廢棄物到能源的閉環供應鏈：循環供能、協同運作與可持續性

劉城宇，楊洪明

廢棄物到能源的閉環供應鏈：循環供能、協同運作與可持續性

劉城宇1，楊洪明2※

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

現代經濟生活方式每年產生大量的廢棄物，通過耦合收集、加工、運輸、發電、供熱等獨立運行環節，形成整體關聯的閉環供應鏈，實現廢棄物到能源的循環利用和可持續發展。該文立足于循環供能與可持續發展兩大維度，圍繞廢棄物回收、資源化處理、多能互補供應、多網絡耦合的完整鏈條，系統分析廢棄物到能源閉環供應鏈的廢棄物管理、多能源供應、環境治理協同效應?；诼摵蠂沙掷m發展目標框架，以全球能源、經濟、環境和社會協調發展的重大需求為牽引，整合廢棄物到能源閉環供應鏈的交叉兼容指標，構建涵蓋復合維度的可持續性評價指標體系，并從內生風險與外源風險視角，識別刻畫不可持續風險。

廢棄物；管理；可持續發展；循環經濟；閉環供應鏈；不可持續風險

0 引 言

現代經濟生活方式每年產生大量的廢棄物，如秸稈、畜禽糞便、林業剩余廢棄物、城市固體廢棄物等。據世界能源理事會估計，到2025年，全球每天產生的廢棄物將超過600萬t。而通過廢棄物資源化處理，萃取得到的固體、液體或氣體生物質燃料，是為社會生產活動供熱、發電的主要可再生能源。數據顯示，全球生物質燃料生產潛力高達2 200億t[1]。2018年，生物質能發電量為523 T·Wh，占全球可再生能源發電總量的8%。同年，中國生物質發電裝機容量1 784萬kW，規模全球第一。其中，農林生物質發電裝機容量806.3萬kW，處理秸稈、畜禽糞便、林業剩余廢棄物等5 400萬t；城市固體廢棄物發電裝機容量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%；沼氣發電裝機規模61.6萬kW。

然而，大多數發展中國家目前的廢棄物管理方式，不僅能效低、資源浪費，而且環境污染嚴重。90%未經處理的廢棄物被棄置在露天垃圾場或填埋場[2]，如果采用傳統方法直接燃燒，將產生細小的煙塵顆粒與一氧化碳，危害公共環境安全[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、保護生態環境、實現人類社會尤其是農村地區的可持續能源發展，具有重要的現實意義。而學術界和工業界著手開展的廢棄物轉化能源（Waste to Energy，WtE）供應鏈技術，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為核心，由一次能源利用、能源生產、多網絡輸送、用戶使用、廢棄物回收再利用組成的能源供應功能網絡。其中，一次能源包括生物質、風、光、水等可再生能源和煤炭、石油等化石能源；能源生產、多網絡輸送和用戶使用涉及生物質燃料、發電、供熱和制冷，并經過電力網絡和氣熱管網，輸送至各行各業的用戶使用，從而形成正向供應鏈；廢棄物回收再利用是指各類用戶產生的生活垃圾、農業秸稈、畜禽糞便等廢棄物，經過交通網絡回收、加工并通過資源化處理再利用，形成逆向供應鏈。整個網絡通過耦合連接能源生產-消費-廢棄物產生的正向供應鏈與廢棄物回收-處理-能源生產的逆向供應鏈，形成一條閉環交互的廢棄物到能源循環利用完整鏈條，實現傳統單向的能量流動模式向能量高效利用的循環流動模式轉變[8]，有助于同時解決廢棄物管理，能源需求和環境保護三大問題，實現經濟、社會、環境的可持續發展[9]。

為此，本文引入閉環供應鏈思想，以資源最大化利用為出發點，以低碳可持續發展為目標，系統開展廢棄物到能源的閉環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應用范疇。

