文章导读

当前我国典型的湿垃圾减量及资源化处理工艺主要为厌氧发酵产沼、就地减量处理、好氧发酵、垃圾焚烧发电等。本文主要针对中高温和低温减量型就地处理以及厌氧发酵（沼气燃烧、发电)工艺进行生命周期环境影响分析与比较，通过建立完整生命周期清单，采用合理的环境影响分析模型，评估不同工艺的环境影响。

近年来，固体废弃物处理的环境影响引起了国内外学者的广泛关注，并纷纷开展全生命周期影响评价(Life Cycle Assessment，LCA)方面的研究。巴西学者Angelo等对里约热内卢地区餐厨垃圾的不同管理方式进行了LCA分析和多目标优化，采用的工艺包括卫生填埋和厌氧发酵。香港理工大学Lam等对比了餐厨垃圾焚烧、厌氧消化、水热碳化制生物油发电等数种垃圾处理方式的环境影响和经济效益，分析了水溶液、有机溶剂、金属催化剂以及反应温度和时间等重要参数对环境性能的影响。丹麦科技大学Andersen等建立了有机废弃物堆肥的质量守恒和生命周期清单。日本学者Koido 等对泰国某地小规模餐厨垃圾制生物甲烷技术进行了生命周期环境影响和经济性分析。国内外学者针对湿垃圾管理及资源化利用进行了一定的生命周期评价研究，但针对湿垃圾处理工艺的环境影响对比及优化研究较少

当前我国典型的湿垃圾减量及资源化处理工艺主要为厌氧发酵产沼、就地减量处理、好氧发酵、垃圾焚烧发电等。本文主要针对中高温和低温减量型就地处理以及厌氧发酵（沼气燃烧、发电)工艺进行生命周期环境影响分析与比较，通过建立完整生命周期清单，采用合理的环境影响分析模型，评估不同工艺的环境影响。

 

生命周期评价(LCA)是—种对产品从生产到退役所涉及的所有过程的环境影响进行评价的分析方法，即从“摇篮”到“坟墓”(cradle to grave) ,其目的在于评估能量和物质利用对环境的影响，寻求改善环境影响的途径。

二、目标和范围的确定

根据SETAC(Society of Environmental Toxicology and Chemistry)和ISO14000标准，LCA技术框架包括：1、目标和范围定义(goal and scope definition)；2、清单分析(inventory analysis)；3、环境影响评价(impact assessment);4、结果解释(interpretation)四个组成部分，如图1所示。

 

图1 湿垃圾处理LCA分析框架

（一）研究目标

本研究旨在利用生命周期评价方法对比典型湿垃圾处理工艺的环境影响,包括厌氧发酵(沼气燃烧)、厌氧发酵（沼气发电)、低温减量型就地处理和中高温减量型就地处理四种工艺，不同工艺的能耗及能量回收方式有所区别，其工艺过程的污染物排放特性差异较大，因此需要进行全面的环境影响分析。

（二）研究边界

本文的研究边界如图2所示。针对湿垃圾处理整体工艺，本研究暂不关注中间具体工艺环节（破碎/制浆等)，以整厂范围为边界，以入厂物质为输入，出厂物质为输出。出厂物质以直接排放到大气、水体（包括纳管）的物质(SOx、COD等)为准。当出厂物质为杂物时，需匹配残渣焚烧工艺;当出厂物质为渗沥液时，需匹配渗沥液处理工艺;当出厂物质为污泥时，需匹配污泥干化焚烧工艺。

 

图2 湿垃圾处理LCA边界

本研究的基本假设如下：

1、所有垃圾处理工艺的入厂垃圾组分相同；

2、忽略工厂的建设及退役过程环境影响，仅计算运行期间原材料的消耗，污水、烟气、固渣排放的环境影响；

3、电力消耗来自燃煤发电过程。

三、清单分析

本研究的清单数据主要来源于现场实测，部分数据为经验数据，在建模中各项物料输入需要选定生命周期商业评价软件SimaPro9.0版本Ecoinvent3.5数据库中的背景数据。本研究中功能单位选定为为1t入厂垃圾。

四、环境影响评价

根据ISO14044标准,环境影响评价(Life Cycle lmpact Analysis，LCIA)有四个阶段：分类、表征、标准化和加权。

（一）分类

进行生命周期环境影响分析，首先要进行分类，其目的在于识别每种潜在造成危害的物质。

湿垃圾处理的整个生命周期的污染物排放主要包括关键污染物的大气排放，例如NOx、SO2、HCl、CO、CO2、PCDD/DFs、PM10、Hg 等;另外还包括渗滤液、固体废物的排放等。因此，生命周期污染物排放质量矢量[M](kg·t-1)可以用以下公式表示：

