第二章 生物質(zhì)資源分類及主要應(yīng)用

第一節(jié) 生物質(zhì)資源分類

目前，很多國家都在積極研究和開發(fā)利用生物質(zhì)能。生物質(zhì)能蘊(yùn)藏在植物、動物和微生物等可以生長的有機(jī)物中，它是由太陽能轉(zhuǎn)化而來的。有機(jī)物中除礦物燃料以外的所有來源于動植物的能源物質(zhì)均屬于生物質(zhì)能，通常包括木材、森林廢棄物、農(nóng)業(yè)廢棄物、水生植物、油料植物、城市和工業(yè)有機(jī)廢棄物、動物糞便等。地球上的生物質(zhì)能資源較為豐富，而且是一種無害的能源。地球每年經(jīng)光合作用產(chǎn)生的物質(zhì)有1.73×1011t，其中蘊(yùn)涵的能量相當(dāng)于全世界能源消耗總量的10～20倍，但目前的利用率不到3%。

生物質(zhì)能的相關(guān)研究已成為能源、環(huán)保等領(lǐng)域的一個熱點(diǎn)問題。然而，學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界對于生物質(zhì)的分類問題還未形成統(tǒng)一的分類方法。

一、根據(jù)來源分類

一般都是依據(jù)來源的不同，將適合于能源利用的生物質(zhì)分為林業(yè)資源、農(nóng)業(yè)資源、生活污水和工業(yè)有機(jī)廢水、固體廢物以及畜禽糞便5大類。

（一）林業(yè)資源

林業(yè)生物質(zhì)資源是指森林生長和林業(yè)生產(chǎn)過程提供的生物質(zhì)能源，包括薪炭林、在森林撫育和間伐作業(yè)中的零散木材、殘留的樹枝、樹葉和木屑等；木材采運(yùn)和加工過程中的枝丫、鋸末、木屑、梢頭、板皮和截頭等；林業(yè)副產(chǎn)品的廢棄物，如果殼和果核等。其中，作為生物質(zhì)資源利用的有3類。

（1）木質(zhì)燃料

木質(zhì)燃料主要是薪炭林、木竹生產(chǎn)的剩余物，灌木林平茬和森林撫育間伐產(chǎn)生的枝條、小徑材，經(jīng)濟(jì)林和城市綠化修剪枝杈等。在“三北”地區(qū)，主要以沙棘、檸條、黃柳、山杏、山桃、檉柳等樹種為主；華北和中原地區(qū)，主要以檉柳、沙棘、刺槐等樹種為主；南方地區(qū)，主要以刺槐、櫟類、鐵刀木、桉樹、楊樹等樹種為主；東南沿海熱帶亞熱帶地區(qū)，主要以黎蒴栲、大葉櫟、相思、木麻黃、桉樹等樹種為主。

（2）木本油料資源

油料植物中，種子含油量40%以上的植物有150多種，能夠規(guī)?；嘤膯坦嗄緲浞N有30多種。我國主要有油棕、無患子、小桐子、光皮樹、文冠果、黃連木等樹種的基地，適當(dāng)考慮的樹種有山桐子、山蒼子、鹽膚木、歐李、烏桕、東京野茉莉、銀合歡等，其中油棕、無患子等9個樹種相對成片分布面積超過1×106hm2，年果實(shí)產(chǎn)量1×106t以上，全部加工利用可獲得4×106t生物燃油。

（3）木本淀粉類資源

我國規(guī)?；N植的木本淀粉類植物主要以櫟類、粉葛、芭蕉芋、楊樹、柳樹及灌木類為主。淀粉植物具有生產(chǎn)液體燃料的廣闊前景。

（二）農(nóng)業(yè)資源

農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能資源是指農(nóng)業(yè)作物（包括能源作物）、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的廢棄物和能源植物。農(nóng)業(yè)作物（包括能源作物）、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的廢棄物如農(nóng)作物收獲時殘留在農(nóng)田內(nèi)的農(nóng)作物秸稈（玉米秸、高粱秸、麥秸、稻草、豆秸和棉稈等）；農(nóng)業(yè)加工業(yè)的廢棄物，如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中剩余的稻殼等。