1 生物質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能的原料，包括秸稈、畜禽糞便、林業剩余廢棄物、城市固體廢棄物等資源。生物質原料經過一系列固化、氣化、液化處理，形成生物質燃料或直接發電，是廢棄物資源高效利用的重要途徑。而資源評估既是穩定開發、利用廢棄物資源的首要條件，也是發展可再生能源的基礎。

1.1 農業秸稈的資源分析及評估

農作物秸稈富含氮、磷、鉀、鈣、鎂，以及木質素與纖維素等有機物，是具有多種用途的可再生生物質資源。2015年，中國農作物秸稈產量已超過10.4億t，是世界第一大秸稈生產國。泰國每年產生秸稈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原料。經過預處理、纖維素酶水解、微生物發酵、蒸餾等工序，沼氣可制得燃料乙醇。中國畜禽糞便的年產量高達3.1億t?！耙粠б宦贰毖鼐€國家的畜禽糞便資源豐富。印度平均每天產生動物糞便56.8萬t，發電潛力高達834.6 G·Wh/d[12]。馬來西亞的動物糞便每年產生近46億m3沼氣，可提供8.27 T·Wh電量[13]。

1.3 林業剩余廢棄物的資源分析及評估

林業木材富含豐富的木質纖維素，為生物質燃料生產提供了穩定的原料來源。中國每年產生的林業剩余廢棄物超過1億t[14]。歐盟國家的林業剩余廢棄物年產量接近7 500萬t[15]。葡萄牙每年利用林業廢棄物的發電規模達250 MW[16]。智利每年生產450萬t林業殘渣，可發電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、商業、建筑業及市政環衛清理收集的垃圾，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，可通過厭氧發酵和垃圾填埋生成沼氣。全球每年產生13億t城市固體廢棄物[18]。其中，中國生活垃圾焚燒發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的沼氣發電潛力[20]。伊朗以城市固體廢物為原料，每年產生的電能超過5 000 G·Wh[21]。

2 廢棄物到能源閉環供應鏈的循環供能模式研究

廢棄物到能源的閉環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。而廢棄物到生物質能的逆向供應鏈是閉環供應鏈的關鍵環節，其循環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，生物質電廠通過分散建立小規?；厥站W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、封閉的環境內。

2.2 廢棄物資源化處理技術

廢棄物資源化處理技術包括固化、氣化、液化等處理工藝，以及生物質發電技術。

2.2.1 生物質固化處理技術

現階段成熟的生物質固化處理技術是常溫固化成型技術，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電比直接燃燒少排放二氧化碳3.04 t。與熱成型技術相比，常溫成型技術省去了烘干、加熱、降溫等環節，能耗降低50%，設備占地減少70%，生產成本降低60%。

2.2.2 生物質氣化處理技術

當前市場上普遍采用的生物質氣化處理技術包括高溫熱解氣化、垃圾填埋與厭氧發酵。

1）生物質熱解氣化技術

生物質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、回轉窯、流化床或管式反應器中，經過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，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]。生物質熱解技術的優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，降低了生產工藝成本。此外，生物質熱解制氫工藝的減排優勢明顯，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）生物質垃圾填埋技術

垃圾填埋與厭氧發酵技術是處理高含水率廢棄物最常用的非熱工藝方法。其中，垃圾填埋技術適用于難降解的有機廢棄物。傳統的垃圾填埋是將城市固體廢棄物倒入填埋場掩埋，經過數年的化學、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、發電以及滲濾液處理等環節，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，許多國家已經開始停止垃圾填埋場的使用。

3）生物質厭氧發酵技術

厭氧發酵屬于生物處理技術，又稱為生物質甲烷化，是在無氧環境下，水分含量高的可降解有機物由微生物降解發酵產生沼氣的過程，一般分為水解、生成有機酸、轉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，具有更高的發電效率。與熱解技術相比，厭氧發酵技術實施條件簡單，不需要高溫和高能注入，發同等電量減少約50%的二氧化碳排放[29-30]。但是對于干燥的低降解性廢棄物，厭氧發酵技術面臨消化速度慢、沼氣產量低、運營成本高等問題[31-36]。

