一种集成厌氧消化与水热碳化技术的农业废弃物生物经济模式：将废弃物转化为能源

厌氧消化-水热碳化耦合系统实现农业废弃物高值化利用，日均处理量1142 kg/h，在230°C、60分钟、固液比1:10条件下生产48.6%氢化物（HHV 25.4 MJ/kg）和0.68 m³/kg VS沼气，较单一工艺减排31.5%、增能37.8%，经济指标NPV达215万美元，IRR 21.3%，投资回收期4.5年，验证了循环经济模式在碳封存与可持续能源生产中的可行性。

维克托·奥卢瓦费米·法托昆（Victor Oluwafemi Fatokun）| 艾哈迈德·穆罕默德·伊努瓦（Ahmed Mohammed Inuwa）| 埃马纽埃尔·克韦诺尔·泰特（Emmanuel Kweinor Tetteh）| 苏德什·拉蒂拉尔（Sudesh Rathilal）

绿色工程研究小组：南非德班理工大学工程与建筑环境学院化学工程系，4001，德班

摘要

厌氧消化（AD）与水热碳化（HTC）的结合为在循环生物经济中同时回收能源和实现废物增值提供了一种有前景的方法。本研究探索了一种名为Aspen Plus的集成AD-HTC系统，其处理能力为1142公斤/小时，在230°C、60分钟的处理时间和1:10的物料比例条件下，将农作物残渣转化为生物气体和水炭。该过程产生的水炭热值（HHV）为25.4 MJ/kg，同时产生了0.68立方米/公斤的甲烷（CH₄）。与仅采用HTC的过程相比，这种集成工艺使净温室气体排放减少了31.5%，总能源回收率提高了37.8%。经济评估显示该项目具有很强的盈利能力，净现值（NPV）为215万美元，内部收益率（IRR）为21.3%，回收期为4.5年。研究证明了将AD和HTC结合用于从农作物残渣中固碳和可持续能源生产的协同潜力。研究结果为在未来的农业废弃物管理框架中采用集成的热化学-生物化学系统作为低碳生物能源解决方案提供了定量证据。

引言

全球向低碳和资源高效经济的转型加剧了将农业废弃物转化为可再生能源和高价值产品的可持续策略的需求[1]。农业产生了大量的木质纤维素和可生物降解废弃物，包括农作物残渣、果皮和动物粪便，这些废弃物往往被未充分利用或通过露天倾倒和焚烧处理，从而加剧了温室气体（GHG）排放和环境退化。通过循环生物经济途径将这些废弃物转化为能源不仅可以减少废弃物管理挑战，还能支持能源安全、农村发展和碳中和目标[2]。

在现有的生物能源技术中，厌氧消化（AD）和水热碳化（HTC）已成为高效转化湿法和异质农业生物质的互补工艺[3]。AD是一种在无氧条件下分解有机物的生物化学过程，产生富含甲烷的生物气体和营养丰富的消化物。然而，这一过程通常受到较长停留时间、低能量密度以及对原料变化敏感性的限制[4]。相比之下，HTC是一种热化学过程，在中等温度（180–280°C）和自生压力下将湿生物质转化为富含能量的水炭和含碳的水相。HTC有效克服了农业废弃物的高水分限制，无需耗能的干燥过程，从而生产出具有更高热值和物理化学稳定性的碳化固体[5]。

在生物经济框架中，将AD和HTC结合是一种有前景的协同增值途径。在这种配置中，AD产生的消化物可以作为HTC的原料，而HTC过程中产生的富含可溶性有机物的水（液体）可以回用于AD中以提高甲烷产量。这种循环整合方式最大化了碳回收率，提高了能源效率，并减少了废弃物产生[6]。研究表明，将这两种工艺结合使用可提高整体能源回收率30–40%，并显著降低生命周期二氧化碳（CO₂）排放[7]。获得的水炭可以进一步用作固体生物燃料、土壤改良剂或碳材料的前体，从而促进资源循环和碳封存。

从生物经济角度来看，AD-HTC的结合为农业废弃物管理提供了一种整体方法，符合欧洲绿色协议、联合国可持续发展目标（SDGs）和净零碳战略等全球倡议。它通过共同生产生物能源、富含碳的材料和养分回收来实现多元化收入来源，支持当地农村经济和能源独立[7]。此外，技术经济和生命周期评估表明，这种集成系统可以实现具有竞争力的内部收益率（IRR 15–20%）和净能量比率（NER >2），验证了其在实际农业条件下的可扩展性和经济可行性[8]。

