《Process Safety and Environmental Protection》：Techno-environmental-economic evaluation of valorizing post-phytoremediation macrophyte (
Pistia stratiotes) biomass for bioenergy/biochar production: A multi-criteria sustainable scoring approach
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摘要污水植物修复后富含污染物的生物质不受控制地处置会增加二次污染的风险（例如对陆地环境的破坏）。本研究评估了植物修复后大薸（Pistia stratiotes）生物质（PPB）的可持续资源化利用，通过三个场景：直接厌氧消化（AD）、直接热解和碱预处理与沼渣热解相结合的集成系统
摘要
污水植物修复后富含污染物的生物质不受控制地处置会增加二次污染的风险（例如对陆地环境的破坏）。本研究评估了植物修复后大薸（Pistia stratiotes）生物质（PPB）的可持续资源化利用，通过三个场景：直接厌氧消化（AD）、直接热解和碱预处理与沼渣热解相结合的集成系统（APT/AD）。这三个策略与PPB填埋的"常规做法"进行了比较。虽然实验结果表明3% NaOH预处理使甲烷产量提高了2.96倍，但生命周期评估（LCA）揭示了高能源回收与化学品消耗环境风险之间的权衡。另一方面，"直接热解"方案表现出更环保的方式，原因在于减少了对合成化学品的依赖和改进了生物炭回收。采用TOPSIS多准则评分系统确定最优资源化路径，为废物管理行业的决策者提供了更清晰的框架。评分系统将集成APT/AD/热解方案确定为最可行的路径，其回收期最短（4.23年），内部收益率更高（25.89%）。通过权衡能源独立性和碳信用与运营支出，本研究证明评分方法是资源受限环境中实施循环经济模式的重要工具。
引言
利用水葫芦（大薸，Pistia stratiotes）植物进行无土栽培植物修复已被广泛应用于从废水中去除重金属（?entürk等，2023）、营养物质（Kurniawan等，2025）和有机污染物（Ajiboye等，2025）。然而，植物修复后大薸生物质（PPB）的不受控制处置可能会导致二次污染（Mukherjee等，2025），例如在分解过程中恶化周围土壤和地下水环境。此外，PPB中有毒物质释放进入食物链还可能带来多种人类健康风险，包括皮肤炎症、致突变性、呼吸系统疾病、过敏风险和致癌性（Ezz等，2023）。因此，环境经济上可行的PPB管理策略对于避免二次污染带来的生态和公共卫生风险以及增强利用植物修复技术进行废水修复的可持续性潜力至关重要。
利用木质纤维素PPB作为厌氧消化（AD）生产沼气的原料，已被认为是支持清洁/可再生能源过渡政策和"废物变财富"倡议的可靠途径（?entürk等，2023）。例如，Ajiboye等（2025）发现，纺织废水的PPB厌氧消化产生的沼气具有较高的生物甲烷（bio-CH4）含量72.43%，而水葫芦（Eichhornia crassipes）仅为65.72%。虽然大薸生物质富含碳水化合物，但可能含有高达25.25%的木质素（Mann等，2024）。木质素的复杂结构使其对微生物降解具有抗性（即水解速率较慢），这是限制木质纤维素生物质生产沼气的主要瓶颈（Vannarath和Thalla，2022）。因此，PPB的有效脱木质素对于克服这一瓶颈至关重要（Reddy等，2024）。0.5?3% w/v NaOH的碱预处理（APT）已成功应用于木质纤维素大薸生物质，通过皂化反应有效裂解木质素-碳水化合物键并使木质素溶解（Mann等，2024）。这一过程增加了纤维素在厌氧消化过程中对微生物的表面可及性（Bhati和Sharma，2025），从而提高了沼气生产力（Olatunji等，2024）。由于许多发展中地区可以低成本地本地生产NaOH（Rahmani等，2025），该方法可以绕过物理预处理的能量需求高的问题和生物路线的缓慢动力学问题（Hernández-Mendoza等，2021）。此外，APT/AD工艺辅以现场沼渣处理操作可以避免与填埋相关的环境风险，并增强项目的长期经济盈利能力（例如，避免每吨沼渣56.80美元的填埋成本）（Arifianti等，2025）。
