生物质的全球利用概述 | 海洋与湿地·讯
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引言
近日，《可再生和可持续能源评论》期刊发表了一篇题为《可持续生物经济的生物质：世界生物质生产和利用概况》的研究评论文章。文章指出：世界能源市场严重依赖煤炭、石油和天然气，统称为化石燃料。化石燃料燃烧的副产品包括各种有毒空气污染物和二氧化碳，对人类健康和福祉构成重大威胁，并显著导致全球变暖和环境恶化。18世纪，煤炭开采开始后，煤炭成为工业革命的主要燃料；此前，人类对能源的需求完全由木材和木炭（生物质）满足。这些构成了唯一已知的有机可再生碳资源，其数量足以替代化石燃料，即生物质。生物质能是一种可再生能源，与化石燃料不同，它可以直接使用，也可以转化为其他形式后使用，释放出生物质在生长过程中从大气中捕获的二氧化碳量。这就是为什么生物质被认为是“碳中性的”，这引起了全世界对使用生物质替代化石燃料衍生能源的兴趣，特别是作为液体燃料和化学品（甲醇、乙醇、生物柴油等）的来源。截至目前，许多行业都受益于生物质：作为食品、饲料；用于发电、供热和燃料；或作为工业领域的材料和资源，主要是木材、造纸和化学工业。
（图文无关）©绿会融媒·“海洋与湿地”（OceanWetlands）工作组
生物能源
能源部门的当前模式在经济、环境和社会上是不可持续的。自1970年以来，世界温室气体排放量增加了两倍，石油需求的增加导致人们对供应安全的担忧，表明需要紧急做出决定。
解决这一问题的一个潜在方法是生物能源。生物能源是最古老和最大的可再生能源；它通常完全来自废料，包括林业木质纤维素残留物（伐木、间伐和加工残留物）、农业（收获和加工残留物）以及食品和城市固体废物。此外，生物能源种植作物、原生木质纤维素生物质和藻类被用作生产生物能源的原料；今天，它可以提供热能、电力和运输燃料，约占世界总基本能源供应的10%，这一比例在世界范围内每年增加约2.5%。
生物资源释放的生物能的量完全取决于原料的类型：木质素含量较高的木质生物质（23.9–32.0%）比农业生物质（108–130kg/m3）更坚固、更致密（350–490 kg/m3），这本身就使其比农业生物质更能抵抗微生物和酶的作用。对于生物能源生产，特别是生物燃料，需要生物质中更高水平的纤维素来产生更多的挥发物，这对于燃烧过程中的点火和氧化是必需的，而较低的半纤维素和木质素含量是原料的一个合适特征，因为木质素充当化学胶，使纤维素难以从半纤维素中分离，并阻止从结晶纤维素中产生无定形纤维素。此外，木质素会抑制纤维素酶接近纤维素，从而对生物质的生物转化产生抑制作用。在经济欠发达国家，最常见的生物能源用途是初级供热和烹饪。与这种生物能源相关的主要问题是生物质的来源不可持续，导致森林退化。此外，以这种方式燃烧生物质的效率在10%到20%之间，室内污染相当严重，而大型燃烧厂生产热量的效率很高，而且与化石燃料具有竞争力。从生物质产生热量的商用系统包括10 MW（兆瓦）范围内的超大型锅炉，主要用于工业，以及从木材、木屑或木质颗粒原料中为家庭提供热量的小型锅炉。生物质也可以通过多种方法转化为电能，但大多数生物发电厂采用直接燃烧技术，专门燃烧生物质来提供高压蒸汽，从而驱动涡轮发电机产生电力。
生物燃料
为了促进人类社会和经济进步，增进人类福利和福祉，对能源和相关基础设施的需求不断增长。重新使用可再生能源来帮助缓解气候变化挑战是一种很好的方法，应该是一种可行的方式来满足子孙后代的能源需求。来自生物来源的燃料，例如谷物、糖料作物、油料作物、淀粉、纤维素材料（草和树）和有机废弃物，被定义为生物燃料，可分为固相、液相和气相三类：
①木柴、木屑、木质颗粒和木炭是固体生物燃料的类型，自人类文明诞生以来就被使用；木材和其他植物物质被用于取暖和烹饪，尽管这些材料现在在发展中国家被大量燃烧。
②沼气是另一种来自生物质厌氧消化的生物燃料，是一种有潜力取代天然气的可再生气体燃料。考虑到可用的农业原料和生活垃圾，估计每年可释放超过1000BNm3的生物甲烷来生产电能和热能。柳枝稷是一种高大的暖季多年生草本植物，通过厌氧消化可以产生比其他作物更多的生物甲烷，这是一种环保、低成本的方法，其中微生物将原始生物质转化为甲烷和二氧化碳。然而，仅靠微生物分解其木质素并不能完全产生沼气，因此需要进行化学、微生物、机械或热预处理。大多数草类的甲烷产量随着收割时间的推迟而增加，而在加拿大东部等凉爽潮湿的条件下，收割时间的影响则不同。最大的甲烷产量来自在仲夏或初秋收割的柳枝稷；与夏末一次收割相比，两次收割策略可以获得更多甲烷，大约多25%。合成气是通过气化或热解原料制造的另一种气态生物燃料。合成气经过提纯后，可用作合成用于运输的燃料（甲醇、乙醇、甲烷、二甲醚等）的原料。
