将超市食品垃圾转化为资源：通过碳足迹和生命周期成本分析对生物炭转化的可持续性进行评估

《Cleaner Engineering and Technology》：Transforming Supermarket Food Waste to Resource: A Sustainability Assessment of Biochar Conversion Using Carbon Footprint and Life Cycle Cost Analyses

　　 Pornpawit Karpkerd | Suneerat Fukuda | Trairat Muangthong-on
环境工程系，工程学院，曼谷蒙固王科技大学通布里分校

**摘要**
本研究分析了泰国一家超市产生的安全食品废物（SFW）的类别和数量。研究人员收集了曼谷某超市的食品废物，对其进行了分类和分析，并评估了四种管理方案的碳足迹（CF）和生命周期成本（LCC）：填埋、能源回收焚烧以及将生物炭转化为替代燃料和土壤改良剂——以每吨产生的SFW为功能单位。CF使用IPCC 2013 LCIA方法计算，而LCC包括投资、运营和维护成本。研究结果表明，水果和蔬菜（67.91%）在SFW中占比最高，表明其适合用于有机废物转化；而塑料（78.69%）构成了大多数超市包装废物（SPW），显示出分离和材料回收的潜力。填埋方式带来的环境和经济负担最大，CF为622.31 kgCO2eq，LCC为66.64美元。能源回收焚烧产生的CF为273.57 kgCO2eq，LCC收益为-25.27美元。将生物炭转化为替代燃料可避免57.53 kgCO2eq的排放，LCC为33.51美元；而将生物炭用作土壤改良剂则能避免560.33 kgCO2eq的排放，但LCC为54.71美元。这些结果凸显了SFW生物炭转化的环境效益，尤其是在土壤改良应用方面，尽管其经济表现仍有提升空间。

**1. 引言**
食品废物是指因变质、库存过剩、消费者口味偏好或过度煮熟而被丢弃的可食用食物（UNEP，2021）。这一问题在环境和经济层面都具有重要意义。管理食品废物所需的成本超过9000亿美元（Mak等人，2020）。在泰国，每年产生的食品废物达970万吨，占城市固体废物（MSW）的48%，并导致全国温室气体（GHG）排放量的4.7%（PCD，2024）。鉴于此，食品废物管理对实现可持续发展目标（SDGs）构成了挑战（联合国，无日期）。为解决这一问题，美国环境保护署（USEPA）制定了食品回收层级体系（USEPA，2020），强调废物预防、食物捐赠和替代利用。

超市食品废物（SFW）是指从超市中丢弃的食物产品，占总食品废物的13%（Kaza等人，2018）。SFW相对均匀，主要由预消费的水果和蔬菜组成。相比之下，家庭和餐饮业的食品废物通常包含多种主食、肉类和蔬菜（Ho和Chu，2019）。这种均匀性有助于SFW的管理和利用（D'Adamo等人，2023）。然而，关于SFW的数量和利用的研究仍有限（Cicatiello等人，2017）。一些研究试图量化超市产生的SFW的数量和成分。Lebersorger和Schneider（2014）分析了澳大利亚612家零售店的SFW，发现水果和蔬菜的平均废料率分别为4.19%、1.14%和3.99%；Kliaugait?和Kruopien?（2017）调查了立陶宛的21家零售店，发现鱼、肉、乳制品、水果和蔬菜以及烘焙产品的年产生量分别为约26吨、32吨、30吨、40吨和33吨；Cicatiello和Franco（2020）报道意大利13家超市的SFW平均产生量为每平方米销售面积19.0公斤（每家店铺的平均销售面积约为1500平方米）。其成分包括水果和蔬菜（36%）、烘焙产品（18%）、包装熟肉（15%）、杂货（12%）、海鲜（6%）、熟食（6%）、未包装熟肉（1%）和冷冻食品（1%）。Goodman-Smith等人（2020）报告新西兰11家超市每天产生约1861公斤SFW，主要由肉类和鱼类（50%）、乳制品（14%）、烘焙产品（12%）、主食（7%）、饮料（4%）、新鲜蔬菜（4%）和其他废物（6%）组成。尽管这些研究提供了关于SFW数量和成分的宝贵信息，但它们主要关注物理指标（如重量和百分比），并未包含环境和经济评估。

为克服这一局限性，人们广泛应用碳足迹（CF）和生命周期成本（LCC）分析来评估符合食品回收层级体系（USEPA，2020）的SFW管理策略的环境和经济性能。先前的研究一致表明，回收和再利用方案优于处置方式。例如，Eriksson等人（2015）发现食物捐赠（-0.3 kgCO2eq/公斤SFW）和厌氧消化（-0.7 kgCO2eq/公斤SFW）的环境影响低于填埋（2.0 kgCO2eq/公斤SFW）和焚烧（0.0 kgCO2eq/公斤SFW）。Brancoli等人（2017）也得出了类似结论，指出动物饲料（-2.0 kgCO2eq/公斤SFW）和带包装回收的厌氧消化（-1.8 kgCO2eq/公斤SFW）具有环境效益。Albizzati等人（2019）进一步表明，厌氧消化（-0.1 kgCO2eq/公斤SFW）和能源回收焚烧（-0.2 kgCO2eq/公斤SFW）也能带来环境效益。

