废弃物到能源的闭环供应链：循环供能、协同运作与可持续性

刘城宇，杨洪明

废弃物到能源的闭环供应链：循环供能、协同运作与可持续性

刘城宇1，杨洪明2※

（1. 长沙理工大学经济与管理学院，长沙 410114；2. 长沙理工大学电气与信息工程学院，长沙 410114）

现代经济生活方式每年产生大量的废弃物，通过耦合收集、加工、运输、发电、供热等独立运行环节，形成整体关联的闭环供应链，实现废弃物到能源的循环利用和可持续发展。该文立足于循环供能与可持续发展两大维度，围绕废弃物回收、资源化处理、多能互补供应、多网络耦合的完整链条，系统分析废弃物到能源闭环供应链的废弃物管理、多能源供应、环境治理协同效应。基于联合国可持续发展目标框架，以全球能源、经济、环境和社会协调发展的重大需求为牵引，整合废弃物到能源闭环供应链的交叉兼容指标，构建涵盖复合维度的可持续性评价指标体系，并从内生风险与外源风险视角，识别刻画不可持续风险。

废弃物；管理；可持续发展；循环经济；闭环供应链；不可持续风险

0 引 言

现代经济生活方式每年产生大量的废弃物，如秸秆、畜禽粪便、林业剩余废弃物、城市固体废弃物等。据世界能源理事会估计，到2025年，全球每天产生的废弃物将超过600万t。而通过废弃物资源化处理，萃取得到的固体、液体或气体生物质燃料，是为社会生产活动供热、发电的主要可再生能源。数据显示，全球生物质燃料生产潜力高达2 200亿t[1]。2018年，生物质能发电量为523 T·Wh，占全球可再生能源发电总量的8%。同年，中国生物质发电装机容量1 784万kW，规模全球第一。其中，农林生物质发电装机容量806.3万kW，处理秸秆、畜禽粪便、林业剩余废弃物等5 400万t；城市固体废弃物发电装机容量916.4万kW，处理生活垃圾1.3亿t，占全国垃圾清运量的37.9%；沼气发电装机规模61.6万kW。

然而，大多数发展中国家目前的废弃物管理方式，不仅能效低、资源浪费，而且环境污染严重。90%未经处理的废弃物被弃置在露天垃圾场或填埋场[2]，如果采用传统方法直接燃烧，将产生细小的烟尘颗粒与一氧化碳，危害公共环境安全[3-5]。世界上大约90%的废水直接排放到海洋、河流和湖泊，导致每年约有600万至800万人死于污水传染疾病[6]。因此，寻求废弃物回收、处理、利用的科学途径，对替代化石燃料、保护生态环境、实现人类社会尤其是农村地区的可持续能源发展，具有重要的现实意义。而学术界和工业界着手开展的废弃物转化能源（Waste to Energy，WtE）供应链技术，已被认为是减少碳足迹和提高资源管理效率的高效方法[7]。

废弃物到能源是以生物质为核心，由一次能源利用、能源生产、多网络输送、用户使用、废弃物回收再利用组成的能源供应功能网络。其中，一次能源包括生物质、风、光、水等可再生能源和煤炭、石油等化石能源；能源生产、多网络输送和用户使用涉及生物质燃料、发电、供热和制冷，并经过电力网络和气热管网，输送至各行各业的用户使用，从而形成正向供应链；废弃物回收再利用是指各类用户产生的生活垃圾、农业秸秆、畜禽粪便等废弃物，经过交通网络回收、加工并通过资源化处理再利用，形成逆向供应链。整个网络通过耦合连接能源生产-消费-废弃物产生的正向供应链与废弃物回收-处理-能源生产的逆向供应链，形成一条闭环交互的废弃物到能源循环利用完整链条，实现传统单向的能量流动模式向能量高效利用的循环流动模式转变[8]，有助于同时解决废弃物管理，能源需求和环境保护三大问题，实现经济、社会、环境的可持续发展[9]。

为此，本文引入闭环供应链思想，以资源最大化利用为出发点，以低碳可持续发展为目标，系统开展废弃物到能源的闭环供应链组织运作模式研究，以期拓展废弃物资源效率管理方法与绿色能源可持续应用范畴。

