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生活垃圾综合处理模式生命周期评价 * 陈冰 1 刘晶昊 1 邸达 2 1. 城市建设研究院， 北京 100029;2. 北京市市政工程设计研究总院， 北京 100082 摘要 为了评价和筛选生活垃圾综合处理模式， 采用生命周期模型对“分选 焚烧 填埋” 、 “分选 焚烧 填埋 堆 肥” 和 “分类 焚烧 生物” 3 种处理模式在环境、 经济等方面进行研究。结果表明 3 种处理模式的环境影响潜力分 别为 5. 92 10 － 2、 9. 11 10－ 2和 5. 09 10－ 2， 单位处理成本为24. 88、 31. 59和11. 73 元 / 人a 。经过综合评估“分类 焚烧 生物” 处理模式具有明显优势。 关键词 垃圾; 综合处理; 生命周期; 经济分析 LIFE CYCLE ASSESSMENT OF COMPREHENSIVE TREATMENT OF DOMESTIC WASTES Chen Bing1Liu Jinghao1Di Da2 1. China Urban Construction Design ＆ Research Institute，Beijing 100029，China; 2. Beijing General Municipal Engineering Design ＆ Research Institute，Beijing 100082，China AbstractDifferent comprehensive treatment technologies for wastes separation incineration landfill，separation incineration landfill compost and classified collection incineration biological treatmentwere uated and compared by using the life cycle assessment ology. The result shows that the potantial environmental effect of comprehensive treatment is respectively 5. 92 10 － 2， 9. 11 10－ 2 and 5. 09 10 － 2，and the treatment cost is 24. 88 RMB/ p a ， 31. 59 RMB/ p a ，and 11. 73 RMB/ p a .The third comprehensive treatment technology is better than others in environmental and economic benefits. Keywordsrefuse;comprehensive treatment;life cycle;economic analysis * “ 十一五” 国家科技支撑计划 2006BAC06B01 ; “十一五” 国家科技 支撑计划 2006BAC16B03 ; 国家科技重大专项 2008ZX07316 － 002 － 06 。 1研究背景 生活垃圾的大量排放， 有毒有害物质渗透到地下 和河流中， 给人类赖以生存的自然和社会环境造成了 严重污染， 成为国民经济可持续发展、 创建和谐社会 的重要影响和制约因素。因此， 城市生活垃圾问题是 我国各大城市面临的重大环境问题， 已经成为全社会 普遍关注的问题。当前， 生活垃圾处理成熟单体技术 主要有卫生填埋、 生物处理和焚烧， 而垃圾的综合处 理已经成为国内外垃圾处理的总体趋势 ［ 1］。 所谓综合处理技术就是卫生填埋、 生物处理、 焚 烧等多种垃圾处理系统的有机结合， 它不仅集中了填 埋、 堆肥、 焚烧的优点， 同时也解决了单一处理的缺 点。因地制宜， 充分发挥各种垃圾处理系统的优势， 扬长避短， 从而真正实现生活垃圾的无害化、 减量化 和资源化。 目前， 在垃圾处理中成熟度较好， 且具有可操作 性的生活垃圾综合处理模式主要有以下 3 种类型 1 混合垃圾分选 焚烧 卫生填埋处理模式; 2 混合 垃圾分选 焚烧 卫生填埋 堆肥处理模式; 3 生 活垃圾分类收集 焚烧 生物处理处理模式。 