孟加拉国可持续城市固体废物管理中废能转化路径的战略评估

《Renewable Energy Focus》：Strategic assessment of waste-to-energy pathways for sustainable municipal solid waste management in Bangladesh

焚烧和厌氧消化为 Bangladesh 城市提供最高效的废物能源化方案，显著提升能源自给并降低碳排放，同时需平衡经济成本与环境风险。

　　在孟加拉国的拉杰沙希市，市政固体废弃物（MSW）的无控制积累已成为环境和公共卫生的重要威胁。根据预测，到2040年，MSW的总量将比2024年的水平增加超过320%。面对这一严峻挑战，推动从露天倾倒向可持续能源回收解决方案的转型变得尤为迫切。本研究聚焦于2024至2040年间，对三种废弃物转化为能源（WtE）途径——厌氧消化（AD）、焚烧（INC）和垃圾填埋气（LFG）回收进行了技术经济与环境评估。研究结果表明，AD和INC在能源产出和经济可行性方面表现突出，预计到2040年，AD和INC每年可分别产生超过700百万千瓦时（MWh）的电力，而LFG仅能达到45百万千瓦时。此外，AD和INC在财务上展现出较强的稳定性，其净现值分别为4.19亿美元和3.92亿美元，而折现回收期仅为4.2年。每种技术的平准化能源成本均保持在较低水平。从环境影响的角度来看，AD的酸化和二噁英排放最低，而LFG和无回收情景则对人类健康和生态系统造成最大损害。敏感性分析进一步验证了AD和INC在不同通货膨胀和电价波动下的稳健性。综合来看，以AD为主导、辅以选择性INC的策略，能够实现能源、经济和环境效益的最优平衡。本研究为快速城市化的地区实施分散式WtE系统提供了基于证据的框架。

在孟加拉国的电力系统中，2025年的总装机容量预计为31.3吉瓦（GW），主要来源于国内天然气和日益增长的燃煤发电站，同时还有重油、自备电厂、离网设施、可再生能源（约1.6 GW）以及跨境电力和高速柴油发电机的补充。通过桑基图展示这些能源输入与最终用途需求之间的关系，可以清晰地看出2025年的电力负荷主要分配在住宅、工业、商业、农业灌溉和一个初具规模的交通运输领域。该图突显了两个结构性特征：一是电力供应对化石燃料的持续依赖，二是可再生能源的相对较低渗透率。煤炭和天然气的主导地位意味着电力行业二氧化碳（CO?）排放量将同步上升，其中煤炭的边际排放强度最高，而天然气只能部分抵消这一影响。如果缺乏向低碳能源的快速多元化发展，预计的排放趋势可能会削弱孟加拉国履行国家自主贡献（NDC）承诺的能力。在这一背景下，市政固体废弃物（MSW）作为一种本地可用的能源载体，能够缓解电力供应紧张，替代更加碳密集的燃料，并减少城市甲烷排放，因此推动对不同WtE技术的系统评估显得尤为重要。

2025年孟加拉国的电力生产和消费情况通过桑基图得到展示，总装机容量达到31,260兆瓦（MW），包括天然气、煤炭、重油、可再生能源、自备发电、进口电力和高速柴油发电机。这些电力供应被分配到关键需求领域，如住宅、工业、商业和农业。该图提供了对全国能源平衡的清晰概述，突显了各行业电力需求和生产来源的贡献。燃烧煤炭会释放二氧化碳（CO?）、二氧化硫（SO?）、氮氧化物（NOx）、颗粒物、汞和其他重金属，以及一氧化碳（CO）等污染物。天然气燃烧会产生类似污染物，但排放量较小，同时伴随微量的硫氧化物（SOx）。重油燃烧则会释放挥发性有机化合物（VOCs）以及与煤炭相同的污染物。这些污染物对环境和健康产生重大影响，例如二氧化碳导致全球变暖和极端天气模式，二氧化硫和氮氧化物引发酸雨和雾霾，破坏生态系统、土壤和水体，同时导致人类呼吸系统疾病。颗粒物如灰烬、烟尘和细颗粒物通过呼吸进入肺部，引发严重的肺部和心血管疾病。挥发性有机化合物会形成臭氧层，加剧哮喘等肺部疾病。重金属如汞（Hg）和铅（Pb）则会混入环境和食物链，传播神经损伤和癌症。这些污染物的综合影响会降低空气质量，破坏生态系统，并对公共健康构成重大风险。据估计，使用污染燃料进行烹饪和取暖的24亿人口中，每年约有320万人因家庭空气污染而死亡。令人惊讶的是，大约99%的人口生活在超过世界卫生组织（WHO）空气质量指南的环境中，因此每年因环境空气污染导致的死亡人数约为420万。