1 生物质废弃物资源分析及评估

具有易获得性与可用性的废弃物均可作为生物质能的原料，包括秸秆、畜禽粪便、林业剩余废弃物、城市固体废弃物等资源。生物质原料经过一系列固化、气化、液化处理，形成生物质燃料或直接发电，是废弃物资源高效利用的重要途径。而资源评估既是稳定开发、利用废弃物资源的首要条件，也是发展可再生能源的基础。

1.1 农业秸秆的资源分析及评估

农作物秸秆富含氮、磷、钾、钙、镁，以及木质素与纤维素等有机物，是具有多种用途的可再生生物质资源。2015年，中国农作物秸秆产量已超过10.4亿t，是世界第一大秸秆生产国。泰国每年产生秸秆1 040万t，通过提炼加工生成11.4亿至31.2亿L的乙醇或8亿至12亿L的柴油，替代泰国交通运输行业中25%至69%的汽油消费或6%至15%的柴油消费[10]。2018年，巴基斯坦利用4 000万t秸秆残渣发电1 100万kW[11]。

1.2 畜禽粪便的资源分析及评估

畜禽粪便是沼气与天然气的主要生产原料。经过预处理、纤维素酶水解、微生物发酵、蒸馏等工序，沼气可制得燃料乙醇。中国畜禽粪便的年产量高达3.1亿t。“一带一路”沿线国家的畜禽粪便资源丰富。印度平均每天产生动物粪便56.8万t，发电潜力高达834.6 G·Wh/d[12]。马来西亚的动物粪便每年产生近46亿m3沼气，可提供8.27 T·Wh电量[13]。

1.3 林业剩余废弃物的资源分析及评估

林业木材富含丰富的木质纤维素，为生物质燃料生产提供了稳定的原料来源。中国每年产生的林业剩余废弃物超过1亿t[14]。欧盟国家的林业剩余废弃物年产量接近7 500万t[15]。葡萄牙每年利用林业废弃物的发电规模达250 MW[16]。智利每年生产450万t林业残渣，可发电14.5亿k·Wh，替代全国25%的煤炭需求[17]。

1.4 城市固体废弃物资源成分分析及评估

城市固体废弃物主要来自家庭、工业、商业、建筑业及市政环卫清理收集的垃圾，包含餐厨、塑料、纸屑、果皮、木屑和杂草等，具有高能量、低热值、易分解的特点。干燥的垃圾适用于焚烧、气化和热降解等热处理工艺，而潮湿的垃圾易滋生细菌与病原体，可通过厌氧发酵和垃圾填埋生成沼气。全球每年产生13亿t城市固体废弃物[18]。其中，中国生活垃圾焚烧发电的市场价值已超过50亿美元[19]。印度每年浪费食物高达3 500万t，具有近30T·Wh的沼气发电潜力[20]。伊朗以城市固体废物为原料，每年产生的电能超过5 000 G·Wh[21]。

2 废弃物到能源闭环供应链的循环供能模式研究

废弃物到能源的闭环供应链是通过一次能源的正向利用与废弃物剩余价值的逆向回收再利用，实现废弃物的最小排放与单位资源的最大可用。而废弃物到生物质能的逆向供应链是闭环供应链的关键环节，其循环供能路径示意图如图1所示。

2.1 废弃物资源的回收、预处理与存储

针对分布零散的废弃物，生物质电厂通过分散建立小规模回收网点，多点收集临近资源。城市固体废弃物的回收一般采用源头分离。比如，中国利用垃圾桶分类回收湿垃圾、干垃圾、有害垃圾与可回收物。韩国通过基础废弃物回收袋将可燃、可回收废弃物与不可回收的垃圾残渣分离[22]。收集到的废弃物在存储前，需先经切片机切碎与碾压机压缩，并借助干燥剂将水分控制在30%以下，再存放至干燥、封闭的环境内。

