水葫芦固体燃料开发巨馍战将Word文档格式.docx

1、资料显示，2009年水葫芦灾害发生面积就已达到38万hm2，水葫芦入侵每年对经济造成的损失为43.55亿元。其中造成的直接经济损失为5.05亿元，占全部损失的11.61%;间接经济损失为38.5亿元，占全部损失的88.39%。2、水葫芦国内外研究概况2.1能源燃料开发2. 1. 1液体燃料由于纤维素是生物质能源化中主要的利用物质,木质素则为能源化利用后剩余残渣的主要成分。水葫芦纤维素含量高于木屑和甘蔗屑,而木质素的含量低于木屑和甘蔗屑,这表明水葫芦在生物质能源化的过程中,可利用的纤维素高于木屑和甘蔗屑,而剩余的残渣少于木屑和甘蔗屑。所以水葫芦经过晾晒或降低含水率后,具备了生物质能源转化的条件。

2、采用水解和发酵技术可以生产液体燃料乙醇。水解和发酵水葫芦中的纤维素生成可供酵母发酵的糖类,而这些糖类在水葫芦中的含量很低,因此要对发酵原料进行一定的预处理,使其中的糖类更加适合水解过程需要。水解酶是可供选择的方法之一 ,但水葫芦较高的木质素含量影响了水解酶的作用。Nigam等利用水葫芦中的半纤维素乙酸水解产物生产乙醇, 将水解后的产物煮沸配合添加过量的石灰和亚硫酸钠处理可以极大地提高乙醇的产率（提高84.21 % ） , 但乙酸的存在对乙醇生产有抑制作用。Mishima 等利用水葫芦生产乙醇,结果表明,利用水葫芦生产乙醇的产量与其他农业废物生产乙醇的产量相当,故在发酵条件成熟后生产乙醇还是可行

3、的。而Thomas认为水葫芦水解发酵需要进行预处理,这需要较大能源,生产成本高,故其实用性不高。2.1.2固体燃料a.干料焚烧。将水葫芦晒干后直接焚烧,在能源比较紧缺的地方这是处置水葫芦快而又有效的方式。但水葫芦成海绵空心状茎体,使得新鲜水葫芦含水率高达90%左右,即使将水葫芦含水率降低到10%,直接燃烧其热值也不超过113GJ/m3,与木材的热值918GJ/m3相比,将水葫芦焚烧处理经济上利用价值不大。然而将晒干的水葫芦粉碎后过筛,切成 6mm长的小段,再经机械压缩制成块状或球状的固体燃料,这将大大提高燃料的燃烧值。成品燃烧值达到了813GJ/m3,几乎可以与燃烧值为916GJ/m3的木炭相

4、当。但是该固化成型技术要求原料产品的含水率在10%15%之间,而一般水葫芦的含水率高达90%左右 ,故在降低水葫芦含水率的过程中将需要消耗较大的人力和物力 ,则增加了该技术的处理成本。b. 制作木炭。水葫芦含有大量的木质素和纤维素 ,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。水葫芦干物质中的灰分含量高达40%,故不能生产出高质量高热值的木炭。并且在制作时需要的高温条件和水葫芦脱水也会消耗很大的能源 ,投资成本加大 ,所以推广应用起来有一定的难度。2.1.3气体燃料厌氧硝化法是指在断绝与空气接触的条件下,依赖兼性厌氧菌和专性厌氧菌的生物化学作用,对有机物进行

5、生化降解的过程。将水葫芦厌氧硝化处理产气是目前研究的热点,在解决水葫芦出路问题的同时,还可以获得环境友好型的清洁能源以及优质的有机肥料沼渣 ,符合环保循环经济的要求。根据所产气体的不同可分为厌氧产氢和厌氧产甲烷两类。a. 厌氧产氢。厌氧发酵产氢,是指通过产氢发酵细菌的生理代谢作用进行,通过对有机物的脱氢作用,平衡氧化还原过程中的剩余电子,保证代谢过程的顺利进行。国内外有关水葫芦厌氧产氢的报道不多,如果能够采取一定的预处理措施提高水葫芦中糖类含量,水葫芦厌氧产氢将有很好的发展前景。程军等以沼气池污泥和水葫芦为混合发酵底物研究厌氧产氢特性,结果表明,必须在沼气池污泥底物中加入优势产氢菌株作接种物才

