能源草发酵产沼气的研究进展

高凤芹等

摘要：针对当前世界能源的利用情况，分析了能源草经厌氧发酵生产生物质能——沼气的可行性，并从能源草的资源收集及培育、原料草种植及收获、原料预处理、微生物接种物类别、发酵条件控制以及气体成分分析等6个方面综述了国内外的研究进展，并对其发展前景做出展望。

关键词：能源草；生物质能；沼气

中图分类号：S216.4 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2014）03-0135-05

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

能源是人类社会生存的必要资源和重要战略物资，是国民经济的命脉。但是，按照目前的储存量和开采能力测算，世界上的煤炭、石油、天然气的可采年限分别是230、45、61年[1]。随着常规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对人类生存环境的严重威胁，必须寻找可持续的能源道路，开发利用新能源无疑是出路之一。生物质能具有资源量大、无污染以及可再生等优点，有望解决世界能源短缺、环境污染等重大问题。能源植物是一种可再生的生物质资源，物种丰富，绿色清洁，种植面积大[2]。其中，草本能源植物被认为是最有发展前景的生物质原料之一[3]。

沼气热值高，是生物质能源中较具开发和利用前景的一类可再生能源。沼气是生物质在适宜的温度、湿度、酸碱度和厌氧条件下，经过微生物的发酵作用而最终产生的一种可燃的混合气体，其主要成分是甲烷（50%～70%）和二氧化碳（30%～40%），其余气体为氢气、氮气、硫化氢等。沼气燃烧时释放出大量热量，热值为23 027～25 123 kJ/m3。

能源草生物量大并且含有丰富的木质纤维素，如柳枝稷（Panicum virgatum）生物产量可达20 t/hm2以上[4]，细胞壁含纤维素37.1%、半纤维素32.1%、木质素17.2%[5]。目前厌氧发酵生产沼气是利用木质纤维素材料转化为生物能源的最有前景的方法之一[4]。

1研究进展

1.1能源草的资源收集及培育

寻找一种适合厌氧发酵生产沼气的草本能源植物，需要做大量的收集研究工作，还需利用育种和生物技术对目标植物进行改良，以提高生物质能的转化率和改善转化产品的质量。20世纪80年代，美国和欧洲就已经将多年生草本植物作为能源植物进行系统筛选与研究，培育出了专用型能源草品种，实现了规模化种植和开发利用。1984年，美国启动“能源草研究计划”，集中对35种草本植物进行筛选，获得了18种具有开发利用潜力的能源草[6]。欧洲对大约20种多年生草本植物进行研究，最终选择了芒（Miscanthus sinensis）、虉草（Phalaris arundinacea）、柳枝稷（Panicum virgatum）和芦竹（Arundo donax） 4种能源草做更深层次的研究[7]。

我国地域广阔，植物丰富多样、分布广泛，草本能源植物种类繁多，在能源草种质资源收集筛选方面已经开展了大量的研究工作，并取得了重要的研究成果。中国农业科学院兰州畜牧与兽药研究所自“八五”期间开始对国产狼尾草（Pennisetum alopecuroicles）种质资源进行收集、鉴定和驯化栽培研究，总共收集到7种47份材料。近10年来，北京草业与环境研究发展中心收集包括柳枝稷、芒草、芦竹、芨芨草（Achnatherum splendens）和杂交狼尾草（Pennisetum hybrid）等各类能源草资源208份[8]。鄢家俊等[9]通过对四川境内岷江流域、青衣江流域和沱江流域野生斑茅（Saccharum arundinaceum）的收集以及其生物学性状的观察，建议将斑茅作为能源植物进行开发利用。

如果能源植物细胞壁含有较高的木质素，将会影响其生物质能的转化效率。常瑞娜等[10]克隆得到了五节芒（Miscanthus floridulus）木质素合成的关键酶基因CCoAOMT和4CL，这将有助于进一步改良能源植物。芒属能源草转化为生物质能是相对新型的产业，需要育种和生物技术的支撑[11]。对于柳枝稷来说，未来要做的工作就是增加高产杂交种的品种数和使用转基因技术提高产量和纤维素含量[12]。

1.2原料草种植及收获

能源草是所有可生产生物质能源的草类能源植物的统称，一般为越年或者多年生高大的草本植物或者灌木[13]。它具有以下特点：生长迅速，生物产量高；抗逆性强，种植成本低；无污染，生态效益好；可再生，经济效益高[14]。endprint

能源草原料是影响产业发展的一大因素，目前很多国家都已经开始大量种植能源草。在爱尔兰超过90%的供农业生产的土地都种上了能源草[15]。芬兰的草芦种植面积到2006年时已经超过17 000 hm2[16]。美国计划到2030年，多年生能源植物所产生的生物质能将占所有生物可再生能源的35.2%[17]。

