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user: 3. 水生植物的厌氧发酵产甲烷潜力 水生植物，含有大量的可分解有机物，可以被用于厌氧发酵产气 [ 11 ]。近年来，国内外有关水生植物厌氧发酵产沼气的研究逐渐增多，本文将从未受金属污染的水生植物厌氧发酵和受金属污染的水生植物厌氧发酵两个方面进行总结。 3.1. 未受金属污染水生植物厌氧发酵 由于水生植物品种、生长条件、收获时间等的不同，其有机成分含量不同，最后得到的产气量也不相同，如表2所示。在37℃条件下，香蒲(Typha orientalis Presl.)、香菇草(Hydrocotyle vulgaris)、再力花(Thalia dealbata)、菖蒲(Acorus calamus Linn)、美人蕉(Canna indica)、紫芋(Colocasia tonoimo)和梭鱼草 Table 1 C/N ratios of different aquatic plant Aquatic plants VS (%TS) Total C contents (%TS) Total N contents (%TS) C/N ratio Reference 马来眼子菜 Potamogeton malaianus NR NR NR 12.5 ± 0.3 [ 5 ] 眼子菜 Potamogeton perfoliatus NR NR NR 8.5 ± 0.2 [ 5 ] 金鱼藻 Ceratophyllum demersum NR NR NR 10.4 ± 0.2 [ 5 ] 黑藻 Hydrilla verticillata NR NR NR 9.6 ± 0.4 [ 5 ] 水蕴草 Egeria densa NR NR NR 10.2 ± 0.2 [ 5 ] 粉绿狐尾藻 Myriophyllum aquaticum NR NR NR 9.8 ± 0.3 [ 5 ] 芦苇 Phragmites australis 83.80 ± 1.47 43.25 ± 1.56 1.02 ± 0.24 42.40 [ 18 ] 凤眼莲 Water hyacinth 81.26 NR NR 13.70 [ 19 ] 浮萍 Lemna minor 88.54 NR NR 10.13 [ 20 ] 菖蒲 Acorus calamus Linn 89.2 ± 0.3 NR 2.8 ± 0.3 NR [ 21 ] 香蒲 Typha orientalis Presl. 92.9 ± 0.2 NR 1.7 ± 0.2 NR [ 21 ] 梭鱼草 Pontederia cordata 84.5 ± 0.3 NR 2.4 ± 0.1 NR [ 21 ] 美人蕉 Canna indica 81.8 ± 0.2 NR 3.0 ± 0.4 NR [ 21 ] 紫宇 Colocasia tonoimo Nakai 85.9 ± 0.3 NR 2.9 ± 0.3 NR [ 21 ] 再力花 Thalia dealbata 91.3 ± 0.1 NR 1.8 ± 0.3 NR [ 21 ] 香菇草 Hydrocotyle vulgaris 85.2 ± 0.2 NR 3.7 ± 0.5 NR [ 21 ] 表1. 不同水生植物碳氮比含量 NR， not reported。 (Pontederia cordata)七种挺水植物产气率分别为513.23、539.09、577、508.95、555.05、629.41、473.09 mL/g∙VS −1 [ 21 ]。马来眼子菜(Potamogeton malaianus)、金鱼藻(Ceratophyllum demersum)等八种沉水植物在中温发酵条件下的产甲烷量在275~418 mL/g∙VS −1 [ 5 ]。水葫芦、水盾草和槐叶萍三种浮水植物的产气潜力分别是267、221、155 mL/g∙VS −1 [ 22 ]。董诗旭等 [ 23 ] 以滇池新鲜蓝藻(Cyanophyta)为发酵底物，在平均温度为20.2℃的发酵环境下，蓝藻的发酵潜力为491 mL/g∙VS −1 。南美入侵物种伊乐藻(Elodea nuttallii)的产气量为333 mL/g∙VS −1 [ 24 ]。凤眼莲以及其与蓝藻混合为底料的总产气量分别是113.43 L和153.19 L，各自对应的甲烷含量分别为54.3%和71.2%，可以看出混合发酵产气效果明显好于水葫芦单独发酵 [ 25 ]。