尽管取得了这些进展，但对SFW管理进行LCC分析的研究仍然很少。Albizzati等人（2019）报告称，厌氧消化和能源回收焚烧的LCC约为0.1欧元/公斤SFW。然而，大多数现有的LCC研究关注的是家庭和餐饮业的食品废物，而不是SFW，这表明在SFW管理策略的经济评估方面存在明显的研究空白。为填补这一空白，本研究提供了针对食品废物管理和利用的特定行业环境和经济见解。这些发现有助于超市和相关利益相关者制定更可持续且具有成本效益的策略。

**2. 材料与方法**
研究方法和材料分为三个部分：曼谷的废物管理实践、超市食品废物（SFW）和包装废物（SPW）的数据收集，以及碳足迹（CF）和生命周期成本（LCC）分析。

**2.1. 曼谷的废物管理实践**
在泰国首都曼谷，曼谷市政管理局（BMA）通过50个区办事处管理城市固体废物（MSW）的收集和处置。2022-2023年间，曼谷每天产生约8900吨MSW，其中食品废物占比最大（49%），其次是塑料和泡沫（20%）、纸张（11%）和其他材料（20%）（Vikitsreth，2024）。通过与BMA官员的半结构化访谈和个人交流，了解了曼谷的废物管理实践。图1展示了BMA的MSW管理流程。每个区的废物被送往附近的废物处理中心（WDC）——Nong Khaem、Sai Mai和On Nut。这些中心包含废物转运站（WTS）、废物转化为能源的电厂（WtE）、堆肥厂、废水处理厂（WWTP）等设施。Sai Mai WDC每天向一个卫生填埋场（SanLS）输送约2400吨废物；Nong Khaem WDC每天向同一个SanLS输送约3000吨废物；另外500吨废物在WtE现场焚烧，产生的灰烬被送往另一个卫生填埋场（SecLS）；On Nut WDC每天向另一个卫生填埋场（SanLS）输送约1000吨废物，向现场堆肥厂输送约1600吨废物，向现场机械-生物处理厂（MBT）输送约400吨废物。

**2.2. SFW和SPW数据收集**
SFW的数量记录在超市母公司管理的数据库中。公司官方批准访问这些数据。由于SPW的数量未单独记录（与SFW一起出售），因此通过估算来确定SPW的分布情况。收集的SFW数据包括2023年的部门、类别和数量信息。数据被分为八类：水果和蔬菜；饮料；糖果、甜点和零食；肉类；面包和烘焙产品；即食餐；乳制品和鸡蛋；以及其他（参考Eriksson（2015）、Brancoli等人（2017）、Cicatiello等人（2016）、Cicatiello和Franco（2020）以及Goodman-Smith等人（2020）的研究）。

SPW的估算分为几个步骤：首先根据外观识别与每项SFW相关的SPW（如塑料袋、铝箔、瓶子、托盘、罐头、纸箱、纸盒），并按相似性分组；然后选择每组的代表性样本进行材料鉴定和称重，以确定包装与食品的重量比例；最后将该比例应用于同一外观组中的其他物品，以估算总重量。根据MSW类型（PCD，2022），将包装分为五个类别：塑料、纸质包装、玻璃、金属和其他。

**2.3. 碳足迹和生命周期成本分析**
**2.3.1. 范围和系统边界**
为了与BMA的废物管理实践保持一致，以填埋和能源回收焚烧作为基线方法。此外，还评估了将SFW转化为生物炭（CP）的方案，考虑其作为替代燃料和土壤改良剂的用途。因此，评估了四种方案：
- SC-1：填埋
- SC-2：能源回收焚烧
- SC-3：将SFW转化为生物炭作为替代燃料
- SC-4：将SFW转化为生物炭作为土壤改良剂

系统边界从超市（SM）产生的SFW和SPW到最终处置。功能单位（FU）为每吨（1000公斤）SFW的管理。提出的废物管理和设施位置如图2所示。

在SC-1和SC-2中，SFW和SPW由公共废物收集员混合收集。废物通过Garbage Truck运输约20公里至废物转运站（WTS），再由转运站运至废物处理中心（WDC）。随后，废物通过半挂车运输至更大的转运站，以提高效率。在废物转移过程中，饮料类别产生的废水被排放至现场废水处理厂（WWTP）。在SC-1中，废物从转运站运输约80公里至卫生填埋场（SanLS）进行最终处置；在SC-2中，废物运输约1公里至现场废物转化为能源的电厂（WtE）进行焚烧发电，替代国家电网发电。在SC-3和SC-4中，SFW和SPW在超市由工作人员手动分离。分离出的超市食品废物（SFW）被出售给了一家废物回收商进行物质回收，以替代等量的生产。分离出的塑料废物（SPW）则由垃圾车收集并运输到与之前情景相同的废物处理站（WTS）。废物随后被转移到半挂车上。来自塑料废物的废水被排放到现场的污水处理厂（WWTP）。塑料废物随后被运输大约1公里到达热解场所（PS）。由于热解不是曼谷市政管理局（BMA）当前城市固体废物（MSW）管理实践的一部分，因此建议在同一废物处理中心内设置一个结合环境干燥和热解过程的热解设施，以形成一个综合的废物管理集群。假设使用的传统热解设备为Beston BST-50型号（Beston，无日期记录），该设备在全球范围内得到了广泛应用（Beston，无日期记录），也在泰国得到使用（Puro Earth，无日期记录）。到达后，塑料废物使用轮式装载机进行摊开以进行环境干燥，将水分从70%降低到15%，以满足热解设备的要求（Beston，无日期记录）。随后，经过环境干燥的塑料废物被送入热解设备进行热解。

