城市生活垃圾生命周期分析及處理規劃研究*

周曉萃 徐琳瑜 楊志峰

（環境模擬與污染控制國家重點實驗室, 北京師范大學環境學院, 100875 北京）

隨著城市人口的不斷增長，居民消費結構的改變和生活水平的提高，城區生活垃圾數量日益增加，垃圾類型日益多樣化。垃圾隨處堆放影響人居環境美觀，垃圾惡臭也影響著人居生活質量，因此垃圾問題已成為城市重要的民生問題之一[1]。城市生活垃圾處理規劃是環境規劃的主要組成，也是逐步解決城市垃圾問題的重要工作指南。目前，我國對城市垃圾處理規劃更多關注垃圾的末端處理，較少從系統角度綜合考慮垃圾排放、收集、回收及處理各環節，未能最佳有效利用垃圾處理設施的能力，垃圾的資源性價值得不到最大限度的利用，并且對規劃方案的效果缺乏定量分析和評價。基于此，本文依據生命周期理論設計城市垃圾處理規劃框架，以期豐富垃圾處理規劃的理論和方法，并運用到北京市，通過基于生命周期分析的生活垃圾規劃來減少城市生活垃圾處理的環境影響，提高資源化率，為政府提供有效解決城市垃圾問題的途徑。

1.生命周期理論在城市垃圾處理規劃中的適用性

生命周期(Life Cycle)的概念應用很廣泛，特別是在政治、經濟、環境、技術、社會等諸多領域經常出現，其基本涵義可以通俗地理解為“從搖籃到墳墓”(Cradle-to-Grave)的整個過程。垃圾生命周期管理是對排放、收集、運輸、回收再利用、處理和處置垃圾的全部環節統籌考慮和分析。致力于生命周期分析方法（Life Cycle Analysis）開發的美國環境署和環境毒理化學學會認為其不僅是一種理念，也是一種實用的評價方法，它能從整個系統角度考慮各個環節和各項產品，并能評價其環境影響（Consoli F et al.1993）[2]。生命周期評價(Life Cycle Assessment)，是一種具有應用價值的環境管理工具，國際標準化組織（ISO）對其的定義是：匯總和評估一個產品(或服務) 體系在其整個生命周期間的所有投入及產出對環境造成潛在影響的方法[3]。生活垃圾生命周期評價的目的是考慮生活垃圾處理各個階段環境影響的平衡，找到使垃圾從產生到最終處理整個過程的環境影響降到最小的途徑。

生命周期分析方法一直是衡量區域廢棄物管理體系環境效應的重要方法。早在60年代，生命周期分析即被用于分析產品“從搖籃到墳墓”生命周期過程的能源投入和環境影響。近年來，各國學者開始運用生命周期分析方法評估不同廢棄物處理處置模式的能源投入和環境影響。國外學者已經將生命周期評價方法應用到固體廢物各種處理情景的評價中，Stuart Ross[4]使用生命周期評估方法對塑料包裝廢棄物的再循環和再使用體系在減少廢棄物填埋量的同時是否能夠減少總環境負荷進行了分析。Peter Beigl[5]運用生命周期評價和成本分析的方法比較了存在再循環利用和不存在再循環利用情景下不同廢棄物管理體系的全球變暖潛力效應、酸化潛力效應和凈能源使用效應。同時，LCA還被應用到綜合評價方法中，以其基本分析框架為基礎，結合如生態效率等環境指標或是投入產出模型，能更為精確地量化與評價廢棄物管理體系的環境效應[6,7,8,9]。我國對城市生活垃圾生命周期評價的認識和研究方面還處于起步階段，徐成[10]、楊建新在1998年概括地介紹了城市生活垃圾系統的生命周期管理，并提出了城市生活垃圾處理的LCA系統結構，描述了LCA的發展意義和前景。部分學者提出了基于生命周期評價的城市生活垃圾管理框架[11]，有的學者對垃圾填埋、焚燒、堆肥等處理工藝進行了環境影響評價[12,13]。相比國外的研究，生命周期分析在我國生活垃圾管理方面應用還不足，有待作進一步的研究和探索。