6、能产生大量氢气；但水葫芦高纤维素、低糖类的特性增加了产氢难度和限制了产氢气量。b. 厌氧产甲烷。厌氧产甲烷又称为厌氧发酵或甲烷发酵,是指有机物质（如人畜家禽粪便、秸秆、杂草等）在一定的水分、温度和厌氧条件下,通过种类繁多、数量巨大、且功能不同的各类微生物的（主要是产甲烷菌）分解代谢,实质上就是微生物的物质代谢和能量转换过程,在分解代谢过程中沼气微生物获得能量和物质,以满足自身生长繁殖,同时大部分物质转化为甲烷。目前，厌氧产沼气常用的接种物有新鲜牛粪、老沼气池的沼渣、腐败河泥或城市污水处理厂的硝化污泥等。一般将水葫芦与其他畜禽粪便或人粪尿混合发酵,因粪便可以为水葫芦发酵提供更多微生物数量,更丰富

7、的生物多样性以及更多的养分,可增加水葫芦的产气量与产气效率。而Matsumura研究利用超临界水提取水葫芦体内的有机物后,再经过厌氧产甲烷气体,但是成本高而可行性低。兰吉武等认为,在35与55相同接种比例条件下,55条件下产气量更大,产气速度明显加快,但系统酸化阶段没有明显缩短；并表明切分比粉碎的产气量要大,因为切分孔隙率高,气体容易溢出从而促进了厌氧发酵反应的进行。魏世清等研究得出水葫芦与猪粪比例为21时,既保证了沼气产量与质量,又有较高的水葫芦比例；且认为温度为影响沼气产气量的重要因素。查国君实验得出,在 25 恒温条件下,水葫芦总固体产气潜力为634mL/g ,VS产气潜力为834mL/

8、g,新鲜原料产气潜力为33.36mL/g。而在水葫芦固液分离后的沼气发酵研究中,水葫芦渣与猪粪结合进行批量发酵试验,原料产气率为504.04 L/g ,甲烷含量65%；水葫芦汁的产气潜力为2.192mL/g ,COD 降解率达到91.27%。胡晓明等以鲜水葫芦汁为原料 ,在3O恒温下 ,采用批量发酵工艺进行发酵产沼气实验。水葫芦汁的COD降解率为86.43%；COD产气值为312mL/g ,甲烷含量能稳定在55%左右,气体可以持续燃烧。周岳溪等对水葫芦加猪粪两相厌氧生物处置进行了研究,结果表明,1kg鲜水葫芦平均产气量为330L,为水葫芦直接两相厌氧处理的3.4倍,气体中甲烷含量大大提高,达7

9、4%左右。El-Shinnaw i等将稻秆、玉米秸秆、 棉花秸秆和水葫芦分别与猪粪混合后厌氧发酵产沼气, 发现1kg 挥发性固体水葫芦的沼气产量较玉米秸秆和棉花秸秆高,但1kg总固体水葫芦的产气量较其他农业废物低,这与水葫芦较高的灰分含量有关。2.2 生产饲料水葫芦作为饲料原材料有很大的利用价值,某些地区直接捞取水葫芦切碎后,投入鱼塘喂鱼或饲养鸡鸭。但是直接投喂畜禽的做法也存在许多弊端。因水葫芦生长的适应性太强 ,吃剩的残枝如不经妥善处理 ,仍可生长造成二次危害。另外 ,水葫芦植株体内含水量高达 90%,纤维也较短,直接饲用并非适宜。一般将水葫芦干燥后碾制成粉；或者通过应用微生物工程和采用固体

