专利名称：以外来入侵植物空心莲子草为原料发酵制备沼气的方法
技术领域：
本发明属于资源与环境技术领域，具体涉及一种以外来入侵植物空心莲子草为原 料厌氧发酵制备沼气的方法。
背景技术：
空心莲子KA11ernanthera /7h7ozeroiofes)，又名水花生、革命草、喜旱莲子草 等，英文名为Alligatorweed，多年生宿根性草本，属苋科，莲子草属，原产美洲的巴西、乌拉 圭、阿根廷等国，以后传播到亚洲、澳洲、非洲与北美洲的许多国家，逐渐逸为野生。20世纪 30年代末日本侵华时引入我国上海郊区作为马饲料予以栽培，1958年始作为猪、牛饲料 进行大量推广，后传播到华东、华中、华南和西南等广大地区，遍布于水稻田及田埂、河道、 沟渠、蔬菜田、果园、林地及草坪地。空心莲子草以根茎进行无性繁殖，具有极强的繁殖力，生根发芽繁殖极快，短时间 内能形成大面积单一的群落，其生长速度极快。据观察，春季只有1株苗，秋季就能发展到 82株，覆盖达5 m2的面积；具有很强的适应性和抗酸碱能力，水旱环境下皆能生长，酸性、碱 性、盐渍土甚至连无土的垃圾堆也能照样枝繁叶茂。其在发生地常常形成单一的优势群落， 旱生型空心莲子草能影响作物的生长，使作物产量减少和品质下降，同时给橘园、菜地、稻 田、鱼池等带来很大的危害，给农业生产造成巨大损失；水生型空心莲子草能铺满沟河渠道 水面，影响灌排水、水上交通和水产养殖，一旦大面积疯长，会显著降低水体中溶解氧含量， 对水生生态系统产生严重破坏。除此之外，空心莲子草还给蚊蝇提供了良好的栖息繁殖场 所，严重影响环境的美观和卫生，成为城乡一大公害。因此，1985年以来空心莲子草已经成 为我国杂草防治中的重点目标之一，名列2003年国家环保总局公布的“中国第一批外来入 侵物种名单”。目前治理空心莲子草的措施主要有(1)物理方法，采取人工挖取，连根打捞等方 法，并将全部根茎叶晒干或焚烧，虽有一定效果，但被割断的茎以及地下根会继续繁殖因而 无法彻底消除其危害，同时劳动力投入大，防除成本高；(2)化学方法，施用除草剂(使它 隆、草甘膦、百草枯类等)，对地表以上及地下浅层部分防除效果好，且迅速，但往往效果不 能持久，且对生态系统有一定影响，污染环境；(3)生物方法，目前较为成功的是采用从美 国佛罗里达引进的空心莲子草专性天敌一空心莲子草叶甲(又名曲纹叶甲)，其对河道、湖 泊等水体中的空心莲子草防除效果较好，而对旱生型及湿生型的防除效果一般。因此，在当前和今后一段时期，一方面应继续研究遏制空心莲子草快速蔓延扩散 的高效、低耗、环保措施，将其对其它生态系统的入侵降低到最低程度；另一方面应为其寻 找到一条有效的利用途径，通过对其资源化的开发利用以达到“化害为利”的目的。目前对空心莲子草的利用研究主要包括(1)饲料化利用，利用其进行鲜饲或打 草浆发展养龙虾、养猪、养奶牛等畜牧业；(2)肥料化利用，利用其制备花卉生态肥等有机 肥；(3)水污染修复及生物测试材料。饲料化是较好的减量化、资源化方式，但由于空心莲 子草含皂甙毒素，纤维素含量高、动物需要的粗蛋白等营养物质的含量低，且能传播多种寄生虫病(涤虫、水蛭、肝片吸虫、姜片吸虫、日本血吸虫)，因此饲用价值也不高，从而限制了 其大规模应用。因而，现有条件下，亟需开发更为经济有效的资源化利用方式。当前我国广大农村地区正大力实施沼气富民工程，取得了较好的经济和环境效 益，然而实施过程中，发酵原料缺乏是经常遇到的现实问题，空心莲子草产量巨大，且C/N 比适中，将其与高C/N比的秸秆混合，经适当处理后能作为良好的发酵原料，从而有效解决 此问题。将空心莲子草厌氧发酵不但可以获得清洁的能源——沼气，还可以获得大量高品 质的有机肥——沼渣和沼液，实现空心莲子草的高效资源化利用，从而弥补农村能源不足， 解决农村由于化肥施用量过大、有机肥短缺造成的土壤板结问题，并在一定程度上促进秸 秆的资源化利用，具有显著的经济和环境效益，这在国内外尚未见报道。
发明内容
本发明的目的在于提供以外来入侵植物空心莲子草为原料发酵制备沼气的方 法，该方法以外来入侵植物空心莲子草为原料发酵制备沼气，提高农村地区经济和环境效
■、Λ
frff. ο本发明的技术解决方案是该方法的具体步骤如下
(1)空心莲子草的粉碎预处理；
(2)向步骤(1)所得的预处理空心莲子草中添加经粉碎预处理后的秸秆，调整空心莲子 草和秸秆的比例，使混合物料的碳氮比在20-30:1之间；空心莲子草和稻草秸秆的干重比 为1-5:1，空心莲子草和麦秸或玉米秸秆的干重比为3-11:1 ；