在SC-3情景中，产生的生物炭通过半挂车运输大约1公里，到达与SC-2中相同的废物转能源设施（WtE）用于发电。产生的灰烬被运输大约160公里到达相同的固体废物储存设施（SecLS）。在SC-4情景中，生物炭被运输大约80公里到稻田中用于土壤改良，带来了包括碳储存、减少温室气体排放和减少化学氮磷钾肥使用量等好处。

2.3.2. 塑料废物和生物炭的特性
塑料废物和生物炭的化学和物理特性采用了文献中的数据。低温热解（300–500°C）能保留较高的挥发性物质（VM）比例，并产生良好的可燃性（Park等人，2023年），使其更适合用作替代燃料。然而，高温热解（500–700°C）由于木质纤维素生物质中的木质素分解会增加生物炭的孔隙率（Gale等人，2021年；Lu和Gu，2022年），提高其稳定性，并提升pH值和阳离子交换能力（Park等人，2023年），使其更适合用于土壤改良。在本研究中，塑料废物及其生物炭的特性采用了文献中的数据。由于关于塑料废物及其生物炭的实验研究有限，因此使用家庭和食品服务产生的食物废物作为代表，因为这些废物的成分相似。关键特性在表1中呈现。

表1. 超市食品废物（SFW）、超市包装废物（SPW）和SFW生物炭的特性
| 特性 | 单位 | 参考文献 |
|-------------|------------|-------------|
| 水分含量 | %（重量） | Selvam等人，2021年 |
| 碳含量 | %（重量） | Elkhalifa等人，2019年 |
| 灰分含量 | %（重量） | Elkhalifa等人，2019年 |
| 低热值（LHV） | MJ/kg（干基） | Azargohar等人，2013年 |
| SPW中的塑料含量 | %（重量） | Q等人，2015年 |
| SPW中的纸张包装含量 | %（重量） | Q等人，2015年 |
| SPW中的玻璃含量 | %（重量） | Q等人，2015年 |
| SPW中的金属含量 | %（重量） | Q等人，2015年 |
| SPW中的其他含量 | %（重量） | Q等人，2015年 |
| SPW生物炭的灰分含量 | %（干基） | Miranda Santos等人，2017年；Awad等人，2024年 |
| SPW生物炭的碳含量 | %（重量） | Grycová等人，2016年；Pradhan等人，2020年 |
| SPW生物炭的灰分含量 | %（干基） | Ahn等人，2024年 |

为了确保替代燃料和土壤改良应用之间的公平比较，选择了500°C的热解温度。这个温度被选为低温和高温热解范围之间的代表点，所产生的生物炭在可燃性、孔隙率和稳定性之间达到了平衡（Park等人，2023年；Guo等人，2025年；Kavindi等人，2025年）。此外，更高的热解温度需要更多的能量投入和资源使用，可能导致与环境和经济负担相比更高的成本。另外，500°C处于实际热解系统的典型操作范围内（380–550°C）（Beston，无日期记录）。

2.3.3. 清单分析
清单分析包括了塑料废物和超市食品废物的重量分布、其生物炭的特性以及废物处理设施的处理能力。通过半结构化访谈获得了废物处理站（WTS）、污水处理厂（WWTP）、废物转能源设施（WtE）、固体废物储存设施（SanLS）和固体废物储存设施（SecLS）的处理能力，并从曼谷市政管理局（BMA）发布的官方记录中收集了它们的总价预算（BMA，2025年）。燃料消耗、热解设备规格和公用事业成本来自文献。对于SC-3和SC-4情景，假设使用Beston BST-50型号进行热解。所有相关参数都提供在补充材料中（表D）。根据相关设施的处理能力进行了质量分配，以分配SFW和SPW管理的排放和成本。分配因子（AF）使用公式 Eq-1 计算，其中表示输入质量。发电量使用焚烧材料的低热值（LHV）计算，并考虑了废物转能源设施的能量转换效率。每种情景的清单分析结果在表2中呈现。

表2. 四种不同SFW管理情景的清单分析
| | SC-1 | SC-2 | SC-3 | SC-4 |
|-----------------|------------|--------------|--------------|--------------|
| 输入 | | | | |
| 超市食品废物（SFW） | kg | 1,000.00 | 1,000.00 | 1,000.00 |
| 超市包装废物（SPW） | kg | 124.00 | 124.00 | 124.00 |
| 辅助燃料（柴油） | kg | 3.94 | 3.94 | 4.15 |
| 电力 | kWh | 0.19 | 0.19 | 7.90 |
| 水 | L | 11.89 | 11.89 | 18.52 |
| 劳动力 | 小时 | 1.50 | 1.50 | 39.23 |
| 垃圾车运输 | t·km | 22.48 | 22.48 | 20.00 |
| 半挂车运输 | t·km | 81.92 | 6.65 | 3.15 |
| 产品 | | ------------| ------------| ------------|
| 回收的SPW | kg | -- | 124.00 | -- |
| 焚烧的生物炭 | kg | -- | 89.10 | -- |
| 用于土壤改良的生物炭 | kg | --- | 89.10 |
| 副产物 | | ----------------| ----------------| ----------------|
| 热解可凝结气体 | kg | -- | 113.40 | 113.40 |
| 热解不可凝结气体 | kg | -- | 67.50 | 67.50 |
| 环境干燥和热解产生的水分 | kg | -- | 630.00 | 630.00 |
| 废物 | kg | 100.00 | 100.00 | 100.00 |
| 垃圾填埋的SFW | kg | --- | --- | --- |
| 垃圾填埋的SPW | kg | --- | --- |
| 焚烧的SPW | kg | -- | 900.00 | -- |
| 焚烧的SPW | kg | -- | 124.00 | -- |
| 垃圾填埋的灰分 | kg | -- | 35.17 | 13.50 |
| 替代的SPW生产 | kg | -- | 124.00 | -- |
| 电力生成 | kWh | -- | 630.02 | 184.08 |
| 碳储存 | kg C | --- | 46.78 |
| 减少温室气体排放 | kg CO2 / CH4 / N2O | --- | 176.64 / 2.60 / 0.16 |
| 减少化学肥料使用 | kg N / P2O5 / K2O | --- | 0.71 / 0.78 / 2.05 |

