酒厂废弃物厌氧消化路径的生命周期评估：功能单位选择对污水处理与葡萄渣资源化的影响

《Recycling》：Life Cycle Assessment of Anaerobic Digestion Pathways for Winery Residues: Influence of Functional Unit Selection on Wastewater Treatment and Grape Pomace Valorization

　　

摘要翻译：

酒厂活动产生大量需要可持续管理的废弃物。厌氧消化（Anaerobic Digestion, AD）在减少这些废弃物相关环境负担的同时，为资源回收提供了机会。本研究对两条厌氧消化路径进行了门到门（gate-to-gate）生命周期评估（Life Cycle Assessment, LCA）：酒厂废水处理（情景A）和葡萄渣资源化（情景B）。清单数据来源于中试规模运行，并辅以Ecoinvent 3.10数据库。环境影响采用ReCiPe 2016中点（H）方法在七个影响类别中进行评估。为确保可比性，研究结果分别采用基于过程的功能单位和基于能量归一化的功能单位（1 MJ有用电力，作为中试规模条件下能量回收强度的探索性指标）进行评估。尽管葡萄渣消化在每单位处理底物下表现出较高的环境影响，但其在每MJ发电量下实现了较低的环境影响，各类别降低约8–10倍。较高的甲烷产量和较低的电力需求是促成该表现的因素。然而，两个中试系统均呈现负的净电力平衡，表明能量归一化比较代表的是能量回收强度而非净能量输出。研究结果强调了功能单位选择的重要性，以及两条路径在酒厂废弃物循环管理中的互补作用。

论文解读文章：

**研究背景与问题**

酒业是全球最大的农业工业部门之一，其生产过程中产生大量液体和固体废弃物。其中，葡萄渣和酒厂废水是两种最丰富的废弃物流，由于它们具有高有机质含量和季节性产生特点，造成了显著的环境和经济挑战。若管理不当，这些废弃物可能导致温室气体排放、土壤和水体污染、富营养化、恶臭问题以及废物管理成本上升。随着对可持续和循环生产系统转型的关注，相较于传统处置方式，酒厂副产物的回收和资源化引起了越来越多的兴趣。

在现有废弃物管理技术中，厌氧消化（AD）已成为酒厂废弃物可持续管理最有前景的策略之一。AD同时稳定有机质、降低污染物负荷，并产生沼气（一种富含甲烷的气体），可通过热电联产（CHP）系统转化为热能和电能。尽管已有大量研究证明了AD对酒厂废水和葡萄渣的技术可行性，且生命周期评估（LCA）已被广泛用于评估此类系统的环境表现，但现有研究大多集中于单一废弃物流，且通常采用不同的系统边界、清单假设和特定底物的功能单位，限制了环境结果的可比性。据研究人员所知，此前尚无研究在相同的LCA假设下系统比较这两种主要的酒厂废弃物流，并同时评估基于底物和基于能量的功能单位。这一局限性尤为重要，因为酒厂废水和葡萄渣在物理特性、有机负荷、生物可降解性、甲烷潜力和运行要求方面存在根本差异，更重要的是，两者AD系统的首要功能不同：废水消化主要用于通过降低污染物负荷提供环境处理，而葡萄渣消化主要旨在从固体有机残余物中回收能源。因此，仅基于底物质量或体积的比较可能导致关于其相对环境表现的误导性结论。本研究的目的是对酒厂废弃物的两条厌氧消化路径进行比较性的门到门生命周期评估，并探究功能单位选择如何影响具有不同主要功能的系统之间的比较性解读。

**研究方法概述**

本研究基于葡萄牙杜罗河产区酿酒厂的代表性案例，采用门到门生命周期评估方法评价两条厌氧消化路径的环境表现。情景A以处理1 m³酒厂废水为功能单位，情景B以处理1吨葡萄渣为功能单位。中试运行数据来源于2024年至2025年间开展的多次监测活动，覆盖收采前、收采期和收采后时期。背景过程（包括发电、氢氧化钠生产和货运）采用Ecoinvent 3.10数据库（cut-off系统模型）建模，电力采用葡萄牙中压电力供应数据。环境影响采用ReCiPe 2016中点（H）方法评估七个影响类别。除基于过程的功能单位外，研究还引入1 MJ有用电力的能量归一化功能单位作为探索性比较指标，其中有用电力根据甲烷产量和35%的CHP电转换效率计算。敏感性分析针对运行电力需求（±20%）、甲烷产量（±20%）和葡萄渣运输距离（±50%）进行。所有建模和影响计算均使用OpenLCA版本2.1.1完成。

**研究结果**

**2.1 沼气产量与能源产生**

情景A处理酒厂废水，产生沼气2.0 m³/m³废水，平均甲烷含量约64%，化学能潜力约45.8 MJ（相当于12.7 kWh），可产生16.0 MJ有用电力。情景B消化葡萄渣，沼气产量为76.6 m³/吨葡萄渣，甲烷含量约70%，化学能约1920 MJ（533 kWh），可产生672 MJ有用电力。在电力强度方面，情景A每产生1 kWh有用电力消耗22.0 kWh电，情景B每产生1 kWh有用电力消耗2.7 kWh电。该结果表明，葡萄渣消化具有更高的甲烷产量和更低的单位有用电力电力需求，但也反映了两系统的中试规模属性和不同运行模式（废水为连续处理，葡萄渣为33天批式消化）。

