專利名稱：以外來入侵植物空心蓮子草為原料發酵制備沼氣的方法
技術領域：
本發明屬于資源與環境技術領域，具體涉及一種以外來入侵植物空心蓮子草為原 料厭氧發酵制備沼氣的方法。
背景技術：
空心蓮子KA11ernanthera /7h7ozeroiofes)，又名水花生、革命草、喜旱蓮子草 等，英文名為Alligatorweed，多年生宿根性草本，屬莧科，蓮子草屬，原產美洲的巴西、烏拉 圭、阿根廷等國，以后傳播到亞洲、澳洲、非洲與北美洲的許多國家，逐漸逸為野生。20世紀 30年代末日本侵華時引入我國上海郊區作為馬飼料予以栽培，1958年始作為豬、牛飼料 進行大量推廣，后傳播到華東、華中、華南和西南等廣大地區，遍布于水稻田及田埂、河道、 溝渠、蔬菜田、果園、林地及草坪地。空心蓮子草以根莖進行無性繁殖，具有極強的繁殖力，生根發芽繁殖極快，短時間 內能形成大面積單一的群落，其生長速度極快。據觀察，春季只有1株苗，秋季就能發展到 82株，覆蓋達5 m2的面積；具有很強的適應性和抗酸堿能力，水旱環境下皆能生長，酸性、堿 性、鹽漬土甚至連無土的垃圾堆也能照樣枝繁葉茂。其在發生地常常形成單一的優勢群落， 旱生型空心蓮子草能影響作物的生長，使作物產量減少和品質下降，同時給橘園、菜地、稻 田、魚池等帶來很大的危害，給農業生產造成巨大損失；水生型空心蓮子草能鋪滿溝河渠道 水面，影響灌排水、水上交通和水產養殖，一旦大面積瘋長，會顯著降低水體中溶解氧含量， 對水生生態系統產生嚴重破壞。除此之外，空心蓮子草還給蚊蠅提供了良好的棲息繁殖場 所，嚴重影響環境的美觀和衛生，成為城鄉一大公害。因此，1985年以來空心蓮子草已經成 為我國雜草防治中的重點目標之一，名列2003年國家環保總局公布的“中國第一批外來入 侵物種名單”。目前治理空心蓮子草的措施主要有(1)物理方法，采取人工挖取，連根打撈等方 法，并將全部根莖葉曬干或焚燒，雖有一定效果，但被割斷的莖以及地下根會繼續繁殖因而 無法徹底消除其危害，同時勞動力投入大，防除成本高；(2)化學方法，施用除草劑(使它 隆、草甘膦、百草枯類等)，對地表以上及地下淺層部分防除效果好，且迅速，但往往效果不 能持久，且對生態系統有一定影響，污染環境；(3)生物方法，目前較為成功的是采用從美 國佛羅里達引進的空心蓮子草專性天敵一空心蓮子草葉甲(又名曲紋葉甲)，其對河道、湖 泊等水體中的空心蓮子草防除效果較好，而對旱生型及濕生型的防除效果一般。因此，在當前和今后一段時期，一方面應繼續研究遏制空心蓮子草快速蔓延擴散 的高效、低耗、環保措施，將其對其它生態系統的入侵降低到最低程度；另一方面應為其尋 找到一條有效的利用途徑，通過對其資源化的開發利用以達到“化害為利”的目的。目前對空心蓮子草的利用研究主要包括(1)飼料化利用，利用其進行鮮飼或打 草漿發展養龍蝦、養豬、養奶牛等畜牧業；(2)肥料化利用，利用其制備花卉生態肥等有機 肥；(3)水污染修復及生物測試材料。飼料化是較好的減量化、資源化方式，但由于空心蓮 子草含皂甙毒素，纖維素含量高、動物需要的粗蛋白等營養物質的含量低，且能傳播多種寄生蟲病(滌蟲、水蛭、肝片吸蟲、姜片吸蟲、日本血吸蟲)，因此飼用價值也不高，從而限制了 其大規模應用。因而，現有條件下，亟需開發更為經濟有效的資源化利用方式。