《Resources, Conservation and Recycling》：Multifaceted environmental footprints of spent coffee grounds valorization: from waste management to fuel and material production
编辑推荐：
中国咖啡消费增长导致咖啡渣（SCGs）处理压力增大，现有实验室级资源化路径的环境效益评估不足。本研究基于IPCC 2021和ReCiPe 2016方法，对比SCGs处置、燃料生产与材料合成三种路径的环境影响，发现生物乙醇（-0.856 kg CO?-eq/MJ）和油基发酵（-0.225 kg CO?-eq/kg PE-eq）具有最优碳足迹，而传统处置（焚烧0.233 kg CO?-eq/kg，填埋0.406 kg CO?-eq/kg）产生显著碳排放。在低碳转型背景下，资源回收路径的环境效益保持稳定，而传统处置的碳减排优势减弱。本框架为食品有机废弃物循环利用提供系统评估方法。
黄书颖|王兰|王静文|田曦|李梅|张欣怡|顾东刚|胡婷婷|刘瑞|李光辉|卢家琪
上海工程技术大学环境与资源创新中心，中国上海市松江区龙腾路333号，邮编201620
摘要
中国咖啡消费量的增加导致了咖啡渣（SCGs）的产生量不断上升，这给其处理带来了重大挑战。尽管已经开发出了许多实验室规模的咖啡渣增值途径，但其环境效益尚未得到充分探索。本研究通过IPCC 2021和ReCiPe 2016的方法，比较了咖啡渣在不同处理方式下的气候影响及更广泛的环境效益，包括处置、燃料生产和材料合成等方面。在中国基准情景下，焚烧和填埋分别产生0.233和0.406千克二氧化碳当量的碳排放，而通过回收能源可以获得显著的环境效益。利用咖啡渣生产生物乙醇的碳足迹最低，为-0.856千克二氧化碳当量/兆焦耳；基于油的发酵则是最具有低碳潜力的方法（-0.225千克二氧化碳当量/千克产物）。在脱碳背景系统下，基于处置的能源回收效益会下降，但燃料和材料回收带来的效益依然存在。该框架为咖啡渣的可持续增值提供了有力支持，并可推广应用于其他食品相关有机废弃物。
引言
快速的城镇化进程以及收入的增长推动了家庭和食品服务的消费（Tzachor等人，2024年），这导致了湿有机废弃物的产生以及废弃物处理过程中温室气体（GHG）排放的增加（Osabohien等人，2025年；Wang和Azam，2024年）。湿有机废弃物占城市固体废弃物（MSW）的很大比例，给废物管理系统带来了压力（Lawal等人，2024年）。从废弃物中回收燃料和材料是实现循环经济的关键（Bijla等人，2022年；Zhang，2024年）。然而，这些增值过程通常需要额外的能源、溶剂和其他辅助材料（Gbadeyan等人，2024年），这些投入可能会将负担转移到供应链上，从而增加间接的温室气体排放和其他环境影响，可能不利于实现可持续发展目标（SDGs）（Ma等人，2025年；Silva等人，2024年）。因此，有必要评估湿有机废弃物增值途径的净效益（Ali等人，2024年）。
咖啡渣（SCGs）是咖啡制备和消费过程中产生的常见食品相关废弃物（Bijla等人，2025年）。2023年全球咖啡消费量达到了1062万吨，每千克烘焙咖啡大约会产生0.5–0.6千克的咖啡渣（Chavhan等人，2024年；Gole和Seyoum，2024年）。目前，大多数咖啡渣仍作为食品加工废弃物进入城市固体废弃物系统（Kisiga等人，2024年）。传统的城市固体废弃物管理主要依赖于填埋（LF）和焚烧（INC）（Devi等人，2024年；Raman等人，2024年）。填埋在厌氧条件下会产生甲烷，从而加剧气候变化（Scharff等人，2024年）。焚烧可以减少废弃物体积，但由于咖啡渣含水量高，燃烧效率降低，可能会增加能源需求和空气污染物排放（Sikder等人，2024年）。因此，高效的咖啡渣处理和资源回收对于推进循环经济和减轻处置压力至关重要（Ahmed等人，2024年；Supang，2024年）。