2.3.4. 影响分析
碳足迹（CF）是通过将清单数据乘以相应的排放因子（EF）计算得出的（其中表示设施中的活动）。每种情景的净碳足迹（Net CF）可以使用公式 Eq-2 计算。排放因子（EF）值来自BioEnergieDat（openLCA Nexus，无日期记录）和泰国国家生命周期评估（TIIS，无日期记录）数据库，使用IPCC2013 GWP100a LCIA方法，如表3所示。

表3. 来自BioEnergieDat和泰国国家生命周期评估数据库的排放因子（EF），采用IPCC2013 GWP100a LCIA方法。
| | EF（kgCO2eq/单位） | 参考文献 |
|-----------------|------------|--------------|
| SPW回收（塑料） | 1.9458 | 表4 |
| 纸张包装 | 1.8679 | 表4 |
| 玻璃 | 0.8075 | 表4 |
| 金属 | 3.2840 | 表4 |
| 其他 | 0.7062 | 表4 |
| 垃圾车运输（100%负载） | t·km | 0.0473 | TN |
| 垃圾车运输（0%负载） | t·km | 0.4911 | TN |
| 半挂车运输（100%负载） | t·km | 0.0448 | TN |
| 半挂车运输（0%负载） | t·km | 0.8402 | TN |
| 电力生产 | kWh | 0.2392 | BE |
| 电力消耗混合 | kWh | 0.5967 | TN |
| 水供应 | m3 | 0.7948 | TN |
| SFW填埋 | kg | 0.5771 | BE |
| 塑料填埋 | kg | 0.0722 | BE |
| 纸张包装填埋 | kg | 0.9904 | BE |
| 玻璃填埋 | kg | 0.0124 | BE |
| 金属填埋 | kg | 0.0153 | BE |
| 其他填埋 | kg | 0.8068 | BE |
| 灰分填埋 | kg | 0.0124 | BE |
| 垃圾焚烧 | SFW | t | 49.74 | BE |
| 塑料焚烧 | t | 2,278.51 | BE |
| 纸张包装焚烧 | t | 37.29 | BE |
| 玻璃焚烧 | t | 53.42 | BE |
| 金属焚烧 | t | 53.42 | BE |
| 其他焚烧 | t | 330.95 | BE |
| 废水处理 | kg未经处理的水 | 0.0836 | BE |
| 柴油生产 | kg柴油产量 | TN |
| 柴油燃烧 | L柴油 | 2.7076 | TN |
| 生物炭燃烧 | kWh发电量 | 0.0753 | BE |
| 生物炭生产 | 不可凝结气体排放 | kg | 0.6821 | Miranda Santos等人，2017年 |

化学肥料使用量：
| 化学肥料（N） | kg | 7.9865 | TN |
| P2O5肥料 | kg | 1.5716 | TN |
| K2O肥料 | kg | 0.4974 | TN |
| TGO（来自产品的碳足迹） | | TN | Thailand Greenhouse Gas Management Organization，2018年 |
| TN（泰国国家生命周期评估数据库） | TN | TIIS，无日期记录 |
| BE（BioEnergieDat数据库） | TN | openLCA Nexus，无日期记录 |

生命周期成本（LCC）包括了投资、运营和维护成本。在可行的情况下，使用总价预算来计算这些成本组成部分。净生命周期成本（Net LCC）作为所有相关成本和节约的现值（PVs）之和的现值（NPV）计算得出。每种情景的净生命周期成本可以使用公式 Eq-3 计算，其中表示设施中的活动，未来值为，折现率为 r（5%（美国运输部，2022年）），基准年为2023年，期限为。

3. 结果与讨论
3.1. 超市食品废物（SFW）和塑料废物（SPW）的特点
超市食品废物（SFW）的数据（2022年5月–2023年4月）来自曼谷Thung Khru区的一家超市，该超市的销售面积为1,567平方米。数据包括部门、类别、重量和每单位成本。SFW被分为八个类别，如2.2节所述。碳足迹（CF）是使用每种SFW和超市包装废物（SPW）类别的排放因子（EF）计算的，如表4所示。SFW的重量、价格和CF概况显示在图3中，而SPW的重量和CF概况显示在图4中。

