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引人注目的能源——生物质能 生物质能是人类已利用很久的能源了。只是到了今天，随着科学技术的 飞速发展，对地球上生物质有了新的认识，对开发利用这种能源的手段有了 新的创造，才把它提上了新型能源技术领域。 生物质能来源于生物质。所谓生物质就是在有机物中除矿物燃料外，所 有来源于植物、动物和微生物的可再生的物质。动物要以植物为生，而植物 则通过光合作用把太阳能转变为生物质的化学能。因此，从根本上说，一切 生物质能都是来源于太阳能。生物质也称为 “生物量”，“生物量”是生态 学中的一个术语，用以表示生物体及由于它的活动而生成的有机物总体。而 这些有机物可以用作能源。 地球上的生物质资源极为丰富，是一种无害的能源。据估计，地球每年 经光合作用所产生的干物质有1730亿吨，它所拥有的能量，相当于全世界能 源总消耗量的10～20倍，但目前利用率很低，只有1％～ 3％。全世界约有 25亿人依靠生物质能取暖、烹饪和照明，这些人大多数居住在发展中国家的 农村地区。 世界上生物质能源种类繁多，主要有农作物和农业有机残余物、林木和 森林工业残余物，还有动物排泄物、江河和湖泊的沉积物以及农副产品加工 后的有机废物、废水，城市生活有机废水和垃圾等，都可以成为生物质能的 资源。此外，藻类、水生植物和可以进行光合作用的微生物等，也是可以开 发利用的生物质能资源。所以说，生物质能源，就是通过种植能源作物和利 用有机废料，经过加工，使之转变为生物燃料的一种能源。 当今世界，常规能源危机，生态环境惨遭破坏，客观环境迫使全球能源 结构必须进行战略性改变，作为新型能源舞台上的一员，生物质能必将登台 亮相，在现代高技术群体的支撑下，扮演一个重要角色。因此，各国在调整 本国能源发展战略中，把高效利用生物质能摆在技术开发的一个重要地位， 成为能源利用中的重要课题。人们预言，生物质能必将成为下一代的一种新 能源。 绿色能源 太阳是地球上一切能量和生命的基本源泉。绿色植物本身不仅能吸收而 且还能贮备太阳的能量，就是说，绿色植物具有 “固定”太阳能的特性，也 即它能利用太阳光能进行光合作用。把二氧化碳和水合成储藏能量的有机物 （糖类），并释放出氧气来。利用这些物质就可以开发出能源，故人们称之 为 “绿色能源”。 地球上的绿色植物能 “固定”多少太阳能呢？从热量上讲，以全球表面 积5.1亿平方公里，其中陆地表面积为1.49亿平方公里，海洋为3.61亿平 17 方公里计算，陆地植物每年可以 “固定”的太阳能为 4.7×10千卡，如果 每千克绿色植物的发热量为4千卡，则可形成1180亿吨有机物；而海洋植物 17 每年则可以 “固定”太阳能为 2.2×10千卡，其发热量也按 4千卡计算， 则可形成550亿吨有机物。从能量上进行估算，全球陆地绿色植物利用的太 阳能，约占到达地面表面太阳能的4‰～5‰，为400亿千瓦；而水下绿色植 物所利用的太阳能，估计比陆地植物要多若干倍。从植物光合作用后产生有
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机碳的角度进行估算，在 1.49亿平方公里的陆地上，沙漠约占 33％左右， 森林、草原和耕地实际上约为1.02亿平方公里。在这1亿多一点儿的“绿地” 上，植物经光合作用而产生的有机碳数量，每平方公里平均是159吨。所以， 人们设想，如果全球凡能种植的土地全都种上绿色植物的话，那么全球每年 仅陆地生产的有机碳就可以达到161亿多吨。因此，人们都把植物称为 “绿 色能源”。 这些有机物充分合理地利用，就可以释放出数量极大的热能。绿色植物 在全球的总生物量，几乎与保存在地下的矿物燃料的总量相当。经实验，一 吨有机碳在燃烧过程中，可放出4017万千焦耳的热量。这样，地球上的植物， 每年所产生的能量恰好是当今世界每年能源消耗量的10～20倍，完全可以满 足到2000年时预测的人类的能源需求总量。 目前，地球上绿色植物的光合作用效率还比较低，仅为 1.5‰左右，与 正常应该达到的有效率 5‰还有很大距离，说明利用植物生产生物质能的潜 力还是很大的。 人们现在通常把主要的生物质 （生物量）资源划分为以下几大类： 一是农作物类，主要包括：产生淀粉的甘薯、玉米、番薯等；产生糖类 的甘蔗、甜菜、果实和废液等。 二是林作物类，主要包括：树木类，指白杨、悬铃木、赤杨、枞树等； 森林工业废物；以及首蓿、象草、芦苇等草木类。 