(3)将步骤(2)所得混合物料投入到发酵装置中，接种得发酵料，接种物的加入量为混 合物料干重的10-30% ；
(4)调节发酵装置中TS负荷在6%-10%之间；
(5 )密封发酵装置，并连接储气装置后进行发酵产气，反应温度25-35 °C，发酵过程中对 发酵料进行搅拌，1-2天产生沼气，发酵周期为20-50天。本发明中，空心莲子草可以是不同生长阶段、不同生长环境的空心莲子草，所述的 粉碎预处理是指收割后通过人工或机械方法切成3_5cm的小段；或者通过秸秆搓揉粉碎机 对其进行预处理。本发明中，所述的发酵装置为单相或固液两相厌氧反应器。本发明中，所述的接种物为老沼气池的沼渣、城市污水处理厂厌氧消化污泥或屠 宰场污泥中的一种。本发明中，在步骤(5)的发酵末期，当发酵装置的日产气量大幅度降低时，即日产 气量低于平均日产气量的30%时，停止反应，重新投料进行新一轮发酵。本发明的有益效果
1、空心莲子草生物量的大量收获和利用，可有效降低其对生态环境、农牧渔业、居民健 康和水上运输等构成的威胁，达到对其控制并“化害为利”。2、以空心莲子草为原料发酵制备沼气可有效解决当前广大农村地区厌氧发酵原 料不足的问题，增加农村沼气能源，同时产生大量高品质的有机肥——沼渣和沼液，解决农 村由于化肥施用量过大、有机肥短缺造成的土壤板结问题，并在一定程度上促进秸秆的资 源化利用。
3、工艺简单，操作、管理方便。4、本发明实现了外来入侵植物——空心莲子草的资源化、减量化和无害化的利 用，具有良好的环境和经济效益；有资料表明，空心莲子草最高发生密度为339. 6茎/m2，单 位面积生产力3-6 kg干物质/m2，取4 kg/m2(干物质)，全国目前有空心莲子草面积8000万 亩以上，按实际可使用率80%计算，取6400万亩收获面积，空心莲子草收获率按80%，含水 率按85%计算，则全国每年可收获空心莲子草生物质资源量达到2048万吨(干物质)；根据 研究空心莲子草干物质厌氧发酵产气潜力可达0. 2-0. 4 m3/kg,则每年可获得409. 6-819. 2 亿立方米沼气，相当于448-960万吨标准煤；以农村地区为例，一口 4 m3的沼气池，年可处 理水花生鲜草2500 kg以上，产沼气约150 m3，可供3-5 口之家6个月的生活用能，可节约 燃烧费400元左右，同时，年产沼肥80 kg以上。
图1为实施例1日产气量和累积产气量的变化曲线。图2为实施例2日产气量和累积产气量的变化曲线。图3为实施例3日产气量和累积产气量的变化曲线。
具体实施例方式下面通过具体实施例对本发明的技术解决方案作进一步的阐述，这些实施例不能 理解为是对技术方案的限制。实施例1 依以下具体步骤生产沼气
(1)空心莲子草的粉碎预处理将收割后的空心莲子草通过人工或机械的方法切成 3-5cm的小段；
(2)称取步骤(1)所得空心莲子草300g (干重40 g)投入到IOOOmL的发酵罐中，添加 经粉碎预处理后的稻草秸秆15 g (干重8 g)，混合均勻，此时混合物料的碳氮比为20:1 ；
(3)向发酵罐中接种含水率为96.4%的城市污水处理厂厌氧消化污泥135 g，此时接种 物的加入量为混合物料干重的10% ；
(4)向步骤(3)中的发酵料中加水200mL，此时发酵装置中TS负荷为8.1% ；
(5 )密封发酵罐，并连接储气装置后进行发酵产气，反应温度25 士 1 °C，发酵过程中通过 搅拌装置对发酵料进行搅拌，24 h内即产生沼气，反应进行了 28天，日产气量和累积产气 量的变化曲线见图1，当日产气量明显下降，结束一轮反应进行下一轮的投料与接种。实施例2 依以下具体步骤生产沼气
(1)空心莲子草的粉碎预处理将收割后的空心莲子草通过人工或机械的方法切成 3-5cm的小段；
(2)称取步骤(1)所得空心莲子草750g (干重100 g)投入到2. 5L的发酵罐中，添加 经粉碎预处理后的麦秸27 g (干重20 g)，混合均勻，此时混合物料的碳氮比为25:1 ；
(3)向发酵罐中接种含水率93.6%的屠宰场污泥468 g，此时接种物的加入量为混合物 料干重的25% ；
(4)向步骤(3)中的发酵料中加水IOOOmL,此时发酵装置中TS负荷约为6.7% ；