将凤眼莲和巴参菜(Talinum triangulare)分别按100:0、70:30、50:50和30:70的比例混合进行厌氧发酵，结果表明凤眼莲和巴参菜的混合比凤眼莲单独发酵提高了产气量，混合比例为30:70产气量最高，是凤眼莲单独发酵产气量的7.2倍 [ 26 ]。以餐厨、粪便及芦苇3种物料为发酵底物，研究发现餐厨加入量对混合厌氧发酵影响显著，适当的增加餐厨比例，有利于提高产气 [ 27 ]。大量研究结果表明，水生植物具有良好的产气潜力，将其用于厌氧发酵是可行的，甚至某些水生植物产气量高于一般农业秸秆 [ 28 ]。因此，厌氧发酵可作为水生植物资源化利用的一种方式。 Table 2 Biogas potential of anaerobic biogas production of aquatic plants non-contaminated by metal Aquatic plants Inoculum Fermentation period (d) Temperature (˚C) Biogas yield Reference 巴参菜 Talinumtriangulare Cow dung 70 29.2 46.6 mL/kg per fed day [ 26 ] 凤眼莲 Eichhornia crassipes Mature methanogenic sludge ~ 90 38 267 mL/g∙VS −1 [ 22 ] 水盾草 Cabomba Caroliniana Mature methanogenic sludge ~ 90 38 221 mL/g∙VS −1 [ 22 ] 槐叶萍 Salvinia molesta Mature methanogenic sludge ~ 90 38 155 mL/g∙VS −1 [ 22 ] 伊乐藻 Elodea nuttallii Anaerobic sludge from municipal sewage treatment 40 39 415~520 mL/g∙VS −1 [ 24 ] 凤眼莲 Water hyacinth Sludge 60 21-28 0.21~0.34 L/g∙dw [ 25 ] 芦苇 Reed (mixed with feces and kitchen residue) Sludge 41 36±1 33，965~63，870 mL [ 27 ] 金鱼藻 Ceratophyllumdemersum Anaerobic sludge treating domestic sewage 14 37±1 249 mL CH 4 /g∙VS −1 [ 29 ] 伊乐藻 Elodea nuttallii Anaerobic sludge treating domestic sewage 14 37±1 361 mL CH 4 /g∙VS −1 [ 29 ] 水蕴草 Egeria densa Anaerobic sludge treating domestic sewage 14 37±1 287 mL CH 4 /g∙VS −1 [ 29 ] 眼子菜 Potamogeton maackianus Anaerobic sludge treating domestic sewage 14 37±1 161 mL CH 4 /g∙VS −1 [ 29 ] 马来眼子菜 Potamogeton malaianus Anaerobic sludge treating domestic sewage 14 37±1 278 mL CH 4 /g∙VS −1 [ 29 ] 蓝藻 Cyanophyta Anaerobic sludge 66 18.5-23.5 491 mL/g∙VS −1 [ 23 ] 节旋藻 Arthrospira platensis Sludge 32 38 481 ± 13.8 mL/g∙VS −1 [ 30 ] 衣藻 Chlamydomonas reinhardtii Sludge 32 38 587 ± 8.8 mL/g∙VS −1 [ 30 ] 绿藻 Chlorella kessleri Sludge 32 38 335 ± 7.8 mL/g∙VS −1 [ 30 ] 细小裸藻 Euglena gracilis Sludge 32 38 485 ± 3 mL/g∙VS −1 [ 30 ] 杜氏藻 