**2.2 比较环境表现**

采用原始基于过程的功能单位时，情景B在所有评估类别中呈现较高的绝对环境影响。气候变化影响从情景A的每m³废水27.9 kg CO₂ eq增加到情景B的每吨葡萄渣141.8 kg CO₂ eq。然而，按1 MJ有用电力归一化后（表3和图1），情景B在所有影响类别中一致呈现较低影响。气候变化影响从情景A的1.74 kg CO₂ eq MJ^-1降至情景B的0.21 kg CO₂ eq MJ^-1，约降低8倍。陆生酸化、淡水和海洋富营养化、化石资源稀缺、颗粒物形成和人类毒性等类别中，情景A的归一化影响仍比情景B高8–10倍。

**2.2.1 按有用电力归一化的环境影响**

按1 MJ有用电力归一化后，两系统的比较解读发生了根本性变化。情景B从每吨底物的较高影响逆转为所有类别中的最低影响。这一反转归因于葡萄渣消化过程中显著更高的甲烷产量和更低的单位有用电力的电力需求。

**2.2.2 按过程阶段的贡献分析**

贡献分析（图2）确定运行电力消耗是两种厌氧消化系统中的主要环境热点。在情景A中，电力消耗占气候变化影响的93.2%和化石资源稀缺的94.4%；用于pH调节的氢氧化钠是第二大贡献者，占气候变化影响的6.8%，最高占淡水富营养化的16.6%。在情景B中，电力贡献了气候变化影响的94.8%、淡水富营养化的97.1%和化石资源稀缺的94.6%；葡萄渣运输贡献2.9%–5.4%；消化物产生的影响可忽略不计。总体而言，运行电力需求是两情景环境表现的主要驱动因素。

**2.3 敏感性分析**

敏感性分析评估了运行电力需求、甲烷产量和运输距离对比较结果的影响。电力需求与环境影响呈近似比例关系，±20%变化导致约±19%的气候变化影响变化。甲烷产量呈现最高的敏感性：由于功能单位固定在1 MJ有用电力，甲烷产量下降20%导致环境影响增加约25%，上升20%则减少约17%，呈非线性响应。运输对情景B的环境影响最小，±50%变化产生的变化通常低于5%。至关重要的是，所有测试情景均未改变基准评估中获得的比较排序——葡萄渣消化在每MJ有用电力下始终表现出比酒厂废水消化更低的环境影响，表明比较结论在所评估的不确定性范围内具有稳健性。

**讨论与结论**

本研究表明，厌氧消化系统的环境表现主要取决于运行资源消耗与有用能量回收之间的平衡，而非处理的废物量。研究的方法学贡献在于阐明了功能单位选择对比较性LCA结果的强烈影响：基于底物的功能单位显示废水消化影响较低，而能量归一化后排序发生反转。贡献分析确定运行电力需求为最主要热点，这与中试规模的热损失和规模效应密切相关。讨论部分指出，由于两系统中试系统均为净电力消耗者（负的净电力平衡），能量归一化功能单位应被理解为能量回收强度的探索性指标，而非净能量输送的表示。此外，酒厂废水的季节性变化（进水COD浓度在收采前约1178 mg L^-1至收采期10,920 mg L^-1之间波动，甲烷含量在32%–72%间变化）和处理性能的波动要求系统具备运行灵活性。

研究结论部分翻译：本研究对酒厂主要废弃物（即酒厂废水和葡萄渣）的两条厌氧消化路径进行了比较性的门到门生命周期评估。结果表明，这些资源化路径的环境表现不仅取决于底物特性和甲烷产量潜力，还取决于比较所采用的功能单位。当影响按处理底物单位表示时，酒厂废水消化表现出较低的环境负担。然而，当环境影响按产生的有用电力单位归一化时，葡萄渣消化在所有评估类别中一致实现了较低的影响，这归因于其显著更高的甲烷产量和更低的单位回收能量的运行电力需求。结果进一步凸显了两种废弃物在酒厂废物管理系统中的不同角色——酒厂废水厌氧消化主要发挥环境处理功能（通过减少污染物），而葡萄渣消化在中试条件下提供高能量回收潜力。贡献和敏感性分析确定运行电力需求和甲烷产量是影响环境表现的主要因素，但电力需求受中试规模运行和相关热效率低下的强烈影响。从循环经济角度看，研究结果建议酒厂废水和葡萄渣应被视为互补资源而非竞争性废物流，综合厌氧消化策略可同时支持废水处理、能量回收和资源化。总体而言，该工作为酒厂废弃物资源化知识体系做出贡献，提供了两条重要厌氧消化路径的一致环境评估，为酒业废弃物管理和资源回收策略提供了更明智的决策支持，并强调了AD在推进循环和可持续农业工业系统中的作用。未来工作应纳入更大的运行数据集和概率不确定性分析，以进一步提高比较评估的稳健性。该研究发表在《Recycling》期刊。