有机城市固体废物堆肥的闭环管理：渗滤液能源化路径的环境评估

《Environmental Impact Assessment Review》：Closing the loop in organic municipal solid waste composting: Environmental assessment of leachate-to-energy pathways

　　

• 混合堆肥 - 厌氧消化提升有机城市固体废物的气候效益。
• 从渗滤液回收能量发电实现温室气体净负排放。
• 压缩生物天然气（CBG）路径接近气候中性但能耗密集。
• 盈亏平衡点阈值界定了气候可行性界限。

引言
由快速城市化、人口增长和消费模式转变推动的城市固体废物（MSW）生成量不断增加，构成了重大环境和社会经济挑战（Maalouf and Agamuthu, 2023）。城市固体废物有机组分（OFMSW）管理不当不仅对环境质量和公共健康构成风险，还阻碍了联合国多项可持续发展目标（SDGs）的进展，包括 SDG 3（良好健康与福祉）、SDG 6（清洁饮水和卫生设施）、SDG 11（可持续城市和社区）以及 SDG 13（气候行动）（Abubakar et al., 2022）。OFMSW 占 MSW 的主要比例，全球约为 46–50%，在低收入国家高达 64%，印度报告的数值约为 50%，特别是在分类的湿垃圾流中（Babu et al., 2021; Singh et al., 2023）。当在非科学填埋场或无管理的垃圾填埋场处置时，这种生物废弃物的厌氧分解会产生大量甲烷（CH4），这是一种强效温室气体，以及高浓度有毒渗滤液，可能污染土壤和地下水资源（Siddiqua et al., 2022）。因此，开发并实施有效、可持续且经济可行的 OFMSW 处理解决方案不仅仅是废物管理问题，更是全球可持续性和气候缓解战略的关键组成部分。

在所有可用的处理选项中，堆肥被广泛采用为一种稳定有机废物的有效方法。它支持循环经济原则，通过实现养分回收并将有机质返回土壤系统（Mazzoli et al., 2024）。堆肥的应用改善了土壤结构，增强了水分保持能力，减少了对合成肥料的依赖，从而有助于可持续农业实践（Jiang et al., 2024）。
然而，堆肥过程本身并非完全无害。如果关键工艺参数没有得到妥善管理，该过程可能变得低效或对环境有害（Shen et al., 2011; Yasmin et al., 2022）。通风不良可能导致堆肥堆（例如条垛）内部出现厌氧区，从而排放甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O），这两种都是强效温室气体（Nordahl et al., 2023; Oviedo-Oca?a et al., 2023; Saer et al., 2013）。此外，该过程消耗化石燃料用于运输和设备操作（例如翻动条垛），并且由于废物本身的高湿度以及堆肥过程本身会产生高浓度渗滤液（Tahsini et al., 2024）。这种效益（例如肥料替代）与负担（例如过程排放、能源使用、渗滤液产生）之间的复杂相互作用使得全面和整体的评估至关重要。

为了应对这种复杂性，生命周期评估（LCA）已成为全球标准，是一种整体且系统的工具，用于从摇篮到坟墓评估产品、过程或服务的环境绩效。在固体废物管理方面，LCA 被广泛用于：(i) 分析特定技术的环境绩效，(ii) 比较不同的废物处理替代方案，以及 (iii) 识别环境“热点”以指导工艺改进的实际修改（Serafini et al., 2025; Zhang et al., 2021）。
尽管应用广泛，但堆肥系统的 LCA 极具挑战性且充满不确定性。如许多系统性综述所指出的，LCA 研究的最终结果对当地情况、数据来源以及研究人员做出的主观但关键的假设高度敏感（Zhang et al., 2021）。这种高度可变性和缺乏标准化意味着，尽管存在许多关于堆肥的 LCA 研究，但其结果往往不可比较，仍然迫切需要透明、基于背景且技术细节详尽的评估。
虽然现有文献广泛讨论了固体堆肥质量、直接排放和堆肥终端使用的影响；但作为一种潜在污染副产品的堆肥渗滤液，在生命周期评估中往往被忽视或处理不当（Bong et al., 2017; Colón et al., 2010; Levis and Barlaz, 2011; Mazzoli et al., 2024; Mu et al., 2017; Olivera-Begué et al., 2025; Tian et al., 2025）。在许多工业规模设施中，渗滤液只是被收集和储藏在罐中以防止地下水污染，产生了管理成本和责任而没有产生价值。某些系统可能会用它来重新湿润堆肥堆，但这并不能解决高营养和有机负荷问题。这表明存在资源回收的潜在机会以及现有研究中的关键差距。

该领域的未知点不在于堆肥是否可行，而在于如何在解决所有输出（包括渗滤液）的综合“废物到价值”框架内对其进行优化。本研究提出，渗滤液不应被视为废物，而应作为能源回收的原料。渗滤液的高有机含量使其成为厌氧消化产生生物天然气的理想基质（Eslami et al., 2018; Nalladiyil et al., 2026; Siciliano et al., 2019）。此外，印度已经宣布了厌氧消化液和未消化残留物再利用的标准，这构成了作为副产品安全可行再利用的参考。这创造了一种混合系统，将好氧（堆肥）和厌氧（渗滤液消化）过程耦合在一起，产生多种副产品。此外，随后对该回收生物天然气利用路径呈现了另一个关键的且很大程度上未经评估的决策点。生物天然气可以直接在发电机组中用于发电，或者可以被升级和纯化为压缩生物甲烷/生物天然气（CBG），一种高质量的车辆燃料。每种路径都有独特的环境权衡，并替代了不同的化石燃料基产品（Pasciucco et al., 2023; Singh et al., 2026）。

