劉城宇，楊洪明

廢棄物到能源的閉環(huán)供應鏈：循環(huán)供能、協(xié)同運作與可持續(xù)性

劉城宇1，楊洪明2※

（1. 長沙理工大學經(jīng)濟與管理學院，長沙 410114；2. 長沙理工大學電氣與信息工程學院，長沙 410114）

現(xiàn)代經(jīng)濟生活方式每年產(chǎn)生大量的廢棄物，通過耦合收集、加工、運輸、發(fā)電、供熱等獨立運行環(huán)節(jié)，形成整體關(guān)聯(lián)的閉環(huán)供應鏈，實現(xiàn)廢棄物到能源的循環(huán)利用和可持續(xù)發(fā)展。該文立足于循環(huán)供能與可持續(xù)發(fā)展兩大維度，圍繞廢棄物回收、資源化處理、多能互補供應、多網(wǎng)絡耦合的完整鏈條，系統(tǒng)分析廢棄物到能源閉環(huán)供應鏈的廢棄物管理、多能源供應、環(huán)境治理協(xié)同效應?；诼?lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標框架，以全球能源、經(jīng)濟、環(huán)境和社會協(xié)調(diào)發(fā)展的重大需求為牽引，整合廢棄物到能源閉環(huán)供應鏈的交叉兼容指標，構(gòu)建涵蓋復合維度的可持續(xù)性評價指標體系，并從內(nèi)生風險與外源風險視角，識別刻畫不可持續(xù)風險。

廢棄物；管理；可持續(xù)發(fā)展；循環(huán)經(jīng)濟；閉環(huán)供應鏈；不可持續(xù)風險

0 引 言

現(xiàn)代經(jīng)濟生活方式每年產(chǎn)生大量的廢棄物，如秸稈、畜禽糞便、林業(yè)剩余廢棄物、城市固體廢棄物等。據(jù)世界能源理事會估計，到2025年，全球每天產(chǎn)生的廢棄物將超過600萬t。而通過廢棄物資源化處理，萃取得到的固體、液體或氣體生物質(zhì)燃料，是為社會生產(chǎn)活動供熱、發(fā)電的主要可再生能源。數(shù)據(jù)顯示，全球生物質(zhì)燃料生產(chǎn)潛力高達2 200億t[1]。2018年，生物質(zhì)能發(fā)電量為523 T·Wh，占全球可再生能源發(fā)電總量的8%。同年，中國生物質(zhì)發(fā)電裝機容量1 784萬kW，規(guī)模全球第一。其中，農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電裝機容量806.3萬kW，處理秸稈、畜禽糞便、林業(yè)剩余廢棄物等5 400萬t；城市固體廢棄物發(fā)電裝機容量916.4萬kW，處理生活垃圾1.3億t，占全國垃圾清運量的37.9%；沼氣發(fā)電裝機規(guī)模61.6萬kW。

然而，大多數(shù)發(fā)展中國家目前的廢棄物管理方式，不僅能效低、資源浪費，而且環(huán)境污染嚴重。90%未經(jīng)處理的廢棄物被棄置在露天垃圾場或填埋場[2]，如果采用傳統(tǒng)方法直接燃燒，將產(chǎn)生細小的煙塵顆粒與一氧化碳，危害公共環(huán)境安全[3-5]。世界上大約90%的廢水直接排放到海洋、河流和湖泊，導致每年約有600萬至800萬人死于污水傳染疾病[6]。因此，尋求廢棄物回收、處理、利用的科學途徑，對替代化石燃料、保護生態(tài)環(huán)境、實現(xiàn)人類社會尤其是農(nóng)村地區(qū)的可持續(xù)能源發(fā)展，具有重要的現(xiàn)實意義。而學術(shù)界和工業(yè)界著手開展的廢棄物轉(zhuǎn)化能源（Waste to Energy，WtE）供應鏈技術(shù)，已被認為是減少碳足跡和提高資源管理效率的高效方法[7]。

廢棄物到能源是以生物質(zhì)為核心，由一次能源利用、能源生產(chǎn)、多網(wǎng)絡輸送、用戶使用、廢棄物回收再利用組成的能源供應功能網(wǎng)絡。其中，一次能源包括生物質(zhì)、風、光、水等可再生能源和煤炭、石油等化石能源；能源生產(chǎn)、多網(wǎng)絡輸送和用戶使用涉及生物質(zhì)燃料、發(fā)電、供熱和制冷，并經(jīng)過電力網(wǎng)絡和氣熱管網(wǎng)，輸送至各行各業(yè)的用戶使用，從而形成正向供應鏈；廢棄物回收再利用是指各類用戶產(chǎn)生的生活垃圾、農(nóng)業(yè)秸稈、畜禽糞便等廢棄物，經(jīng)過交通網(wǎng)絡回收、加工并通過資源化處理再利用，形成逆向供應鏈。整個網(wǎng)絡通過耦合連接能源生產(chǎn)-消費-廢棄物產(chǎn)生的正向供應鏈與廢棄物回收-處理-能源生產(chǎn)的逆向供應鏈，形成一條閉環(huán)交互的廢棄物到能源循環(huán)利用完整鏈條，實現(xiàn)傳統(tǒng)單向的能量流動模式向能量高效利用的循環(huán)流動模式轉(zhuǎn)變[8]，有助于同時解決廢棄物管理，能源需求和環(huán)境保護三大問題，實現(xiàn)經(jīng)濟、社會、環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展[9]。