鉴于此，人们越来越关注利用咖啡渣内在成分的增值途径（Tsigkou等人，2025年；Zakarya和El Kamli，2025年）。咖啡渣中的木质纤维素基质以及残留的脂质和蛋白质支持多种增值方式（Choe，2025年）。传统的咖啡渣增值途径多针对低价值应用，如堆肥、动物饲料和废弃物衍生燃料（Choi和Park，2025年），但这些方法通常经济效益有限，环境效益也不明显（Chandrasekharan Nair等人，2025年）。最近的研究开始转向具有市场潜力或与能源转型和碳中和相关的的高价值应用（Kisiga等人，2024年）。然而，大多数技术仍处于实验室或试点阶段，其系统层面的环境影响仍不确定（Al-Samaraae等人，2025年）。因此，需要进行事前的生命周期评估（ex-ante LCA）以识别关键问题并量化净效益（Choubane等人，2025年）。
尽管对咖啡渣增值的研究日益增多，但方法学上的空白仍然存在。现有的关于咖啡渣管理的生命周期评估（LCA）研究范围较窄，且大多基于单一功能单元。大多数研究侧重于处理过程，并采用基于抵消的核算方法。针对咖啡渣衍生燃料和材料的基于产品的足迹评估较为少见（Gosalvitr等人，2025年；Mahmoud等人，2022年）。因此，不同途径之间的可比性有限，结论可能存在偏差。此外，评估的深度受到有限指标集的限制（Atabani等人，2023年；Wang等人，2025年）。值得注意的是，大多数研究仅报告了碳足迹，未能充分考虑更广泛的环境影响，从而削弱了对回收产品影响的精准归因（Forcina等人，2023年）。此外，在焚烧过程中对生物源二氧化碳的处理不一致，或者忽略了回收产品中储存的碳，可能会导致对净环境效益的估计偏差（Huang等人，2025年）。基于我们之前的研究，情景分析通常只更新了前端能源投入，而没有一致地考虑供应链的脱碳情况，这可能影响不同情景之间的可比性（Huang等人，2025年；Tang等人，2025年）。
为了解决这些问题，本研究开发了一个多视角框架来评估咖啡渣管理的环境足迹。评估了三种管理途径：当咖啡渣被视为废弃物时，环境影响以单位质量表示，效益表现为避免处置所带来的环境效益；当咖啡渣被转化为燃料时，环境影响以每兆焦耳能量的形式表示，效益反映了化石燃料的替代和避免处置带来的环境效益；当咖啡渣作为聚合物合成的原料时，环境影响按包装功能当量进行量化，并与石化聚乙烯（PE）和传统聚羟基丁酸酯（PHB）进行对比。本研究还明确考虑了生物碳的储存。未来的情景分析将包括电网脱碳和绿色氢能的部署，从而确保不同途径之间的可比性。总体而言，该框架支持在低碳转型背景下对咖啡渣的增值和食品相关有机废弃物的循环管理。
研究框架概述
咖啡渣增值的环境效益评估研究框架
为了系统地评估咖啡渣管理的环境性能，我们在明确的系统边界内建立了一个生命周期评估（LCA）框架（图1）。
该框架包含五个组成部分，其中明确定义了三种管理途径。首先，我们假设咖啡渣来源于食品相关废弃物，其水分含量为43.5%，详细成分见支持信息（SI）中的表S1（Gosalvitr，2021年）。
不同咖啡渣管理策略的环境足迹比较
基于第2.2节建立的模型，图3a-d展示了八种管理策略处理1千克咖啡渣的环境足迹。在当前情况下，传统处置途径的环境负担通常高于资源回收途径。从气候变化的影响来看（图3a），所有四种传统途径都产生了净正排放，其中厌氧消化（AD）的排放量最高（0.913千克二氧化碳当量）。
结论
比较分析表明，咖啡渣管理的环境性能很大程度上取决于具体的处理途径，并且对能源系统的转型非常敏感。从废弃物的角度来看，传统处置方式是最不利的。填埋产生的环境负担约为每千克咖啡渣0.406千克二氧化碳当量，主要源于甲烷泄漏；焚烧的表现稍好（0.233千克二氧化碳当量），但在电网脱碳背景下，其竞争力会下降。增值途径显示出...
作者贡献声明
黄书颖：撰写——初稿、方法论、研究、数据分析、数据整理。王兰：撰写——初稿、可视化、方法论、研究、数据分析、数据整理。王静文：撰写——初稿、可视化、方法论、研究、数据分析、数据整理。田曦：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、资金获取、数据整理。李梅：撰写——初稿、可视化、数据整理。张欣怡：
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（项目编号52400242）、浙江省重点研发计划（项目编号2024SJCZX0049）和江西省自然科学基金（项目编号20242BAB23050）的支持。
