随着全球人口和经济的增长，全球废物产生量近年来有所增长，预计未来也将大幅增长：这不仅污染了当地的土地和水资源，限制市政当局的财政资源，还排放了大量的温室气体。因此，迫切需要减少废物影响的创新解决方案。由于人均固体废物产生量较高，美国对创新废物管理实践的需求尤其迫在眉睫：北美为2.2公斤/人/天，而全球为0.7公斤/人/天。在美国，每年都会产生大量的湿垃圾：废水污泥（13 干百万公吨/年）、食物垃圾（14 干 MMT/年）、动物粪便（38 干 MMT/年）和脂肪/油/油脂（5.4 干 MMT/年）。这些废物产生的温室气体相当于美国温室气体排放总量的3.2%。通过转移湿废物来生产有价值的化学产品可以同时解决与传统化学生产过程增加废物和温室气体排放相关的问题。
基于此，阿贡国家实验室能源系统和基础设施分析部的Taemin Kim教授使用温室气体、管制排放和技术能源使用（GREET）模型调查了来自三种不同废物原料（即废水污泥、食物垃圾和猪粪）的废物衍生聚乳酸 （PLA） 的生命周期温室气体排放、水和化石燃料消耗。此外，还研究了用废物衍生聚合物代替化石基树脂的脱碳潜力。结果表明，猪粪转化为PLA的途径碳密集度最低（?1.4 kgCO2e/kg），其次是食物垃圾（?1.3 kgCO2e/kg），然后是废水污泥（0.6 kgCO2e/kg）。三种废物转化为PLA途径的碳密集度都低于化石基PET和HDPE：66%（与PET相比）和56%（与HDPE相比），废水污泥，食物垃圾和猪粪到PLA途径的温室气体排放量分别减少了171%和192%，减少了181%和205%。
图文解读
Fig. 1. System boundary for the waste-to-PLA production pathways
图1显示了用于该研究的废物转化为PLA生产途径的系统边界。系统边界最上游的废物原料可以是三种湿废物（即WWS，食物垃圾和猪粪）之一。由于原料是废物，因此假定与这些原料相关的排放、水和能源负担为零。系统边界可分为4个步骤：i）废物转化为PLA（MAAD，分离纯化和聚合）；ii）沼渣/废水报废；iii）避免一切照旧 （BAU）情景（或避免反事实情景）；以及 iv）PLA寿命终止。
Fig. 2. Cradle-to-gate GHG emissions for the three waste-to-PLA pathways
图2显示了三种废物到PLA路径的温室气体排放量。在三种废物转化为PLA的途径中，猪粪案例的碳密集度最低（-3.6 kgCO2e/kg），其次是食物垃圾（?3.4 kgCO2e/kg），然后通过WWS案例（-1.5 kgCO2e/kg）。虽然它仍然是负碳的，但WWS途径的碳负性明显低于其他两种废物转化为PLA的途径。这种显着差异主要是由于甲烷排放的差异：虽然食物垃圾和猪粪的反事实情景排放了大量的甲烷，但WWS案例的反事实情景排放的甲烷量可以被沼渣填埋场实现的碳封存所抵消。
Fig. 3. Breakdown of the GHG emissions from Waste-to-PLA conversion only
图3仅显示了废物转化为PLA的温室气体分解分析。它表明，两种能源输入（即天然气和电力）的排放对废物转化为PLA的大部分温室气体做出了贡献。当三种途径相互比较时，WWS 案例比食物垃圾途径消耗更多的电力和 NG，这主要是由于 WWS 的可发酵材料比例（58%）与食物垃圾（95%）相比较低。与食物垃圾相比，WWS的MAAD和分离过程需要更多的电力和NG才能将不可发酵部分与可发酵部分分离。因此，进一步改善废物转化为PLA的温室气体排放的最重要因素是：i）提高过程能源效率；ii）使用CI较低的电力；以及 iii）使用 RNG代替NG。
Fig. 4. Impact of the carbon intensity (CI) of grid electricity and of replacing NG with RNG on the cradle-to-gate GHG emissions of waste-to-PLA pathways
图4显示了对电网置信区间和用RNG代替NG的敏感性分析结果。对于RNG情景，WWS途径减少了最多的温室气体排放，其次是猪粪途径，然后是食物垃圾途径。由于NG对温室气体排放的贡献量级为WWS>猪粪>食物垃圾，因此使用RNG的好处也相同。CI对电网的影响也显示在图4中。“高CI电网”假设电网CI比美国平均值高50%（即0.66 kgCO2e/kWh），而“低CI电网”则假设CI低50%（即0.22 kgCO2e/kWh）。该变化范围（即±50%）的确定是因为相邻美国所有八个地区电网的CI。
总结
作者提出的废物转化为PLA的途径在取代玉米基对应物，化石基PET或HDPE时具有显着的脱碳潜力，尽管结果将取决于一些重要的假设，如LFG收集率，替代率，电网电力CI和PLA生物降解性。就替代化石基PET或HDPE的年脱碳潜力而言，废水污泥和食物垃圾路径显示出比猪粪路径更高的减排潜力：i）废水污泥路径每年减少18-28kTCO2e；ii）食物垃圾途径每年减少23–26 kTCO2e；iii）猪粪途径每年的减少量约为5 kTCO2e，具体取决于所替代的常规树脂的类型。然而，鉴于美国各地猪粪给料的丰富供应，基于猪粪的途径的脱碳潜力也会随着植物产能或植物数量的增加而增加。为了进一步减少垃圾合成乳酸生产中的温室气体排放，进一步优化过程建模参数可能是一项有趣的未来研究。