2.2 废弃物资源化处理技术

废弃物资源化处理技术包括固化、气化、液化等处理工艺，以及生物质发电技术。

2.2.1 生物质固化处理技术

现阶段成熟的生物质固化处理技术是常温固化成型技术，即将秸秆、杂草、灌木枝条乃至果壳、果皮等废弃物在常温下经过颗粒机粉碎与压块机压缩，生成热值高达12 000至19 000 J的高密度燃料棒或颗粒。这种高密度固体燃料体积只有原材料的1/10，能量密度接近于中质烟煤，燃烧效率超过40%，且直接燃烧没有污染物排放，是一种高品位清洁能源。考虑原料回收、运输、生成燃料等过程，1 t秸秆制成固体燃料发电比直接燃烧少排放二氧化碳3.04 t。与热成型技术相比，常温成型技术省去了烘干、加热、降温等环节，能耗降低50%，设备占地减少70%，生产成本降低60%。

2.2.2 生物质气化处理技术

当前市场上普遍采用的生物质气化处理技术包括高温热解气化、垃圾填埋与厌氧发酵。

1）生物质热解气化技术

生物质热解过程是在无氧情况下，将干燥的废弃物原料置于固定床、回转窑、流化床或管式反应器中，经过300至600 ℃的高温降解，生成含有氢气、一氧化碳与低分子烃类的合成气，再通过水煤气变换与气体分离净化技术，提高氢气纯度。高纯度合成气作为清洁燃气，主要用于居民日常烹饪[23]。生物质热解技术的优势在于对废弃物原料直接进行加热，无需粉碎、碾压等预处理，降低了生产工艺成本。此外，生物质热解制氢工艺的减排优势明显，生成1 kg氢气比煤气化制氢或天然气重整制氢少排放二氧化碳8kg[24]。

2）生物质垃圾填埋技术

垃圾填埋与厌氧发酵技术是处理高含水率废弃物最常用的非热工艺方法。其中，垃圾填埋技术适用于难降解的有机废弃物。传统的垃圾填埋是将城市固体废弃物倒入填埋场掩埋，经过数年的化学、生物分解反应，生成含有50%至60%沼气的垃圾填埋气。虽然垃圾填埋不需要化石燃料供能，具有较高的经济效率，但在垃圾分解过程中易引起H2S、NH3、CH4、CO2等气体外溢，导致土壤酸化与全球变暖，危害人类身体健康[25-27]。研究显示，考虑垃圾收集、运输、填埋、发电以及渗滤液处理等环节，处理1 t城市生活垃圾的全球变暖潜值高达242.56 kgCO2当量，酸化潜值达1.06 kgSO2当量[28]。为此，许多国家已经开始停止垃圾填埋场的使用。

3）生物质厌氧发酵技术

厌氧发酵属于生物处理技术，又称为生物质甲烷化，是在无氧环境下，水分含量高的可降解有机物由微生物降解发酵产生沼气的过程，一般分为水解、生成有机酸、转化为甲烷气三个步骤。去除二氧化碳、水和其他微量元素后的甲烷气，升级为纯甲烷，具有更高的发电效率。与热解技术相比，厌氧发酵技术实施条件简单，不需要高温和高能注入，发同等电量减少约50%的二氧化碳排放[29-30]。但是对于干燥的低降解性废弃物，厌氧发酵技术面临消化速度慢、沼气产量低、运营成本高等问题[31-36]。

2.2.3 生物质液化处理技术

1）酯化法提取生物柴油

低含氧量、高热值的生物柴油与生物乙醇，是目前使用最为普遍的优质液体燃料。生物柴油通常采用酯化法提取，即在230至250 ℃的环境下，从油料作物或藻类植物中提取甘油三酸酯和游离脂肪酸，并在催化剂的作用下与动物脂肪和甲醇发生酯化反应，生成低硫低氮的优质柴油。生物柴油具有高十六烷值、低黏度和生物可降解等优点[37-38]，在生命周期中的二氧化碳排放仅为生产化石柴油的63.61%[39]。如果将其用于车辆运输，可大幅减少温室气体和酸性气体排放，是一种洁净的车用柴油替代品[40]。

