综述:在市政有机废弃物管理系统的生命周期评估(LCA)中纳入先进的热化学技术:一项系统综述
《Waste Management》:Including advanced thermochemical technologies in comparative life cycle assessment (LCA) of municipal organic waste management systems: A systematic review
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时间:2026年05月05日
来源:Waste Management 7.1
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维克托·冈萨雷斯-马伦 | 斯蒂芬·佩特鲁斯·萨尔霍弗
奥地利维也纳BOKU大学废物管理与循环利用研究所,Muthgasse 107,1190
**摘要**
近年来,全球各地的市政当局已实施了针对城市固体废物中有机成分的选择性收集系统,以避免将有机物质填埋对环境造成
维克托·冈萨雷斯-马伦 | 斯蒂芬·佩特鲁斯·萨尔霍弗
奥地利维也纳BOKU大学废物管理与循环利用研究所,Muthgasse 107,1190
**摘要**
近年来,全球各地的市政当局已实施了针对城市固体废物中有机成分的选择性收集系统,以避免将有机物质填埋对环境造成的影响,并促进资源回收。目前,在源头分离的有机城市固体废物处理中,厌氧消化(AD)等生物方法占据主导地位。然而,热化学先进技术(如热解)最近受到了广泛关注,也被用于处理有机城市固体废物。尽管这些技术在某些方面优于生物处理方法,但仍需对其环境性能与其他可用替代方案进行全面比较,以指导基于科学的决策。生命周期评估(LCA)是一种成熟且全面的方法,可用于评估废物管理系统的环境可持续性。然而,由于方法选择和系统边界的差异,LCA的结果往往存在很大差异。为了为未来的研究提供指导并奠定标准化基础,本综述旨在识别并批判性地分析那些至少包含一种热化学处理方法的有机城市固体废物管理系统比较LCA中最常见的方法选择。本研究遵循PRISMA准则,回顾了19篇经过同行评审的文章,涵盖了65种不同的技术方案。结果表明,总体上,结合AD的热化学先进技术在全球变暖潜力(GWP)方面表现最佳,但在考虑其他影响类别时则会出现权衡。此外,研究还发现系统边界通常未能完全涵盖有机城市固体废物管理系统的复杂性。文中还讨论了解决多功能性和模拟副产品环境效益的主要方法,并在某些情况下对其提出了质疑。最后,本研究提出了对未来研究的建议。
**1. 引言**
据估计,全球每年产生的城市固体废物(MSW)超过20亿吨(Maalouf和Mavropoulos, 2023)。由于经济增长和人口增长,到2050年这一数字可能超过35亿吨(Chen等, 2020)。尽管地区之间存在显著差异,但城市固体废物中的有机成分(OFMSW)约占总MSW的45%(Kaza等, 2018)。在高收入国家,OFMSW约占总收集MSW的30–40%,而在低收入国家,这一比例上升到约60%(UNEP, 2024),甚至在某些情况下达到70–80%(John等, 2006; Ramachandra等, 2018)。尽管在世界某些地区,无控制的废物管理仍然是主要的废物处理方式,但全球范围内,受控制的废物管理系统已收集并处理了超过60%的MSW(UNEP, 2024)。
在全球范围内,受控制的废物管理系统通常收集混合类型的MSW并将其填埋(Maalouf和Mavropoulos, 2023)。然而,填埋混合MSW会带来严重的环境和健康威胁(Siddiqua等, 2022),并阻碍资源回收和材料循环利用(Ambaye等, 2023)。填埋混合MSW会在垃圾填埋场内形成厌氧环境,促进OFMSW的厌氧分解,释放大量温室气体(GHGs)和其他有害物质(El-Fadel等, 1997)。例如,据估计,全球人为产生的CH4排放中有12%来自垃圾填埋场(Saunois等, 2020)。此外,填埋的有机物质会产生渗滤液,这种液体含有高浓度的有机物和营养物质,会渗入水体(Abdel-Shafy等, 2024),降低这些自然资源的 quality,并造成重大的环境和公共卫生风险(Yatoo等, 2024)。为避免这些环境和公共卫生风险,政府及公共机构在近几十年里采用了其他技术来处理MSW。
一种广泛采用的替代填埋方法是在某些地区采用焚烧处理(Lu等, 2017)。这种方法可以大幅减少废物体积并通过废物燃烧回收能源。然而,焚烧含有高有机成分的混合MSW时,由于OFMSW含水量高,启动燃烧所需的能量较高,导致能源效率较低(Mayer等, 2021)。值得注意的是,去除混合MSW中的OFMSW可以显著提高MSW的热值,从而提高焚烧过程的效率并减少环境影响(Zhou等, 2018)。为克服高有机含量混合MSW填埋和焚烧的缺点,近年来已广泛实施了源头分离的OFMSW管理系统(Zhang等, 2022)。在这些系统中,OFMSW被选择性收集并处理,最常见的处理技术是堆肥和厌氧消化(AD)。堆肥是通过微生物有氧分解有机物的过程,产生富含有机物的堆肥作为肥料使用(Cerda等, 2018)。而在AD过程中,微生物在厌氧条件下分解有机物,产生沼气和一种富含营养的副产品——消化物(Ren等, 2018)。尽管堆肥和AD被认为是环保技术,但最近开发了热化学先进技术(如热解或水热碳化(HTC)作为处理有机废物的替代方法(Jha等, 2022)。这些热化学技术相对于堆肥和AD的主要优势在于可能的更高能源回收率以及产生的一种称为生物炭的碳质副产品。生物炭可用作化石煤的替代品或高效的碳封存解决方案(Uday等, 2022; Wang等, 2023)。然而,由于高操作温度和压力,这些先进技术需要大量能源输入,其环境效益取决于过程能耗与产生的副产品数量和质量之间的平衡(Mayer等, 2021)。因此,需要全面的和可靠的评估工具来量化和比较各种处理OFMSW的技术的环境适宜性。为特定情况选择最合适的技术取决于多种复杂因素,决策者应依赖标准化、数据驱动的方法。
