人们从居住区的垃圾和所收集的或者可以培养的有机物中生产燃烧和其他商品，满足了市场的需求。本文将简明扼要地引导欲从事此项工作的非专业人员达到同样的目的。
近十多年来，人类已清楚地认识到自己有限的能源供应量。几乎我们日常所消耗总能量的94%是基于化石燃料（即石油、天然气和煤）。在现阶段，虽然天然气的贮存量还非常富有，但随着世界能源需要量与日俱增，它正在以惊人的速度趋于竭尽。如果以目前的消耗速度计算，全世界所拥有的天然气到本世纪末就会用完。煤意味着一个国家丰富的化石燃料的贮藏量。然而，大部分煤却由于高含硫黄而不受人们的欢迎。
那么除传统的化石燃料外，我们可以利用什么能源来服务于我们工业化的社会，并提高各民族不同风格的生活水平呢？那就是人类还不十分重视的一种巨大能源——生物质能。
生物质能是一种可再生能源。通过各种不同的生物转换技术，它具有提供种类不同的非污染性固体、液体，以及气体燃料的潜力。其特性和范围我们将在下面进行探讨。
生物质能
生物质能基本上是以来自不同渠道的植物为主要原料的。其所含能量非常均匀约为9000英热（英国热量单位/磅），大约是煤的二分之一。生物质经过氧化可直接转换成能量，或者可为生产各种固体、液体、气体燃料提供一种原料（图1）。
把生物质原料转换成可用燃料的各种技术不仅包括物理、化学，而且还有物理化学的结合过程。物理转换技术旨在生物质形式的物理循环。例如通过研碎的方法（如削成薄片、弄成粉状等），可以使木材生物质更迭、晒干除去水分、筛选一些特殊成分或基于其性能的种类，或采用一些结合法。这些物理方法的结果是产生一种适合燃烧的人造生物质能源。
化学转换技术可以改变生物质的分子结构。例如包括，通过无机酸选择的细菌或选择的酵素的反应生产有关的化学产品，诸如合成气和多水泥浆中纤维素分子分裂的不完全氧化。
用物理或化学转换法生产的能量包括电、不同热值的一些可燃气体、各种酒精，以及一些化学原料。对于以化石为基础的液体燃料来说，特别在运输区，人们再一次把酒精看作一种有希望的选择性能源。而把甲醇和乙醇认为是适合广泛用作运输燃料的一种最有前途的酒精。图2概括了各种转换技术及其能量生产。
以地面为基础的工业生物质能源
以地面为基础的主要生物质能源包括未被得到使用的现有森林、树木的树皮和剩余物、谷物秸秆、牲畜粪便、加工厂聚集的农产品剩余物等。还有少量来自工业生产的生物质。在美国仅利用前三种废料每年就可生产大约9.6 quads生物质（lquads约为470，000桶石油 · 天），其中将近7 quads生物质具有很强竞争性能源的潜力。
由于城市、森林或农村的废物，人们总认为生物质是一件令人烦恼的事。所以市政当局不得不投入巨款来排除、加工和处理它。不过，在美国的许多地区也可以以十分低廉的费用对废物进行生物转换。城市的废物和垃圾、农村的谷物秸秆和粪肥都是有机废物的主要来源。然而，唯独城市的废物常常有人收集，而谷物和伐木的剩余物是在没有组织的基础上按季节性收集的。所以，对于许多季节性废物来说，过去收集和处理的方法并不经济。
在美国，所估算总废物的44%多是农作物的剩余物。美国种植的95%农作物是谷类，在收割后便剩下大部分秸秆腐烂。每年可产350多吨（公吨）干燥的有机废物。如果把这些废物都收集起来，并转换成能量就可为美国提供大约总能源消耗量的6%。
在市区，废物量的多少是随着城市人口的增长而俱增的。一个人在大城市比一个人在较小的城市趋于产生更多的工业废物。城市废物的成分也大不相同。大约成分重量的5%是无机物和水，其余部分是含有潜在能量值的干燥的有机物。