2.2.3 生物質液化處理技術

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質液體燃料。生物柴油通常采用酯化法提取，即在230至250 ℃的環境下，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生酯化反應，生成低硫低氮的優質柴油。生物柴油具有高十六烷值、低黏度和生物可降解等優點[37-38]，在生命周期中的二氧化碳排放僅為生產化石柴油的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，生物乙醇因其生產的環保性與使用的安全性受到廣泛關注。研究顯示，以原料種植、燃料生產、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 生物質發電技術

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生電能，以滿足消費者的電力需求。

1）生物質直燃發電技術

生物質直燃發電技術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 ℃的高溫下發生氧化還原反應產生熱蒸汽，再通過朗肯循環驅動蒸汽輪機發電、供熱。直燃技術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，相比于其他生物質發電技術，直燃技術操作簡單，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固體成型燃料將是未來直燃技術的發展趨勢。

2）生物質氣化發電技術

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

2.3 生物質發電并網多能互補系統

為彌補風、光發電欠缺穩定性的不足，耦合風-光-生物質-儲能的混合可再生能源發電系統利用生物質原料的易獲得性，實時匹配不同類型消費者的動態負荷需求，保障電力系統安全運行。比如，在農村地區使用混合生物質-太陽能-儲能的微型電網系統，實現了太陽能在弱光照條件下的穩定供應，凈發電效率高達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電系統，為英國和保加利亞的城市社區提供了穩定電能，并同時降低了生活垃圾的處置成本[55]。

2.4 生物質冷熱電聯供系統

分布式生物質冷熱電聯供（Combined Cooling Heating and Power，CCHP）系統是將生物質產生的電能，借助能量轉換樞紐生成低壓蒸汽或沸水，并通過電力網和隔熱管網輸送至居民住宅、辦公場所、工業園區進行分配，從而完成區域供熱、制冷、發電，實現綜合能源梯級利用。多余的熱能由補燃裝置回收，可循環再利用，提升系統整體效率，或出售至供熱網絡，獲得經濟收益。目前，中國北方90%的地區采用燃煤集中供暖，如果改用生物質CCHP系統供暖，將有效改善北方地區嚴重的霧霾環境，優化生活垃圾管理，降低能耗成本支出。

3 廢棄物到能源的閉環供應鏈協同運作效應

廢棄物到能源的閉環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節獨立運行、整體關聯、動態匹配的復雜系統，如圖2所示。其耦合連接、閉環交互既實現了資源循環、多能互補、多網絡耦合的協同運作，又解決了廢棄物管理、綜合供能和環境治理等問題。

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節。在廢棄物收集階段，廢棄物管理系統通過安置小規模、多點統一布局的回收站，形成社區、園區、城鄉協同一體化的收集網絡，提高資源回收效率。除了收集固體、液體廢棄物，冷熱電聯供系統通過回收工業生產余熱，減少了二氧化碳排放，并為工業用戶節省了能源使用成本。研究表明，制冷工廠循環利用廢氣余熱將降低25%的制冷成本[56]。在資源化處理階段，生物處理技術與熱處理技術協同進行，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酵與氣化反應，能量轉化率高達85%以上，而單獨的氣化反應能量轉化率通常低于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絡耦合環節。與單一能源發電系統相比，由氣象驅動的風能、太陽能、潮汐等可再生能源與生物質能結合形成的混合可再生能源發電系統，具有更高的可靠性、經濟性與環保性[58-62]。而生物質熱電聯產良好的發電效率與減排性，也有助于實現肥料、化學用品的增值利用，提高電廠的多元產出與環境效益[63]。例如，在農村養殖場，基于畜禽糞便資源的易獲得性，啟用由沼氣內燃發電機組、電制冷機、沼氣鍋爐組成的冷熱電聯供系統，可滿足養殖場全年穩定的電負荷、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酵的熱負荷需求。

