《Renewable Energy》：Techno-economic and life cycle assessment of biomethane and biofertilizer production by solid- and liquid-state anaerobic digestion
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摘要厌氧消化（AD）为有机废弃物的管理和可再生能源回收提供了一条可持续途径，有助于环境保护和能源安全。本研究结合技术经济分析（TEA）和生命周期评价（LCA），评估了采用固态（SS-AD）和液态（LS-AD）配置从餐厨垃圾、动物粪便和干秸秆中生产生物甲烷和生物肥料的可行性。对
摘要
厌氧消化（AD）为有机废弃物的管理和可再生能源回收提供了一条可持续途径，有助于环境保护和能源安全。本研究结合技术经济分析（TEA）和生命周期评价（LCA），评估了采用固态（SS-AD）和液态（LS-AD）配置从餐厨垃圾、动物粪便和干秸秆中生产生物甲烷和生物肥料的可行性。对比结果表明，在所有原料条件下，SS-AD在能源转化效率、经济表现和环境效益方面均 consistently 优于 LS-AD。在基准情景下（10 吨/天），以餐厨垃圾为原料的 SS-AD 实现生物肥料最低售价为 40.21 美元/吨，低于市场基准价 41.99 美元/吨。LCA 结果显示，动物粪便 SS-AD 在全球变暖潜势（0.12 kg CO2当量/MJ）方面的减排最为显著，是 LS-AD 的两倍。敏感性分析表明，添加剂成本和政府补贴是主要的经济驱动因素，而甲烷产率变异性对能源和环境结果的影响最为显著。在预计的电网脱碳条件下，餐厨垃圾 SS-AD 的全球变暖潜势从 49.3 降至 1.2 g CO2当量/MJ，前提是采用完全可再生电力组合。本研究强调了基于 SS-AD 的废弃物管理系统在可再生能源和生物产品生产方面具有环境可行性和经济可行性。
引言
人口增长、经济快速发展和对气候变化的日益关注，迫切需要将能源系统从基于化石燃料的模式转变为可再生和可持续的替代方案 [1], [2]。与此同时，有机废弃物的持续产生带来了严峻的环境挑战，但也提供了丰富的可再生碳资源。餐厨垃圾、动物粪便和农作物秸秆等有机废弃物可通过厌氧消化（AD）转化为生物甲烷和富含养分的消化液，从而实现废弃物处理与可再生能源回收的耦合。根据总固体（TS）含量和反应器配置的不同，AD 通常以固态厌氧消化（SS-AD）或液态厌氧消化（LS-AD）方式运行。这两种配置在固体负荷、稀释水需求、混合和传质特性、反应器要求、能耗和甲烷产量方面存在显著差异。因此，消化配置的选择可以极大地影响废弃物转化为生物甲烷系统的整体能源、环境和经济绩效。
近期研究强调了 SS-AD 与 LS-AD 之间截然不同的工艺特征和权衡关系 [3], [4]。LS-AD 通常在 TS 含量低于 10% 的条件下运行，有利于混合、底物与微生物的接触以及传质，从而促进底物降解和甲烷产生 [5]。然而，相关的原料稀释可能会大幅增加水消耗、沼气泥浆处理成本、加热和泵送需求以及下游消化物处理负担 [4]。相比之下，SS-AD 在 TS 含量高于 15% 和较高的有机负荷率条件下运行，减少了沼气泥浆的产生和需要处理的物料体积，但受限的传质、不均匀的底物分布和更复杂的混合可能限制水解和生物转化 [6]。这些差异已在中试和工业规模中得到验证。例如，有机固废的湿式 AD 据报道需要大量稀释水，而高固体消化几乎不需要或完全不需要额外加水即可运行 [4]。近期的放大研究表明，高固体活塞流和 LS-AD 系统均能在工业相关条件下实现稳定的甲烷生产 [7]。这些观察结果表明，SS-AD 与 LS-AD 之间的基本比较涉及甲烷产量、水消耗、物料处理和辅助能源需求之间的权衡。然而，这一性能差距并非固定不变，因为原料特性和外部处理可以显著改变底物的生物可降解性和消化动力学。