要建设成为 “资源节约型、 环境友好型” 城市， 选 择与当地经济发展水平相适应的垃圾处理模式极为 重要。如何选择、 组合和确定生活垃圾处理技术， 如 何形成经济、 有效的生活垃圾处理模式， 如何实现生 活垃圾处理的可持续发展是每一座城市曾经、 正在或 将要面临的问题。 本文采用生命周期评估方法， 从环境效益、 经济 效益和社会效益等方面， 对生活垃圾综合处理模式进 行综合评价， 筛选适合本地区的生活垃圾综合处理 201 环境工程 2011 年 2 月第 29 卷第 1 期 模式。 2生命周期评价 LCA 模型 2. 1LCA 在生活垃圾管理中的应用 生活垃圾管理的一个基本要求就是将环境因素 纳入到所有的经济与社会决策中， 对经济因素和环境 影响的综合考虑需要对整个管理过程的环境影响进 行评价 ［ 2］。 生活垃圾生命周期评价是指通过对垃圾整个生 命周期过程， 包括从原材料获取到最终处理， 物质、 能 源输入、 输出以及相应环境排放物进行识别和量化， 评估各个阶段物质、 能源利用效率以及所排放废物的 环境影响， 从而设计出对环境友好的产品， 尽可能减 少污染物的排放， 将整个过程的环境影响降为最小， 而不是某一阶段或工艺的环境最优 ［ 3］。从这个意义 上讲， 生命周期评价考虑了垃圾处理各个阶段环境影 响的平衡。 20 世纪 90 年代以来， 针对固体废弃物生命周期 评价的研究不断发展， 尤其是针对不同收集、 处理和 处置方式的生命周期评价研究。生命周期评价理论 和方法的应用已从最初的针对产品开发到现在用于 战略规划、 公共政策制定、 市场营销等方面 ［ 4- 5］逐渐应 用到城市固体废物管理中。城市生活垃圾的生命周 期评价正成为生命周期评价方法在公共政策制定领 域的一个重要的研究方向， 国外研究者已对此作出了 多方面的研究， 为政府制定生活垃圾管理策略提供了 科学依据 ［ 6］。而我国在这些方面的研究仍落后于欧 美发达国家， 生命周期评价在城市生活垃圾管理中的 应用尚处于起步阶段。 2. 2生活垃圾 LCA 的方法和步骤 LCA 的技术框架包括目标与范围的确定、 数据 清单分析、 生命周期影响评价、 解释和结论 ［ 7］。研究 目标与范围依据所需要解决的问题而定; 清单分析就 是分析垃圾处理技术在各个环节的能源和物料需求、 废弃物对环境的影响。目前， 国内还没有一套完整的 数据库可供参考; 生命周期影响评价是将各种关系进 行量化或建立关系模型; 解释和结论主要是提出比较 适合生活垃圾处理的工艺路线或者改进方案， 以便更 好地实现减污、 节能、 增效的目标。 3生活垃圾综合处理模式生命周期评价 3. 1生活垃圾综合处理模式 本文以北京某综合处理厂为例， 该综合处理厂处 理规模为3 000 t/d。拟定该综合处理厂可选择的综 合处理模式如下 1 混合垃圾分选 焚烧 卫生填埋处理模式 生活垃圾混合收集， 经转运站进入综合处理厂， 混合 垃圾通过分选设备， 根据垃圾粒径大小可分两类， 分 别为筛上物和筛下物， 筛上物进行焚烧， 筛下物进行 填埋处理。焚烧和填埋处理比例为 3∶ 2。 2 混合垃圾分选 焚烧 填埋 堆肥处理模 式 生活垃圾混合收集， 经转运站进入综合处理厂， 混 合垃圾通过二段筛筛分， 筛上物的垃圾进行焚烧， 筛 下物的垃圾进入卫生填埋场填埋， 中段垃圾进行堆肥 处理。焚烧、 堆肥和填埋比例为4∶ 3∶ 3。 3 生活垃圾分类收集 焚烧 生物处理处理模 式 生活垃圾按照资源类垃圾、 餐厨垃圾和一般垃圾 进行分别收集， 垃圾资源回收率为 20 ， 一般垃圾与 餐厨垃圾的处理比率为1∶ 1， 餐厨垃圾采用厌氧发酵 处理技术。 3. 2研究目标、 范围和影响类型的选择 生命周期评价的范围界定是由所开展研究的目 的、 未来应用及研究的深度和广度等因素所确定 ［ 8］。 评价内容涉及处理人均年排放生活垃圾的成本、 能源 消耗、 废气、 废水和固体废弃物的排放量。研究的范 围包括从垃圾产生开始， 经过收集、 运输直至最终处 置整个过程。生活垃圾综合处理模式生命周期系统 边界， 如图 1 所示。根据相关文献及经验值， 北京地 区人均生活垃圾产生率为1 kg/ 人d ， 则功能单位 为365 kg/ 人a 。