从啤酒厂废水经厌氧消化和生物甲烷化生产可再生天然气 的技术经济与生命周期评估

《Bioresource Technology》：Techno-economic and life cycle assessment of renewable natural gas production from brewery wastewater via anaerobic digestion and biomethanation

　　

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  TEA 和 LCA 评估了从啤酒厂废水中生产 RNG。
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  TCI 和 AOC 分别为 15.9 至 19.2 和 1.49–1.82 百万。
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  RNG 最低销售价格范围为 2.14 至 2.50 美元/立方米。
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  温室气体排放量为 16.6 至 26.9 克 CO₂-eq/兆焦 RNG
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  太阳能光伏集成改善了经济和环境绩效。

Introduction

美国的啤酒厂废水每年估计产生 600 亿至 2000 亿升废水，通常含有高化学需氧量 (COD)，为 3,000–5,000 mg/L (Enitan 等人，2015)。这种组合给啤酒厂带来了经济和环境挑战，凸显了直接排放到市政污水处理厂的替代方案的必要性。替代方法通常分为三类：物理、化学和生物方法 (Cairone 等人，2024)。生物处理由于其较低的环境影响而特别吸引人，因为它利用微生物降解有机物同时生产增值产品。厌氧消化 (AD) 是一种代表性的生物方法，用于减少废水中的 COD 并生产沼气。经过升级和纯化后，这种沼气可以转化为可再生天然气 (RNG)，可以注入现有的天然气基础设施并用作交通燃料。

传统沼气升级主要依赖变压吸附 (PSA) 技术，该技术能耗高 (Lawson 等人，2021)，主要将 CO₂ 与 CH₄ 分离，捕获的 CO₂ 通常最终释放到大气中。相比之下，生物升级通过微生物催化将 CO₂ 转化为 CH₄，在提高沼气质量的同时减少净 CO₂ 排放。生物甲烷化通常根据升级发生的位置实施为原位或异位。在原位生物甲烷化中，H₂ 被注入消化器液体中，与消化过程中产生的 CO₂ 反应，在一个反应器中结合沼气生产和升级。在异位生物甲烷化中，沼气在消化器中生产，然后在单独的甲烷化反应器中升级 (Angelidaki 等人，2018)。与异位操作相比，原位系统可以减少资本成本、占地面积和运营复杂性，但它们面临两个限制：(1) 由于 H₂ 溶解度低和气 - 液传质约束，CO₂-to-CH₄ 转化率低；(2) 在升高 H₂ 分压下抑制挥发性脂肪酸降解，这会 destabilize 厌氧消化 (Rao 等人，2024)。为了克服这些约束同时保留原位优势，研究人员设计了一种在单个 AD 反应器内的分隔式原位配置，包括三个区域：一个 AD 区域，一个 CO₂-to-CH₄ 转化区域和一个气 - 液分离区域 (Rao 等人，2024)。在转化区域中，H₂ 通过选择性硅胶膜供应，实现 CO₂ 甲烷化而无需直接将 H₂ 鼓泡到主体液体中。这种设计解决了传质限制并减少了 H₂ 诱导的抑制，同时保持了紧凑的原位操作。

尽管有这些技术进步，大多数现有的技术经济分析 (TEA) 都集中在异位生物甲烷化上 (Lawson 等人，2021, Jabraeelzadeh 等人，2025)，而原位升级的经济可行性仍然研究不足。同样，现有的生命周期评估 (LCA) 研究主要评估了异位生物甲烷化 (Liu 等人，2025)，对原位系统的环境绩效关注相对有限。现有的 TEA 和 LCA 研究表明，与传统的化石天然气相比，异位生物甲烷化可以改善经济绩效并减少温室气体 (GHG) 排放 (Vo 等人，2018, Liu 等人，2025)。然而，据我们所知，没有研究提出协调的 TEA 和 LCA 直接比较用于 RNG 生产的原位和异位生物甲烷化系统，使用实验主要数据。这种分析对于指导 AD 技术用于沼气生产和升级的工业规模部署至关重要。

