**篇 生物能源基础
第1章 生物能源概论
生物能源是以生物质为原料通过生物和化学过程得到的能源化学品。生物质原料资源丰富，包括农业废弃物(秸秆、粪污、蔬菜尾菜等)、工业废弃物(酒糟、食品加工剩余物、林业三剩等)、城市固体有机废弃物、藻类生物质以及能源作物等。生物质原料转化所得的生物能源产品可分为气体生物燃料(沼气、热解气等)、液体生物燃料(生物乙醇、生物柴油等)以及固体生物燃料(生物质成型燃料等)，其具有可持续、绿色、低碳、清洁的特点。自古以来，以煤炭、石油、天然气为主的化石燃料资源一直是人类发展的基石，然而，对化石燃料资源的过度开发和利用导致了温室气体的大量排放，从而导致全球气温上升。针对全球气候变化这一关键问题，零碳排放的概念已被全球学术界和工业界广泛接受。生物质能作为公认的零碳能源，是化石能源的重要替代品，引起人们关注。
1.1 生物质资源
生物质资源十分丰富，主要包括生物质废弃物、能源植物、能源微藻等资源，鉴于能源微生物在生物能源转化过程中发挥的关键作用及多样性，也可将其归类为生物质资源。
1.1.1 生物质废弃物
生物质废弃物是我国资源潜力*大的一类生物质资源，主要包括农林生物质废弃物(秸秆、粪污、蔬菜尾菜)、工业生物质废弃物(酒糟、食品加工剩余物、林业三剩)、生活生物质垃圾(厨余垃圾、餐饮垃圾)等。根据《3060零碳生物质能发展潜力蓝皮书》[1]，当前我国主要的生物质废弃物资源年产量约34.94亿t[wf1]，作为能源相当于4.6亿t标准煤的开发潜力，具有很大的应用前景。其中，我国2020年秸秆的理论资源量约为8.29亿t，其中约6.94亿t可收集，但秸秆的燃料化利用仅8821.5万t，秸秆资源主要分布在东北、四川、河南等产粮大省，秸秆资源前五的省份黑龙江、吉林、四川、湖南、河南占全国总量的59.9%；我国畜禽粪污的资源量达18.68亿t(不含清洗粪污的废水)，用于沼气利用的总量2.11亿t，资源集中在山东、四川、河北、河南、江苏五个养殖大省，占全国总量的37.7%。林业三剩可利用总量约为3.5亿t，其中有960.4万t被能源化利用，主要集中在我国南部山区，广东、广西、云南、湖南、福建五省的资源量占全国总量的39.9%。我国生活垃圾(厨余垃圾占比约一半)资源量为3.1亿t，其中焚烧量约1.43亿t，集中在人口稠密的东部地区，广东、山东、河南、浙江、江苏五省的资源量占全国总量的36.5%。废弃油脂年产1055.1万t，仅52.76万t被资源化利用；污水污泥年产1447万t(干重)，约114.69万t被资源化利用，集中在城市化程度较高的地区，北京、广东、山东、浙江、江苏五省市的资源量占全国总量的44.3%。另外，大量蔬菜尾菜、酒糟、地沟油等食品加工废弃物等，也是生物能源利用的重要原料。总体来说，我国生物质废弃物资源丰富，资源总量呈现出不断上升的趋势，预计将维持1.1%以上的年增长率。预计2030年我国生物质废弃物资源总量约37.95亿t，到2060年将达到53.46亿t。
1.1.2 能源植物
能源植物从狭义上来说，是富含淀粉、纤维、脂肪等可应用于提取能源的植物。但从广义上来说，一切使用目的是获取能源(直接燃烧、气体、液体或者固体等)的植物，都可以定义为能源植物(藻类、草本、木本、一年生或者多年生等)。这种广泛性使得能源植物的分类标准难以统一，对其分类一直饱受争议。常见的分类方法有很多，包括但不限于植物系统分类法、生活周期分类法、光合途径分类法、化学成分分类法以及时间序列分类法等。