城市生物废弃物管理方案的环境绩效：以德国为例，探讨其来源与处理途径的作用

《Waste Management》：Environmental performance of management scenarios for urban bio-waste: A German case study on the role of sources and pathways

城市卡塞尔生物废料管理的环境效益分析表明，堆肥和厌氧消化等生物处理方式在气候变暖和陆地富营养化方面虽高于焚烧，但通过优化处理流程和副产物利用（如堆肥替代化肥）可显著降低环境影响。研究发现，生物处理效率与废料组成、收集率及能源系统密切相关，建议采用高效处理技术并优先将堆肥用于农业以提升资源回收效益。

　　城市生物废弃物的处理对环境产生了显著的影响，同时也能通过回收肥料、沼气或其他生物基产品促进资源的节约。本研究以德国卡塞尔市为案例，探讨了不同居住结构和收集方案下城市生物废弃物的环境友好型管理方案。通过生命周期评估（LCA）方法，分析了不同管理情景下的环境表现，考虑了特定废弃物流的组成以及已有的生物废弃物处理过程（如开放式和封闭式堆肥、隧道和插管式消化、市政固体废弃物焚烧（MSWI））。研究发现，单独收集生物废弃物的比例在不同居住结构中差异显著，范围从24%到72%。假设德国处理设施的平均排放，生物处理路径在多个环境影响类别中，如气候变化、陆地和水体富营养化等方面，其影响可能高于MSWI。因此，随着单独收集率的提高，这些类别中的环境影响也会增加，主要是由于处理过程中的排放（如CH?、N?O和NH?）以及堆肥利用带来的影响。另一方面，用堆肥替代矿物肥料可以带来显著的环境效益，特别是在淡水生态毒性方面。因此，堆肥中的碳、氮和钾含量等参数被识别为影响环境表现的关键因素。

在德国，单独收集的生物废弃物主要分为家庭产生的食物和厨房废弃物（FKW）以及花园和公园废弃物（GPW）。2021年，大约有11.2 Mt的家庭生物废弃物被单独收集，其中5.6 Mt为混合生物废弃物（EWC代码20.03.01），通过家庭生物废弃物箱收集，另外5.6 Mt为可生物降解的园艺和公园废弃物（EWC代码20.02.01）。尽管有法律要求在市政层面进行单独生物废弃物收集（参见《德国联邦议院》，2023），但由于来源分离不足，仍有约5.2 Mt的生物废弃物被收集为残余废弃物（EWC代码20.03.01）。这种不足阻碍了特定的回收过程。单独收集率在不同的居住结构中变化显著，例如单户和双户住宅（S1）、小型多户住宅（S2；3–10户）和大型多户住宅（S3；>10户），以及集中交付（CD）的收集方式。此外，城市化水平（如农村与城市地区）和所采用的收集方案（如路边收集与集中交付点）也对生物废弃物收集率产生了较大影响。

德国主要的生物废弃物处理路径包括堆肥和厌氧消化，后者通常随后进行堆肥以净化剩余的消化产物（参见Kern等，2010；Knappe等，2019；Rettenberger等，2012）。关于特定生物处理方式与其它（生物或非生物）处理选项的环境优先性，Jensen等（2016）和Sanjuan-Delmás等（2021）指出，所研究的生物废弃物管理系统的基础条件，例如能源系统，起着重要作用。然而，尽管假设的电力混合对生物废弃物管理的环境表现有重要影响，Boldrin等（2011）确定了以堆肥替代泥炭或在堆肥过程中形成氮化合物的替代比例是评估中的关键因素，因为它们具有高不确定性和对结果的强影响。此外，废弃物组成被确定为对（生物）废弃物管理环境表现至关重要的因素，因为与组成相关的直接排放以及间接效应，如CH?潜力和热值（Bisinella等，2017；Clavreul等，2012）。

尽管已有研究强调了单个因素或框架条件对生物废弃物管理环境表现的影响，但目前仍缺乏对不同来源生物废弃物单独收集和组成变化对现有生物废弃物管理选项环境表现影响的全面分析。考虑到德国等国家日益增长的提升生物废弃物单独收集的雄心，本研究旨在利用卡塞尔市作为案例，识别不同居住结构和收集方案下的环境友好型管理方案。

在本研究中，对卡塞尔市不同管理选项的环境表现进行了评估，包括生物废弃物管理系统的具体流和组成，以及现有的处理路径。通过材料流分析（MFA）方法，确定了卡塞尔市生物废弃物管理的现状（SQ）。在此基础上，建立了五个替代管理情景。生命周期评估（LCA）用于识别管理情景的主要贡献者和关键影响因素。

