废咖啡渣生物燃料的可持续性评估：环境与经济多维度分析

《Cleaner Environmental Systems》：Environmental and economic sustainability assessment of biofuels from valorising spent coffee grounds

为解决废咖啡渣（SCGs）资源化利用路径的环境与经济可持续性评估不足的问题，研究人员开展了五种SCGs生物燃料转化路径（燃料造粒、酯交换-热解联用、热解、酯交换-发酵联用和厌氧消化）的全生命周期评估（LCA）和经济成本分析（LCC）。研究结果表明，热解法在环境和经济方面均表现最优，可实现-130 kg CO2 eq./t的净负碳排放和￡172/t的利润，为咖啡产业链的低碳转型和循环经济策略提供了科学依据。

　　

咖啡是全球最受欢迎的饮品之一，每天约消耗22.5亿杯，随之产生大量废咖啡渣（Spent Coffee Grounds, SCGs），每年总量估计达0.25亿吨。这些SCGs若未经妥善处理，通常被焚烧或填埋，不仅导致资源浪费，还会加剧温室气体排放和环境污染。事实上，SCGs因其高含油量和营养组分，被视为生物经济价值链中的理想底物，可通过多种技术路径转化为生物燃料和高附加值产品，例如生物柴油、生物乙醇、生物炭和热电。然而，现有研究多聚焦于单一转化路线或有限的环境影响指标，缺乏系统性的多路径比较和整合经济维度的综合分析，导致决策者和相关利益方难以识别最具可持续性的技术路线。

为此，来自曼彻斯特大学可持续工业系统研究团队在《Cleaner Environmental Systems》上发表了一项研究，对五种常见的SCGs转化路径进行了全面的生命周期评估（LCA）和经济成本分析（LCC），并采用多标准决策分析（MCDA）方法整合环境与经济结果，以识别最优的SCGs资源化策略。

该研究围绕“处理1吨SCGs”这一功能单位，设定了从摇篮到大门（cradle-to-gate）的系统边界，涵盖了原料处理、能源与化学品投入、生产过程排放以及副产物置换 credits。五种技术路径包括：1）燃料造粒（Fuel Pelletizing）；2）酯交换与热解联用（Transesterification & Pyrolysis）；3）热解（Pyrolysis）；4）酯交换与发酵联用（Transesterification & Fermentation）；5）厌氧消化（Anaerobic Digestion）。研究使用Ecoinvent数据库和GaBi软件进行背景数据建模，采用ReCiPe 2016方法评估了19项环境影响指标，经济成本则基于2018年价格并更新至2023年，通过生命周期成本分析（LCC）计算净收益。关键假设包括忽略基础设施建设和运输阶段的影响，但考虑了化学品的生产与运输、过程能耗以及废水处理。

4.1. 环境影响

4.1.1. 气候变化

热解表现最佳，净碳排放为-130 kg CO₂ eq.，这主要得益于生物炭、汽油和柴油副产的高置换效益。酯交换-热解联用（-119 kg CO₂ eq.）、燃料造粒（-60 kg CO₂ eq.）和厌氧消化（-35 kg CO₂ eq.）也呈现净负碳效应。唯独酯交换-发酵联用由于产品收益较低，净排放为2 kg CO₂ eq.，成为环境表现最差的选项。

4.1.2. 其他影响

在全部19项影响类别中，燃料造粒和热解分别有18项和17项实现净环境效益（net-negative）。厌氧消化在生态毒性和人类毒性（非致癌）方面表现最优，但因沼气燃烧释放N₂O，导致臭氧消耗潜力为正值（1.24 mg CFC-11 eq.）。酯交换-发酵联用则在15项影响中表现最差，尤其是富营养化、生态毒性和金属耗竭类指标，归因于硫酸、正己烷等化学品的高环境负荷。

4.2. 生命周期成本

所有路径均实现经济盈利，其中热解的经济效益最高（￡172/t），其次是酯交换-热解联用（￡158/t）和燃料造粒（￡142/t）。厌氧消化和酯交换-发酵联用的利润较低，分别为￡121/t和￡58/t。热解的高收益主要来自于生物油升级后的汽油和柴油销售，而酯交换-发酵联用则因化学品消耗量大而成本居高。

4.3. 敏感性分析

研究通过调整SCGs损失率、转化率、副产物置换假设和热能回收情景进行敏感性测试。结果显示，当燃料造粒的副产物置换对象改为木炭时，其气候变化影响降低11倍（-736.2 kg CO₂ eq.），经济收益提升427%。厌氧消化如能将余热用于区域供热，可进一步减少11–244%的环境影响，并提升21.5%的收益。尽管参数波动影响绝对值，但各路径的可持续性排序保持稳定。

4.4. 多标准决策分析

通过简单多属性评级技术（SMART）整合环境与经济指标，热解在等权重（环境50%、经济50%）、偏重环境（70%权重）或偏重经济（70%权重）的情景下均排名第一。酯交换-发酵联用始终表现最差。这一结果表明热解是兼顾低碳和高收益的最优选择，且排序结果对不同权重设定不敏感。

4.5. 研究局限与展望

本研究的数据主要来源于实验室尺度，未来需结合工业级运营数据进行验证。此外，未涵盖厂房建设、运输物流及社会可持续性维度，建议后续研究纳入这些因素。其他潜在路径如SCGs制氢、政策激励机制与碳交易市场的影响也值得深入探讨。

该研究首次系统比较了五种SCGs转化路径的综合可持续性，明确热解为最优解，为咖啡生产者、地方政府和产业链决策者提供了科学依据，对推动循环经济和低碳生物燃料发展具有重要意义。