其中化学成分分类法是目前比较常见的一种分类方法，该方法是以植物中所含有的某一种或一类可以用于提炼能源的物质进行分类的，常见的主要有糖类能源植物(甘蔗、菊芋、甜高粱、甜菜等)、淀粉类能源植物(玉米、木薯、甘薯等)、油料类能源植物(油菜、蓖麻、棕榈、麻疯树以及富含油脂藻类等)、纤维素类能源植物(柳枝稷、芒草、杨树、桉树等)等四大类[2-4]。在一些国家，能源植物被用作制备生物能源的主要原料，如德国利用玉米厌氧发酵制备沼气，巴西利用甘蔗制备生物乙醇，美国利用大豆制备生物柴油。我国为保证“不与人争粮、不与粮争地”，主要发展非粮能源植物，种类繁多，如西南分布广泛的甘蔗和麻疯树、北方常见的甜高粱和甜菜、长江流域分布广泛的油菜、西北的黄连木，芒草、柳枝稷、木薯、棕榈、水葫芦等资源也十分丰富。
1.1.3 能源微藻
微藻是一类在显微镜下才能辨别其形态的微小的藻类群体，主要生长在陆地、湖泊和海洋中，含蛋白质、藻蛋白、蓝藻蛋白、脂肪酸等物质。其油脂含量可达20%～80%，可作为生物柴油的主要原材料使用。微藻作为第三代可再生能源的原料来源之一，具有光合效率高、生长周期短、不占用耕地资源、可高密度大规模生产等特点，是未来*有潜力替代化石燃料的资源[5]。同时，微藻对极端环境适应能力强，可以利用废水中的氮、磷等元素合成自身生物质，实现与废水处理的耦合。现阶段制约微藻能源规模化发展的主要因素是生产成本，其中微藻的培养成本*高，占微藻能源化生产总成本的70%以上[6， 7]，而在微藻培养过程中水资源消耗占其培养成本的6%～20%[8]。提高微藻的生物质产量和利用效率，减少微藻培养过程中淡水资源的消耗，可以有效地降低其生产成本。利用废水为微藻生长提供大量廉价原料，对能源生产、净化水体、修复生态有着重要的实际价值。
1.1.4 能源微生物
能源微生物是指能够将生物质转化为液体或气体燃料，以及与生物质转化密切相关的微生物的总称，包括木质纤维素乙醇转化、产甲烷、产氢或产脂等相关微生物。这些微生物分别与沼气、生物乙醇、生物氢气、生物柴油和生物燃料电池等能源的转化有直接的关系[9]。除此之外，前几年发现了一些能够产烃类化合物的微生物[10]，这种烃类化合物的成分与生物柴油的某些组分类似，这一发现为能源微生物的研究开辟了新的领域。近年来国内外针对农业废弃物进行的生物质转化成为国内研究的重点，主要涉及秸秆厌氧发酵产沼气和生物乙醇。沼气是*早被人们利用且应用范围广泛的一类生物能源，而生物乙醇是近年来发展较快的一类生物能源，特别是利用木质纤维素转化乙醇成为关注的热点。这两大类的生物质转化中主要是厌氧微生物起到关键作用。
1.2 生物能源产品
以生物质制备所得的生物燃料从形态上可以分为三类，即气体生物燃料、液体生物燃料和固体生物燃料。气体生物燃料主要包括由生物质经过厌氧发酵所得沼气、沼气提纯所得的生物天然气、生物氢气，以及由生物质热解所得的热解气。液体生物燃料主要包括生物乙醇、生物丁醇和生物柴油等。固体生物燃料在我国一般是指生物质成型燃料，通过专用燃烧设备直接燃烧使用。
1.2.1 气体生物燃料
生物质转化为气体燃料主要有两种途径。**种途径即厌氧发酵途径，一般利用畜禽粪便、农作物秸秆、高浓度有机废水、有机垃圾等生物质废弃物在厌氧(没有氧气)条件下发酵，被种类繁多的发酵微生物分解转化后得到沼气，沼气的主要成分是60%～70%的甲烷，30%～40%的二氧化碳，少量氢气、氮气、硫化氢等其他气体，沼气可以通过沼气发电机实现热电联供，也可以提纯后制成生物天然气以替代化石天然气。目前沼气/生物天然气的生产与利用已经实现商业化应用，尤其是在欧洲，沼气/生物天然气的能源供应占据了可再生能源的相当比例，我国近年来也建设了众多规模化的沼气工程和生物天然气工程。