在研究中，生物废弃物被分为食物和厨房废弃物（FKW）和花园和公园废弃物（GPW）。未进入本地MSW收集系统的FKW和GPW（如通过家庭堆肥或下水道系统处理）未被纳入模型。卡塞尔市的废弃物收集包括路边收集（生物废弃物、轻包装废弃物、纸张和纸板、残余废弃物）和集中交付（任何额外废弃物；本研究范围内的绿色废弃物在回收中心以及纸张和纸板通过在住宅区附近的收集点放置的储物箱）。收集后，绿色废弃物被分为小部分（如叶子、草和绿色修剪物）和大部分（如根和树干），根据其是否适合生物或热处理。叶子、草和绿色修剪物（98 wt-%）被送往开放式堆肥，而根和树干（2 wt-%）则被用于生物质联合供热和发电（CHP）厂。通过生物废弃物箱收集的生物废弃物被送往中央转运站，根据杂质和工厂容量，分为开放式堆肥（91 wt-%）、隧道厌氧消化后进行封闭式堆肥（5 wt-%）或直接送往MSWI（4 wt-%）。轻包装废弃物以及纸张和纸板在进入回收厂前被送往分拣厂，而残余废弃物则直接运输至卡塞尔的MSWI厂。MSWI厂利用堆肥过程中的筛分溢流进行能量回收，而独立堆肥以及纸张和纸板回收过程中的筛分溢流则被送往其他MSWI厂。

研究随后分析了三种居住结构，分别代表路边收集（S1、S2、S3）和集中交付（CD），作为城市生物废弃物的不同来源。关于居住结构的定义详情见补充材料第1部分。生成的生物废弃物量以及FKW和GPW在不同MSW流中的分布基于2021年8月至2022年4月在卡塞尔市进行的废弃物特征化活动（Schmidt等，2022）。这些活动遵循德国全国认可的废弃物分析指南（BGK，2018；LfULG，2016），并评估了MSW流（生物废弃物、残余废弃物、轻包装废弃物和纸张和纸板）的组成和数量。集中交付的绿色废弃物未被包括在废弃物特征化活动中，因此假设其仅包含GPW，这与Boldrin和Christensen（2009）的研究一致。废弃物数量和组成见补充材料第2.2部分。据Schmidt等（2022）报告，2021年卡塞尔市中，25%（49,901）的居民居住在S1，34%（67,336）居住在S2，41%（83,168）居住在S3。

为了比较不同的城市生物废弃物管理概念，引入了管理情景，这些情景基于德国广泛采用的生物废弃物处理路径（Knappe等，2019）。这些情景基于卡塞尔市2021年的生物废弃物管理现状，但根据处理路径和处理类型有所不同。有关不同技术的生命周期库存（LCI）建模的详细信息见第2.2部分。在管理情景M_OC中，生物废弃物的处理路径与现状类似，但仅考虑开放式堆肥作为生物处理选项（不包括厌氧消化）。同样，M_CC仅考虑封闭式堆肥，与M_OC在排放水平和能耗方面有所不同。在M_ADT（隧道消化）和M_ADP（插管式消化）中，绿色废弃物的处理方式与现状和M_OC相同，但通过生物废弃物箱收集的生物废弃物被送往厌氧消化。M_ADT和M_ADP在能源消耗和沼气产量方面存在差异。在M_I情景中，所有单独收集的生物废弃物（生物废弃物箱和绿色废弃物）都被送往MSWI。

研究进一步分析了生物废弃物管理的不同管理情景对环境表现的影响。结果显示，这些情景在不同影响类别中排名不同，并且在不确定性范围内有较大的重叠，这意味着没有一个情景可以被明确识别为总体上最环保的方案。M_OC可以被视为与现状（SQ）相似，因为现状中仅5%的生物废弃物箱收集废弃物被送往厌氧消化，对结果影响微乎其微。与MSWI（M_I）相比，专注于厌氧消化（M_ADT、M_ADP）的场景在GWP???方面表现更好，因为通过能量替代避免了负担。然而，在TE（陆地富营养化）方面，专注于厌氧消化和开放式堆肥的场景表现较差，而以封闭式堆肥为主导的场景在该影响类别中表现最佳。在集中交付（主要是单独收集的GPW）方面，M_I（焚烧）在GWP???、TE和ME方面表现优于开放式风道堆肥（M_OC、M_ADT、M_ADP）。然而，与封闭式堆肥（M_CC）相比，环境优先性取决于所考虑的影响类别。无论采用哪种收集方案，生物处理在ME方面都表现出比MSWI更差的环境表现，主要是由于堆肥利用带来的硝酸盐排放。同时，生物处理在FET（淡水生态毒性）方面优于MSWI，显示出在所有影响类别中最高的人员等效值（PE）。