本文將生命周期分析方法應用到城市生活垃圾處理規劃中，提出具體規劃框架與評價方法（見圖1），在對現狀生命周期定性分析基礎上，選取生活垃圾處理的環境影響和資源化率兩個指標，基于生活垃圾末端處理工藝的生命周期環境影響的核算結果，定量評價現狀與規劃方案環境影響與資源化率，將兩者進行比較以使方案的制定更加合理和有效。

圖1 基于生命周期理論的城市生活垃圾處理規劃框架

2.北京市生活垃圾現狀生命周期分析

根據垃圾管理的生命周期特征，分別對北京市垃圾產量與類型、收集與回收、處理與處置等管理現狀進行分析，見表1及圖2。

圖2 北京市城市生活垃圾處理流程

表1 北京市生活垃圾生命周期管理現狀分析

3.北京市生活垃圾生命周期評價

根據LCA方法對北京市垃圾末端處理—填埋、焚燒、堆肥的環境影響進行了評價，計算出不同處理工藝的環境影響潛值，結合北京市垃圾處理現狀，得到垃圾處理的綜合環境影響潛值，同時計算出垃圾整個生命周期的資源化率。

3.1 生活垃圾處理生命周期環境影響評價

3.1.1末端處理工藝生命周期環境影響評價

利用生命周期評價方法對北京市垃圾末端處理工藝—填埋、焚燒、堆肥的環境影響進行評價，計算出不同處理工藝的環境影響潛值，然后結合北京市垃圾處理各工藝的利用情況，得到垃圾處理的綜合環境影響潛值。

生命周期評價的實施步驟分為目標和范圍定義、清單分析、影響評價和結果解析4個部分。環境影響評價是在清單分析的基礎上，根據選擇的環境影響類型，進行數據標準化和制定各類環境影響的權重，最后加和得到各種處理方式的環境負荷，其計算公式[15]如下。

式中：EIL為每種工藝總的環境負荷；WjEP(j)為j類環境影響加權后的環境影響潛值；Wj為j類環境影響的權重；Qi為i種物質的排放量，kg/t垃圾；PF(j)i為第i種排放物質對第j種環境影響的當量因子；EP(j)為人均環境影響潛值；j為環境影響類型；i為排放物質。

首先，對垃圾末端處理工藝進行生命周期環境影響評價。評價的目標是對比填埋、堆肥、焚燒三種處理工藝的環境影響，所以研究系統邊界定為進入垃圾處理站開始，功能單位為1噸垃圾。結合文獻資料[16]可得北京市生活垃圾在三種處理模式下的排放清單，然后選取與之密切相關的4種環境影響類型，即全球變暖、酸化、富營養化和光化學臭氧合成，并分別以CO2、SO2、NO3-、C2H4為參照物，根據各環境影響因子與參照物之間的當量關系[10]，計算出每種影響類型的環境影響潛值。通過式（1）得到每種環境影響潛值。其次用人均環境影響潛值進行數據標準化，本研究運用中國科學院生態環境研究中心建立的中國環境影響潛值標準人當量基準[17]。最后，用層次分析法制定環境影響權重(圖3)，計算得到各處理模式總的環境影響潛值（見表2）。

圖3 生命周期環境影響評價過程

表2 3種處理工藝環境影響潛值

3.1.2 環境影響綜合潛值

2008年，北京市分類收集率為54%，其中可回收物資的資源化水平為50%，同時約50%的廚余垃圾可直接用于動物飼料[16]，其余部分進入末端處理。末端垃圾填埋、焚燒、堆肥處理比例分別為93%，4%，3%。焚燒與堆肥兩種處理方式下產生的殘渣量分別為10%與30%，最后都做填埋處理。根據上文得到的三種工藝下環境影響潛值計算結果，可得1噸垃圾的處理環境影響潛值為0.027。

