废弃食用油作为循环经济原料：生物柴油生产的技术经济与生命周期评估

《South African Journal of Chemical Engineering》：Waste cooking oil as a circular economy feedstock: Techno-economic and life cycle assessment of biodiesel production

　　

全球能源需求持续快速增长，化石燃料大规模使用引发的温室气体排放、气候变化、环境污染及不可再生资源枯竭等问题日益严峻，推动各国政府、工业界及科研机构寻求清洁环保的替代燃料。生物柴油（biodiesel）因可再生性、可生物降解性及较低的环境影响而备受关注，其通常通过甘油三酯（triglyceride）丰富的原料（包括植物油、动物脂肪、藻油及废弃脂质）经酯交换反应（transesterification）生成脂肪酸甲酯（fatty acid methyl esters, FAMEs）。然而，以大豆油、棕榈油等食用植物油为原料的第一代生物柴油面临土地利用竞争、森林砍伐及生产成本高昂等争议，原料成本占生物柴油总生产成本的显著份额，因此开发低成本可持续原料成为研究重点。 废弃食用油（waste cooking oil, WCO）凭借低成本、易获取及环境优势成为极具吸引力的替代原料。WCO是家庭、餐馆、酒店、食品加工及餐饮设施反复烹饪和油炸过程的副产物，产量巨大。不当处置（排入排水系统、填埋或水体）会造成水体污染、污水管道堵塞、土壤退化及水生生态系统生化需氧量（biological oxygen demand, BOD）升高等环境和公共卫生问题。将WCO转化为生物柴油可同时解决废物管理与环境污染问题，并成为经济的原料来源，高度契合循环经济（circular economy）理念——将废物视为有价值资源，通过回收、再利用和再融入生产循环延长其寿命并降低环境影响。WCO基生物柴油可减少化石燃料依赖、降低温室气体排放、促进可再生能源利用并改善废物价值化实践，同时减轻对食用油资源的压力。 然而，WCO因油炸次数、温度及储存条件不同，其理化特性差异显著。反复加热导致油脂氧化、水解、聚合及热降解，游离脂肪酸（free fatty acid, FFA）含量、粘度及杂质增加，直接影响生物柴油产率与工艺效率，需在酯交换前进行适当预处理。常规WCO生物柴油生产工艺包括过滤、脱水、酸酯化（acid esterification）及碱催化酯交换。近年来，非均相催化（heterogeneous catalysis）、酶法酯交换（enzymatic transesterification）、微波辅助合成、超声处理及超临界法等先进技术被研究用于提高工艺效率、催化剂回收率及环境可持续性。尽管WCO生物柴油具有环境与经济优势，仍面临原料收集、原料质量波动、催化剂失活、能耗及工艺放大等技术运营挑战。因此，技术经济评估（techno-economic assessment, TEA）与生命周期评估（life cycle assessment, LCA）成为评估生物柴油转化技术工业可行性与可持续性绩效的重要工具。TEA关注工艺经济可行性，计算资本投资、运营成本、原料价格、能耗、生物柴油产率、投资回收期及盈利指标；LCA则量化温室气体排放、化石能源消耗、酸化潜势、富营养化潜势等环境影响。多项研究表明WCO基生物柴油相比传统柴油可显著降低碳排放与化石燃料消耗，但甲醇生产、电力消耗、运输物流及催化剂合成等环节仍可能构成主要环境热点。因此，集成TEA-LCA方法日益被用于全面评估生物柴油生产系统的经济与环境双重表现。 近年来，全球多项政策与监管框架推动废物衍生生物燃料发展，如生物柴油掺混强制要求、废物管理政策及可再生燃料生产激励措施。低碳技术关注度提升、净零排放目标及循环生物经济发展为大规模实施WCO基生物柴油系统提供了良好机遇。未来催化剂改进、过程强化、数字化监测及集成生物精炼概念有望进一步提升生物柴油生产效率与可持续性。本综述旨在填补现有文献空白——缺乏以单一原料为对象、将原料质量参数、工艺路线、成本结构与环境绩效纳入统一比较框架的综述。其独特价值在于：(i) 将WCO组成与质量参数映射至预处理与催化剂选择；(ii) 基于统一反应、产率及可持续性指标批判性比较WCO酯交换路线；(iii) 综合已发表的WCO生物柴油TEA与LCA研究，揭示系统边界、分配方法、甲醇来源及能源结构选择导致成本与排放结果差异的原因。本综述区别于以往综述之处在于构建了结构—性质—性能—可持续性关系框架，而非泛泛讨论循环经济益处。

