沼氣池建設(shè)專家
能源草發(fā)酵產(chǎn)沼氣的研究進(jìn)展
摘要：針對當(dāng)前世界能源的利用情況，分析了能源草經(jīng)厭氧發(fā)酵生產(chǎn)生物質(zhì)能――沼氣的可行性，并從能源草的資源收集及培育、原料草種植及收獲、原料預(yù)處理、微生物接種物類別、發(fā)酵條件控制以及氣體成分分析等6個(gè)方面綜述了國內(nèi)外的研究進(jìn)展，并對其發(fā)展前景做出展望。
關(guān)鍵詞：能源草；生物質(zhì)能；沼氣
AbstractAccording to the current utilization situation of energy in the world， the feasibility of producing biomass energy， biogas， from energy grasses through anaerobic fermentation was analyzed. And related research progresses at home and abroad were overviewed from 6 aspects of collection and breeding of energy grass resources， cultivation and harvest of energy grasses， pretreatment of raw materials， category of inoculated microorganism， controlling of fermentation condition and analysis of gas composition. The development prospects were forecasted.
Key wordsEnergy grass； Biomass energy； Biogas
能源是人類社會生存的必要資源和重要戰(zhàn)略物資，是國民經(jīng)濟(jì)的命脈。但是，按照目前的儲存量和開采能力測算，世界上的煤炭、石油、天然氣的可采年限分別是230、45、61年[1]。隨著常規(guī)能源的日益枯竭以及大量利用化石能源所排放的二氧化硫和二氧化碳對人類生存環(huán)境的嚴(yán)重威脅，必須尋找可持續(xù)的能源道路，開發(fā)利用新能源無疑是出路之一。生物質(zhì)能具有資源量大、無污染以及可再生等優(yōu)點(diǎn)，有望解決世界能源短缺、環(huán)境污染等重大問題。能源植物是一種可再生的生物質(zhì)資源，物種豐富，綠色清潔，種植面積大[2]。其中，草本能源植物被認(rèn)為是最有發(fā)展前景的生物質(zhì)原料之一[3]。
沼氣熱值高，是生物質(zhì)能源中較具開發(fā)和利用前景的一類可再生能源。沼氣是生物質(zhì)在適宜的溫度、濕度、酸堿度和厭氧條件下，經(jīng)過微生物的發(fā)酵作用而最終產(chǎn)生的一種可燃的混合氣體，其主要成分是甲烷（50%～70%）和二氧化碳（30%～40%），其余氣體為氫氣、氮?dú)?、硫化氫等。沼氣燃燒時(shí)釋放出大量熱量，熱值為23 027～25 123 kJ/m3。
能源草生物量大并且含有豐富的木質(zhì)纖維素，如柳枝稷（Panicum virgatum）生物產(chǎn)量可達(dá)20 t/hm2以上[4]，細(xì)胞壁含纖維素37.1%、半纖維素32.1%、木質(zhì)素17.2%[5]。目前厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣是利用木質(zhì)纖維素材料轉(zhuǎn)化為生物能源的最有前景的方法之一[4]。
1研究進(jìn)展
1.1能源草的資源收集及培育
