综述：通过优化生物消化器的选择、技术经济评估和数字监控创新来扩大非洲厌氧消化系统的规模

《Bioresource Technology Reports》：Scaling anaerobic digestion systems in Africa through optimized biodigester selection, techno-economic assessment, and digital monitoring innovations

非洲厌氧消化技术进展与综合评估研究摘要：本研究通过文献计量、专利分析和多维度评估，系统分析了非洲厌氧消化技术的现状与挑战，发现CH4产量范围200-350 L kg?1挥发性固体，技术经济性受规模、政策及生物质资源影响显著，提出模块化智能生物反应器解决方案，日均产气量达15 m3且甲烷浓度55-65%。

　　

Btissam Niya|Ahmad Mahmud|Rachid Benhida|Mohammed Danouche

摩洛哥本盖里尔穆罕默德六世理工学院（UM6P）化学科学与工程学院（CCSE），化学与生物化学科学-绿色工艺工程系（CBS-GPE），邮编43150

摘要

本研究探讨了非洲地区厌氧消化技术的最新进展，采用了文献计量分析和专利分析方法，并进行了技术、技术经济性和生命周期评估。非洲案例研究表明，甲烷（CH₄）的产率通常在每千克挥发性固体200至350升之间，系统性能受到所选发酵原料性质、反应器配置以及工艺稳定性保障的显著影响。技术经济性评估显示，大规模系统的投资回收期在2至10年之间，内部回报率为5%至20%，这得益于有利的政策条件和充足的生物质资源。新的低成本数字控制和监测技术提高了分散式系统的可靠性。基于这些信息，本文提出了一种模块化的20立方米“智能”生物消化器，该消化器能够在中温条件下每天生产约15立方米的沼气（其中55%至65%为甲烷）。

引言

可再生能源开发和可持续废物管理仍然是非洲面临的核心挑战，该地区每天产生大量有机废物，来自市政、农业和农业工业活动。尽管有机废物资源丰富，但其用于能源或养分生产的程度仍然非常有限（Okuthe, 2024）。此外，非洲仍有超过6亿人无法获得能源（联合国可持续发展目标，2025），在许多非洲国家，有机废物占城市固体废物的50%至60%，这导致了能源需求与可用生物质资源之间的巨大差距（Sharma和Jain, 2020）。厌氧消化（AD）提供了一种成熟的方法和可持续的解决方案，可以同时产生可再生的沼气和富含养分的消化物（Gamuchirai Mutez等人，2025）。最新预测表明，到2040年，扩大非洲和亚洲的沼气应用规模可以为约2亿人提供清洁烹饪燃料，从而大幅替代传统的生物质和化石燃料（Kabeyi等人，2024）。同时，消化物也为农业韧性提供了重要途径（MSCA, 2025）。这种双重效益使AD成为加强区域能源安全的基本策略（Jepleting等人，2025）。非洲在实施AD方面具有多项内在优势，包括大部分地区的气温适中（20–35°C），这减少了内部加热的需求，并促进了中型和大型生物消化器的稳定运行（Bounaga等人，2024）。尽管AD技术在全球范围内已得到广泛应用，特别是在欧洲和亚洲，但在非洲的实施仍然相对有限且不均衡。然而，在国家生物能源战略和捐助者资助项目的推动下，取得了一些进展。最近的例子包括肯尼亚农场安装的多兆瓦级消化器以及南非的工业规模沼气厂，这些展示了非洲在技术和政治上的潜力（Kimutai等人，2024；Uhunamure和Shale，2021）。一些出版物还强调了特定技术领域的进展，例如如何根据可用材料调整反应器设计（Alengebawy等人，2024）以及优化原料共消化策略（Mata-Alvarez等人，2011）。此外，AD的广泛采用还取决于环境效益与经济考虑之间的平衡。虽然生命周期评估（LCAs）表明，AD可以通过防止甲烷（CH₄）排放和使用化石燃料来减少40%至70%的温室气体排放，但其广泛采用仍需权衡经济和环境因素（Chojnacka和Moustakas，2024；Gomez等人，2025）。然而，经济性能因生物消化器的规模和性能而异。最近的技术经济性评估（TEAs）显示，北非的工业系统内部回报率可高达20%（El Ibrahimi等人，2022），而家庭用消化器在没有补贴或多样化收入来源的情况下，投资回收期往往超过8年（Shonhiwa等人，2025；Tolessa等人，2022）。尽管如此，AD在非洲的更广泛采用仍面临结构性挑战。现有研究往往分别关注反应器设计、工艺优化、TEA和政策框架，导致结论分散，限制了技术的转移和规模化。具体来说，很少有研究同时考虑技术设计、本地化技术经济分析、数字监测策略以及模块化和扩展策略（Mwirigi等人，2014；Roopnarain和Adeleke，2017）。此外，关于低成本检测、预测监测和分散式非洲系统中运营韧性重要性的信息仍然有限。本研究通过提供人工智能（AI）领域的研究和创新的综合分析，填补了这一空白。具体而言，本文结合了文献计量分析和专利分析，绘制了区域研究优势和技术趋势的地图，将基本工艺原理融入适用于非洲原料的反应器设计和优化策略，并根据当地的成本、维护和融资实际情况进行了TEA整合。此外，还研究了数字监测和智能系统集成方面的最新进展，以提高分散式应用的可靠性。

