数据稀缺下市政生物废弃物养分回收的可持续性评估：一种集成决策支持框架

《Waste Management》：Sustainability assessment of municipal biowaste nutrient recovery under data scarcity: an integrated decision-support framework

　　

研究人员提出了一种集成决策支持框架，用于在数据稀缺和不确定的条件下比较评估市政生物废弃物（municipal biowaste）养分回收（nutrient recovery）路径的整体可持续性。研究人员通过系统文献综述（Systematic Literature Review, SLR）确定了五种不同的处理场景，包括立式堆肥机（In-vessel composter, IVC）、反渗透（Reverse Osmosis, RO）、蒸馏（Distillation, DIS）、空气吹脱（Air Stripping, AIR）和水热碳化（Hydrothermal Carbonization, HTC）。为了应对定量数据有限及定性判断存在模糊性的问题，研究人员开发并应用了基于三角模糊数（Triangular Fuzzy Number, TFN）的三角函数t-余范数与t-范数（trigonometric t-conorm and t-norm）集成的序数优先级法（Ordinal Priority Approach, OPA）与折衷解方案替代物排名测量法（Measurement of Alternatives and Ranking according to COmpromise Solution, MARCOS）模型。该模型结合了来自文献的生命周期量化性能数据与六位专家的定性判断。研究结果显示，IVC场景在可持续性排名中位列第一，其次是酸辅助HTC。社会维度的公众满意度与接受度（Public Satisfaction and Acceptance, PSA）被赋予最高权重，其次是国家政策支持（National Policy Support, NPS）和总运营成本（Total Operational Costs, TOC）。敏感性分析证实了排名在权重波动下的稳健性。研究人员指出，该框架及其开发的Python图形用户界面（Graphical User Interface, GUI）可为缺乏完整数据集的现实市政规划提供可靠的决策支持，强调了技术成熟度、实施可行性与社会经济效益在养分回收路径选择中的综合作用。

研究背景与问题提出

全球废物产生量持续增加，部分国家人均年废物产量超过800 kg，其中食物废物（Food Waste, FW）占比巨大，2022年全球约达10.5亿吨。市政固体废物中的有机部分（Organic Fraction of Municipal Solid Waste, OFMSW）含有大量可回收养分，其有效管理对废物减量与资源循环至关重要。目前常用的机械生物处理（Mechanical–Biological Treatment, MBT）如堆肥和厌氧消化（Anaerobic Digestion, AD）虽能稳定废物，但消化液直接土地利用会带来酸化与富营养化等环境影响，且传统生命周期评价（Life Cycle Assessment, LCA）等方法依赖大量数据，现实中决策者常面临数据稀缺、不确定或非标准化的困境。现有知识在不同技术与可持续性维度间呈碎片化，缺乏跨路径比较的有效工具。因此，研究人员旨在解决如何在数据稀缺与不精确条件下评估市政生物废弃物养分回收整体可持续性的研究问题（RQ），以支撑稳健决策。该研究发表于《Waste Management》。

主要关键技术方法

研究人员采用两阶段设计。第一阶段通过系统文献综述（SLR）在ISI Web of Knowledge和Scopus数据库检索筛选40篇文章，识别相关处理路径，定义五种代表性养分回收场景（IVC、RO、DIS、AIR、HTC），并建立涵盖社会、经济、环境、技术四个维度的17项可持续性准则体系，提取或滚雪球补充生命周期成本（Life Cycle Costing, LCC）及LCA量化数据。第二阶段开发集成模糊三角函数t-余范数与t-范数的OPA-MARCOS模型，将六位专家的语言判断转化为三角模糊数（TFN）以确定准则权重，将量化数据赋予±10%不确定性转为模糊值，结合主客观信息构建模糊决策矩阵进行归一化加权与效用度计算排名，并通过敏感性分析与经典清晰模型对比验证稳健性与优越性，同时开发了Python图形用户界面（GUI）供实践应用。

研究结果

3.1 OFMSW treatment processes and configurations from life cycle perspectives

研究人员通过文献合成发现，填埋、生物干燥和堆肥配置环境 Impact 较高；单独AD配置对海洋富营养化负担最大；AD结合固体分数消化液（Solid Fraction of Digestate, SFD）堆肥并利用沼气在烟雾创造与矿物资源节约方面表现最佳。这些反复出现的配置被用于识别后续场景评估的代表性路径。

