《Renewable Energy》：Unlocking Bioenergy from Municipal Organic Waste via Anaerobic Digestion in Off-Grid Coastal Communities of Low-Resource Regions
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•在中温条件下，进水固形物（ISR）为2.5时，甲烷产率达455 mL CH4 g-1 VS•无需搅拌即可实现稳定的半连续产气量0.53 NL 沼气 g-1 VS•在低有机负荷率下实现87%的挥发性固体去除率•通过社区规模沼气实现17.67%–69.51%的丙烷需求替代•建立
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在中温条件下，进水固形物（ISR）为2.5时，甲烷产率达455 mL CH4 g-1 VS
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无需搅拌即可实现稳定的半连续产气量0.53 NL 沼气 g-1 VS
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在低有机负荷率下实现87%的挥发性固体去除率
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通过社区规模沼气实现17.67%–69.51%的丙烷需求替代
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建立了厌氧消化（AD）性能与社区规模能源利用之间的关联框架
引言
2023年全球城市固体废物（MSW）产生量已超过21亿吨，预计到2050年将达到每年38亿吨以上[1]。在许多中低收入地区，有机部分占城市固体废物的40%–65%，在拉丁美洲和加勒比地区尤为突出，该地区的废物管理基础设施长期匮乏[2]。在此背景下，有机废物通常通过填埋、露天堆放或无控制焚烧处理，释放二噁英和呋喃等有毒化合物，产生污染水体的渗滤液，传播病原体，并排放温室气体[3]。尽管有机废物具有高生化能潜力，但在无电网社区及其他资源匮乏地区，超过90%的有机部分仍未用于能源回收，导致可回收生物质资源的流失[4]、[5]。上述情况凸显了对去中心化生物质增值策略的迫切需求，这些策略能够在循环经济框架内将有机废物转化为可再生能源。
偏远且基础设施受限的沿海社区通常面临废物收集有限、卫生条件不足、能源获取受限以及对传统燃料依赖等问题。在这些地区，尽管有机城市固体废物（OFMSW）具有可再生能源产生的潜力，却仍基本处于未管理状态[5]。
Mosquera（哥伦比亚太平洋沿岸Nari?o省；12,582人）是一个服务覆盖有限的沿海市镇，仅37%的人口能够获得电力供应，约1%的人口连接到天然气、污水、饮用水、互联网和正式废物收集系统[6]。2021年，该市镇产生了近4,500吨固体废物，记录显示这些废物被处置在开阔区域和沿海地带[7]。除了其地方意义之外，该场景也代表了全球资源匮乏地区中孤立沿海社区的典型情况，在这些社区中，基础设施有限、能源获取受限和有机废物未管理并存，为去中心化的废物转能源系统同时应对环境和能源挑战创造了条件[8]。在此背景下，改进的废物收集与社区规模厌氧消化（AD）相结合，可减少无控制处置并加强当地可再生能源获取。
对孤立沿海社区中城市固体废物有机部分的系统性组成和理化特征表征仍然稀缺[10]，尽管这对去中心化厌氧消化系统的开发至关重要。底物组成决定了AD性能的基本方面，包括降解动力学、有机负荷能力、营养平衡、运行稳定性和甲烷产量。在地理隔离的社区中，废物组成可能与城市参考特征显著不同，这是由于消费模式不同、商品获取有限以及本地废物处理方式所致。因此，依赖通用或外部来源的废物参数可能影响过程设计和性能评估[9]、[10]。因此，生成特定情境的数据对于支持技术上合理且适合本地的去中心化AD实施至关重要。
AD是一种成熟的有机废物稳定化和生物能源生产技术，可产生富含甲烷的沼气和富含营养的沼渣[11]、[12]。尽管其环境和能源效益已被广泛证明，但大规模实施主要集中在政策支持和基础设施发达的工业化地区，如德国和中国[12]。然而，这些运行环境与基础设施技术能力受限、电网连接有限且具有独特废物特征的孤立沿海社区存在差异。因此，从大型或高度优化系统中得出的性能基准可能无法直接适用于资源匮乏地区的去中心化配置。
