沼气与消化渣协同增值：三种农场规模厌氧共消化方案的环境生命周期成本分析

本文通过环境生命周期成本（E-LCC）方法，系统评估了以畜禽粪浆为主、搭配不同共基质（co-feedstocks）的三种农场级厌氧共消化（AD）方案，首次将功能性单位（FU）关联至消化渣（digestate）的氮素有效性，实现了沼气（MWh）与消化渣（kg可溶性氮）从摇篮到坟墓（cradle-to-grave）的全程环境与经济绩效对比，为生物基肥料（BBF）的循环策略提供量化支撑。

　　

Highlight

厌氧消化（AD）将废弃物管理与可再生能源生产及循环肥料产品相结合。尽管国际目标要求提升生物基肥料（BBFs）中的养分回收率，但目前缺乏对AD产出消化渣的全生命周期环境与经济影响的系统研究，也缺少将功能性单位（FU）与消化渣关联以促进其与矿物肥料可比性的研究。本研究评估了从原料获取到农场使用（摇篮到坟墓）过程中，每功能性单位沼气（MWh）和消化渣（千克可溶性氮）的环境生命周期成本与气候影响，从而可与外购能源和矿物肥料进行对比。研究了三种不同的农场规模厌氧消化情景，均以粪浆为底物并搭配不同共消化基质。结果表明，在所有三种情景中，农场自产的沼气与消化渣的气候影响和成本均低于相应的外购产品。将消化渣视为共产品（co-product）使沼气的生命周期排放降低了24–29%。相应地，消化渣的碳足迹增加了6–8%，但通过其在土壤中施用所具有的碳封存潜力得以抵消。在所有情景中，沼气与消化渣产品的净现值（NPV）均为正，且以食品工业副产物作为共基质的情景最高。将气候影响货币化后，沼气与消化渣的NPV进一步增加，因为其所替代的能源与矿物肥料具有更高的气候影响。产品层面的分析揭示了沼气与消化渣各自不同的产品特异性热点，为针对性地提升可持续性提供了方向。

Introduction

厌氧消化（AD）作为一种将可生物降解废弃物和残余副产物转化为沼气和富营养消化残余物（消化渣）的微生物过程，具有助力实现多项可持续性目标（如欧盟可再生能源指令（EC, 2009, EC, 2019a, EC, 2019b）、国际能源署（IEA, 2017）和美国可再生燃料标准（EPA, 2020））的潜力。作为对这些可再生能源政策的响应，Bacenetti等人（2016）、Balcioglu等人（2022）和Egas等人（2023）的文献综述观察到，厌氧消化的生命周期评估（LCA）研究一直仅侧重于将沼气作为主产品，因为消化渣被视为厌氧过程的次要功能，是废弃物管理过程的一部分，而非与能源并列的潜在共产品。

仅发现少数LCA研究涵盖了消化渣在田间的利用，并将功能性单位（FU）与消化渣产品相关联：按待处理消化渣的质量计（Vazquez-Rowe等人，2015；Styles等人，2018；Spagnolo等人，2019）或按消化渣中所含的氮（N）计（Timonen等人，2019）。然而，根据欧盟委员会环境足迹倡议（EC, 2021）的经济分配指南，产品特定的FU是进行不同产品影响有意义比较的关键组成部分。FU还应有助于具有相同功能性的系统之间结果的比较与解释（Ahlgren等人，2013），并且从可比性的角度来看，如果要比较不同的肥料产品（例如对植物有效的可溶性氮），考虑其营养功能至关重要（Egas等人，2023）。

存在推动消化渣作为生物基肥料（BBFs）增值的驱动因素，例如欧盟肥料产品法规（EC, 2019a, EC, 2019b）、欧盟绿色协议（EC, 2019b）和农场到餐桌战略（EC, 2020），这些都支持生产和使用BBFs以补充矿物肥料。然而，尽管市场兴趣和支持政策日益增长，但目前尚无将生命周期成本计算（LCC）与LCA相结合的方法来评估消化渣产品的价值。换言之，厌氧消化的研究仅将LCA与LCC结合用于沼气的增值，而未考虑消化渣，仅涵盖了从沼气厂建设到能源销售的生命周期阶段，排除了生命终结阶段，即消化渣的使用（Britz和Delzeit，2013；Bierer等人，2015；Demichelis等人，2022；Pasciucco等人，2024）。

最后，当消化渣与沼气一同被赋予经济价值时，根据经济分配规则，排放将在两种产品之间进行分配，这潜在地降低了沼气的碳足迹（Timonen等人，2019）。当共产品在市场上具有截然不同的物理关系和最终用途时，通常采用经济分配（Kytt?等人，2022）。例如，作为副产品的沼气和消化渣在质量、碳平衡和热值方面存在显著差异，因此尽管两者在市场上都有价值，但几乎所有排放都会被分配给沼气或消化渣（Timonen等人，2019）。

本研究评估了沼气和消化渣从摇篮到坟墓的增值过程的环境生命周期成本（E-LCC）。E-LCC通过两种不同方式将LCA与LCC结合进行：1）生命周期环境影响与生命周期成本并行评估；2）生命周期气候影响以货币形式（排放交易许可）内部化，并与LCC结果结合。通过将功能性单位（FU）与沼气（MWh）和消化渣（千克可溶性氮）相关联，对两种最终产品的生命周期影响和成本进行了分配，并与可替代的外购能源和矿物肥料进行比较，以寻找成本节约、减排和产品价值（NPV）的潜力。最后，本研究探讨了将消化渣与沼气产品并列增值将如何降低沼气产品以及消化渣的排放和成本。研究情景设定为典型的北欧（芬兰）小型农场沼气厂，以粪便（猪粪浆）为主要原料，并处理三种在当前北欧条件下相关的不同共基质。农场沼气厂在芬兰的重要性日益增长。统计数据显示，2023年农场沼气厂的能源生产较2022年增长了31%（StatFin，2024）。此外，各种农业残余物（粪便、过剩草料、秸秆、其他作物残余）被认为是芬兰沼气生产未利用原料中潜力最大的。

Conclusions

本研究强调了将消化渣作为共产品进行增值对于降低沼气碳足迹的重要性。反之，消化渣的碳足迹会增加，但可通过其在土壤中施用所具有的碳封存潜力得以抵消。通过在典型的北欧农场沼气厂利用可生物降解废弃物和残余物生产能源和肥料产品，替代外购的混合能源和矿物肥料，可以实现环境和经济效益。