1．農(nóng)作物秸稈

農(nóng)作物秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的副產(chǎn)品，也是我國農(nóng)村的傳統(tǒng)燃料。秸稈資源與農(nóng)業(yè)主要是種植業(yè)生產(chǎn)關(guān)系十分密切。目前全國農(nóng)村作為能源的秸稈消費(fèi)量約2.8×108t，但大多處于低效利用方式，即直接在柴灶上燃燒，其轉(zhuǎn)換效率僅為10%～20%左右。隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、農(nóng)民收入的增加，地區(qū)差異正在逐步擴(kuò)大，農(nóng)村生活用能中商品能源的比例正以較快的速度增加。事實(shí)上，農(nóng)民收入的增加與商品能源獲得的難易程度都能成為他們轉(zhuǎn)向使用商品能源的契機(jī)與動力。在較為接近商品能源產(chǎn)區(qū)的農(nóng)村地區(qū)或富裕的農(nóng)村地區(qū)，商品能源（如煤、液化石油氣等）已成為其主要的炊事用能。以傳統(tǒng)方式利用的秸稈首先成為被替代的對象，致使被棄于地頭田間直接燃燒的秸稈量逐年增大，許多地區(qū)廢棄秸稈量已占總秸稈量的60%以上，既危害環(huán)境，又浪費(fèi)資源。因此，加快秸稈的優(yōu)質(zhì)化轉(zhuǎn)換利用勢在必行。

2．能源植物

能源植物（energy plant）又稱為石油植物或生物燃料油植物，通常是指具有合成較高還原性烴的能力、可產(chǎn)生接近石油成分和可替代石油使用的產(chǎn)品的植物，以及富含油脂的植物。到目前為止，能源植物有草本、喬木、灌木類，主要集中在夾竹桃科、大戟科、蘿科、菊科、桃金娘科以及豆科。全世界已發(fā)現(xiàn)40多種能源植物，有續(xù)隨子、綠玉樹、橡膠樹、西蒙德木、甜菜、甘蔗、木薯、苦配巴樹、油棕、小桐子樹、黃連木、象草等。根據(jù)所含主要成分的不同，可將能源植物分成：①富含碳水化合物的能源植物，利用這類植物所得到的最終產(chǎn)品是乙醇。植物種類較多，分布廣泛。如菊芋、木薯、馬鈴薯、甜菜、高粱、玉米、甘蔗、芒草等，都是生產(chǎn)乙醇的好原料。②富含類似石油成分的能源植物。石油的主要成分是烴類，如烷烴、環(huán)烷烴等，富含烴類的植物是植物能源的最佳來源，生產(chǎn)成本低，利用率高。如油楠、續(xù)隨子、綠玉樹、銀合歡、苦配巴樹等?？嗯浒蜆溆址Q為香膠樹，其樹汁無須任何加工，即可當(dāng)柴油用，簡單加工就成了汽油，單株年產(chǎn)樹汁達(dá)20～30kg，是目前已知的“石油”產(chǎn)量最高、質(zhì)量最好的能源植物。③富含油脂的能源植物，它們既是人類食物的重要組成部分，又是工業(yè)用途非常廣泛的原料。我國境內(nèi)含油量較高的樹種很多，如小桐子、黃連木、光皮樹、油桐、烏桕、翅果油樹、石栗等。