10、发酵技术,提高水葫芦蛋白质含量,开发出以水葫芦为原料、营养价值高、口味佳的微生物饲料产品。将水葫芦切碎好氧发酵时,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10.83% ,粗脂肪为7.73%。庄益芬等研究了不同添加剂对水葫芦青贮饲料品质的影响,试验设对照组、添加绿汁发酵液、蔗糖、甲酸、四蚁酸铵、绿汁发酵液 +蔗糖共计6个处理。结果表明,各种添加剂均不同程度地改善了青贮饲料的品质,其中以添加绿汁发酵液+蔗糖的效果最佳。Mukherjee等先是将水葫芦发酵,然后利用两种侧耳属菌对发酵产物进行脱木质素处理,产生了易于反刍动物消化和含有高菌蛋白的饲料。2.3 制备肥料水葫芦中氮磷

11、钾养分含量很高,且植株易腐烂,可切碎直接施于田中耕翻入土。也可与其他有机物料混合堆制有机肥料 ,或直接利用其干粉作为有机肥料或土壤改良剂 ,或将干水葫芦燃烧后的灰分作为肥料使用。利用水葫芦中含有大量氮磷钾的特点,制作有机、无机复合肥也可以与其他有机物制作优质有机肥和有机-无机复混肥。国外也有学者将水葫芦作为钾肥与化学肥料混合,追施于沙质土壤中,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品质（矿物质和蛋白质的含量高）。黄东风等采用“微生物好氧发酵堆肥化技术”工艺生产出来的水葫芦有机肥料产品,其中水葫芦有机肥的有机质含量高达49.88% ,氮磷钾总养分含量为11.423 % ,属优

12、质的作物有机肥料。而每公顷水葫芦干质量有30t ,可产75t复合混合肥 ,中国科学院水生生物研究所已成功生产出水葫芦复合肥品种。2.4食品加工提取水葫芦含有十分丰富的蛋白质、氨基酸（包括人类生存所需又不能自身制造的8种氨基酸）、胡萝卜素、总黄酮和微量元素,完全可用作食品、饮料添加剂,还可精加工提炼成保健品、药品,极具食用和药用价值。武汉一家企业用其研制开发出人用的饮料 ,口感好 ,通过了国家权威部门的检测 ,获准批量上市。吴文标等分析评价了水葫芦叶蛋白的营养价值、提取工艺、毒性和功能性质,可见水葫芦叶蛋白的提取还是很有价值的。卢景顺等研究了用水葫芦叶中的叶绿素来制作叶绿素铜钠的生产工艺,并确定

13、了工艺的最佳条件为，在70 下用 40mL、5 %的NaOH溶液在水浴中浸提3 h ,然后将皂化液酸化至pH= 3,与10%的硫酸铜溶液 ,以体积比为23的比例在60水浴中铜化30min。Barai等以水葫芦为纤维素原料可制得羧甲基纤维素,在最佳工艺条件下已制得低黏度、取代度DS=0.72的食品级羧甲基纤维素（Na2CMC） 。Bodo等利用优化一步固-液提取法从干水葫芦叶子中提取蛋白质以获取谷胱甘肽 ,并认为可以从水葫芦中提取抗氧化体。2.5水葫芦富集重金属相关研究环境中的重金属和一些有机物并非是植物生长所需要的 ,并且达到一定程度后具有毒害作用 ,对于此类化合物 ,一些植物也演化出了特定的

14、生理机制使其脱毒。植物通常是通过螯合和区室化等作用来耐受并吸收富集环境中的重金属 ,这种机制也存在于许多水生植物中 ,如重金属诱导就可使水葫芦体内产生有重金属络合作用的金属硫肽,这些机制的存在使许多水生植物可大量富集水中的重金属。重金属元素进入植物细胞，需要越过细胞壁和壁内果质二道屏障，与胞质中络合成分，如硫肽或络合素等结合形成络合体，植物根内硫肽一般有3种氨基酸构成：（-Glu-Cys）n-Gly,n为2-11。在重金属离子激活下，以-谷酰半胱胺二肽转移酶催化合成，所以，胞质内蛋白质合成旺盛，因此，胞质内肽合成属非mRNA转绿控制，而是以金属离子为启动子，通过金属肽合成酶的基因来调节转录后的

