近年來，固體廢棄物處理的環(huán)境影響引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，并紛紛開展全生命周期影響評價(Life Cycle Assessment，LCA)方面的研究。巴西學(xué)者Angelo等對里約熱內(nèi)盧地區(qū)餐廚垃圾的不同管理方式進行了LCA分析和多目標優(yōu)化，采用的工藝包括衛(wèi)生填埋和厭氧發(fā)酵。香港理工大學(xué)Lam等對比了餐廚垃圾焚燒、厭氧消化、水熱碳化制生物油發(fā)電等數(shù)種垃圾處理方式的環(huán)境影響和經(jīng)濟效益，分析了水溶液、有機溶劑、金屬催化劑以及反應(yīng)溫度和時間等重要參數(shù)對環(huán)境性能的影響。丹麥科技大學(xué)Andersen等建立了有機廢棄物堆肥的質(zhì)量守恒和生命周期清單。日本學(xué)者Koido 等對泰國某地小規(guī)模餐廚垃圾制生物甲烷技術(shù)進行了生命周期環(huán)境影響和經(jīng)濟性分析。國內(nèi)外學(xué)者針對濕垃圾管理及資源化利用進行了一定的生命周期評價研究，但針對濕垃圾處理工藝的環(huán)境影響對比及優(yōu)化研究較少。
當前我國典型的濕垃圾減量及資源化處理工藝主要為厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼、就地減量處理、好氧發(fā)酵、垃圾焚燒發(fā)電等。本文主要針對中高溫和低溫減量型就地處理以及厭氧發(fā)酵（沼氣燃燒、發(fā)電)工藝進行生命周期環(huán)境影響分析與比較，通過建立完整生命周期清單，采用合理的環(huán)境影響分析模型，評估不同工藝的環(huán)境影響。
歐陽創(chuàng)：碩士，高級工程師，現(xiàn)任上海環(huán)境院研究中心副總工程師。
畢珠潔：碩士，高級工程師，現(xiàn)任上海環(huán)境院研究中心副主任。
宋 佳：碩士，工程師，現(xiàn)任上海環(huán)境院研究中心見習(xí)總工。
韓小渠：博士，副教授，西安交通大學(xué)大學(xué)能源與動力工程學(xué)院。
生命周期評價(LCA)是—種對產(chǎn)品從生產(chǎn)到退役所涉及的所有過程的環(huán)境影響進行評價的分析方法，即從“搖籃”到“墳?zāi)埂?cradle to grave) ,其目的在于評估能量和物質(zhì)利用對環(huán)境的影響，尋求改善環(huán)境影響的途徑。
根據(jù)SETAC(Society of Environmental Toxicology and Chemistry)和ISO14000標準，LCA技術(shù)框架包括：1、目標和范圍定義(goal and scope definition)；2、清單分析(inventory analysis)；3、環(huán)境影響評價(impact assessment);4、結(jié)果解釋(interpretation)四個組成部分，如圖1所示。
本研究旨在利用生命周期評價方法對比典型濕垃圾處理工藝的環(huán)境影響,包括厭氧發(fā)酵(沼氣燃燒)、厭氧發(fā)酵（沼氣發(fā)電)、低溫減量型就地處理和中高溫減量型就地處理四種工藝，不同工藝的能耗及能量回收方式有所區(qū)別，其工藝過程的污染物排放特性差異較大，因此需要進行全面的環(huán)境影響分析。
