湿地水生植物水葫芦的资源化利用研究

41 卷 7 期
张映兰等 湿地水生植物水葫芦的资源化利用研究
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以进行无 性 繁 殖 和 有 性 繁 殖。无 性 繁 殖 通 过 匍 匐 茎 增 殖。 在允许的条件下，植株平均每 5 d 分蘖 1 棵新株，成几何级数 增长。经计算，1 株水葫芦每年经过繁殖可达到 1． 4 亿株，可 以铺满 140 hm2 的水面，鲜质量可达 28 000 t［11］。故在宽阔 水域，若不加强管理，及时打捞，水葫芦易泛滥成灾。水葫芦 惊人的繁殖能力和生长速度有弊亦有利，利在于它提供了大 量的生物资源。如此充足的原材料供应，足以进行工业化生
安徽农业科学，Journal of Anhui Agri． Sci． 2013，41（ 7） ： 3092 － 3095
责任编辑 宋平 责任校对 卢瑶
湿地水生植物水葫芦的资源化利用研究
张映兰，邓玉诚，张无敌，赵兴玲* ，尹芳，邓春芳，吴红林，朱妤婷，张宝杰 （ 云南师范大学，云南昆明 650092）
3． 1． 1 气体燃料。
鲜牛粪、老沼气池的沼渣、腐败河泥或城市污水处理厂的硝
3． 1． 1． 1 厌氧产氢。厌氧发酵有机物制氢是通过厌氧微生 化污泥等［15］。水葫芦有机质丰富，但含水量高，通过采用合
物将有机物降解制取氢气。通过产氢发酵细菌的生理代谢 适的处理工艺是适宜厌氧发酵的。水葫芦厌氧发酵技术也
目前，全球发现的湿地高等植物多达 6 700 余种，而已被 用于处理湿地且产生效果的不过几十种，很多植物还未试用 过［4］。人工湿地水生植物的选择主要考虑以下几个方面： ① 耐污能力强、去污效果好； ②适合当地环境； ③根系发达程
基金项目 作者简介
收稿日期
国家科技计划课题( 2010BAD03B01) ; 云南省科技条件平台 建设项目( 2010DH012) 。 张映兰( 1972 － ) ，女，云南丽江人，工程师，从事湿地保护工 作。* 通讯作者，助理研究员，硕士，从事生物质能开发与 利用，E-mail: zhaoxingling2004@ 163． com。 2013-03-08
3． 1 燃料 水葫芦作为生物质燃料的制备原料是较为常见 发酵。在一定的水分、温度、pH、有机物浓度、厌氧条件下，有
的资源化利用方式，又根据其制备的燃料的物理性质不同， 机物被各种微生物分解代谢，在代谢过程中，产甲烷菌获得
分为气体燃料、固体燃料和液体燃料。
能量和物质，产生甲烷。目前厌氧产沼气常用的接种物有新
Resource Utilization of Water Hyacinth as A Kind of Aquatic Plants in Wetland ZHANG Ying-lan et al ( Yunnan Normal University，Kunming，Yunnan 650092) Abstract As a kind of aquatic plants cultivated in wetland，water hyacinth is ideal for dealing with eutrophicating and heavy metal-rich waste water． It can purify domestic and industrial sewage obviously for its rapid growth and greatly enrichment capability． Meanwhile，water hyacinth is good and huge biomass resource for energy，fertilizer and feed production，etc． By means of sewage purification and raw materials used for production，we can achieve the energy recovery and resources utilization recurrently of water hyacinth． Key words Water hyacinth; Constructed wetlands; Resources utilization
对有机物脱氢，同时平衡氧化还原过程中的剩余电子，保证 是许多学者研究的热点。其发酵工艺由最初的单相发酵转
代谢过程的顺利进行［12］。由于水葫芦中糖类含量不高，所 变为两相发酵、三相发酵。虽然解决了水葫芦含水量高，池
以产氢效率不高。如果能够采取一定的预处理措施提高水 容产气率低，易结壳和进出料困难等问题，但仍存在发酵工