部分摘录

文献计量和专利分析

文献计量分析和专利分析被用来评估非洲AD领域的研究活动并理解科学知识（Kumar, 2025）。文献计量分析使用Scopus数据库进行，该数据库涵盖了多个领域的同行评审文献。搜索时间是在2025年6月11日，使用关键词‘厌氧消化’、‘沼气’和“生物能源’，结果按地区进行了筛选

生物过程基础和性能决定因素

AD是一种生化过程，受微生物群落的多样性和活性的影响，而这些又受到操作条件的制约。系统效率取决于多个参数。该过程分为四个相互依赖的生化阶段：水解、酸生成、乙酸生成和甲烷生成，由共生微生物群落通过厌氧途径将有机物顺序转化为沼气（Singh, 2025；Subramanian和Suresh,

系统集成、监测系统和技术进步

AD领域的技术发展旨在优化沼气生产，减少环境影响并提高技术性能。一些方法试图将AD与热解或气化结合，以尽可能多地回收能量（Li等人，2023）。系统数字化也成为安装可靠的大规模分散式系统的关键因素。基于监控控制和数据采集（SCADA）的自动化平台

可持续性和技术经济性评估

虽然技术优化对反应器性能至关重要，但AD在非洲的长期采用在很大程度上取决于其环境可持续性和经济可行性。随着非洲向循环生物经济框架转变，评估AD系统不仅应作为能源生成器，还应作为与水-能源-食物网络动态互动的综合性废物管理解决方案。因此，稳健的决策需要全面的工具来进行量化

非洲背景下厌氧消化系统的工程设计

有效的AD设计需要基于当地社会经济、环境和基础设施实际情况的工程方法（Alvarez等人，2025）。早期项目中观察到的高故障率通常归因于直接移植适用于亚洲或欧洲条件的系统设计，而没有进行适当的本地化调整，而不是AD本身的生物学限制（Gbadeyan等人，2024）。因此，原料的灵活性和热适应性

厌氧消化产物的质量和可靠性

AD系统的主要产物是沼气和消化物，其质量和可靠性是系统性能、用户接受度和下游利用的关键决定因素。来自粪便和农业废物基AD系统的沼气通常含有55%至65%的CH₄，其余部分主要由二氧化碳和微量气体（如硫化氢、氨和水分）组成（Awe等人，2017）。根据Qian等人（2025）的研究，这一范围内的CH₄浓度较为常见

结论

非洲不断增长的能源需求和有机废物产生凸显了可扩展且本地适应的可再生能源解决方案的必要性。本综述表明，只要系统设计符合当地原料特性、运营能力和社会经济条件，AD代表了一条技术成熟且环境友好的解决途径。来自工程、TEA和LCA研究的证据一致表明，这些因素之间的不匹配

CRediT作者贡献声明

Btissam Niya：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、方法论、数据整理、概念化。Ahmad Mahmud：撰写——初稿撰写、可视化、软件开发。Rachid Benhida：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资源获取、项目管理。Mohammed Danouche：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、概念化、资源获取。

资金支持

本研究得到了穆罕默德六世理工学院（UM6P）的财政支持。

未引用参考文献

Esposito等人，2011

利益冲突声明

作者声明没有商业或财务利益冲突。

致谢

作者衷心感谢穆罕默德六世理工学院（UM6P）化学与生物化学科学-绿色工艺工程系（CBS-GPE）提供的科学支持、研究资源和合作环境，这些都有助于本综述的完成。