生命周期评估(LCA)是一种全面的方法,用于评估特定产品或服务从原材料提取到最终处置整个生命周期的潜在环境影响和资源消耗(Finnveden等, 2009)。LCA已广泛应用于废物管理领域,因为它能够捕捉废物管理系统在多种影响类别中的环境影响和效益,帮助决策者制定合理的环境管理策略并最小化风险(Christensen等, 2020; Khandelwal等, 2019)。然而,关于OFMSW管理系统的LCA研究结果往往存在较大差异,有时甚至得出矛盾的结果(Bernstad和la Cour Jansen, 2012; Schott等, 2016)。不同的LCA结果可能源于方法选择、数据来源或系统边界的差异。因此,系统地回顾、分析和讨论文献中的LCA研究方法学特征对于为未来研究提供指导并奠定标准化基础至关重要。
最近已进行了几项关于OFMSW管理系统比较LCA的综述(Bernstad和la Cour Jansen, 2012; de Morais Vieira和Matheus, 2019; Schott等, 2016; Serafini等, 2025)。尽管这些研究涉及重要问题,但它们仅考虑了生物处理技术(如堆肥和AD)、焚烧或填埋。另一方面,Batool等(2024)在其综述中纳入了热化学先进技术,但其目的是分析LCA研究中食品废物处理的环境影响,因此未涉及系统边界或分配方法等问题。Di Fraia等(2024)也讨论了用于处理食品废物的热化学先进技术,但他们主要讨论了这些技术的特点和LCA研究的主要结论。为了填补这一知识空白,本综述旨在识别并批判性地分析当前包括热化学先进技术的OFMSW管理系统比较LCA研究中的方法学趋势。具体而言,本系统性综述的目标如下:
1. 识别并批判性地分析包括热化学先进技术的OFMSW管理系统比较LCA研究中常用的方法选择。
2. 分析和比较这些研究的技术范围的环境性能。
3. 评估并批判性地分析这些研究的完整性。
4. 分析并讨论这些系统的环境效益是如何通过LCA方法进行建模的。
5. 提出建议并讨论未来的研究方向。
**2. 方法论**
为了实现本研究的目标并确保高质量标准,我们遵循了PRISMA(系统评价和荟萃分析的优先报告项目)指南进行系统评价(Page等, 2021)。PRISMA是一个帮助研究人员以透明方式传达系统评价的合理性、方法论和结果的报告指南。根据PRISMA原则,首先在Web of Science (WoS)和Scopus中通过以下搜索字符串进行了相关同行评审科学文章的搜索:
(TI=(LCA OR life cycle* assessment OR environmental* assessment OR environmental* impacts) AND TI=(food waste OR kitchen waste OR OFMSW OR municipal organic solid waste OR MOSW OR biowaste OR bio-waste OR organic fraction* municipal solid waste)
搜索时间范围为2015年1月至2025年12月,以关注最近的发展动态,因为生物废物管理中的热化学先进技术在过去十年中发展迅速。共检索到324篇独特的同行评审研究文章进行筛选。根据以下纳入标准对这些文章进行了深入审查:
1. 文章包含符合ISO标准或其他LCA标准化指南的同行评审LCA。
2. LCA至少比较了两种不同的OFMSW处理技术,其中至少有一种是热化学先进方法。
3. 有机废物经过了源头分离。本研究也涵盖了源头分离的食品废物(例如来自餐馆的废物),因为其通常采用与路边家庭有机废物相同的管理系统。
最终,我们确定了19篇符合筛选标准的同行评审文章,涵盖了65种不同的技术方案(表1)。其中13篇来自科学数据库,另外6篇通过文献深入筛选获得(即滚雪球法)。所选文章经过全面审查,并系统地收集了数据(见补充材料1)。具体而言,为了评估研究的完整性,我们将每种方案的系统边界与图1中展示的概念模型进行了比较。该概念模型将OFMSW管理系统分为狭义和广义两种类型:狭义管理系统涵盖了从废物收集到副产品升级的所有步骤,而广义系统则包括了受狭义系统产生的副产品使用影响的外部系统。受狭义OFMSW管理系统影响的外部系统通常包括能源系统(例如通过电力生产)和农业生态系统(例如通过消化物施用于土壤)(de Morais Vieira和Matheus, 2019)。不过,新的有机废物处理技术也可能产生副产品(如甘油或生物聚合物),这些副产品可能与其他系统(如化工或材料制造行业)相互作用(Lee等, 2022; Vogt和Weckhuysen, 2024)。在本研究中,将能够将OFMSW管理系统产生的副产品纳入生产过程的制造部门称为工业系统。
**表1. 综述文章的主要特征**
影响类别列显示了每个影响类别和研究中表现最佳的技术路径。如果一个给定影响类别和研究中存在多种技术路径,说明这两种路径表现相当,或者每种路径在两个不同子类别中表现最佳(例如海洋富营养化和淡水富营养化)。缩写代表:FU(功能单位)、GWP(全球变暖潜力)、AP(酸化潜力)、EP(富营养化潜力)、OLD(臭氧层损耗)、PMF(颗粒物形成)、TOF(对流层臭氧形成)、FRC(化石资源稀缺性)、MRS(矿产资源稀缺性)、EcoTox(生态系统毒性)、HumTox(人体毒性)、IR(电离辐射)、ED(能源需求)、WC(水资源消耗)、Inc(焚烧)、L(填埋)、Com(堆肥)、AD(厌氧消化)、Py(热解)、Gas(气化)、HTC(水热碳化)、HTL(水热液化)。为了便于可视化和解释,技术路径按照以下方式进行了颜色编码:浅绿色(独立的生物处理路线)、深绿色(集成的生物处理路线)、浅橙色(独立的先进热化学处理路线)、深橙色(集成的AD-先进热化学处理路线)、浅灰色(填埋和焚烧)以及深灰色(集成的AD和填埋或焚烧)。下载:下载高分辨率图像(310KB)下载:下载全尺寸图像
图1. 用于评估所审查研究的完整性的有机固体废物(OFMSW)管理系统概念模型。基于de Morais Vieira和Matheus(2019)以及Schott等人(2016)的研究。
为了分析和比较所审查研究中的技术范围的环境绩效,确定了每个环境影响类别的最佳技术方案,并将其汇总到更广泛的环境影响类别中,以确保使用不同生命周期影响评估(LCIA)方法的研究之间具有可比性,并便于分析(见表1)。例如,海洋富营养化和水生富营养化被合并为一个更广泛的影响类别。如果在某个研究的两个下属类别中识别出两种不同的技术路线是最优的,则这两种技术都会在汇总的影响类别中报告。此外,如果某种技术在特定影响类别中的表现相同,这两种技术也会在该影响类别中报告。