為此，本文引入閉環(huán)供應鏈思想，以資源最大化利用為出發(fā)點，以低碳可持續(xù)發(fā)展為目標，系統(tǒng)開展廢棄物到能源的閉環(huán)供應鏈組織運作模式研究，以期拓展廢棄物資源效率管理方法與綠色能源可持續(xù)應用范疇。

1 生物質(zhì)廢棄物資源分析及評估

具有易獲得性與可用性的廢棄物均可作為生物質(zhì)能的原料，包括秸稈、畜禽糞便、林業(yè)剩余廢棄物、城市固體廢棄物等資源。生物質(zhì)原料經(jīng)過一系列固化、氣化、液化處理，形成生物質(zhì)燃料或直接發(fā)電，是廢棄物資源高效利用的重要途徑。而資源評估既是穩(wěn)定開發(fā)、利用廢棄物資源的首要條件，也是發(fā)展可再生能源的基礎(chǔ)。

1.1 農(nóng)業(yè)秸稈的資源分析及評估

農(nóng)作物秸稈富含氮、磷、鉀、鈣、鎂，以及木質(zhì)素與纖維素等有機物，是具有多種用途的可再生生物質(zhì)資源。2015年，中國農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量已超過10.4億t，是世界第一大秸稈生產(chǎn)國。泰國每年產(chǎn)生秸稈1 040萬t，通過提煉加工生成11.4億至31.2億L的乙醇或8億至12億L的柴油，替代泰國交通運輸行業(yè)中25%至69%的汽油消費或6%至15%的柴油消費[10]。2018年，巴基斯坦利用4 000萬t秸稈殘渣發(fā)電1 100萬kW[11]。

1.2 畜禽糞便的資源分析及評估

畜禽糞便是沼氣與天然氣的主要生產(chǎn)原料。經(jīng)過預處理、纖維素酶水解、微生物發(fā)酵、蒸餾等工序，沼氣可制得燃料乙醇。中國畜禽糞便的年產(chǎn)量高達3.1億t。“一帶一路”沿線國家的畜禽糞便資源豐富。印度平均每天產(chǎn)生動物糞便56.8萬t，發(fā)電潛力高達834.6 G·Wh/d[12]。馬來西亞的動物糞便每年產(chǎn)生近46億m3沼氣，可提供8.27 T·Wh電量[13]。

1.3 林業(yè)剩余廢棄物的資源分析及評估

林業(yè)木材富含豐富的木質(zhì)纖維素，為生物質(zhì)燃料生產(chǎn)提供了穩(wěn)定的原料來源。中國每年產(chǎn)生的林業(yè)剩余廢棄物超過1億t[14]。歐盟國家的林業(yè)剩余廢棄物年產(chǎn)量接近7 500萬t[15]。葡萄牙每年利用林業(yè)廢棄物的發(fā)電規(guī)模達250 MW[16]。智利每年生產(chǎn)450萬t林業(yè)殘渣，可發(fā)電14.5億k·Wh，替代全國25%的煤炭需求[17]。

1.4 城市固體廢棄物資源成分分析及評估

城市固體廢棄物主要來自家庭、工業(yè)、商業(yè)、建筑業(yè)及市政環(huán)衛(wèi)清理收集的垃圾，包含餐廚、塑料、紙屑、果皮、木屑和雜草等，具有高能量、低熱值、易分解的特點。干燥的垃圾適用于焚燒、氣化和熱降解等熱處理工藝，而潮濕的垃圾易滋生細菌與病原體，可通過厭氧發(fā)酵和垃圾填埋生成沼氣。全球每年產(chǎn)生13億t城市固體廢棄物[18]。其中，中國生活垃圾焚燒發(fā)電的市場價值已超過50億美元[19]。印度每年浪費食物高達3 500萬t，具有近30T·Wh的沼氣發(fā)電潛力[20]。伊朗以城市固體廢物為原料，每年產(chǎn)生的電能超過5 000 G·Wh[21]。

2 廢棄物到能源閉環(huán)供應鏈的循環(huán)供能模式研究

廢棄物到能源的閉環(huán)供應鏈是通過一次能源的正向利用與廢棄物剩余價值的逆向回收再利用，實現(xiàn)廢棄物的最小排放與單位資源的最大可用。而廢棄物到生物質(zhì)能的逆向供應鏈是閉環(huán)供應鏈的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其循環(huán)供能路徑示意圖如圖1所示。

2.1 廢棄物資源的回收、預處理與存儲

針對分布零散的廢棄物，生物質(zhì)電廠通過分散建立小規(guī)?；厥站W(wǎng)點，多點收集臨近資源。城市固體廢棄物的回收一般采用源頭分離。比如，中國利用垃圾桶分類回收濕垃圾、干垃圾、有害垃圾與可回收物。韓國通過基礎(chǔ)廢棄物回收袋將可燃、可回收廢棄物與不可回收的垃圾殘渣分離[22]。收集到的廢棄物在存儲前，需先經(jīng)切片機切碎與碾壓機壓縮，并借助干燥劑將水分控制在30%以下，再存放至干燥、封閉的環(huán)境內(nèi)。