2）生化法提取生物乙醇

生物乙醇是运用生化法，将甘蔗、甜菜、高粱等粮食作物中的纤维素和半纤维素，经过酸或酶的水解生成糖类有机物，再由细菌、真菌、酵母等微生物分解发酵制成。由于粮食作物的生长利用光合作用吸收了二氧化碳，生物乙醇因其生产的环保性与使用的安全性受到广泛关注。研究显示，以原料种植、燃料生产、运输、燃烧为边界，木薯乙醇在全生命周期的温室气体总排放量为167.1 g/MJ，但其中70.9 g/MJ的二氧化碳已在原料的种植阶段被植物所吸收[41]。

2.2.4 生物质发电技术

废弃物资源化处理生成的固体、气体、液体燃料，通过化学或物理反应产生电能，以满足消费者的电力需求。

1）生物质直燃发电技术

生物质直燃发电技术适用于水分含量低或没有水分的干燥废弃物。干燥处理后的废弃物原料被投入至燃烧锅炉，在500至1 000 ℃的高温下发生氧化还原反应产生热蒸汽，再通过朗肯循环驱动蒸汽轮机发电、供热。直燃技术具备废弃物高效管理潜力，燃烧使废弃物量直接减少75%至90%[42-45]。此外，相比于其他生物质发电技术，直燃技术操作简单，对劳动者技能要求低，有助于降低电厂运营成本[46]。但直燃发电效率仅为15%左右，燃烧排放的温室气体量是原废弃物体积的1.64倍[47]。因此，选用低排放的生物质固体成型燃料将是未来直燃技术的发展趋势。

2）生物质气化发电技术

生物质气化发电是指利用废弃物原料在气化炉中发生气化反应，产生含有氢气的合成气驱动燃气轮机或燃气内燃机组做功发电。如果在原有燃气发电设备的基础上，利用烟气燃烧余热与高温废气驱动蒸汽轮机发电，形成生物质气化联合循环发电（Biomass Integrated Gasification Combined Cycle，BIGCC），系统整体效率将提高至40%以上[48]。相比于直燃发电，生物质气化发电技术灵活、环境友好，生产1 GJ电能少排放214 kg二氧化碳[49]，少产生65%的废渣[50]。

2.3 生物质发电并网多能互补系统

为弥补风、光发电欠缺稳定性的不足，耦合风-光-生物质-储能的混合可再生能源发电系统利用生物质原料的易获得性，实时匹配不同类型消费者的动态负荷需求，保障电力系统安全运行。比如，在农村地区使用混合生物质-太阳能-储能的微型电网系统，实现了太阳能在弱光照条件下的稳定供应，净发电效率高达23.68%[51-54]。由风力涡轮机-光伏列阵-沼气厌氧池-储能装置组成的混合可再生能源发电系统，为英国和保加利亚的城市社区提供了稳定电能，并同时降低了生活垃圾的处置成本[55]。

2.4 生物质冷热电联供系统

分布式生物质冷热电联供（Combined Cooling Heating and Power，CCHP）系统是将生物质产生的电能，借助能量转换枢纽生成低压蒸汽或沸水，并通过电力网和隔热管网输送至居民住宅、办公场所、工业园区进行分配，从而完成区域供热、制冷、发电，实现综合能源梯级利用。多余的热能由补燃装置回收，可循环再利用，提升系统整体效率，或出售至供热网络，获得经济收益。目前，中国北方90%的地区采用燃煤集中供暖，如果改用生物质CCHP系统供暖，将有效改善北方地区严重的雾霾环境，优化生活垃圾管理，降低能耗成本支出。

3 废弃物到能源的闭环供应链协同运作效应

废弃物到能源的闭环供应链是涉及废弃物收集、资源化处理、多能互补供应等多个环节独立运行、整体关联、动态匹配的复杂系统，如图2所示。其耦合连接、闭环交互既实现了资源循环、多能互补、多网络耦合的协同运作，又解决了废弃物管理、综合供能和环境治理等问题。