研究背景与意义

全球能源需求快速增长及化石燃料环境影响的加剧，使可持续可再生能源的开发成为迫切需求。生物柴油作为传统柴油的替代燃料，具有可再生性、可生物降解性及较低环境影响的优势，但以食用植物油为原料的第一代生物柴油面临土地利用竞争、森林砍伐及成本高昂等问题。废弃食用油（WCO）作为低成本、易获取的替代原料，可同时解决废物管理与环境污染问题，高度契合循环经济理念。然而，WCO因反复加热导致游离脂肪酸（FFA）含量、粘度及杂质增加，需预处理后方可进行酯交换。现有文献缺乏以单一原料为对象、将原料质量、工艺路线、成本与环境绩效纳入统一比较框架的综述。本研究旨在填补此空白，构建结构—性质—性能—可持续性关系框架，为WCO生物柴油的工业化实施与政策制定提供系统依据。

研究方法

本综述为结构化叙述性（非系统性）综述，文献检索基于Scopus与Web of Science核心合集数据库，辅以Google Scholar检索灰色文献（如欧盟委员会、美国环保署、加州空气资源委员会及印度FSSAI-RUCO项目文件）。检索时间范围为2015年1月至2026年6月，检索字符串包含原料、工艺、经济与环境术语组合（如"waste cooking oil" OR "used cooking oil" OR "yellow grease" AND "biodiesel" OR "transesterification" AND "techno-economic" OR TEA OR cost OR "life cycle assessment" OR LCA OR GHG）。纳入标准为WCO作为生物柴油原料的同行评审期刊论文、机构/监管报告及近期综述，排除非同行评审博客、未引用预印本及观点文章。对纳入TEA/LCA的论文提取原料来源与预处理、催化剂/工艺路线、工厂规模、功能单位、系统边界与分配方法、甲醇与电力来源、成本/GWP数据及敏感性结果等类别信息。

4. 废弃食用油作为循环经济原料

4.1 WCO的来源与可获得性

WCO主要来源于食品加工工业、机构厨房、餐饮服务场所（餐馆、快餐店、酒店、食堂）及家庭。商业餐饮场所每周可产生约15–80升WCO，大型工业食品加工单元每日可产生数百升。美国餐馆约占可回收WCO总量的55–60%；中国因庞大的餐饮业拥有全球最大的WCO回收市场；欧盟年产生约400万吨WCO；美国年产生约10亿磅黄油脂（yellow grease）与废弃食用油；中国年产生量超过500–600万吨；印度年产生约150–200万吨但收集率低；日本年产生约40–50万吨且收集效率较高。全球WCO产量因城市化、快餐文化及酒店业扩张而持续增加。然而，发展中国家WCO收集率普遍低于30–40%，缺乏收集基础设施与规范化供应链。不当处置导致下水道堵塞（英国市政每年花费近1亿英镑维护）、水体污染及"地沟油"回流餐桌等公共卫生问题。德国、荷兰、法国、日本及美国加州已建立完善的收集系统并与可再生能源政策衔接；欧盟可再生能源指令（Renewable Energy Directive）为WCO生物柴油提供有利碳核算；印度FSSAI推出"Repurpose Used Cooking Oil"（RUCO）计划规范收集。数字追踪系统、区块链监控及移动应用正被开发以增强可追溯性。但储存不稳定、运输成本及季节性波动等物流问题仍制约大规模供应链。

4.2 WCO的组成与特性

WCO因长期暴露于高温、氧气、水分及食物颗粒，发生氧化、水解、聚合及热降解反应，导致游离脂肪酸（FFA）、水分、悬浮固体、过氧化物、醛类及聚合化合物含量升高。脂肪酸组成受原料食用油种类影响（大豆油、葵花籽油、棕榈油、菜籽油等）。高FFA含量是WCO加工的主要问题，其与碱催化剂反应生成皂，降低生物柴油产率并增加分离难度，通常需酸酯化预处理将FFA降至1%以下。水分含量超过0.05–0.1%可引发乳化与皂化。杂质（炭化残渣、金属、食物颗粒、胶质）会干扰催化反应。WCO的酸值（acid value）通常为2–6 mg KOH/g（轻度使用）至15–20+ mg KOH/g（重度降解），游离脂肪酸含量1–3%至5–15+%，水分含量0.05–0.3%至0.3–1+%，运动粘度35–45至45–60+ mm2/s。WCO生物柴油的燃料品质通常符合EN 14214与ASTM D6751标准，但氧化稳定性（Rancimat 110°C下3–10小时）常处于临界状态，冷流性能受饱和脂肪酸甲酯含量影响。Khan等（2025）研究发现，低酸值废油在酯交换中表现良好且环境影响较小，酸值3.5 mg KOH/g的原料可获得约85%的生物柴油产率，其生命周期评估显示废油基生物柴油碳排放较传统化石柴油降低约63–70%。

