《Waste Management & Research》：Optimising integral waste valorisation systems: Towards improved efficiency and resource recovery
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废弃物增值（waste valorisation）提供了一种将当前被处置的废物流转化为高价值产品的策略。然而，工业实施仍受限于高运行效率的需求。一体化增值系统（integral valorisation systems）可通过在工业网络内协调多条废弃物增值路线
废弃物增值（waste valorisation）提供了一种将当前被处置的废物流转化为高价值产品的策略。然而，工业实施仍受限于高运行效率的需求。一体化增值系统（integral valorisation systems）可通过在工业网络内协调多条废弃物增值路线和资源流来提高回收效率。因此，设计此类系统需要在多个技术和经济维度上作出协同决策。本研究开发并使用了一个网络设计模型，以同时优化与技术选择、工艺设计和资源分配相关的决策。研究人员与一个大型行业联盟合作确定了一个案例研究，该联盟涵盖荷兰的废物流拥有者和增值技术提供者。所呈现的结果证明了该模型的适用性，表明与单项增值相比，集成系统可将利润提高至多三倍。侧流（side streams）的二次增值提高了废弃物资源的利用效率。对市场价格和废弃物可获得性的敏感性分析强调了维持最优经济回报需要适应性策略。所开发的框架可供决策者用于制定最优废弃物增值策略，并支持其向资源高效型实践的工业转型。
研究背景与问题：过去数十年材料消费增长导致废物产生相应增加；废物污染若管理不当会危害环境和公共健康。当前约70%的全球废物通过露天处置或填埋管理，11%被焚烧，约19%被回收或堆肥。作为处置和焚烧的替代方案，废弃物增值（waste valorisation）可回收有价值材料，并已显示可在减少最终废物处置的同时改善盈利能力。多种增值技术可处理不同废物资源并回收增值产品，但其工业实施需要高成本效率，并需相对于处理原生原料的成熟技术具有竞争力。一体化增值系统（integral valorisation systems）被提出用于最大化废弃物增值效率，其定义为组合多种废物处理技术与不同种类和质量的废物资源作为输入，以生产多种最终或中间产品，并通过技术间协调和侧流（side streams）循环实现更完全的分馏。已有研究多聚焦特定增值技术或有限工艺组合，且常分别研究特定废物原料；技术提供者之间的协调在一体化系统设计中仍较少被考虑，能够综合评估工业尺度一体化增值技术集成并捕捉整体效率的建模方法仍存在文献空白。为此，研究人员开发并应用了网络优化模型（network optimisation model），纳入多种废物资源、增值路径、可能回收产品、处理能力和必要物流，将废物流视为多产品精炼系统的资源，并再处理侧流以提高系统效率；模型同时考虑技术容量和规模经济（economies of scale），面向工艺设计选择、资源分配、运输和容量评估等战略决策层，并以荷兰工业废物增值技术案例展示适用性。
关键技术方法（不超过250字）：研究人员构建以利润最大化为目标的网络优化模型，包含质量与能量平衡、处理能力及规模经济约束，决策变量涵盖废物流分配、可销售与处置产品量、回收产品量、技术路径及容量选择。质量与能量平衡优先采用文献数据，不可得时以SuperPro Designer进行流程模拟；采用稳态和年度战略尺度假设，并以筛选生命周期评价（screening life cycle assessment, LCA）按ISO 14040/44比较技术选项与处置。案例与荷兰大型产业联盟合作界定，数据经产业和专家对类似核心技术输入校验；废物资源为塑料废物、纸浆污泥和有机废物。敏感性分析采用试验设计（Design of Experiments）与蒙特卡罗模拟（Monte Carlo simulation）。模型以Python 3.11和Gurobi Optimiser 11.0.3求解。
结果与讨论：
基线情景：通过优化模型比较单项增值、多原料增值和一体化增值三类基线情景。单项增值情景中，塑料废物进入热解路径（利润0.235 EUR kg
-1），纸浆污泥进入水解路径（利润0.008 EUR kg
-1），有机废物被完全处置（处置成本0.004 EUR kg
-1），系统总利润为0.08 EUR kg
-1。多原料情景中，有机废物与约33%的纸浆污泥交替送入气化路径而非处置，虽增加资本、运行和运输成本，但通过气化产氢获得额外收入，单位废物利润为0.214 EUR kg