考虑到狭义系统的完整性分析,每个步骤的适用性是基于特定场景进行评估的,因为并非所有OFMSW管理系统都包含所有步骤。例如,填埋场可以接收所有类型的MSW组分,因此没有垃圾分离和处理阶段。然后,确定了每个适用阶段的存在与否。对于广义系统,识别了相关的外部系统及其流动的产品或服务,并分析了用于建模它们相互作用的方法。
3. 结果和讨论
3.1. 地理范围
图2显示了所审查研究的地理分布。值得注意的是,19项研究中有8项在中国进行,表明这一主题在中国有集中趋势。几乎所有其他研究都在世界银行(2025年)分类的高收入国家进行。只有一项研究在非高收入国家印度进行(Yadav等人,2024年),没有发现非洲的相关研究。
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图2. 所审查研究的地理范围。
3.2. 技术范围
图3展示了所审查研究的技术范围,以每种独立或集成技术路线被评估的次数表示。结果表明,人们对厌氧消化(AD)表现出极大的兴趣,无论是独立使用还是与其他技术集成使用。总共有65%的场景包含了AD(n = 42),其中15个是作为独立技术,27个是将AD与其他技术集成使用。大多数集成AD的场景包括AD之后紧接着另一种处理消化物的技术(n = 24),其中大多数是先进的热化学方法(n = 16)。在这些场景中,AD之后紧接着热解的技术在全球范围内的研究频率第二高(n = 12)。
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图3. 所审查研究中包含的技术路线。为了便于可视化和解释,技术路径按照以下方式进行了颜色编码:浅绿色(独立的生物处理路线)、深绿色(集成的生物处理路线)、浅橙色(独立的先进热化学处理路线)、深橙色(集成的AD-先进热化学处理路线)、浅灰色(填埋和焚烧)以及深灰色(集成的AD和填埋或焚烧)。(关于图中颜色参考的解释,请参阅本文的网页版本。)
这些结果突显了对AD消化物管理相关的环境问题和挑战的日益关注,以及先进热化学技术在处理AD消化物的同时生产可再生能源和促进资源回收的潜力(Dutta等人,2021年)。此外,大多数研究(N = 9)还包含了其他成熟处理技术(即堆肥、填埋或焚烧)的场景。这些技术几乎与独立使用AD一样频繁地被集成模型化,这也表明人们对这些处理AD消化物的选项有广泛的兴趣。此外,AD还在两个场景中被模型化为处理高温热化学(HTC/HTL)水相的处理方法,这是这些水热技术发展的主要挑战之一(Leng等人,2020年)。
关于先进热化学技术,迄今为止研究最多的路线是涉及热解的路线(n = 19),其次是HTC(n = 7)、气化(n = 3)和HTL(n = 3)。尽管热解可以有效处理OFMSW和AD消化物并产生有价值的副产品(如生物油或生物炭),但它需要一个高能耗的预处理步骤,因为该技术要求输入物料的含水量非常低(Elkhalifa等人,2019年)。为了克服这一挑战,提出了水热碳化(HTC)和水热液化(HTL)作为更适合处理湿有机原料的技术,因为它们可以接受高含水量的输入,从而避免了高能耗的干燥预处理步骤(Yuan等人,2023年)。然而,尽管有这一理论优势,热解在处理OFMSW和OFMSW衍生消化物方面似乎比其他先进热化学方法更受关注。尽管如此,从所审查的研究中不能得出哪种先进热化学选项具有环境优势的结论,因为大多数研究只在其分析中包含了一种类型的先进热化学技术。只有Corvalán等人(2021年)在其研究中比较了两种不同的先进热化学选项:HTC和气化。然而,他们根据不同的功能单元(FU)得出了相互矛盾的结果,并且没有考虑多功能性,这妨碍了进一步得出结论。因此,这些结果表明,人们普遍有兴趣比较先进热化学选项与成熟技术,而不是比较不同的先进热化学选项,并使用先进热化学技术来处理AD消化物。
大多数在其研究范围内包含集成AD-先进热化学场景的研究报告称,这些技术路线在温室气体潜能(GWP)方面表现最佳(14项研究中的12项)。唯一的两个例外是Opatokun等人(2017年)和Marten与Cook(2024年)。在第一种情况下,独立AD明显优于独立热解和集成AD-热解,在包括GWP、酸化、人类毒性以及矿物和化石资源枯竭在内的11个汇总影响类别中的9个类别中,独立AD是最佳选择。在第二种情况下,集成AD-热解在9个汇总类别中的6个类别中表现最佳,在另外2个类别中与独立热解表现相当,而GWP是唯一独立热解优于集成AD-热解的类别。
在未包含集成AD-先进热化学路线的5项研究中,大多数研究发现独立AD在GWP方面是最优选择(N = 3)。相比之下,Arafat等人(2015年)发现独立气化在GWP方面优于独立AD,但在其他7个考虑的影响类别中,独立AD的表现优于独立气化。这些结果表明,总体而言,在GWP方面,集成AD-先进热化学路线表现最佳,但独立AD优于单独的先进热化学路线。
然而,当考虑其他影响类别时,就会出现权衡。例如,两项研究报告称集成AD-先进热化学路线仅在GWP方面表现最佳,但在其他考虑的类别中却被其他技术替代(Tong等人,2018年;Mayer等人,2021年)。在其他情况下,除了GWP之外的环境影响类别中的最佳表现或多或少与其他考虑的技术替代方案共享(Zhang等人,2024b;Zhao等人,2024年),而在其他情况下,集成AD-先进热化学路线在大多数类别中似乎都是最佳表现者(Zhou等人,2021年;Sarrion等人,2023年;Okopi等人,2024年;Yadav等人,2024年;Zhao等人,2025年)。尽管如此,在只有两项研究中,AD-先进热化学路线在所有考虑的影响类别中都表现最佳(Wang等人,2021年;Wang等人,2025年)。另一方面,在仅包含独立先进热化学选项的研究中,AD在除了GWP之外的大多数影响类别中表现最佳。只有在富营养化潜力方面,独立HTC和HTL似乎能够与独立AD竞争(Ahamed等人,2016年;Zhang等人,2024a)。
在一些非GWP的影响类别中,集成AD-先进热化学技术通常被认为是最佳表现者:例如,在考虑这一影响类别的13项研究中有9项,或者在考虑这一影响类别的13项研究中有10项。然而,在其他非GWP的影响类别中,集成AD-先进热化学技术通常被其他替代方案超越:例如,在矿物资源稀缺(7项研究中的5项)或水消耗(4项研究中的3项)。尽管如此,在大多数非GWP的影响类别中,最佳技术选项并不明显,因为最佳表现往往在集成AD-先进热化学技术和其他替代方案之间相对平衡,例如在化石资源稀缺、人类毒性、臭氧层消耗或对流层臭氧形成方面。