氢菌株作接种物才能产生大量氢气，但水葫芦富含纤维素、 了发酵工艺，并且实现了水葫芦的有效利用、能源回收和资
糖类含量低，阻碍了产氢。并且发酵细菌对底物的分解不Βιβλιοθήκη Baidu 源循环，易于产业化运作。其试验结果表明，水葫芦固液分
底，需要进一步处理，提高原料转化效率［14］。所以厌氧产氢 离后，水葫芦汁用于厌氧发酵产气良好，且工艺简单，无需预
葫芦中糖类含量，水葫芦厌氧产氢将有很好的发展前景［13］。 艺复杂，操作繁琐，酸化时间长，占地面积大和投资高的弊
程军等以沼气池污泥和水葫芦为混合物发酵底物研究厌氧 端。而查国君等提出的固液分离水葫芦，将汁和渣分别进行
产氢特性，结果表明，必须在沼气池污泥底物中加入优势产 厌氧发酵，沼渣、沼液作为有机肥还田的研究思路，不仅简化
摘要 水葫芦用作湿地水生植物人工种植，其生长繁殖迅速，富集能力强，非常适合处理富营养化和富含重金属的废水，对生活和工业 污水净化效果显著。同时，水葫芦还是优质、充足的生物质资源，可将其用于能源、肥料、饲料生产等方面。水葫芦从环境治污到成为生 产原料，实现了能源回收和资源的循环利用。 关键词 水葫芦; 人工湿地; 资源利用 中图分类号 S 682． 32 文献标识码 A 文章编号 0517 － 6611( 2013) 07 － 03092 － 04
的深入研究将重在如何有效、低成本地提高水葫芦中糖类含 处理； 水葫芦渣与其他物质混合发酵，如牲畜粪便、人粪尿液
量，减少阻碍因子，提高产气效率。
等，其产气效率提高［16 －17］。另外，还有魏世清等研究得出，
3． 1． 1． 2 厌氧产甲烷。厌氧产甲烷又称为厌氧发酵或甲烷 水葫芦与猪粪比例为 2∶1 时，既保证了沼气产量与质量，又有
产利用。 3 水葫芦资源化利用
如今水葫芦资源化的充分利用还有待进一步探索研究。 水葫芦丰富的营养成分使其具有巨大的开发利用潜力。目 前开发较多的是将其用于制备能源燃料、肥料、饲料。其他 领域如造纸、药用、食用、编织品、吸附剂等也有相应的应用 研究。其资源化利用如图 1 所示。
图 1 水葫芦资源化利用示意图
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较高的水葫芦处理效率［18］。Patel 等发现，添加重金属离子 Fe3 + 、Zn2 + 、Ni2 + 、Co2 + 和 Cu2 + 可以增加沼气产量和甲烷含 量，且产气稳定［19］。人工湿地种植水葫芦，治污的同时，富 集了水体中的重金属离子，更利于沼气发酵。水葫芦有较好 的产气潜力，应用前景良好。为进一步提高产气效率，发酵 工艺还有待改进； 同时，充分资源化利用水葫芦沼渣、沼液也 至关重要。 3． 1． 2 液体燃料。液体燃料是指利用水葫芦中的纤维素作 为碳水化合物原料，水解和发酵制取燃料乙醇。水解和发酵 需要可供酵母发酵的糖类，一般只能利用单糖或双糖。因此 须对发酵原料进行一定的预处理，将纤维素等多糖进行转化 后，酵母菌才能发酵，产生乙醇。该工艺能耗较高，目前还不 具实用性，有待科研工作者进一步研究、探索。 3． 1． 3 固体燃料。水葫芦中的木质素和纤维素经过高温、 气化分解和碳化后可以制得木炭，同时可以收获副产物气化 气作为能量利用［20］。但是，高温、气化分解能耗大，成本高， 而且水葫芦干物质的灰分含量高达 40%［21］，故制成的木炭 热值低。相比之下，较好的是固化成型技术的应用。将水葫 芦固液分离，渣经过晒干粉碎后进行机械压缩，制成颗粒燃 料。固液分离后，水葫芦渣自然晾干的脱水情况： 晾晒 0 d， 含水量 88． 91% ； 晾晒 2 d，含水量 82． 40% ； 晾晒 4 d，含水量 52． 88% ； 晾 晒 6 d，含 水 量 14． 74% ； 晾 晒 ＞ 8 d，含 水 量 12． 45% 。颗粒燃料的压缩固化要求原料含有 10% ～ 15% 的 水分［22］。可见，经过 6 ～ 8 d 的自然晾晒后，水葫芦渣符合该 技术要求。致密成型能提高其燃料单位体积热值（ 不压缩 1． 3 GJ / m3 ，压缩 8． 3 GJ / m3 ） ，便于运输、存储，有一定的经济 效益，且成本低，技术要求低，易于实现。燃料经过燃烧后， 其中的磷、钾等得以保留，以氧化物的形式存在，可以将其燃 尽的残留物添加到沼液中生产速效的有机磷、钾肥。水葫芦 渣制成固体燃料，解决了其中木质素不易分解的问题。 3． 2 肥料 19 世纪 80、90 年代，水葫芦大部分用于生产肥 料，主要是利 用 沤 制 堆 肥［23］ 和 厌 氧 发 酵 技 术。其 中 厌 氧 发 酵技术较堆肥有较多优点，如氮素得以有效保留，能回收碳 素得到清洁能源，不污染环境，有效杀灭其中的病原菌、虫卵 等。