2.2 廢棄物資源化處理技術(shù)

廢棄物資源化處理技術(shù)包括固化、氣化、液化等處理工藝，以及生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)。

2.2.1 生物質(zhì)固化處理技術(shù)

現(xiàn)階段成熟的生物質(zhì)固化處理技術(shù)是常溫固化成型技術(shù)，即將秸稈、雜草、灌木枝條乃至果殼、果皮等廢棄物在常溫下經(jīng)過顆粒機粉碎與壓塊機壓縮，生成熱值高達12 000至19 000 J的高密度燃料棒或顆粒。這種高密度固體燃料體積只有原材料的1/10，能量密度接近于中質(zhì)煙煤，燃燒效率超過40%，且直接燃燒沒有污染物排放，是一種高品位清潔能源?？紤]原料回收、運輸、生成燃料等過程，1 t秸稈制成固體燃料發(fā)電比直接燃燒少排放二氧化碳3.04 t。與熱成型技術(shù)相比，常溫成型技術(shù)省去了烘干、加熱、降溫等環(huán)節(jié)，能耗降低50%，設(shè)備占地減少70%，生產(chǎn)成本降低60%。

2.2.2 生物質(zhì)氣化處理技術(shù)

當前市場上普遍采用的生物質(zhì)氣化處理技術(shù)包括高溫熱解氣化、垃圾填埋與厭氧發(fā)酵。

1）生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)

生物質(zhì)熱解過程是在無氧情況下，將干燥的廢棄物原料置于固定床、回轉(zhuǎn)窯、流化床或管式反應器中，經(jīng)過300至600 ℃的高溫降解，生成含有氫氣、一氧化碳與低分子烴類的合成氣，再通過水煤氣變換與氣體分離凈化技術(shù)，提高氫氣純度。高純度合成氣作為清潔燃氣，主要用于居民日常烹飪[23]。生物質(zhì)熱解技術(shù)的優(yōu)勢在于對廢棄物原料直接進行加熱，無需粉碎、碾壓等預處理，降低了生產(chǎn)工藝成本。此外，生物質(zhì)熱解制氫工藝的減排優(yōu)勢明顯，生成1 kg氫氣比煤氣化制氫或天然氣重整制氫少排放二氧化碳8kg[24]。

2）生物質(zhì)垃圾填埋技術(shù)

垃圾填埋與厭氧發(fā)酵技術(shù)是處理高含水率廢棄物最常用的非熱工藝方法。其中，垃圾填埋技術(shù)適用于難降解的有機廢棄物。傳統(tǒng)的垃圾填埋是將城市固體廢棄物倒入填埋場掩埋，經(jīng)過數(shù)年的化學、生物分解反應，生成含有50%至60%沼氣的垃圾填埋氣。雖然垃圾填埋不需要化石燃料供能，具有較高的經(jīng)濟效率，但在垃圾分解過程中易引起H2S、NH3、CH4、CO2等氣體外溢，導致土壤酸化與全球變暖，危害人類身體健康[25-27]。研究顯示，考慮垃圾收集、運輸、填埋、發(fā)電以及滲濾液處理等環(huán)節(jié)，處理1 t城市生活垃圾的全球變暖潛值高達242.56 kgCO2當量，酸化潛值達1.06 kgSO2當量[28]。為此，許多國家已經(jīng)開始停止垃圾填埋場的使用。

3）生物質(zhì)厭氧發(fā)酵技術(shù)

厭氧發(fā)酵屬于生物處理技術(shù)，又稱為生物質(zhì)甲烷化，是在無氧環(huán)境下，水分含量高的可降解有機物由微生物降解發(fā)酵產(chǎn)生沼氣的過程，一般分為水解、生成有機酸、轉(zhuǎn)化為甲烷氣三個步驟。去除二氧化碳、水和其他微量元素后的甲烷氣，升級為純甲烷，具有更高的發(fā)電效率。與熱解技術(shù)相比，厭氧發(fā)酵技術(shù)實施條件簡單，不需要高溫和高能注入，發(fā)同等電量減少約50%的二氧化碳排放[29-30]。但是對于干燥的低降解性廢棄物，厭氧發(fā)酵技術(shù)面臨消化速度慢、沼氣產(chǎn)量低、運營成本高等問題[31-36]。

2.2.3 生物質(zhì)液化處理技術(shù)

1）酯化法提取生物柴油

低含氧量、高熱值的生物柴油與生物乙醇，是目前使用最為普遍的優(yōu)質(zhì)液體燃料。生物柴油通常采用酯化法提取，即在230至250 ℃的環(huán)境下，從油料作物或藻類植物中提取甘油三酸酯和游離脂肪酸，并在催化劑的作用下與動物脂肪和甲醇發(fā)生酯化反應，生成低硫低氮的優(yōu)質(zhì)柴油。生物柴油具有高十六烷值、低黏度和生物可降解等優(yōu)點[37-38]，在生命周期中的二氧化碳排放僅為生產(chǎn)化石柴油的63.61%[39]。如果將其用于車輛運輸，可大幅減少溫室氣體和酸性氣體排放，是一種潔凈的車用柴油替代品[40]。

