厌氧消化物的价值转化：基于厌氧消化物处理技术的英国厌氧消化物价值链环境生命周期评估

《Journal of Cleaner Production》：Valorisation of anaerobic digestate: Environmental life cycle assessment of anaerobic digestate value chain in the UK with a digestate treatment technology

本研究采用生命周期评估（LCA）方法，评估英国食品废弃物厌氧消化（AD）产业链引入NOMAD创新消化液处理技术的环境效益。该技术整合固液分离、膜过滤、抗生素去除和营养回收模块，形成高效资源化方案。对比常规（BAU）、试点（RR）和规模化（upscaled）三种情景，结果显示规模化应用可使大部分环境影响类别降低7%-85%，但氨排放导致颗粒物形成潜势（PMFP）和地表酸化潜势（TAP）分别上升16%和24%。所有情景均显著优于矿物肥料应用，验证了先进处理技术对循环经济的价值，为AD产业链优化提供决策依据。

　　

林浩东|约里斯·希迈蒂斯|梅里·J·布莱克|艾杜安·博里恩

伦敦大学学院土木、环境与地理信息工程系，英国伦敦

摘要

厌氧消化（AD）的副产品——消化物，由于可能含有病原体且体积庞大需要运输，直接施用于土地存在挑战，因此需要进一步处理。本研究采用生命周期评估（LCA）方法，评估将NOMAD项目（使用移动先进技术的新型有机回收）开发的消化物处理技术应用于英国AD工厂的环境影响。该技术包括固液分离、膜过滤、抗生素去除和养分回收过程，能够从消化物中提取浓缩养分和水分。研究了三种情景：基于当前英国AD实践的“照常运营”（BAU）情景；代表试点规模技术的资源回收（RR）情景；以及反映全规模部署的扩大情景。结果表明，总体而言，试点技术对BAU情景的影响微乎其微，而扩大技术可将选定影响类别的环境影响降低7%至85%；然而，由于现场应用产生的NH₃排放，扩大情景在颗粒物形成潜力（PMFP）和陆地酸化潜力（TAP）方面分别增加了16%和24%。所有情景均显示出该技术相较于矿物肥料使用的环境优势。本研究强调了这种先进消化物处理技术对英国食品废物AD价值链的潜力，并从环境影响的角度为消化物中的养分回收及循环利用提供了见解。

引言

全球社会面临着越来越大的压力，需要减少温室气体（GHG）排放以应对气候变化及其潜在的灾难性后果。根据政府间气候变化专门委员会（IPCC，2018年）的报告，要将全球变暖限制在1.5°C以内，到2030年需将全球人为二氧化碳（CO₂）排放量从2010年的水平减少45%，并在2050年实现净零GHG排放。尽管近年来针对全球变暖的政策和立法有所增加，但预计21世纪全球变暖仍可能超过1.5°C（IPCC等人，2023b年），McCabe（2025年）报告称世界已于2024年超过了1.5°C的阈值。农业、林业和其他土地利用（AFOLU）部门贡献了10至12吉吨的人为GHG排放，约占总量的四分之一，这主要是由于森林砍伐和农业活动（如牲畜养殖、土壤管理和养分管理）造成的（Smith等人，2014年）。然而，AFOLU部门在减缓和适应方面具有巨大潜力，包括生态系统恢复、重新造林和植树造林以及减少食物损失和浪费等策略（IPCC等人，2023a年）。据估计，2014年食物损失和浪费量为1.92吉吨，自2004年以来增加了24%（Gatto和Chepeliev，2024年）。大约14%的全球食物在到达零售阶段之前就被浪费了（FAO，2019年），Gage等人（2024年）估计每年从农场到零售环节会产生240万吨的食物损失和浪费。这些废物通常最终被填埋，在厌氧条件下分解产生沼气，其中包含约50-55%的甲烷（CH₄）、45%-50%的二氧化碳（CO₂）和不到1%的非甲烷挥发性有机化合物（NMVOCs）（USEPA，2021年）。尽管需要采取沼气管理措施（例如燃烧），但气体收集效率仅为46%至82%（Lee等人，2017年）。据估计，填埋食物废物产生的GHG排放量为每吨0.3-5.0吨二氧化碳当量（Laso等人，2016年；Mondello等人，2017年；Moult等人，2018年）。因此，有机会应用闭环循环生物经济策略来减少这些GHG排放并利用有机废物。在欧盟，厌氧消化（AD）已成为管理各种行业有机废物的日益重要的解决方案（Cucina，2023年；Holm-Nielsen等人，2009年；Scarlat等人，2018年）。

