近年來(lái)，固體廢棄物處理的環(huán)境影響引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，并紛紛開(kāi)展全生命周期影響評(píng)價(jià)(Life Cycle Assessment，LCA)方面的研究。巴西學(xué)者Angelo等對(duì)里約熱內(nèi)盧地區(qū)餐廚垃圾的不同管理方式進(jìn)行了LCA分析和多目標(biāo)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(duì)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(jì)效益，分析了水溶液、有機(jī)溶劑、金屬催化劑以及反應(yīng)溫度和時(shí)間等重要參數(shù)對(duì)環(huán)境性能的影響。丹麥科技大學(xué)Andersen等建立了有機(jī)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(duì)泰國(guó)某地小規(guī)模餐廚垃圾制生物甲烷技術(shù)進(jìn)行了生命周期環(huán)境影響和經(jīng)濟(jì)性分析。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)濕垃圾管理及資源化利用進(jìn)行了一定的生命周期評(píng)價(jià)研究，但針對(duì)濕垃圾處理工藝的環(huán)境影響對(duì)比及優(yōu)化研究較少。
當(dāng)前我國(guó)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(duì)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(jìn)行生命周期環(huán)境影響分析與比較，通過(guò)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(píng)估不同工藝的環(huán)境影響。
歐陽(yáng)創(chuàng)：碩士，高級(jí)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(jí)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(jiàn)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(dòng)力工程學(xué)院。
生命周期評(píng)價(jià)(LCA)是—種對(duì)產(chǎn)品從生產(chǎn)到退役所涉及的所有過(guò)程的環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)價(jià)的分析方法，即從“搖籃”到“墳?zāi)埂?cradle to grave) ,其目的在于評(píng)估能量和物質(zhì)利用對(duì)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(biāo)準(zhǔn)，LCA技術(shù)框架包括：1、目標(biāo)和范圍定義(goal and scope definition)；2、清單分析(inventory analysis)；3、環(huán)境影響評(píng)價(jià)(impact assessment);4、結(jié)果解釋(interpretation)四個(gè)組成部分，如圖1所示。
本研究旨在利用生命周期評(píng)價(jià)方法對(duì)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(guò)程的污染物排放特性差異較大，因此需要進(jìn)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(duì)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(chǎng)范圍為邊界，以入廠(chǎng)物質(zhì)為輸入，出廠(chǎng)物質(zhì)為輸出。出廠(chǎng)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(zhǔn)。當(dāng)出廠(chǎng)物質(zhì)為雜物時(shí)，需匹配殘?jiān)贌に?當(dāng)出廠(chǎng)物質(zhì)為滲瀝液時(shí)，需匹配滲瀝液處理工藝;當(dāng)出廠(chǎng)物質(zhì)為污泥時(shí)，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(chǎng)垃圾組分相同；
2、忽略工廠(chǎng)的建設(shè)及退役過(guò)程環(huán)境影響，僅計(jì)算運(yùn)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(lái)自燃煤發(fā)電過(guò)程。
本研究的清單數(shù)據(jù)主要來(lái)源于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，部分?jǐn)?shù)據(jù)為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在建模中各項(xiàng)物料輸入需要選定生命周期商業(yè)評(píng)價(jià)軟件SimaPro9.0版本Ecoinvent3.5數(shù)據(jù)庫(kù)中的背景數(shù)據(jù)。本研究中功能單位選定為為1t入廠(chǎng)垃圾。
四、環(huán)境影響評(píng)價(jià)
根據(jù)ISO14044標(biāo)準(zhǔn),環(huán)境影響評(píng)價(jià)(Life Cycle lmpact Analysis，LCIA)有四個(gè)階段：分類(lèi)、表征、標(biāo)準(zhǔn)化和加權(quán)。
進(jìn)行生命周期環(huán)境影響分析，首先要進(jìn)行分類(lèi)，其目的在于識(shí)別每種潛在造成危害的物質(zhì)。
濕垃圾處理的整個(gè)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(huì)引起各種環(huán)境問(wèn)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(lèi)的物質(zhì)分配影響因子，從而獲得各項(xiàng)環(huán)境影響類(lèi)別。特征化過(guò)程是對(duì)各種物質(zhì)引起的環(huán)境影響的定量表征。通過(guò)將排放的污染物乘以相應(yīng)的潛值轉(zhuǎn)換因子，即通過(guò)以下公式的計(jì)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(kù)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(píng)價(jià)方法為EDIP2003方法。由表1所示，EDIP2003方法在中間點(diǎn)階段總共定義了19種不同的影響類(lèi)別。
表1 EDIP2003方法的影響類(lèi)別、標(biāo)準(zhǔn)化因子和權(quán)重因子
定義為計(jì)算環(huán)境影響類(lèi)別指標(biāo)結(jié)果相對(duì)于參考影響潛值的大小。對(duì)于每個(gè)基線(xiàn)指標(biāo)，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化分?jǐn)?shù)以供參考。標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境影響潛值(NEIP)是無(wú)量綱的。
[NEIP]=[EIP]×(1/N)
加權(quán)定義為不同影響類(lèi)別的加權(quán)因子與影響潛值的乘積之和以表征其對(duì)環(huán)境的綜合影響。通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境影響潛值進(jìn)行加權(quán)（單位為無(wú)量綱單位Pt)，可獲得總環(huán)境影響潛值(TEIP)的單一評(píng)分指標(biāo)：
TEIP=
[NEIP]×[WF]
其中[WF]是加權(quán)因子向量，各項(xiàng)加權(quán)因子如表1所示。
本研究采用EDIP2003方法，對(duì)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(jìn)行了環(huán)境影響潛值的對(duì)比，其中間點(diǎn)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(diǎn)環(huán)境影響潛值）
將上述結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)化之后進(jìn)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(lèi)評(píng)價(jià)指標(biāo)的占比相對(duì)較小，故將其合并為“其他”，則各工藝環(huán)境影響潛值的對(duì)比及分布如圖3所示?？梢钥闯觯褐懈邷販p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(duì)比厭氧發(fā)酵的兩種能量回收方式可見(jiàn):沼氣發(fā)電利用的環(huán)境影響相比沼氣燃燒下降86%;對(duì)比就地處理的兩種工藝可見(jiàn):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(yíng)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(biāo)準(zhǔn)化后加權(quán)終點(diǎn)值)
圖3 四種工藝的環(huán)境影響潛值對(duì)比
各工藝主要環(huán)境影響潛值的分布如圖4所示。可見(jiàn)：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(yíng)養(yǎng)化與人體毒性為主要環(huán)境影響，兩者合計(jì)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(guò)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(yíng)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(duì)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。
圖4 四種工藝的環(huán)境影響潛值分布對(duì)比
本文對(duì)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(jìn)行了生命周期環(huán)境影響對(duì)比研究。通過(guò)數(shù)據(jù)收集、清單分析和結(jié)果評(píng)價(jià)，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(guò)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(yán)重的富營(yíng)養(yǎng)化和人體毒性。
（三）富營(yíng)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(lèi)別。富營(yíng)養(yǎng)化和人體毒性是上游過(guò)程燃煤發(fā)電帶來(lái)的主要環(huán)境影響，而全球變暖主要是由工藝生產(chǎn)過(guò)程排放的CO2導(dǎo)致。
本文成果來(lái)源干國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“城鎮(zhèn)易腐有機(jī)固廢生物轉(zhuǎn)化與二次污染控制技術(shù)”2018YFC1901000
來(lái)源 | 上海環(huán)境工程衛(wèi)生設(shè)計(jì)院作者 | 歐陽(yáng)創(chuàng)、畢珠潔、宋佳、韓小渠