《Cleaner and Circular Bioeconomy》：A Multi-Criteria Decision Framework for Sustainable Biogas Feedstock Selection: Integrating Underutilized Biomass into Circular Bioenergy Systems
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可持续沼气的推广受原料选择不确定性的制约，尤其是当同一区域内同时存在多种未充分利用的有机残余物，且它们表现出差异显著的技术、环境、经济、运行和社会政策特征时。现有厌氧消化（anaerobic digestion, AD）研究主要强调甲烷产量和生化性能，对基于可
可持续沼气的推广受原料选择不确定性的制约，尤其是当同一区域内同时存在多种未充分利用的有机残余物，且它们表现出差异显著的技术、环境、经济、运行和社会政策特征时。现有厌氧消化（anaerobic digestion, AD）研究主要强调甲烷产量和生化性能，对基于可持续性的综合原料优先排序关注有限。研究人员开发了一种基于层次分析法（Analytic Hierarchy Process, AHP）加权评分的多准则决策框架，对十（10）种研究不足的沼气原料进行排序，即饮料废水、芒果废料、菠萝废料、动物血液、黄瓜残渣、芋艿皮、班巴拉豆壳（Bambara nut chaff, BNC）、花生壳、腰果残渣和化妆品废水。研究首先开展了全面的文献综述，以在五（5）个维度下确定原料适宜性，包括技术（35%）、环境（20%）、经济（20%）、运行（15%）和社会政策（10%）准则。随后采用成对比较和加权聚合导出优先排序。结果显示，饮料废水获得最高总分（95/100），其次是芒果废料和菠萝废料（各87.4/100）、动物血液（79.4/100）、黄瓜残渣和芋艿皮（各72.4/100）、BNC（71/100）、花生壳（70/100）、腰果残渣（68/100）以及化妆品废水（62/100）。花生壳表现出较强的可持续属性，但受木质纤维素顽抗性和预处理负担制约。根据研究结果，仅凭优越的生化甲烷潜力并不能保证原料获得优先，环境绩效、物流、运行简便性、政策支持和社会接受度对部署可行性具有显著影响。本研究的主要创新在于，将基于AHP的可持续性评估应用于一个由工业废水、水果加工残余物、动物源性废物、木质纤维素生物质和区域性农业副产品组成的异质未充分利用原料组合，并将其纳入统一决策框架。
**论文解读：基于AHP加权评分的可持续沼气原料多准则选择框架**
**一、研究背景与问题**
沼气系统的部署常常面临原料选择的显著不确定性，尤其是当同一区域内同时存在多种未充分利用的有机残余物，且其技术、环境、经济、运行及社会政策特征彼此迥异时，决策难度更为突出。既有厌氧消化（anaerobic digestion, AD）研究多集中于甲烷产量与生化性能，对整合可持续性维度的原料优先排序关注不足。仅以生化甲烷潜力（biochemical methane potential, BMP）等单一指标评价，容易忽视物流、预处理、社会接受度等对工程落地至关重要的因素。为此，研究人员构建了一个基于层次分析法（Analytic Hierarchy Process, AHP）加权评分法的多准则决策框架，对十种研究较少的沼气原料进行统一排序。
**二、研究内容与总体结论**
研究人员首先对十种未充分利用的原料——饮料废水、芒果废料、菠萝废料、动物血液、黄瓜残渣、芋艿皮、班巴拉豆壳（Bambara nut chaff, BNC）、花生壳、腰果残渣和化妆品废水——开展系统文献评估，以五个维度构建判断准则：技术（35%）、环境（20%）、经济（20%）、运行（15%）和社会政策（10%）。随后通过成对比较和加权聚合得到优先排序。结果表明：饮料废水得分最高（95/100），芒果废料与菠萝废料并列第二（87.4/100），其后依次为动物血液（79.4/100）、黄瓜残渣与芋艿皮（72.4/100并列）、BNC（71/100）、花生壳（70/100）、腰果残渣（68/100）和化妆品废水（62/100）。花生壳虽具有较强的可持续属性，但受木质纤维素顽固性与预处理负担制约。该结果说明，优越的BMP并不能单独决定原料优先级；环境性能、物流条件、运行简便性、政策支持与社会接受度同样显著影响部署可行性。本研究的核心创新在于，将基于AHP的可持续性评估应用于一个跨越工业废水、水果加工残余物、动物源性废物、木质纤维素生物质和区域性农业副产物的异质原料组合，并置于统一决策框架中加以比较。