Dunaliella salina Sludge 32 38 505 ± 24.8 mL/g∙VS −1 [ 30 ] 栅藻 Scenedesmus obliquus Sludge 32 38 287 ± 10.1 mL/g∙VS −1 [ 30 ] 栅藻 Scenedesmus obliquus Anaerobic sludge treating potato-processing wastewater 30 33±2 181.81~241.28 mL/g∙VS −1 [ 31 ] 三角褐指藻 Phaeodactylum tricornutum Anaerobic sludge treating potato-processing wastewater 30 33±2 400~421 mL/g∙VS −1 [ 31 ] 表2. 未受金属污染的水生植物厌氧发酵产气潜力 3.2. 受金属污染水生植物厌氧发酵 水生植物在修复重金属污染物中起重要作用，其中含有的重金属会影响后续发酵过程。用絮凝铝的藻类(Scenedesmus spp. + Chlorella spp.)生产沼气的实验发现这些含铝的藻类能够产生更多的沼气，而不影响气体的组成 [ 32 ]。水生植物满江红(Azolla pinnata R. Br)和浮萍(Lemna minor L.)可以吸附水体中的Fe、Cu、Cd、Ni、Pb、Zn、Mn和Co，用这些植物厌氧发酵产沼气，结果表明，Fe、Mn对满江红和浮萍的发酵没有表现出任何毒性作用，而Cu、Co、Pb和Zn表现出毒性作用 [ 33 ]。低浓度Cd、Ni污染的水生植物满江红和浮萍厌氧发酵产气量和CH 4 组成均高于对照组，促进厌氧发酵的进行，并且沼气产量随着Cd浓度的变化而变化 [ 33 ]。富含Fe的浮萍(Lemnaceae)作为原料添加到发酵体系中，可以显著提高微生物的演替速率，加快有机废物的快速稳定，促进沼气的产生，同时可以缩短发酵时间 [ 34 ]。研究发现凤眼莲、苦草(Vallisneria spiralis)和菱角(Trapa bispinnosa)作为修复工业废水的植物时，污水处理后的植物与没有污水处理的植物相比，能够产生更多的沼气 [ 35 ] [ 36 ] ，而苦草的产气量比水葫芦(9~12天内最大)的产气量更大、产气更快速(6~9天内最大) [ 36 ]。用凤眼莲作为发酵底物，在厌氧发酵试验中，添加一些金属元素如Fe 3+ 、Zn 2+ 、Ni 2+ 、Co 2+ 和Cu 2+ ，不仅提高产气量，还可以提高气体中甲烷含量，而且增强了系统运行的稳定性 [ 37 ]。将水生植物凤眼莲和大薸用于Cd (0.8 mg/L)污染修复实验，再将受污染的两种植物用于产甲烷，发现植物中的Cd没有影响产气效率 [ 38 ]。关于受金属污染的水生植物厌氧发酵的研究总结见表3。 Table 3 Biogas potential of anaerobic biogas production of aquatic plants contaminated by metal Aquatic plants Pollutants Temperature (˚C) Fermentation period (d) Biogas yields CH 4 contents Reference 栅藻 Scenedesmus spp. + Chlorella spp. Al 50 ± 1 30 7.9 ft 3 /LBS VS 61.9% [ 32 ] 满江红 Azolla pinnata R.Br Fe， Cu， Cd， Ni， Pb， Zn， Mn， Co 37 36~42 132~189 L/kg 45%~83% [ 33 ] 浮萍 Lemna minor L. Fe， Cu， Cd， Ni， Pb， Zn， Mn， Co 37 36~42 132~176 L/kg 43%~85% [ 33 ] 浮萍 Lemnaceae (mixed with poultry manure) Fe 32 ± 2 50~80 0.281 L/g VS 65%~80% [ 34 ] 浮萍 Lemnaceae (mixed with poultry manure) Fe 32 ± 2 8.3~16.6 22.76 L/d NR [ 34 ] 凤眼莲 Eichhornia crassipes Lignin and metal-rich pulp and paper mill and