评估厌氧共消化和沼气生产在军事设施中保障能源安全方面的潜力

《Journal of Cleaner Production》：Evaluating anaerobic co-digestion and biogas production potential for energy security on military installations

本研究评估了美军设施采用厌氧共消化（ACoD）技术处理污泥和食物残渣的可行性，通过分析60个设施的数据和蒙特卡洛模拟，发现经济可行设施较少，但多数在能源生产、碳减排和韧性方面受益，关键因素为基础设施、人口规模及地理位置。

　　美国国防部（DOD）的军事设施通常被视为封闭社区，它们为驻扎人员提供生活和工作所需的基本服务，包括水和电力。然而，这些设施在能源供应方面依赖于外部电网，这使得它们在面对电网中断时显得尤为脆弱。因此，提升军事设施对电网故障的韧性已成为一项重要的战略目标。为此，许多军事设施正在探索在基地内部生产可再生能源的解决方案。本研究重点评估了利用厌氧共消化（ACoD）技术将污水污泥与食品废弃物结合进行能源生产的可行性，以实现经济、环境和能源韧性的多重目标。

通过收集60个美国陆军基地的人口、污水特性及污水处理设施的数据，研究团队采用随机建模（蒙特卡洛模拟，共进行50,000次迭代）来分析经济、能源产出和碳排放结果的不确定性和变化范围。研究发现，尽管从经济角度来看，仅有一小部分基地具备实施厌氧共消化与联合供热发电（CHP）系统的条件，但大多数基地在环境和能源韧性方面获得了显著的改善。具体而言，具有较高人口或位于碳排放密集型能源供应区域的基地，在电力生产和碳减排方面取得了更明显的成效。

从经济角度出发，联合供热发电与厌氧共消化系统的可行性主要受到三个关键因素的影响：现有基础设施、基地人口规模以及地理位置。尽管大多数基地在实施这种系统时面临较高的资本成本和较低的生物气体产量等经济挑战，但研究中发现，仅有一个基地在实施后实现了净现值（NPV）为660万美元的正收益，同时每天可生产4700千瓦时的电力，并减少每年3.2×10^7吨的碳排放。此外，还有七个基地在不考虑额外投资的情况下，实现了正的年度现金流，同时每天可生产1600至9900千瓦时的电力，并减少每年9.8×10^6至5.4×10^7吨的碳排放。这表明，虽然经济上的收益仅限于少数具备有利条件的基地，但环境和能源韧性方面的提升却较为普遍。

在能源生产方面，厌氧共消化技术能够将有机废弃物转化为富含甲烷的生物气体，进而通过联合供热发电技术转化为电能和热能。这种技术的核心在于利用厌氧微生物对有机物质的代谢过程，将其分解为甲烷和二氧化碳等气体。污水污泥、食品废弃物以及油脂、脂肪和油（FOG）等有机物质富含蛋白质、脂类和碳水化合物，这些物质在厌氧条件下可以被微生物有效分解，产生大量生物气体。这一过程在污水处理厂（WWTP）中已经被广泛应用于处理污水污泥已有超过一个世纪的历史。

然而，尽管厌氧共消化技术在能源生产方面具有显著潜力，但并非所有污水处理厂都采用这一技术。部分污水处理厂，尤其是那些处理低流量污水的设施，更倾向于采用其他污泥稳定化技术，如好氧消化、沼泽处理或堆肥处理。这些替代技术的选择通常受到经济因素的制约，例如高昂的初始投资成本或较低的生物气体产量。为了提高厌氧共消化的效率，一些研究提出将其他有机废弃物与污水污泥混合进行共消化处理。这种方法不仅可以提高生物气体的产量，还能增强污泥处理过程的稳定性，并集中释放氮和磷等营养物质。

厌氧共消化技术的实施需要考虑到多个方面，包括工艺复杂性、持续的原料供应、原料的可降解性以及动物粪便等原料的处理安全问题。为了应对这些挑战，研究团队建议进行生物甲烷潜力测试，以评估不同原料混合后的性能，并防止消化器发生故障。这种测试可以帮助识别原料组合中可能存在的问题，从而优化共消化系统的运行。此外，为了确保共消化系统的长期可行性，还需要对基础设施进行评估，包括污水处理厂的现有设备、空间限制以及运营能力。

在本研究中，团队采用了多学科系统建模方法，将物理过程建模、生命周期成本效益分析和环境影响评估相结合，以全面评估厌氧共消化与联合供热发电技术在军事设施中的应用潜力。物理过程建模用于分析生物气体的生产能力和能源转化效率，生命周期成本效益分析则用于评估系统的经济可行性，而环境影响评估则用于量化碳排放减少和能源生产的环境效益。通过蒙特卡洛模拟，研究团队能够对关键参数的不确定性进行系统分析，从而更准确地预测不同场景下的能源产出和经济回报。

研究结果表明，厌氧共消化与联合供热发电技术在军事设施中具有重要的应用前景。特别是对于那些具备现有污水处理厂和厌氧消化设施的基地，这种技术可以显著提高能源自给率，并减少对电网的依赖。同时，由于食品废弃物和油脂等原料在军事基地中广泛存在，厌氧共消化系统能够充分利用这些资源，实现资源的循环利用。此外，该技术还能够减少碳排放，为军事设施的可持续发展提供支持。

从实践角度来看，厌氧共消化与联合供热发电系统的实施需要综合考虑多种因素。首先，基础设施的条件是决定系统可行性的重要因素。如果基地已经拥有污水处理厂和厌氧消化设施，那么进一步引入联合供热发电技术将更加经济可行。其次，基地的人口规模和能源需求也是影响系统效益的关键变量。较大的基地通常具有更高的能源需求，因此能够从厌氧共消化系统中获得更多的经济和环境收益。此外，地理位置同样重要，尤其是在那些电力供应成本较高或碳排放密集的地区，这种技术的实施将带来更显著的效益。

值得注意的是，尽管本研究主要关注美国陆军基地的情况，但其方法和结论同样适用于其他具有集中人口的机构，如大学校园、政府机关或大型企业。这些机构通常也拥有污水处理厂和大量有机废弃物，因此厌氧共消化与联合供热发电技术可能为它们提供类似的能源和环境效益。通过系统的分析和建模，这些机构可以更好地评估该技术的适用性，并制定相应的投资和运营策略。

研究还强调了数据收集和建模的重要性。通过获取详细的基础设施和人口数据，团队能够更准确地评估每个基地的能源需求和潜在收益。此外，对不同场景下的经济、能源和环境结果进行敏感性分析，可以帮助决策者了解在不同条件下系统的性能变化，从而更好地规划未来的投资和运营。这种方法不仅适用于军事设施，也可以为其他类型的封闭社区提供参考，以评估可再生能源技术的适用性和效益。

总体而言，厌氧共消化与联合供热发电技术在提升军事设施能源韧性方面展现出巨大的潜力。通过合理利用现有基础设施、优化原料组合以及进行系统化的建模分析，这些技术可以为军事设施提供稳定的能源供应，同时减少对电网的依赖和碳排放。此外，这种技术还可以作为其他封闭社区实现能源自给和环境可持续性的有效工具。未来的研究可以进一步探索该技术在不同环境和经济条件下的适应性，以及如何通过政策和技术支持扩大其应用范围。