3.2 Scenarios of municipal biowaste treatment pathways for nutrient recovery

基于SLR与敏感性分析，研究人员构建了五种处理路径场景：IVC利用旋转钢仓生产生物肥料堆肥；RO场景对消化液进行超滤与反渗透生产液体肥料与去矿物质水；DIS场景从液体分数（Liquid Fraction of Digestate, LFD）经蒸馏结晶生产固体NH₄HCO₃；AIR场景通过空气吹脱与吸收生产固体(NH₄)₂SO₄；HTC场景采用酸辅助水热碳化生产水热炭（hydrochar）与工艺水，并经化学沉淀回收鸟粪石（struvite）。

3.3 Sustainability criteria for evaluating the scenarios of treatment pathways

研究人员识别出17项准则并分为四类：社会（如PSA、新就业创造NEC、NPS）、经济（总投资成本TIC、总运营成本TOC、总维护成本TMC、产营养物质经济价值EVM）、环境（全球变暖潜势GWP、陆地酸化潜势TAP、淡水富营养化潜势FEP、海洋富营养化潜势MEP、臭氧层消耗潜势ODP、人致癌毒性潜势HCTP、人非致癌毒性潜势HNTP）、技术（电力消耗EC、技术可行性成熟度TFM、技术可用性TA），每项均界定为效益型或成本型准则。

3.4 Application of proposed integrated fuzzy OPA-MARCOS framework

3.4.1 Criteria weight Determination using trigonometric t-conorm and t-norm fuzzy OPA

通过模糊三角函数OPA线性模型聚合六位专家语言判断，得出准则模糊权重与清晰权重。PSA清晰权重最高（0.23092），其次为NPS（0.09902）、TOC（0.09096）、TIC（0.08298）、EC（0.07586）。表明最终排名受社会、经济、技术等非纯环境因素驱动。

3.4.2 Scenarios evaluation via trigonometric t-conorm and t-norm fuzzy MARCOS

计算各场景相对于理想与反理想解的效用度，IVC场景效用值最高（0.7217）排名第一，HTC（0.5834）第二，RO（0.4694）第三，DIS（0.3657）第四，AIR（0.2691）第五。表明技术成熟、实施复杂度低且综合可持续性好的路径优于高成本高工艺强度的先进选项。

3.4.3 Validation and sensitivity analysis

研究人员以5%间隔递减最高权重准则PSA进行20种情景敏感性测试，结果显示五种替代方案排名顺序始终稳定（IVC>HTC>RO>DIS>AIR），证实模型在权重变化范围内具有鲁棒性，IVC的主导地位不仅源于社会接受度，也综合了政策、成本、电力消耗与环境技术等多维表现。

3.4.4 Comparison with the crisp model

与经典清晰OPA-MARCOS对比，清晰模型中HTC排名第一、IVC第二，而模糊模型维持IVC第一。模糊模型对PSA等重要性高的准则赋予更高权重（0.23092 vs 0.15134），且避免了清晰模型因固定数值忽视不确定性而导致对人致癌毒性潜势（HCTP）等准则的过度强调，证明模糊三角函数聚合在处理专家判断不确定性与提供可靠决策结果上的优越性。

讨论与结论总结

讨论部分指出，PSA、TOC、FEP、EC分别为社会、经济、环境、技术维度最关键准则，路径选择受实施因素强烈影响，与既往文献中社区参与决定废物管理成败的观点一致。IVC因较低生命周期资本与维护支出、技术成熟及公众接受度高居首位；HTC因耦合水热炭与养分回收提升循环潜力居次，但其工艺水酸性与有机负荷需经后续处理；RO因能耗与富营养化影响排第三；DIS与AIR因高投资运营成本排末位，需在更强技术与经济条件下方可推广。研究人员提供了基于排名与情境的解读筛查指南，强调框架具地域适应性但需本地专家调整数据与权重，GUI已开源支持区域特定决策。研究局限在于文献数据异质性与专家面板规模较小，未来需标准化清单与扩大参与。

结论部分翻译总结：本研究通过结合生命周期绩效数据与基于专家的多准则决策分析（MCDA），评估了五种市政生物废弃物养分回收路径的整体可持续性，建立了含17项指标的准则体系。关键发现是，整合既往研究的协调生命周期证据与基于专家的模糊MCDA，即使在缺乏完整本地数据集时，也能为替代路径评估提供结构化一致基础。研究人员阐述了筛查指南以支持养分回收选项的比较评估与优先级排序，特别是在数据稀缺不确定的决策背景下。本研究可支持市政生物废弃物管理中养分回收选项的初步筛查与优先级排序，并可作为未来特定场地应用的基础。与其他非线性决策模型一样，若无GUI实施，随准则与替代方案增加计算负担可能加重，因此本研究进一步开发了灵活GUI供利益相关者与政策制定者无需高深数学或编程专长即可应用模型，未来研究可通过本地案例、扩大利益相关者参与及对比替代决策支持方法进一步强化框架。