4.3 循环经济视角

WCO生物柴油生产高度契合循环经济原则——将废物视为有价值的二次资源。欧盟年产生约400万吨WCO，中国年产生超过500–600万吨，美国年产生约450万吨废弃食用油与黄油脂并日益转向可再生柴油与生物柴油生产。循环利用WCO可避免不当处置造成的环境污染（英国市政每年花费近1亿英镑处理油脂堵塞）；日本京都利用废弃食用油生产生物柴油驱动公共交通车辆已超过20年。WCO生物柴油减少食用植物油与化石柴油使用，避免耕地、灌溉及化肥投入相关的环境退化。欧盟可再生能源指令将WCO生物柴油认定为先进生物燃料，提供双重计数优惠；德国、荷兰已成功将其纳入国家可再生燃料计划；加州低碳燃料标准（LCFS）下WCO衍生生物柴油的碳强度（carbon intensity, CI）低于20–30 g CO₂-eq/MJ，而传统柴油约为90–95 g CO₂-eq/MJ。生命周期评估显示WCO生物柴油温室气体排放较石油柴油降低约70–90%，欧盟委员会评估其生命周期排放较化石柴油低约88%。生物柴油燃烧排放的硫氧化物、颗粒物、一氧化碳及未燃碳氢化合物低于石油柴油，某些发动机条件下颗粒物与一氧化碳排放分别降低30–50%与40–50%。WCO循环利用还创造废物收集、运输、加工及可再生燃料生产领域的新价值链与就业机会。催化剂开发（如农业残留物、蛋壳、生物炭及工业废物制备的低成本非均相催化剂）与集成生物精炼概念（整合生物柴油、可再生柴油及生物基化学品生产并回收甘油副产物）正进一步提升系统经济与环境效益。

5. WCO生物柴油生产技术

5.1 预处理方法

预处理是WCO生物柴油生产的关键步骤，旨在去除污染物并降低FFA含量以提高酯交换效率。主要预处理步骤包括：物理过滤（筛网、滤布、滤纸或真空过滤系统去除悬浮固体与食物残渣）；脱水（加热100–120°C、真空干燥、离心或沉降去除水分，防止甘油三酯水解与皂化）；酸酯化（以硫酸等酸催化剂将FFA转化为酯，将FFA含量从>10%降至<1%，显著提高生物柴油转化效率）；脱胶与中和（去除磷脂、胶质、色素及金属等杂质）。先进预处理技术包括活性炭、硅胶、漂白土、沸石及天然吸附剂（稻壳灰、生物炭、膨润土等）吸附去除氧化产物。微波辅助酯化可缩短处理时间并降低能耗。优化预处理参数（温度50–65°C、油醇摩尔比6:1–12:1）可使生物柴油产率较未处理原料提高20–30%。

5.2 酯交换技术

酯交换是WCO生物柴油生产的主要化学反应，甘油三酯与短链醇（甲醇或乙醇）在催化剂作用下转化为脂肪酸烷基酯与副产物甘油。主要工艺路线包括：均相碱催化（NaOH/KOH，甲醇:油比6:1，温度50–65°C，时间0.5–2小时，产率90–98%，TRL 9商业化）——反应快、成本低，但FFA超过1–2%即发生皂化失效；均相酸催化（H₂SO₄，甲醇:油比20:1–30:1，温度55–80°C，时间3–8小时，产率85–95%）——耐受高FFA但反应慢且腐蚀性强；非均相催化（CaO、混合氧化物、CeO₂基催化剂，甲醇:油比9:1–12:1，温度60–65°C，时间2–4小时，产率85–98%，可重复使用3–10次）——易分离、可回收但存在浸出与活性衰减问题；酶法酯交换（脂肪酶，甲醇:油比3:1–6:1，温度35–50°C，时间6–24小时，产率90–98%）——耐受高FFA、条件温和但酶成本高且反应慢；超临界甲醇法（甲醇:油比40:1–42:1，温度250–300°C，时间0.1–0.5小时，产率95–99%）——无需催化剂、反应快但能耗与压力要求极高；微波辅助（甲醇:油比6:1–9:1，温度55–65°C）与超声辅助——通过强化传质与加速反应动力学缩短反应时间并提高产率。

结论

WCO作为循环经济原料生产生物柴油具有显著的经济与环境优势，可同时解决废物管理、环境污染与可再生能源供应问题。预处理（特别是酸酯化）是处理高FFA原料的关键步骤；非均相催化、酶法及超临界法等先进技术为提高工艺效率与可持续性提供了可行途径。TEA与LCA研究表明，WCO生物柴油相比传统柴油可降低约70–90%的温室气体排放，碳强度低于20–30 g CO₂-eq/MJ，但甲醇生产、电力消耗及运输物流等环节仍为主要环境热点。系统边界、分配方法、甲醇来源及能源结构的选择显著影响成本与排放评估结果。未来催化剂改进、过程强化、数字化监测及集成生物精炼概念有望进一步提升效率与可持续性。WCO生物柴油的成功商业化需整合技术创新、经济可行性与环境可持续性，并依赖政策支持与规范化收集体系的建立。