智利污水污泥与城市固体废物共处理的水热碳化耦合厌氧消化技术经济与环境评估

针对智利城市固体废物(MSW)与污水污泥(SS)共处理的难题，研究人员创新性评估了水热碳化(HTC)耦合厌氧消化(AD)的集成工艺。通过对比独立HTC、HTC+AD_1（常规AD）和HTC+AD_2（添加水热炭强化AD）三种方案，发现集成工艺使净热能和电能分别提升126%和26%，且环境总影响降低85%。该研究为湿生物质资源化提供了兼具经济可行性与环境可持续性的解决方案。

　　

随着智利大都市区每年产生超过200万吨有机城市固体废物(ofMSW)和28万吨污水污泥(SS)，传统填埋处理导致80%资源未被利用，引发土壤污染、温室气体排放等环境问题。水热碳化(HTC)作为新兴热化学技术，可高效转化高含水率(75-90%)生物质为高能水热炭(20-33 MJ/kg)，但伴随产生的工艺水(含12-26 g/L TOC)需进一步处理。智利国家研究发展署(ANID)支持的研究团队在《Biomass and Bioenergy》发表研究，首次在工业尺度评估HTC耦合AD的协同效应，特别是水热炭作为AD增强剂的经济环境效益。

研究采用实验数据驱动的流程建模方法，基于智利大都市区ofMSW与SS共处理的中试数据，构建三种情景：(1)独立HTC；(2)HTC+常规AD(HTC+AD_1)；(3)HTC+水热炭强化AD(HTC+AD_2)。通过质量/能量平衡计算、成本分析(涵盖CAPEX/OPEX)及生命周期环境影响评估，量化比较各方案性能。

技术评估显示：

• 水热炭产率稳定在94 kg/t_{raw material, DM}，工艺水达830 kg/t_{raw material}
• 集成方案净热能(HTC+AD_1:120 kWh/t_{raw material})比独立HTC(53 kWh/t)提升126%，主因沼气补充能量
• 水热炭添加使甲烷产量从58增至153 NmLCH₄/gVS，但直接燃烧水热炭发电仍更具能量优势

经济分析表明：

• 集成方案处理成本增加62%，年化成本达127 USD/t_{raw material}(HTC+AD_1)
• 规模效应显著：产能扩至10万吨/年时，成本可降31 USD/t

环境效益突出：

• HTC+AD使"生态系统质量""人类健康""资源消耗"三方面环境影响降低85%
• 工艺水资源化与替代燃煤是主要减排贡献因素

讨论指出，尽管水热炭强化AD提升甲烷产量，但其能量贡献仍低于直接燃烧利用。研究创新性揭示工业尺度下水热炭的"能量载体-生物增强剂"双重角色平衡，为发展中国家高湿有机废物处理提供可复制方案。智利案例证实，集成工艺在8万吨/年处理规模下可实现环境-能源-经济三重效益的帕累托最优，对实现循环经济目标具有示范意义。