总体而言,这些结果表明,集成AD-先进热化学技术在GWP方面通常优于其他技术选项,表明它们是处理源头分离的城市有机废物的有前景的气候高效解决方案。然而,与其他环境影响类别之间的权衡是不可避免的,因此必须考虑广泛的影响类别,并密切关注特定情况和特点。另一方面,独立AD似乎通常比独立的先进热化学选项表现更好,这表明如果要在OFMSW管理系统中使用先进热化学技术,需要进一步研究它们的集成。
然而,在LCA中比较生物处理技术和先进热化学技术存在特定的挑战,这是由于技术成熟度不同。生物处理技术,主要是堆肥和AD,是技术成熟度(TRL)高的成熟技术,通常在工业规模上部署。另一方面,用于处理OFMSW的先进热化学技术仍处于发展的早期阶段,TRL较低,主要在实验室或试点工厂规模上开发。使用LCA比较成熟技术和新兴技术可能会导致不公平的结果,因为在工业规模上部署的成熟技术已经完全优化,而TRL较低的新兴技术仍有很大的改进和工艺优化空间(de Souza等人,2023年;Thonemann等人,2020年)。为了考虑这些差异,近年来在LCA领域开发了几种将TRL较低的技术升级到全工业规模的方法(de Souza等人,2023年;Tsoy等人,2020年)。为了在比较用于处理OFMSW的生物和先进热化学技术时得出有意义的结论,我们建议未来的研究考虑对低TRL技术进行升级,应用所谓的预先LCA方法(Arvidsson等人,2024年)。这一点尤为重要,因为可能会出现权衡,但未来的技术发展和工艺升级有可能通过提高工艺效率来减少这些权衡。
包括AD和先进热化学技术的路线的环境影响主要取决于两个因素:过程消耗的能量以及副产品产生的环境效益。因此,适当选择能源和电力组合,以及替代产品的数量和质量,是LCA结果可靠性和准确性的关键因素。我们建议充分考虑这些因素。例如,通常假设所有产生的热量都可以被外部消费者使用(例如,作为区域供热),因此它替代了标准技术组合(例如,通过燃烧天然气)产生的相同数量的热量。然而,实际情况并非总是如此,如果OFMSW处理设施距离最终消费者太远,或者由于夏季热量需求低而无法利用所有热量(Mayer等人,2021年)。如果这些参数不明确,应进行不确定性分析或情景建模,以评估特定结论的有效条件。关于能源/电力组合建模的更深入讨论,请参阅第3.6节。
3.3. 建模方法
几乎所有审查的研究都采用了归属法来建模OFMSW管理系统(N = 16)。其中两项研究(Karaiskakis等人,2024年;Opatokun等人,2017年)可以归类为混合方法,因为它们并没有严格遵循完全归属性或后果性方法。在这两种情况下,都会从源头分离的有机废弃物管理(OFMSW)系统的生命周期评估(LCI)中减去废物填埋的LCI。这种方法选择隐含了一个假设,即OFMSW从填埋场转移到了其他管理系统;因此,新的替代处理方式应该因为这种转移而获得相应的认可,因为它避免了与填埋相关的环境影响和资源消耗。这种建模方法与后果性思维密切相关,因为它扩展了系统边界,包括了受决策影响的额外产品系统(Weidema等人,2018年),在这里是指将OFMSW从填埋场转移出来。然而,边际数据(例如长期边际能源组合)并未用于构建LCI。因此,不能得出所采用的方法是完全后果性的结论。只有一项研究声称自己是后果性的(Stichnothe等人,2024年)。然而,在这种情况下,没有考虑掉过头去的处理方式,从而未能包括与该决策相关的一个潜在最重要后果。
比较不同来源分离的OFMSW管理系统 lifecycle assessments(LCAs)主要是出于对传统就地处理垃圾技术(主要是填埋和焚烧)的高环境影响和低资源回收潜力的担忧,以及逐步发展更环保的OFMSW处理系统的政治意愿。将OFMSW从填埋场或焚烧厂转移出去是一个政策决策,其影响超出了新的OFMSW管理系统本身,还会影响到其他系统,如能源市场或被转移的焚烧厂。具体建模这些可能的后果可以丰富特定案例研究中选择最佳技术替代方案的决策过程,并帮助避免潜在的不希望出现的效果。例如,应用完全的后果性方法可以帮助分析将城市的垃圾收集和运输系统转变为避免OFMSW进行焚烧或填埋的影响和收益。尽管归属性方法适合用于确定初步的责任范围(Brander等人,2019年),但建议未来的研究测试后果性方法,以进一步探索将OFMSW从传统技术中转移出来的潜在环境影响和收益,从而完善决策过程中使用的信息(Bernstad Saraiva等人,2018年)。
我们在回顾的研究中识别出两类不同的功能单位(FUs):一类基于处理过的废物质量(N = 15),另一类基于OFMSW处理过程中产生的能源或产品(N = 6)。尽管这些研究关注的是相同的社会技术系统,但使用两种不同的功能单位突显了OFMSW管理系统的潜在多功能性以及不同利益相关者的不同期望和利益(Oldfield等人,2018年)。OFMSW管理系统在提供公共服务(处理OFMSW)的同时,还生产有用的产品(例如沼气或有机肥料)。这两种不同的功能单位旨在解决不同的研究问题,因此追求不同的目标(Ahlgren等人,2015年)。
使用基于废物的功能单位对OFMSW管理系统进行建模,意味着主要将该系统视为一位服务提供者,然后生命周期评估的目标是估计提供该服务(处理特定量的废物)的环境影响和资源消耗。在这里,定义生命周期评估目标和范围的利益相关者包括那些管理系统或从其服务中受益的人(例如市政府或市民)。采用基于服务的方法为解决系统的多功能性问题提供了特定的框架。无论如何,当将生命周期评估方法应用于OFMSW管理系统时,基于物理关系(如能源或质量)的分配方式无法一致地分配不同副产品和服务之间的环境负担,因为一个副产品(例如沼气)的输出变化必然会导致其他副产品(例如消化物或处理过的废物)的输出变化(Ahlgren等人,2015年)。因此,找到一个非任意的标准来分配系统的输入和输出,基于副产品和服务之间相关的物理关系,似乎是不可行的(Pelletier等人,2015年)。因此,只剩下两种方法上可行的解决方案:系统扩展和经济分配。