3.3 環境治理效應

廢棄物到能源閉環供應鏈的環境治理效果與廢棄物在城鄉社區的收集、預處理、運輸存儲模式以及燃料生產工藝直接相關。通過對預處理壓縮技術、原料運輸線路、資源化處理工藝的合理規劃，閉環供應鏈在改善應急性霧霾天氣與減少碳排放方面展現出明顯優勢。將秸稈直燃發電閉環供應鏈與秸稈露天燃燒及燃煤發電供應鏈進行對比研究發現，秸稈就地露天燃燒的PM（Particulate Matter）排放指數為12.95 g/kg，而經過閉環供應鏈各環節的協同處理后，秸稈直燃發電的PM排放指數下降為0.12 g/kg；相對于燃煤發電供應鏈高達1 010.1 g/kg的CO2排放指數，秸稈直燃發電閉環供應鏈整個生命周期的CO2排放指數僅為43.44 g/kg[64]。此外，生物質燃料對化石燃料的替代，減少了溫室氣體排放，改善了空氣質量與公共環境衛生。氣化反應生成的氫氣在燃燒時，不排放二氧化碳和污染物，生成的水可循環再生氫氣。馬來西亞每年生產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 廢棄物到能源閉環供應鏈的可持續性評價指標體系構建與不可持續風險識別

可持續發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成危害的發展模式。2015年，聯合國在《2030年可持續發展議程》中提出17個可持續發展目標（Sustainable Development Goals，SDGs）及169個子目標，旨在消除貧困、實現全民教育、改善健康、減少不平等現象、消除性別歧視，在緩解氣化變化的同時促進經濟增長、保護生態環境[65]。定義和衡量現代生物質能開發利用的可持續性，是判斷廢棄物到能源閉環供應鏈是否符合聯合國可持續發展目標的基礎。而構建廢棄物到能源可持續性指標體系，開展循環供能風險決策，將有效規避不可持續性生產方式對經濟、環境、社會造成的負面影響。

4.1 可持續發展目標下廢棄物到能源閉環供應鏈的具體貢獻

現代生物質能對實現可持續發展具有積極作用，廢棄物到能源的閉環供應鏈與多個可持續發展目標直接相關。表1列舉了與閉環供應鏈相關的主要可持續發展目標。

從表1可以看出，廢棄物到能源閉環供應鏈的形成有助于實現可持續發展目標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業廢棄物在露天燃燒，減少了溫室氣體與有害氣體排放，提高了空氣質量，改善了公眾健康，有助于實現可持續發展目標3；循環供能大幅增加了全球廢棄物回收和再利用數量，提高了可再生能源在能源消費結構中的比例，減少污染的同時改善水質，為人類提供干凈的生活環境和優質的衛生條件，同時實現可持續發展目標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村地區或欠發達地區的可持續現代能源原料，為實現可持續發展目標7.1提供了支撐；閉環供應鏈協同運作提升能源利用效率，實現可持續發展目標7.3；生物質能替代化石能源，極大降低了二氧化碳與污染氣體排放，突顯空氣治理優勢，減少負面環境影響，為建設可持續城市和住宅社區、實現可持續發展目標11奠定了基礎；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，實現了能源的可持續供應和高效利用，契合可持續發展目標12所要求的可持續消費與生產。

4.2 廢棄物到能源閉環供應鏈的可持續性評價指標體系構建

2005年，全球社會發展高峰論壇將經濟、社會、環境確定為衡量可持續性的三大維度[66]。2015年，國際標準化組織（International Organization for Standardization，ISO）發布的《生物質能可持續性標準》（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性評價體系，為生物質能的可持續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性，容易因評估結果欠準確，而向政策制定者傳遞錯誤信息?，F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建評價體系[68-72]，少有考慮維度與維度之間的交叉領域。為此，本文立足于ISO-SCB，設計完整涵蓋經濟、社會、環境三大維度交叉融合的廢棄物到能源閉環供應鏈可持續性評價指標體系。詳情見表2。