Lemus和Lai定義生物能源作物（bio-energy crop）為專門生產(chǎn)生物能源的任何植物材料，在此基礎(chǔ)上，強(qiáng)調(diào)生物質(zhì)高產(chǎn)能力、高能含量和適應(yīng)于邊際土地（marginal soil）等特征。能源植物和能源作物的區(qū)別在于后者是經(jīng)一定人工馴化而廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，前者則包括還沒有應(yīng)用于栽培生產(chǎn)的能源植物種類。當(dāng)前國外頻繁使用dedicated energy crop（專用能源作物）一詞，其定義是專用于生產(chǎn)碳源或能源的作物，用以加工形成食品和飼料以外的所有生物基產(chǎn)品，即除包括能源用途外，還生產(chǎn)化學(xué)材料（chemical）和天然纖維（natural fiber）等其他用途。綜上所述，將專門用于加工形成食品和飼料以外以能源為主的生物基產(chǎn)品的植物叫作能源植物，其中規(guī)模化人工栽培生產(chǎn)的植物稱作能源作物。

能源植物可以以植物系統(tǒng)分類，如表2-1所示。

按照化學(xué)組成進(jìn)行此分類。能源植物的轉(zhuǎn)化利用與其化學(xué)成分組成是密切相關(guān)的，其某一組分將是轉(zhuǎn)化利用的主要原料成分，或者說其主要組分體現(xiàn)著該植物的主要特征，依此將能源植物分為糖料植物（sugar plant）、淀粉植物（starch plant）、油料植物（oil plant）、含油微藻植物（oil microalgae）和木質(zhì)纖維素植物（lignocellulosic plant）等5類。

（1）糖料、淀粉和油料植物

糖料植物富含可溶性糖，用于生產(chǎn)燃料乙醇?？扇苄蕴寝D(zhuǎn)化為乙醇的化學(xué)過程最簡單，生產(chǎn)成本最低，主要作物有甘蔗、甜高粱和甜菜等。巴西主要利用甘蔗生產(chǎn)燃料乙醇，是世界上乙醇產(chǎn)量和消費(fèi)量最大的國家之一。

淀粉植物富含淀粉，也主要用于生產(chǎn)燃料乙醇。以淀粉原料生產(chǎn)乙醇已有很長的歷史，主要包括小麥、大麥、玉米、籽粒高粱等禾谷類作物和甘薯、木薯、馬鈴薯等薯類作物。由于我國糧食安全的重要性。此類作物中，木薯被認(rèn)為是當(dāng)前較適宜華南邊際地生產(chǎn)乙醇原料的非糧作物。

油料植物富含油脂，提取油脂后通過酯化過程形成脂肪酸甲酯類物質(zhì)，即生物柴油。油菜、向日葵、蓖麻和大豆是最主要的一年生產(chǎn)油作物，已經(jīng)在商業(yè)化生產(chǎn)水平上實(shí)現(xiàn)了以生產(chǎn)生物柴油為目的的大田種植。全世界主要有11種木本食用植物油，年產(chǎn)量為6×107t，其中棕櫚油、椰子油、油橄欖和茶油4大木本油料植物產(chǎn)油量占30%左右，適合在山地和丘陵地區(qū)生長，可在荒山、荒地栽培，一年栽種多年收獲。目前美國主要以大豆為原料，歐洲主要以油菜籽為原料，巴西主要以蓖麻籽和油棕櫚為原料生產(chǎn)生物柴油，德國主要以小桐子為原料生產(chǎn)生物柴油。

（2）含油微藻植物

含油微藻植物指含有極其豐富的烴類或酯類的微藻類植物，是制備液體燃料的良好原料。國外在研究含油微藻及其應(yīng)用方面已有多年的歷史。培養(yǎng)微藻主要利用廢水和礦質(zhì)養(yǎng)分較高的水資源，其光能利用率達(dá)到5%，且生產(chǎn)力很高，干物重可達(dá)到50t/hm2。將微生物和微藻混合培養(yǎng)，可生產(chǎn)高純度的乙醇、甲醇、丁烷等能源化合物。微藻熱解制備的生物質(zhì)燃油熱值高，是木材或農(nóng)作物秸稈的1.4～2倍。微藻的干細(xì)胞中含油70%以上，是合成生物柴油的最佳原料。含油微藻還可在廢棄地及其他沒有農(nóng)業(yè)利用價值的土地上，利用廢水甚至高含鹽的水大規(guī)模培養(yǎng)，因而有很好的應(yīng)用前景。