尋找一種適合厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣的草本能源植物，需要做大量的收集研究工作，還需利用育種和生物技術(shù)對目標(biāo)植物進(jìn)行改良，以提高生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)化率和改善轉(zhuǎn)化產(chǎn)品的質(zhì)量。20世紀(jì)80年代，美國和歐洲就已經(jīng)將多年生草本植物作為能源植物進(jìn)行系統(tǒng)篩選與研究，培育出了專用型能源草品種，實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；N植和開發(fā)利用。1984年，美國啟動“能源草研究計(jì)劃”，集中對35種草本植物進(jìn)行篩選，獲得了18種具有開發(fā)利用潛力的能源草[6]。歐洲對大約20種多年生草本植物進(jìn)行研究，最終選擇了芒（Miscanthus sinensis）、?草（Phalaris arundinacea）、柳枝稷（Panicum virgatum）和蘆竹（Arundo donax） 4種能源草做更深層次的研究[7]。
我國地域廣闊，植物豐富多樣、分布廣泛，草本能源植物種類繁多，在能源草種質(zhì)資源收集篩選方面已經(jīng)開展了大量的研究工作，并取得了重要的研究成果。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蘭州畜牧與獸藥研究所自“八五”期間開始對國產(chǎn)狼尾草（Pennisetum alopecuroicles）種質(zhì)資源進(jìn)行收集、鑒定和馴化栽培研究，總共收集到7種47份材料。近10年來，北京草業(yè)與環(huán)境研究發(fā)展中心收集包括柳枝稷、芒草、蘆竹、芨芨草（Achnatherum splendens）和雜交狼尾草（Pennisetum hybrid）等各類能源草資源208份[8]。鄢家俊等[9]通過對四川境內(nèi)岷江流域、青衣江流域和沱江流域野生斑茅（Saccharum arundinaceum）的收集以及其生物學(xué)性狀的觀察，建議將斑茅作為能源植物進(jìn)行開發(fā)利用。
如果能源植物細(xì)胞壁含有較高的木質(zhì)素，將會影響其生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)化效率。常瑞娜等[10]克隆得到了五節(jié)芒（Miscanthus floridulus）木質(zhì)素合成的關(guān)鍵酶基因CCoAOMT和4CL，這將有助于進(jìn)一步改良能源植物。芒屬能源草轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)能是相對新型的產(chǎn)業(yè)，需要育種和生物技術(shù)的支撐[11]。對于柳枝稷來說，未來要做的工作就是增加高產(chǎn)雜交種的品種數(shù)和使用轉(zhuǎn)基因技術(shù)提高產(chǎn)量和纖維素含量[12]。
1.2原料草種植及收獲
能源草是所有可生產(chǎn)生物質(zhì)能源的草類能源植物的統(tǒng)稱，一般為越年或者多年生高大的草本植物或者灌木[13]。它具有以下特點(diǎn)：生長迅速，生物產(chǎn)量高；抗逆性強(qiáng)，種植成本低；無污染，生態(tài)效益好；可再生，經(jīng)濟(jì)效益高[14]。 能源草原料是影響產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一大因素，目前很多國家都已經(jīng)開始大量種植能源草。在愛爾蘭超過90%的供農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的土地都種上了能源草[15]。芬蘭的草蘆種植面積到2006年時(shí)已經(jīng)超過17 000 hm2[16]。美國計(jì)劃到2030年，多年生能源植物所產(chǎn)生的生物質(zhì)能將占所有生物可再生能源的35.2%[17]。
能源植物在不同時(shí)期收獲后，經(jīng)厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的量不同，主要原因是植物的化學(xué)組成隨生長時(shí)間而變化[18]。Lehtomki等研究了收獲時(shí)期對洋姜（Helianthus tuberosus）、梯牧草（Phleum pratense）-紅三葉（Trifolium pratense）混合以及草蘆等多種能源植物沼氣產(chǎn)量的影響，得出隨著能源植物的成熟，大多數(shù)植物每噸濕重的沼氣產(chǎn)量增加[19]。而Massé等研究了柳枝稷和草蘆在中夏、晚夏和早秋三個(gè)時(shí)期收獲，厭氧發(fā)酵后青貯草料所產(chǎn)生的沼氣量變化，得出中夏時(shí)收獲能源草發(fā)酵所產(chǎn)沼氣量最高，延遲收獲會降低沼氣產(chǎn)量。在能源草的整個(gè)生長周期中哪些因素影響其沼氣產(chǎn)量還需要更深入的研究[20]。