[M]=[CO2，SO2，NOX,CO,CH4,NMVOC,PM2.5,Hg，…]T

在生命周期中的材料输入包括辅助燃料、石灰粉、各种化学药剂等，可以表示为：

kg·t-1。

通常上述污染物排放到空气和水中会引起各种环境问题，如空气污染、酸沉淀、臭氧消耗、全球变暖、森林破坏、呼吸效应和能源枯竭。

(二）特征化

为上述分类的物质分配影响因子，从而获得各项环境影响类别。特征化过程是对各种物质引起的环境影响的定量表征。通过将排放的污染物乘以相应的潜值转换因子，即通过以下公式的计算获得相应的环境影响潜值(EIP)：

[EIP]=[EIF]×[M]

其中，[EIF]是软件数据库中包含的环境影响特征化因子向量。

本文所使用的生命周期评价方法为EDIP2003方法。由表1所示，EDIP2003方法在中间点阶段总共定义了19种不同的影响类别。

表1 EDIP2003方法的影响类别、标准化因子和权重因子

 

（三）标准化

定义为计算环境影响类别指标结果相对于参考影响潜值的大小。对于每个基线指标，计算标准化分数以供参考。标准化环境影响潜值(NEIP)是无量纲的。

[NEIP]=[EIP]×(1/N)

（四）加权

加权定义为不同影响类别的加权因子与影响潜值的乘积之和以表征其对环境的综合影响。通过对标准化环境影响潜值进行加权（单位为无量纲单位Pt)，可获得总环境影响潜值(TEIP)的单一评分指标：

TEIP=

 

[NEIP]×[WF]

其中[WF]是加权因子向量，各项加权因子如表1所示。

（五）环境影响分析

本研究采用EDIP2003方法，对厌氧发酵（沼气燃烧)、厌氧发酵（沼气发电)、低温减量型就地处理、高温减量型就地处理四种工艺进行了环境影响潜值的对比，其中间点环境影响潜值分析结果如表2所示。

表2 环境影响分析（中间点环境影响潜值）

 

将上述结果标准化之后进行加权，获得各工艺的环境影响如表3所示。其中，臭氧消耗、生态毒性、危废、废渣/飞灰、放射性废物等几类评价指标的占比相对较小，故将其合并为“其他”，则各工艺环境影响潜值的对比及分布如图3所示。可以看出：中高温减量型就地处理工艺的环境影响(1637.12mPt)显著高于其他三种工艺。厌氧发酵(沼气发电）的环境影响潜值仅为28.49mPt，是环境较为友好的方案。厌氧发酵（沼气燃烧）与低温减量型就地处理工艺的环境影响潜值分别为199.61mPt与190.87mPt，二者基本相等。对比厌氧发酵的两种能量回收方式可见:沼气发电利用的环境影响相比沼气燃烧下降86%;对比就地处理的两种工艺可见:低温减量型就地处理的环境影响仅为中高温减量型工艺的12%，中高温减量型就地处理工艺中，臭氧生成、酸化、富营养化和人体毒性的影响潜值均是低温减量就地处理工艺的十倍左右。因此，中高温减量就地处理工艺的环境影响亟待改善。

表3 环境影响分析(标准化后加权终点值)

 

 

图3 四种工艺的环境影响潜值对比

各工艺主要环境影响潜值的分布如图4所示。可见：在中高温减量就地处理与厌氧发酵（沼气燃烧）两种工艺中，富营养化与人体毒性为主要环境影响，两者合计占总影响潜值的比例分别为53%和52%。其原因是两种工艺的电耗较高，相应电力生产过程中磷和重金属的排放较多。低温减量型就地处理工艺中，主要环境影响依次为富营养化、全球变暖和人体毒性，占比分别为26%、22%和21%。在消耗外界电力较少的情况下，工艺本身排放的二氧化碳造成的全球变暖成为了环境影响的主要因素之一。对于厌氧发酵（沼气发电)工艺，全球变暖为最主要的环境影响，占总影响潜值的32%，所耗电能由产品抵消，向环境排放的磷和重金属较少，故其综合环境影响潜值较低，工艺本身排放的二氧化碳是造成环境影响的主要因素。

 

图4 四种工艺的环境影响潜值分布对比

五、结论

本文对厌氧发酵（沼气燃烧)、厌氧发酵（沼气发电)、低温减量型就地处理、中高温减量型就地处理四种典型工艺进行了生命周期环境影响对比研究。通过数据收集、清单分析和结果评价，得出以下结论：

（一）从全生命周期角度分析，厌氧发酵（沼气发电）是环境较为友好的湿垃圾处理方案，其工艺耗电由沼气发电自身提供是环境影响潜值较低的直接原因。

（二）中高温减量型就地处理工艺的环境影响最为显著，主要原因是电耗较高，上游电力生产过程采用燃煤发电工艺，其排放的磷和重金属等导致了较为严重的富营养化和人体毒性。

（三）富营养化、人体毒性和全球变暖是四种典型湿垃圾处理工艺的主要环境影响类别。富营养化和人体毒性是上游过程燃煤发电带来的主要环境影响，而全球变暖主要是由工艺生产过程排放的CO2导致。