《Biomass and Bioenergy》：Comparative life cycle assessment of composting and anaerobic digestion technologies in the Greek context: Focus on energy and environmental impacts
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康斯坦丁诺斯·S·普索莫普洛斯（Constantinos S. Psomopoulos）|基里亚基·基斯基拉（Kyriaki Kiskira）|康斯坦丁诺斯·卡尔卡尼斯（Konstantinos Kalkanis）
西阿提卡大学工程学院电气与电子工程系，希腊阿提卡地区艾加莱奥（A
康斯坦丁诺斯·S·普索莫普洛斯（Constantinos S. Psomopoulos）|基里亚基·基斯基拉（Kyriaki Kiskira）|康斯坦丁诺斯·卡尔卡尼斯（Konstantinos Kalkanis）
西阿提卡大学工程学院电气与电子工程系，希腊阿提卡地区艾加莱奥（Aigaleo）Thivon 250校区2号
摘要
本研究使用生命周期评估（Life Cycle Assessment, LCA）方法，比较了堆肥和厌氧消化（Anaerobic Digestion, AD）技术在希腊城市固体废物（Municipal Solid Waste, MSW）管理中的效果。研究评估了这两种技术在有和没有沼气回收情况下的能源和环境性能，采用了三种影响评估方法：ILCD 2011 Midpoint+、Eco-indicator 99（E）和ReCiPe 2016 Endpoint（E）。建模工作在OpenLCA 2.5软件中进行，数据来源于Ecoinvent v3.9数据库，并遵循ISO 14040/44标准。结果表明，在所有方法和类别中，堆肥造成的环境负担明显高于厌氧消化。根据ILCD的评估，堆肥对生态系统的损害为5.47×10^-5种生物/年，而厌氧消化为1.96×10^-10种生物/年。在人类健康影响方面，堆肥的影响也更大（ILCD为9.66×10^-3人年伤残调整生命年（DALY），ReCiPe为7.37×10^-3人年伤残调整生命年）。根据Eco-indicator 99（E）的评估，使用沼气的厌氧消化在人类健康指标上略高，这是由于分配和燃烧相关的排放；然而，这一例外并未改变厌氧消化在各种方法和影响类别中的整体环境优势。从能源平衡来看，不回收沼气的厌氧消化能源需求更高；但利用沼气的厌氧消化能够产生更多的电能和热能，从而实现能源正向平衡（即能源产出大于能源消耗）。值得注意的是，即使不利用沼气，厌氧消化在环境方面的表现也通常优于堆肥，这表明厌氧消化过程本身除了能源回收外还提供了显著的环境效益。总体而言，厌氧消化（尤其是利用沼气的形式）具有更低的总环境和能源足迹，凸显了其在希腊可持续废物管理策略中的优先地位。
引言
根据2008/98/EC指令，废物被定义为“持有人丢弃或打算丢弃的任何物质或物体”[1]，代表了材料和能源资源的重大损失[2]。2023年，欧盟地区的城市固体废物产生量平均约为511千克/人，尽管实施了广泛的循环经济政策，但仍接近1995年的基准水平[3]。在希腊，2022年人均固体废物产生量约为519千克，略高于欧盟平均水平，而回收率和填埋率仍然较低[4]。国家废物计划指出，生物废物占固体废物总量的近一半，这凸显了高效处理有机废物的必要性[5]。该国目前仍依赖84个填埋场、10个正在运行的机械生物处理（MBT）设施、6个在建的MBT设施以及93个转运站[5,6]。
生命周期评估（Life Cycle Assessment, LCA）为从资源提取到产品寿命结束整个过程的环境影响提供了标准化框架[7]。在废物管理中，LCA允许在一致的系统边界内比较不同技术，揭示排放、能源需求和资源回收之间的权衡[8]。然而，LCA结果的解释仍受废物组成和系统边界假设的影响，这些假设会显著影响比较结果。
最近的希腊和欧洲研究表明，尽管堆肥被广泛采用，但其能源密集型和高排放的特点仍然存在[9,10]。相比之下，厌氧消化（Anaerobic Digestion, AD）能够同时实现废物稳定化和可再生能源的产生，相比堆肥可减少约40-60%的环境影响[11,12]。结合沼气回收的集成厌氧消化系统在人类健康和生态系统影响方面始终表现最佳[13]。
希腊的固体废物管理特性对生物处理技术的环境性能有显著影响。全国废物组成分析显示，可生物降解废物约占固体废物总量的40-45%，主要包括食物垃圾和园林废弃物，还有部分来自可生物降解的纸张和纸板[5,14]。尽管有欧盟政策目标，希腊仍主要依赖填埋处理，多个地区的填埋率超过70%，反映出源头分离和生物处理能力的不足[15]。《国家废物管理计划（NWMP 2020-2030）》以及欧盟指令2008/98/EC和2018/851/EU要求大幅减少可生物降解废物的填埋量，并提高能源和材料的回收率。这些监管和基础设施条件为评估堆肥和厌氧消化作为希腊固体废物管理策略提供了重要背景。