三是水生藻类，主要包括：海洋性的马尾藻、巨藻、石莼、海带等；淡 水生的布袋草、浮萍等；微藻类的螺旋藻、小球藻等；蓝藻、绿藻等。 四是石油类，主要包括：橡胶树、蓝珊瑚、桉树、葡萄牙草等。 五是光合成微生物，主要包括：硫细菌、非硫细菌等。 六是未利用资源，主要包括：农产品废弃物 （如稻秸、稻壳等）、城市 垃圾 （小枝、皮、叶、锯末、低浆渣等）、林业废弃物、畜业废弃物等。 上述种种，有些是本身就带有生物能源，有些则是作为底物经过其他中 介生成生物能源。 利用现代技术，将生物质转化为能量的方法有直接燃烧，也可用生化学 和热化学法转换成气体、液体和固体燃烧，例如木材、草类、农作物等。利 用生物能可进行乙醇、甲醇、甲烷、植物油、汽油、氢等的工业生产。目前 使用的转换技术主要是生物质厌氧消化生产沼气；生物质发酵制取酒精；生 物质热分解气化等。 生物质能的转换技术，具体说，大致可分为以下三类： 一是直接燃烧。这是生物质能最简单、应用最广泛的转换技术。直接燃 烧的主要目的是为了获取热量，而燃烧热值的多少首先是与有机质种类不同 有直接关系，同时还与空气 （氧气）的供给量有关系。有机物氧化越充分， 产生的热量就越多。 普通炉灶直接燃烧生物质能的转换效率很低，一般不超过20％。现在推 广的节柴灶已可将效率提高到30％以上。 二是生物转换技术。这是生物质能通过微生物发酵方法转换为液体燃料 或气体燃料技术。一般糖分、淀粉、纤维素都可经微生物发酵生产酒精。利 用这些原料在 28℃～30℃的恒温条件下发酵36～72小时，可以转换成含 8 ％～12％乙醇的发酵醪液，经蒸馏后就可获得纯度为96％的酒精，再经化学 方法脱水，就可获得无水酒精。
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用沼气发酵方法就可以获得气体燃料。 三是化学转换技术。这是生物质能通过化学方法转换为燃料物质技术。 目前有三种基本方法。 有机溶剂提取法，这是将植物干燥切碎，再用丙酮、苯等化学溶剂，在 通蒸汽的条件下进行分离提取； 气化法，这是将固体有机物燃料在高温下与气化剂作用中产生气体燃料 的方法，根据气化剂不同，而得到不同气体燃料； 热分解法，这是将有机质隔绝空气后加热分解，可得到固体和液体燃料， 木材干馏就是热分解法的一种。 此外，生物质还可通过多种煤气发生炉转化为可燃煤气。从长远看，绿 色能源的开发利用，必将是跨世纪的大趋势，而且可以预见，21世纪生物质 能技术的发展，必将取得令人鼓舞的进步。 广泛应用 生物质能的最新应用，虽然历史短暂，但其应用范围甚广，尤其是在令 人深感迷惑不解的微观世界中的应用，让人大开眼界。 “绿色石油”——酒精 绿色植物中作为燃料使用最有价值的是纤维类生物质，它包括纤维素、 半纤维素、木质素三种成分。这是地球上分布最广的化合物。但纤维类的热 值较低，每千克只有4200千卡，利用率不高。而可以高效利用生物质能的最 佳途径是把生物质转化为液体燃料和气体燃料。为了提高其利用率，人们采 取了多种措施，利用技术手段把它们加工成其他燃料形式，如固体燃料，典 型的是木炭，其燃烧值可提高近 100％，达到每千克8000千卡；液体燃料， 如甲醇，热值每千克为4650千卡，乙醇（酒精），热值提高到每千克6400～ 7000千卡；气体燃料，如氢，热值为每千克28900千卡，一下子提高了7倍， 甲烷，热值为每千克6200千卡。 从上述实验数据可见，把植物纤维素进行一定加工改造后，可大大提高 其效能，可以成为更为灵活方便而高效的燃料能源。 用植物造酒精是否可行呢？回答是肯定的。其实，用木材造酒精的技术 并非新发明，早在二次大战之前，就已有 “木材酒精”作为液体燃料供应汽 车使用了。 现在人们把燃料酒精叫做 “绿色石油”，就是由于这种燃料来源于绿色 植物。各种水果、甜菜、甘蔗、甜高梁、粮食、木薯、玉米芯、秸杆、稻草、 木片、锯屑、草类以及许多含纤维素的原料，都可提取乙醇 （酒精）。酒精 作为燃料，对环境的污染比汽油、柴油都小得多；生产成本与汽油差不多； 用20％的酒精和汽油混合使用，汽车发动机可以不必改装。 随着现代生物技术的发展，酶制剂工业不断扩展，许多发达国家的酒精 生产普遍采用淀粉酶代替麸曲和液体曲，用酶法糖化液生产酒精发酵率竟高 达93％，大大提高了出酒率。目前国外发酵生产酒精的淀粉出酒率一般约为 56.3％。 现在看来，有可能用乙醇 （燃料酒精）作为矿物燃料的最佳替代能源。 许多国家的经验表明，燃料酒精完全可以作为内燃机燃料替代石油，而且其