表4. 超市食品废物（SFW）和超市包装废物（SPW）的排放因子（EF），用于CF计算（详见补充材料中的表A和C）。
| 类别 | EF（kgCO2eq/kg） | 参考文献 |
|-----------------|--------------|-----------------|
| SFW（水果和蔬菜） | 0.4533 | |
| SFW（饮料） | 1.5290 | |
| SFW（糖果、甜点和零食） | 2.3071 | |
| SFW（肉类） | 8.6479 | |
| SFW（面包和糕点） | 1.2545 | |
| SFW（即食食品） | 5.2252 | |
| SFW（乳制品和鸡蛋） | 9.5455 | |
| SFW（其他） | 3.0171 | |
| SPW（塑料） | 1.9458 | |
| SPW（纸张包装） | 1.8679 | |
| SPW（玻璃） | 0.8075 | |
| SPW（金属） | 3.2840 | |
| SPW（其他） | 0.7062 | |

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图3. 来自超市的SFW的年重量、价格和CF概况（详见补充材料中的表B）。
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图4. 来自超市的SPW的年重量和CF概况（详见补充材料中的表C）。SFW和SPW的总重量分别为17,547.59公斤/年和2,175.30公斤/年，比例为0.124公斤SPW/kg SFW。SFW的总成本为78,015.54美元/年，其总CF为22,894.77公斤CO2eq/年。在所有SFW类别中，水果和蔬菜在重量、价格和CF方面的占比最高，分别为67.91%、53.44%和23.59%。相比之下，肉类和乳制品及在500°C下进行热解时，大约会产生33%的生物炭（Miranda Santos等人，2017年；Awad等人，2024年），42%的凝集性气体和25%的非凝集性气体（Miranda Santos等人，2017年）。根据干基计算，所得到的SFW生物炭含有约70%的碳（Grycová等人，2016年；Pradhan等人，2020年）。SFW生物炭的灰分含量是根据热解过程中灰分守恒的理论估算得出的。基于原始SFW干基重量的100%，含有5%的灰分，以及33%的生物炭产率，生物炭中的灰分含量为15.15%（干基）。SFW生物炭的低位热值约为25 MJ/kg。

3.2.2. 库存数据
根据包装与食品的重量比0.124 kg SPW/kg SFW和饮料部分的权重为10%（从9.63%四舍五入），共管理了1,000 kg的SFW（其中包括100 kg的废水）和124 kg的SPW，这些数据按照定义的功能单元进行统计。每种情景的库存数据见表2。物料流程图如图5所示，上游部分表示废物的产生和来源分类，中游部分表示废物的收集、运输和中间处理，下游部分表示最终处理和处置。

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图5. 四种模拟SFW管理情景的物料流程图。

在SC-1和SC-2中，SFW和SPW在上游未进行分离，而是混合收集后一起处理，导致总共处理了1,124 kg的废物。在中游，废物通过垃圾车运输了20公里（22.48吨公里）到废物转运站（WTS）。假设满载时的柴油消耗率为1.26升/公里，空载时为12.21升/公里（Nguyen和Wilson，2010年），以及转运效率系数（AF）为0.225（1,124 kg的废物对应5,000公斤的运输容量），整个过程消耗了3.94升柴油。考虑到满载时的行驶速度为20公里/小时，空载时为60公里/小时，并应用相同的转运效率系数，这个过程需要5名工人工作1.50小时。在WTS，废物被转移到半挂车上。转运设施消耗了0.19千瓦时的电力和11.89升的水。在运输过程中，产生了100公斤的废水，并在废水处理厂（WWTP）进行了处理。SC-1和SC-2的下游处理步骤有所不同。

在SC-1中，剩余的混合SFW（900公斤）和SPW（124公斤）通过半挂车运输了80公里（81.92吨公里）到卫生填埋场（SanLS）进行最终处置。
在SC-2中，混合的SFW（900公斤）和SPW（124公斤）通过半挂车从WTS运输了1公里（1.02吨公里）到废物转能源发电厂（WtE）进行焚烧发电。根据各组分的干质量和低位热值——SFW（270公斤，18.00 MJ/kg）、塑料（82.90公斤，32.19 MJ/kg）、纸包装（3.66公斤，15.92 MJ/kg）、玻璃（17.69公斤，0.05 MJ/kg）、金属（2.62公斤，0.00 MJ/kg）及其他（1.51公斤，24.08 MJ/kg），以及29.75%的能量转换效率（Explosion Power，2020年；Cyranka和Jurczyk，2016年），WtE产生了630.02千瓦时的电能。焚烧还产生了35.17公斤的灰分，这些灰分通过半挂车运输了160公里（5.63吨公里）到安全填埋场（SecLS）进行最终处置。