1.3原料預(yù)處理
由于木質(zhì)纖維素原料具有較高的結(jié)晶度和聚合度，原料轉(zhuǎn)化之前要進(jìn)行預(yù)處理以提高產(chǎn)品的產(chǎn)出率。預(yù)處理的作用主要是改變天然纖維的結(jié)構(gòu)，降低纖維素的聚合度和結(jié)晶度，破壞木質(zhì)素、半纖維素的結(jié)合層，脫去木質(zhì)素。預(yù)處理的方法主要有物理法、化學(xué)法及生物法等。
近年來，有關(guān)能源草發(fā)酵預(yù)處理的研究較多。鄒星星等[21]對互花米草（Spartina alterniflora）在厭氧發(fā)酵前進(jìn)行蒸汽爆破處理，發(fā)酵實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著汽爆壓力的增加，累積產(chǎn)氣率呈下降趨勢。Jackowiak等[22]研究了微波預(yù)處理的溫度與處理時(shí)間對柳枝稷厭氧發(fā)酵率的影響，發(fā)現(xiàn)只有溫度對其有明顯的影響。Frigon等[23]研究了冬夏兩季收獲的柳枝稷經(jīng)過溫度、聲波降解、堿化、高壓等預(yù)處理后發(fā)酵產(chǎn)沼氣的情況，最終結(jié)論為溫度、聲波降解、高壓對冬季收獲的柳枝稷發(fā)酵產(chǎn)沼氣無明顯影響，但能提高夏季收獲的柳枝稷發(fā)酵產(chǎn)沼氣量。李連華等[24]研究了蒸汽加熱、超聲波及凍融對華南地區(qū)多年生王草（Pennisetum purpureum× P.americanum）厭氧發(fā)酵性能的影響，相比而言，蒸汽加熱能夠明顯降低王草的結(jié)晶度，提高沼氣產(chǎn)氣率。Li等[25]采用熱處理和微波對雜交狼尾草進(jìn)行厭氧發(fā)酵預(yù)處理，結(jié)果表明熱處理提高了其厭氧發(fā)酵的沼氣產(chǎn)量，而微波處理卻起到了相反的作用。肖正等[26]利用沼液對巨菌草（Pennisetum sinese Roxb）進(jìn)行堆漚處理，15天累積產(chǎn)氣量為406 ml/TS。
1.4微生物接種物類別
由于在厭氧發(fā)酵過程中微生物起到了至關(guān)重要的作用，而能源草本身所附著的微生物菌群數(shù)量較少，所以在進(jìn)行能源草厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣時(shí)需要準(zhǔn)備大量的接種物。產(chǎn)甲烷菌在大自然中分布較廣，如新鮮的動物糞便、污水處理廠的污泥以及腐敗的河泥都能滿足能源草發(fā)酵產(chǎn)沼氣的要求。宋立等[27]比較了羊糞、鴨糞和兔糞的厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣潛力，得出鴨糞最好，羊糞次之，兔糞最差。劉德江等[28]設(shè)定了3個(gè)牛糞發(fā)酵濃度梯度（總固體物質(zhì)含量為6%、8%和10%）來研究其對厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣中甲烷和硫化氫含量的影響，結(jié)果表明8%為發(fā)酵最佳濃度。Xie等[29]設(shè)定了1∶0、3∶1、 1∶1、1∶3 和0∶1五個(gè)豬糞與青貯草混合比，來研究糞草比對厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響，結(jié)果表明1∶1時(shí)沼氣中甲烷含量最高。
1.5發(fā)酵條件控制
厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的溫度、初始pH值以及系統(tǒng)中原料的濃度等因素一直是厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣所研究的領(lǐng)域。一般情況下，厭氧發(fā)酵反應(yīng)在較高溫度下能夠較快地進(jìn)行，因?yàn)榇藭r(shí)微生物新陳代謝較快，但高溫時(shí)反應(yīng)系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。劉榮厚等[30]以豬糞為發(fā)酵原料，研究了室溫、中溫（37℃）和高溫（52℃）對其厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響，結(jié)果表明，在發(fā)酵初、中期，室溫和高溫實(shí)驗(yàn)組微生物的活性受到影響進(jìn)而抑制了甲烷化反應(yīng)，發(fā)酵后期高溫實(shí)驗(yàn)組的日產(chǎn)氣量明顯高于另兩組。朱洪光等[31]設(shè)置中溫組（35±2）℃和室溫組為15～33℃研究互花米草產(chǎn)沼氣情況，發(fā)現(xiàn)互花米草適合作為生產(chǎn)沼氣的原料，中溫組日平均產(chǎn)氣率為4.58 ml/（g?d），常溫組日平均產(chǎn)氣率為2.54 ml/（g?d），差別十分明顯。趙洪等[32]設(shè)定了7個(gè)pH值梯度（5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5），分析了pH值對新鮮豬糞厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣特性的影響，研究發(fā)現(xiàn)pH值6.5組啟動最快，pH值7.0組和pH值6.5組的總產(chǎn)氣量最高，pH值7.0組的甲烷含量最高，得出發(fā)酵體系的pH值為6.5～7.0時(shí)可促進(jìn)厭氧發(fā)酵的啟動，提高沼氣的質(zhì)量。王曉曼[33]以早熟禾（Poa annua L.）、佛手瓜（Sechium edule）莖葉和番茄（Solanum lycopersicum）莖葉為發(fā)酵原料，研究了3種原料的產(chǎn)氣潛力，得出早熟禾累積產(chǎn)氣量最高，影響產(chǎn)氣量的主因素排序?yàn)榻臃N量>發(fā)酵濃度>碳氮比，影響甲烷含量的主因素排序?yàn)榻臃N量>碳氮比>發(fā)酵濃度。
1.6氣體成分分析
沼氣中甲烷及二氧化碳的含量是反映厭氧發(fā)酵過程運(yùn)行狀況的重要參數(shù)。目前，沼氣成分檢測的主要方法有奧氏氣體分析方法、氣相色譜GC分析方法、熱催化元件檢測方法和紅外檢測方法等。在測量甲烷量程上，熱催化元件檢測法為0～5%，其余3種的測量量程為0～100%；氣體成分分析時(shí)，奧氏氣體分析方法和氣相色譜GC分析方法還可測定二氧化碳和氧氣的含量，紅外檢測方法除了可以測定二氧化碳和氧氣的含量外，還可測定硫化氫的含量，而熱催化元件檢測法則只能測定甲烷的含量；4種分析方法的氣體分析時(shí)間分別為1 h、30 min、30 s、5 s；在設(shè)備及藥品的購買價(jià)格上，紅外檢測方法和氣相色譜GC分析方法比奧氏氣體分析方法和熱催化元件檢測方法高10倍以上[34]。因此，4種分析方法各有利弊。另外，還可通過利用氫氧化鈉、氫氧化鉀或者其他強(qiáng)堿性溶液吸收沼氣中的二氧化碳和硫化氫，測定沼氣中甲烷和二氧化碳的含量[35]。粗略估算時(shí)可以通過觀察沼氣燃燒的火焰顏色來確定氣體中甲烷的含量[36]。 2展望
世界能源問題日益突出，迫使各國開發(fā)和利用新能源以緩解國內(nèi)能源的短缺。生物質(zhì)能的利用是解決能源問題的一條重要途徑。然而，目前能源草的研究工作并不成熟，仍需研究工作者的繼續(xù)努力。
2.1能源草的資源收集及培育
在能源草的資源收集方面，我國已經(jīng)做了很多研究，但還要在此基礎(chǔ)上開展更加廣泛的能源草野生種植資源的調(diào)查工作，進(jìn)而豐富可利用能源草的多樣性。此外，還要建立良好的能源草資源評價(jià)體系，以篩選出適應(yīng)性好、生物產(chǎn)量高、植物化學(xué)成分優(yōu)異的能源草本植物。育種工作者應(yīng)進(jìn)行有針對性的育種研究，如要在邊際土地上種植能源草，就應(yīng)以耐干旱、耐鹽堿、耐貧瘠為育種目標(biāo)進(jìn)行研究。
2.2原料草種植及收獲