氢气和电力使用是设计系统的基本投入。H₂ 是生物甲烷化的关键反应物，驱动 CO₂ 转化为 CH₄。虽然 H₂ 通常通过蒸汽甲烷重整 (SMR) 产生，但该途径有两个局限性：首先，SMR 将石油基 CH₄ 和蒸汽转化为 H₂ 和 CO₂，使其与环境生物甲烷化配对在环境上自相矛盾，后者将 H₂ 和 CO₂ 结合为 CH₄。其次，集中式 SMR 工厂生产的 H₂ 必须运输到 AD 设施，通常距离很长，这导致高得令人望而却步的物流成本。通过水电解在现场产生 H₂ 消除了运输需求，但其经济性和环境影响在很大程度上取决于电力成本和来源。在美国，电网电力仍然是以化石燃料为主，造成环境负担。光伏 (PV) 系统提供了一个有前景的替代方案，由于其低运营成本和环境效益，在住宅和工业部门被广泛采用。另一个有前景的选择是温差发电器 (TEG)，它通过塞贝克效应将废热转化为电力 (Lan 等人，2022)。虽然 TEGs 已被探索用于汽车发动机和工业烟气，但它们在啤酒厂废热回收（以产生电力）方面的使用很少受到关注。啤酒厂在麦汁煮沸期间 (<100 °C) 产生大量低品位废热。利用 TEGs 利用这部分热量可以抵消电网电力需求并降低相关的 GHG 排放。

因此，本研究通过协调的 TEA 和 LCA 评估了使用 AD 和原位及异位生物甲烷化从啤酒厂废水中生产 RNG 的经济和环境绩效。比较了四个场景：(1) 使用电网电力的异位生物甲烷化（基准），(2) 仅由电网电力驱动的原位甲烷化，(3) 电网电力补充 TEG 回收的原位生物甲烷化，和 (4) 太阳能面板电力抵消的原位生物甲烷化。这项工作通过使用实验室实验的主要数据，确定了哪种生物甲烷化配置具有更大的经济优势，并阐明了电力来源如何影响 RNG 生产，从而解决了文献中的一个关键差距。除了啤酒厂之外，该框架适用于来自农业、工业和市政来源的其他高浓度有机废水，支持高效处理、资源回收和可再生能源发电。

Section snippets

Process descriptions

图 1 展示了将啤酒厂废水转化为 RNG 的提议系统的块流程图。假设加工设施与一个每天产生 3,300 m³ 废水 (0.881 百万加仑/天 [MGD]) 的啤酒厂共址，这代表了美国中型啤酒厂的操作。从啤酒厂废水生产 RNG 的整个过程包括三个主要阶段：通过 AD 生产沼气，通过生物甲烷化升级沼气，以及通过

Comparative mass and energy analysis of RNG production from brewery wastewater

四个场景的质量平衡和能量平衡如图 1 所示。在所有场景中，啤酒厂废水的处理流速为 139 MT/h (0.881 MGD)，并且 H₂ 由水电解供应，速率为 13.9 kg/h 以支持生物甲烷化。在场景 1（异位生物甲烷化）中，AD 生产含有 104 kg/h 的 CH₄ 和 78.0 kg/h 的 CO₂ 的原始沼气。在生物甲烷化过程中，大约 75.7 kg/h 的 CO₂ (97%) 使用水电解供应的 13.9 kg/h 的 H₂ 转化为 CH₄ 并

Conclusion

本研究评估了通过 AD 耦合原位或异位生物甲烷化配置及不同电力供应策略从啤酒厂废水中生产 RNG 的经济可行性和环境影响。评估了四个生物甲烷化场景：仅使用电网电力的异位生物甲烷化，仅使用电网电力的原位生物甲烷化，电网电力结合 TEG 回收的原位生物甲烷化，以及电网电力

CRediT authorship contribution statement

刘宣博: 写作 – 审查 & 编辑，写作 – 初稿，方法论，调查，形式分析，数据整理，概念化。 法拉赫·纳阿兹: 写作 – 审查 & 编辑，写作 – 初稿，方法论，调查，形式分析，数据整理，概念化。 张静怡: 写作 – 审查 & 编辑，验证，监督，资源，项目管理，资金获取，概念化。 黄海波: 写作 – 审查 & 编辑，验证，监督，

Uncited references

Achour 等人，2023, Ao 等人，2024, Buragohain 等人，2021, Chiang 等人，2022, Jaziri 等人，2020, Khademi 等人，2025, Lóránt 和 Tardy，2022, Qasim 等人，2023, Shah 等人，2023, Voelklein 等人，2019, Zhang 等人，2021。

Declaration of competing interest

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这可能会被认为影响本论文中报告的工作。

Acknowledgements

这项工作由 弗吉尼亚理工大学 和由 芝加哥大学 阿贡，有限责任公司 管理的 阿贡国家实验室 撰写，合同号为 DE- EE0009771。资金由 美国能源部关键矿物与能源创新办公室 替代燃料和饲料办公室提供。文章中表达的观点不一定代表美国能源部或美国政府的观点。美国政府保留并且出版商在接受文章发表时，

Xuanbo Liu|Farah Naaz|Jingyi Zhang|Haibo Huang