本文的研究邊界如圖2所示。針對濕垃圾處理整體工藝，本研究暫不關(guān)注中間具體工藝環(huán)節(jié)（破碎/制漿等)，以整廠范圍為邊界，以入廠物質(zhì)為輸入，出廠物質(zhì)為輸出。出廠物質(zhì)以直接排放到大氣、水體（包括納管）的物質(zhì)(SOx、COD等)為準。當出廠物質(zhì)為雜物時，需匹配殘渣焚燒工藝;當出廠物質(zhì)為滲瀝液時，需匹配滲瀝液處理工藝;當出廠物質(zhì)為污泥時，需匹配污泥干化焚燒工藝。
本研究的基本假設(shè)如下：
1、所有垃圾處理工藝的入廠垃圾組分相同；
2、忽略工廠的建設(shè)及退役過程環(huán)境影響，僅計算運行期間原材料的消耗，污水、煙氣、固渣排放的環(huán)境影響；
3、電力消耗來自燃煤發(fā)電過程。
本研究的清單數(shù)據(jù)主要來源于現(xiàn)場實測，部分數(shù)據(jù)為經(jīng)驗數(shù)據(jù)，在建模中各項物料輸入需要選定生命周期商業(yè)評價軟件SimaPro9.0版本Ecoinvent3.5數(shù)據(jù)庫中的背景數(shù)據(jù)。本研究中功能單位選定為為1t入廠垃圾。
根據(jù)ISO14044標準,環(huán)境影響評價(Life Cycle lmpact Analysis，LCIA)有四個階段：分類、表征、標準化和加權(quán)。
進行生命周期環(huán)境影響分析，首先要進行分類，其目的在于識別每種潛在造成危害的物質(zhì)。
濕垃圾處理的整個生命周期的污染物排放主要包括關(guān)鍵污染物的大氣排放，例如NOx、SO2、HCl、CO、CO2、PCDD/DFs、PM10、Hg 等;另外還包括滲濾液、固體廢物的排放等。因此，生命周期污染物排放質(zhì)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輸入包括輔助燃料、石灰粉、各種化學(xué)藥劑等，可以表示為：
kg·t-1。
通常上述污染物排放到空氣和水中會引起各種環(huán)境問題，如空氣污染、酸沉淀、臭氧消耗、全球變暖、森林破壞、呼吸效應(yīng)和能源枯竭。
為上述分類的物質(zhì)分配影響因子，從而獲得各項環(huán)境影響類別。特征化過程是對各種物質(zhì)引起的環(huán)境影響的定量表征。通過將排放的污染物乘以相應(yīng)的潛值轉(zhuǎn)換因子，即通過以下公式的計算獲得相應(yīng)的環(huán)境影響潛值(EIP)：
[EIP]=[EIF]×[M]
其中，[EIF]是軟件數(shù)據(jù)庫中包含的環(huán)境影響特征化因子向量。
本文所使用的生命周期評價方法為EDIP2003方法。由表1所示，EDIP2003方法在中間點階段總共定義了19種不同的影響類別。
表1 EDIP2003方法的影響類別、標準化因子和權(quán)重因子
定義為計算環(huán)境影響類別指標結(jié)果相對于參考影響潛值的大小。對于每個基線指標，計算標準化分數(shù)以供參考。標準化環(huán)境影響潛值(NEIP)是無量綱的。
[NEIP]=[EIP]×(1/N)
加權(quán)定義為不同影響類別的加權(quán)因子與影響潛值的乘積之和以表征其對環(huán)境的綜合影響。通過對標準化環(huán)境影響潛值進行加權(quán)（單位為無量綱單位Pt)，可獲得總環(huán)境影響潛值(TEIP)的單一評分指標：
TEIP=
[NEIP]×[WF]
其中[WF]是加權(quán)因子向量，各項加權(quán)因子如表1所示。
本研究采用EDIP2003方法，對厭氧發(fā)酵（沼氣燃燒)、厭氧發(fā)酵（沼氣發(fā)電)、低溫減量型就地處理、高溫減量型就地處理四種工藝進行了環(huán)境影響潛值的對比，其中間點環(huán)境影響潛值分析結(jié)果如表2所示。