對于具有利用潛力的能源草，應(yīng)該先進(jìn)行栽培管理試驗(yàn)，研究并掌握大面積種植時(shí)所需要的栽培、管理、生產(chǎn)以及運(yùn)輸?shù)纫幌盗屑夹g(shù)，進(jìn)而為生物質(zhì)能源生產(chǎn)提供更多的、優(yōu)質(zhì)的原料。結(jié)合我國國情，發(fā)展能源草種植應(yīng)該遵循“三不一充分”方針，即不爭糧，不爭耕地，不爭（食用）油、糖，充分利用邊際土地[37]。資料顯示，我國共有各類宜能邊際土地3 420萬公頃，其中宜能荒地約2 680萬公頃[38]。如果這些土地都種上能源草，不僅能解決能源草轉(zhuǎn)化生物質(zhì)能源的原料問題，還會發(fā)揮很大的生態(tài)效益。但是，邊際土地的生態(tài)環(huán)境比較惡劣，難以滿足大多數(shù)作物直接播種時(shí)對土壤條件的要求，所以以后的研究方向應(yīng)該放在采用何種技術(shù)能夠使播施的種子順利完成種子萌發(fā)和早期幼苗階段的生長，例如可以嘗試采用種子包衣來提高種子的發(fā)芽率和保苗率。
確定能源草的收獲時(shí)期對于能源草轉(zhuǎn)化生物質(zhì)能源的研究工作至關(guān)重要，目前這方面的研究較少，將成為以后的研究重點(diǎn)。能源草收獲后，如果貯藏方式不恰當(dāng)將會導(dǎo)致微生物容易利用的糖類、蛋白質(zhì)等營養(yǎng)的流失，可以采取青貯保存能源草以避免此現(xiàn)象的發(fā)生。青貯過程草料暴露時(shí)間較少，幾乎不受日曬、雨淋等天氣條件的影響，并且青貯的微生物發(fā)酵過程會降解一部分纖維素，改善轉(zhuǎn)化生物質(zhì)能過程中纖維素難降解的問題。
2.3原料預(yù)處理
預(yù)處理能夠加速纖維素的分解，有效地提高能源草轉(zhuǎn)化沼氣的效率，縮短產(chǎn)氣周期。但是，能源草的原料預(yù)處理也存在一些問題，諸如增加了一定的費(fèi)用，并且化學(xué)處理還會出現(xiàn)二次污染現(xiàn)象。所以應(yīng)在原有的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)對生物法預(yù)處理的研究工作，以找到成本低、高效的生物酶和微生物等。
2.4微生物接種物類別
能源草厭氧發(fā)酵過程需要微生物的參與，不同的微生物接種物會直接導(dǎo)致微生物菌群類型和數(shù)量的差異，進(jìn)而會影響能源草厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的啟動和運(yùn)行，所以應(yīng)該尋找到適合能源草厭氧發(fā)酵的微生物接種物。能源草具有飼用價(jià)值，例如柳枝稷[39]，可以嘗試將采食能源草的動物所排泄的糞便作為微生物接種物進(jìn)行沼氣發(fā)酵試驗(yàn)，并評價(jià)經(jīng)動物自身選擇后的消化道微生物區(qū)系對發(fā)酵試驗(yàn)的影響。
2.5發(fā)酵條件控制
為使厭氧發(fā)酵過程獲得最大的生產(chǎn)效率，整個(gè)生產(chǎn)過程必須處于最優(yōu)化的運(yùn)行參數(shù)和環(huán)境條件下。影響沼氣發(fā)酵的重要工藝條件有溫度、酸堿度、濃度等，其中溫度較難受到控制，因?yàn)槠渲苯佑绊懙轿⑸锞旱姆€(wěn)定，所以在以后的研究中應(yīng)將確定適合能源草厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的溫度范圍作為重點(diǎn)。
3結(jié)語
生物質(zhì)能作為可再生能源的研究開發(fā)始于20世紀(jì)70年代初的“石油危機(jī)”，發(fā)展至今有些國家已經(jīng)獲得了成功。我國的研究工作也在進(jìn)行，能源草轉(zhuǎn)化的研究工作還處于起步階段，研究尚不系統(tǒng)，仍需加強(qiáng)能源草資源的開發(fā)及轉(zhuǎn)化技術(shù)的研究，依靠國家政策推廣種植能源草，實(shí)現(xiàn)能源草轉(zhuǎn)化產(chǎn)業(yè)化，為社會主義新農(nóng)村建設(shè)和國家能源安全做出貢獻(xiàn)。
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