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来源不会枯竭。酒清的热值虽比石油低30％，但每千克也有7000千卡。专 家们预测，由于乙醇成本低、能量高、污染少，其需求量将大幅度上升。 利用哪种纤维素提取燃料酒精，要根据各国的资源情况而定，各国酒精 工业的生产各具特色，有的国家森林面积大，造纸工业发达，就采用亚硫酸 盐纸浆废液发酵生产酒精，如北欧的瑞典、挪威、芬兰三国。而南美的巴西、 古巴等国盛产甘蔗，则全都用甘蔗糖作原料生产酒精。 巴西是发展燃料酒精工业最快的国家之一。近些年来，巴西在推用酒精 汽车燃料方面，已经取得很大成绩。在巴西全国已普遍使用酒精或使用60％ 的酒精和33％的甲醇、 7％的汽油混合液体燃料作为汽车用燃料。巴西进行 了固定化酶利用技术的研究，以便更有效地利用木薯生产乙醇。巴西政府十 分重视用乙醇取代石油的工作，现在巴西正在继续用发酵工艺从植物中获取 酒精，生产水平稳步上升，1吨甘蔗已可生产出65升纯度为96％的酒精。1 公顷土地种植甘蔗，可提取相当于28吨石油的酒清。 新西兰科学家对植物能源进行了深入研究，他们发现植物通过化学分解 后，可以得到氢气、沼气和酒精。他们还认为，在这方面最有发展前途的是 饲料甜菜、紫首蓿和松树。这些专家预测，到 2000年，仅从松树中提取的能 源就可满足新西兰全国运输部门全部燃料的需要。 瑞典对植物能源抱有更大的期望，1980年就制订了一项新的能源计划。 计划规定，树木将成为瑞典的新能源。随即，在全国种植了300公顷 “能源 树”。这些树的主要用途就是研制酒精燃料。这样，瑞典每年可获得300万 吨树汁，转变成酒精后，将相当于瑞典每年石油消耗量的50％。在北部地区 种植了大片柳树、赤杨，1～2年就可快生成材。 美国是居世界第二位的酒精燃料生产国。1983年生产总量就已达 3.75 亿加仑，占全国汽车总耗油量的5‰。早在1977年，美国能源部就制订了“国 家酒精燃料计划”，其短期目标是用剩余农产品玉米进行发酵生产酒精，以 代替汽油作为汽车燃料，其长远目标是实现纯酒精发动机的实用化，预计到 2000年，将有相当一部分汽车实现纯酒精化。据报道，美国目前销售的汽车 汽油中，实际上 70％是“酒精汽油”，就是1/10酒精和9/10汽油的混合 型燃料。 日本在1979年也制订了 “石油代用品16年开发计划”，其中主要是以 制取酒精作为研究课题，有7家私营公司参加，开发使用细菌的高速发酵设 备，以加速酒精燃料的生产。 印度也很重视生物技术在酒精生产中的发展。1991年印度罗迪加尔微生 物研究所经过4年研究，研制出一种培养新酵母品系的方法，使酒精产量翻 一番。这种新酵母品系以92％的效率把糖浆转化为酒精，在不到48小时内， 可生产出浓度12％～16％的酒精发酵醪液。印度生物技术部已在各酒精厂推 广这一新技术。 “植物发电”——甲醇 在用植物纤维素转化为绿色能源过程中，还有一种重要产品，那就是甲 醇。甲醇也是一种可以燃烧而很少污染环境的液体燃料能源。甲醇的突出优 点是，碳氢化合物、氧化氮和一氧化碳的排放量很低，而效率较高。比如用 甲醇作燃料的汽车，发动机的输出功率可比汽油、柴油车高17％左右，而排 出的氮化物只有汽油、柴油车的 50％，一氧比碳只有后者的12％。
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用甲醇作汽车燃料已引起一些国家的重视。最近，美国政府批准使用100 万辆代用燃料汽车作为减少空气污染计划的一个组成部分。福特、通用和克 莱斯等汽车公司正在加紧研制生产使用甲醇燃料的汽车，按要求到1995年， 要有50万辆使用甲醇的载货车， 1996达到75万辆， 1997年达到 100万 辆。1990年，纽约、华盛顿、洛杉矶和费城等一些大城市的政府和环保专家 提出一个方案，就是要在1991～1995年期间，各大城市的汽车全部改成使用 含 85％甲醇的汽油混合燃料，1996～2000年改成使用全甲醇的燃料。1991 年，日本甲醇汽车公司生产的首批甲醇汽车也在东京正式投入运营。 科学家们不仅使甲醇有可能最快地从实验室走向公路，而且还在扩展其 应用范围，使甲醇进入发电站。80年代末，日本通产省资源能源厅提出一项 “利用甲醇作为发电燃料”的研究课题，并组织23家公司参加，进行工业性 试验研究，开发分解纤维素的发酵技术。目前，日本已兴建了一座1000千瓦 级的甲醇发电实验站，于 1990年6月开始发电。