AD过程可以在无氧条件下将各种原料（如食物废物、农业残渣和动物粪便）引入消化器中，通过微生物作用将有机物分解为沼气。与填埋场产生的沼气类似，原始AD沼气主要由CH₄和CO₂组成，还含有少量的氮气（N₂）、氢气（H₂）、氧气（O₂）、微量硫化氢（H₂S）和水蒸气，具体取决于原始原料的组成。沼气在燃烧时有多种直接用途，可用于照明、供热或作为烹饪燃料。经过净化和提纯后，生物甲烷可以用于联合热电（CHP）厂生产热能和电力，直接注入现有燃气电网，或作为运输燃料（Kapoor等人，2020年；Sahota等人，2018年；Sher等人，2024年）。AD的另一种产物是消化物，由于其含有氮（N）、磷（P）和钾（K），因此被广泛推广用作农业生物肥料和/或土壤改良剂。然而，消化物的组成因原始原料而异，其作为肥料的使用面临多个挑战，尤其是农民和种植者的接受度问题。尽管引入了如英国的PAS110标准（BSI，2010年）等质量方案，但仍存在塑料、病原体和有毒金属（如铜（Cu）可能污染土地的担忧（Logan和Visvanathan，2019年；Styles等人，2018年）。过度施用消化物或管理不当可能导致养分饱和，类似于过量施用矿物肥料的情况。全球多个地区和国家已实施了相关法规，例如欧盟（硝酸盐指令（91/676/EEC）和法规（EU）2019/1009）、德国（肥料条例（DüMV）以及英国（硝酸盐脆弱区（NVZ）和PAS 110标准）。这些政策通过限制数量和通过特定处理（如巴氏杀菌）来管理直接农业应用中的污染物（如重金属和病原体）；然而，抗生素和微塑料仍未受到监管（Sobhi等人，2024年）。消化物在其管理和应用过程中也会产生GHG排放，主要通过氧化亚氮（N₂O）、CH₄和氨（NH₃）的排放（Styles等人，2018年）。通过机械、物理化学和生物过程处理原始消化物可以缓解部分这些问题（Monfet等人，2018年；Nkoa，2014年；Vaneeckhaute等人，2013年）。

通过重力沉降、过滤、空气浮选和离心等多种方法，可以将AD过程产生的原始消化物分离成固体和液体两部分（WRAP，2012年）。随后，可以使用微过滤和超过滤等膜技术进一步过滤液体部分以浓缩养分（Waeger等人，2010年）。液体部分可以通过诸如硫酸镁沉淀（Morales等人，2013年）等处理方法回收养分。还有一些生物技术被提出用于从液体消化物中回收养分，例如藻类生物质生产（Bauer等人，2021年）。此外，固体部分可以通过堆肥技术（Czeka?a等人，2023年；Tambone等人，2015年）作为土壤改良剂使用，或者通过热干燥和燃烧技术（Dziedzic等人，2021年）作为生物燃料使用。然而，特定消化物处理技术的应用也存在局限性。例如，膜技术容易发生膜污染，需要定期清洁和更换膜（Guo等人，2012年）。因此，结合不同的消化物处理技术被认为是一种提高消化物价值化和减少废物处理的策略（Monfet等人，2018年）。