厌氧消化和水热碳化的结合优势有助于实现能源、环境和经济的可持续性[9]。Medina-Martos等人[10]对将水热碳化与厌氧消化结合进行了技术经济分析，并将其与单独的厌氧消化进行了比较，以评估从污泥中回收能源的效果。结果显示，集成系统的能源效率比单独的AD提高了14%。然而，经济分析表明，集成系统的资本成本增加以及水炭的市场价值较低，阻碍了其大规模商业化。作者进一步指出，通过提高系统整体效率和将水炭作为可再生燃料使用，可以增强集成系统的经济可行性。Sharma等人[11]开发了一种集成了微波预处理、厌氧消化和水热碳化的工艺，用于从庭院废弃物中回收能源。预处理据报道可以提高厌氧消化过程中的生物气体产量，从而提高HTC产水的碳含量和热值。总体而言，他们的发现表明，集成的AD-HTC技术通过生产水炭和生物气体促进了可持续的零废弃物增值。将水热碳化与厌氧消化结合使用表现出协同效应，减轻了污泥负担，提高了能源产量，并生成了水炭[12]。AD-HTC是一种高效的废弃物处理方法，可提高能源效率和材料回收率[13]。Kassem等人[14]研究了集成厌氧/水热系统用于牛粪、消化物和HTL水产品的增值的经济可行性。设计的系统每天可处理5.9亿升粪便，产生生物气体、生物原油和水炭。经济可行性研究表明，商业化实施取决于多个因素，如农场的位置和规模、资本成本、折现率和其他财务变量。Reference [15]对将水热碳化与厌氧消化结合的能源需求进行了分析。据报道，生物气体产量增加了43%；然而，这种组合配置消耗了大量能源。作者进一步指出，只有15%的消化物可以通过HTC处理来平衡能源需求并提高能源回收率。通过将水炭作为燃料使用，可以满足AD-HTC的整体能源需求，从而消除对其化石燃料的依赖。Aragón-Briceño等人[16]在六种不同情景下进行了水热碳化与厌氧消化结合的质量和能量整合研究。观察到HTC-AD过程具有协同效应，在使用水炭作为燃料源的情况下，最佳净能量生成量为312.9千瓦时/吨处理污泥。在250°C的情景下，基于能源回收、经济可行性和有机物去除效果，实现了最大的能源回收率和最佳经济性能。研究建议进一步处理其他原料以提高系统效率。

本研究调查了集成厌氧消化-水热碳化（AD-HTC）系统将农业废弃物转化为可再生能源的生物经济性能。利用Aspen Plus工艺模拟，评估了HTC温度、水分含量和固体负荷等重要因素对能源产量、系统效率、碳回收率和系统经济分析的影响。这项工作的新颖之处在于其全面的建模框架，它结合了AD和HTC工艺，同时实现能源回收、废物增值和养分循环利用，这是以往研究中较少涉及的。主要贡献包括对工艺条件的系统敏感性分析，在社区和区域层面展示了可扩展的生物经济潜力，并为实际部署集成废物转能源生物精炼厂提供了可操作的见解。通过将能源回收与资源回收相结合，该研究推进了循环生物经济原则，符合联合国可持续发展目标，包括SDG 7（负担得起的清洁能源）、SDG 12（负责任的消费和生产）和SDG 13（气候行动）[17]。总体而言，这项研究提供了一种新的方法论和实践贡献，证明了集成AD-HTC系统可以提高可再生能源产量，促进可持续的农业废弃物管理，并支持具有气候适应性和资源效率的生物经济解决方案。

建模方法

开发并使用AspenTech开发的广泛认可的工艺模拟软件Aspen Plus V14，对用于农作物残渣增值的集成厌氧消化（AD）和水热碳化（HTC）系统进行了模拟[18]。该软件为各种工业过程的建模、优化和性能分析提供了强大而灵活的平台，包括能源转换、生物化学和热化学处理以及废物转能源系统。

厌氧消化单元模型验证

模型验证是确保模拟输出准确反映在相似操作条件下实验观察到的系统行为的关键步骤。在本研究中，通过直接与Odejobi等人[42]在类似工艺条件下获得的实验数据进行比较，验证了所开发的基于Aspen Plus的厌氧消化（AD）模型。

结论

集成厌氧消化-水热碳化（AD-HTC）系统有效地将农作物残渣转化为高价值的生物能源产品，产生了48.6%的水炭，其热值（HHV）为25.4 MJ/kg，并产生了0.68立方米/公斤的甲烷（CH₄）。该过程使净温室气体（GHG）排放减少了31.5%，总能源回收率提高了37.8%，凸显了其显著的环境优势。

技术经济评估证实了该系统的

CRediT作者贡献声明

维克托·奥卢瓦费米·法托昆（Victor Oluwafemi Fatokun）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，正式分析，数据管理，概念化。 艾哈迈德·穆罕默德·伊努瓦（Ahmed Mohammed Inuwa）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，软件，方法论，调查，数据管理。 埃马纽埃尔·克韦诺尔·泰特（Emmanuel Kweinor Tetteh）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，软件，资源管理，项目管理，数据管理，概念化。

资助

本研究未获得外部资助。

致谢

作者衷心感谢绿色工程研究小组为这项研究提供必要的模拟工具和技术支持。作者还感谢使用ChatGPT（OpenAI）和Grammarly等数字工具来提高本手稿的清晰度、语法和可读性。所有使用这些工具生成的内容都经过了作者的严格审查、验证和编辑，以确保准确性、原创性和符合期刊标准。