③生物柴油代替柴油，生物乙醇代替汽油/汽油，是两种最常用的液体生物燃料。根据美国能源信息署(EIA)的最新预测，2014年至2040年间，全球石油和其他液体燃料的利用率将增长38%，到2040年，运输和工业部门将消耗全球92%的液化天然气。这种日益增长的需求推动了人们对一系列生物质原料的探索，以生产能够替代化石燃料的燃料。生物燃料在发动机中的燃烧会产生二氧化碳排放，而这些排放可以通过生物燃料来源植物的光合作用所抵消。然而，由于化石燃料用于农业机械和运输，温室气体排放量仍然可能非常高。此外，如果使用化肥、杀虫剂和除草剂，还必须考虑生物质生产。
（图文无关）©绿会融媒·“海洋与湿地”（OceanWetlands）工作组
因此，生命周期分析(LCA)包括对每种生物燃料的原材料、土地利用变化、生物燃料制造和最终用途的评估，是确定生物燃料相对于化石燃料的效率的必要工具。例如，与化石柴油相比，美国大豆生物柴油的LCA代表着化石能源消耗减少80%，温室气体总排放量减少66-72%。农业过程在计算生物燃料的温室气体排放中起着关键作用，例如，与用于生物质生产的大豆生物柴油相比，油菜生物柴油产生的温室气体要多得多，为18.5gCO2e/MJ，而大豆为9.2gCO2e/MJ。这主要是因为施用了氮肥，因为油菜不能固定大气中的氮，而大豆可以。
第一代和第二代生物燃料已被工业界成功应用，而第三代生物燃料仍然相对较新，但前景光明；第一代以外的生物燃料通常统称为先进生物燃料。第一代生物燃料以乙醇等为代表，由以糖、淀粉或植物油为基础的粮食作物制成，如巴西、美国和欧洲的甘蔗、玉米和甜菜、小麦或大豆（油），法国和德国的油菜籽以及亚洲和非洲的棕榈油。大多数商业化生产的生物燃料都来自这些原料，而木质纤维素材料（如纤维素、半纤维素和木质素）的转化产生了第二代或更先进的生物燃料。第三代生物燃料以藻类和海洋植物（海藻）为基础。藻类生产的生物燃料具有巨大的潜力，可以替代化石燃料，因为它们可以利用污水、废水和盐水，生长在不适合种植第一代和第二代生物燃料作物的地区。尽管如此，操作步骤成本高昂，仍需要研究和开发才能使第三代清洁能源足够高效。这种原料的生长速度比陆地植物快3到4倍，纤维素含量与农业或森林残留物相对相当，而木质素和半纤维素含量较低。未经处理的大型藻类的纤维素转化率约为76%，而依次用过乙酸和离子液体处理后，其纤维素几乎完全转化。
如果将生物质废物转化为有用的生物燃料的方法不需要过多的能量，生物燃料的生产将比原油和煤炭具有明显的优势。有几种可用的生物质能转化技术和方法。将生物质转化为燃料的两种常用方法是热化学和生物化学转化，此外，生产第一代生物柴油还会用到酯交换（transesterification）。第一种技术利用加热分解生物质，而后者利用微生物或酶将生物质转化为生物燃料。简而言之，生物燃料生产的一般过程包括两个主要步骤：①降低原料中的氧含量以提高能量密度；②在生物质衍生的中间体之间形成C-C键以增加最终产品的分子量。世界生物燃料产量从2000年的920万吨油当量急剧增加到2018年的9540万吨油当量。如此强劲的增长是鼓励使用和生产生物燃料的政策的结果，因为人们认为生物燃料可以提供能源安全并减少相关行业的温室气体排放。
从加拿大视角看生物燃料
加拿大森林、农业用地和城市垃圾依次贡献了生物质预计能源总量的58%、39%和3%（5.3 EJyr-1）。值得注意的是，森林采伐、农田和城市垃圾的残留物基本仍未受到影响。因此，加拿大的生物燃料行业不受原料库存限制。加拿大每年生产的生物质可持续地生产近176000ML的生物燃料。如果仅将森林、农业和城市垃圾采伐残留物中总生物质的10%用于生物燃料，则可以生产约17.6 ML的生物燃料，而目前的产量约为2.0 ML。生物质资源可以为减少温室气体排放做出更多贡献。根据省级和联邦政府发布的数据，乙醇利用量从2010年的约17亿升增加到2017年的3047亿升，生物柴油消费量从2010年的约123亿升增加到2017年的376亿升，导致2010年至2017年期间二氧化碳排放量减少了3430万吨。
生物化学品/生物产品