在工业废物中，加工木料和食品可以产生最多适合生产能量的有机废物。加工食品所产生的废物在其成分和湿度方面大不相同。在这些剩余物中大约30%已用作副产品，其余部分具有5000 ~ 8000英国热量单位/磅的热值。
林产工业所产生的废物数量也是十分可观的。最基本的剩余物是伐木所致废料。
目前种植森林和谷类的各种设施是朝着专业化设备经济生产的方向而努力的。例如人们渴望从木材中得到纤维材料或废物，种植有些粮食作物完全是为了食用。所出现的一些改进措施、选种、土地的安排，以及使用肥料全应根据人们最终希望的产品经济情况来估计。另一方面，用于生产能量的生物质通常要用完全的植物，但并不需要那些最好的品种。而最好的品种往往是用作食品和木材或加工纤维材料的原料。因此，扩大生物质的作用、并将此用作能源的一种办法是在新开地（能源田概念）上种植植物类。通过大规模提供在别处产生的生物质废料来进行补充当今能源的需要量，这将至关重要。从每一种生物质的提供可看出潜在能量的益处。图3与化石燃料比较了不同生物质的燃烧热量。如图所示，对于传统的化石燃料来说，许多基于燃料的生物质在选择性能源供应上有一定的竞争能力。
水生生物质的供应及其转换技术
作为天然气内主要成分的甲烷之源，水生植物具有广阔的利用前景。由于太阳能是一种用之不竭并通过贮存可以再生的能源，所以通过光合作用捕获和贮存太阳能这一工程十分诱人。目前已研究出两种可以把水生植物转换成甲烷的方法，即厌氧溶解和氢的气化作用。前者人们几乎都认为是一种很成功的技术，而后者仍处探索性阶段。
目前美国能源部正在支持致力于从海藻生产能源的各种研究项目。其中之一是废水的综合处理与水生植物的栽培。在此过程中，水生植物逐渐长成生产甲烷和其他多种碳水化合物的废料；另一个研究项目为从大量海藻生产的甲烷提供了资源。那种海藻是种植在离南加利福尼亚海岸500英尺或更深的人造装置上的。
数量十分惊人的未被使用的生物质为全世界提供了淡水体。这些生物质是水生杂草，而且人们往往把它看作有害物。然而，有害物的生长确实是一个巨大的生物质资源。它具有一定的势能值、是一种无需耕作、无需施肥、无需播种或栽培的主要高产作物。大量的研究工作放在一种水生植物，即水风信子上。美国航空和宇宙航行局（NASA）目前正在从事把水风信子和其他水生杂草转换成富有甲烷的沼气工作。
通过厌氧细菌的分解作用可把水生杂草转换成沼气。生产甲烷的细菌在自然界十分普遍（例如在沼泽地停滞底部的泥浆，在那里它们可以产生被称为“沼气”的甲烷气泡）。如果在与空气密封的容器里的水风信子上培养细菌、他们就会产生一种含有70%甲烷和30%二氧化碳的沼气（发酵过程）。含水分高的水生杂草有利于发酵工作。因为无需排水，所以这是一种非常经济地利用水生杂草的方法。
从1公顷地上收获的水风信子可生产沼气70，000多立方米。每公斤干水风信子可产平均含甲烷成分69%和一个热值的沼气370公升，这时就可用作一种约为580英热单位/立方英尺的燃料。通过比较，我们发现重甲烷具有895英热单位/立方英尺的热值。
沼气易于燃烧，而且可在适用天然气的所有应用中得到使用。在把天然气压缩进圆柱体以便设备使用之前，须排除二氧化碳。虽然在污水处理装置中利用厌氧细菌菌致分解出可燃气体的工作已有七十年之久，但仍能引起当今更多人的重视和研究。目前全世界已有几千个蒸煮器（允许厌氧细菌生长的气密容器）在运转之中。然而，这些装置的重点是处理动物或废植物相混合的人的粪便。尚待研究的是，在无任何动物粪便的情况下，能否分解水生植物，以便生产大量的甲烷。