为应对这些挑战，本研究应用LCA方法，在希腊具体条件下比较了堆肥和厌氧消化的效果。使用OpenLCA 2.5和Ecoinvent v3.9数据库，采用了三种生命周期影响评估（Life Cycle Impact Assessment, LCIA）方法：ILCD 2011 Midpoint+、Eco-indicator 99（E）和ReCiPe 2016 Endpoint（E）来量化环境和能源性能。研究目的包括：(i) 评估堆肥和厌氧消化（无论是否回收沼气）的相对性能；(ii) 确定主要的环境影响因素；(iii) 为希腊的可持续废物管理提供决策支持。
本研究的新颖之处在于，它统一地在希腊特定背景下比较了堆肥、不回收沼气的厌氧消化以及同时产生热能和电能（Combined Heat and Power, CHP）的厌氧消化，使用了三种LCIA方法，并将结果与当前的国家废物管理政策优先事项明确联系起来。特别是，关于固体废物中生物源废物的比例和组成以及环境影响与能源回收之间的权衡，相关研究还不够充分。通过整合希腊特定的废物组成、电力结构和处理基础设施数据，本研究提供了更具情境敏感性的评估。此外，结果明确参照了《国家废物管理计划》和欧盟循环经济指令中的政策目标进行解读，为废物转化为能源的政策设计和实施提供了可操作的见解。
章节摘录
城市固体废物（Municipal Solid Waste, MSW）
城市固体废物包括来自家庭、商业机构和小企业的废弃物[16]。分类遵循欧盟和希腊法律（法律4819/2021、4685/2020和联合部长决定50910/2003），并与欧洲废物目录（决定2001/118/EC）保持一致[17]。医疗废物的分类遵循世界卫生组织（WHO）指南（Andeobu, 2022；[18]）。
城市固体废物的物理特性（密度、水分）、化学特性（碳氮比、热值）和生物特性（可生物降解性）决定了处理方式的选择[19,20]。
生命周期评估（LCA）方法论和阶段
本研究遵循ISO 14044框架，包括四个阶段：(1) 目标和范围定义；(2) 生命周期清单（Life Cycle Inventory, LCI）；(3) 生命周期影响评估（Life Cycle Impact Assessment, LCIA）；(4) 结果解释。
建模工作在OpenLCA 2.5软件中进行，数据来源于Ecoinvent v3.9数据库。应用了三种影响评估方法：ILCD 2011 Midpoint+、Eco-indicator 99（E）和ReCiPe 2016 Endpoint（E）。
堆肥
堆肥过程包括粉碎、好氧降解、堆体翻动（通风）、二次分类和最终运输。生命周期清单涵盖了堆肥过程中的直接生物排放以及与机械操作相关的柴油消耗和电力使用所带来的间接排放。
如表2所示，总能源需求主要由柴油驱动的活动决定，主要包括研磨、废物处理和运输。
讨论
LCIA结果表明，在所有评估选项中，堆肥对人类健康、生态系统质量和资源消耗的影响最大。尽管这一总体排名在各种综合指标和大多数中间指标类别中保持一致，但在个别影响类别上仍存在一些差异。特别是与毒性和燃烧相关排放相关的类别可能显示出较高的贡献。
未来研究的局限性和建议
虽然研究结果具有可靠性，但其范围受到一些限制。模型准确性取决于输入数据、排放因子、能源平衡和沼气产量的影响，这些因素在ILCD、Eco-indicator 99和ReCiPe框架中可能存在差异。尽管如此，较小的偏差可能影响具体类别的数值，但不会改变整体排名。需要注意的是，不同的结构假设（如不同的有机原料组成、从厌氧消化中排除木质纤维素部分或不同的消化产物）也可能影响结果。
结论
本研究使用ILCD、Eco-Indicator 99（E）和ReCiPe Endpoint LCA框架，评估了堆肥和厌氧消化在希腊城市固体废物管理中的环境和能源性能。结果一致表明，堆肥在所有主要类别（包括人类健康、气候变化和生态系统质量）中的环境影响更大，主要是由于未受控制的排放和缺乏能源回收效益。
生成式人工智能声明
在撰写本手稿的过程中，除了使用标准的语法和参考管理工具外，没有使用任何生成式人工智能或人工智能辅助技术。生命周期建模、数据分析、结果解释或图表生成均没有采用基于人工智能的工具。LCA建模和影响评估完全由OpenLCA 2.5和Ecoinvent v3.9数据库在作者的监督和直接评估下完成。作者已审阅并完全承担责任。
资金来源
本研究未获得公共部门、商业部门或非营利组织的任何特定资助。
CRediT作者贡献声明
康斯坦丁诺斯·S·普索莫普洛斯（Constantinos S. Psomopoulos）：概念构思、形式分析、项目管理、资源协调、监督、验证、撰写——审阅与编辑。基里亚基·基斯基拉（Kyriaki Kiskira）：概念构思、调查、方法论设计、软件开发、可视化、初稿撰写——审阅与编辑。康斯坦丁诺斯·卡尔卡尼斯（Konstantinos Kalkanis）：数据整理、验证、撰写——审阅与编辑。