迄今为止，很少有研究（如果有）对大规模堆肥系统进行了比较 LCA，该系统明确整合了这些渗滤液到能源的路径。在印度背景下尤其如此，这是一个在应对大量废物生成的同时迫切需要可持续能源的国家。在印度，能源回收的环境信贷具有独特的意义，因为其电网以煤炭为主（占发电量的 60–70%），其运输部门严重依赖进口化石燃料如柴油。因此，替代基于煤炭的电力或基于化石燃料的车辆燃料代表了一种关键的、高影响力的气候缓解战略，这与印度的国家气候政策直接一致（Singh et al., 2026）。
尽管对堆肥系统的研究广泛，但大多数 LCA 研究主要关注与固体堆肥部分相关的排放、能源使用和肥料替代。相比之下，产生数量可观且含有高有机和营养负荷的堆肥渗滤液，获得的关注相对有限。在许多设施中，渗滤液被视为需要管理的废物流，而不是潜在的资源。

先前的研究评估了来自农业残留物、城市有机废物、废水和共消化有机废物的生物天然气到电力和生物甲烷路径（Pasciucco et al., 2023; Singh et al., 2026; Singh and Kalamdhad, 2022a, Singh and Kalamdhad, 2022b）。然而，这些研究主要评估厌氧消化及随后的生物天然气增值作为主要处理路径，并未明确整合好氧 OFMSW 堆肥设施产生的渗滤液管理于同一 LCA 框架内。因此，本研究的创新之处在于评估综合好氧 - 厌氧系统内可回收原料的堆肥渗滤液，并比较两种下游渗滤液 - 生物天然气利用路径，如发电和压缩生物天然气（CBG），同时在一个统一的 LCA 系统边界内考虑堆肥和液体发酵有机肥利用、肥料替代、运输和能源置换。

本研究的目的是通过进行详细、比较性的 LCA 来弥合这一重大研究差距，以量化和评估印度大规模 OFMSW 条垛堆肥设施的环境绩效，专门关注渗滤液管理和能源回收的综合策略。为了实现这一目标，本研究将追求以下具体目标：
• 通过量化 OFMSW 条垛堆肥设施的生命周期影响来建立环境基线（情景 1），其中渗滤液被收集并作为液体肥料替代品进行管理（无能源回收的堆肥）。
• 评估综合路径的环境绩效（情景 2），其中渗滤液通过厌氧消化处理，产生的生物天然气在发电机组中转化为电力，替代印度以煤炭为主的电网电力（有能源回收的堆肥，生物天然气到电力）。
• 评估另一种综合路径（情景 3），其中渗滤液衍生的生物天然气被纯化、压缩并升级为生物甲烷用作车辆燃料，替代传统化石燃料（有能源回收的堆肥，生物天然气到压缩生物天然气）。
• 通过为每个情景执行贡献、不确定性和敏感性分析来识别环境热点，从而精确定位未来环境改进应针对的最具影响力的过程和参数。
通过使用详细的、特定场地的清单数据比较这三个技术上可行的情景，本研究为所评估路径的潜在环境绩效提供了定量评估。结果可以支持政策制定者、工厂运营商和其他利益相关者未来的决策，以识别 OFMSW 管理最环境可持续的路径，当地称为分类的家庭湿垃圾。这种方法超越了简单的废物封存，转向基于资源和能源回收的循环经济模式。

章节片段
方法论
采用生命周期评估（LCA）作为分析框架来评估和比较 OFMSW 管理情景。LCA 建模使用 SimaPro（版本 9.6.0.1）进行。功能单位定义为处理 1 吨 OFMSW（Colón et al., 2010; Serafini et al., 2025）。系统边界包括运营阶段、OFMSW 的收集和运输、废物堆肥、渗滤液处理、堆肥和液体肥料的运输以及替代……

全球变暖
图 3 展示了每吨 OFMSW 的堆肥厂全球变暖（GW）情况（相应数据见补充表 S1）。结果突出了各种活动的贡献，总排放（或无信贷的总 GW）中最大的显著贡献与堆肥过程相关。以肥料抵消形式（～67 千克 CO2 当量）的信贷也被考虑在内，这通过避免合成肥料生产中的排放而大幅降低了 GW……

废物管理系统的实际应用或政策相关见解
本研究的发现对城市固体废物管理、能源政策和气候缓解战略具有几项重要含义，特别是在有机废物生成量高且能源系统碳密集型国家，如印度。基于这项工作建议以下：
• 结果表明，堆肥设施应被承认为不仅仅是废物处理基础设施，而是综合资源回收系统。政策……

研究的局限性和未来研究途径
尽管本研究采用了详细和特定场地的方法，但在解释结果时应考虑几项局限性。生命周期清单基于代表性大规模条垛堆肥设施的数据。虽然应用了现实假设，但设施之间的运营变异（如废物组成、管理实践和气候条件的差异）可能会影响绝对影响值。与大多数 LCA 研究一样，结果是……

结论
本研究表明，OFMSW 堆肥系统的模型化环境绩效不仅受废物稳定化的影响，还受输出物有效增值的影响，特别是堆肥渗滤液。通过将基于渗滤液的能源回收整合到生命周期边界中，分析突出了提高堆肥设施气候绩效的重大机会。
在评估的情景中，结合渗滤液厌氧消化的堆肥和……

利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：G L Sivakumar Babu 教授报告称获得了印度政府首席科学顾问办公室的财务支持。如果有其他作者，他们声明没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本论文中报告的工作。

致谢
作者衷心感谢印度政府首席科学顾问办公室的资助援助。（文件编号：G-30011/19/2022-PROJ(E-360)）。
Prakash Singh|Prathima Basavaraju|G.L. Sivakumar Babu|Chanakya Hoysall|Lakshminarayana Rao