SC-3和SC-4与之前的情景不同。在上游，超市工作人员对SFW（1,000公斤）和SPW（124公斤）进行了分离。假设分离速率为每小时30公斤，整个过程需要37.47人工小时。SPW——塑料（97.57公斤）、纸包装（4.09公斤）、玻璃（18.05公斤）、金属（2.62公斤）及其他（1.67公斤）被出售给废物回收商进行材料回收。在中游，剩余的SFW（1,000公斤）通过垃圾车运输了20公里（20.00吨公里）到同一个WTS。鉴于满载时的柴油消耗率为1.26升/公里，空载时为12.21升/公里（Nguyen和Wilson，2010年），以及转运效率系数为0.20（1,000公斤的废物对应5,000公斤的运输容量），整个过程消耗了3.50升柴油。考虑到满载时的行驶速度为20公里/小时，空载时为60公里/小时，并应用相同的转运效率系数，这个过程需要5名工人工作1.33小时。在WTS，废物被转移到半挂车上。转运设施消耗了0.17千瓦时的电力和10.57升的水，同时产生了100公斤的废水并在WWTP进行了处理。随后，剩余的SFW（900公斤）被运输了1公里（0.90吨公里）到热解设施（PS）。在PS，SFW被卸下并使用轮式装载机进行自然通风干燥。根据轮式装载机的柴油消耗率（3.6升/小时，Wheeler CAT，2022年）和作业时间（0.18小时，处理能力为5,000公斤/小时），轮式装载机消耗了0.65升柴油，需要1名工人工作0.18小时。自然通风干燥去除了582.35公斤的水分，得到了270公斤的干物质和47.65公斤的残余水分。然后对经过自然干燥的SFW进行热解，消耗了0.73升柴油、7.73千瓦时的电力和7.94升的水。热解过程需要0.06小时（处理能力为5,000公斤/小时），共需要4名工人工作0.25小时。该过程产生了89.10公斤的生物炭、113.40公斤的凝集性气体和67.50公斤的非凝集性气体，并去除了剩余的47.65公斤水分。产生的生物炭随后被运输用于下游利用。

在SC-3中，生物炭（89.10公斤）通过半挂车运输了1公里（0.09吨公里）到WtE。生物炭（25 MJ/kg）被焚烧，产生了184.08千瓦时的电能。焚烧过程产生了13.50公斤的灰分，这些灰分通过半挂车运输了160公里（2.16吨公里）到SecLS进行最终处置。
在SC-4中，生物炭（89.10公斤）通过半挂车运输了80公里（7.13吨公里）到稻田（RF）。生物炭以1.50吨/10,000平方米的速率被施用于土壤中（Wang等人，2023年；An等人，2022年），起到了以下作用：（1）储存了46.78公斤的碳；（2）减少了176.64公斤的二氧化碳、2.60公斤的甲烷和0.16公斤的一氧化二氮排放；（3）减少了0.71公斤的氮、0.78公斤的五氧化二磷和2.05公斤的氧化钾的化学肥料使用量。

3.2.3. 影响分析
图6和图7展示了碳足迹（CF）和生命周期成本（LCC）的分析结果。分析涵盖了十项活动，包括废物分类、SPW回收、运输、废物转运、废水处理、生物炭生产（自然通风干燥和热解）、废物焚烧、电力生成、填埋和土壤改良。正值表示温室气体排放和成本，而负值（-）表示避免的排放和财务节省。

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图6. 四种不同管理情景下每吨SFW的碳足迹（CF）：SC-1填埋、SC-2能源回收焚烧、SC-3将SFW生物炭转化为替代燃料、SC-4将SFW生物炭转化为土壤改良。“n/a”表示该活动中未涉及任何过程。

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图7. 四种不同管理情景下每吨SFW的生命周期成本（LCC）：SC-1填埋、SC-2能源回收焚烧、SC-3将SFW生物炭转化为替代燃料、SC-4将SFW生物炭转化为土壤改良。“n/a”表示该活动中未涉及任何过程。
总排放量代表所有正碳足迹（CF）活动的总和，包括废物分类、运输、废物转运、废水处理、生物炭生产、废物焚烧、填埋和土壤改良。总避免排放量代表所有负碳足迹（CF）活动的总和。同样，总成本代表所有正生命周期成本（LCC）活动的总和，而总财务节省代表所有负生命周期成本（LCC）活动的总和。最终，净碳足迹（CF）定义为总排放量和总避免排放量的总和，净生命周期成本（LCC）定义为总成本和总财务节省的总和。

在SC-1中，源头未进行废物分类，因此上游没有排放或成本。废物从源头运输到WTS（10.89公斤二氧化碳当量）和从WTS运输到SanLS（70.88公斤二氧化碳当量）共排放了81.77公斤二氧化碳当量。垃圾车运营成本为17.33美元（租金8.25美元、柴油3.59美元、人工1.89美元、维护3.60美元）。半挂车的一次性成本为16.72美元。WTS运营消耗了0.12公斤二氧化碳当量，成本为14.87美元。废水处理消耗了8.36公斤二氧化碳当量，成本为0.96美元。在SanLS处置废物消耗了532.06公斤二氧化碳当量，成本为16.75美元。总体而言，SC-1的净碳足迹为每吨SFW 622.31公斤二氧化碳当量（全部来自排放，无避免排放），净生命周期成本为每吨SFW 66.64美元（全部来自成本，无节省）。