15、水平。总之，水葫芦不论是用污水处理的或是天然生长在池塘中，只要在重金属诱导下酶被激活，肽合成增强，肽-SH基增多，重金属的肽络合程度随之上升，这样一连串的生化反应便是水葫芦治理和指示水体重金属污染的生物学基础。二、水葫芦固体燃料开发的内容、目标、解决的问题1、水葫芦固体燃料新鲜水葫芦含水率高达90 %左右，水葫芦脱水是水葫芦开发利用的一大难题，无论是加工成固体燃料、饲料，还是有机肥，都需要经过脱水处理，脱水过程中容易产生腐败现象。常规方法：晒干、粉碎、团粒等处理。水葫芦固体燃料的生产工艺最主要包括：（1）粉碎处理。活体粉碎，将打捞出来的水葫芦直接转入揉切机进行粉碎。（2）细胞脱水处理。采用植物

16、细胞脱水剂进行处理，让胞内水大部分流失。（3）机械挤压处理。采用机械挤压，将胞间水和流失出来的胞内水排走，挤后物料含水量低于72%。（4）快速烘干、造粒。采用如HYG三环滚筒顺流干燥机，将挤压后的水葫芦含水量70%烘干，出口物料含水量小于14%。（5）包装。成品检验合格的进行包装。（6）燃料灰分的回收处理。水葫芦固体燃料经过充分燃烧，灰分含有多种矿物质包括重金属，为了避免二次污染，需要对灰分进行回收处理。高纯度重金属价格也是不菲，用专一性贵金属络合剂进行贵金属回收。解决了水葫芦开发利用面临的几大问题：（1）库料储备。水葫芦营养丰富，富含纤维素、蛋白质、脂肪、常量和微量元素，水分在20%以上容易

17、腐败、变质，造成二次污染。（2）加工技术落后。当水葫芦的处理量较大时，常规通过自然风干的方法决对行不通，有的通过机械挤压、加热的方法去除水分，因为水葫芦水分多是储存在细胞内和细胞之间（称胞内水和胞间水）。常规挤压只能将胞间水去除，胞内水通过机械挤压和加热蒸发都不科学，损耗大，效果不理想。（3）二次污染。水葫芦能够富集重金属，据测定,24h内1g干重水葫芦能从污水中除去镉0.67mg、铅0.176mg、汞0.15mg、银0.65mg、钴0.57mg、锶0.54mg，水葫芦对农药和其他人工合成化合物等也有极强的富集能力。滇池里有大量的铅、砷、镉等重金属、放射性元素及许多人体不需要的氯化物。因此，在

18、开发水葫芦食品、饲料或肥料过程中，应该注意其富集的重金属和有毒有机物。表1 水葫芦茎叶（干重计）吸收富集水中重金属的能力重金属HgAsCrCuPbNi水中平均含量（ppm）0.000370.010.060.050.1水葫芦富集倍数113-666650-23065-200110-19040-18062-150水葫芦富集重金属的原理是，当环境中存在重金属离子时，重金属元素进入植物细胞，越过细胞壁和壁内果质二道屏障，与胞质中络合成分，如硫肽或络合素等结合形成络合体，并储存在细胞内。细胞通过渗透脱水，重金属仍然在水葫芦残渣内，水葫芦机械挤压和细胞渗透的液体是可以加工利用的。2、菌肥在水葫芦固体燃料加工