3.2 生活垃圾管理資源化率核算

城市生活垃圾是放錯了位置的資源，它含有許多可綜合利用的物質和能源，可以重新在經濟循環中發揮作用。因此在考慮垃圾處理環境影響的同時也要兼顧垃圾的資源化，采用高效率處理方法，回收垃圾中有用的成分并加以利用。資源化率是指生活垃圾處理實現資源化的垃圾的比例，一般包含物質回收、物質轉化再利用以及能源利用三個層級[17]，假設產生的垃圾全部進行資源化和無害化， 其值可由式（2）得出。

式中：E資為生活垃圾資源化率（%）；為垃圾回收率（%），L為回收物質的資源化水平（%），Q填埋為垃圾填埋量（t），Q焚燒為垃圾焚燒量（t），Q堆肥為垃圾堆肥量（t）；Q產生量為垃圾產生量（t）；E填埋為填埋資源化率（%），E焚燒為垃圾焚燒轉化成熱能和電能的效率（%）；E堆肥為堆肥資源化率（%），

可回收物的資源化水平L現狀為50%。垃圾焚燒可以供熱發電，目前我國自主設計的供熱鍋爐熱效率可以達到65%，熱電聯產可以達到 50%，而單純發電的熱效率只能達到 23%，根據北京實際情況，大部分垃圾焚燒廠是熱電聯供，其資源化率E焚燒可取40%。垃圾填埋處理，填埋氣體的開發利用是垃圾填埋處置過程中唯一可測量的資源化指標，填埋氣體通過收集發電實現資源化，其資源化率可為發電量與理論發電量的比值。北京生活垃圾低位熱值4 627kJ/kg，理論可發電1 284kw·h/t, 北京一座典型垃圾填埋場生活垃圾焚燒處理實際可發電量為20kw·h/t，可得垃圾填埋資源化率E填埋為2%。垃圾堆肥處理的資源化率可看作是堆肥率，通常情況下，垃圾堆肥產品的產率約為30%～50%，但是北京垃圾堆肥產品營銷不理想，其資源化率E堆肥取30%。

根據以上分析和式（2），結合2008年北京市生活垃圾填埋、焚燒、堆肥處理比例，可到現狀垃圾資源化率為30%。

4.北京市生活垃圾處理規劃及評價

本規劃方案將針對北京市垃圾生命周期過程在收集、回收、處理處置等方面存在的問題和不足，在分類收集率、回收物資源化率、無害化處理工藝利用比例的調整等方面進行改進和優化。一方面，參考北京市市政管委政府工作報告的相關內容[18]；另一方面，參考國內其他城市的有關工作，如深圳市在《深圳市環境衛生設施總體規劃》中提出2010年城市垃圾分類收集率達到90%，江蘇省在《江蘇省循環經濟發展規劃》中提出2010年城市垃圾分類收集率達到92%；此外，借鑒國外的先進經驗，例如荷蘭2008年固體廢物循環使用率75%，丹麥為64%。據《日本廢棄物處理（2006年版）》載，東京垃圾處理以焚燒為主，焚燒比例占到77.9%，填埋比例保持在21%～26%的水平上。具體方案如表3。

表3 北京市城市生活垃圾處理規劃方案

對規劃的垃圾處理模式生命周期環境影響潛值和資源化率進行計算，結果見表3。規劃方案將垃圾分類回收率和回收資源化水平分別提高了30%和10%，同時增強垃圾處理能力，改變垃圾處理工藝的比例，使得規劃年（2015）垃圾處理的環境影響潛值降低了22%，全生命周期資源化率提高了83%。規劃方案對環境以及資源化方面都產生了積極的影響，同時提供了末端污染防治措施。