2）生化法提取生物乙醇

生物乙醇是運用生化法，將甘蔗、甜菜、高粱等糧食作物中的纖維素和半纖維素，經(jīng)過酸或酶的水解生成糖類有機物，再由細菌、真菌、酵母等微生物分解發(fā)酵制成。由于糧食作物的生長利用光合作用吸收了二氧化碳，生物乙醇因其生產(chǎn)的環(huán)保性與使用的安全性受到廣泛關(guān)注。研究顯示，以原料種植、燃料生產(chǎn)、運輸、燃燒為邊界，木薯乙醇在全生命周期的溫室氣體總排放量為167.1 g/MJ，但其中70.9 g/MJ的二氧化碳已在原料的種植階段被植物所吸收[41]。

2.2.4 生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)

廢棄物資源化處理生成的固體、氣體、液體燃料，通過化學或物理反應產(chǎn)生電能，以滿足消費者的電力需求。

1）生物質(zhì)直燃發(fā)電技術(shù)

生物質(zhì)直燃發(fā)電技術(shù)適用于水分含量低或沒有水分的干燥廢棄物。干燥處理后的廢棄物原料被投入至燃燒鍋爐，在500至1 000 ℃的高溫下發(fā)生氧化還原反應產(chǎn)生熱蒸汽，再通過朗肯循環(huán)驅(qū)動蒸汽輪機發(fā)電、供熱。直燃技術(shù)具備廢棄物高效管理潛力，燃燒使廢棄物量直接減少75%至90%[42-45]。此外，相比于其他生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)，直燃技術(shù)操作簡單，對勞動者技能要求低，有助于降低電廠運營成本[46]。但直燃發(fā)電效率僅為15%左右，燃燒排放的溫室氣體量是原廢棄物體積的1.64倍[47]。因此，選用低排放的生物質(zhì)固體成型燃料將是未來直燃技術(shù)的發(fā)展趨勢。

2）生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)

生物質(zhì)氣化發(fā)電是指利用廢棄物原料在氣化爐中發(fā)生氣化反應，產(chǎn)生含有氫氣的合成氣驅(qū)動燃氣輪機或燃氣內(nèi)燃機組做功發(fā)電。如果在原有燃氣發(fā)電設(shè)備的基礎(chǔ)上，利用煙氣燃燒余熱與高溫廢氣驅(qū)動蒸汽輪機發(fā)電，形成生物質(zhì)氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（Biomass Integrated Gasification Combined Cycle，BIGCC），系統(tǒng)整體效率將提高至40%以上[48]。相比于直燃發(fā)電，生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)靈活、環(huán)境友好，生產(chǎn)1 GJ電能少排放214 kg二氧化碳[49]，少產(chǎn)生65%的廢渣[50]。

2.3 生物質(zhì)發(fā)電并網(wǎng)多能互補系統(tǒng)

為彌補風、光發(fā)電欠缺穩(wěn)定性的不足，耦合風-光-生物質(zhì)-儲能的混合可再生能源發(fā)電系統(tǒng)利用生物質(zhì)原料的易獲得性，實時匹配不同類型消費者的動態(tài)負荷需求，保障電力系統(tǒng)安全運行。比如，在農(nóng)村地區(qū)使用混合生物質(zhì)-太陽能-儲能的微型電網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)了太陽能在弱光照條件下的穩(wěn)定供應，凈發(fā)電效率高達23.68%[51-54]。由風力渦輪機-光伏列陣-沼氣厭氧池-儲能裝置組成的混合可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，為英國和保加利亞的城市社區(qū)提供了穩(wěn)定電能，并同時降低了生活垃圾的處置成本[55]。

2.4 生物質(zhì)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)

分布式生物質(zhì)冷熱電聯(lián)供（Combined Cooling Heating and Power，CCHP）系統(tǒng)是將生物質(zhì)產(chǎn)生的電能，借助能量轉(zhuǎn)換樞紐生成低壓蒸汽或沸水，并通過電力網(wǎng)和隔熱管網(wǎng)輸送至居民住宅、辦公場所、工業(yè)園區(qū)進行分配，從而完成區(qū)域供熱、制冷、發(fā)電，實現(xiàn)綜合能源梯級利用。多余的熱能由補燃裝置回收，可循環(huán)再利用，提升系統(tǒng)整體效率，或出售至供熱網(wǎng)絡，獲得經(jīng)濟收益。目前，中國北方90%的地區(qū)采用燃煤集中供暖，如果改用生物質(zhì)CCHP系統(tǒng)供暖，將有效改善北方地區(qū)嚴重的霧霾環(huán)境，優(yōu)化生活垃圾管理，降低能耗成本支出。

3 廢棄物到能源的閉環(huán)供應鏈協(xié)同運作效應

廢棄物到能源的閉環(huán)供應鏈是涉及廢棄物收集、資源化處理、多能互補供應等多個環(huán)節(jié)獨立運行、整體關(guān)聯(lián)、動態(tài)匹配的復雜系統(tǒng)，如圖2所示。其耦合連接、閉環(huán)交互既實現(xiàn)了資源循環(huán)、多能互補、多網(wǎng)絡耦合的協(xié)同運作，又解決了廢棄物管理、綜合供能和環(huán)境治理等問題。

