《Cleaner and Circular Bioeconomy》：Dynamics of anaerobic digestion under low source-separation conditions
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本研究评估了选择性收集（selective collection, SC）率对用于处理和回收填埋场城市固体废物的干式批式厌氧消化（anaerobic digestion, AD）系统运行灵活性的影响。案例研究考察了10%、25%、50%和75%四种SC情景，以
本研究评估了选择性收集（selective collection, SC）率对用于处理和回收填埋场城市固体废物的干式批式厌氧消化（anaerobic digestion, AD）系统运行灵活性的影响。案例研究考察了10%、25%、50%和75%四种SC情景，以及0%和100%的理论边界情景，以评估从早期到先进源分离系统的运行改善情况。评估内容包括底物表征、能源回收、工艺稳定性、资源回收以及AD系统的概念性经济评估，以考察运行因素及其对综合能源性能的影响。结果表明，在所有SC情景下均可实现稳定的AD运行。在中温条件下，预测的自由氨氮浓度始终远低于抑制阈值，支持了工艺稳定性。对SC情景的进一步解读表明，通过生物甲烷和沼渣生产可实现能源和非能源资源回收的改善。热电联产（combined heat and power, CHP）的集成也改善了AD系统性能。分析预测，在所有SC情景下均可实现正的能源收益，且收益超过运行成本。因此，SC50%提供了一条平衡的过渡路径，而SC75%在评估条件下展现出更高的能源和经济性能。这些发现表明，灵活的AD系统能够适应源分离的逐步改善，同时支持发展中地区的循环经济发展和能源转型。
低源分离条件下厌氧消化系统的动态适应性与能源经济潜力——基于印度尼西亚三宝垄县的多情景评估
一、研究背景与问题提出
城市固体废物（municipal solid waste, MSW）是全球增长最快的固体废物流之一，其驱动力来自人口快速增长、城市化进程以及生活方式变迁。许多发展中经济体和转型经济体仍依赖填埋、露天倾倒甚至不受控的废物焚烧等处理方式，这些做法削弱了资源管理、增加了能源损失，并加剧了环境和气候压力。东南亚国家包括印度尼西亚在内，持续面临选择性收集（selective collection, SC）有限和预处理设施不足的挑战，导致大量未经处理的有机废物被填埋，产生甲烷和渗滤液，同时造成可回收能源和营养物质的重大损失。在许多发展中地区，有机废物占所收集MSW的一半以上，将其填埋处置既是环境负担，也是可再生资源机会的丧失。
在可用的有机废物转化能源（organic waste-to-energy, OWtE）技术中，厌氧消化（anaerobic digestion, AD）是最灵活的生物处理方法之一。AD能够以沼气形式实现能源回收，沼气可用于发电和供热或升级为生物甲烷，同时产生可支持养分循环的沼渣。SC在优化AD性能方面发挥着关键作用，通过减少不可生物降解的污染物、提高原料纯度以及增加挥发性固体（volatile solids, VS）的可利用性，从而增强消化动力学和甲烷产量。然而，以往研究大多采用静态、归因性和基于平均值的方法，假设稳定的原料组成、一致的运行条件和完全成熟的SC系统，这些假设在转型期废物管理系统中往往不切实际。针对在渐进式SC条件下运行的经济可行的集成系统，适应性生化工艺稳定性和灵活能源回收方法仍发展不足。
本研究的创新之处在于将AD视为一个可适应、模块化和灵活的系统，能够随废物管理系统同步演变，而非在静态设计假设下保持固定。研究目标是为AD系统开发并应用一个动态评估框架，涵盖SC逐步持续改善的情景，并应用于印度尼西亚三宝垄县（Semarang Regency），该地区代表了以低SC和高填埋依赖为特征的转型期城市废物管理系统。
二、研究内容与主要技术方法
研究人员以印度尼西亚中爪哇省三宝垄县的布隆多填埋场（Blondo Landfill）为参考地点，该填埋场每日接收约500–600吨城市固体废物。研究开发了四种SC情景（10%、25%、50%和75%）以及0%和100%的理论边界情景，构建了干式批式AD系统的生化模型（BioModel），该模型将有机底物组成与甲烷产量通过简化的微生物转化途径联系起来。主要技术方法包括：底物表征框架，涵盖水分含量、总固体（total solids, TS）、VS、大分子组成、比化学需氧量（specific chemical oxygen demand, COD）和碳氮比（C/N ratio）等关键参数；基于简化微生物转化途径的生化过程建模，模拟复杂聚合物水解、可溶性中间产物转化为挥发性脂肪酸（volatile fatty acids, VFA）、氢气和乙酸盐，以及通过产甲烷途径生成甲烷的过程；能源平衡分析，评估热力需求、热电联产（combined heat and power, CHP）贡献和净热平衡；以及概念性经济评估，考察运行成本和能源相关成本回收的关系。