19、过程中，有挤压挤出来的液体，该液体富含营养。含有十分丰富的蛋白质、氨基酸（包括人类生存所需又不能自身制造的8种氨基酸） 、胡萝卜素、总黄酮和微量元素。表2 水葫芦中氨基酸种类必需氨基酸非必需氨基酸精氨酸异亮氨酸谷氨酸蛋氨酸亮氨酸天冬氨酸苯丙氨酸缬氨酸丝氨酸赖氨酸苏氨酸 腹氨酸色氨酸丙氨酸表3 水葫芦的营养成分样品营养成分及含量（%）水分粗蛋白质粗脂肪 粗纤维无氮浸出物粗灰分鲜样93.91.20.21.12.31.3干样19.673.2818.0337.0321.32表4 水葫芦常量元素、微量元素含量常量元素含量/%微量元素质量比/（mg.kg-1）NP2O5K2OSCaFeZn3.30 1.2

20、8 3.36 0.40 1.66 0.72 36.0 170.0 57.8 12.3 水葫芦挤出液富含氨基酸、常量微量元素可以用来生产菌肥。3、水葫芦固体燃料开发的目标4、拟解决的问题三、水葫芦固体燃料开发的可行性研究分析1、开发水葫芦固体燃料的优势1.1水葫芦资源丰富2009年水葫芦灾害发生面积就已达到38万hm2，2012年，只滇池草海种植水葫芦覆盖水域面积8300多亩。多年来，受水葫芦之害的富春江水力发电厂、严子陵钓台管理处等单位，每年都要组织人力打捞处理1000多吨水葫芦，以保证正常航运和发电，为此要耗费不小的人力、财力。如上海市市容环卫部门和水利部门每年也要花掉近500万的打捞费，打

21、捞水葫芦等漂浮垃圾，在水葫芦生长高峰期，总重量约有200万吨的水葫芦覆盖了上海市约25%的内河水域。为此，上海市曾每天出动2000多条船，8000多人次，打捞水葫芦上万吨。水葫芦通过匍匐茎增殖，在条件允许的情况下平均每5d 产生 1 棵新株 ,按照这个速度计算，1 株水葫芦 1 年之内经过繁殖就可以达到 114 亿株，可以铺满 140 hm2的水面，鲜质量可达 28 000 t。每亩水面可产水葫芦60吨以上，鲜汁可提取40吨。水葫芦榨汁后的干渣约占10%；根、叶粉碎烘干后每亩约2吨。2012需要打捞的水葫芦近85万吨，加工成干料约有8.5万吨的固体燃料。1.2水葫芦开发成为必然趋势（1）需要种

22、植水葫芦净化水质随着水污染的加剧 ，水体富营养化已成为全球关注的问题，由富营养化引发的水华会进一步加重水体污染。水华不仅导致水产养殖业蒙受经济损失，同时也破坏水域生态景观，导致生态系统失衡，危害人体健康，一次严重水华或赤潮造成的经济损失超过数百万美元，每年因藻毒素而导致的人体中毒事件有近2000例之多1。据研究发现许多大型水生植物具有耐污及治污能力，以大型水生植物为核心的污水处理和水体修复生态工程技术被开发。大型水生植物是一个生态学范畴上的类群 ,是不同分类群植物通过长期适应水环境而形成的趋同性适应类型2。主要包括水生维管束植物和高等藻类两大类。表5典型大型水生植物的生长特点及其污染物去除潜力

23、植物种类生长特点污染物去除功能水葫芦根系发达,生长速度快，分泌克藻物质富集镉、铬、铅、汞、砷、硒、铜、镍等;吸收降解酚、氰;抑制藻类生长大漂根系发达富集汞、铜浮萍生长速度快，分泌克藻物质富集镉、铬、铜、硒;紫萍、槐叶萍 富集铬、镍、硒;满江红富集铅、汞、铜芦苇、香蒲根系非常发达,生长速度快去除BOD、氮石菖蒲根系发达，分泌克藻物质狐尾藻生长速度快吸收 TNT、 DNT等结构相近化合物由表5可知水葫芦生长速率较快，净化水质，特别是清除水源重金属比较理想，对于河流水系、湿地生态修复更具有开发价值。水葫芦是水质净化的能手，其惊人的增殖速度造就了它超强的净化水质本领：庞大的须根不断地吸收水中的污染物。