（3）木質(zhì)纖維素植物

木質(zhì)纖維素植物富含纖維素、半纖維素和木質(zhì)素。木質(zhì)纖維素是植物體的主要構(gòu)成物質(zhì)，同時也是用于制造建筑材料、紙張、紡織品和其他很多聚合體衍生物的主要可再生資源。它也是地球上在一定面積內(nèi)最具有轉(zhuǎn)化成交通能源來替代石油這樣潛力的、最大且可獲得的資源。木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，可炭化生產(chǎn)固體顆粒燃料或獲得熱能、電能、沼氣、生物質(zhì)燃?xì)夂蜕镉偷龋w維素乙醇的生產(chǎn)工藝日益成熟，也是其他用途（如生物煉制）的主要原料。由于其生物產(chǎn)量很高，是自然界中最豐富的生物質(zhì)資源，因此被稱作生物質(zhì)作物。這類作物多數(shù)屬多年生，生產(chǎn)成本低，抗逆性強(qiáng)，生態(tài)適應(yīng)范圍廣，有利于保持水土、增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，是更適宜于邊際土地發(fā)展的能源植物類型。

（4）短期輪伐木本作物

林木生長的長周期決定了林業(yè)生產(chǎn)的長周期，按照常規(guī)，一株樹木從種植、幼年、中年到老年，要經(jīng)過十幾年、幾十年到上百年。這種生產(chǎn)模式已經(jīng)不能適應(yīng)日益發(fā)展的社會需要。短周期速生林首先還是在美國興起的。1964年美國的Young首先提出短輪伐期和全樹利用的概念，1966年美國的Mealpine提出了短輪伐期的可能性。短期輪伐木本作物（short-rotation woody crops，SRWC）是快速生長以專門應(yīng)用于能源原料的木本生物質(zhì)作物，其適宜的特征為快速的幼年生長、廣泛的地區(qū)適應(yīng)性和較高的抗病蟲害能力，一般2～10年輪伐1次。從1970年開始，歐美國家先后對楊樹、柳樹、桉樹、銀槭、楓樹、懸鈴木和刺槐等20多個樹種進(jìn)行短期輪伐期栽培技術(shù)的研究。我國短期輪伐期速生林大都選用速生闊葉樹優(yōu)良無性系，其中以黑楊類最多，其次是白楊類、柳類、桉樹、樺樹、銀合歡、榿木、懸柃木、泡桐、楝樹，針葉樹中選擇輻射松、火炬松、馬尾松等。短期輪伐速生林的收獲不僅能滿足木材的需求（生產(chǎn)紙漿、纖維板等），而且可以滿足人們對于能源的需求（可直接進(jìn)行燃燒），深加工還可以得到煤氣、焦油、炭等。同時，這還有利于對森林資源的保護(hù)。

（5）草本植物

與木本植物相比，草本植物環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、分布廣泛、生長迅速、生活周期短，更有利于大面積種植，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。我們通常把作為能源來利用的草本植物稱為“能源草”。能源草一般分為兩類：第1類草能生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)纖維素，干草的產(chǎn)量高，適用于能源、造紙、紡織和建筑業(yè)；第2類草含有類似“石油”的成分，可以用來提取石油。