3.1 废弃物管理效应

废弃物管理效应涉及废弃物收集与资源化处理环节。在废弃物收集阶段，废弃物管理系统通过安置小规模、多点统一布局的回收站，形成社区、园区、城乡协同一体化的收集网络，提高资源回收效率。除了收集固体、液体废弃物，冷热电联供系统通过回收工业生产余热，减少了二氧化碳排放，并为工业用户节省了能源使用成本。研究表明，制冷工厂循环利用废气余热将降低25%的制冷成本[56]。在资源化处理阶段，生物处理技术与热处理技术协同进行，有助于提高废弃物利用效率。例如，对废纸污泥同时进行厌氧发酵与气化反应，能量转化率高达85%以上，而单独的气化反应能量转化率通常低于78%[57]。

3.2 综合供能效应

综合供能效应涉及多能互补与多网络耦合环节。与单一能源发电系统相比，由气象驱动的风能、太阳能、潮汐等可再生能源与生物质能结合形成的混合可再生能源发电系统，具有更高的可靠性、经济性与环保性[58-62]。而生物质热电联产良好的发电效率与减排性，也有助于实现肥料、化学用品的增值利用，提高电厂的多元产出与环境效益[63]。例如，在农村养殖场，基于畜禽粪便资源的易获得性，启用由沼气内燃发电机组、电制冷机、沼气锅炉组成的冷热电联供系统，可满足养殖场全年稳定的电负荷、夏天牛奶果蔬等食品存储的冷负荷，以及冬天用户供暖和沼气恒温发酵的热负荷需求。

3.3 环境治理效应

废弃物到能源闭环供应链的环境治理效果与废弃物在城乡社区的收集、预处理、运输存储模式以及燃料生产工艺直接相关。通过对预处理压缩技术、原料运输线路、资源化处理工艺的合理规划，闭环供应链在改善应急性雾霾天气与减少碳排放方面展现出明显优势。将秸秆直燃发电闭环供应链与秸秆露天燃烧及燃煤发电供应链进行对比研究发现，秸秆就地露天燃烧的PM（Particulate Matter）排放指数为12.95 g/kg，而经过闭环供应链各环节的协同处理后，秸秆直燃发电的PM排放指数下降为0.12 g/kg；相对于燃煤发电供应链高达1 010.1 g/kg的CO2排放指数，秸秆直燃发电闭环供应链整个生命周期的CO2排放指数仅为43.44 g/kg[64]。此外，生物质燃料对化石燃料的替代，减少了温室气体排放，改善了空气质量与公共环境卫生。气化反应生成的氢气在燃烧时，不排放二氧化碳和污染物，生成的水可循环再生氢气。马来西亚每年生产的生物柴油满足了全国34%的电力需求，减少了1 900万t二氧化碳排放[65]。

4 废弃物到能源闭环供应链的可持续性评价指标体系构建与不可持续风险识别

可持续发展是既能满足当代人需要，又不对后代人满足自身需要的能力构成危害的发展模式。2015年，联合国在《2030年可持续发展议程》中提出17个可持续发展目标（Sustainable Development Goals，SDGs）及169个子目标，旨在消除贫困、实现全民教育、改善健康、减少不平等现象、消除性别歧视，在缓解气化变化的同时促进经济增长、保护生态环境[65]。定义和衡量现代生物质能开发利用的可持续性，是判断废弃物到能源闭环供应链是否符合联合国可持续发展目标的基础。而构建废弃物到能源可持续性指标体系，开展循环供能风险决策，将有效规避不可持续性生产方式对经济、环境、社会造成的负面影响。