3.1 廢棄物管理效應

廢棄物管理效應涉及廢棄物收集與資源化處理環(huán)節(jié)。在廢棄物收集階段，廢棄物管理系統(tǒng)通過安置小規(guī)模、多點統(tǒng)一布局的回收站，形成社區(qū)、園區(qū)、城鄉(xiāng)協(xié)同一體化的收集網(wǎng)絡，提高資源回收效率。除了收集固體、液體廢棄物，冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)通過回收工業(yè)生產(chǎn)余熱，減少了二氧化碳排放，并為工業(yè)用戶節(jié)省了能源使用成本。研究表明，制冷工廠循環(huán)利用廢氣余熱將降低25%的制冷成本[56]。在資源化處理階段，生物處理技術(shù)與熱處理技術(shù)協(xié)同進行，有助于提高廢棄物利用效率。例如，對廢紙污泥同時進行厭氧發(fā)酵與氣化反應，能量轉(zhuǎn)化率高達85%以上，而單獨的氣化反應能量轉(zhuǎn)化率通常低于78%[57]。

3.2 綜合供能效應

綜合供能效應涉及多能互補與多網(wǎng)絡耦合環(huán)節(jié)。與單一能源發(fā)電系統(tǒng)相比，由氣象驅(qū)動的風能、太陽能、潮汐等可再生能源與生物質(zhì)能結(jié)合形成的混合可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，具有更高的可靠性、經(jīng)濟性與環(huán)保性[58-62]。而生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)良好的發(fā)電效率與減排性，也有助于實現(xiàn)肥料、化學用品的增值利用，提高電廠的多元產(chǎn)出與環(huán)境效益[63]。例如，在農(nóng)村養(yǎng)殖場，基于畜禽糞便資源的易獲得性，啟用由沼氣內(nèi)燃發(fā)電機組、電制冷機、沼氣鍋爐組成的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，可滿足養(yǎng)殖場全年穩(wěn)定的電負荷、夏天牛奶果蔬等食品存儲的冷負荷，以及冬天用戶供暖和沼氣恒溫發(fā)酵的熱負荷需求。

3.3 環(huán)境治理效應

廢棄物到能源閉環(huán)供應鏈的環(huán)境治理效果與廢棄物在城鄉(xiāng)社區(qū)的收集、預處理、運輸存儲模式以及燃料生產(chǎn)工藝直接相關(guān)。通過對預處理壓縮技術(shù)、原料運輸線路、資源化處理工藝的合理規(guī)劃，閉環(huán)供應鏈在改善應急性霧霾天氣與減少碳排放方面展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。將秸稈直燃發(fā)電閉環(huán)供應鏈與秸稈露天燃燒及燃煤發(fā)電供應鏈進行對比研究發(fā)現(xiàn)，秸稈就地露天燃燒的PM（Particulate Matter）排放指數(shù)為12.95 g/kg，而經(jīng)過閉環(huán)供應鏈各環(huán)節(jié)的協(xié)同處理后，秸稈直燃發(fā)電的PM排放指數(shù)下降為0.12 g/kg；相對于燃煤發(fā)電供應鏈高達1 010.1 g/kg的CO2排放指數(shù)，秸稈直燃發(fā)電閉環(huán)供應鏈整個生命周期的CO2排放指數(shù)僅為43.44 g/kg[64]。此外，生物質(zhì)燃料對化石燃料的替代，減少了溫室氣體排放，改善了空氣質(zhì)量與公共環(huán)境衛(wèi)生。氣化反應生成的氫氣在燃燒時，不排放二氧化碳和污染物，生成的水可循環(huán)再生氫氣。馬來西亞每年生產(chǎn)的生物柴油滿足了全國34%的電力需求，減少了1 900萬t二氧化碳排放[65]。

4 廢棄物到能源閉環(huán)供應鏈的可持續(xù)性評價指標體系構(gòu)建與不可持續(xù)風險識別

可持續(xù)發(fā)展是既能滿足當代人需要，又不對后代人滿足自身需要的能力構(gòu)成危害的發(fā)展模式。2015年，聯(lián)合國在《2030年可持續(xù)發(fā)展議程》中提出17個可持續(xù)發(fā)展目標（Sustainable Development Goals，SDGs）及169個子目標，旨在消除貧困、實現(xiàn)全民教育、改善健康、減少不平等現(xiàn)象、消除性別歧視，在緩解氣化變化的同時促進經(jīng)濟增長、保護生態(tài)環(huán)境[65]。定義和衡量現(xiàn)代生物質(zhì)能開發(fā)利用的可持續(xù)性，是判斷廢棄物到能源閉環(huán)供應鏈是否符合聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標的基礎(chǔ)。而構(gòu)建廢棄物到能源可持續(xù)性指標體系，開展循環(huán)供能風險決策，將有效規(guī)避不可持續(xù)性生產(chǎn)方式對經(jīng)濟、環(huán)境、社會造成的負面影響。