甲醇如何发电呢？日本专家 们的做法是：先将甲醇加热使其气化，气化的甲醇与水蒸汽发生反应产生氢 气，然后以氢为燃料，在燃烧室中燃烧生成燃气，用以驱动燃气轮机带动发 电机组发电。 利用甲醇作为发电能源，优越性也很大。比如，甲醇发电的成本，目前 约为石油或天然气发电的1.5倍。但随着大面积种植高光效植物的发展和甲 醇收成成本的降低，将会使发电成本逐步降下来，而石油和天然气的价格将 有只涨不降的趋势，相比之下，甲醇发电将是便宜的； “植物甲醇”可以大 面积种植再生，而不会面临枯竭的威胁；甲醇的低污染特性是化工燃料所不 可比拟的；甲醇在常温下是液态，贮存和运输都很方便。因此，专家们认为， 21世纪初，甲醇很有希望成为常规矿物燃料的替代能源用于发电。 日本在用甲醇发电方面，将继续向前发展。他们下一步的试验机组容量 是1万千瓦级，燃气进口采用1150℃，发电效率可达41.6％。按照理论计算， 如把进口燃气温度提高到1300℃时，其效率将可达到45％。日本这家研究机 构正在研究全系统的性能、可靠性和实用化中的技术难关问题。利用甲醇作 燃料能源的大趋热已显露出来。 当然，使用甲醇燃料也不是没有问题，现在人们对它的认识还有分歧。 有人认为甲醇在燃烧时产生的甲醛大约比石油多5倍，而甲醛被认为是一种 致癌物质；还有人认为甲醇含毒，刺激眼睛。到底甲醇对环境和人体的危害 有多大？还有待于进一步研究观察。这个问题，在巴西曾引起了一场风波。 80年代末，巴西由于酒精短缺，已不能满足酒精燃料汽车的需求量，就进口 了1300万加仑甲醇，没想到由于上述可能的“有害性”问题，受到了环境部 门的指责。里约热内卢州政府受到很大压力，被迫宣布了一道禁止在市场上 销售甲醇用作汽车燃料的禁令。但巴西已经生产了众多的酒精燃料汽车，而 酒精近年来一直处于短缺危机之中，许多酒精汽车面临停驶境地，使得社会 上出现了尖锐的对立情况，以致诉诸法律解决。最后，巴西最高法院只能作 出折衷裁决：除里约热内卢州以外，全国其他地区仍可继续使用甲醇作为汽 车燃料。一场风波才算平息下来。1990年，巴西国家石油公司也在技术上拿 出折衷方案，宣布将使用 60％酒精和 33％甲醇、7％汽油组成的一种汽车 用混合燃料。 我国在这方面也取得长足发展，逐步接近世界先进水平。例如，1992年 初，一位教授，在 “第九届国际醇类燃料会议”中宣读了一篇《低比例甲醇
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汽油蒸发损失规律的研究》重要论文，透露了我国在低比例甲醇代用燃料方 面的研究，已取得了重大突破，他主持研究的 “薄膜蒸发器”属国内首创， 并被权威人士誉为国际领先地位，这些都预示着甲醇必将是未来能源舞台上 的一员骁将。 “石油植物”——石油树和石油草 前面谈到绿色植物中还有一种被称为 “石油类”的生物质。早在1977 年，美国科学家就已经发现，某些绿色植物能把太阳能迅速地转变成烃类， 而烃类是石油的主要成分。就在那一年，美国科学家果然从一种叫“霍霍巴” 的野生常绿灌木植物的乳汁中首次成功地提取出了一种宛如汽油的液体燃 料。经试用表明，它完全可以作为石油的代用品。说来凑巧，在巴西也发现 了一棵稀奇古怪的树，高30多米，树龄有100多岁了。只要在树干上挖上一 个洞，一个小时内就能流出5～10升 “柴油”；半年后又可进行第二次“开 采”，每公顷可产 “油”50桶。而更令人不解的是这种 “柴油”勿需加工提 炼，就能直接在柴油汽车上使用。实际上这种特殊的石油树叫三叶橡胶树， 在其胶浆中有1/3的石油烃，而烃类的热值每千克竟有10500千卡。在马来 西亚橡胶园中，也有这种三叶橡胶树，从其切口中流出的胶浆去掉水分后， 最终物质就是一种油液。另外，在80年代初，美国一位植物科学家从藤本植 物和灌木的树汁中提取 “汽油”，也获得成功。科学家们栽种了大片美洲香 槐，这种植物的白色汁液中含有油质，在它的其他部位也含有油质。为了获 取大量石油，他们就先把整株美洲香槐研碎，然后用一种有机溶剂提纯。这 些科学家认为，美洲香槐将是一种潜在的石油来源。在澳大利亚也发现了阔 叶棉木，其枝、叶都可提炼油类，是目前世界上产油率最高的植物。 据调查，全球已发现了上千种可生产 “绿色石油”的植物。加拿大正实 验两年轮伐的杨树能源林，美国能源部建立了5个由三角叶杨、桤木、黑槐、 糖槭树、桉树、牧豆等组成的能源试验林场；菲律宾种植了1.2万公顷银合 欢；瑞士也制订了种植10万公顷“能源林”计划，可解决每年石油需求量的 50％。 