DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2026.153731
تاريخ النشر: 2026-02-13
المؤلف: Moein Khazaei وآخرون
الموضوع الرئيسي: إدارة سلسلة التوريد المستدامة
نظرة عامة
تتناول هذه الدراسة الاعتماديات الحرجة بين أنظمة المياه والطاقة والغذاء من خلال اقتراح إطار لوجستي مستدام يهدف إلى تحويل نفايات الأغذية الزراعية إلى هيدروجين حيوي. تركز الدراسة بشكل خاص على محافظة رضوي خراسان في إيران، وهي منطقة تأثرت بالجفاف وتواجه خسائر غذائية كبيرة وتناقص موارد المياه الجوفية. من خلال الاستفادة من ترابط المياه والطاقة والغذاء (WEF)، يدعو المؤلفون إلى سلسلة إمداد مغلقة تركز على جمع وإعادة استخدام نفايات الطعام القابلة للتلف، وخاصة العناصر ذات البصمة المائية العالية مثل الفواكه والخضروات. يهدف الإطار إلى تقليل النفايات مع توليد الطاقة النظيفة، مما يبرز إمكانيات التدخلات ذات رأس المال المنخفض مثل التوجيه الذكي واللوجستيات المشتركة لتحقيق فوائد بيئية كبيرة دون الحاجة إلى استثمارات بنية تحتية واسعة.
تقدم خاتمة الدراسة إطار دعم قرار متكامل لتحسين سلسلة إمداد الهيدروجين الحيوي من نفايات الأغذية الزراعية القابلة للتلف، باستخدام نهج موجه نحو WEF بالاقتران مع تحسين سلسلة الإمداد المغلقة وتقييم قائم على MARCOS الرمادي. تشير النتائج إلى أن أصحاب المصلحة يفضلون التدابير التشغيلية ذات رأس المال المنخفض على الخيارات الأكثر تكلفة، مما يكشف عن التبادلات بين الاستراتيجيات الفورية والانتقالات طويلة الأجل، مثل كهرباء الأسطول. على الرغم من أن التطبيق التجريبي محدود بمحافظة معينة، إلا أن الإطار مصمم ليكون قابلاً للتوسع والتكيف مع سياقات مختلفة من خلال تعديل المعلمات ومعايير أصحاب المصلحة. تشمل اتجاهات البحث المستقبلية دمج قيود المياه والطاقة بشكل صريح، وتوسيع الترابط ليشمل الأراضي والنفايات، واستكشاف العوامل الاجتماعية والاقتصادية لتعزيز قابلية تطبيق الإطار ودعم الانتقال إلى أنظمة الطاقة الحيوية الدائرية.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث الترابطات الحرجة داخل ترابط المياه والطاقة والغذاء (WEF)، مع التأكيد على تعقيدات تحديات الاستدامة التي تفاقمت بسبب تغير المناخ، ونمو السكان، وندرة الموارد. تسلط الضوء على أن أكثر من 30% من الإنتاج الغذائي العالمي يُفقد أو يُهدر، حيث تعاني الدول النامية مثل إيران من خسائر كبيرة، خاصة في المراحل المبكرة من سلسلة الإمداد بسبب البنية التحتية غير الكافية. في إيران، يُفقد أكثر من 35% من الإنتاج الزراعي، وخاصة في السلع القابلة للتلف، مما لا يسهم فقط في انعدام الأمن الغذائي ولكن أيضًا يُفاقم ندرة المياه من خلال فقدان “المياه الافتراضية” المدمجة في الطعام المهدور.
تؤكد الورقة على أن معالجة فقدان الغذاء أمر ضروري للحفاظ على المياه وتوليد الطاقة المتجددة، خاصة في المناطق الجافة مثل إيران، حيث تستهلك الزراعة أكثر من 90% من موارد المياه العذبة. تقترح إطارًا يستفيد من ترابط WEF لتحويل النفايات الزراعية القابلة للتلف إلى هيدروجين حيوي من خلال الهضم اللاهوائي ضمن سلسلة إمداد مغلقة (CLSC). يهدف هذا النهج إلى تحسين اللوجستيات، وتعزيز إنتاج الطاقة النظيفة، وتقليل فقدان المياه، مما يعالج كل من القيود البيئية والحاجة الملحة لحلول سلسلة الإمداد المتكاملة في المناطق المعرضة للجفاف، مثل رضوي خراسان.