研究还分析了影响生物废弃物管理环境表现的关键参数。结果表明，这些参数主要涉及主要处理选项（堆肥、厌氧消化、MSWI）的操作，以及副产品（堆肥和沼气）的利用，以及材料和能源的替代（参见图6）。此外，生物废弃物分配至处理选项以及堆肥分配至其利用路径的参数也具有高度敏感性。因此，当减少堆肥向园艺和土壤制造的分配时，可以获得更好的环境表现。这种减少导致较少的泥炭替代，但更多的堆肥被分配至园艺（由于LCA模型结构），从而替代了更多的矿物NPK肥料。相反，减少堆肥向传统农业的分配会导致环境表现变差，这表明向传统农业分配堆肥比向园艺、园艺或土壤制造分配更受青睐，因为其在替代矿物肥料方面更具效率。

在厌氧消化方面，常见的沼气产量在中温插管式消化器中为80–180 m3/t（Le Pera等，2021）。在本研究中，基于废弃物特性的沼气产量为100 m3/t，这在上述范围的下限。当在M_ADP情景中假设沼气产量为130 m3/t（Le Pera等，2021中给出的平均值）时，特别是气候变化影响，会从基础案例中的55 PE下降至9 PE（参见补充材料第4.4部分以及图5）。因此，将沼气产量提高至130 m3/t而非100 m3/t，会使得M_ADP情景在管理情景中表现出最低的气候变化影响，从而突显了废弃物组成和输入特定数据对可靠评估结果的重要性。

尽管能源回收在厌氧消化和MSWI的环境表现中变得越来越重要，但随着去化石化能源系统的推进，其在未来的气候变化影响中可能变得不那么重要（参见Bisinella等，2024）。考虑到卡塞尔市的目标是在2030年前实现城市范围内的气候中性能源供应（Klimaschutzrat Kassel，2022），在本研究中，假设本地热能供应完全去化石化，因此，专注于厌氧消化和MSWI的气候效益预计会减少约50%，这与初始结果相比，使得厌氧消化的气候表现显著恶化，确认了能源系统对生物废弃物管理系统环境表现的重要性。

最后，尽管生物废弃物的处理在某些方面带来了环境效益，但减少食物废弃物（特别是FKW）仍然是首要任务，因为废弃物管理无法弥补食物生产带来的环境影响（Beretta等，2017；Tonini等，2018）。在对瑞士和英国食品价值链的评估中，Beretta等（2017）和Tonini等（2018）发现，食物废弃物处理的环境效益仅能抵消总影响的5–10%（瑞士案例）或0–14%（英国案例）。

研究的局限性在于，所设计的管理情景基于卡塞尔市2021年的具体情况，特别是其收集方案和处理选项的分配。研究设计预期适用于具有类似生物废弃物管理系统和城市化水平的地区（如德国的主流生物废弃物管理方案（Lüssenhop等，2024）和其他欧洲国家（Andreasi Bassi等，2017）），但难以应用于具有不同框架条件的环境（如收集方案、可用处理技术、副产品利用的可能性）。例如，与Boldrin等（2011）研究的丹麦奥胡斯市GPW堆肥厂相比，本研究在单独收集的GPW方面的结果在GWP???和TA（陆地酸化）方面与之良好一致，但FET（淡水生态毒性）方面的结果则低于Boldrin等（2011），因为他们仅考虑了堆肥在园艺中的使用，导致替代效益较低。

由于废弃物组成对生物废弃物管理情景的环境表现有显著影响，因此，结果在应用于其他具有不同生物废弃物特性的案例时可能有所不同。此外，本研究仅考虑了FKW和GPW作为生物废弃物的组成部分，未将其他可能作为杂质存在于FKW和GPW中的废弃物部分（如金属或塑料）纳入评估。关于通过生物废弃物箱收集的生物废弃物的组成（参见补充材料第2.2部分），塑料（≤2.4 wt-%）和其他（≤3.7 wt-%，包括矿物、纺织品和包装食品）是特别重要的外来材料。根据本研究的设计，这些部分将在M_I情景中直接焚烧，或在生物处理情景中作为筛分后的废弃物焚烧。由于S2和S3的生物废弃物通常含有更高比例的外来材料，因此将这些材料纳入分析将导致生物废弃物处理环境影响的更显著差异，实际表现将取决于外来材料的类型和数量。

本研究聚焦于由当地废弃物管理部门收集的城市生物废弃物及其常规可用的处理选项。未考虑的管理选项包括家庭堆肥（GPW、FKW）、覆盖（GPW）、通过下水道处理（FKW）或新兴处理技术（如将生物废弃物加工成活性炭（GPW、FKW），参见Joseph等，2020）。这意味着目前分析中未考虑大量生成的生物废弃物。例如，Hübsch（2021）估计，德国约有29%的FKW（16 kg.cap?1a?1或1.3 Mt.a?1）未进入市政废弃物收集系统，而是部分（10 kg.cap?1a?1）通过家庭堆肥处理，另外还有21 kg.cap?1a?1（1.8 Mt.a?1）的GPW。因此，未来对城市生物废弃物管理的评估应包括当前未收集的生物废弃物以及未来的处理技术，以探索进一步提高系统性能的潜力。