在自然界生长的这类植物，能够生出 “石油”，引起了科学家们的极大 兴趣。这种 “石油”实际上是一种低分子量的碳氢化物，它的汁液含有的分 子量在1000～5000之间，与矿物石油性质相近，科学家们把这类能产低分子 量的植物美誉为 “石油类”植物。近几年还发现了一年生的“千金子”以及 “绿玉树”，它们也都含有类似的烃类混合物的油类。美国加利福尼亚大学 一位化学家卡尔文根据这些植物的特性，1978年专门研究了几种富含碳氢类 化合物的大戟科属 “石油植物”，在加利福尼亚州种植。这些“石油植物” 的茎杆内含有一种碳氢化合物的白色乳状液，割开它们的表皮，白色乳状液 就会流出来，经提炼，每公顷竟能生产14～16立方米的 “石油”。这种植物 耐旱性强，成活率高，在贫瘠的干旱地区也能生长。而且，这些 “石油”在 燃烧时，不会产生一氧化碳和氧化硫等有害成分，因此，不会污染环境，确 是一种理想的清洁的植物燃料。人们把这类植物称为 “石油草”。由于卡尔 文培育出的“石油草”为人类开辟了一个通过光合作用利用太阳能的新天地， 从而获得了诺贝尔奖金。 科学家们近年特别强凋应大力开发和利用 “高光效植物”。所谓“高光 效植物”，就是指那些光合作用效率高于 5‰的植物，例如甘蔗、玉米、甜
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菜、甘薯等，它们具有更高的吸收二氧化碳的能力。选育和大面积种植高光 效植物，已成为生物质能开发利用的重要途径，在林业方面研究和培育光合 作用效率高、成长快、繁殖力强的树种，十分重要。新西兰用“无土栽培法” 快速繁殖杨树，一个树芽在一年内就可繁殖出100万棵树苗，这种小树苗，3 个月内便可长成1.5米高的幼树。 为了快速、增量获得生物质能的原料，许多科学家在研究林木培育技术。 美国宾夕法尼亚州大学培育出一种杂交白杨。这种白杨能使 6‰的太阳能转 化为碳水化合物，生长得特别快，且可密植，每平方米平均可栽培2～3棵。 成材砍伐后，留下的树桩还会长出新树。种植这种杂交白杨，生产、砍伐、 管理都很简便。美国加利福尼亚大学还成功地用 “无土栽培法”无性繁殖了 一种红杉。采用这种方法，能使同一良种木材产量增加50％。 “远古家族”——藻类 人们常常在潮湿的地表上看到泛起的蓝绿色、滑腻腻的 “地皮”，这些 东西的学名就叫 “蓝藻”，有人也叫它“蓝细菌”、“蓝绿藻”、“粘藻”。 这种藻类是地球最古老的生物，远在 30亿年前的远古时代，地球刚刚诞生 17亿年左右时，它就诞生了，据说生物界那时只有这类蓝藻。它在极为险恶 的环境下，潜伏在水层里，依靠它所含有的叶绿素和藻蓝素成功地利用透射 和散射的太阳光进行光合作用，成功地把二氧化碳和水合成碳水化合物。光 合作用是生物转换过程。这一过程合成的碳水化合物便是太阳能的化身。蓝 藻可以说是世界上最早的太阳能收集器、贮存器。它的出现意味着地球上以 太阳能为动力的生命形式由低级走向高级，从简单走向复杂的开始。蓝藻是 一个庞大的生物家庭。目前，已发现的蓝藻有2000多种，分隶于140属20 科。 蓝藻与其他光合细菌最大的区别是，其他光合细菌在光合过程中不会放 出氧气，而蓝藻却能源源不断地往空中输送氧气。经过长期不断地施放氧气， 终于改变了大气的组成，进而在高空形成臭氧层，挡住了紫外线，为以后的 需氧生物提供了有利的生存环境，并为海洋生物登陆提供了条件。因此，人 们把蓝藻看成是植物界的先驱，进化长河的源流，地球上最早的拓荒者。 蓝藻还能把大气中的游离氦同氢合成氨，这就是蓝藻所进行的固氮作 用。能进行固氮的蓝藻大多分化为两种细胞：营养细胞和异形胞。在光合过 程中，营养细胞能制糖和发电，而异形胞在特定条件下，能催化放出理想的 燃料——氢。 这样说来，蓝藻是一种既能光合，又能固氮，还能放氢的“综合工厂”， 这不仅是植物界绝无仅有的，就是人类社会上也无法与之比拟。可见，蓝藻 是一种贡献独特的微生物了。 人类认识和利用蓝藻的历史并不长。1889年首先由弗兰克发现蓝藻能固 氮，但当时未能确证，直到1928年才为德雷韦斯所证实。20世纪40年代蓝 藻开始在稻田里使用，它生长过程中分泌出的氮化合物和激素物质能大大帮 助水稻生长，稻田养藻，水稻一般能增产10％。 更令人感到惊异的是蓝藻竟能发电！揭开蓝藻光合、固氮、放氢的秘密， 将使人们可以用太阳能为动力，以水、二氧化碳和氮气为原料，定向地进行 发电，合成食物，生产氮肥，制造氢气。近年来，国外已经开始用蓝藻进行 发电的试验，并已取得成功。科学家们对利用蓝藻制氢也极感兴趣。