طرق
تستخدم الدراسة منهجية بحث تطبيقية موجهة نحو الحلول لتطوير نموذج لوجستي لإنتاج الطاقة الحيوية الدائرية من نفايات الأغذية الزراعية القابلة للتلف. تدمج بين نمذجة التحسين الكمي وتحليل القرار النوعي لمعالجة تحديات الاستدامة، مع التركيز على الجدوى التقنية من خلال تحسين التكلفة والانبعاثات مع مراعاة القيود الواقعية مثل جاهزية البنية التحتية وتوافق أصحاب المصلحة. تستند الدراسة إلى إطار ترابط المياه والطاقة والغذاء (WEF)، الذي يُعلم نماذج التحسين وتصميم السيناريوهات، مع التركيز بشكل خاص على إدارة تيارات النفايات ذات المحتوى العالي من المياه الافتراضية وتحويل نفايات الطعام إلى هيدروجين حيوي.
تم إنشاء إطار هيكلي متعدد المراحل، يبدأ بإطار النظام وتحليل ترابط WEF، يليه تحديد المشكلة ومشاركة أصحاب المصلحة. يتم تصور سلسلة إمداد الهيدروجين الحيوي لالتقاط النفايات القابلة للتلف، باستخدام نموذج رياضي ثنائي الهدف يهدف إلى تقليل تكاليف اللوجستيات وانبعاثات الكربون. يقيم تطوير السيناريو استراتيجيات النقل المختلفة، بما في ذلك المركبات الكهربائية والتقليدية، بينما يقيم أسلوب MARCOS الرمادي تسع استراتيجيات مرشحة عبر الأبعاد الاقتصادية والبيئية والتشغيلية. تختتم الدراسة بتحليل جدوى قائم على الزمن، مما يضمن قابلية تكيف النموذج مع فئات مختلفة من المنتجات الزراعية الغذائية، مع التركيز التجريبي على الهيدروجين الحيوي وانبعاثات النقل، مع الحفاظ على القابلية من خلال معالجة تدفقات المياه والطاقة المحددة كخارجية. تعتبر حالة التطبيق في رضوي خراسان مثالًا تمثيليًا على قابلية تطبيق النموذج الأوسع.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” في ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب أو التحليلات التي تم إجراؤها. عادةً ما يتضمن بيانات كمية، وتحليلات إحصائية، وتمثيلات بصرية مثل الرسوم البيانية أو الجداول التي توضح النتائج. غالبًا ما تتم مقارنة النتائج مع الفرضيات الأولية أو الدراسات السابقة لتسليط الضوء على الاتجاهات أو التباينات المهمة.
في هذا القسم، قد يبلغ المؤلفون عن مقاييس محددة، مثل المتوسطات، والانحرافات المعيارية، أو قيم p، لدعم ادعاءاتهم. بالإضافة إلى ذلك، يتم مناقشة أي علاقات ملحوظة أو علاقات سببية بين المتغيرات، مما يوفر رؤى حول تداعيات النتائج. بشكل عام، يخدم هذا القسم لنقل الأدلة التجريبية التي تدعم أهداف البحث والاستنتاجات المستخلصة في الدراسة.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على التقدم الكبير في سلسلة إمداد الهيدروجين الحيوي، والاقتصاد الدائري، وترابط المياه والطاقة والغذاء (WEF)، مع التأكيد على الحاجة إلى نهج متكاملة لتحسين استخدام الموارد والاستدامة. تشير الدراسات الحديثة إلى أن غازification الكتلة الحيوية، وخاصة من خشب الأوكالبتوس، هو الطريقة الأكثر تكلفة لإنتاج الهيدروجين الحيوي، حيث تحقق سعرًا قدره 1.2 دولار أمريكي/كجم H₂ وبصمة كربونية سلبية قدرها -1.6 كجم CO₂ مكافئ/كجم H₂. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت تطبيقات أطر التوأم الرقمي ونماذج التحسين فوائد اقتصادية كبيرة، مثل توفير اجتماعي محتمل سنوي قدره 34.54 مليار دولار من استخدام النفايات الزراعية في الهند. تكشف الأدبيات أيضًا عن تحول في قيادة الابتكار نحو الاقتصادات الآسيوية، مع ظهور الهيدروجين الحيوي والتصوير الضوئي كحقول تنمو بسرعة.
