和VS的变化情况见表4。
发酵结束后，三种发酵原料的TS和VS都有所下降，睡莲的TS降解率和VS降解率分别为18.11%和21.13%，比其他发酵原料两种都高，芦苇和菖蒲中较多的木质纤维素的存在降低了这两种原料的利用率。有机质对湿地植物原料沼气发酵的具体影响还有待进一步探究。
表4 发酵前后料液TS和VS的变化
表4(续)
2.4 不同原料的产气潜力对比分析
芦苇、睡莲、菖蒲与其他植物发酵原料的产气情况对比见表5。经过对比发现，利用湿地植物发酵产沼气是可行的。芦苇组、睡莲组和菖蒲组在沼气发酵结束后的累积产气量分别为 8367 mL、2182 mL 和 1686 mL。芦苇、睡莲以及菖蒲的有机物质组成各不同，使得它们的产气特征呈现出明显的差别，但是它们都具有良好的产气潜能。芦苇、睡莲和菖蒲的产气量分别在第 25 d、10 d和 10 d 就达到总产气量的80%以上。三种湿地植物芦苇的有机质的量最多，累积产气量最多，产气率最高，产气周期最长；
睡莲的有机质的量略少于菖蒲的，受菖蒲中较多木质素的影响，睡莲的累积产气量更多，但菖蒲的产气率更高；
到发酵过程结束芦苇、睡莲和菖蒲的平均甲烷体积分数达到了57%、60%和58%，这三种湿地植物可以用于沼气发酵。
表5 不同原料的产沼气潜力及甲烷含量对比
1)之前没有睡莲沼气发酵的相关研究，本次实验中发现睡莲的产气率和甲烷率都较高，产气良好。
2)芦苇和芦苇的产气潜力比之前的研究中表现的更好，VS的产气率是原来的几倍。分析认为可能是之前研究中实验采用的是3～5月的风干原料，而本次实验原料的采样时间在11月秋冬季节，原料新鲜，成熟期的芦苇和菖蒲中已经积累了大量的有机质，产气更好，芦苇和菖蒲中积累的不同的有机质含量也有所差异，更利于沼气发酵。
3)芦苇、睡莲和菖蒲的产气率在这几种原料中处于中间偏上。原料产气率：玉米秸秆>油菜秸秆>芦苇>花卉秸秆>睡莲>蓝藻>菖蒲>蔬菜废弃物；
TS产气率：芦苇>花卉秸秆>蓝藻>蔬菜废弃物>菖蒲>睡莲>油菜秸秆>玉米秸秆；
VS产气率：芦苇>蓝藻>菖蒲>花卉秸秆>睡莲>蔬菜废弃物。实验的芦苇、睡莲和菖蒲的平均甲烷在57%～60%，产气良好。
1)在35±1 ℃ 的条件下，芦苇组、睡莲组和菖蒲组的累积产气量分别为 8367 mL、2182 mL 和 1686 mL，产气量分别在第 25 d、10 d 和 10 d 就达到总产气量的80%以上，平均甲烷体积分数达到了57%、60%和58%；
产沼气潜力为芦苇 32971 mL/g(VS)，睡莲 1385 mL/g(VS)，1516 mL/g(VS)。
2)首次研究了睡莲产沼气潜力及特性，结果表明睡莲的产气率和甲烷率都较高，产气良好，是较好的沼气发酵原料。
3)与玉米秸秆、油菜秸秆、花卉秸秆、蓝藻和蔬菜废弃物这些沼气发酵原料的发酵潜力进行对比，芦苇、睡莲和菖蒲的各项产气参数均处于中上水平，是较好的沼气发酵原料。
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