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作为生物质能源，水生植物的使用，除蓝藻外，其他许多藻类也具有很 大潜力。专家们在进行海藻种植研究中发现，藻类生物质可厌氧发酵成甲醇， 其转化率可达 50％～70％，因此证明，通过藻类可将太阳能转化成化学能。 还有人在将海藻研碎后进行发酵过程中发现，这些藻类能释放出大量近似甲 烷的可燃性气体。据估算，一公顷海藻，一年内可排出4万立方米的可燃性 气体。还有一种海藻，它能在高盐碱的水中产生大量有价值的烃类 （其中也 含有甘油）。小球藻也能提供大量热能，每克可提供22千焦耳的能量。水风 信子是沼气发酵的极好原料，它繁殖速度极快，一株水风信子经过3个月后 可产生248181个后代。 令人更为惊异的是藻类还能回收石油。 “红巨藻”（紫球藻属）能以相 当其生物量生产速度的50％的速率合成分泌出一种磺化多糖。这种多糖的粘 度和催化作用与角叉藻聚糖类似，可用于从地下的沙质形成物中回收石油。 用其回收石油的数量等于或高于用商品聚合物得到的数量。 无独有偶。同属微生物的一种细菌也能分解原油。据报道，1991年，由 日本大阪大学的今中忠行教授首次发现了在无氧环境中可以分解原油的细 菌。据说，在日本静冈县中部山区，有一股自战前就一直向外涌流的原油， 使周围环境受到严重污染。经对油流周围的土质勘察分析后找到一种以原油 为食的新菌种。它与目前所掌握的分解原油的细菌同属假单胞菌，其棒状体 形直径0.5微米，长 1.2～1.5微米。科学家认为，迄今一直难以处理的沉积 海底的原油，因这一新菌种的发现将可得到解决。更重要的是，如果用二氧 化碳和氢就可以培养这一新的细菌，那么合成接近原油成分的碳氢化合物就 将成为可能。 “海中勇士”——藻菌 浩瀚无边的海洋里，不仅蕴藏着巨大的海洋能资源，而且还具有丰富的 生物质能源资源。科学家们测定，地球上生物资源的80％在海洋里，海洋里 的生物质总量约有1350亿吨，比陆地上的生物质总量还多好几倍，开发利用 海洋生物质能源，已成为当今世界科学家们所关心的一个重要课题。 海草，这是一种生长快、繁殖力强的海洋生物能植物。把它固定在海面 下20米处的尼龙网上，就能够以惊人的速度生长，每天竟可增长0.5～1米。 这些海草收割后，可作为沼气发酵原料，也可制取燃料油。美国近年已建成 专门养殖海草的实验农场。 利用生物技术，从海洋中提取能源资源，也是海洋生物质发挥效益的重 要方面。大家都知道，海带的含碘量比海水的含碘量高得多，这说明海带有 富集碘的能力。而某些海洋生物也能富集铀。现在科学家们正在培养一种单 细胞绿藻，它具有很强的吸铀能力。这种藻菌需要一个培养过程，首先把这 种藻类放到海水中，过一段时间捞出来，放到铀浓度较高的营养板上进行培 养精选，经过反复循环 “训练”，优胜劣汰，“体强”的被 “训练”出来， 这些藻菌不但能适应铀环境，而且要把铀作为它的体内不可缺少的“粮食”。 一旦放回海水里，它们就能拼命地吸取海洋中的铀。这种海洋生物质能的应 用，虽处于实验阶段，但却是很有前途的一种能源形式。 “枯木逢春”——节柴灶与“能源林” 要说薪柴作为能源使用，的确具有悠久的历史。人类祖先很早就学会烧 柴取暖热食，可以说薪柴是老资格的绿色能源了。但多少年来，柴草和农作
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物秸杆直接燃烧的热效率很低，一般只有10％～15％，这种绿色能源被浪费 的比例太大了。随着人们对这些物质认识的深化和科学技术的发展，尤其是 在化石矿物燃料能源日趋紧张的形势下，薪柴这种生物质能源重新被人们重 视，提到新能源的技术领域里加以开发利用。 薪柴生物质一般包括秸秆、树木等。这些绿色植物，既可作为纤维素用 以转化为液态和气态燃料，也可直接燃烧。 稻壳、稻秸等作为农业废弃物，也是农作物通过光合作用而生成的生物 质。农业作物的秸秆重量差不多与收获的粮食和经济作物的重量相当。其组 成元素主要为碳、氧、氢，以及微量磷、氮、硫等。 在农村基本上都是把秸秆当作燃料烧掉，不仅热效率很低，能量浪费很 大，而且严重影响秸秆还田，使耕地有机质大量损失。像我国农村能源消耗 量有50％来源于生物质能源，而其中主要是柴草、秸杆的直接燃烧，每年总 量竟有两亿多吨。