على الرغم من اتساع البحث في هذه المجالات، يحدد المؤلفون عدم التناسق المنهجي، خاصة في دمج أطر التحسين متعددة الأهداف التي تربط عدم كفاءة نظام الغذاء بالحفاظ على المياه واستعادة الطاقة. يهدف الإطار المقترح إلى سد هذه الفجوات من خلال دمج صياغة المشكلة الموجهة نحو WEF، وتحسين سلسلة الإمداد المغلقة (CLSC)، وتقييم استراتيجي قائم على MARCOS الرمادي. لا يعزز هذا النهج الكفاءة التشغيلية فحسب، بل يوفر أيضًا تحولًا مفاهيميًا نحو رؤية استراتيجيات سلسلة الإمداد الدائرية كأمر أساسي لتحقيق انتقالات WEF. يتضمن النموذج الرياضي للدراسة قيودًا وأهدافًا متنوعة، بما في ذلك تقليل التكاليف والانبعاثات، بينما يسمح أسلوب MARCOS الرمادي بتقييم شامل للسيناريوهات تحت عدم اليقين، مما يسهم في حلول لوجستية أكثر استدامة في سياق إدارة نفايات الأغذية الزراعية القابلة للتلف في المناطق التي تعاني من نقص المياه مثل رضوي خراسان.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2026.153731
Publication Date: 2026-02-13
Author(s): Moein Khazaei et al.
Primary Topic: Sustainable Supply Chain Management
Overview
This research addresses the critical interdependencies among water, energy, and food systems by proposing a sustainable logistics framework aimed at converting agri-food waste into biohydrogen. The study is particularly focused on Razavi Khorasan, Iran, a drought-affected region facing significant food losses and diminishing groundwater resources. By leveraging the Water-Energy-Food (WEF) Nexus, the authors advocate for a closed-loop supply chain that emphasizes the collection and repurposing of perishable food waste, particularly high-water-footprint items like fruits and vegetables. The framework aims to reduce waste while generating clean energy, highlighting the potential of low-capital interventions such as smart routing and shared logistics to achieve substantial environmental benefits without the need for extensive infrastructure investments.
The conclusion of the study presents an integrated decision-support framework for optimizing the biohydrogen supply chain from perishable agri-food waste, utilizing a WEF-oriented approach combined with closed-loop supply chain optimization and grey MARCOS-based evaluation. Findings indicate that stakeholders favor low-capital operational measures over more costly options, revealing trade-offs between immediate strategies and long-term transitions, such as fleet electrification. Although the empirical application is limited to a specific province, the framework is designed to be scalable and adaptable to various contexts by adjusting parameters and stakeholder criteria. Future research directions include incorporating explicit water and energy constraints, expanding the nexus to encompass land and waste, and exploring socioeconomic factors to enhance the framework’s applicability and support the transition to circular bioenergy systems.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the critical interconnections within the Water-Energy-Food (WEF) Nexus, emphasizing the complexities of sustainability challenges exacerbated by climate change, population growth, and resource scarcity. It highlights that over 30% of global food production is lost or wasted, with developing countries like Iran experiencing significant losses, particularly in the early supply chain stages due to inadequate infrastructure. In Iran, more than 35% of agricultural output is lost, particularly in perishable goods, which not only contributes to food insecurity but also exacerbates water scarcity through the loss of “virtual water” embedded in wasted food.