4.1 可持续发展目标下废弃物到能源闭环供应链的具体贡献

现代生物质能对实现可持续发展具有积极作用，废弃物到能源的闭环供应链与多个可持续发展目标直接相关。表1列举了与闭环供应链相关的主要可持续发展目标。

从表1可以看出，废弃物到能源闭环供应链的形成有助于实现可持续发展目标3、目标6、目标7、目标11、目标12。其中，废弃物到能源的垃圾管理模式杜绝农业废弃物在露天燃烧，减少了温室气体与有害气体排放，提高了空气质量，改善了公众健康，有助于实现可持续发展目标3；循环供能大幅增加了全球废弃物回收和再利用数量，提高了可再生能源在能源消费结构中的比例，减少污染的同时改善水质，为人类提供干净的生活环境和优质的卫生条件，同时实现可持续发展目标6与目标7.2；基于普遍性与免费性特点，畜禽粪便、秸秆、生活垃圾等废弃物作为农村地区或欠发达地区的可持续现代能源原料，为实现可持续发展目标7.1提供了支撑；闭环供应链协同运作提升能源利用效率，实现可持续发展目标7.3；生物质能替代化石能源，极大降低了二氧化碳与污染气体排放，突显空气治理优势，减少负面环境影响，为建设可持续城市和住宅社区、实现可持续发展目标11奠定了基础；回收并重复使用生活垃圾，减少粮食浪费，形成废弃物无害管理模式，实现了能源的可持续供应和高效利用，契合可持续发展目标12所要求的可持续消费与生产。

4.2 废弃物到能源闭环供应链的可持续性评价指标体系构建

2005年，全球社会发展高峰论坛将经济、社会、环境确定为衡量可持续性的三大维度[66]。2015年，国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO）发布的《生物质能可持续性标准》（ISO Sustainability Criteria for Bioenergy，ISO-SCB），提出了涵盖原则-准则-指标三个层级的可持续性评价体系，为生物质能的可持续性评估提供了参考框架[67]。值得注意的是，大部分准则、指标并非具备高度独立性，而是存在交叉融合、相互作用。如果忽视准则、指标的兼容性与相关性，容易因评估结果欠准确，而向政策制定者传递错误信息。现有研究主要基于指标的明确性、可测量性、独立性、完整性和简洁性原则构建评价体系[68-72]，少有考虑维度与维度之间的交叉领域。为此，本文立足于ISO-SCB，设计完整涵盖经济、社会、环境三大维度交叉融合的废弃物到能源闭环供应链可持续性评价指标体系。详情见表2。

表1 废弃物到能源闭环供应链相关的可持续发展目标

表2 废弃物到能源闭环供应链的可持续性评价指标体系

表2通过整合可持续性评价体系中的多维度融合指标，将环境与社会属性的公共部分定义为社会环境维度，将环境与经济属性的公共部分定义为环境经济维度，将社会与经济属性的公共部分定义为社会经济维度。例如，健康程度提高是社会稳定发展的前提，由人类生存环境直接决定，这既体现环境属性又有社会属性；社会就业增加为失业者提供了工作机会与经济收入，减少了社会不和谐因素，既有社会属性又有经济属性；能源消耗关系生物质发电经济成本与环境外部成本，是判断废弃物到能源是否可持续发展的关键准则，既体现了经济属性又有环境属性。

实现环境可持续发展，废弃物到能源的关键指标是全生命周期的污染排放，包括闭环链内的直接排放，以及单个节点产生的间接排放，涉及大气、土壤、水资源等多个方面。而是否安装环境污染控制设备，将是衡量废弃物到能源能否实现环境可持续发展的关键指标。此外，生命周期中的能耗指标也是环境可持续发展评价体系的重要组成部分，包括电能、热能以及化石燃料的消耗，涉及闭环供应链中的运输、预处理、加工、生产等多个环节。

实现经济可持续发展，要求废弃物到能源具有持续盈利能力，保障生物质电厂稳定运营。其中，生产成本和运营收入是判断是否盈利的主要指标。废弃物资源零散、无序的存在形式，决定了生物质电厂小规模经营模式。分散化建厂所节省的资源收集成本与运输成本，有助于提高产业发展的经济可行性。而政府补贴与相关扶持政策是小规模电厂实现经济可持续发展的重要保障[68]，包括政府实施的关税补贴与技术扶持等政策。

能否实现废弃物到能源在社会维度的可持续发展，主要取决于社会参与度与接受度[69]。行政立法是推动社会参与的强制措施。意识认知是衡量社会接受程度的统一标准。当居民普遍认为循环供能模式有助于减缓气候变化、减少资源浪费时，社会对废弃物到能源转换技术的整体接受度将增加。而政策宣传是增加意识认知，提高社会接受度的主要方式[70]。此外，生物质产业的发展以及竞争力的提升，增加了企业对高层次人才的需求与渴望，通过职业化培训提高了社会整体从业人员的综合能力。