为提高能源利用率，一是推广先进的节柴灶，热效率可提 高到 30％； 二是推广先进的农村沼气技术，把秸秆作为沼气发酵原料，既 可获得优质气体燃料，又可使优质沼渣肥还田，一举两得，这是解决农村能 源的重要途径。 要获得大量的薪柴燃料，就要依靠充足的林木资源。森林覆盖率的高低， 既是决定农业生态优劣循环的关键之一，又是提供生物质固体燃料能力的重 要标志。目前，我国的森林覆盖率仅为12.7％，而且分布极不均匀。政府提 出到本世纪末力争将我国的森林覆盖率提高到20％。 专门用作薪柴的林种，称为“薪炭林”。目前，国际上普遍提倡营造“能 源林”，就是要选择速生、密植、高产、高发热量、有固氮能力的具有多种 用途的树种，以获取高产木质燃料。这样，不仅可以解决一般木炭燃料问题， 而且还可获得高品位热值的发电燃料。菲律宾的新银合欢和桉树的产量每亩 年产已达1000千克以上。现在又在发展“速生优质能源林”，就是为了将来 可取代矿物燃料发电。瑞典采用优良树种和现代化的造林技术，使其 “能源 林”的薪柴产量每亩年产高达 2300千克。我国现在薪柴林面积很小，仅有 367万公顷，只占全国育林面积的3％。因此，凡是适宜造林的地区都要大力 发展植树造林，以扩大能源燃料来源。 “变废为宝”——沼气池 高效利用生物质能的另一最佳途径就是用生物质产生沼气。所谓 “沼 气”，就是一种可以燃烧的气体，在沼泽地、河流、湖泊、污水渠、下水道 等地所冒出的气泡，就是沼气。沼气是一种高效的气体燃料，可以用于生活 能源，也可以用于动力能源。沼气的主要成分是甲烷，其次是二氧化碳，还 有少量的硫化氢、氢气、氨气、磷化三氢和水蒸气等。沼气的产生实质上就 是微生物作用的结果。 甲烷是沼气的主要成分，它是一种无色无臭的气体，它的热值比较高， 每立方米有9350千卡，沼气中的甲烷含量超过 50％时就可以燃烧。甲烷在 完全燃烧时，发出蓝色火焰，并放出大量热。为什么人们闻到沼气还有臭味 呢？就是由于沼气中含有的少量硫化氢、氨和磷化三氢的缘故，这些气体是 有毒气体。沼气因有这些杂质，使单位热值降低了，以只含60％甲烷的沼气 论，其热值每立方米只有5300～5800千卡。为了确保使用安全，在使用沼气 之前一定要经过净化处理，脱掉那些有毒气体。
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说起沼气的发现，还要追溯到 18世纪。1776年，意大利物理学家伏尔 泰首先发现，在厌氧状态下的有机物质变腐过程中能产生甲烷气体 （即沼 气）。差不多经过100年后，到 1881年，欧洲第一个市政有机废水处理的厌 氧消化工程在法国建成并投入运行。由于欧洲能源紧张，在第二次世界大战 前后，生产沼气的发酵工艺迅速发展起来，从1941年到1947年间，法国、 德国都兴建了一批小型沼气发酵工程。到五六十年代，由于矿石燃料价格便 宜， “沼气热”被冷落了，一些沼气工程相继停产。那时的沼气发酵工艺已 比较成熟，其中许多技术一直沿用至今。 到1973年发生了世界性石油危机后不久，沼气又被重新重视起来，许多 人对“绿色革命”兴趣很浓，积极主张发展沼气能源。瑞士在蒙塞里特于1976 年率先建成了一个75立方米容积处理牛粪的沼气发酵装置，随后一大批沼气 发酵工程发展起来了。截至 1987年底，10年时间西欧各国就兴建起了 743 个沼气工程，其中大型工程有 71％是农场沼气工程， 29％是工业沼气工程。 发酵罐总容积最大的有44.5万立方米。沼气发酵罐的平均产气率，在一般情 况下为每天每立方米罐容可造 1立方米沼气，有的运用厌氧过滤器等新工 艺，产量可达4立方米。其中 30％用于自身能源消耗， 70％可作为能源输 出。 沼气发酵原料十分广泛而丰富，目前， “未利用资源”中，可用于沼气 发酵的种类甚多，仅西欧各国就有农业废弃物37种，包括圈养和放养的牲畜 粪便以及农作物废物；工业废水有21种，多为农作物加工和食品工业废水； 还有糖厂的废渣、屠宰场的废水等。充分利用这些 “未利用资源”，开发沼 气能源，这对解决农村能源和处理城市垃圾，都是一条变废为宝的现实途径， 而且潜力甚大。据欧共体国家宣布，可供生产沼气的人畜粪便每年约有1410 万吨，农作物秸秆等约850万吨，市政污物890万吨，这些总数达3150万吨 的废弃物可产出相当欧共体1985年总能耗的3％左右的沼气。 我国沼气生产潜力也很大，据测算，我国全部农作物废弃物和人畜粪便 等，如全部入池发酵，每年就可制取沼气1000多亿立方米。