本文针对生活垃圾综合处理选择 模式的环境影响特点， 拟制定 4 种环境影响类型， 分 别为全球变暖、 酸化、 富营养化、 生态毒性。类型参数 分别采用 CO2、 SO2、 NO － 3 当量和重金属元素在土壤 中的环境容量 m3/g ， 来反映对全球变暖、 酸化、 富 营养化和生态毒性的环境影响潜力。 图 1生活垃圾综合处理模式生命周期系统边界 3. 3影响评价模型 根据 LCA 影响评价阶段的概念框架 ［ 9］， 建立以 下 LCA 模型框架， 力求通过每一具体环境交换对已 301 环境工程 2011 年 2 月第 29 卷第 1 期 确定的环境影响类型的贡献强度来解释清单分析数 据。环境影响评价首先计算出每种影响类型的环境 影响潜力， 然后对其进行标准化和赋权， 得到总环境 影响潜力。 数据标准化是为了对各种影响类型的相对大小 提供一个可比较的标准， 从而比较对各种影响类型的 贡献大小， 同时也是为评估提供依据。 赋权评估中权重大小的确定， EDIP 通常采用 “目 标距离” 法， 即某种环境效应的严重性用该效应当前 水平与目标水平 标准或容量 之间的距离来表征。 权重的大小反映了针对 1990 年的标准化基准要削减 到多少才能达到 2000 年的削减目标。权重愈大， 说 明削减的越快。 本论文采用中国科学院生态环境研究中心建立 的适合中国特定条件的标准化基准和权重因子， 作为 城市生活垃圾处理系统生命周期影响评价的定量依 据。全球变暖、 酸化、 富营养化生态毒性环境影响潜 值标准人当量基准值分别为8 700， 36， 62， 358， 权重 因子分别为 0. 82， 0. 73， 0. 74， 1. 99。 3. 4生活垃圾综合处理模式清单分析 生活垃圾综合处理模式以北京某生活垃圾综合 处理厂为例， 通过工艺数据调查、 取样分析和生产工 艺数据的测定以及文献数据的计算和估计等方式获 取清单数据。利用综合固体废弃物管理生命周期 清单分析模型 ［ 10］， 建立上述 3 种处理模式的环境影 响清单， 见表 1 所示。 3. 5生活垃圾处理模式环境影响评价和经济分析 根据清单分析结果， 按照上述生命周期评价模 型， 计算出每种影响类型的环境影响潜力。然后对其 进行标准化和赋权， 得到总环境影响潜力， 并对各处 理模式进行经济评估。 3. 5. 1分选 焚烧 填埋处理模式 该处理模式中全球变暖、 酸性环境、 富营养化和 生态毒 性 的环境 影响 潜 力 贡 献 率 分 别 为 81. 1 、 6. 67 、 6. 28 和 6. 35 。以全球变暖为主要贡献 率， 这是由于垃圾在卫生填埋过程中厌氧分解产生大 量的 CH4和 CO2等温室气体影响的结果。其总环境 影响潜力为 5. 92 10 － 2， 在这 3 种处理模式中环境影 响程度居中。在经济评估中， 收益率主要为垃圾焚烧 发电 所 带 来 的 效 益，最 终 单 位 处 理 成 本 为 31. 95 元 / 人a ， 其环境影响评价及经济评估结果 见表 2。 表 1生活垃圾综合处理模式清单分析 影响因子 收集、 运输 分选 焚 烧 填埋 分选 焚烧 填埋 堆肥 分类 焚 烧 生物 CO4. 47 10 － 3 1. 56 10 － 2 1. 30 10 － 2 2. 67 10 － 2 CO20. 81331289297 CH4 9. 91 10 － 4 7. 845. 541. 21 10 － 3 SO2 1. 23 10 － 3 1. 64 10 － 2 1. 20 10 － 2 6. 82 10 － 2 NOx 0. 0151. 840. 130. 36 HCl1. 66 10 － 6 5. 67 10 － 3 3. 87 10 － 3 8. 04 10 － 3 HF1. 74 10 － 7 5. 37 10 － 4 3. 72 10 － 4 4. 38 10 － 4 H2S－ 4. 83 10 － 3 5. 87 10 － 3 2. 19 10 － 3 NH3 －1. 83 10 － 3 0. 463. 29 10 － 4 HC－4. 85 10 － 2 3. 42 10 － 2 4. 38 10 － 4 Chl. HC－1. 07 10 － 3 7. 