4.1 可持續(xù)發(fā)展目標下廢棄物到能源閉環(huán)供應鏈的具體貢獻

現(xiàn)代生物質(zhì)能對實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有積極作用，廢棄物到能源的閉環(huán)供應鏈與多個可持續(xù)發(fā)展目標直接相關(guān)。表1列舉了與閉環(huán)供應鏈相關(guān)的主要可持續(xù)發(fā)展目標。

從表1可以看出，廢棄物到能源閉環(huán)供應鏈的形成有助于實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標3、目標6、目標7、目標11、目標12。其中，廢棄物到能源的垃圾管理模式杜絕農(nóng)業(yè)廢棄物在露天燃燒，減少了溫室氣體與有害氣體排放，提高了空氣質(zhì)量，改善了公眾健康，有助于實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標3；循環(huán)供能大幅增加了全球廢棄物回收和再利用數(shù)量，提高了可再生能源在能源消費結(jié)構(gòu)中的比例，減少污染的同時改善水質(zhì)，為人類提供干凈的生活環(huán)境和優(yōu)質(zhì)的衛(wèi)生條件，同時實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標6與目標7.2；基于普遍性與免費性特點，畜禽糞便、秸稈、生活垃圾等廢棄物作為農(nóng)村地區(qū)或欠發(fā)達地區(qū)的可持續(xù)現(xiàn)代能源原料，為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標7.1提供了支撐；閉環(huán)供應鏈協(xié)同運作提升能源利用效率，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標7.3；生物質(zhì)能替代化石能源，極大降低了二氧化碳與污染氣體排放，突顯空氣治理優(yōu)勢，減少負面環(huán)境影響，為建設(shè)可持續(xù)城市和住宅社區(qū)、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標11奠定了基礎(chǔ)；回收并重復使用生活垃圾，減少糧食浪費，形成廢棄物無害管理模式，實現(xiàn)了能源的可持續(xù)供應和高效利用，契合可持續(xù)發(fā)展目標12所要求的可持續(xù)消費與生產(chǎn)。

4.2 廢棄物到能源閉環(huán)供應鏈的可持續(xù)性評價指標體系構(gòu)建

2005年，全球社會發(fā)展高峰論壇將經(jīng)濟、社會、環(huán)境確定為衡量可持續(xù)性的三大維度[66]。2015年，國際標準化組織（International Organization for Standardization，ISO）發(fā)布的《生物質(zhì)能可持續(xù)性標準》（ISO Sustainability Criteria for Bioenergy，ISO-SCB），提出了涵蓋原則-準則-指標三個層級的可持續(xù)性評價體系，為生物質(zhì)能的可持續(xù)性評估提供了參考框架[67]。值得注意的是，大部分準則、指標并非具備高度獨立性，而是存在交叉融合、相互作用。如果忽視準則、指標的兼容性與相關(guān)性，容易因評估結(jié)果欠準確，而向政策制定者傳遞錯誤信息?，F(xiàn)有研究主要基于指標的明確性、可測量性、獨立性、完整性和簡潔性原則構(gòu)建評價體系[68-72]，少有考慮維度與維度之間的交叉領(lǐng)域。為此，本文立足于ISO-SCB，設(shè)計完整涵蓋經(jīng)濟、社會、環(huán)境三大維度交叉融合的廢棄物到能源閉環(huán)供應鏈可持續(xù)性評價指標體系。詳情見表2。

表1 廢棄物到能源閉環(huán)供應鏈相關(guān)的可持續(xù)發(fā)展目標

表2 廢棄物到能源閉環(huán)供應鏈的可持續(xù)性評價指標體系

表2通過整合可持續(xù)性評價體系中的多維度融合指標，將環(huán)境與社會屬性的公共部分定義為社會環(huán)境維度，將環(huán)境與經(jīng)濟屬性的公共部分定義為環(huán)境經(jīng)濟維度，將社會與經(jīng)濟屬性的公共部分定義為社會經(jīng)濟維度。例如，健康程度提高是社會穩(wěn)定發(fā)展的前提，由人類生存環(huán)境直接決定，這既體現(xiàn)環(huán)境屬性又有社會屬性；社會就業(yè)增加為失業(yè)者提供了工作機會與經(jīng)濟收入，減少了社會不和諧因素，既有社會屬性又有經(jīng)濟屬性；能源消耗關(guān)系生物質(zhì)發(fā)電經(jīng)濟成本與環(huán)境外部成本，是判斷廢棄物到能源是否可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵準則，既體現(xiàn)了經(jīng)濟屬性又有環(huán)境屬性。

實現(xiàn)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，廢棄物到能源的關(guān)鍵指標是全生命周期的污染排放，包括閉環(huán)鏈內(nèi)的直接排放，以及單個節(jié)點產(chǎn)生的間接排放，涉及大氣、土壤、水資源等多個方面。而是否安裝環(huán)境污染控制設(shè)備，將是衡量廢棄物到能源能否實現(xiàn)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵指標。此外，生命周期中的能耗指標也是環(huán)境可持續(xù)發(fā)展評價體系的重要組成部分，包括電能、熱能以及化石燃料的消耗，涉及閉環(huán)供應鏈中的運輸、預處理、加工、生產(chǎn)等多個環(huán)節(jié)。