表2 環(huán)境影響分析（中間點環(huán)境影響潛值）
將上述結(jié)果標準化之后進行加權(quán)，獲得各工藝的環(huán)境影響如表3所示。其中，臭氧消耗、生態(tài)毒性、危廢、廢渣/飛灰、放射性廢物等幾類評價指標的占比相對較小，故將其合并為“其他”，則各工藝環(huán)境影響潛值的對比及分布如圖3所示。可以看出：中高溫減量型就地處理工藝的環(huán)境影響(1637.12mPt)顯著高于其他三種工藝。厭氧發(fā)酵(沼氣發(fā)電）的環(huán)境影響潛值僅為28.49mPt，是環(huán)境較為友好的方案。厭氧發(fā)酵（沼氣燃燒）與低溫減量型就地處理工藝的環(huán)境影響潛值分別為199.61mPt與190.87mPt，二者基本相等。對比厭氧發(fā)酵的兩種能量回收方式可見:沼氣發(fā)電利用的環(huán)境影響相比沼氣燃燒下降86%;對比就地處理的兩種工藝可見:低溫減量型就地處理的環(huán)境影響僅為中高溫減量型工藝的12%，中高溫減量型就地處理工藝中，臭氧生成、酸化、富營養(yǎng)化和人體毒性的影響潛值均是低溫減量就地處理工藝的十倍左右。因此，中高溫減量就地處理工藝的環(huán)境影響亟待改善。
表3 環(huán)境影響分析(標準化后加權(quán)終點值)
各工藝主要環(huán)境影響潛值的分布如圖4所示。可見：在中高溫減量就地處理與厭氧發(fā)酵（沼氣燃燒）兩種工藝中，富營養(yǎng)化與人體毒性為主要環(huán)境影響，兩者合計占總影響潛值的比例分別為53%和52%。其原因是兩種工藝的電耗較高，相應(yīng)電力生產(chǎn)過程中磷和重金屬的排放較多。低溫減量型就地處理工藝中，主要環(huán)境影響依次為富營養(yǎng)化、全球變暖和人體毒性，占比分別為26%、22%和21%。在消耗外界電力較少的情況下，工藝本身排放的二氧化碳造成的全球變暖成為了環(huán)境影響的主要因素之一。對于厭氧發(fā)酵（沼氣發(fā)電)工藝，全球變暖為最主要的環(huán)境影響，占總影響潛值的32%，所耗電能由產(chǎn)品抵消，向環(huán)境排放的磷和重金屬較少，故其綜合環(huán)境影響潛值較低，工藝本身排放的二氧化碳是造成環(huán)境影響的主要因素。
本文對厭氧發(fā)酵（沼氣燃燒)、厭氧發(fā)酵（沼氣發(fā)電)、低溫減量型就地處理、中高溫減量型就地處理四種典型工藝進行了生命周期環(huán)境影響對比研究。通過數(shù)據(jù)收集、清單分析和結(jié)果評價，得出以下結(jié)論：
（一）從全生命周期角度分析，厭氧發(fā)酵（沼氣發(fā)電）是環(huán)境較為友好的濕垃圾處理方案，其工藝耗電由沼氣發(fā)電自身提供是環(huán)境影響潛值較低的直接原因。
（二）中高溫減量型就地處理工藝的環(huán)境影響最為顯著，主要原因是電耗較高，上游電力生產(chǎn)過程采用燃煤發(fā)電工藝，其排放的磷和重金屬等導(dǎo)致了較為嚴重的富營養(yǎng)化和人體毒性。
（三）富營養(yǎng)化、人體毒性和全球變暖是四種典型濕垃圾處理工藝的主要環(huán)境影響類別。富營養(yǎng)化和人體毒性是上游過程燃煤發(fā)電帶來的主要環(huán)境影響，而全球變暖主要是由工藝生產(chǎn)過程排放的CO2導(dǎo)致。
本文成果來源干國家重點研發(fā)計劃“城鎮(zhèn)易腐有機固廢生物轉(zhuǎn)化與二次污染控制技術(shù)”2018YFC1901000
來源 | 上海環(huán)境工程衛(wèi)生設(shè)計院作者 | 歐陽創(chuàng)、畢珠潔、宋佳、韓小渠