能源植物在不同时期收获后，经厌氧发酵产沼气的量不同，主要原因是植物的化学组成随生长时间而变化[18]。Lehtomki等研究了收获时期对洋姜（Helianthus tuberosus）、梯牧草（Phleum pratense）-红三叶（Trifolium pratense）混合以及草芦等多种能源植物沼气产量的影响，得出随着能源植物的成熟，大多数植物每吨湿重的沼气产量增加[19]。而Massé等研究了柳枝稷和草芦在中夏、晚夏和早秋三个时期收获，厌氧发酵后青贮草料所产生的沼气量变化，得出中夏时收获能源草发酵所产沼气量最高，延迟收获会降低沼气产量。在能源草的整个生长周期中哪些因素影响其沼气产量还需要更深入的研究[20]。

1.3原料预处理

由于木质纤维素原料具有较高的结晶度和聚合度，原料转化之前要进行预处理以提高产品的产出率。预处理的作用主要是改变天然纤维的结构，降低纤维素的聚合度和结晶度，破坏木质素、半纤维素的结合层，脱去木质素。预处理的方法主要有物理法、化学法及生物法等。

近年来，有关能源草发酵预处理的研究较多。邹星星等[21]对互花米草（Spartina alterniflora）在厌氧发酵前进行蒸汽爆破处理，发酵实验结果表明，随着汽爆压力的增加，累积产气率呈下降趋势。Jackowiak等[22]研究了微波预处理的温度与处理时间对柳枝稷厌氧发酵率的影响，发现只有温度对其有明显的影响。Frigon等[23]研究了冬夏两季收获的柳枝稷经过温度、声波降解、碱化、高压等预处理后发酵产沼气的情况，最终结论为温度、声波降解、高压对冬季收获的柳枝稷发酵产沼气无明显影响，但能提高夏季收获的柳枝稷发酵产沼气量。李连华等[24]研究了蒸汽加热、超声波及冻融对华南地区多年生王草（Pennisetum purpureum× P.americanum）厌氧发酵性能的影响，相比而言，蒸汽加热能够明显降低王草的结晶度，提高沼气产气率。Li等[25]采用热处理和微波对杂交狼尾草进行厌氧发酵预处理，结果表明热处理提高了其厌氧发酵的沼气产量，而微波处理却起到了相反的作用。肖正等[26]利用沼液对巨菌草（Pennisetum sinese Roxb）进行堆沤处理，15天累积产气量为406 ml/TS。

1.4微生物接种物类别

由于在厌氧发酵过程中微生物起到了至关重要的作用，而能源草本身所附着的微生物菌群数量较少，所以在进行能源草厌氧发酵产沼气时需要准备大量的接种物。产甲烷菌在大自然中分布较广，如新鲜的动物粪便、污水处理厂的污泥以及腐败的河泥都能满足能源草发酵产沼气的要求。宋立等[27]比较了羊粪、鸭粪和兔粪的厌氧发酵产沼气潜力，得出鸭粪最好，羊粪次之，兔粪最差。刘德江等[28]设定了3个牛粪发酵浓度梯度（总固体物质含量为6%、8%和10%）来研究其对厌氧发酵产沼气中甲烷和硫化氢含量的影响，结果表明8%为发酵最佳浓度。Xie等[29]设定了1∶0、3∶1、 1∶1、1∶3 和0∶1五个猪粪与青贮草混合比，来研究粪草比对厌氧发酵产沼气的影响，结果表明1∶1时沼气中甲烷含量最高。

1.5发酵条件控制

厌氧发酵系统的温度、初始pH值以及系统中原料的浓度等因素一直是厌氧发酵产沼气所研究的领域。一般情况下，厌氧发酵反应在较高温度下能够较快地进行，因为此时微生物新陈代谢较快，但高温时反应系统稳定性较差。刘荣厚等[30]以猪粪为发酵原料，研究了室温、中温（37℃）和高温（52℃）对其厌氧发酵产沼气的影响，结果表明，在发酵初、中期，室温和高温实验组微生物的活性受到影响进而抑制了甲烷化反应，发酵后期高温实验组的日产气量明显高于另两组。朱洪光等[31]设置中温组（35±2）℃和室温组为15～33℃研究互花米草产沼气情况，发现互花米草适合作为生产沼气的原料，中温组日平均产气率为4.58 ml/（g·d），常温组日平均产气率为2.54 ml/（g·d），差别十分明显。赵洪等[32]设定了7个pH值梯度（5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5），分析了pH值对新鲜猪粪厌氧发酵产气量和产气特性的影响，研究发现pH值6.5组启动最快，pH值7.0组和pH值6.5组的总产气量最高，pH值7.0组的甲烷含量最高，得出发酵体系的pH值为6.5～7.0时可促进厌氧发酵的启动，提高沼气的质量。王晓曼[33]以早熟禾（Poa annua L.）、佛手瓜（Sechium edule）茎叶和番茄（Solanum lycopersicum）茎叶为发酵原料，研究了3种原料的产气潜力，得出早熟禾累积产气量最高，影响产气量的主因素排序为接种量>发酵浓度>碳氮比，影响甲烷含量的主因素排序为接种量>碳氮比>发酵浓度。