在所有采用基于服务的功能单位并解决多功能性的研究中,确实使用了系统扩展的方法,这表明其应用的相对容易性和在解决分配问题方面的有效性。当采用这种方法时,所有的环境影响和资源消耗都被归因于废物处理,而系统的收益则通过从功能单位中扣除生产特定功能等效产品(例如生物甲烷中的天然气)的环境影响来获得。然而,系统扩展的方法在准确识别和量化被替代的产品方面可能面临挑战,例如当使用有机肥料或消化物作为土壤改良剂时(Vadenbo等人,2017年)。系统扩展和替代的一个可能替代方案是经济分配(Ardente和Cellura,2012年)。货币价值是副产品和系统提供的服务所共有的一个特性。OFMSW通常具有负的经济价值,这意味着相关当局需要支付费用给废物管理者来进行处理。这一事实强调了系统提供的服务的重要性(Ahlgren等人,2015年)。使用经济分配的一个好处是它考虑了流入OFMSW管理系统收入流的大小,因此可以根据行业的驱动力来分配环境影响(Chen等人,2010年)。然而,如果系统副产品的价格比率随时间显著变化,使用经济分配的生命周期评估研究结果可能会失去有效性(Ardente和Cellura,2012年)。
另一方面,使用基于产品的功能单位对OFMSW管理系统进行建模,则将系统视为一位产品提供者,生命周期评估的目标是估计从OFMSW生产生物能源或其他产品的生态效率。在这种情况下,定义生命周期评估框架的利益相关者是对从OFMSW生产可再生燃料或肥料的环境可持续性感兴趣的那些人,例如具有可再生能源管辖权或兴趣的政府机构,或是这些能源产品或肥料的最终消费者。采用基于产品的视角来解决多功能性问题,与之前讨论的基于服务的功能单位的方法略有不同。在这种情况下,经济分配和系统扩展在方法上似乎都是可行的。例如,Zhou等人(2021年)进行了敏感性分析,比较了使用生产1千瓦时电作为功能单位的经济分配和系统扩展的结果。然而,所有采用基于产品功能单位的回顾研究在解决多功能性问题时,都只考虑了产生的能源或其他物理副产品,而忽略了系统的核心功能:处理OFMSW。
在将处理特定量的废物作为副产品(或附加服务)时,使用系统扩展来解决多功能性是一个挑战,因为这种方法需要识别出与多功能系统的副产品功能等价的替代单功能过程(Pelletier等人,2015年)。寻找一个专门提供OFMSW处理服务的等效单功能系统似乎很困难。Mayer等人(2021年)提出了一种通过功能单位扩展来解决这个问题的方法。他们定义了一个生产1千瓦时能量的功能单位,同时处理一定量的废物。为了在不同能源生产率的技术路线之间进行协调比较,他们以最高能源生产效率的技术作为参考,来确定功能单位中要处理的废物量。其余处理该量废物的技术的能源缺口由德国的电力组合来补充。然而,如果功能单位仅根据产生的能源或产品来定义,那么只有通过经济分配才能一致地解决多功能性问题。由于无法应用系统扩展的方法,系统副产品(包括附加服务)与基于产品的功能单位之间唯一的联系是它们的货币价值(Weidema等人,2018年)。在比较从OFMSW生产的生物能源或肥料与其他替代方案的环境性能时,纳入OFMSW管理系统提供的服务尤为重要。忽略OFMSW管理系统提供的服务可能会导致基于产品的功能单位高估环境负担,从而可能削弱从OFMSW生产的生物能源或肥料相对于其他潜在替代方案的环境竞争力。
在本节中,我们检查并讨论了回顾研究中狭义系统的完整性(图4)。正如我们将展示的,包括先进热化学技术的OFMSW管理系统的比较生命周期评估往往无法捕捉系统的全部复杂性。尽管如此,生命周期评估中涉及的产品系统极其复杂,详细包含系统边界内的所有可能步骤既耗费资源又耗时,有时甚至由于数据限制或高不确定性而不可行。因此,在进行生命周期评估时,必须在复杂性和资源及时间可用性之间取得平衡(Dubova等人,2025年)。这意味着在解释阶段应始终牢记将复杂系统简化为生命周期评估模型的必要性。本节的目的是评估和讨论回顾研究中狭义系统的完整性,以突出其复杂性,并指出现有研究的不足之处,为未来的研究方向提供指导。
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图4. 回顾研究中狭义废物管理系统的完整性。
3.5.1. 垃圾收集和运输
垃圾收集和运输是任何OFMSW管理系统的第一步。这一阶段通常包括OFMSW的收集和运输,以及在处理设施中的处置。在回顾的情景中,有超过50%的研究(n = 33)将其纳入系统边界,并且大多数研究假设所有情景中的收集方案都是相同的。在比较生命周期评估中排除这一阶段的常见理由是认为它在所有情景中都是相同的,排除它不会影响研究结果。尽管在有时间或资源限制的研究中这是一个合理的假设,但不同的废物管理系统有不同的垃圾收集和运输方案,应该考虑每种方案的特性,以便在不同处理技术的系统之间进行可靠的比较(Manfredi等人,2015年)。
垃圾收集和运输方案可能因所采用的处理技术而大相径庭。例如,在填埋或焚烧过程中,OFMSW与其他市政废物混合收集。在这些系统中,收集车辆通常比在源头分离OFMSW时使用的车辆更大(Manfredi等人,2015年)。此外,路线长度也可能因考虑的不同设施的位置而有所不同。在比较不同的源头分离OFMSW处理技术时,原料的含水量起着关键作用:一些技术(例如湿法厌氧消化或热化学转化HTC)可以接受高含水量的原料,而其他技术(例如热解)需要低含水量的原料,这通常需要经过耗能的干燥预处理过程(Yuan等人,2023年)。源头分离的OFMSW的收集方式会影响最终处理后的废物含水量。例如,用纸袋收集食物垃圾会导致比用生物塑料袋更高的水分损失(Dolci等人,2021a)。因此,如果比较HTC和热解作为OFMSW处理的选项,前者可能会优先选择收集生物塑料袋,而后者可能会优先选择纸袋。
此外,一些收集材料可能会被纳入处理过程,而其他材料则需要事先去除,这会影响处理效率和材料损失。例如,先进的热化学技术(如HTL)可以有效处理生物塑料材料(Niknejad等人,2025年)。然而,由于生物降解性的限制,生物塑料袋在厌氧消化(AD)中的使用面临挑战(Cucina等人,2021年;Niknejad等人,2025年),因此必须在预处理步骤中将其去除,这也会带走一部分有机废物。另一个相关因素是技术对杂质的耐受性。废物收集方案的设计会影响源分离有机废物管理系统(OFMSW)中可能存在的杂质水平。例如,上门收集方案产生的杂质水平低于公共路边收集方案(Edo等人,2022年)。因此,基于生物技术的系统可能更倾向于采用上门收集方式,而先进的热化学系统则可能使用公共收集箱。因此,建议未来的研究在比较不同的OFMSW处理技术时,探讨废物收集方案的差异如何影响研究结果。