4.3 废弃物到能源闭环供应链的不可持续风险识别

不可持续风险源自事物发展的不确定性。不确定性是客观事物在联系与发展过程中，展现的模糊、随机与无序属性。实现废弃物到能源的可持续发展，需要规避闭环供应链内生的运营不确定性与外源的环境不确定性。前者称为内生风险，主要发生在原料收集、中间产品运输、能源生产及消费等环节；后者称为外源风险，涉及闭环供应链所处的政治法律环境、经济环境、社会环境以及自然环境。闭环供应链的不可持续风险，见图3。

内生风险与企业运营有关，存在于废弃物到能源闭环供应链中的各个环节。在资源回收阶段，由市场供需决定的原料价格是影响生物质电厂收集成本，产生经济不可持续的主要风险源。原料收集后的预处理效果与设备的运行效率、工人技能的熟练程度有关，加工能力的不足与生产工艺的落后直接影响闭环供应链的环境可持续性。运输环节的不确定性主要源于运输途中的突发状况难以精准把控，预案不足导致的时间与成本增加，阻碍生物质电厂正常运营。在电力生产环节，废弃物原料质量决定能源利用效率与生产率，不同的生产要素组合与不同的资源化处理技术影响电厂利润的最大化实现。消费环节的不确定性来自线路故障与安全隐患等社会风险源。

废弃物到能源的闭环供应链难以摆脱社会环境与自然环境的共同影响。政策与规划对生物质发电产业的发展至关重要，但经济形势的不可控性、政策制定的滞后性与实施效果的不确定性，往往造成资源的浪费与错配，阻碍废弃物到能源技术的可持续发展。当前，废弃物循环利用理念尚未得到全民普及，居民的废弃物管理意识与环保认知较为薄弱，废弃物收集与分类充斥着随意性与无序性，在一定程度上增加了垃圾回收难度，提高了闭环供应链不可持续发展风险。自然灾害与突发事件的不可预见性也易扰乱生物质行业发展的可持续性。如极端天气影响农林作物的种植收成，地震、台风、洪涝等自然灾害妨碍原料运输的顺利交付，新冠肺炎疫情导致企业停工停产等。

5 结论与展望

废弃物到能源的循环利用涉及废弃物回收、资源化处理、燃料生产、生物质能与其他可再生能源、化石能源之间的依存关联，以及电力网、气热网等多网络之间的复杂耦合，为可再生能源的高效开发与利用带来了新的机遇和挑战。本文立足于循环供能与可持续发展两大维度，围绕废弃物回收、资源化处理、多能互补供应、多网络耦合的完整链条，针对可持续性评价指标体系构建与不可持续风险识别等关键点，开展关于废弃物到能源闭环供应链的可持续性综述研究。

根据对现有文献的回顾与整理发现，生物质原料收集和单一资源化处理工艺研究成果丰富。围绕废弃物到能源的循环利用模式则刚刚兴起，主要集中在生物质发电或生物质燃料生产阶段。相关研究尚不成熟，缺乏关于可持续性的不确定风险评估。因此，突破现有文献将废弃物管理、资源处理等环节独立研究的局限，遵循正向和逆向供应链上的闭环特性、技术约束和经济属性，克服现有可持续性评估较少考虑不确定性因素的影响，识别循环供能技术可持续发展的关键工艺、重点路径和利用模式，形成废弃物循环利用的协同管理决策范式与规避闭环供应链不可持续发展风险的决策方法，是下一阶段研究的重要方向。

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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

刘城宇，杨洪明. 废弃物到能源的闭环供应链：循环供能、协同运作与可持续性[J]. 农业工程学报，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

国家自然科学基金项目（71931003；7201101176）；湖南省和长沙市科技项目（2018GK4002；2019CT5001；2019WK2011；2019GK5015；kq1907086）；湖南省研究生科研创新项目（CX2018B525）

刘城宇，博士生，研究方向为能源政策、生态经济、可持续发展。Email：173943100@qq.com

杨洪明，博士，教授，博士生导师，研究方向为电力市场。Email：yhm5218@163.com