一个用于发电的、基于粪便的生物气体厂的综合性生命周期可持续性评估☆

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Integrated life cycle sustainability assessment of an operational manure-based biogas plant for electricity generation☆

　　

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  识别和分析废物、排放物和资源对环境的影响。
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  使用生命周期评估对三个核心维度进行可持续性评估。
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  经济可行性，投资回收期为6.6年，投资回报率>168%。
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  为实现可持续发展目标（SDGs）做出贡献，包括清洁能源、经济增长和减少气候变化。
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  提供补贴和培训，鼓励农民采用废物转化为能源（WtE）作为可持续解决方案。

引言

在可持续实践中，废物管理的重要性日益明显，以减轻人类活动对环境的影响。废物管理的主要目标是通过再利用、减少或回收来最大化废物的价值。常见的做法是从废物中回收材料和能源，以减少垃圾填埋场的残留废物积累[1]。合适的废物处理方式的选择由监管标准确定，这些标准提供了有效的处理程序，并确保周围环境的安全。如今，能源资源正在现代化，逐渐转向可再生资源，而非会破坏环境的多资源[2][3]。在过去五年中，能源行业几乎占了未减少的温室气体（GHG）排放量的65%[4][5]。废物转化为能源（WTE）的方法有多种，大致可分为化学处理和机械处理过程。在废物的生化分解过程中，其主要产物是燃料，同时会产生少量残留物，这些残留物可以进一步用于多种用途，例如厌氧消化（AD）产生的废物可以转化为生物燃料和有机肥料[6]。与焚烧和填埋等替代方法相比，WTE方法在减少温室气体排放方面更为可靠和有效，因为后者可能会向环境中排放大量污染物。因此，AD方法更适用于废物管理和生产能源燃料[6][7]。

厌氧消化（AD）的化学过程基于微生物在适宜条件和营养物质下对废物的自然分解。AD过程的另一个好处是它产生了有机肥料，这是一种有价值的副产品，从而减轻了处理残留废物的负担[8]。沼气的组成包括多种气体，其中甲烷（CH₄）的比例最高，通常为35-75%。其次是二氧化碳（CO₂，占15-50%。其他气体包括硫化氢（H₂S）、氧气、氨气、氮气、硅氧烷和水蒸气[9]。气体处理可以去除污染物并改变沼气的组成[6]。处理的适用性取决于预期的用途和验证的气体质量。本研究关注的是电力生产，并未涉及管道注入的质量或车辆燃料的合规性。通过持续的研究和开发，可以优化关键操作参数（如温度、有机负荷和停留时间），以及改进过滤技术以减少杂质[10]。天气条件（如温度）对消化过程有很大影响，因为微生物需要适当的温度来生长和消耗废物，将其分解为沼气和消化物。研究表明，牛粪、猪粪和混合粪料的适宜温度范围为（33-36?C）。同样，周围环境的pH值也会影响微生物的工作，最佳pH值在（6.8–7.2）之间，以最大化废物的甲烷产量[11]。

为了深入研究生物甲烷的生产，必须测量相关的环境效益。系统的运行和过程对于清楚地了解其影响至关重要。生命周期评估（LCA）方法被广泛用于评估废物管理程序的影响。需要正确定义过程的具体内容，如原料、运输、使用和残留物处理方式，以及测量单位[12][13]。已有许多关于沼气厂LCA的研究，包括污水污泥、动物粪便和食物废物等废弃物[7][13][14]。还有一项研究关注直接将沼气作为燃料使用的情况[15]。上述研究表明，与传统资源相比，沼气是可再生的且更环保。Bian等人[16]表明，使用AD产生的沼气作为燃料比垃圾填埋或焚烧可以减少温室气体排放。Lehtoranta等人[17]对不同类型沼气厂的逃逸甲烷排放进行了全面分析。文献还强调了去除CO₂和H₂S的过滤程序，以提高加热值并减少设备腐蚀的可能性。进一步的研究还提供了广泛的过滤技术，包括物理、化学和生物方法，如水洗涤和铁滤网。然而，大多数研究都是在实验室规模上进行的。

本研究应用了成熟的环境LCA、财务评估和利益相关者调查方法，针对巴基斯坦一家运营中的基于粪便的沼气设施进行了研究。其贡献在于对运营负担、财务假设和工作场所条件的具体考察。区域研究已经包括了商业沼气处理和能源系统的比较。Rasheed等人[6]评估了拉合尔一家日处理量100立方米的沼气商业洗涤系统。Mumtaz等人[18]比较了巴基斯坦工业负荷下的电网/柴油、沼气和光伏配置。这些研究提供了方法论背景，但由于它们的服务、规模和边界不同，无法直接与本设施进行排名。本案例将报告的环境热点与财务假设和利益相关者的关切联系起来。

章节摘录

运营工厂的过程描述

该项目的 teknological model 如图1所示，概述了从原材料采购和预处理到沼气生产和利用的整个工作流程。该项目使用牛粪作为有机原料来生产沼气。整个操作的用地面积为2英亩。原料的预处理在一个尺寸为5/5米的矩形沉淀池中进行。物料直接从动物舍收集，并手动转移至...

技术经济分析

对项目的经济和技术方面进行了实地分析，以确保其成本效益和技术可行性。所有与技术和经济相关的参数，包括设备成本、建造成本、运输成本、劳动力数量及其成本，以及工厂的尺寸和操作方式，都在表2中进行了分析。

结论

报告的模型指出，消化物储存是主要的气候影响因素，而调查结果显示安全培训和防护设备的得分较低。透明的经济计划重建结果显示条件下的净现值（NPV）为40,258.48美元，简单回收期为9.34年；测试的负面假设则产生了负净现值。这些结果并未显示出确定的盈利能力、优化的净化效果或环境优势。

CRediT作者贡献声明

Maham Ayesha：撰写——初稿、方法论、调查、数据分析。Abeesha Sultana：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、数据管理。Muhammad Waqas Anjum：撰写——审阅与编辑、方法论、数据分析。Abdul-Sattar Nizami：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、项目协调、概念化。Muhammad Umar Hayyat：撰写——审阅与编辑、验证、数据管理。Hesam Kamyab：撰写——审阅与...

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益冲突或个人关系。

Maham Ayesha|Abeesha Sultana|Muhammad Waqas Anjum|Abdul-Sattar Nizami|Muhammad Umar Hayyat|Hesam Kamyab|Mohammad Rehan