實現(xiàn)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展，要求廢棄物到能源具有持續(xù)盈利能力，保障生物質(zhì)電廠穩(wěn)定運營。其中，生產(chǎn)成本和運營收入是判斷是否盈利的主要指標。廢棄物資源零散、無序的存在形式，決定了生物質(zhì)電廠小規(guī)模經(jīng)營模式。分散化建廠所節(jié)省的資源收集成本與運輸成本，有助于提高產(chǎn)業(yè)發(fā)展的經(jīng)濟可行性。而政府補貼與相關(guān)扶持政策是小規(guī)模電廠實現(xiàn)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要保障[68]，包括政府實施的關(guān)稅補貼與技術(shù)扶持等政策。

能否實現(xiàn)廢棄物到能源在社會維度的可持續(xù)發(fā)展，主要取決于社會參與度與接受度[69]。行政立法是推動社會參與的強制措施。意識認知是衡量社會接受程度的統(tǒng)一標準。當居民普遍認為循環(huán)供能模式有助于減緩氣候變化、減少資源浪費時，社會對廢棄物到能源轉(zhuǎn)換技術(shù)的整體接受度將增加。而政策宣傳是增加意識認知，提高社會接受度的主要方式[70]。此外，生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及競爭力的提升，增加了企業(yè)對高層次人才的需求與渴望，通過職業(yè)化培訓提高了社會整體從業(yè)人員的綜合能力。

4.3 廢棄物到能源閉環(huán)供應鏈的不可持續(xù)風險識別

不可持續(xù)風險源自事物發(fā)展的不確定性。不確定性是客觀事物在聯(lián)系與發(fā)展過程中，展現(xiàn)的模糊、隨機與無序?qū)傩?。實現(xiàn)廢棄物到能源的可持續(xù)發(fā)展，需要規(guī)避閉環(huán)供應鏈內(nèi)生的運營不確定性與外源的環(huán)境不確定性。前者稱為內(nèi)生風險，主要發(fā)生在原料收集、中間產(chǎn)品運輸、能源生產(chǎn)及消費等環(huán)節(jié)；后者稱為外源風險，涉及閉環(huán)供應鏈所處的政治法律環(huán)境、經(jīng)濟環(huán)境、社會環(huán)境以及自然環(huán)境。閉環(huán)供應鏈的不可持續(xù)風險，見圖3。

內(nèi)生風險與企業(yè)運營有關(guān)，存在于廢棄物到能源閉環(huán)供應鏈中的各個環(huán)節(jié)。在資源回收階段，由市場供需決定的原料價格是影響生物質(zhì)電廠收集成本，產(chǎn)生經(jīng)濟不可持續(xù)的主要風險源。原料收集后的預處理效果與設(shè)備的運行效率、工人技能的熟練程度有關(guān)，加工能力的不足與生產(chǎn)工藝的落后直接影響閉環(huán)供應鏈的環(huán)境可持續(xù)性。運輸環(huán)節(jié)的不確定性主要源于運輸途中的突發(fā)狀況難以精準把控，預案不足導致的時間與成本增加，阻礙生物質(zhì)電廠正常運營。在電力生產(chǎn)環(huán)節(jié)，廢棄物原料質(zhì)量決定能源利用效率與生產(chǎn)率，不同的生產(chǎn)要素組合與不同的資源化處理技術(shù)影響電廠利潤的最大化實現(xiàn)。消費環(huán)節(jié)的不確定性來自線路故障與安全隱患等社會風險源。

廢棄物到能源的閉環(huán)供應鏈難以擺脫社會環(huán)境與自然環(huán)境的共同影響。政策與規(guī)劃對生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要，但經(jīng)濟形勢的不可控性、政策制定的滯后性與實施效果的不確定性，往往造成資源的浪費與錯配，阻礙廢棄物到能源技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。當前，廢棄物循環(huán)利用理念尚未得到全民普及，居民的廢棄物管理意識與環(huán)保認知較為薄弱，廢棄物收集與分類充斥著隨意性與無序性，在一定程度上增加了垃圾回收難度，提高了閉環(huán)供應鏈不可持續(xù)發(fā)展風險。自然災害與突發(fā)事件的不可預見性也易擾亂生物質(zhì)行業(yè)發(fā)展的可持續(xù)性。如極端天氣影響農(nóng)林作物的種植收成，地震、臺風、洪澇等自然災害妨礙原料運輸?shù)捻樌桓?，新冠肺炎疫情導致企業(yè)停工停產(chǎn)等。

5 結(jié)論與展望

廢棄物到能源的循環(huán)利用涉及廢棄物回收、資源化處理、燃料生產(chǎn)、生物質(zhì)能與其他可再生能源、化石能源之間的依存關(guān)聯(lián)，以及電力網(wǎng)、氣熱網(wǎng)等多網(wǎng)絡之間的復雜耦合，為可再生能源的高效開發(fā)與利用帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。本文立足于循環(huán)供能與可持續(xù)發(fā)展兩大維度，圍繞廢棄物回收、資源化處理、多能互補供應、多網(wǎng)絡耦合的完整鏈條，針對可持續(xù)性評價指標體系構(gòu)建與不可持續(xù)風險識別等關(guān)鍵點，開展關(guān)于廢棄物到能源閉環(huán)供應鏈的可持續(xù)性綜述研究。

