农村有机固废厌氧消化-好氧堆肥集成系统的生命周期评估与环境效益分析

推荐：为解决中国农村有机固废物(ROSW)处理的环境与经济挑战，研究人员通过生命周期评估(LCA)比较了厌氧消化(AD)、好氧堆肥(AC)及AD-AC集成系统的环境效益。结果显示，AD-AC系统在15/18项中点和2/3项终点指标中表现最优，显著降低全球变暖潜力(GWP)和生态毒性，同时实现资源回收(-14.44 USD2013)和健康效益(-0.027 DALY)，为发展中国家可持续废物管理提供科学依据。

　　

随着中国农村现代化进程加速，有机固体废弃物(ROSW)产量激增，2023年已达60亿吨（湿重），包括畜禽粪便、蔬菜残渣等。传统焚烧和填埋方式导致重金属积累、水体富营养化等问题，而现有资源化利用率仅25%。厌氧消化(AD)和好氧堆肥(AC)虽能转化废弃物为能源（CH₄）和肥料，但单独应用存在消化液利用低、臭气排放等问题。集成AD-AC系统理论上可协同提升效率，但其全生命周期环境效益尚不明确，亟需系统性评估以指导政策制定。

为填补这一空白，Hao Peng团队在《Environmental Toxicology and Pharmacology》发表研究，首次采用生命周期评估(LCA)框架，对比AD、AC及AD-AC系统处理ROSW的18项中点指标（如GWP、FRS）和3项终点指标（人类健康、生态系统、资源）。研究以10吨ROSW（含水率70%，C/N=20-25）为功能单位，边界涵盖预处理、生物处理、废弃物处置全链条，数据源自Ecoinvent数据库与中国实地调研，通过SimaPro软件结合ReCiPe 2016方法学量化环境影响。

2. Materials and methods

2.1. Goal and scope definition

研究设定三种情景：AD（厌氧消化）、AC（好氧堆肥）及AD-AC集成系统，重点评估能源消耗、温室气体排放与生态毒性。系统边界涵盖从收集到最终处置的全过程，包括预处理（破碎、压缩）、生物处理（AD/AC）、废水处理（PAC/PAM絮凝）及填埋。

2.2. Life cycle inventory

AD情景中，ROSW经AD产生沼气（1035 m³/FU）发电，残渣进入堆填；AC情景直接堆肥产肥料（5.74吨/FU）；AD-AC情景则耦合两者，AD残渣二次堆肥。关键假设包括忽略设施建设碳排放、运输距离统一化，并采用中国电网电力数据。

3. Results and discussions

3.1. End-point impact category results analysis

AD-AC在人类健康（-0.027 DALY）和资源节约（-14.44 USD₂₀₁₃）表现最优，主要归因于沼气发电替代化石能源。但生态系统影响（6.57×10^?5物种·年）略高于AC，因堆肥阶段氨排放增加。

3.2. Mid-point impact category results analysis

AD-AC在15项指标中领先，如GWP（-606.81 kg CO₂ eq）和化石资源稀缺性（-155.1 kg油当量）。但水消耗（4.87 m³）和陆地酸化（21.62 kg SO₂ eq）较高，反映系统在水资源紧张地区的局限性。

3.3. Sensitivity analysis

电力消耗降低10%可使AD-AC生态系统影响由负担转为效益（-2.3×10^?5物种·年），凸显能耗优化的关键性。

3.4. Discussion

研究提出分类收集、干式AD工艺升级、耦合光伏等优化路径，但承认高水耗限制在干旱区的适用性。未来需结合区域特点平衡碳减排与水足迹。

该研究证实AD-AC系统能协同实现ROSW的能源-肥料双回收，为发展中国家提供低碳解决方案。其方法学创新在于首次量化集成系统的多维度环境权衡，推动废物管理从“末端处理”向“循环经济”转型。政策制定者需依据区域资源禀赋选择技术路线，例如在水资源丰富地区优先推广AD-AC，而在干旱区优化AC或干式AD。这一成果为全球农村有机废物管理的可持续发展提供了重要范式。