为了更全面地评估MSW转化为能源的可能性，本研究对全球不同地区的相关研究进行了综合回顾，列在表2中。该表涵盖了所采用的技术、估计的能源产出、经济评估（如净现值、回收期、平准化能源成本）以及环境影响，如温室气体（GHG）减排。数据显示，焚烧、厌氧消化、气化和垃圾填埋气回收是最常被研究的方法。焚烧通常提供更高的能源产出，而厌氧消化和气化在多个案例中展现出良好的环境和经济表现。该表还强调了技术在不同情境下的适用性，包括能源回收潜力、成本效益和生态效益。

随着城市化进程的加快，MSW正逐渐被视为一种有价值的能源资源，而不仅仅是负担。对于那些电力需求超过传统供应能力的城市，将MSW中的化学能通过WtE途径如整体焚烧（INC）、厌氧消化（AD）和垃圾填埋气（LFG）回收进行转化，能够同时缓解日益紧张的填埋场容量，减少温室气体（GHG）排放，并缓解地方电力短缺。由于每种技术都依赖于特定地点的废弃物组成、热值、运输距离和收费结构，因此它们的相对优势必须在城市层面进行评估。在这一背景下，孟加拉国的能源短缺和对化石燃料的依赖促使国家越来越重视替代和分散式能源来源。在拉杰沙希这样的城市，MSW的大量存在和未被充分利用的潜力使其成为城市能源韧性和可持续性的重要资源。拉杰沙希市位于孟加拉国西北部，靠近帕德马河（恒河），城市人口在2025年达到约100.7万人，人口密度约为每平方公里10,540人，人均国民收入为每年约2824美元。这类中等收入、快速增长的城市是“新城市前沿”的典型代表，其中废弃物体积和能源需求都显著增长。

在进行废弃物管理和能源回收评估时，首先需要对拉杰沙希市的废弃物进行分类和分析。该市地处帕德马河上段北岸，地理坐标介于24°20?至24°24?北纬和88°32?至88°40?东经之间，总面积为95.6平方公里。2025年，城市人口约为100.7万人，年增长率2.37%，人口密度为每平方公里约10,540人，人均国民收入为每年约2824美元。这种中等收入、快速增长的城市代表了“新城市前沿”，其中废弃物体积和能源需求都显著增长。因此，对拉杰沙希市的废弃物进行详细分类和分析是制定WtE策略的基础。

本研究采用了一种系统的方法来评估MSW转化为能源的可行性，包括对拉杰沙希市的废弃物特征分析、GIS数据的准备、技术特定模型的开发、经济分析以及对MSW管理情景的环境影响评估。在废弃物特征分析方面，拉杰沙希市的MSW中有机成分占71%，热值约为14.9兆焦耳/千克，人均每日MSW产生量为0.42千克。然而，目前仅有约70%的MSW被正式收集，其余则通过非正式方式处理或露天倾倒。大多数区域缺乏全面的收集覆盖，而唯一的纳奥达帕拉垃圾填埋场缺乏工程控制措施。尽管国家电网能够满足约25兆瓦的电力需求，但预计的峰值需求为65兆瓦，迫使广泛使用柴油发电机组，加剧了地方空气污染。这种能源短缺与有机丰富的废弃物流的结合，使得拉杰沙希成为WtE技术部署的理想候选城市。