根據(jù)對現(xiàn)有文獻的回顧與整理發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)原料收集和單一資源化處理工藝研究成果豐富。圍繞廢棄物到能源的循環(huán)利用模式則剛剛興起，主要集中在生物質(zhì)發(fā)電或生物質(zhì)燃料生產(chǎn)階段。相關(guān)研究尚不成熟，缺乏關(guān)于可持續(xù)性的不確定風險評估。因此，突破現(xiàn)有文獻將廢棄物管理、資源處理等環(huán)節(jié)獨立研究的局限，遵循正向和逆向供應鏈上的閉環(huán)特性、技術(shù)約束和經(jīng)濟屬性，克服現(xiàn)有可持續(xù)性評估較少考慮不確定性因素的影響，識別循環(huán)供能技術(shù)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵工藝、重點路徑和利用模式，形成廢棄物循環(huán)利用的協(xié)同管理決策范式與規(guī)避閉環(huán)供應鏈不可持續(xù)發(fā)展風險的決策方法，是下一階段研究的重要方向。

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Waste to energy closed-loop supply chain: Recycling energy supply, collaborative operation and sustainability

Liu Chengyu1, Yang Hongming2※

(1.,,410114,; 2.,,410114,)

A representative sustainable collaborative economy refers to the innovative and rational use of natural resources. Nowadays, tons of wastes are generally dumping in modern agriculture and economic lifestyles every year. More than 6 million tons of wastes can be generated every day until 2025. However, waste management is still lacking in most developing countries, together with low energy efficiency, resource wasting, and serious environmental pollution. Therefore, it is of great practical significance to seek a scientific way for waste recovery, treatment and utilization, thereby replacing fossil fuels, while protecting the ecological environment for the sustainable energy development of human society, especially in rural areas. Lately, the initiated waste-to-energy supply chain was widely expected as an efficient way to reduce carbon footprint for high efficiency of resource management. An integrated closed-loop supply chain was thus formed to couple the independent operation links, including the collection, processing, transportation, biomass power generation, heating and biomass fuel, as well as multi-energy complementary. Therefore, the resource assessment is primarily critical to realize the recycling, stable sustainability, and utilization of waste resources in the development of waste to energy. This study focused on the coordinated operation between the recycling energy supply and sustainable development using the whole chain of waste recycling, resource treatment, and multi-energy complementary supply. A systematic analysis was made to integrate energy supply and environmental synergies for the development of renewable energy in the management of waste to energy. Furthermore, the coupling connection and closed-loop interaction were also utilized to realize the collaborative operation of resource circulation, multi-energy complementary, and networks. More importantly, modern biomass energy was playing a positive role in achieving sustainable economy. The closed-loop supply chain from waste to energy cycle was also directly related to multiple sustainable development goals. The cross-compatibility indicators were integrated to guide the major demand for the coordinated development of global energy, economy, environment, and society under the framework of sustainable development goals of the United Nations. A sustainability evaluation index system was established to identify unsustainable risks, ranging from endogenous and exogenous risks in multiple dimensions. A social environment dimension was defined as the public part of the environment and social attributes, while an environmental economy dimension was defined as the public part of the environment and economic attributes, and a social economy dimension was the public part of social and economic attributes. Among them, the endogenous risk mainly occurred in the raw material collection, intermediate product transportation, energy production, and consumption, whereas, the external risk involved the political, legal, economic, social, and natural environment in the closed-loop supply chain. Additionally, the collection of biomass raw materials and single-resource processing were abundant in the research reports in recent years. Nevertheless, the uncertain risk assessment on sustainability is still lacking. Consequently, a promising direction can be drawn to form the decision-making paradigm of collaborative management from waste to energy recycling, thereby avoiding the unsustainable risks from the closed-loop supply chain in the future. The finding can offer strong support to waste management, comprehensive energy supply, and environmental governance in the sustainable collaborative economy.

wastes; management; sustainable development; circular economy; closed loop supply chain; unsustainable risk

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.10.022

TM615

A

1002-6819(2021)-10-0182-10

劉城宇，楊洪明. 廢棄物到能源的閉環(huán)供應鏈：循環(huán)供能、協(xié)同運作與可持續(xù)性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2021，37(10)：182-191.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.10.022 http://www.tcsae.org

Liu Chengyu, Yang Hongming. Waste to energy closed-loop supply chain: Recycling energy supply, collaborative operation and sustainability[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(10): 182-191. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.10.022 http://www.tcsae.org

2021-12-21

2021-04-18

國家自然科學基金項目（71931003；7201101176）；湖南省和長沙市科技項目（2018GK4002；2019CT5001；2019WK2011；2019GK5015；kq1907086）；湖南省研究生科研創(chuàng)新項目（CX2018B525）

劉城宇，博士生，研究方向為能源政策、生態(tài)經(jīng)濟、可持續(xù)發(fā)展。Email：173943100@qq.com

楊洪明，博士，教授，博士生導師，研究方向為電力市場。Email：yhm5218@163.com