外部原料处理为改变这些固有的工艺限制提供了一种重要手段。机械、热、化学、物理化学和生物预处理可以破坏顽固结构，增加底物的可及性，加速水解并提高甲烷产量 [5]。在比较 SS-AD 和 LS-AD 时，这些改进尤为重要，因为甲烷产量是能源回收的主要决定因素之一，可以显著改变两种配置的相对性能 [8]。近期研究表明，原料处理和工艺强化可以大幅提高甲烷产量，尽管改善程度因原料特征和处理策略的不同而差异很大 [9], [10]。例如，近期对废弃污泥的综述报道称，预处理可使甲烷产量提高约 15–30%，展示了原料调理在增强 AD 性能方面的潜力 [11]。这些发现表明，甲烷产量会随原料特性和工艺条件发生显著变化，因此在比较 SS-AD 和 LS-AD 的性能时应该明确考虑这一因素。与此同时，根据处理策略的不同，甲烷产量的提高可能需要额外的能源、材料、设备或运行成本 [8]。因此，甲烷产量的增加或消化时间的缩短并不必然转化为系统级可持续性的提升。SS-AD 与 LS-AD 之间的公平比较需要在一致的边界内评估增强的甲烷产量所带来的效益与相关的能源、物质、环境和经济负担。生命周期评价（LCA）和技术经济分析（TEA）为此类评估提供了互补的工具，因为同一工艺改造可能同时影响能源回收、环境影响、资本投资和运行成本。近期研究表明，对蕴含能源和温室气体排放的不完整核算可能会使低碳能源系统的环境评估产生偏差，这强调了系统边界一致性和全面生命周期清单的重要性 [12], [13]。先前的研究表明，预处理、操作温度、有机负荷和沼气利用策略可以显著改变 AD 系统的环境和经济绩效 [14], [15]。然而，大多数现有评估仅聚焦于单一原料、特定消化配置或孤立的工艺强化策略。此外，原料特性、操作条件、工厂规模和系统边界的差异使得不同研究的结果难以直接比较。因此，在一致的假设条件下对 SS-AD 和 LS-AD 进行多原料的系统级直接比较仍然有限。特别是，尚不清楚反应器层面观察到的优势是否转化为更低的生命周期环境影响和改进的经济绩效，也不清楚当甲烷产量、工厂规模和其他不确定参数变化时，任一配置的相对优势是否持续存在。这种比较在未来电网脱碳和技术学习下的演变也尚未得到充分理解。
因此，本研究建立了统一的框架，使用三种代表性有机废弃物——餐厨垃圾（FW）、动物粪便（AM）和干秸秆（DS）——来比较 SS-AD 和 LS-AD。在所有六种原料-配置情景下，一致评估了能源绩效、生命周期环境影响和技术经济绩效。敏感性分析和 Monte Carlo 不确定性分析用于识别影响比较性能的技
节段摘要
目标与范围定义
本评估的目标是，在 LS-AD 和 SS-AD 配置下，比较从 FW、AM 和 DS 中生产生物甲烷和生物肥料的环境和经济绩效。因此，通过组合三种原料和两种消化配置定义了六种情景。原料的物理化学特性总结于表 S1 中。为了确保直接可比性，所有情景均使用一致的系统边界、功能单位（FU）和
能源绩效分析
图 2a 展示了标准化数据，以便在六种情景下更准确地比较能源消耗和甲烷当量能源输出。在甲烷当量输出方面，在所有三种原料条件下，SS-AD 的能源消耗和 NER 值均低于 LS-AD，能源转化效率提升范围为 26% 至 50%。结果表明，在 LS-AD 系统中，AD 单元占能源总使用量的显著比例，为 28%，
结论
本研究对不同有机固体废弃物流的 SS-AD 和 LS-AD 系统生产生物甲烷和生物肥料的经济和环境绩效进行了对比评估。具体而言，SS-AD 相比 LS-AD 将能源转化效率提高了 26–50%，其中餐厨垃圾基 SS-AD 实现了最低能源消耗 0.026 kWh/FU 和 NER 值 0.095。在三种原料中，SS-AD 相比对应的 LS-AD 系统减少了 33–34% 的全球变暖潜势，并且还展现了
CRediT 作者贡献声明
邓智超：撰写 – 审稿与编辑，方法学，调查研究，经费获取。孙驰和：撰写 – 审稿与编辑，经费获取。常海星：撰写 – 审稿与编辑，可视化，软件。郭晓波：撰写 – 审稿与编辑，验证，形式分析。尹杰：撰写 – 原稿撰写，方法学，调查研究，构思。卢晓军：撰写 – 审稿与编辑，验证，形式分析，数据管理
利益冲突声明
? 作者声明不存在任何可能被认为会影响本文所报告工作的已知的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金委员会（52406108、22478154）和武汉工程大学（24QD27）的资助。
卢晓军 | 尹杰 | 郭晓波 | 常海星 | 孙驰和 | 邓智超
武汉工程大学，资源绿色高效开发国家重点实验室，化工与药学学院，武汉，430205，中华人民共和国