富含纖維的草本植物通過生物和化學(xué)處理后，可以得到乙醇和沼氣等高燃燒值的能源，還可用作造紙?jiān)?，美國?984年開始篩選與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相適應(yīng)的草本木質(zhì)纖維素類能源植物。以生物量最大化和應(yīng)用生物技術(shù)選育優(yōu)良品種為研究目標(biāo)，研究得到了生產(chǎn)纖維素類物質(zhì)潛力大的草本植物34種。芒屬植物是禾本科多年生C4草本植物，具有高效光合固碳效率、生長快、適應(yīng)性強(qiáng)、病蟲害抗性強(qiáng)、產(chǎn)量高等特性，因而被視為優(yōu)良的草本能源植物。從亞熱帶到溫帶的廣闊地區(qū)都能生長，且收獲時植株體內(nèi)水分只有20%～30%，干物質(zhì)產(chǎn)量可達(dá)30～40t/hm2，可直接燃燒產(chǎn)生熱量，也可以作為生物乙醇原料，每公頃產(chǎn)能相當(dāng)于36桶石油。從1986年開始，歐美國家開始研究芒屬植物的能源利用，到目前為止，在國外已培育出幾個生物量高的芒屬植物新品系，并作為優(yōu)良的能源植物大面積推廣利用。芒屬全世界大約有10種，主要分布在東南亞，我國有6種。芒屬植物主要分布在長江以南的廣大地區(qū)，在華南的山地、丘陵和荒坡原野常形成優(yōu)勢群落。另外富含纖維的草本植物資源還包括：豆科的草木樨全草纖維素含量42.23%，白花車軸草纖維素含量17.93%；禾本科的小糖草莖纖維素含量36.64%，野古草全草纖維素含量26.66%（以下全為全草纖維素含量），羊草為35.46%，拂子茅為48%，小葉章為40%，披堿草為30%，垂披堿草為37.92%，硬質(zhì)早熟禾為30.24%，星星草為38.9%，纖毛鵝觀草為28.7%，大油芒為31.93%；莎草科的烏拉草為50%，水蔥為35%；燈心草為49.03%。

某些野草也含有類似“石油”的成分，美國加利福尼亞州境內(nèi)生長著一種野草，當(dāng)?shù)厝朔Q為“黃鼠草”或“鼠憂草”，每公頃的黃鼠草可提煉1t石油，經(jīng)雜交人工種植，產(chǎn)量可高達(dá)6t/hm2。美國已經(jīng)從2006年開始大面積種植這種油料植物。在澳大利亞北部也發(fā)現(xiàn)了兩種可以提取石油的多年生野草——桉葉藤和牛角瓜，這些野草生長速度極快，每周可以長30cm，每年可以收割幾次?？茖W(xué)家用溶解法從這兩種野草的莖葉中提煉出一種白色汁液，可以制取石油。

（三）畜禽糞便

畜禽糞便是畜禽排泄物的總稱，它是其他形態(tài)生物質(zhì)（主要是糧食、農(nóng)作物秸稈和牧草等）的轉(zhuǎn)化形式，包括畜禽排出的糞便、尿及其與墊草的混合物。禽畜糞便也是一種重要的生物質(zhì)能源。除在牧區(qū)有少量的直接燃燒外，禽畜糞便主要是作為沼氣的發(fā)酵原料。

（四）生活污水和工業(yè)有機(jī)污水

生活污水主要由城鎮(zhèn)居民生活、商業(yè)和服務(wù)業(yè)的各種排水組成，如冷卻水、洗浴排水、盥洗排水、洗衣排水、廚房排水、糞便污水等。工業(yè)有機(jī)污水主要是酒精、釀酒、制糖、食品、制藥、造紙及屠宰等行業(yè)生產(chǎn)過程中排出的廢水，其中都富含有機(jī)物。

