昆虫养殖耦合厌氧消化在餐厨垃圾生物精炼中的环境效益评估：基于规模化工厂的生命周期分析

《Environmental Technology & Innovation》：Evaluating the environmental impacts of coupling insect farming with anaerobic digestion in food waste biorefineries

本研究针对传统餐厨垃圾厌氧消化(AD)系统存在的消化液处理能耗高、资源回收单一等问题，创新性地提出黑水虻(BSF)生物转化与AD并联的集成工艺。通过物料流分析(MFA)和生命周期评估(LCA)发现，BSF-AD系统较传统AD降低总能耗13%(84 vs. 97 kWh/t)，碳足迹减少34%(54 vs. 82 kg CO2-eq/t)，资源消耗下降73%(151 vs. 557 MJ/t)。该研究为餐厨垃圾处理系统优化提供了兼顾能源回收与高值产品生产的可持续发展路径。

　　

全球每年约有三分之一的食物在生产至消费链条中被损失或浪费，中国2018年餐厨垃圾产生量已达1.7亿吨，且以每年8%-10%的速度增长。面对这一严峻挑战，厌氧消化(AD)技术因其适合高湿度有机废弃物的特性而备受青睐，但传统AD系统存在固体含量高导致消化器粘度增大、混合困难、堵塞风险增加等问题，同时下游消化液处理过程能耗较高，制约了其环境效益的进一步提升。

为解决这些瓶颈问题，中国科学院城市环境研究所的研究团队创新性地将黑水虻(BSF)生物转化与厌氧消化技术进行耦合，在福建莆田的餐厨垃圾沼气厂开展了规模化实证研究。这项发表于《Environmental Technology》的研究通过比较传统AD系统与BSF-AD集成系统的环境表现，为餐厨垃圾资源化处理提供了新的技术路径。

研究人员主要采用了三种关键技术方法：首先是物料流分析(MFA)，基于中国节能环保集团莆田工厂的运营数据（设计规模100吨/天），追踪了餐厨垃圾处理全过程的物质转化和能量流动；其次是生命周期评估(LCA)，按照ISO 14040/14044标准，采用IMPACT 2002+方法评估了15个中点指标和4个终点指标的环境影响；第三是敏感性分析，通过单因素扰动法(±10%)识别关键影响因素。研究以1吨进厂餐厨垃圾为功能单位，在并联配置中将三相分离后的固体残留物(SR)按40%比例分流至BSF养殖。

3.1. MFA结果

物料平衡分析显示，热水解/离心分离产生粗油脂、液相(80.7%)和固相(13.0%)。BSF-AD系统将40%的SR(51kg)分流至黑水虻养殖，使消化液产量减少14%，这种放大效应源于固体导向的水力学特性和脱水性能的改善。碳流向分析表明，BSF途径将部分SR碳固定为幼虫生物质和虫粪，减少了AD系统的碳负荷。

3.2. EC结果

能耗分析表明，BSF-AD系统总能耗为84.49 kWh/t，较BAU系统(96.75 kWh/t)降低12.7%。其中消化液处理能耗从47.77 kWh/t降至33.23 kWh/t，降幅达30%，而BSF养殖环节仅新增5.16 kWh/t能耗。虽然BSF-AD的发电量较低(146.90 vs. 165.11 kWh/t)，但净电能输出仍保持62.41 kWh/t的较高水平。

3.3. LCA结果和分析

3.3.1. 中点影响类别结果

在15个中点指标中，BSF-AD系统在14个类别表现更优。预处理环节因化石能源使用对水生酸化(AA)、陆地酸化(TA)等贡献显著，而消化液处理在矿物开采(ME)、水生富营养化(AE)等类别影响突出。BSF生物转化通过替代豆粕和合成氮肥产生显著环境信用，尤其在土地占用(LO)和资源消耗方面改善明显。

3.3.2. 终点影响类别结果

四个终点指标均显示BSF-AD优势：生态系统质量(-88.77 vs. -19.06 PDF·m²·yr)、气候变化(54.40 vs. 81.51 kg CO₂-eq)和资源消耗(151.60 vs. 557.26 MJ)改善显著。人类健康指标(-2.68E-04 vs. -2.85E-04 DALY)相近，但通过优化干燥能耗和脱硫效率可进一步提升。

3.4. 不同SR分配比例的LCA结果

SR分配敏感性分析显示，当BSF比例从0%增至100%时，气候变化指标改善46%(66.87→36.09 kg CO₂-eq)，生态系统质量在100%BSF时最优。资源消耗随BSF比例增加持续下降，而人类健康指标存在权衡关系，需要根据当地电网结构和工艺设置优化分配比例。

3.5. 敏感性分析

3.5.1. BAU情景敏感性分析

CHP发电量变化对生态系统质量影响最大(32%)，电力消耗次之。气候变化和资源指标对能源流变化敏感，而污染物排放、废水处理等因素影响相对较小(<6%)。

3.5.2. BSF-AD情景敏感性分析

能源生产/消耗仍是主导因素，CHP输出增加10%可使一次能源消耗降低17.17%，温室气体减少9.41%。BSF生物转化性能对生态系统质量和资源指标影响显著，反映了替代信用与干燥能耗之间的平衡。

研究结论表明，并联式BSF-AD集成系统通过将部分SR分流至黑水虻养殖，实现了碳足迹降低34%和资源消耗减少73%的显著环境效益。与先后式集成方式相比，并联配置具有操作灵活性高、产品价值多元化的优势，特别是当高价值生物产品和减污降碳为主要目标时更具适用性。该研究为餐厨垃圾处理设施从单一能源回收向多元资源再生的转型提供了科学依据，对推动循环经济发展具有重要实践意义。