除可全部满足农 村生活燃料需用外，还可供数百万个 5～8千瓦的沼气动力站每天工作 6小 时。从80年代初以来，全国平均每年新建沼气池近60万个，产气水平也逐 步上升，沼气的利用已从生活领域走向生产领域，并开始从农村走向城镇。 城市垃圾处理，同样可以提供大量生物质能，通过发酵沼气，转变为电 能。一个垃圾处理厂，每天处理垃圾1200吨，从中汲取沼气，作为燃料能源， 每天可获得电量1.2万千瓦。英国政府提出一份资源报告说，若能充分利用 英国各地垃圾发电，发电量可占全英发电总量的5％。1991年，德国凯尔彭 市垃圾场已成为欧洲最大的垃圾处理厂。这个工厂采用筛网和电磁铁等高技 术机械设备，每年可处理10万吨城市垃圾，把其中的废纸、木料、有机物等 运至发酵沼气厂转化为沼气。采用生物能技术处理城市垃圾、城市污泥等， 既可提供能源，又可保护环境。加拿大按计划于1992年修建第一座把下水道 淤泥变成燃料的工厂。它的工艺是把干燥了的淤泥在无氧条件下加热到 450 ℃，使50％的淤泥气化，再把这些蒸汽与炭残余物相混合。残余物能把淤泥 中的有机物转变成饱和碳氢化合物，而碳氢化合物正是液体燃料的主要成 分。用这种工艺能把淤泥变成类似柴油的燃料，可供低速发动机、锅炉，甚 至发电厂使用。 沼气是怎样产生的呢？从根本上说，是一种“发酵”的结果，也就是说，
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在极严格的厌氧条件下，即在没有氧气的情况下，复杂的有机物经多种微生 物的分解与转化作用，特别是 “产甲烷菌”的参与，使复杂有机物中的碳素 化合物彻底氧化分解成二氧比碳，一部分碳素化合物彻底还原成甲烷的过 程。在这种复杂的发酵过程中，二氧化碳是碳素氧化的最终产物，甲烷则是 碳素还原的最终产物。被分解的有机碳化物中的能量大部分转化储存在甲烷 中；一小部分有机碳化物被氧化成二氧化碳，所释放出的能量则用以满足微 生物生命活动的需要。 沼气池中生存着许多微生物，这些微生物由于在发酵过程中的作用不 同，产生的产品不同，各自发挥功能。根据它们的作用不同，分为纤维素分 解菌、脂肪分解菌、果胶分解菌。按它们的代谢产物不同，分为产酸细菌、 产氢细菌、产甲烷细菌。实际上，在发酵过程中，它们的确是在相互协调、 分工合作中完成沼气发酵的。因此， “沼气发酵”是集纤维素发酵、果胶发 酵、氢发酵、甲烷发酵等多种单一发酵于一 “罐”的混合发酵过程。 沼气发酵过程好比作战，可分为 “三大战役”： 第一战役 水解液化，这是发酵的第一阶段。参加这一战役时前面谈到的四大 “菌 种”全部出动，其任务是将复杂的有机物分解成为较小分子的化合物。它们 各自使用自己的独特 “攻击武器”——“胞外酶”，专攻击自己的猎物，使 之能转化为可溶于水的物质。比如，纤维分解菌，它能专门分泌一种纤维素 酶，用它就可使纤维素 “土崩瓦解”而溶于水，变为双糖或单糖。蛋白质分 解菌则可将蛋白质分解为氨基酸。脂肪分解菌则可将脂肪分解为甘油和脂肪 酸。 对于用纤维素作主要发酵原料的沼气发酵，纤维分解菌就是这个战役中 的主力军，它们的战斗力强弱，直接关系着沼气产量的多少。 第二战役 产酸，这是发酵的第二阶段。参加这一战役的包括细菌、真菌和原生动 物，其 “主力军”是产醋酸菌“兵团”，它们的任务就是使第一战役的“战 俘”进一步转化为小分子化合物，同时还要产生二氧化碳和氢气。“生力军” 是产氢细菌 “兵团”，它们的任务就是使那些不能为产甲烷细菌所利用的中 间产物进一步转化为乙酸、氢、二氧化碳等物质，以作为产甲烷菌用以生成 甲烷的“军需品”，为产甲烷菌提供原料，准备下一阶段的最后战役。 第一战役和第二战役是连续进行的，也统称为 “不产甲烷阶段”，实际 上这是一个甲烷原料的加工阶段。 第三战役 产甲烷，这是发酵的第三阶段。这一战役的“主力军”就是产甲烷菌“兵 团”了。产甲烷菌是一类极其古老而又极其特殊的细菌，它们是沼气发酵过 程中微生物食物链中最后一个战斗员，按它们的形态分为球菌、杆菌、八叠 球菌和螺旋菌。它们分别把 “不产甲烷阶段”的战利品——氢、二氧化碳、 乙酸 （醋酸）、甲酸盐、乙醇等，都统一生成甲烷和二氧化碳。它们的攻击 目标——底物，虽不相同，但最终成果却都能改造成甲烷。 整个沼气发酵的 “战争”就这样胜利结束了。在这里，立了最后奇功的 是产甲烷菌。因此，人们把它誉为 “核心中的核心”。 当然，真正的沼气发酵过程，比在纸上谈兵要复杂得多。为了能有效地 控制发酵效果，就还需要一整套、一系列生产工艺。产生沼气的过程是有机