另一个普遍的假设是,废物收集和运输对整个生命周期评估(LCA)结果的贡献微不足道。尽管一些研究(Okopi等人,2024年;Wang等人,2021年)发现废物收集和运输对LCA结果的贡献不显著,但Mayer等人(2021年)指出,在他们研究的几乎所有系统中,废物收集、运输和储存都在不同程度上对环境影响重要。Ahamed等人(2016年)发现,在考虑集中处理厂的情景中,运输是仅次于处理厂能源消耗的第二大温室气体(GWP)排放、酸化、富营养化和累积能源需求的因素。此外,在Zhao等人(2024年)的研究中,运输还是陆地生态毒性的敏感参数。Tong等人(2018年)发现运输对毒性和化石资源消耗也有显著影响。因此,这一阶段对LCA结果的贡献似乎取决于每个案例的具体条件以及其他模型阶段在LCA结果中的相对重要性。因此,建议在初步构建模型时考虑这一阶段,尤其是在其他处理阶段影响不大的情况下,例如当低碳系统提供电力时。另一方面,所有研究都仅从废物收集卡车行驶的距离来建模废物收集和运输,但没有包括与废物收集材料生产和处理相关的环境影响。有趣的是,Dolci等人(2021b)比较了使用不同收集袋的两种AD系统,发现袋子生产和分配对系统环境负担的贡献显著,尤其是使用生物塑料袋时。因此,我们建议进一步探讨这一方面,特别是在不同情景下最佳废物收集材料可能发生变化时。
3.5.2. 预处理及副产品升级与处理
一旦OFMSW到达处理设施,它将经历预处理过程,以调整其物理和化学性质,使其适应处理工艺的技术要求。预处理工艺多种多样,目前还是一个活跃的研究领域(Gallego-García等人,2023年;Parthiba Karthikeyan等人,2018年)。目前常用的预处理技术包括研磨、混合、制浆和干燥。一种既可视为预处理也可视为副产品升级的特定过程是杂质去除,这将在下一节详细讨论。大多数研究的情景都包括了OFMSW的预处理(n = 53)。预处理阶段对整个系统环境影响的贡献因研究和考虑的技术而异。例如,Okopi等人(2024年)发现,在他们的研究中,预处理是所有情景中最具影响力的阶段,由于能耗高,在某些影响类别中的贡献超过50%。另一方面,一些研究(Mayer等人,2021年;Yadav等人,2024年;Zhao等人,2024年)报告称这一阶段的贡献较低,而在其他研究中(Opatokun等人,2017年;Stichnothe等人,2024年;Wang等人,2021年;Zhao等人,2025年),其重要性因技术而异。在后一种情况下,OFMSW预处理在独立的AD情景中影响较小,而包含先进热化学技术的路线由于OFMSW干燥或消化物脱水等工艺的高能耗,影响显著增加。这些研究之间的差异可归因于所选的预处理类型、关于预处理能耗的不同假设、其他阶段对系统总影响的相对贡献以及系统设计。
OFMSW处理过程通常会产生潜在有价值的副产品。这些副产品通常需要进一步处理才能在扩展系统中使用。例如,沼气在燃烧用于发电和供热之前必须进行处理,以防止设备腐蚀(Sarrion等人,2023年)。另一方面,这些副产品的利用有时在经济或技术上不可行,因此必须进行处理和处置。例如,由于高污染和氨浓度,AD消化物土地施用具有挑战性,最终通常会被填埋(Zhao等人,2025年)。在所研究的情景中,超过75%(n = 51)包括了这一阶段。然而,这一阶段的建模往往不一致,即并非所有副产品处理过程都被包括在内。例如,一些AD情景在土地施用前包括了消化物脱水,但省略了燃烧前的沼气净化。与之前的讨论类似,这一阶段对整个系统环境负担的贡献因研究、技术和处理过程而异。例如,Sarrion等人(2023年)发现,在他们的研究中,沼气净化和氢碳化物(hydrochar)干燥的重要性不大,主要是因为系统设计为能源自给自足的。同样,Yadav等人(2024年)报告称,在他们的AD + HTC情景中,过程水过滤和氢碳化物干燥的贡献不大。另一方面,几项研究报道,这一阶段在处理消化物时非常重要(Mayer等人,2021年;Tong等人,2018年;Yadav等人,2024年;Zhao等人,2025年)。同样,氢碳化物干燥和造粒(Mayer等人,2021年)、HTC过程水处理(Yadav等人,2024年)、HTL生物原油升级为合成燃料(SAF)(Zhang等人,2024a)以及从过程废水中生成鸟粪石(struvite)和多羟基烷酸(PHA)(Stichnothe等人,2024年)对各自系统的整体环境负担有显著贡献。有趣的是,在Karaiskakis等人(2024年)的研究中,沼气升级在独立AD情景中对系统全球变暖潜力(GWP)的贡献在10%到14%之间,而在AD + Py情景中则可以忽略不计(<1%)。在这项研究中,AD + Py情景中的电力来自可再生能源,而在独立AD情景中则由当前的电力组合提供。电力组合的变化导致沼气升级的电力消耗影响显著减少,这表明电力组合构成对GWP方面工艺相对重要性的显著影响。
3.5.3. 废物分离与处理
源分离的OFMSW通常含有有机和无机杂质,这些杂质会对生物废物处理过程和产物的质量产生负面影响(Le Pera等人,2023年)。尽管效率各不相同,但OFMSW中的杂质通常在预处理阶段被去除,并通常通过焚烧或填埋进行单独处理(Alessi等人,2020年)。分离和处理OFMSW中的杂质会为系统带来额外的环境负担和收益。特别是塑料杂质的存在,这是最常见的杂质类型,也是环境中微塑料的潜在来源(Suarez Murcia等人,2024年)。塑料材料通常由化石资源制成,将其气化成二氧化碳(CO2)对全球变暖有净影响,在建模塑料杂质的命运时需要考虑这一点(Zhao等人,2025年)。在所研究的情景中,只有28%(n = 16)包括了这一阶段并对其进行了建模。杂质分离和处理的影响在不同研究中差异很大。Okopi等人(2024年)发现,在AD情景中,当杂质和其他固体残余物通过焚烧处理时,GWP减少了79%,富营养化潜力(EP)减少了215%,因为能源回收率更高。此外,他们发现使用热解处理废物制浆产生的废弃物和其他固体残余物在所有考虑的情景中表现出最佳的环境性能,因为副产品产量更高,原料干燥能耗更低。然而,Zhao等人(2024年)发现,在他们的研究中,焚烧杂质是毒理学潜力的主要贡献因素,而Mayer等人(2021年)报告称,无论采用何种技术,焚烧杂质都会显著增加OFMSW管理系统的GWP。在高杂质含量条件下(16%),Tong等人(2018年)报告称,在AD情景中,焚烧杂质可贡献系统产生的能量的27%,尽管会排放大量温室气体(132 kgCO2-eq/吨废物)。