1.6气体成分分析

沼气中甲烷及二氧化碳的含量是反映厌氧发酵过程运行状况的重要参数。目前，沼气成分检测的主要方法有奥氏气体分析方法、气相色谱GC分析方法、热催化元件检测方法和红外检测方法等。在测量甲烷量程上，热催化元件检测法为0～5%，其余3种的测量量程为0～100%；气体成分分析时，奥氏气体分析方法和气相色谱GC分析方法还可测定二氧化碳和氧气的含量，红外检测方法除了可以测定二氧化碳和氧气的含量外，还可测定硫化氢的含量，而热催化元件检测法则只能测定甲烷的含量；4种分析方法的气体分析时间分别为1 h、30 min、30 s、5 s；在设备及药品的购买价格上，红外检测方法和气相色谱GC分析方法比奥氏气体分析方法和热催化元件检测方法高10倍以上[34]。因此，4种分析方法各有利弊。另外，还可通过利用氢氧化钠、氢氧化钾或者其他强碱性溶液吸收沼气中的二氧化碳和硫化氢，测定沼气中甲烷和二氧化碳的含量[35]。粗略估算时可以通过观察沼气燃烧的火焰颜色来确定气体中甲烷的含量[36]。endprint

2展望

世界能源问题日益突出，迫使各国开发和利用新能源以缓解国内能源的短缺。生物质能的利用是解决能源问题的一条重要途径。然而，目前能源草的研究工作并不成熟，仍需研究工作者的继续努力。

2.1能源草的资源收集及培育

在能源草的资源收集方面，我国已经做了很多研究，但还要在此基础上开展更加广泛的能源草野生种植资源的调查工作，进而丰富可利用能源草的多样性。此外，还要建立良好的能源草资源评价体系，以筛选出适应性好、生物产量高、植物化学成分优异的能源草本植物。育种工作者应进行有针对性的育种研究，如要在边际土地上种植能源草，就应以耐干旱、耐盐碱、耐贫瘠为育种目标进行研究。

2.2原料草种植及收获

对于具有利用潜力的能源草，应该先进行栽培管理试验，研究并掌握大面积种植时所需要的栽培、管理、生产以及运输等一系列技术，进而为生物质能源生产提供更多的、优质的原料。结合我国国情，发展能源草种植应该遵循“三不一充分”方针，即不争粮，不争耕地，不争（食用）油、糖，充分利用边际土地[37]。资料显示，我国共有各类宜能边际土地3 420万公顷，其中宜能荒地约2 680万公顷[38]。如果这些土地都种上能源草，不仅能解决能源草转化生物质能源的原料问题，还会发挥很大的生态效益。但是，边际土地的生态环境比较恶劣，难以满足大多数作物直接播种时对土壤条件的要求，所以以后的研究方向应该放在采用何种技术能够使播施的种子顺利完成种子萌发和早期幼苗阶段的生长，例如可以尝试采用种子包衣来提高种子的发芽率和保苗率。

确定能源草的收获时期对于能源草转化生物质能源的研究工作至关重要，目前这方面的研究较少，将成为以后的研究重点。能源草收获后，如果贮藏方式不恰当将会导致微生物容易利用的糖类、蛋白质等营养的流失，可以采取青贮保存能源草以避免此现象的发生。青贮过程草料暴露时间较少，几乎不受日晒、雨淋等天气条件的影响，并且青贮的微生物发酵过程会降解一部分纤维素，改善转化生物质能过程中纤维素难降解的问题。

2.3原料预处理

预处理能够加速纤维素的分解，有效地提高能源草转化沼气的效率，缩短产气周期。但是，能源草的原料预处理也存在一些问题，诸如增加了一定的费用，并且化学处理还会出现二次污染现象。所以应在原有的基础上，加强对生物法预处理的研究工作，以找到成本低、高效的生物酶和微生物等。

2.4微生物接种物类别

能源草厌氧发酵过程需要微生物的参与，不同的微生物接种物会直接导致微生物菌群类型和数量的差异，进而会影响能源草厌氧发酵系统的启动和运行，所以应该寻找到适合能源草厌氧发酵的微生物接种物。能源草具有饲用价值，例如柳枝稷[39]，可以尝试将采食能源草的动物所排泄的粪便作为微生物接种物进行沼气发酵试验，并评价经动物自身选择后的消化道微生物区系对发酵试验的影响。

2.5发酵条件控制

为使厌氧发酵过程获得最大的生产效率，整个生产过程必须处于最优化的运行参数和环境条件下。影响沼气发酵的重要工艺条件有温度、酸碱度、浓度等，其中温度较难受到控制，因为其直接影响到微生物菌群的稳定，所以在以后的研究中应将确定适合能源草厌氧发酵系统的温度范围作为重点。

3结语

生物质能作为可再生能源的研究开发始于20世纪70年代初的“石油危机”，发展至今有些国家已经获得了成功。我国的研究工作也在进行，能源草转化的研究工作还处于起步阶段，研究尚不系统，仍需加强能源草资源的开发及转化技术的研究，依靠国家政策推广种植能源草，实现能源草转化产业化，为社会主义新农村建设和国家能源安全做出贡献。

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