除了生产生物能源和生物燃料外，生物质还被用于生产特定的生物质衍生化学品（生物产品）。据估计，目前全世界生产了近5000万吨生物基和聚合物材料，这表明了经济可持续性的潜力，并减少了对化石燃料的依赖，从而显著减少了温室气体排放。尽管如此，石油和天然气仍然被广泛用于有机化学品和聚合物制造，这与当前日益减少污染、环境退化和资源枯竭的趋势不符。
从生物质中获取的生物化学品种类繁多，包括具有悠久生物基历史的产品（如柠檬酸）、新推出市场的材料（如丙二醇），以及那些具有明显改进特性的产品。大多数化学品都是由特定的结构单元衍生的；有趣的是，所有这些砌块都可以被来自生物质的对应物所取代，这些对应物被称为生物衍生的砌块，例如甲酸、乳酸、乙二醇、丙烯、琥珀酸、糠醛、木糖醇、山梨醇、赖氨酸和乙二醇。与化学工业中的树木产品概念同步，单一化学前体可以转化为多种衍生物，将化学品沿着价值链连接起来。因此，可以从生物质中生产出各种增值材料或化学品，既可以作为最终产品生产，例如粘合剂、润滑剂、害虫防治剂、油漆和涂料、颜料和油墨，也可以作为进一步加工的中间体生产，例如制造生物塑料、生物复合材料和化妆品、香水、食品、药品和医疗器械的成分。
生物炭
具有明确化学结构的生物质可用于多种转化过程，如热解，以制造多功能产品，如生物炭。国际生物炭倡议(IBI)将生物炭描述为一种碳含量高、抗降解的碳化材料，由生物基原料在无氧条件下通过热解或气化进行热化学分解而得。生物炭广泛应用于工业、农业和自然环境。它可以用作土壤补充剂、饲料和青贮作物，也可以用作水处理剂。生物炭被视为一种潜在的成功降低二氧化碳浓度的方法，因为它可以延缓土壤固定的碳再释放到大气中。生物炭还能抑制土壤中N2O和CH4等其他温室气体的排放。这可能是因为生物炭增加了土壤对铵的吸附和限制，从而减少了可用于反硝化的氮量。这种土壤改良剂可以固定土壤和污水中的污染物，因为它具有高吸收率和抗微生物降解性，为污染物提供了结合位点。生物炭目前正在被推销为发起“双重绿色革命”的一种方式，即同时解决土壤有机质产生的温室气体排放和维持粮食安全。它还对土壤的物理特性有积极影响，例如密度、孔隙度、结构和质地，也对化学特性有积极影响，包括阳离子交换量(CEC)、pH值、土壤碳、养分循环和保水性。
此外，施用生物炭还会对土壤生物产生一系列影响，包括提供碳底物、释放或吸收有益于或阻碍微生物的物质，或通过为微生物提供栖息空间来扩大微生物的生态位。因此，生物炭有潜力成为农场实现可持续农业的宝贵工具，特别是在热带地区，那里的土壤有机质缺乏，因为气候条件会导致土壤快速退化。例如，对从16个田地和盆栽收集的数据进行金属分析后发现，当生物炭改良剂将酸性、中性和粗质地土壤的pH值提高2.0时，产量可提高30%。同样，生物炭土壤改良剂提高了玉米产量，因为它增强了土壤保水性、养分利用率，并改变了根系发育。除了热带地区，也有理由认为生物炭可能对温带地区有益。
土壤中使用生物炭可为植物提供氮，因为它能提高氮保留率，减少植物可利用的NH4+和NO3-的淋失（这对于非固氮作物尤为重要），并且由于其对土壤微生物的影响而改变氮循环。例如，在中国，在第一和第二个种植周期中，施用生物炭后，水稻产量比对照地块高出10-20%，这是因为土壤pH值、土壤有机碳和总氮增加，土壤容重改善。同样，在魁北克南部的壤土和砂质粘壤土中，研究了玉米、大豆和柳枝稷对0、10和20Mgha-1松木生物炭的反应。在壤土上，与对照相比，施用20Mgha-1生物炭可使玉米产量提高14.2%；在砂质粘壤土上没有这种效果。生物炭不会影响两种土壤类型上大豆或柳枝稷地块的养分利用率或产量。根据这些结果，生物炭利用的效果取决于土壤质地和作物类型。除了农业效益外，生物炭还可用作甲烷发酵和堆肥的辅助材料。此外，生物炭被认为是氢气形成的底物、热解和气化中的过滤器或制粒时的燃料。
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编译 | Daisy
审核 | ZYP
排版 | 绿叶
【参考资料】
论文原文：Mohammed Antar et all，Biomass for a sustainable bioeconomy: An overview of world biomass production and utilization，https://doi.org/10.1016/j.rser.2020.110691
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