在所研究的情景中,杂质的存在量假设范围从2%到16%(按重量计)。文献中报道的一些平均值包括丹麦塑料含量为6%(Hansen等人,2007年),西班牙为4.7%(Rodrigues等人,2020年),波兰约为2.30%(Lelicińska-Serafin等人,2023年),美国总污染率为6.75%(Thakali等人,2022年),德国城市地区为5% DM(Sailer等人,2021年)。然而,量化OFMSW流中杂质的份额极具挑战性,因为这些杂质在时间和空间上都有很大变化,大多数研究报告的标准偏差较大(Sailer等人,2021年;Thakali等人,2022年)。如果预计杂质含量会有显著变化,应进行不确定性或敏感性分析,以评估该变量对LCA结果的影响(Tong等人,2018年)。此外,在比较不同的处理技术时,对杂质的耐受性也是一个相关因素。热化学技术通常能够容忍更高的杂质水平,而生物技术对不可降解成分非常敏感(Hasan等人,2021年;Okopi等人,2023年)。包括这一阶段可以在比较热化学和生物技术之间的环境性能和能源效率时提供更准确的图像。然而,值得注意的是,先进热化学技术对杂质的耐受性并非无限,因为杂质的存在也会影响副产品的质量,并阻碍其作为特定市场产品的使用(Su等人,2020年)。
3.5.4. 资本货物
资本货物包括提供特定功能单元(FU)所需的所有基础设施、机械和设备。在所研究的情景中,只有三分之一(n = 21)将资本货物的消耗和使用纳入生命周期评估(LCI)。资本货物对系统全球环境影响的贡献通常被认为无关紧要,且由于缺乏数据,通常从系统边界中排除(Mahlan等人,2025年)。然而,Brogard和Christensen(2016年)发现,资本货物在评估城市固体废物管理系统中的生命周期评估中起着重要作用,特别是在与毒性相关的影响类别和因钢铁消耗导致的矿产资源耗尽方面。因此,Mayer等人(2021年)报告称,资本货物是矿产资源耗尽的主要贡献因素,Wang等人(2021年)发现AD所需的设备在所有类别中都有相对较高的影响。尽管Brogard和Christensen(2016年)认为资本货物对GWP的贡献通常很小,但Zhou等人(2021年)发现建筑材料在系统GWP中占很大比例,尤其是混凝土和木材。尽管如此,资本货物的影响通常与其他流程一起在LCIA阶段汇总,使得对其贡献的详细评估变得困难。无论如何,我们建议在构建OFMSW管理系统的LCI时考虑资本货物,特别是在评估与矿产资源耗尽相关的影响类别时。
3.6. 能源系统建模
大多数研究的情景将所有或部分潜在的能量副产品转化为电力(n = 44)和/或热能(n = 35)。在几乎所有情况下,解决多功能性的方法是通过系统扩展来实现的(Vadenbo等人,2017年)。在应用这种方法论时,OFMSW(城市固体废物)管理系统通过从基于废物的功能单元(FU)中减去与生产等量电力或热能相关的环境影响来获得能源生产的信用,通常使用的是平均电力或热能组合(Pelletier等人,2015年)。然而,有人对使用平均组合进行替代的适用性提出了质疑,即使采用归因方法也是如此,因为这些组合可能无法很好地反映所避免的、因此也不存在的能源组合(Provost-Savard和Majeau-Bettez,2024年)。根据这种方法,应该考虑研究中状态下被替代的反事实未受限制的组合。为了澄清这一点,假设一个处理OFMSW的厌氧消化(AD)工厂产生的沼气随后被转换为电力并馈入电网。假设三种主要能源来源在平均电力组合中占据同等份额:煤炭、核能和太阳能。如果使用这种电力组合来为OFMSW废物管理系统提供电力投入电网的信用,其潜在假设是AD工厂产生的电力避免了来自这三种能源的电力生产,这种避免与它们对电网的平均贡献成比例(Amor等人,2014年)。然而,如果该工厂停止运行,可能很难想象核能或太阳能能在短期内弥补AD工厂留下的生产缺口,就像煤炭所能做的那样。从技术上看,核能和太阳能都是短期内受限制的能源来源。太阳能产量取决于阳光的可用性,并且其电力生产与需求无关(Bastos等人,2023年)。另一方面,核电站通常用于为系统提供基本负荷(Peters等人,2022年),并且它们的运行效率通常很高(国际原子能机构,2024年),这限制了它们应对短期需求波动的能力。在这种情况下,可以认为大部分额外的电力将来自燃煤电厂,因为它们是短期内不受限制的能源来源(Bastos等人,2023年)。因此,这种方法将使用短期边际组合来计算OFMSW管理系统产生的电力(Amor等人,2014年)。如果遵循这种方法,在使用归因生命周期评估(LCA)方法评估OFMSW管理系统时,应该使用两种不同的电力组合。平均年组合应用于模拟系统电力消耗的影响,因为OFMSW处理厂通常连接到电网并且没有显著的日或季节性中断。另一方面,短期边际电力组合应用于模拟将副产品产生的电力馈入电网的环境效益。短期边际组合通常定义为在给定发电园区内响应需求变化的发电组合,即保持安装容量不变(Peters等人,2022年)。这种方法的主要优点是它考虑了每种技术的特点以及它们之间的动态互动,而使用平均能源组合则假设所有能源在给定能源系统中的行为是相同的。然而,建模边际能源组合通常具有挑战性,目前还没有统一的标准方法(Guillén-Lambea等人,2023年)。尽管如此,能源组合选择对LCA结果的影响至关重要。例如,多项研究发现边际发电组合的碳强度高于其平均组合(Peters等人,2022年)。因此,使用平均能源组合来计算OFMSW生产的能源效益可能会导致低估与OFMSW生物能源生产相关的气候效益。无论使用哪种组合,能源组合都会随时间变化(Driha等人,2023年)。在当前和未来的能源系统脱碳努力下,不同能源来源的比例预计将在中长期显著演变(国际原子能机构,2025年)。随着脱碳和电气化的进展,来自电力或肥料替代的信用预计也将随时间显著变化(Bisinella等人,2024年)。例如,Styles等人(2022年)在不同脱碳情景下对AD系统进行了建模,发现只有当结合碳捕获和封存(BECCS)的生物能源时,食物废物AD系统才能保持其当前的气候变化缓解潜力,因为在所考虑的情景下,来自电力替代的碳信用减少了。对OFMSW管理系统的比较LCA通常是为了在特定地理或技术条件下识别最佳处理方案。然而,没有研究明确探讨了在不同可行情景下OFMSW处理方案的未来负担和效益如何变化。由于源分离OFMSW处理技术的环境性能通常受到系统能源消耗与从不同副产品获得的信用之间平衡的高度影响,因此应在不同的演变背景系统下评估各种替代方案(Mendoza Beltran等人,2020年)。因此,OFMSW管理系统的前瞻性比较LCA似乎是一个相关且有趣的未来研究方向(Bisinella等人,2024年)。