47 10 － 4 4. 38 10 － 4 二恶英－5. 58 10 － 14 3. 75 10 － 14 1. 1 10 － 13 砷－2. 79 10 － 7 4. 26 10 － 5 5. 47 10 － 7 镉－4. 98 10 － 7 7. 63 10 － 5 7. 12 10 － 7 铬－1. 08 10 － 6 6. 14 10 － 4 2. 08 10 － 6 铜－1. 12 10 － 5 3. 94 10 － 3 2. 19 10 － 5 铅－8. 15 10 － 7 9. 64 10 － 3 1. 36 10 － 6 镍－1. 09 10 － 6 8. 22 10 － 4 2. 13 10 － 6 锌－1. 30 10 － 5 1. 98 10 － 2 2. 19 10 － 5 汞－1. 12 10 － 5 2. 29 10 － 5 2. 19 10 － 5 COD－4. 82 10 － 3 4. 71 10 － 3 8. 76 10 － 4 BOD－1. 45 10 － 3 1. 41 10 － 3 2. 63 10 － 4 NH3-N －1. 20 10 － 3 1. 18 10 － 3 2. 19 10 － 4 SS－1. 45 10 － 3 1. 41 10 － 3 2. 63 10 － 4 3. 5. 2分选 焚烧 堆肥 填埋处理模式 该处理模式中全球变暖、 酸性环境、 富营养化和 生态毒 性的 环境 影 响 潜 力 贡 献 率 分 别 为 42. 7 、 8. 66 、 9. 18 和 39. 3 。全球变暖和生态毒性贡 献率相当， 全球变暖是由于处理卫生填埋带来的温室 气体影响， 而生态毒性主要考虑堆肥产品所含的重金 属对农田土壤的影响。该模式总环境影响潜力为 9. 11 10 － 2， 在这 3 种处理模式中环境影响程度最 大。在经济评估中， 收益率主要为垃圾焚烧发电和堆 肥产品所带来的效益， 最终单位处理成本在这 3 种模 式中也是最大的。其环境影响评价及经济评估结果 见表 3。 401 环境工程 2011 年 2 月第 29 卷第 1 期 表 2模式一的 LCA 影响评价 影响类型全球变暖酸化 影响因子 CH4CO2 CO NOx Chl. HC NOxSO2 HClHF H2SNH3 参照物质 CO2SO2 排放量7. 84311. 56 10 － 2 0. 1841. 07 10 － 3 0. 1841. 64 10 － 2 5. 67 10 － 3 5. 37 10 － 4 4. 83 10 － 3 1. 83 102 影响潜力5070. 195 标准化值0. 065. 41 10 － 3 赋权0. 0483. 95 10 － 3 影响类型富营养化生态毒性 影响因子 NOxNH3 CODPCDD镉铬铜铅镍锌汞 参照物质NO － 3 排放量0. 181. 8 10 － 2 4. 8 10 － 3 5. 6 10 － 14 5 10 － 7 1. 1 10 － 6 1. 1 10 － 5 8. 2 10 － 7 1. 1 10 － 6 1. 3 10 － 5 1. 1 10 － 5 影响潜力0. 320. 68 标准化值5. 1 10 － 3 1. 89 10 － 3 赋权3. 72 10 － 3 3. 76 10 － 3 总潜力5. 92 10 － 2 经济评估总成本 51. 16 元 / 人a收益 26. 28 元 / 人a单位成本 24. 88 元 / 人a 表 3模式二的 LCA 影响评价 影响类型全球变暖酸化 影响因子 CH4CO2 CO NOx Chl. HC NOxSO2 HClHF H2SNH3 参照物质 CO2SO2 排放量5. 542891. 30 10 － 2 0. 137. 47 10 － 4 0. 131. 20 10 － 2 3. 87 10 － 3 3. 72 10 － 4 5. 87 10 － 3 0. 15 影响潜力4120. 3 标准化值4. 75 10 － 2 1. 09 10 － 2 赋权3. 89 10 － 2 7. 89 10 － 3 影响类型富营养化生态毒性 影响因子 NOxNH3 CODPCDD镉铬铜铅镍锌汞 参照物质NO － 3 排放量0. 130. 154. 