（五）固體廢物

固體廢物是指在生產(chǎn)、生活和其他活動中產(chǎn)生的、喪失原有利用價值或者雖未喪失利用價值但是被拋棄或者放棄的、污染環(huán)境的固體或半固體廢棄物質(zhì)，我們通常稱之為“垃圾”。2010年，據(jù)中國城市環(huán)境衛(wèi)生協(xié)會統(tǒng)計(jì)，我國每年產(chǎn)生近1×109t垃圾，其中生活垃圾產(chǎn)生量約4×108t，建設(shè)垃圾5×108t左右，此外，還有餐廚垃圾0.1×108t左右，中國的垃圾總量在世界上是數(shù)一數(shù)二的。隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快以及人民生活水平的提高，城鎮(zhèn)生活垃圾還在以每年5%～8%左右的速度遞增。城鎮(zhèn)生活垃圾主要是由居民生活垃圾、商業(yè)/服務(wù)業(yè)垃圾和少量建筑垃圾等廢棄物所構(gòu)成的混合物，成分比較復(fù)雜，其構(gòu)成主要受居民生活水平、能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、城市建設(shè)、綠化面積以及季節(jié)變化的影響。中國大城市的垃圾構(gòu)成已呈現(xiàn)向現(xiàn)代化城市過渡的趨勢，有以下特點(diǎn)：一是垃圾中有機(jī)物含量接近1/3甚至更高；二是食品類廢棄物是有機(jī)物的主要組成部分；三是易降解有機(jī)物含量高。目前中國城鎮(zhèn)垃圾熱值在4.18MJ/kg（1000千卡/kg）左右。

二、根據(jù)其成分分類

根據(jù)成分的不同，將適合于能源利用的生物質(zhì)分為纖維素資源、糟粕類資源、生物制品廢水資源、畜禽糞便資源和大型真菌資源等5大類。

（一）纖維素資源

纖維素物質(zhì)是植物體的主要生物質(zhì)成分，是植物體的重要組成結(jié)構(gòu)，是植物光合作用的主要產(chǎn)物，是一種高分子結(jié)構(gòu)的多糖類物質(zhì)，是地球上分布最為廣泛且分布量最大的能源物質(zhì)之一，也是幾乎所有動物維持生命活動所必需的能源物質(zhì)之一。它包括作物秸稈、林業(yè)資源和有機(jī)固體垃圾。

（二）糟粕類資源

糟粕類資源是指食品與釀造業(yè)生產(chǎn)時的廢渣，主要成分是蛋白質(zhì)、纖維素、淀粉、果膠質(zhì)等。馬鈴薯渣、醋糟、酒糟、醬油糟、果渣、黃酒渣、啤酒渣等。通過加工處理，讓糟粕再次進(jìn)入生產(chǎn)循環(huán)途徑，實(shí)現(xiàn)最大限度的資源優(yōu)化利用。

（三）生物制品廢水資源　

隨著現(xiàn)代化技術(shù)的進(jìn)步，大型工廠污水的排放量增大，給水體造成很大的危害，特別是生物制品生產(chǎn)的廢水。如制糖廠、淀粉廠，污水中含有大量的有機(jī)物和無機(jī)元素，其會造成水體營養(yǎng)化，影響水體中生物的生長。將污水中的有機(jī)物分解或提取作為再生產(chǎn)的原料，使水資源重新得到利用。

（四）家畜糞便資源

隨著科學(xué)的發(fā)展和生活水平的提高，我國規(guī)模養(yǎng)殖得到發(fā)展。家畜糞便的利用與處理成為一個循環(huán)利用的重要問題。眾所周知，糞便既是農(nóng)業(yè)資源，又是環(huán)境污染體和疾病傳染源，對糞便進(jìn)行減量化、無害化和資源化處置具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。家畜排泄物在歷史上一直作為重要的肥料來源，是優(yōu)良的有機(jī)肥?，F(xiàn)在由于利用與處理力度不夠，成為一類污染物。所以糞便資源再利用、變廢為寶、生態(tài)優(yōu)化具有重要的意義。

（五）大型真菌資源

大型真菌包括食用菌和藥用菌。由于大型真菌的發(fā)展，充實(shí)了人們的菜籃子，使原來的山珍變成尋常百姓餐桌上的普通菜肴。大型真菌生產(chǎn)過程產(chǎn)生的大量廢料的再利用，在生物質(zhì)資源循環(huán)利用中具有重要意義。