當前我國廣大農村地區正大力實施沼氣富民工程，取得了較好的經濟和環境效 益，然而實施過程中，發酵原料缺乏是經常遇到的現實問題，空心蓮子草產量巨大，且C/N 比適中，將其與高C/N比的秸稈混合，經適當處理后能作為良好的發酵原料，從而有效解決 此問題。將空心蓮子草厭氧發酵不但可以獲得清潔的能源——沼氣，還可以獲得大量高品 質的有機肥——沼渣和沼液，實現空心蓮子草的高效資源化利用，從而彌補農村能源不足， 解決農村由于化肥施用量過大、有機肥短缺造成的土壤板結問題，并在一定程度上促進秸 稈的資源化利用，具有顯著的經濟和環境效益，這在國內外尚未見報道。

發明內容
本發明的目的在于提供以外來入侵植物空心蓮子草為原料發酵制備沼氣的方 法，該方法以外來入侵植物空心蓮子草為原料發酵制備沼氣，提高農村地區經濟和環境效
■、Λ
frff. ο本發明的技術解決方案是該方法的具體步驟如下
(1)空心蓮子草的粉碎預處理；
(2)向步驟(1)所得的預處理空心蓮子草中添加經粉碎預處理后的秸稈，調整空心蓮子 草和秸稈的比例，使混合物料的碳氮比在20-30:1之間；空心蓮子草和稻草秸稈的干重比 為1-5:1，空心蓮子草和麥秸或玉米秸稈的干重比為3-11:1 ；
(3)將步驟(2)所得混合物料投入到發酵裝置中，接種得發酵料，接種物的加入量為混 合物料干重的10-30% ；
(4)調節發酵裝置中TS負荷在6%-10%之間；
(5 )密封發酵裝置，并連接儲氣裝置后進行發酵產氣，反應溫度25-35 °C，發酵過程中對 發酵料進行攪拌，1-2天產生沼氣，發酵周期為20-50天。本發明中，空心蓮子草可以是不同生長階段、不同生長環境的空心蓮子草，所述的 粉碎預處理是指收割后通過人工或機械方法切成3_5cm的小段；或者通過秸稈搓揉粉碎機 對其進行預處理。本發明中，所述的發酵裝置為單相或固液兩相厭氧反應器。本發明中，所述的接種物為老沼氣池的沼渣、城市污水處理廠厭氧消化污泥或屠 宰場污泥中的一種。本發明中，在步驟(5)的發酵末期，當發酵裝置的日產氣量大幅度降低時，即日產 氣量低于平均日產氣量的30%時，停止反應，重新投料進行新一輪發酵。本發明的有益效果
1、空心蓮子草生物量的大量收獲和利用，可有效降低其對生態環境、農牧漁業、居民健 康和水上運輸等構成的威脅，達到對其控制并“化害為利”。2、以空心蓮子草為原料發酵制備沼氣可有效解決當前廣大農村地區厭氧發酵原 料不足的問題，增加農村沼氣能源，同時產生大量高品質的有機肥——沼渣和沼液，解決農 村由于化肥施用量過大、有機肥短缺造成的土壤板結問題，并在一定程度上促進秸稈的資 源化利用。
3、工藝簡單，操作、管理方便。4、本發明實現了外來入侵植物——空心蓮子草的資源化、減量化和無害化的利 用，具有良好的環境和經濟效益；有資料表明，空心蓮子草最高發生密度為339. 6莖/m2，單 位面積生產力3-6 kg干物質/m2，取4 kg/m2(干物質)，全國目前有空心蓮子草面積8000萬 畝以上，按實際可使用率80%計算，取6400萬畝收獲面積，空心蓮子草收獲率按80%，含水 率按85%計算，則全國每年可收獲空心蓮子草生物質資源量達到2048萬噸(干物質)；根據 研究空心蓮子草干物質厭氧發酵產氣潛力可達0. 2-0. 4 m3/kg,則每年可獲得409. 6-819. 2 億立方米沼氣，相當于448-960萬噸標準煤；以農村地區為例，一口 4 m3的沼氣池，年可處 理水花生鮮草2500 kg以上，產沼氣約150 m3，可供3-5 口之家6個月的生活用能，可節約 燃燒費400元左右，同時，年產沼肥80 kg以上。