最近的研究通过中试规模启动评估、实际应用场景和技术经济或环境评价推动了去中心化AD的发展，但通常针对单个阶段而非孤立环境中的整合[13]。本文通过现场废物采样和理化特征表征，将其与BMP测试、半连续实验和基于场景的能源回收评估相结合，以评估基础设施约束条件下的运行稳定性和社区规模潜力[14]。
尽管城市固体废物有机部分（OFMSW）的厌氧消化已被广泛研究，Tonanzi等人[15]通过研究污泥添加对过程稳定性、微生物群落发展和甲烷产量的影响，推进了对城市生物废物半连续AD的理解。更广泛地说，现有的大量证据来自优化批式系统或在受控条件下运行的大型设施，通常在基础设施完善的地区[16]。然而，关于组成独特的孤立沿海社区有机废物流在简化运行条件下的表现，以及其能源回收潜力如何转化为当地化石燃料替代的证据仍然有限。在这些情境下，考虑到现有的技术和财务约束，本地可获取的投入物和情境适应型配置尤为重要。此外，由于原料组成决定了能源回收潜力并影响后续的转化和能源利用阶段，其他废物流的发现无法直接外推[10]、[13]。因此，本工作的科学新颖性在于将特定地点的OFMSW表征、生化甲烷潜力评估、简化运行条件下的半连续验证以及基于场景的液化石油气（LPG）替代分析相结合。通过将原料特定的转化行为与预测的社区规模能源替代联系起来，本研究提供了特定情境的证据，以支持能源回收评估，并指导在具有类似条件的社区中去中心化AD系统的设计和潜在低成本扩展。
本研究通过结合废物表征、批式ISR优化和半连续验证，评估了OFMSW厌氧消化在孤立沿海社区去中心化生物能源中的可行性。在代表基础设施受限地区的条件下，评估了甲烷产量、过程稳定性和能源替代潜力。
章节摘要
OFMSW和接种物来源
在哥伦比亚Nari?o省Mosquera的"Avenida Los Estudiantes"街区（12,582人）开展了一项城市固体废物表征活动。在为期40天的时间内，对约8%的家庭（n = 14）进行了采样，在此期间收集了城市固体废物，并根据物理分离和重量定量法手动分拣为预定义类别。对该废物流进行系统性分类，以量化城市固体废物有机部分（OFMSW）并评估其适用于厌氧消化的适宜性。
OFMSW
生物甲烷潜力测试结果评估
BMP测试结果受到关键底物特性的影响。底物的VS/TS比为83.4%，处于OFMSW的典型范围内（70–99%）[9]。TKN含量在23至25 g/kg干物质之间，C/N比平均接近20，有利于厌氧消化过程中微生物的稳定[9]。此外，底物的碱度为1.1 g CaCO3/L，可稳定pH值，支持厌氧消化过程中微生物的发展。图4展示了批式反应器的性能，评估了累计甲烷
结论
对本地表征的OFMSW，在ISR 2.5时达到最佳厌氧消化性能，BMP试验中甲烷产量达455 mL CH4 g-1 VS。在中温、无搅拌的半连续运行条件下，有机负荷率为1.08 g VS L-1 d-1时，沼日产气量为0.53 NL g-1 VS。pH保持在6.4–6.8，VFA/碱度比低于0.3，无需外部碱度补充，表明在受控负荷下运行稳定。这些发现支持了针对简化的厌氧消化配置
CRediT作者贡献声明
Jesus Camilo Sánchez-Gaitán：原创草稿撰写、方法论、调查、正式分析、数据管理。Néstor Sánchez：审阅与编辑、项目管理、资金支持获取。Jefersson Cuero Calzada：调查。Miguel Casallas-Ojeda：审阅与编辑、监督。Martha Cobo：审阅与编辑、项目管理、资金支持获取。Ivan O. Cabeza：审阅与编辑、监督
利益冲突声明
作者声明不存在已知可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。
资金来源
本研究由Minciencias通过Francisco José de Caldas国家科学、技术与创新融资基金自治财产资助（合同号：441–2023）。Universidad de La Sabana通过以下项目提供了额外的财务支持：ING-14-2024"Alianza Bio-Programa PtX：哥伦比亚可持续生物炼油厂开发——高附加值产品的生产"以及ING-23-2025"EVORA：为
利益冲突声明
? 作者声明不存在已知可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
作者感谢哥伦比亚Nari?o省Mosquera社区，特别是Darly和Daira，在本研究过程中提供的支持。作者也衷心感谢Zahira Gómez在实验室工作中提供的持续支持和积极贡献。
Jesus Camilo Sánchez-Gaitán|Néstor Sánchez|Jefersson Cuero Calzada|Miguel Casallas-Ojeda|Martha Cobo|Iván Cabeza