生产沼气从酵素中排除了碳，但对其他成分有点损失。这些作为污泥浆的剩余部分本身就是一种肥料和相当于混合肥料的土壤调节物，即有用的一种副产品。通常必须把杂草切断或弄碎，以便在发酵过程中更适合于细菌的化学反应。虽然简单，也可把并不昂贵的设备用于发酵间，但必须仔细地进行安装。如果在细菌的培养基出现氧，产生甲烷的细菌就不能幸存下来。不足之处是当在发酵间装满杂草时，所输入的空气在厌氧细菌菌致开始分解之前就引起滞后。在此期间，滞后可长达10天，氧被需氧的细菌所用尽，这就产生二氧化碳而不是甲烷。在氧气跑完时，厌氧细菌就会取代。但沼气中仍含有大量的二氧化碳，一种减弱甲烷热值的非燃气体。
生产沼气所需要的时间较长，一般来说要花10至60天。所以，一开始就慢，这是因细菌要花时间进行大量繁殖使杂草发酵的原因所致。目前现存的—些沼气池（利用一种动物和人的粪便，以及植物废物的培养基）的实验已经表明，细菌很敏感，且其蒸煮过程最易受到干扰。
作为生产甲烷细菌的原料，除水风信子外，有些植物像水萍、水蓍草、短吻鳄草，以及各种海藻已经显示出它令人满意的作用。为了缩短发酵时间，并使产量达到最高水平、还需进一步的研究。
氢的光致生产是另一开拓性研究。光合有机物已经证明能够生产氢气。与传统地热化学和物理方法相比，氢的光致生产具有很多优点，其中包括低温工作（典型温度为10 ~ 40℃，而氢的化学或物理生产为126 ~ 725 ℃），仅需要太阳能和氢供体（例如水），以及一种干净的燃料源等。其主要缺点是太阳能的工作效率相当低。
能源田
生物质剩余物给我们提供了一个供应能量的潜在性资源。它可为当今做出区域性的重要贡献。当地利用废物基础上的生物转换技术活动可为我们目前提供所需能量的10%以上，而且我们相信还可以提供比此更多的能量。我们最大的自然资源是现存的一些森林和适合于广泛种植各种植物的土地。为了给能量生产提供大量的产生生物质的原料，我们已做出一个集中林业、农业和水生植物的耕种计划。
几位有关的研究人员已展望了几种由选择性的、快速生长的植物组成的农、林能源田。收获农作物可在适当的间距进行。既可以在不能耕种庄稼的边远地带种植，又无需很多照管的一些快速植物品种是理想的选择物。
我们已为水生生物质的生产预见了几种类似的方法。目前把海藻用作生物质能源已受到极大的重视。利用丝状的绿色海藻可以人工合成甲烷和氨。其他海藻经过生物光解作用可从水中产生氢气。海藻生长在有二氧化碳和回收的无机物培养基的开口池塘里。气体提升泵将CO2导入该系统，并使海藻生长。在培育期之后，通过丛生、沉积以及悬浮技术将海藻收集在槽内，然后除去水分。收获的生物质沉积在生物光解反应器中。在仔细控制的情况下，海藻的细胞利用阳光分解水分子，这时形成氢和氧。这种用罢的海藻既可以返回到蓄水池以便恢复，又可以沉积在厌氧蒸煮器中。在后者中产生发酵，并形成甲烷和CO2气体。由非挥发性氮气构成的剩余泥浆仍然尚存，它是一种很好的肥料。通过热解作用，可以使氮气从除去水分的生物质中得到还原，而且无机物培养基可返回到池塘有助于生物质的更进一步生长。生物光解作用反应器生产一种必须得到分解的气体混合物。氧和氢可以通过扩散、压缩、分离或吸收作用得到分解。甲烷和CO2在厌氧蒸煮器中通过碱吸收法进行分解。
前 景
生物质将为人类提供一种巨大的可再生能源。在现阶段扩大使用农作物和林业剩余物可以补充能源的需要量，但在将来的十年中它就可以部分地取代常规燃料的消耗。通过建立专门为生产燃料纤维而设计的精耕细作经营的生物质田就可以大大扩大能量之源。
人类已面临着当今最大的挑战——能源战争。生物质是由我们做主的一种巨大能源，现在已经到我们发展和完善这些方法的时候了。通过利用这些方法我们可以得到许多好处。
[Sunworld，1982年6卷2期]