highly acidic distillery effluents 35 ± 1 21 19.95~23.65 L/kg dw NR [ 36 ] 苦草 Vallisneria spiralis Lignin and metal-rich pulp and paper mill and highly acidic distillery effluents 35 ± 1 21 24.25~29.90 L/kg dw NR [ 36 ] 凤眼莲 Eichhornia crassipes Toxic metal (Cu and Cr) rich brass and electroplating industry effluent 35 ± 1 20 11.10~27.80 L/kg dw 29.80%~63.82% [ 35 ] 菱角 Trapa bispinnosa Toxic metal (Cu and Cr) rich brass and electroplating industry effluent 35 ± 1 20 10.45~20.90 L/kg dw 27.00%~57.04% [ 35 ] 海草 Seaweed Cd， Cu， Ni， Zn 37 30 NR 0.09~0.12 N L CH 4 /g VSa (44.4%~49.7%) [ 45 ] 海草 Seaweed Cd， Cu， Ni， Zn 37 ± 1 8.8~0.5 0.22~3.04 N L CH 4 /L·d 0.16~0.23 N L CH 4 /g CODa (62.9%~73.7%) [ 45 ] 色球藻 Chroococcus sp. 1 Grey water 36 ± 1 30 487.0 mL/gVS Max. 54.9% [ 10 ] 色球藻 Chroococcus sp. 2 Grey water 36 ± 1 30 401.2 mL/gVS Max. 52.2% [ 10 ] 芦苇 Reed (P. Australis) + Cow dung Ni， Fe 35 ± 1 26 27.49 mL/gTS Max. 67.9% [ 40 ] [ 41 ] 芦苇 Reed (P. Australis) + Cow dung Cu， Cr 37 ± 1 33 110.59 mL/gTS Max. 53.68% [ 42 ] [ 43 ] 大薸 Pistia stratiotes + 凤眼莲 Eichhornia crassipes Cd 33 30 1364.69 ± 297 60%~70% [ 38 ] 表3. 受金属污染的水生植物厌氧发酵产气潜力 NR， not reported. 随着人工湿地在污水处理方面的应用和推广，芦苇和香蒲成为分布最普遍的从废水中吸收并积累金属的湿地挺水植物 [ 39 ]。采用从人工湿地收集的含有一定浓度的Ni和Fe元素的芦苇秸秆进行厌氧发酵续批实验，结果发现，这些含有重金属的芦苇秸秆可以被用于发酵 [ 40 ] [ 41 ] ，并且对金属离子有更高的需求，当向发酵体系添加额外的Fe 2+ 时，酶活性提高，产气量可以得到进一步的促进 [ 40 ]。此外，一定浓度的Cu和Cr离子可以提高芦苇秸秆厌氧发酵产气量 [ 42 ] [ 43 ]。在瘤胃微生物液体环境下，以香蒲为实验材料，添加三种低浓度金属盐Cr 6+ 、Cu 2+ 、Cd 2+ (分别对应是4、1.6、2.4 mg/l)可以促进香蒲降解，提高甲烷产量 [ 44 ]。芦苇和香蒲等大型挺水植物产量巨大、应用普遍，其厌氧发酵再利用过程有待进一步研究。 除了向发酵系统直接添加金属元素外，也有添加矿物质材料来研究其对厌氧发酵所产生的影响。添加一定量的矿物材料可以在一定程度上降低厌氧消化过程中的抑制性物质的浓度，对厌氧消化有一定的促进作用 [ 46 ]。以芦苇、粪便和餐厨为发酵基质，10%沸石作为添加物，结果表明10%沸石的添加使甲烷含量从44.1%增加到了65.3% [ 47 ]。使用菹草分别与针铁矿、赤铁矿和磁铁矿三种不同铁矿石一起发酵，结果表明三组加入铁矿石的菹草水解速率在49.1%~74.1%的范围内，比控制组31.4%要高，累积产气量和产气速率也有明显差别 [ 48 ]。可见，矿物材料的添加，不但可以使其主要成分如铁、钙、镁、钠等来促进微生物生长，也可以调节碳氮比，这些都有利于提高产气量。此外，还可以添加其他催化剂如蛋白酶等酶类、活性炭等吸附剂，改变发酵环境。