经过厌氧发酵后的沼渣、沼液含有丰富的氮、磷、钾，可 用于生产优质的有机肥料，不仅能提高农作物产量和品质， 还能预防病虫害，改良土壤。国外也有学者将水葫芦作为钾 肥与化学肥料混合，施于沙质土壤中，结果显示，与单独施用 化学肥料相比，能增加小麦和大麦的产量和提升品质［24］（ 矿 物质和蛋白质的含量高） 。新鲜水葫芦经过粉碎可还田作绿 肥。压榨的水葫芦汁液经沼气发酵后，其沼液也是一种良好 的有机液肥，相关试验表明，一定浓度的发酵水葫芦汁液能 促进蔬菜种子的发芽与芽的长势［25 －26］。 3． 3 饲料 由于水葫芦富集重金属离子的能力强，且水污 染日益严重，所以用于生产饲料时，须去根处理，且不宜直接 投喂。水葫芦含水量高达 94% ，可干燥粉碎制成粉状，作为 饲料添加 剂。还 可 将 水 葫 芦 切 碎 好 氧 发 酵［8］，水 分 保 持 在 80% ～ 85% 时则青贮饲料质量最好，此时粗蛋白质含量达到
水葫芦（ water hyacinth） ，学名凤眼莲［Eichhornia crassipes （ Martius） ］，又名布袋莲、水荷花，为雨久花科凤眼莲属，是一 种源自南美洲亚马逊河流域的浮水植物［3］。自 1901 年水葫 芦作为花卉传入我国以来，水葫芦经历了褒贬不一的各个时 期： 30 年代作为畜禽饲料引入内地各省，50 ～ 60 年代被作为 猪饲料推广种植，80 年代开始用于水质净化研究。也正是那 个年代，我国城市化和工业化的快速发展使内河水体富营养 化加剧，水葫芦以其高效的繁殖和良好的环境适应机制开始 在南方各地的内河流域广泛扩散，逐渐爆发水葫芦泛滥灾 害，对当地居民的生产、生活、健康造成威胁，被称为“绿色污 染元凶”。水体的富营养化为水葫芦生长提供了充足的养 分，导致其疯长。而这些数量庞大的水葫芦蕴藏着巨大的生 物质资源，其资源化利用研究对缓解能源危机具有十分重要 的现实意义。 1 人工湿地水生植物水葫芦的可选性
随着经济发展和城市规模的扩大，生活和工农业废水加 重了淡水湖泊的水体污染，导致湖泊严重富营养化，淡水资 源短缺［1］。被誉为“地球之肾”的湿地在污水治理上起着至 关重要的作用［2］。在重度污染的水域，人工湿地种植水葫芦 对污水有较好的除污净化效果。水葫芦耐污能力强，对生长 环境要求不高，几乎在任何污水中都生长良好，可吸收利用 污水中的营养元素，吸附和富集重金属和一些有害物质，是 湿地水生植物中的治污能手。
度； ④有一定的经济价值。而水葫芦生命力强，根系发达，吸 附能力强。李亚治进行的水葫芦 － 水草人工湿地研究发现， 在气温变化不大的南方地区，水葫芦 － 水草人工湿地废水处 理系统运行稳定且受季节变化的影响较小［5］。K． R． Reddy 比较研究了水葫芦及其他 6 种水生植物净化污水的能力，结 果发现，夏季水生植物除氮效果的顺序： 水葫芦 ＞ 浮莲 ＞ 水 鳖 ＞ 浮萍 ＞ 槐叶萍 ＞ 紫萍 ＞ 水蕴草，而冬季的顺序： 水鳖 ＞ 水葫芦 ＞ 浮萍 ＞ 浮莲 ＞ 紫萍 ＞ 槐叶萍 ＞ 水蕴草； 夏季除磷效 果最好的是水葫芦和水蕴草，冬季由于水葫芦生长缓慢，除 磷效果稍低于其他几种水生植物［6］。还有相关研究报道，在 适宜条件下每公顷水葫芦每天能吸收 800 人排放的氮、磷元 素。同时，水葫芦还能降低污水中镉、铅、汞、铊、银、钴、锶等 重金属元素的浓度。但是水葫芦只负责将污染物收集起来， 并不负责降解。这些化学元素依然存在，只是转移了地点， 随着水葫芦的生长被富集在其体内。由于水葫芦生长迅速 也易腐烂，如不及时打捞易造成水体的二次污染，所以湿地 中的水葫芦需同时实现控制性种养和及时的机械化采收。 2 水葫芦的营养成分及生长特性 2． 1 营养成分 水葫芦富含多种营养成分，包括粗蛋白、粗 纤维、粗脂肪、多种氨基酸和微量元素等，是良好的生物质资 源［7 －9］。在不同水质中生长的水葫芦，其组成成分比例有所 不同，并且不同生长时期其中组分和氮、磷含量也不同。盛 婧等通过对水葫芦植株从幼年到成熟在污水和河水中生长 进行了比较研究，发现水葫芦单株生长发育进程中植株体内 全氮、全磷含量随生长天数逐渐下降，而纤维素和木质素含 量则随生长天数逐渐增加。植株全氮含量污水和河水分别 下降了 49． 9% 和 60． 0% ，全磷分别下降了 61． 3% 和 73． 2% 。 纤维素的含量在污水和河水中分别升高了 3． 5% 和 7． 0% ， 而木质素增加的含量分别为 46． 2% 和 75． 2%［10］。 2． 2 生长特性 水葫芦属于喜温植物，在热带亚热带地区， 它可以全年生长，自然越冬。1 年中，冬季是休眠期，叶片发 枯，春季返青，夏季快速繁殖生长，秋季生长放缓。水葫芦可