71 10 － 3 3. 8 10 － 14 7. 6 10 － 5 6. 1 10 － 4 4 10 － 3 1 10 － 2 8. 2 10 － 4 2 10 － 2 2. 3 10 － 5 影响潜力0. 716. 44 标准化值1. 15 10 － 2 1. 8 10 － 2 赋权8. 36 10 － 3 3. 58 10 － 2 总潜力9. 11 10 － 2 经济评估总成本 50. 67 元 / 人a收益 19. 08 元 / 人a单位成本 31. 59 元 / 人a 3. 5. 3分类 焚烧 生物处理模式 该处理模式中总环境影响潜力为 5. 09 10 － 2 ， 在 3 种处理模式的环境影响程度最小， 并且单位处理成 本也仅为11. 73 元/ 人 a ， 小于其他两种处理模式。 这主要是由于生活垃圾经过分类， 垃圾成分有了明显 的改善， 使得垃圾成分更适合于焚烧和生物处理， 减少 垃圾处理带来污染的同时， 也提高了垃圾处理的收益 率。其环境影响评价及经济评估结果见表 4。 4结论 1 “分类收集 焚烧 生物处理” 的综合处理模 式在环境效益和经济效益中均有明显的优势， 在本文 中通过数据清单给予了明确的说明。因此， 生活垃圾 在采用综合处理技术时， 应加强垃圾分类收集， 提高 垃圾分类收集率。 2 从生活垃圾综合处理生命周期评估中可以看 出， 垃圾焚烧处理的环境影响潜值仅次于卫生填埋处 501 环境工程 2011 年 2 月第 29 卷第 1 期 表 4模式三的 LCA 影响评价 影响类型全球变暖酸化 影响因子 CH4CO2 CO NOx Chl. HC NOxSO2 HClHF H2SNH3 参照物质 CO2SO2 排放量0. 862972. 67 10 －2 0. 354. 38 10 －4 0. 3566. 82 10 －2 8. 04 10 －3 4. 38 10 －4 2. 19 10 －3 3. 29 10 －4 影响潜力3310. 33 标准化值3. 8 10 － 2 9. 17 10 － 3 赋权3. 12 10 － 2 6. 69 10 － 3 影响类型富营养化生态毒性 影响因子 NOxNH3 CODPCDD镉铬铜铅镍锌汞 参照物质NO － 3 排放量0. 363. 3 10 － 4 8. 8 10 － 4 1. 1 10 － 13 7. 1 10 － 7 2. 1 10 － 6 2. 2 10 － 5 1. 4 10 － 6 2. 1 10 － 6 2. 2 10 － 5 2. 2 10 － 5 影响潜力0. 4821. 32 标准化值7. 78 10 － 3 3. 69 10 － 3 赋权5. 68 10 － 3 7. 35 10 － 3 总潜力5. 09 10 － 2 经济评估总成本 44. 62 元 / 人a收益 32. 89 元 / 人a单位成本 11. 73 元 / 人a 理技术， 但是焚烧处理的经济效应不容忽视。因此， 在严格控制焚烧处理技术污染排放的前提下， 综合处 理应以焚烧处理为主。 3 在 “分选 焚烧 堆肥 填埋处理” 处理模式 中， 环境效益和经济效益均低于其他两种处理模式， 这主要是由于增加堆肥处理单元， 堆肥处理技术存在 产品肥效不高、 破坏表土性能造成土壤污染、 设备投 资较大以及产品销路不好等问题， 因此， 生活垃圾采 用堆肥处理技术时， 应审慎考虑。 4 填埋处理技术对环境影响较小， 经济效益较 差， 且填埋处理作为最终处理技术有着某种程度的不 可替代性， 但随着能源和资源回收工作的加强， 它在 垃圾处理中所占的比例将会越来越小。 5 城市垃圾问题已受到普遍重视， 观念上已正 由单纯垃圾处理向垃圾综合处理资源化利用转变， 垃 圾资源化日益成为垃圾处理的主流， 因此加强垃圾分 类是关键。 参考文献 ［1 ］ 刘新菊， 曲东. 城市固体废物处理模式研究进展［J］ . 化学工程 师， 2008， 154 7 38- 40. ［2 ］ 邓南圣， 王小兵. 生命周期评价［M］ . 北京 化学工业出版社， 2003 23- 34. ［3 ］ Consoli F， Allen D，Ibousted，et al. 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