三、研究结果
3.1 模型一致性与基准验证
研究人员通过内部验证重点关注氮转化途径，特别是蛋白质降解、氨释放和微生物摄取。模拟的总氨氮浓度保持在文献报道的1,500–3,000 mg·L?1抑制阈值以下。在中温条件35°C和中性pH 7.2–7.4下，计算得出的自由氨氮（free ammonia nitrogen, FAN）浓度在所有SC情景下始终低于80 mg·L?1，远低于150–200 mg·L?1的抑制阈值，表明具有充足的安全余量。在维持40–50%接种物循环比的条件下，连续10个批次的多次循环模拟显示出稳定的微生物保留和缓冲能力。
3.2 SC情景下AD性能模拟
模拟结果显示，氨氮浓度随原料组成和水力停留时间（hydraulic retention time, HRT）的变化而系统变化。中等底物混合物如FW50和MS 5/75表现出较低的氨氮水平，表明MSW和OFMSW来源有机物的共消化可在过渡阶段缓冲过量氮释放。较长HRT（30天）比较短HRT（10–15天）产生更高的氨浓度，因为更完全的蛋白质降解。所有模拟的氨浓度均保持在抑制水平以下，在所有SC情景中均展现出安全余量。
3.3 能源影响分析
内部沼气消耗量在SC10%、SC25%和SC50%下保持恒定的790,600 m3，但在SC75%下显著降至545,600 m3，表明内部加热需求大幅降低。自消耗比例从SC10%的12.1%降至SC75%的2.9%。可供销售的沼气量从SC10%的约574万m3增至SC75%的1,826万m3，增幅超过200%。热力需求分析显示，SC10%和SC25%全天持续处于热赤字状态，SC50%在日间中段接近热平衡，而SC75%在大部分日循环中实现正净热平衡，产生超过运行需求的热量盈余。
3.4 系统产出与资源回收
生物甲烷总销售量从SC10%的202万m3·yr?1增至SC75%的283万m3·yr?1，增幅约40%。随着SC率提高，生物甲烷来源从RMSW主导转向OFMSW主导，SC75%下OFMSW贡献约95%的销售生物甲烷。电力产量从SC10%的631,294 kWh·yr?1降至SC75%的442,527 kWh·yr?1，这反映了从直接发电向高价值生物甲烷升级的战略转变。沼渣产量从SC10%的1,795.8 t·yr?1增至SC75%的13,480.5 t·yr?1，增长7.5倍。
3.5 最优情景识别
综合评估显示，SC50%是最均衡的过渡配置，在适度增加系统复杂性的情况下提供最大的性能改善，并在可能的新兴废物管理系统制度能力范围内实现热自给自足。SC75%代表最优长期配置，提供最大的能源回收和经济效益，但需要持续的高水平政策支持和更发达的废物管理基础设施。
四、经济影响与讨论
概念性经济评估表明，由于反应器设计和工厂配置在各情景间保持不变，资本成本预计不会显著变化，生命周期成本的变化主要取决于运行成本和能源相关成本回收。随着SC改善，内部能源消耗相关的运行成本降低，能源收入增加。SC75%表现最优，结合了较低的内部能源需求与较高的外部能源销售。研究局限性包括：BioModel基于集总动力学假设和理想混合；缺乏直接实验验证；未完全捕捉长期降解现象；经济分析为概念性和基于情景的；0%和100% SC情景仅为理论基准。
五、研究结论
本研究证明了动态模块化AD系统在SC性能较低但持续发展的地区应对循环经济挑战的有效性。通过整合生化建模、能源平衡分析和概念性经济评估，研究证明单一AD系统配置可在多种废物分类情景下保持运行可行性，无需重大重新配置。系统在不同SC水平下保持稳定，氨氮浓度虽随源分离有机废物比例增加而升高，但在模拟中温条件下仍低于抑制阈值。改善的SC显著提高生物甲烷回收率、降低内部能源需求并增强CHP集成系统的热自给能力。在较高SC水平下，系统从热赤字配置转变为热盈余配置。SC50%在能源回收、运行稳定性和实施要求之间展现出平衡的权衡，而SC75%则指示在改善废物管理条件下增强能源回收和经济效益的潜力。研究框架为政策制定者和地方政府提供了分阶段实施的依据，将SC的渐进改善与可再生能源生产、资源回收和循环经济发展联系起来。