SC-2的上游配置与SC-1相同，没有进行废物分类或SPW回收。废物从源头运输到WTS（10.89公斤二氧化碳当量和17.33美元），从WTS运输到WtE（0.89公斤二氧化碳当量和0.21美元），以及从WtE运输到SecLS的灰分（134.68公斤二氧化碳当量和1.15美元）共排放了146.45公斤二氧化碳当量，成本为18.69美元。WTS运营（0.12公斤二氧化碳当量和14.87美元）和WWTP的废水处理（8.36公斤二氧化碳当量和0.96美元）保持不变。在WtE进行混合废物焚烧，共排放了268.90公斤二氧化碳当量（SFW 44.77公斤、塑料222.33公斤、纸包装0.15公斤、玻璃0.96公斤、金属0.14公斤及其他0.55公斤），成本为45.68美元。电力生成（630.02千瓦时）避免了150.71公斤二氧化碳当量，并节省了107.91美元。在SecLS处置灰分（35.17公斤）消耗了0.44公斤二氧化碳当量，成本为2.44美元。总体而言，SC-2的净碳足迹为每吨SFW 273.57公斤二氧化碳当量（总排放量为424.27公斤二氧化碳当量，总避免排放量为150.71公斤二氧化碳当量），净生命周期成本为每吨SFW -25.27美元（总成本为82.64美元，总财务节省为-107.91美元）。

在SC-3中，进行了源头分类并回收了SPW。SPW回收避免了221.85公斤二氧化碳当量（塑料-189.86公斤、纸包装-7.63公斤、玻璃-14.58公斤、金属-8.60公斤及其他-1.18公斤二氧化碳当量），并节省了22.60美元（塑料-20.10美元、纸包装-0.08美元、玻璃-1.57公斤、金属-0.68公斤及其他-0.16美元）。废物从源头运输到WTS（10.77公斤二氧化碳当量和15.42美元——租金预算7.34美元、柴油3.20美元、人工1.68美元、维护3.20美元），从WTS运输到PS（0.88公斤二氧化碳当量和0.18美元），从PS运输到WtE（0.84公斤二氧化碳当量和0.02美元），以及从WtE运输到SecLS的灰分（134.52公斤二氧化碳当量和0.44美元）共排放了147.02公斤二氧化碳当量，成本为16.06美元。WTS运营消耗了0.11公斤二氧化碳当量，成本为13.23美元。WWTP的废水处理保持不变（8.36公斤二氧化碳当量和0.96美元）。在PS生产生物炭消耗了52.65公斤二氧化碳当量，成本为5.23美元（投资2.64美元、燃料和公用事业费用1.45美元、人工0.55美元、维护0.60美元）。生物炭焚烧消耗了0.05公斤二氧化碳当量，成本为3.97美元。电力生成（184.08千瓦时）避免了44.03公斤二氧化碳当量，并节省了150.71美元。在SecLS处置灰分消耗了0.17公斤二氧化碳当量，成本为0.94美元。总体而言，SC-3的净碳足迹为每吨SFW -57.53公斤二氧化碳当量（总排放量为208.35公斤二氧化碳当量，总避免排放量为-265.88公斤二氧化碳当量），净生命周期成本为每吨SFW -25.27美元（总成本为87.63美元，总财务节省为-29.01美元）。

SC-4的配置与SC-3类似，上游和中游的排放量和成本相同，不同之处在于废物从PS运输到RF（67.53公斤二氧化碳当量和1.46美元）。在下游，WWTP的废水处理保持不变（8.36公斤二氧化碳当量和0.96美元）。在RF施用生物炭作为土壤改良剂，带来了以下效果：（1）减少了171.52公斤的二氧化碳排放（来自碳储存）；（2）减少了299.33公斤的温室气体排放（二氧化碳-176.64公斤、甲烷-79.35公斤、一氧化二氮-43.34公斤）；（3）减少了7.94公斤的化学肥料使用量（氮-5.69公斤、五氧化二磷-1.22公斤、氧化钾-1.02公斤），并节省了6.41美元（氮-0.89美元、五氧化二磷-2.27公斤、氧化钾-2.26美元）。总体而言，SC-4的净碳足迹为每吨SFW -560.33公斤二氧化碳当量（总排放量为140.30公斤二氧化碳当量，总避免排放量为-700.63公斤二氧化碳当量），净生命周期成本为每吨SFW -54.71美元（总成本为83.72美元，总财务节省为-29.01美元）。

就碳足迹（CF）而言，填埋（SC-1）带来了环境和财务负担，其中85.50%的总排放量来自废物填埋，主要来自SFW（占填埋排放量的97.61%）。能源回收焚烧（SC-2）也显示出高影响，焚烧过程贡献了63.38%的总排放量，其中塑料占了焚烧排放量的82.68%。虽然电力生产抵消了总成本的130.58%，但它仅抵消了总排放量的35.52%。在SFW生物炭的使用场景（SC-3和SC-4）中，碳足迹（CF）主要来自运输（分别为总排放量的70.56%和56.44%），而生物炭生产对碳足迹的贡献较低，分别为总排放量的25.27%和37.53%。城市固体废物（SPW）的回收在减少碳足迹方面起到了重要作用，在SC-3和SC-4中分别抵消了总排放量的106.48%和158.13%。与此同时，在SC-3中，生物炭燃烧产生的电力仅抵消了21.13%的排放量；而在SC-4中，生物炭作为土壤改良剂则抵消了总排放量的341.26%。这两种情景都导致了净负碳足迹，突显了生物炭相对于传统混合废物处理的环保优势及其实现碳中和的潜力。

从全生命周期成本（LCC）的角度来看，填埋（SC-1）导致的净LCC最高，但总成本最低。其中大部分成本来自运输（占总成本的51.10%）。相比之下，其他情景显示出LCC与碳足迹之间的负相关关系。对于能源回收焚烧（SC-2）处理方式，混合废物焚烧的成本最高（占总成本的55.27%）。然而，电力生产抵消了总成本的130.58%，从而导致净LCC为负值，表明其在经济上是可行的。