圖1為實施例1日產氣量和累積產氣量的變化曲線。圖2為實施例2日產氣量和累積產氣量的變化曲線。圖3為實施例3日產氣量和累積產氣量的變化曲線。
具體實施例方式下面通過具體實施例對本發明的技術解決方案作進一步的闡述，這些實施例不能 理解為是對技術方案的限制。實施例1 依以下具體步驟生產沼氣
(1)空心蓮子草的粉碎預處理將收割后的空心蓮子草通過人工或機械的方法切成 3-5cm的小段；
(2)稱取步驟(1)所得空心蓮子草300g (干重40 g)投入到IOOOmL的發酵罐中，添加 經粉碎預處理后的稻草秸稈15 g (干重8 g)，混合均勻，此時混合物料的碳氮比為20:1 ；
(3)向發酵罐中接種含水率為96.4%的城市污水處理廠厭氧消化污泥135 g，此時接種 物的加入量為混合物料干重的10% ；
(4)向步驟(3)中的發酵料中加水200mL，此時發酵裝置中TS負荷為8.1% ；
(5 )密封發酵罐，并連接儲氣裝置后進行發酵產氣，反應溫度25 士 1 °C，發酵過程中通過 攪拌裝置對發酵料進行攪拌，24 h內即產生沼氣，反應進行了 28天，日產氣量和累積產氣 量的變化曲線見圖1，當日產氣量明顯下降，結束一輪反應進行下一輪的投料與接種。實施例2 依以下具體步驟生產沼氣
(1)空心蓮子草的粉碎預處理將收割后的空心蓮子草通過人工或機械的方法切成 3-5cm的小段；
(2)稱取步驟(1)所得空心蓮子草750g (干重100 g)投入到2. 5L的發酵罐中，添加 經粉碎預處理后的麥秸27 g (干重20 g)，混合均勻，此時混合物料的碳氮比為25:1 ；
(3)向發酵罐中接種含水率93.6%的屠宰場污泥468 g，此時接種物的加入量為混合物 料干重的25% ；
(4)向步驟(3)中的發酵料中加水IOOOmL,此時發酵裝置中TS負荷約為6.7% ；
(5 )密封發酵罐，并連接儲氣裝置后進行發酵產氣，反應溫度在35 士 1 °C，發酵過程中通過攪拌裝置對發酵料進行攪拌，24 h內產生沼氣，反應進行了 34天，日產氣量和累積產氣 量的變化曲線見圖2，當日產氣量明顯下降，結束一輪反應進行下一輪的投料與接種。
實施例3 依以下具體步驟生產沼氣
(1)空心蓮子草的預處理將收割后的空心蓮子草通過秸稈搓揉粉碎機對其進行預處
理；
(2)稱取步驟(1)所得空心蓮子草1500kg (干重200 kg)投入到4 m3的普通沼氣發 酵裝置中，添加經粉碎預處理后的玉米秸稈80 kg (干重67 kg)，混合均勻，此時混合物料 的碳氮比為30:1 ；
(3)向發酵裝置中接種含水率為93.0%的老沼氣池的沼渣1144 kg，此時接種物的加入 量為混合物料干重的30% ；
(4)向步驟(3)中的發酵料中加水1000kg，此時發酵裝置中TS負荷約為9. 3% ；