在进行技术评估时，拉杰沙希市的废弃物特征与全球其他发展中国家的案例研究具有相似之处，例如高有机废弃物含量和基础设施不足。因此，高级热化学技术如热解、气化、水热碳化（HTC）和衍生燃料（RDF）由于其高资本投入、复杂的操作要求以及与拉杰沙希市高有机、高水分废弃物流的不兼容性，被排除在研究范围之外。相比之下，厌氧消化（AD）、焚烧（INC）和垃圾填埋气（LFG）回收技术更适合在像拉杰沙希这样的低至中等收入城市中进行分散式部署。表2中的独立可行性研究确认了这三种主流WtE技术对城市能源结构的潜在贡献。然而，与那些具备先进监管和财务能力、更倾向于焚烧的地区不同，拉杰沙希的条件更符合厌氧消化，因为其资本成本较低，并且能够适应有机丰富的MSW。这支持了以AD为主导的策略在该地区的适用性。

本研究通过开发蒸汽循环焚烧炉的热力学模型，预测了当前废弃物处理条件下每日可产生约159 MWh的电力，或每年约58 GWh。对集中式厌氧消化厂的经济分析表明，其持续输出为3.85兆瓦，回收期为4.9年。而对纳奥达帕拉旧填埋场进行的一阶衰减建模则预测LFG回收每年可向电网提供约15 GWh的电力。然而，这些研究是独立进行的，采用了不同的系统边界和性能指标，且忽略了空间因素如运输物流和最佳工厂选址。因此，政策制定者仍然缺乏一个综合的比较框架，以在单一分析框架下权衡能源产出与经济可行性、生命周期环境影响和社会接受度。本研究的主要目标是全面评估多种WtE技术在拉杰沙希市的可行性，其具体目标包括：1）在拉杰沙希市的背景下，对AD、INC和LFG技术进行综合的3E（能源-经济-环境）评估；2）评估2024至2040年间拉杰沙希市MSW的长期能源回收潜力；3）在不同折现率（5%和10%）下，利用净现值（NPV）、平准化能源成本（LCOE）和回收期评估经济可行性；4）量化环境影响，包括温室气体排放（GWP）、酸化潜力（AP）和二噁英排放，与露天倾倒基线进行对比；5）应用多准则决策分析（MCDA），结合利益相关者提供的权重，从能源、成本和健康维度对WtE选项进行排序。

本研究通过整合技术性能、经济可行性、环境影响和空间规划，旨在为拉杰沙希市的决策者提供一个全面的证据基础，以指导最合适的WtE路径的选择和实施顺序。在方法部分，首先对拉杰沙希市的废弃物进行了详细分类和分析，包括其成分、产生量和处理方式。其次，利用地理信息系统（GIS）数据对城市的空间布局和废弃物分布进行了建模。接着，开发了技术特定的模型，以评估不同WtE技术在该地区的能源产出、经济成本和环境影响。在经济分析方面，研究采用了净现值（NPV）、平准化能源成本（LCOE）和回收期等指标，以衡量不同WtE技术的经济可行性。在环境影响评估方面，研究量化了不同技术的温室气体排放、酸化潜力和二噁英排放，并与露天倾倒基线进行了对比。最后，应用了多准则决策分析（MCDA）方法，结合利益相关者的权重，对不同WtE技术进行了排序，以评估其在能源、成本和健康维度的综合优势。

在结果与讨论部分，研究分析了三种WtE技术在2024至2040年间的能源产出、经济可行性和环境影响。数据显示，AD和INC在能源产出方面表现出显著增长，预计到2040年，AD的能源产出将从2024年的102百万千瓦时增加到432百万千瓦时，而INC则从2024年的95.4百万千瓦时增加到404百万千瓦时。相比之下，LFG的能源产出增长较为有限，从2024年的15百万千瓦时增加到2040年的45.3百万千瓦时。这种增长反映了AD和INC的能源产出将超过四倍，而LFG的能源产出将增长三倍。在经济可行性方面，AD和INC的净现值分别为4.19亿美元和3.92亿美元，回收期分别为4.2年和4.9年。这些数据表明，AD和INC在经济上具有较强的可行性，而LFG的经济可行性相对较低。在环境影响方面，AD的酸化和二噁英排放最低，而LFG和无回收情景则对人类健康和生态系统造成最大损害。敏感性分析进一步验证了AD和INC在不同通货膨胀和电价波动下的稳健性。综合来看，以AD为主导、辅以选择性INC的策略，能够实现能源、经济和环境效益的最优平衡。