(5 )密封发酵罐，并连接储气装置后进行发酵产气，反应温度在35 士 1 °C，发酵过程中通过搅拌装置对发酵料进行搅拌，24 h内产生沼气，反应进行了 34天，日产气量和累积产气 量的变化曲线见图2，当日产气量明显下降，结束一轮反应进行下一轮的投料与接种。
实施例3 依以下具体步骤生产沼气
(1)空心莲子草的预处理将收割后的空心莲子草通过秸秆搓揉粉碎机对其进行预处
理；
(2)称取步骤(1)所得空心莲子草1500kg (干重200 kg)投入到4 m3的普通沼气发 酵装置中，添加经粉碎预处理后的玉米秸秆80 kg (干重67 kg)，混合均勻，此时混合物料 的碳氮比为30:1 ；
(3)向发酵装置中接种含水率为93.0%的老沼气池的沼渣1144 kg，此时接种物的加入 量为混合物料干重的30% ；
(4)向步骤(3)中的发酵料中加水1000kg，此时发酵装置中TS负荷约为9. 3% ；
(5)密封发酵装置，发酵装置的出气口通过输气管道连接储气装置，储气装置的出气管 上接上膜式煤气表，反应温度30-35°C，发酵过程中通过搅拌装置对发酵料进行搅拌，反应 第2天开始产气，反应进行了 45天，当日产气量明显下降，结束反应进行下一轮的投料与接 种，日产气量和累积产气量的变化曲线见图3。实施例4同实施例2，其中，空心莲子草和稻草秸秆的干重比为1:1。
实施例5同实施例3，其中，空心莲子草和稻草秸秆的干重比为2. 5:1
实施例6同实施例1，其中，空心莲子草和麦秸的干重比为7:1。
实施例7同实施例2，其中，空心莲子草和玉米秸秆的干重比为11:1。
权利要求
以外来入侵植物空心莲子草为原料发酵制备沼气的方法，其特征在于该方法的具体步骤如下(1)空心莲子草的粉碎预处理；(2)向步骤(1)所得的预处理空心莲子草中添加经粉碎预处理后的秸秆，调整空心莲子草和秸秆的比例，使混合物料的碳氮比在20 30:1之间；空心莲子草和稻草秸秆的干重比为1 5:1，空心莲子草和麦秸或玉米秸秆的干重比为3 11:1；(3)将步骤(2)所得混合物料投入到发酵装置中，接种得发酵料，接种物的加入量为混合物料干重的10 30%；(4)调节发酵装置中TS负荷在6% 10%之间；(5)密封发酵装置，并连接储气装置后进行发酵产气，反应温度25 35℃，发酵过程中对发酵料进行搅拌，1 2天产生沼气，发酵周期为20 50天。
2.根据权利要求1所述的以外来入侵植物空心莲子草为原料发酵制备沼气的方法，其 特征在于步骤(1)中所述空心莲子草粉碎预处理是将收割后的空心莲子草通过人工或机 械方法切成3-5cm的小段；或者通过秸秆搓揉粉碎机对其进行预处理。
3.根据权利要求1所述的以外来入侵植物空心莲子草为原料发酵制备沼气的方法，其 特征在于步骤(2)中所述秸秆是指稻草、麦秸或玉米秸秆中的一种，并通过秸秆搓揉粉碎 机预处理成3-5cm长的小段。
4.根据权利要求1所述的以外来入侵植物空心莲子草为原料发酵制备沼气的方法，其 特征在于所述的发酵装置为单相或固液两相厌氧反应器。
5.根据权利要求1所述的以外来入侵植物空心莲子草为原料发酵制备沼气的方法，其 特征在于步骤(3)中所述的接种物为老沼气池的沼渣、城市污水处理厂厌氧消化污泥或 屠宰场污泥中的一种。
6.根据权利要求1所述的以外来入侵植物空心莲子草为原料发酵制备沼气的方法，其 特征在于在步骤(5)的发酵末期，当发酵装置日产气量低于平均日产气量的30%时，反应 结束，重新投料进行新一轮发酵。
全文摘要
本发明公开了以外来入侵植物空心莲子草为原料发酵制备沼气的方法，将空心莲子草和秸秆经预处理后混合，调整碳氮比在20-30:1之间；然后投入到发酵装置中接种，接种物的加入量为发酵物料干重的10-30%；调节发酵装置中TS负荷在6%-10%之间；厌氧发酵反应温度25-35℃，发酵过程中对发酵料进行搅拌，1-2天产生沼气，发酵周期20-50天。该方法工艺简单，操作、管理方便，有效降低外来入侵植物空心莲子草的威胁，解决当前广大农村地区厌氧发酵原料不足问题，实现空心莲子草资源化、减量化和无害化的利用，具有良好的环境和经济效益。
文档编号C12P5/02GK101985636SQ20101056572
公开日2011年3月16日 申请日期2010年11月30日 优先权日2010年11月30日
发明者尹起范, 徐继明, 杨文澜, 杨立明, 程志鹏, 罗玉明, 蒋功成, 黄辉, 黄进 申请人:淮阴师范学院