表1 廢棄物到能源閉環供應鏈相關的可持續發展目標

表2 廢棄物到能源閉環供應鏈的可持續性評價指標體系

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

實現環境可持續發展，廢棄物到能源的關鍵指標是全生命周期的污染排放，包括閉環鏈內的直接排放，以及單個節點產生的間接排放，涉及大氣、土壤、水資源等多個方面。而是否安裝環境污染控制設備，將是衡量廢棄物到能源能否實現環境可持續發展的關鍵指標。此外，生命周期中的能耗指標也是環境可持續發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，涉及閉環供應鏈中的運輸、預處理、加工、生產等多個環節。

實現經濟可持續發展，要求廢棄物到能源具有持續盈利能力，保障生物質電廠穩定運營。其中，生產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，決定了生物質電廠小規模經營模式。分散化建廠所節省的資源收集成本與運輸成本，有助于提高產業發展的經濟可行性。而政府補貼與相關扶持政策是小規模電廠實現經濟可持續發展的重要保障[68]，包括政府實施的關稅補貼與技術扶持等政策。

能否實現廢棄物到能源在社會維度的可持續發展，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一標準。當居民普遍認為循環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換技術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，生物質產業的發展以及競爭力的提升，增加了企業對高層次人才的需求與渴望，通過職業化培訓提高了社會整體從業人員的綜合能力。

4.3 廢棄物到能源閉環供應鏈的不可持續風險識別

不可持續風險源自事物發展的不確定性。不確定性是客觀事物在聯系與發展過程中，展現的模糊、隨機與無序屬性。實現廢棄物到能源的可持續發展，需要規避閉環供應鏈內生的運營不確定性與外源的環境不確定性。前者稱為內生風險，主要發生在原料收集、中間產品運輸、能源生產及消費等環節；后者稱為外源風險，涉及閉環供應鏈所處的政治法律環境、經濟環境、社會環境以及自然環境。閉環供應鏈的不可持續風險，見圖3。

內生風險與企業運營有關，存在于廢棄物到能源閉環供應鏈中的各個環節。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電廠收集成本，產生經濟不可持續的主要風險源。原料收集后的預處理效果與設備的運行效率、工人技能的熟練程度有關，加工能力的不足與生產工藝的落后直接影響閉環供應鏈的環境可持續性。運輸環節的不確定性主要源于運輸途中的突發狀況難以精準把控，預案不足導致的時間與成本增加，阻礙生物質電廠正常運營。在電力生產環節，廢棄物原料質量決定能源利用效率與生產率，不同的生產要素組合與不同的資源化處理技術影響電廠利潤的最大化實現。消費環節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供應鏈難以擺脫社會環境與自然環境的共同影響。政策與規劃對生物質發電產業的發展至關重要，但經濟形勢的不可控性、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的可持續發展。當前，廢棄物循環利用理念尚未得到全民普及，居民的廢棄物管理意識與環保認知較為薄弱，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，提高了閉環供應鏈不可持續發展風險。自然災害與突發事件的不可預見性也易擾亂生物質行業發展的可持續性。如極端天氣影響農林作物的種植收成，地震、臺風、洪澇等自然災害妨礙原料運輸的順利交付，新冠肺炎疫情導致企業停工停產等。

5 結論與展望

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

根據對現有文獻的回顧與整理發現，生物質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利用模式則剛剛興起，主要集中在生物質發電或生物質燃料生產階段。相關研究尚不成熟，缺乏關于可持續性的不確定風險評估。因此，突破現有文獻將廢棄物管理、資源處理等環節獨立研究的局限，遵循正向和逆向供應鏈上的閉環特性、技術約束和經濟屬性，克服現有可持續性評估較少考慮不確定性因素的影響，識別循環供能技術可持續發展的關鍵工藝、重點路徑和利用模式，形成廢棄物循環利用的協同管理決策范式與規避閉環供應鏈不可持續發展風險的決策方法，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供應鏈：循環供能、協同運作與可持續性[J]. 農業工程學報，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新項目（CX2018B525）

劉城宇，博士生，研究方向為能源政策、生態經濟、可持續發展。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