在挑战与机遇部分，研究探讨了在拉杰沙希市实施综合MSW管理系统可能面临的复杂挑战。关键障碍包括缺乏关于废弃物成分和产生量的可靠和详细数据，这会削弱系统设计的准确性，影响不同技术的比较性能分析。此外，财政限制，尤其是市政资金不足和私人部门参与度低，限制了对高级处理技术如AD、INC和LFG回收的投资。尽管这些技术在理论上具有较大的潜力，但在实际应用中仍面临诸多挑战。因此，研究提出了一些可能的解决方案，包括加强数据收集、优化技术选择、促进政策支持和鼓励私人投资。同时，研究也指出了在拉杰沙希市实施WtE技术的机遇，如减少对化石燃料的依赖、提高能源自给率、改善环境质量、增强城市韧性等。这些机遇为拉杰沙希市的可持续发展提供了新的方向。

在结论部分，研究总结了三种主要WtE技术在拉杰沙希市的可行性评估结果。研究结果表明，AD和INC在能源产出和经济可行性方面表现突出，而LFG的经济可行性相对较低。此外，AD在环境影响方面具有显著优势，能够减少温室气体排放和二噁英排放，而LFG和无回收情景则对人类健康和生态系统造成较大损害。因此，研究建议采用以AD为主导、辅以选择性INC的策略，以实现能源、经济和环境效益的最优平衡。这种策略不仅能够提高拉杰沙希市的能源自给率，还能减少对化石燃料的依赖，改善环境质量，并增强城市的可持续发展能力。此外，研究强调了在快速城市化背景下，对MSW进行系统管理和高效利用的重要性。通过WtE技术的实施，拉杰沙希市可以实现能源和环境的双重目标，为其他类似城市提供可借鉴的经验。

在研究过程中，作者们强调了数据收集和分析的重要性。拉杰沙希市的MSW数据，包括其成分、产生量和处理方式，是制定WtE策略的基础。因此，研究建议加强数据收集，以确保系统设计的准确性。同时，研究也指出，经济分析和环境评估需要考虑多种因素，如折现率、运输成本和最佳选址。因此，政策制定者需要综合考虑这些因素，以制定最优的WtE策略。此外，研究还强调了多准则决策分析（MCDA）在技术选择中的重要性，结合利益相关者的权重，能够更全面地评估不同技术的综合优势。这种方法不仅能够提高决策的科学性，还能增强社会接受度，从而促进WtE技术的实施。

在研究过程中，作者们还强调了研究的伦理和利益冲突问题。研究声明称，作者们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本研究的成果。此外，研究未获得外部资金支持，这可能影响研究的深度和广度。因此，研究建议未来的研究应寻求更多的资金支持，以进一步完善WtE技术的评估和实施。同时，研究也指出，未来的研究应更加关注空间因素，如运输物流和最佳选址，以提高WtE技术的实施效率。这些因素在当前研究中被忽略，可能影响技术的综合评估。因此，未来的WtE研究应更加全面，以确保技术的可行性和有效性。

综上所述，本研究对拉杰沙希市的WtE技术进行了全面评估，揭示了AD和INC在能源产出和经济可行性方面的优势，以及LFG在环境影响方面的劣势。研究建议采用以AD为主导、辅以选择性INC的策略，以实现能源、经济和环境效益的最优平衡。这种策略不仅能够提高拉杰沙希市的能源自给率，还能减少对化石燃料的依赖，改善环境质量，并增强城市的可持续发展能力。同时，研究也指出，未来的WtE研究应更加关注数据收集、经济分析、环境评估和空间规划，以确保技术的可行性和有效性。这些因素对于实现WtE技术的全面应用至关重要。通过这些研究，拉杰沙希市的决策者可以更好地理解不同WtE技术的综合优势，从而制定最合适的策略，推动城市的可持续发展。