24、研究表明,水葫芦的吸污能力在所有水草中是最强的。在适宜条件下,1hm2水葫芦能将800人1d排放的氮、磷元素吸收掉。水葫芦对农药和其他人工合成化合物等有极强的富集能力,同时,其根系分泌出的物质,可有效降解毒杀酚、灭蚊灵、氰等多种有机毒物。一般情况下,3年时间内就可将污水净化到常用水质标准,而投资不足现行治污工程的20%。水葫芦圈养进行水质净化（2）需要防止水葫芦泛滥水葫芦泛滥的危害有: 阻断航道 ,影响航运和排泄；限制了水体流动 ,水体没有阳光照射 ,发臭 ,使水体中的溶氧量减少 ,抑制了浮游生物的生长；为病菌提供了滋生地 ,滋生蚊蝇 ,为蚊子的幼虫提供了呼吸和繁殖的机会; 破坏饮水资源 ,水

25、葫芦腐烂浸入水中 ,使水体发臭 ,加剧富营养化程度。为了防止水葫芦泛滥，必须对水葫芦打捞治理。目前，中国水葫芦没有天敌，如果通过农药治理，会给环境再次带来污染，人工科学的种植和采收管理，以及科学合理开发利用才能实现人与自然和谐发展。1.3水葫芦具有潜在的开发价值据相关文献，将晒干的水葫芦粉碎后过筛 ,切成 6 mm长的小段 ,再经机械压缩制成块状或球状的固体燃料 ，固化成型技术原料产品的含水率在10 %15 %之间，成品燃烧值达到了8.3 GJ / m3,几乎可以与燃烧值为9.6 GJ / m3的木炭相当。在降低水葫芦含水率的过程中将需要消耗较大的人力和物力，则增加了该技术的处理成本。水葫芦营

26、养丰富，不仅含有胡萝卜素、蛋白质、黄酮、钙、磷等常规营养成分，而且还含有铁、镁等微量元素，以及赖氨酸，缬氨酸等氨基酸，具备了食品、饲料、肥料的原料营养需求。上海青浦县将水葫芦加工成草粉饲料,饲养獭兔，一年收集水葫芦12万t，并从水体中带出各类污染物质和有机物近2.2万t,年产獭兔25万只，却也担心重金属和有毒物质进入食物链，造成二次污染。在云南甚至中国没有一家，技术成熟的水葫芦开发公司，相关的国内研究也比较滞后，相关的开发、生产工艺也不完善。水葫芦固体燃料开发，可以缓解煤炭资源的快速消耗，降低环境污染。2、水葫芦固体燃料加工工艺2.1水葫芦粉碎粉碎是指克服固体质点间的内聚作用而形成新的表面的过

27、程。影响粉碎过程的因素：粉碎颗粒的几何特性和结构力学性质；粉碎机械工作构件的几何参数和材质；粉碎过程的工艺参数；产品粒度的要求。在实际的机械作用中，所受的粉碎力总是由撞击力、挤压力、剪切力、碾磨力中的几种力结合而成，对于坚而不韧的物料采用撞击和挤压较有效，对于韧性物料采用剪切力最好，对于脆性物料则以撞击为好。水葫芦需要活体粉碎，适合剪切力粉碎机，选用揉切机。揉切机加工产品相关技术要求：将物料切碎成粒状或细条状，粒状物料，粒度直径小于5毫米，细条状物料宽、厚均小于5毫米，长度10-50毫米，使其细胞间含水变成游离水。揉切机2.2水葫芦细胞脱水细胞内含水，用常规机械脱水方法难以去掉，用加热蒸发方法去水速度慢，用植物细胞渗透脱水的方法较适合。植物细胞是一个渗透