(5)密封發酵裝置，發酵裝置的出氣口通過輸氣管道連接儲氣裝置，儲氣裝置的出氣管 上接上膜式煤氣表，反應溫度30-35°C，發酵過程中通過攪拌裝置對發酵料進行攪拌，反應 第2天開始產氣，反應進行了 45天，當日產氣量明顯下降，結束反應進行下一輪的投料與接 種，日產氣量和累積產氣量的變化曲線見圖3。實施例4同實施例2，其中，空心蓮子草和稻草秸稈的干重比為1:1。
實施例5同實施例3，其中，空心蓮子草和稻草秸稈的干重比為2. 5:1
實施例6同實施例1，其中，空心蓮子草和麥秸的干重比為7:1。
實施例7同實施例2，其中，空心蓮子草和玉米秸稈的干重比為11:1。
權利要求
以外來入侵植物空心蓮子草為原料發酵制備沼氣的方法，其特征在于該方法的具體步驟如下(1)空心蓮子草的粉碎預處理；(2)向步驟(1)所得的預處理空心蓮子草中添加經粉碎預處理后的秸稈，調整空心蓮子草和秸稈的比例，使混合物料的碳氮比在20 30:1之間；空心蓮子草和稻草秸稈的干重比為1 5:1，空心蓮子草和麥秸或玉米秸稈的干重比為3 11:1；(3)將步驟(2)所得混合物料投入到發酵裝置中，接種得發酵料，接種物的加入量為混合物料干重的10 30%；(4)調節發酵裝置中TS負荷在6% 10%之間；(5)密封發酵裝置，并連接儲氣裝置后進行發酵產氣，反應溫度25 35℃，發酵過程中對發酵料進行攪拌，1 2天產生沼氣，發酵周期為20 50天。
2.根據權利要求1所述的以外來入侵植物空心蓮子草為原料發酵制備沼氣的方法，其 特征在于步驟(1)中所述空心蓮子草粉碎預處理是將收割后的空心蓮子草通過人工或機 械方法切成3-5cm的小段；或者通過秸稈搓揉粉碎機對其進行預處理。
3.根據權利要求1所述的以外來入侵植物空心蓮子草為原料發酵制備沼氣的方法，其 特征在于步驟(2)中所述秸稈是指稻草、麥秸或玉米秸稈中的一種，并通過秸稈搓揉粉碎 機預處理成3-5cm長的小段。
4.根據權利要求1所述的以外來入侵植物空心蓮子草為原料發酵制備沼氣的方法，其 特征在于所述的發酵裝置為單相或固液兩相厭氧反應器。
5.根據權利要求1所述的以外來入侵植物空心蓮子草為原料發酵制備沼氣的方法，其 特征在于步驟(3)中所述的接種物為老沼氣池的沼渣、城市污水處理廠厭氧消化污泥或 屠宰場污泥中的一種。
6.根據權利要求1所述的以外來入侵植物空心蓮子草為原料發酵制備沼氣的方法，其 特征在于在步驟(5)的發酵末期，當發酵裝置日產氣量低于平均日產氣量的30%時，反應 結束，重新投料進行新一輪發酵。
全文摘要
本發明公開了以外來入侵植物空心蓮子草為原料發酵制備沼氣的方法，將空心蓮子草和秸稈經預處理后混合，調整碳氮比在20-30:1之間；然后投入到發酵裝置中接種，接種物的加入量為發酵物料干重的10-30%；調節發酵裝置中TS負荷在6%-10%之間；厭氧發酵反應溫度25-35℃，發酵過程中對發酵料進行攪拌，1-2天產生沼氣，發酵周期20-50天。該方法工藝簡單，操作、管理方便，有效降低外來入侵植物空心蓮子草的威脅，解決當前廣大農村地區厭氧發酵原料不足問題，實現空心蓮子草資源化、減量化和無害化的利用，具有良好的環境和經濟效益。
文檔編號C12P5/02GK101985636SQ20101056572
公開日2011年3月16日 申請日期2010年11月30日 優先權日2010年11月30日
發明者尹起范, 徐繼明, 楊文瀾, 楊立明, 程志鵬, 羅玉明, 蔣功成, 黃輝, 黃進 申請人:淮陰師范學院