通过热转化（350?900 °C）将厌氧消化沼渣转化为生物能源和/或其他增值材料，将支持废物变财富项目的循环经济，并促进废物管理行业的可持续实践（Morales等，2024）。热解技术为沼渣的热转化提供了有前景且多功能的方法，可产生生物油、生物炭和合成气产品（Okopi等，2024）。生物炭是一种富含碳的材料，具有多种官能团和适当的元素组成，通过络合和离子交换在吸附废水中的重金属污染物（Petrovi?等，2021）和土壤基质（Zhong等，2026）方面具有巨大潜力。利用沼渣衍生生物炭改善土壤组成和碳封存，同时减少温室气体（GHG）排放也已得到广泛认可（Basinas等，2023；Sharma等，2023）。由于生物炭众多环境应用和效益，其全球市场价格达到了0.09?8.85美元/kg（Mari Selvam等，2025）。在这方面，应全面评估集成APT/AD/热解系统的生命周期环境-技术经济可行性，以便为利用PPB进行双重生物能源/生物炭生产的使用决策提供信息。
最近，生命周期评估（LCA）与技术经济分析相结合已被用于提供对固体废物资源化利用的独立和/或集成AD/热解系统的可持续性和可行性的整体洞察（Morales等，2024）。LCA定量评估系统的环境影响，而技术经济分析确定其盈利能力（例如，内部收益率IRR、回收期和净现值NPV），以指导大规模商业化的决策（Rahmani等，2025）。在一项近期研究中，Morales等（2024）量化了六种污泥管理技术的环境影响，包括直接土地利用、焚烧、热解和/或AD。其中，直接热解是最可持续的方法，具有更大的减少毒理学影响的潜力，并提供从?111到?56 kg CO2-Eq/吨污泥的负碳排放（Morales等，2024）。相反，Zhang等（2024）和Zhao等（2025）报告称，通过集成AD/热解系统处理食品废弃物的环境效益高于独立工艺。这些矛盾的结论是由于底物、沼气/生物炭产量和技术条件（例如，原料预处理）以及地区差异不同所致，这可能阻碍政策和投资决策（Ren等，2025）。因此，为了选择最合适的PPB资源化利用方法，迫切需要多准则评估，同时考虑独立和集成AD/热解系统的环境可持续性和盈利能力。
虽然近期研究已展示了AD技术在PPB资源化利用中的应用，但仍需进一步研究以解决基质抗性、沼渣处置带来的二次污染风险以及总体技术-环境-经济可行性（见表S1中的现有研究空白）。为弥补这一研究空白，本研究评估了"常规"PPB管理实践（填埋）与三个不同的资源化路径的对比：未经处理的PPB直接AD、原始PPB直接热解，以及涉及基于NaOH的APT增强生物甲烷（CH4）回收后进行沼渣热解的集成系统。为平衡环境可持续性与财务可行性，研究目标为：(i) 对PPB进行基于NaOH的APT脱木质素并检查结构变化；(ii) 确定预处理与未预处理PPB的生物甲烷生产力；(iii) 对所得沼渣进行热解并与直接PPB热解合成的生物炭进行表征比较；以及(iv) 使用多种LCA中间点/终点类别和盈利指标评估环境和经济影响。此外，还实施了多准则评分系统以协助废物管理行业的决策者。
章节摘要
基质与接种物
用作基质的PPB采集自工业纺织废水的无土栽培深度净化系统（Dadebo等，2026）。PPB用自来水彻底冲洗以去除表面附着物，在室温下风干48小时，然后在60 ℃下烘干24小时以去除残余水分。然后将干燥的生物质研磨，通过40目筛，存放在气密ZeroFly?密闭袋中备用。厌氧污泥从…采集。
碱预处理对大薸（P. stratiotes）生物质的影响
通过分析NaOH处理前后的成分、表面形貌、官能团和结晶度，确定了APT对PPB物理化学和结构特性的影响（图3）。
结论
本研究建立了一个全面的评估框架，集成了实验室性能、生命周期评估（LCA）和技术经济分析，以评估通过三个不同路径对植物修复后大薸生物质（PPB）进行资源化利用的可持续性：直接厌氧消化（AD）、直接热解，以及集成APT/AD/热解系统。结果证实，基于NaOH的碱预处理（APT）显著破坏了PPB的木质纤维素结构，…
CRediT作者贡献声明
Derrick Dadebo：写作 – 初稿，方法论，正式分析。Mona G. Ibrahim：可视化，指导。Manabu Fujii：指导，概念化。Mahmoud Nasr：写作 – 审阅与编辑，可视化，指导，概念化。
利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的相互竞争的财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报道的工作。
致谢
第一作者感谢TICAD8。同时，感谢JICA日本国际协力机构提供了完成本研究所需的所有设备和设施。最后一位作者感谢JICA: TC1-26-1。
Derrick Dadebo|Mona G. Ibrahim|Manabu Fujii|Mahmoud Nasr