-1。一体化情景中，塑料热解产生的热解焦（pyro-char）作为侧流进一步进入气化路径，使送入气化的纸浆污泥比例降至约27%，其余纸浆污泥进入水解路径；塑料热解产生的气体馏分也可纯化制氢；纸浆污泥水解产生的矿化污泥虽适合气化，但被路由至处置。优化结果表明一体化增值系统相较单项增值具有经济优势，摘要报告集成系统利润最高可达单项增值的三倍。
敏感性分析：通过全因子试验设计和蒙特卡罗模拟分析市场价格与废物可获得性对系统利润及最优网络配置的影响。主效应结果显示，能源与碳衍生品价格（U1）具有最高正向主效应，其次为塑料废物可获得性（W1），二者交互作用（W1×U1）呈正向协同效应。基础化学品价格（U3）具有最高负向效应，且与塑料废物可获得性交互（W1×U3）亦为负。纸浆污泥可获得性（W2）和有机废物可获得性（W3）均呈负向贡献，因这些废物的替代增值技术利润较低；但W2×W3呈正向协同，归因于共享投资成本降低单位成本。二者与能源及碳衍生品价格交互呈拮抗效应，与相关技术高能耗有关。矿物产品价格（U4）负向影响系统利润，水产品价格（U2）不显著。蒙特卡罗模拟显示，有机废物在能源与碳衍生品价格低于平均水平且固体消化残余物作为侧流进一步增值时，可通过厌氧消化实现盈利；纸浆水解产生的矿化污泥在所有运行中均被处置，原因是增值收入低，且从Doetinchem的水解地点运输至Deventer的过滤技术地点（约33 km）的成本高于固体消化残余物。
讨论：基线结果显示，单项增值情景中有机废物被选择处置，是因为通过任何技术路径增值均产生更高成本。多原料和一体化情景中，气化路径与纸浆污泥共同处理有机废物；气化技术的主要驱动成本为投资成本，而有机废物可及组分较低（约10%干物质含量），单独为有机废物投资气化不盈利，增加其他废物资源可分摊投资成本并提高满负荷利用效率，因此分配部分纸浆污泥以补偿经济损失并提高有机废物气化处理盈利性；在一体化情景中，热解焦进入气化后所需纸浆污泥量下降。多原料对气化盈利性的重要性亦得到其他文献支持；原料整合依赖废物资源可获得性和技术容量，资源对技术选项的适用性以及必要物流与预处理是关键指标。敏感性分析中纸浆污泥与有机废物的正向协同表明同时增加二者存在增利潜力，废物资源可交替或同时通过共气化处理，但共处理原料混合物的商业实施仍受技术进展限制，本研究未处理共气化或混合原料处理效应，而是假设通过交替进料实现多原料属性。高含水废物需要高能量用于干燥和预处理，与 hydrothermal treatment 集成虽为选项但并不总是划算。该框架聚焦长期战略设计，输入数据常汇总至主要过程；纳入更详细过程或动态模拟可提供短期规划洞见，但需更详细数据并增加计算复杂性，因此研究假设增值过程在过程层面和设施选址上已优化，并限制废物资源类型与技术组合数量；当前模型具有通用性，可扩展至更多组合。敏感性分析还表明一体化增值系统利润受投入材料和产品市场价格类别变异影响；案例中能源与碳衍生品市场类别主导产品组合，其变化对系统盈利影响最大。产品组合和增值技术应谨慎选择，因其受到严格监管；在荷兰，增值回收产品在安全、特定应用和可证明市场需求条件下可获得废物终结状态。废物管理法规和政策可能限制所设计一体化增值系统的实际实施，但所提建模框架可通过限制某些废物与技术配置来扩展纳入相关政策。
结论（翻译）：本研究开发并扩展了一个网络优化模型，将侧流利用作为一体化增值系统的关键特征纳入其中。所开发模型可为包含多种废物资源作为交替原料、多种技术选项和潜在回收产品的系统战略设计提供洞见。通过案例研究，研究人员证明一体化增值系统相较单项增值系统具有更高效率，主要通过更广泛产品组合产生额外收入。研究还表明，多原料使用有助于更有效分摊高资本成本，因为它促进技术的持续和满负荷利用。研究结果显示，某些侧流增值可提高整体效率，而其他侧流在其利润不足以支持进一步处理时被处置。本研究以利润为优化目标，这仍是工业实施系统的主要驱动因素。环境维度作为筛选步骤纳入，但未来研究需进一步将其纳入优化程序；该纳入须以整体生命周期框架处理，因为涉及不同维度间敏感权衡，并需要多目标优化框架。此外，可采用不同定价策略（如绿色溢价，green premium），但应用应包括评估国家或全球层面的价格弹性、分析客户接受度，并与市场模型耦合。一体化增值系统设计还应考虑废物参数不确定性。本研究处理了原料可获得性和市场价格的不确定性；当前确定性模型为理解一体化增值系统基本动态提供了充分且必要的框架，但废物资源质量和回收产品质量变化等其他不确定性带来额外挑战。为克服这些挑战，模型应纳入更大数据集和相互关联参数，这也将带来更高计算需求、模型扩展，并凸显进一步和更广泛研究的需要。