在SFW生物炭的使用场景（SC-3和SC-4）中，废物分类是主要的财务负担，分别占总成本的53.90%和56.42%，这反映了超市在此过程中的压力。尽管SPW回收带来了经济节省，但它仅抵消了分类成本的47.84%，不足以证明这一做法的经济合理性。不过，SPW回收在SC-3中抵消了总成本的25.79%，在SC-4中抵消了总成本的26.99%。在SC-3中，生物炭燃烧产生的电力抵消了总成本的35.98%；而在SC-4中，生物炭作为土壤改良剂仅抵消了7.65%的排放量。这些发现突显了SFW生物炭使用相比更具经济效益的能源回收焚烧（SC-2）所面临的财务挑战。

总结来说，填埋、能源回收焚烧、生物炭作为替代燃料以及生物炭作为土壤改良剂的净碳足迹分别为622.31、273.57、-57.53和-560.33千克二氧化碳当量/吨SFW。相应的净LCC分别为66.64、-25.27、33.51和54.71美元/吨SFW。与其他研究（Eriksson等人，2015年；Brancoli等人，2017年）相比，填埋、能源回收焚烧、动物饲料、堆肥和厌氧消化的处理方式对应的碳足迹范围分别为200至3,100、-700至100、-300至100、100和-700至-100千克二氧化碳当量/吨SFW。尽管关于全生命周期成本的研究有限，但家庭食物废物相关的研究（Lam等人，2018年；Martinez-Sanchez等人，2016年）报告的LCC分别为130美元/吨SFW、110美元/吨SFW、110美元/吨SFW和260美元/吨SFW。这些结果表明，曼谷SFW管理的碳足迹与国际水平相当。然而，由于泰国较低的基础设施、公用事业和劳动力成本以及较为宽松的环境法规（Eunomia Research & Consulting，2002年），其LCC低于瑞典（Eriksson等人，2015年；Brancoli等人，2017年）、丹麦（Martinez-Sanchez等人，2016年）和香港（Lam等人，2018年）的研究结果。值得注意的是，生物炭转化方案展现了SFW回收的环境可行性，其效益超出了《食品回收层次指南》（USEPA，2020年）中的建议。为了提高经济可行性，有必要提高废物分类的成本效率。此外，未来的研究应考虑利用更多的热解副产品，如可冷凝和不可冷凝气体，以最大化热解过程的价值。

**结论**
本研究量化了超市食物废物（SFW）和超市包装废物（SPW），并分析了四种SFW和SPW管理方案的碳足迹（CF）和全生命周期成本（LCC）：填埋、能源回收焚烧以及生物炭作为替代燃料和土壤改良剂的应用。碳足迹和全生命周期成本分析表明，在评估的方案中，混合废物的填埋带来了最高的环境和经济负担，主要是由于SFW分解过程中产生的温室气体排放。能源回收焚烧通过发电收入减轻了财务负担。然而，废物焚烧对环境的影响仍然显著，尤其是塑料焚烧，它占SPW的78.69%。相比之下，生物炭转化在作为替代燃料和土壤改良剂的应用中表现出了良好的环境效益。通过有效的SPW分类和回收，生物炭转化显著减少了环境影响。特别是作为土壤改良剂使用时，生物炭带来了显著的环境效益，包括碳储存、减少土壤温室气体排放以及降低化学氮磷钾肥的使用量。不过，目前生物炭使用的LCC较高，主要是由于来源分类和加工相关的费用。这些发现强调，应鼓励对SFW进行分类并用于生物炭生产，以最大化环境效益。提高来源分类的成本效率对于降低超市的财务负担至关重要。为超市员工提供适当的工具和培训等措施可以提升分类效果。此外，政策工具（如对遵守废物分类规定的税收激励或对不遵守规定的处罚）可以促进废物分类的广泛采用。此外，对SFW进行预处理（如机械压缩以降低水分含量）可以提升废物运输、转移和生物炭生产的成本效率。然而，由于缺乏适当的管理，不建议使用干燥机或烤箱，因为它们存在自燃风险且运营成本较高。最后，有效利用热解产生的可冷凝和不可冷凝气体可以提高热解过程的总体效率，从而进一步实现环境和经济效益。

**作者贡献声明**
Suneerat Fukuda：撰写——审稿与编辑、验证、监督、方法论、数据整理。
Pornpawit Karpkerd：撰写——初稿、可视化、方法论、调查、正式分析、概念化。
TRAIRAT MUANGTHONG-ON：撰写——审稿与编辑、验证、监督、软件使用、资源管理、项目协调、方法论、资金获取、数据整理、概念化。

**未引用的参考文献**
曼谷市政厅，2025年；Beston，无日期；D’Adamo等人，2023年；ecoQuery，无日期；欧盟委员会，无日期；Mashuni，2022年；openLCA Nexus，无日期；Puro Earth，无日期；技术与信息学可持续发展研究所，无日期；泰国温室气体管理组织，2018年；美国交通部，2022年；联合国，无日期；Wang等人，2022年。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

**关于写作过程中生成式人工智能和AI辅助技术的声明**
在准备本工作时，作者使用了ChatGPT进行语法检查和提高可读性。使用该工具后，作者根据需要进行内容审阅和编辑，并对发表文章的内容负责。