上海交通大学王靖雯、南昌大学田西等RCR:废弃咖啡渣高值化利用的多维环境效益评价——从废弃物处理到能源与材料生产

图形摘要

文章标题：

Multifaceted environmental footprints of spent coffee grounds valorization:from waste management to fuel and material production

原文作者（^*通讯）：

Shuying Huang^a, Lan Wang^a, Jingwen Wang^b,*, Xi Tian^c,*, Mei Li^a, Xinyi Zhang^a, Dungang Gu^a, Tingting Hu^a, Rui Liu^a, Guanghui Li^d, Jiaqi Lu^a

作者单位：

a 上海工程技术大学环境与资源创新中心

b 上海交通大学环境科学与工程学院

c 南昌大学经济管理学院

d 浙江省绿色石化创新中心

关键词：

废弃咖啡渣；高值化利用；生命周期评价；生物基产品；情景分析

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921344926000765

随着咖啡消费的不断增长，废弃咖啡渣正从一种日常生活中不起眼的残余物，逐渐成为值得关注的新型有机废弃物资源。传统处理方式多以填埋或焚烧为主，但在循环经济与低碳转型背景下，这类富含有机质和能量的残余物也被视为潜在的资源载体。本研究从生命周期视角出发，将咖啡渣置于废弃物处理、生物燃料和材料生产三类利用路径中进行系统比较，综合评估不同技术路线在气候影响及多维环境指标上的表现，并进一步分析不同利用方式所对应的资源替代效应。通过在中国背景系统下构建情景比较，本研究不仅揭示了不同资源化路径之间的环境效益差异，也讨论了能源系统逐步脱碳条件下各类路径优势可能发生的变化，从而为废弃咖啡渣的高值化利用提供系统的环境评价依据。相关分析同时表明，对于食品有机废弃物而言，其可持续利用方式并不仅取决于技术可行性，还与替代对象、能源结构以及系统边界设定密切相关，这为理解有机废弃物资源化路径选择提供了新的研究视角。

随着中国咖啡消费量持续增长，废弃咖啡渣（spent coffee grounds, SCGs）的产生量也不断上升，并带来了显著的处理挑战。尽管目前已开发出多种实验室尺度的咖啡渣高值化利用路径，但其环境收益仍缺乏系统评估。本文采用 IPCC 2021 与 ReCiPe 2016 方法，对咖啡渣在废弃处理、生物燃料和材料生产三类路径下的气候影响及更广泛环境影响进行了比较分析。结果表明，在基准情景下，焚烧和填埋的碳排放分别为 0.233 和 0.406 kg CO₂-eq/kg SCGs，但二者都可因能源回收获得一定环境抵扣。相比之下，由咖啡渣制备生物乙醇的碳足迹最低，可达-0.856 kg CO₂-eq/MJ fuel；而基于油相发酵咖啡渣制备生物基塑料的路径，所表现出的低碳优势最稳健，为 -0.225 kg CO₂-eq/kg PE-eq。在背景能源系统逐步脱碳的条件下，基于废弃处理路径的能源回收，带来的环境效益会持续下降，而燃料和材料回收利用带来的环境优势则能够持续存在。本文构建的分析框架能够为SCGs高值化利用的可持续发展提供有力证据，也可推广至其他相关食品有机废弃物。

图1.不同废弃咖啡渣（SCGs）管理方式环境影响的整体框架图。 

本文框架由四个核心模块组成，用于评估 SCGs 的不同处理与利用路径。传统处理方式（蓝色），包括焚烧（INC）、填埋（LF）、厌氧消化（AD）和堆肥（COM），作为基准情景；高值化利用路径（黄色与绿色）则用于生产生物柴油、生物乙醇和聚羟基丁酸酯（PHB），并产生相应的环境效益。生命周期环境影响通过IPCC 2021 GWP100和ReCiPe 2016方法进行量化（橙色）。红色部分表示碳中和背景下的能源转型情景，其中S1-S3表示电网逐步脱碳并传导至全供应链，S4引入绿氢替代传统供热，S5则实现电力与热力的协同脱碳。

图2. 废弃咖啡渣（SCGs）管理的整体系统边界图。蓝色部分表示四种传统处理路径；绿色部分表示咖啡渣高值化利用路径，涵盖生物燃料与材料生产这两类过程。该图对各关键工艺环节及其投入与产出进行了简化表达。更详细的单元过程与参数信息，见补充材料中的图S1-S8。

图3. 基准情景下处理1 kg 废弃咖啡渣（SCGs）的不同路径环境效益与环境负担贡献分析。(a) 气候变化影响（GWP100，kg CO₂-eq），(b) 生态系统质量（species.yr），(c) 人类健康（DALYs），(d) 自然资源消耗（USD 2013）。柱状图对应不同路径：焚烧（INC）、填埋（LF）、厌氧消化（AD）、堆肥（COM）、生物柴油（BDS）、生物乙醇（BEL）、以及材料路径（HFP、OFP）。堆叠部分表示各过程贡献，包括电力消耗、热力消耗、辅助燃料与试剂、直接温室气体排放及其他环境排放。负值部分表示环境效益，包括回收电力、回收热能、产品替代及副产物收益。黑色虚线表示净环境影响。

图4. 不同情景下废弃咖啡渣（SCGs）利用路径在四类环境影响指标上的热图分析。图 (a)-(d) 表示相对于基准情景的变化百分比，分别对应：(a) 气候变化，(b) 生态系统质量，(c) 人类健康，(d) 自然资源消耗。颜色越偏绿色表示环境影响低于基准，越偏红色表示高于基准。

图5. 面向燃料路径的废弃咖啡渣（SCGs）高值化利用碳足迹瀑布图。图 (a)-(h) 展示在基准及转型情景下，生物柴油（BDS）与生物乙醇（BEL）单位能量（MJ）气候影响（kg CO₂-eq）的增量贡献。各分段包括避免焚烧的环境效益（AIC）及燃料产品替代效益。正值表示环境负担，负值表示环境效益，横向零线表示碳中性基准。

图6. 不同能源结构情景下，生物基塑料与聚乙烯（PE）路径对比的多指标雷达图。(a) 基准情景，(b) S3，(c) S4，(d) S5。坐标轴表示四类环境指标：气候变化（GWP）、自然资源（NR）、人类健康（HH）和生态系统质量（EQ）。多边形用于比较PE与生物基聚合物路径（GLU、HFP、OFP、WOP），距离原点越近表示环境影响越低。

Rising coffee consumption in China is increasing the generation of spent coffee grounds (SCGs), posing significant treatment challenges. Although numerous SCGs valorization pathways have been developed at lab-scale, their environmental credits remain underexplored. This study compares climate impacts and broader environmental profiles disposal, fuel production, and material synthesis for SCGs by IPCC 2021 and ReCiPe 2016 methods. In the China baseline, incineration and landfilling result in 0.233 and 0.406 kg CO₂-eq/kg SCGs, respectively, with considerable credits from recovered energy. The bioethanol production from SCGs would achieve the lowest carbon footprint of -0.856 kg CO₂-eq/MJ fuel, and oil-based fermentation remains the most robust low-carbon option (-0.225 kg CO₂-eq/kg PE-eq). Under decarbonized background systems, disposal-based energy recovery credits decline, whereas benefits from fuel and material recycling persist. The framework provides robust evidence for guiding the sustainable development of SCGs valorization, generalized to other food-related organic wastes.

黄娇娇，南昌大学经济管理学院，博士研究生

指导老师：田西，南昌大学，教授