The paper argues that addressing food loss is essential for conserving water and generating renewable energy, particularly in arid regions like Iran, where agriculture consumes over 90% of freshwater resources. It proposes a framework that leverages the WEF Nexus to convert perishable agricultural waste into bio-hydrogen through anaerobic digestion within a Closed-Loop Supply Chain (CLSC). This approach aims to optimize logistics, promote clean energy production, and minimize water loss, thereby addressing both environmental constraints and the pressing need for integrated supply chain solutions in regions vulnerable to drought, such as Razavi Khorasan.
Methods
The study employs a solution-oriented, applied research methodology to develop a logistics model for circular bioenergy production from perishable agri-food waste. It integrates quantitative optimization modeling with qualitative decision analysis to address sustainability challenges, focusing on technical feasibility through cost-emission optimization while considering real-world constraints such as infrastructure readiness and stakeholder alignment. The research is grounded in the Water-Energy-Food (WEF) Nexus framework, which informs the optimization models and scenario designs, particularly emphasizing the management of high virtual water content waste streams and the valorization of food waste into biohydrogen.
A structured multi-phase framework is established, beginning with system framing and WEF Nexus analysis, followed by problem identification and stakeholder engagement. The biohydrogen supply chain is conceptualized to capture perishable waste, utilizing a bi-objective mathematical model aimed at minimizing logistics costs and carbon emissions. Scenario development evaluates various transportation strategies, including electric and conventional vehicles, while the grey MARCOS method assesses nine candidate strategies across economic, environmental, and operational dimensions. The study concludes with a time-based feasibility analysis, ensuring the model’s adaptability to different agri-food product categories, with the empirical focus on biohydrogen and transport emissions, while maintaining tractability by treating specific water and energy flows as exogenous. The application case in Razavi Khorasan serves as a representative example of the model’s broader applicability.
Results
The “Results” section of the research paper presents the key findings derived from the conducted experiments or analyses. It typically includes quantitative data, statistical analyses, and visual representations such as graphs or tables that illustrate the outcomes. The results are often compared against the initial hypotheses or previous studies to highlight significant trends or discrepancies.
In this section, the authors may report specific metrics, such as means, standard deviations, or p-values, to substantiate their claims. Additionally, any observed correlations or causal relationships between variables are discussed, providing insights into the implications of the findings. Overall, this section serves to convey the empirical evidence that supports the research objectives and conclusions drawn in the study.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights significant advancements in the biohydrogen supply chain, circular economy, and the Water-Energy-Food (WEF) nexus, emphasizing the need for integrated approaches to optimize resource use and sustainability. Recent studies indicate that biomass gasification, particularly from eucalyptus wood, is the most cost-effective method for biohydrogen production, achieving a price of $1.2/kg H₂ and a negative carbon footprint of -1.6 kg CO₂ eq/kg H₂. Additionally, the application of digital twin frameworks and optimization models has demonstrated substantial economic benefits, such as potential annual social savings of $34.54 billion from agricultural waste utilization in India. The literature also reveals a shift in innovation leadership towards Asian economies, with biohydrogen and photocatalysis emerging as rapidly growing fields.
Despite the breadth of research in these areas, the authors identify methodological inconsistencies, particularly in integrating multi-objective optimization frameworks that connect food system inefficiencies to water conservation and energy recovery. The proposed framework aims to bridge these gaps by combining WEF-focused problem formulation, closed-loop supply chain (CLSC) optimization, and Grey MARCOS strategic evaluation. This integrated approach not only enhances operational efficiency but also provides a conceptual shift towards viewing circular supply chain strategies as essential for achieving WEF transitions. The study’s mathematical model incorporates various constraints and objectives, including minimizing costs and emissions, while the Grey MARCOS method allows for comprehensive scenario evaluation under uncertainty, ultimately contributing to more sustainable logistics solutions in the context of perishable agri-food waste management in water-stressed regions like Razavi Khorasan.