在新系统（如AD及其消化物利用）的开发过程中，与技术应用相关的环境影响评估也是一个重要考虑因素。生命周期评估（LCA）是一种标准化方法，用于量化与商品、产品或服务相关的环境和健康影响（欧盟委员会，2010年）以及新技术的开发。大量文献报道了LCA研究，表明AD具有环境效益，如减少传统废物管理带来的GHG排放、避免初级能源生产和初级矿物肥料生产（Adghim等人，2020年；Aziz等人，2019年；de Oliveira Fernandes等人，2025年；Esteves等人，2019年；Gopal等人，2020年；Hamelin等人，2011年；Hosseinian等人，2024年；Mezzullo等人，2013年；Nyitrai等人，2023年；Styles等人，2015年，2016年；Whiting和Azapagic，2014年）。一些研究指出，消化物的储存和应用是全球变暖潜力（GWP）和陆地酸化潜力（TAP）的环境影响热点，这主要是由于CH₄、N₂O和NH₃的排放（Hamelin等人，2011年；Styles等人，2016年；Whiting和Azapagic，2014年）。对消化物处理LCA文献的回顾表明，如果进一步处理消化物，这些影响可以降低（Angouria-Tsorochidou等人，2022年；Duan等人，2020年；Golkowska等人，2020年；Peng等人，2020年；Rehl和Müller，2011年；Styles等人，2016年；Vázquez-Rowe等人，2015年）。然而，如果处理过程能耗较高，总体影响（如GWP）可能会增加，从而导致大量的直接或间接CO₂排放（Rehl和Müller，2011年）。

本研究采用LCA方法评估了配备新型消化物处理技术的英国AD价值链的环境影响。作为欧盟Horizon 2020研究和创新计划的一部分，NOMAD项目（使用移动先进技术的新型有机回收）（NOMAD，2023年）提出了一种消化物处理技术，该技术将发电和供应、巴氏杀菌、固液分离、膜过滤、抗生素去除和养分回收过程结合在一个单元中，从而产生高质量的养分产品（浓缩养分液体）和水。研究建立了三种情景来评估该技术，包括“照常运营”情景、结合试点规模NOMAD消化物处理技术的情景以及基于相同技术的扩大情景。本研究提供了该新型消化物处理技术在英国食品废物AD价值链中的环境影响证据，同时也为从环境影响角度推进AD行业的养分回收和循环利用提供了决策支持。

部分摘录

材料与方法

本研究的LCA方法遵循ISO标准14040和14044规定的LCA四个步骤，即目标和范围定义、生命周期清单（LCI）、生命周期影响评估（LCIA）和解释（ISO，2006a，2006b）。本研究使用的LCIA方法是ReCiPe 2016（Huijbregts等人，2017年），背景数据来自SimaPro 9.0中的综合数据库，包括Ecoinvent数据库（

结果与讨论

图3展示了BAU、RR和扩大情景的比较，其中影响最大的情景设为100%。在八个选定的影响类别中，BAU情景的环境表现最差，影响数量最多。同时，在PMFP和TAP方面，扩大情景产生的总体影响最大。

结论

本研究使用LCA方法评估了将新型消化物处理技术引入英国AD价值链的环境影响，该技术基于一个食品废物AD工厂。结果显示，试点规模的消化物处理技术（年处理量1500吨）对BAU AD价值链的影响很小。相比之下，扩大技术能够处理所有消化物，生产浓缩养分液体、固体消化物和回收水，显示出环境优势，减少了

CRediT作者贡献声明

林浩东：撰写——初稿，可视化，方法论，数据管理。约里斯·希迈蒂斯：撰写——初稿，方法论，数据管理。梅里·J·布莱克：撰写——审阅与编辑，方法论，数据管理，概念化。艾杜安·博里恩：撰写——审阅与编辑，监督，项目管理，资金获取，数据管理，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了欧盟HORIZON-2020计划 [资助编号 863000]的支持。作者感谢Verdi Leonardo博士为这项工作提供的宝贵农学见解。