3.7 农业生态系统
OFMSW处理系统通常会产生富含营养的有机副产品,这些副产品可用作土壤改良剂(Chojnacka等人,2020年;Shaaban等人,2018年)。尽管这些副产品应用于土壤的好处广为人知,但量化它们却具有挑战性(Vidal Legaz等人,2017年)。改良剂与土壤-植物系统之间的相互作用复杂,这些副产品对土壤农艺性质的影响取决于多个变量,包括土壤类型、当地气候、初始有机质含量和管理制度(Mateo等人,2024年)。此外,它们对土壤性质的潜在益处多种多样,从提高肥力到改善土壤结构不等,但由于缺乏标准化的LCA类别,将它们整合到LCA模型中具有挑战性(Martínez-Blanco等人,2013年;Pavan和Ometto,2018年)。尽管存在这些固有的困难,但在回顾的研究中经常模拟了两种类型的益处:提高土壤肥力和增加土壤碳含量。提高土壤肥力的假设总是基于应用有机改良剂后对矿物肥料需求的减少。这种矿物肥料需求的减少再次通过系统扩展替代法纳入LCA模型(Hanserud等人,2018年)。在这种方法中,与生产——理想情况下还包括应用——假设数量的替代矿物肥料相关的环境负担从FU清单中减去。对于堆肥和消化物,替代的矿物肥料数量假设与改良剂中的氮、磷和钾(NPK)含量成正比。此外,为了考虑植物吸收的NPK生物有效性,通常会使用替代比率。所回顾的研究中报告的替代比率差异很大,尤其是对于氮,氮的替代比率从12%到100%不等,钾从80%到100%不等,磷从50%到100%不等。对于生物炭,估算替代的肥料数量更具挑战性,替代比率通常基于应用生物炭的总质量(Marten和Cook,2024年;Zhou等人,2021年)。另一方面,存在三种主要的方法来模拟由于添加外源性有机物而导致的土壤碳变化:排放因子、土壤碳建模和直接测量(Pelaracci等人,2025年)。在所有回顾的研究中,用于估计由于施用堆肥、消化物或生物炭而导致的土壤碳变化的方法都涉及使用排放因子。这些排放因子主要代表了改良剂或初始废物中在特定时间后(通常是100年)留在土壤中的碳的比例。尽管这种方法准确性较低,但其易于应用、适用范围广且数据需求低。然而,在明确模拟了将堆肥、消化物或生物炭施用于土壤的38个情景中,只有四分之一(n = 10)包括了碳储存,这表明LCA从业者难以准确估计来自外源物质的土壤碳变化。未来,LCA从业者应与土壤科学家和其他参与长期田间实验的研究人员合作,开发跨学科方法,将土壤碳动态和其他应用OFMSW基副产品的效益纳入LCA模型。
3.8 工业系统
新型OFMSW处理方法可以产生具有潜在价值的副产品,用于能源生产或土壤改良之外的用途(Lee等人,2022年;Vogt和Weckhuysen,2024年)。在扩展的OFMSW管理系统背景下,能够将这些副产品纳入其生产过程的制造行业被称为工业系统。例如,通过热处理(预处理)和酯交换从OFMSW生产生物柴油可以产生甘油(Ahamed等人,2016年)和沥青(Zhao等人,2024年),并且可以从处理后的废水中生产PHA(Stichnothe等人,2024年)。在这三种情况下,系统的多功能性再次通过系统扩展替代法得到解决(Vadenbo等人,2017年)。在这种情况下,通过标准平均技术生产甘油、沥青或未纯化的PLA的LCI从FU的LCI中减去。然而,大多数可能为工业系统提供投入的技术仍处于早期开发阶段(Lee等人,2022年),这意味着它们的潜在部署将在未来发生。随着制造过程和能源系统的快速发展(Bisinella等人,2024年),我们建议对包括初期技术的OFMSW管理系统进行比较研究时采用前瞻性LCA方法,以探索不同技术选项在不同社会技术情景下的相对环境性能如何演变,从而支持面向未来的OFMSW管理决策和规划(Arvidsson等人,2018年)。
4. 结论
根据PRISMA声明,我们系统地回顾了19项关于OFMSW管理系统的比较LCA研究,这些研究至少包含一种先进的热化学技术,涵盖了总共65种技术情景。结果表明,总体而言,与AD集成在一起的先进热化学技术在GWP(全球变暖潜力)方面表现优于其他技术选项。然而,当考虑超出GWP的影响类别时,会出现复杂的权衡模式,从而难以选择最环保的技术。这种复杂性突显了在开展OFMSW管理系统的比较LCA时考虑广泛影响类别的重要性,以得出稳健和有意义的结论。一些方法,如标准化或加权,已被开发出来以辅助在复杂且不直观的LCA结果背景下的决策。然而,这些方法依赖于主观的价值判断,目前LCA社区中对其使用尚未达成一致。此外,我们的结果表明,单独的AD在处理OFMSW时通常优于单独的先进热化学技术。因此,如果要将先进的热化学技术纳入OFMSW管理系统,建议将其与AD集成。然而,由于技术成熟度的差异,通过LCA比较先进热化学技术和生物方法处理OFMSW具有挑战性。因此,值得探索放大这些初期技术的过程参数和物料流,以确保与已建立的OFMSW处理选项进行有意义的比较。此外,预计大多数这些技术将在短期内大规模部署。由于可再生能源的广泛部署,能源组合正在迅速变化,而先进热化学技术的环境性能主要取决于过程能源消耗与副产品产生的环境信用之间的平衡,因此有必要探索在不同情景下这种平衡可能如何变化。应用和开发前瞻性LCA方法,调整前景数据和背景数据以适应可行的未来社会经济情景,似乎是一个必要且有趣的研究方向。此外,还需要在方法论上进一步改进其他方面,特别是关于系统边界的完整性和由于外源性有机物应用而导致的土壤碳库存变化的建模。另外,LCA社区内部需要就关键方法论方面(如分配程序和能源系统建模)达成一致,以确保研究之间的可比性和结果的可转移性。在这项研究中,我们提出了一种一致的方法来处理取决于所选FU的多功能性,并批判性地讨论了在选择能源组合时采用的一些最常见假设。总体而言,生命周期评估(LCA)是一种全面的工具,能够在选择和优化有机废物管理系统(OFMSW)方面为决策提供有力支持,促进资源回收和可持续的生物质管理。因此,进一步完善这一方法对于实现真正符合可持续发展承诺的循环生物经济至关重要。
CRediT作者贡献声明:
维克托·冈萨雷斯-马伦(Victor González-Mallén):撰写初稿、数据可视化、方法论设计、调查研究及概念构建。
斯特凡·佩特鲁斯·萨尔霍弗(Stefan Petrus Salhofer):撰写修订稿、指导与编辑工作、方法论制定、资金筹集及概念构建。