国内外也有众多学者研究生物制氢，同样是利用生物质厌氧发酵制备氢气，或通过光合细菌制备氢气，但受限于技术相对不够成熟，目前尚缺乏商业化应用的案例。第二种途径即热化学转化途径，也称为热解技术。固体生物质热解是利用有机物的热不稳定性，在无氧或缺氧条件下受热分解的过程。热解过程有机物发生化学分解，不仅得到气体燃料，在一定工艺条件下也会产生液体或固体可燃物质。热解气的成分主要包括氢气、一氧化碳、甲烷、水蒸气、二氧化碳、氨气、硫化氢、氰化氢等。热解液主要包括有机酸、芳烃、焦油、甲醇、丙酮、乙酸等。固体残渣主要包括灰渣、炭黑等含纯碳和聚合高分子的含碳物。20世纪70年代初期，热解技术被应用于城市固体废物，随着现代工业的发展，热解处理已经成为一种有发展前景的固体废物处理方法之一。
1.2.2 液体生物燃料
液体生物燃料主要包括生物醇和生物油。生物乙醇可以直接作为燃料或作为添加剂直接添加到汽油中使用而无须对发动机做任何改造，根据我国乙醇汽油的国家标准，乙醇添加量为10%。生物乙醇的制备过程是*先生物质预处理得到糖单体(葡萄糖)，糖在各种微生物(酵母、细菌、酶)存在下发酵得到乙醇，乙醇经过蒸馏纯化后作为燃料使用。美国和巴西是生物乙醇的生产大国，其中美国主要以玉米制作生物乙醇，巴西主要以甘蔗为原料。我国当前也在大力推广乙醇汽油，因其不仅可以减少化石燃料使用，还可有效减少汽车尾气中PM2.5和CO等污染物及碳排放，但我国为保证粮食供应，前期主要使用甜高粱、木薯等非粮食作物作为原料。木质纤维素被认为是制备第二代生物乙醇的原料，其瓶颈在于如何将它转化为糖，目前糖化技术已取得重大突破，具有良好的市场前景。第三代生物乙醇利用藻类等高效光生物反应器为原料制备乙醇，但技术尚不成熟，远未达到工业化水平。
生物柴油是产量第二大的液体生物燃料。根据国际能源署(IEA)统计数据，2020年生物柴油(含加氢植物油)全球产量为480亿L。生物柴油可以与柴油混合使用，也可以单*使用。**代生物柴油是由脂肪酸或三甘油酯与醇(甲醇、乙醇)在碱性或酸性催化剂存在下通过酯化或转酯化反应生成，脂肪酸(甲、乙)酯从甘油中分离出来直接用作燃料。第二代生物柴油采用加氢处理，该过程通过将植物油与溶剂在石油精炼装置中混合后加氢处理实现。棕榈油、葵花籽油、菜籽油、大豆油可用作油脂原料，但是它们作为食用油一般价格都较高。生物柴油生产的瓶颈在于如何获取低品质或废油来降低成本，避免与食品行业竞争。但这些廉价油通常含有大量水分和其他一些杂质而使转化过程变得复杂。基于此，一些非食用油如菜蓟油、麻疯树油、卡兰贾油被认为可以成为制备生物柴油的优选原料。此外，目前很多科研工作者也正在将目光转向利用微藻中的油脂来制备第三代生物柴油。
1.2.3 固体生物燃料
固体生物燃料一般指生物质成型燃料。制备方法一般是将木屑、稻壳、秸秆等农林废弃物进行破碎、除杂、混合、软化、调质、挤压、烘干等物理处理后，制成颗粒状的成型燃料。生物质成型燃料的使用一般需要专用炉具，用于提升燃烧效率并减少污染物的排放，成为高效的清洁燃料。相对于生物处理所产生的燃料，成型燃料工艺简单、易于推广，但处理过程能耗相对较高，其燃烧的污染控制也存在一些问题。
1.3 生物能源与碳中和
2020年第七十五届联合国大会上，世界各国纷纷提出了碳中和目标，实现碳中和，已成为人类发展的共识。碳中和指在一定时期内人为的温室气体排放与移出达到一种平
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