表4 環境影響潛值與資源化率計算結果

5.結果與討論

根據對北京市垃圾處理工藝生命周期環境影響的評價結果，堆肥的環境影響潛值遠遠小于焚燒和填埋，焚燒略大于填埋。從三種處理工藝資源化率方面看，焚燒好于堆肥，填埋資源化效果最差，整個生命周期的資源化率與前端分類回收程度有重要關系。規劃方案的環境影響與現狀相比有明顯改善，資源化率也有顯著提高，這可說明北京市生活垃圾處理應將垃圾焚燒和堆肥比例大幅度提高，同時加強垃圾前端回收和再生資源利用。

基于生命周期理論的城市垃圾處理規劃框架體現了“搖籃-墳墓”，源頭有效控制，末端有機治理的思想，充分包含垃圾的收集、運輸、回收再利用、處理和處置垃圾的全部環節，同時兼用生命周期評價，對其環境影響，資源化率進行定量分析，科學地制定規劃方案，力求使城市垃圾管理更加系統和合理，并達到環境可持續、經濟可承受和社會可接受。

[1] 李萌，楊志峰.循環經濟原則在城區固體廢物處置規劃中的應用[J].北京師范大學學報(自然科學版)2004，40(5)：697-702.

[2] Consoli F,D Allen, I Bousted, et al.Guidelines for life-cycle assessment a code of practice[M].STEAC.Pensacola,FL,1993.

[3] ISO/DIS 14040.Environmental Management-Life Cycle Assessment-Part: Principles and Framework [S].1997.

[4] Stuart Ross, David Evans.The environmental effect of reusing and recycling a plastic-based packaging system.Journal of Cleaner Production, 2003,11(5): 561-571 .

[5] Peter Beigl, Stefan Salhofer. Comparison of ecological effects and costs of communal waste management systems.Resources,Conservation and Recycling, 2004, 41(2): 83-102 .

[6] Stefanie Hellweg , Gabor Doka , Gran Finnveden , et al .Assessing the Eco-efficiency of End of Pipe Technologies with the Environmental Cost Efficiency Indicator.Journal of Industrial Ecology , 2005 , 9(4) :189-203.

[7] Tohru Morioka , Kiyotaka Tsunemi , Yugo Yamamoto , et al .Eco-efficiency of Advanced Loop closing Systems for Vehicles and Household Appliances in Hyogo Eco-town.Journal of Industrial Ecology , 2005 , 9(4): 205-221.

[8] Anil Barala and Bhavik R.Bakshi.Emergy analysis using US economic input-output models with applications to life cycles of gasoline and corn ethanol.Ecological Modelling ，2010,221（15）： 1807-1818 .

[9] Lave L, Hendrickson C, Horvath A, et al.Economic input output models for environment life-cycle assessment,Environmental Science&Technolo-gy,2002,32(7):184-191.

[10] 徐成,楊建新,胡聃.城市生活垃圾生命周期管理[J],城市環境與城市生態,1998,11(3):52-55.

[11] 黃江麗，王澤，王偉.用生命周期評價北京市城市垃圾處理工藝[J].能源環境保護，2004，18(4):59-62.

[12] 陶華，陶加林.生命周期評價在中國城市垃圾減量化的應用[J].環境科學學報，1998，l(3):45-48.

[13] 韋保仁,王俊.蘇州城市生活垃圾處置方法的生命周期評價[J].中國人口·資源與環境,2009,19(2):93-97 .

[14] 李玉春.北京市生活垃圾厭氧發酵技術應用潛力分析.2009.＜http://www.bjrd.gov.cn/zt/sjchy/hywj/201007/t20100730_57056.html>

[15] 楊建新,王如松,劉晶茹.中國產品生命周期影響評價方法研究[J].環境科學學報,2001,21(2):234-238.

[16] 紀丹鳳.城市生活垃圾處理處置的生命周期與環境經濟評價[D].北京化工大學，2010.

[17] 周菲.杭州城市生活垃圾處理體系綜合評價方法研究[D].中南大學，2010.

[18] 陳永.關于生活垃圾處理工作進展情況的報告.北京市第十三屆人民代表大會常務委員會第十九次會議.＜2010.http://www.bjrd.gov.cn/zt/sjchy/hywj/201007/t20100730_57056.html>