**三、主要技术方法**
研究人员使用的关键技术方法包括：1）结构化证据映射：依据PRISMA流程在Scopus、Web of Science、Google Scholar和PubMed等数据库检索，筛选并评审282篇文献，以获取各类原料的AD可行性证据，并识别研究空白；2）AHP加权评分：采用Saaty 1-9标度构建维度成对比较矩阵，计算特征向量获得权重，一致性比率（consistency ratio, CR）为0.011，小于0.1，表明判断矩阵逻辑一致；3）1-5修正评分量表：对每项准则赋予1-5原始分，乘以准则全局权重后获得加权分并汇总，满分为100分；4）敏感性分析：将各维度权重在±20%区间内逐一扰动，检验排序稳定性。研究没有招募专家小组成员，权重源于文献—专家综合评审和头脑风暴。
**四、研究结果**
**4.1 基于既有报告的原料适宜性判断（Feedstock Suitability Judgment Based on Previous Reports）**
研究人员通过对比各原料的化学组成与已报道AD表现，为不同准则打分。例如，饮料废水因所含有机物以溶解态糖类、乙醇和可溶性化学需氧量（chemical oxygen demand, COD）为主，微生物可直接利用，故可生物降解性评5分；芒果与菠萝废料因纤维含量较高评4分；动物血液虽降解性极强，但蛋白质脱氨基作用易引致氨抑制，过程稳定性仅评2分；花生壳因木质纤维素含量高，降解速率慢，可生物降解性评2分。该部分说明原料的生化特征直接决定发酵性能，尤其高碳水化合物底物可能引起挥发性脂肪酸积累，破坏产甲烷阶段的稳定性。
**4.2 优先等级分类（Priority Classification）**
依据加权总分将十种原料划分为高、中、新兴三类优先级。高优先级（第1—3位）为饮料废水、芒果废料、菠萝废料和动物血液，其共同特点是甲烷潜力高、可降解性好，但动物血液受氨抑制和低过程稳定性拖累。中优先级（第4—5位）为黄瓜残渣、芋艿皮和BNC，各类别表现均衡但无单项优势。新兴优先级（第6—8位）为花生壳、腰果残渣和化妆品废水，主要问题分别是木质纤维素抗降解、酚类化合物抑制以及表面活性剂/抗菌成分导致的微生物毒性。
**五、讨论要点**
**5.1 通过未充分利用生物质实现循环经济（Circular Economy through Underutilized Biomass）**
将原本进入垃圾填埋、开放燃烧或直接排放的废弃物流导入受控AD系统，可实现废物分流，减少温室气体与水体污染。对部分原料如饮料废水和动物血液，工业共生条件较成熟；而芒果、菠萝等农业残余物受季节性制约明显。消化液养分回用也是循环经济的重要环节，但现有研究对多数原料消化液的肥效数据不足。
**5.2 清洁生产与环境权衡（Cleaner Production and Environmental Tradeoffs）**
AD通过能量回收替代化石能源，有助于温室气体减排；但如果甲烷泄漏失控，气候效益可能被抵消。不同原料的减排强度差异显著：易腐原料如不处理将快速释放甲烷，木质纤维素类原料降解慢，短期减排贡献较低。清洁生产需结合原料特性和处理工艺进行优化。
**5.3 工艺风险（Process Risks）**
几乎所有原料均存在不同程度的过程风险。动物血液和化妆品废水因氨抑制/生物毒性得分最低（2分），运行中须依靠稀释、共消化、pH控制等手段维持稳定。研究表明过程稳定性应作为优先于收集物流和共消化兼容性进行考虑的关键技术准则。
**5.4 技术经济与政策维度（Techno-Economic and Policy Dimensions）**
原料可用性、收集物流、法规和社会接受度共同影响实际部署。饮料废水来自集中工厂，产生连续、可预测且便于运输，因此得分最高；而芒果、菠萝等农业废料呈现季节性波动。政策方面，饮料废水纳入工业废水监管和循环经济项目，政策成熟度较高；动物血液被归类为副产物/生物危害废物，缺乏能源政策支持。社会接受度方面，动物血液评分最低。敏感性分析显示，维度权重在±20%范围内变化时，前三位排序保持稳定，说明评估结果对权重扰动具有鲁棒性。
**六、研究结论**
本研究通过整合技术、环境、经济、运行和社会政策等维度的AHP加权评分结构，确定了十种未充分利用生物质用于沼气生产的可持续性排序。主要结论如下：总体排序为饮料废水＞芒果废料＝菠萝废料（87.4）＞动物血液＞黄瓜残渣＝芋艿皮（72.4）＞BNC＞花生壳＞腰果残渣＞化妆品废水。饮料废水以95/100居首，源于强可降解性、低预处理需求、有利政策条件和可靠的工业来源。芒果与菠萝废料以87.4/100紧随其后，得益于高有机质含量、废物分流价值和循环生物经济兼容性；动物血液得分79.4/100，但存在氨抑制、处理制约和社会接受度限制。敏感性分析表明，在检验的权重变化范围内，排序前三的原料保持稳定，结果可靠。花生壳虽兼具环境和经济价值，但木质纤维素抗降解性要求高强度预处理；化妆品废水以62/100垫底，受表面活性剂、抗菌成分和微塑料相关不确定性抑制。所提出的模型可作为原料优先排序的筛选型决策支持工具，为循环生物经济背景下的循证生物质选择提供依据；同时，未来还需利用中试规模消化数据、更广泛权重空间及更多多准则决策方法（如TOPSIS、VIKOR等）对排序进行验证。
