成都市生活垃圾兩種處理方式的生命周期環境影響評價

雷永佳，姚 景，趙 飛，李正山

（四川大學建筑與環境學院，四川 成都610065）

調查發現，國內對生活垃圾處理的研究主要集中在以下四個方面［1］：一是研究不同垃圾處理方式的優化選擇；二是單獨評價某種垃圾處理方式的環境效益；三是對某地的垃圾處理進行整體環境評價；四是探討垃圾處理的主要進展。在這些研究中，主要采取的研究方法是生命周期評價（LCA）。

然而在國內對生活垃圾處理方式的生命周期評價分析中，大多存在如下不足［2］：①收集的數據不準確，因而無法保證所得出的結論是可信的；②建立的模型不完整，忽略了一些本應考慮的環節，比如在焚燒處理中，并未對焚燒發電對環境產生的正效應進行考慮，從而影響了結論的準確性；③環境影響考慮不全面，尤其是缺乏針對國家節能減排政策目標的分析，因而得出的綜合環境影響潛力值可能會有偏差。

本文以成都市垃圾填埋和垃圾焚燒兩種處理方式為研究對象，建立生活垃圾處理從收集、運輸到填埋和焚燒的整個生命周期模型，通過收集數據得到完整的生命周期清單，并采用eBalance軟件計算生活垃圾處理過程中的各項環境影響指標值，以評價生活垃圾處理的各種環境影響，同時對生命周期節能減排（ECER）綜合指標各個過程及指標的貢獻進行了分析，針對分析結果提出了生活垃圾處理的合理改進措施與建議。

1 成都市垃圾處理的生命周期清單分析

本文選擇都位于成都市龍泉驛區洛帶鎮境內的垃圾填埋場和焚燒發電廠作為研究對象，通過收集兩處的數據作為基礎數據來進行生活垃圾處理的生命周期清單分析。

洛帶鎮距離成都市區約25km，垃圾填埋場總庫容約3 209m3，總投資3億多元，是城區生活垃圾的主要處理場所。而垃圾焚燒發電廠是在2007年底建成投入使用的，日處理能力為1 200t/d，每年發電約1.3億kW·h，其中的1.1億kW·h直接輸入成都電網，至少滿足了兩萬戶居民家庭的基本用電。

本文以1t城市生活垃圾為功能單位，分析研究從垃圾產生到收集運輸直至最終處理的整個生命周期過程對環境的影響，其LCA系統邊界見圖1。

圖1 成都市生活垃圾處理的LCA系統邊界Fig.1 LCA system boundaries of the household garbage in Chengdu City

本文生命周期清單分析中使用的數據主要有：成都市統計局和環衛局官方網站上公布的相關數據；相關文獻數據的評估和計算；eBalance軟件數據庫數據。

1.1 垃圾收集運輸過程中污染物的排放

本文研究所涉及的焚燒發電廠和衛生填埋場處于同一地區，均距離城區約25km，故垃圾填埋和垃圾焚燒兩種處理方式在收集運輸過程中所產生的污染物排放量是相同的。

假定成都市生活垃圾運輸完全采用直接收運模式，即由密閉的壓縮垃圾車直接將收集點上收集的生活垃圾運送至生活垃圾末端處置場所，因此運輸過程中除了汽車尾氣外，是不會產生其他污染物排放的。同時假定密閉壓縮垃圾車為3t柴油卡車，其滿載百公里的油耗按22L計算，由前文可知往返距離約為50km，計算可得生活垃圾運輸過程中每噸垃圾耗柴油約為3.67L。由于eBalance軟件數據庫導入數據中柴油單位為kg，以0號柴油為例，密度為0.94kg/L，計算得到每噸垃圾消耗柴油約3.45kg，見表1。

表1 成都市垃圾運輸平均油耗Table 1 Average fuel consumption of waste transportation in Chengdu City

1.2 垃圾填埋的生命周期清單分析

在垃圾填埋過程中，需要使用推土機、挖掘機、壓實機等大型設備，而且為了防止滲濾液滲漏污染土壤和水體，還需要使用HDPE（高密度聚乙烯）等材料，每處理1t垃圾約需要HDPE為0.062 5m2，其能耗情況見表2［4］。由此推算得到垃圾填埋過程中的能耗為：每處理1t生活垃圾消耗柴油1.87L，消耗電力1.92kW·h。

表2 垃圾填埋涉及設備的能耗Table 2 Energy consumption of the equipment relating to landfill

此外，通過文獻［5］調查和公式計算，得到在垃圾填埋步驟中向大氣、水體和土壤中排放的污染物量，見表3。雖然采用了HDPE等材料防止滲濾液的滲漏，但因其排放量少，難以定量，且eBalance軟件數據庫里未錄入，在其他文獻中亦難以獲取，故在此不做考慮。

1.3 垃圾焚燒的生命周期清單分析

在垃圾焚燒處理過程中，涉及到的主要能耗和物耗包括：點火以及爐渣裝載機耗費的柴油，焚燒系統的耗電量，灰渣填埋過程中消耗的柴油、電力和HDPE。對于焚燒過程，每噸垃圾在焚燒過程中要消耗2.22L柴油和51.2kW·h電能，同時必須要考慮對焚燒垃圾所產生的電量，1t垃圾焚燒后大約可以產生215kW·h電量，因此垃圾焚燒過程的能耗為2.22L柴油和－163.8kW·h電量［6］。

表3 垃圾填埋中污染物的排放量（kg/t垃圾）Table 3 Pollutant emissions of the landfill（kg/t waste）

垃圾焚燒后的殘渣產量為每噸垃圾198kg，需運至填埋廠填埋，其填埋過程向大氣、土壤和水體中排放的污染物量可參照垃圾填埋生命周期清單分析過程。

此外，根據相關文獻［7—9］的數據，整理后可以得到垃圾焚燒和填埋處理中的污染物排放量，見表4。

表4 垃圾焚燒和填埋處理中污染物的排放量（kg/t垃圾）Table 4 Pollutant emissions of the two garbage treatment methods（kg/t waste）

2 成都市生活垃圾兩種處理方式的生命周期環境影響評價

參考相關文獻［10—12］，本文采用由億科環境科技有限公司（IKE）研發、具有自主知識產權的通用生命周期評價分析軟件eBalance來進行成都市生活垃圾兩種處理方式的生命周期環境影響評價。

本文選擇的與生活垃圾處理關系密切的環境影響評價指標包括：初級能源消耗（PED）、不可再生資源消耗（CADP）、溫室效應（GWP）、酸化效應（AP）、富營養化（EP）、化學需氧量（COD）、氨氮（NH3－N）、氮氧化物（NOx）、二氧化硫（SO2）。

2.1 特征化指標的計算

采用eBalance軟件對成都市兩種垃圾處理方式的環境影響評價指標進行歸一化處理，得到各環境影響特征化指標的計算結果見表5。

表5 兩種垃圾處理方法生命周期環境影響特征化指標Table 5 Life cycle characteristic indexes of the two garbage treatment methods

由表5可以看出：各單項環境影響評價指標歸一化結果中，除了全球變暖潛值和氮氧化物排放量兩項指標外，垃圾焚燒處理方式的環境影響都遠小于垃圾填埋；此外，由于將垃圾焚燒發電量通過擴展系統邊界方法在上游耗電量以負值體現，所以垃圾焚燒處理中的一些環境影響指標計算值為負，表現出對環境的正效益。兩種垃圾處理方式各清單過程對特征化指標的貢獻值見圖2和圖3。

圖2 垃圾填埋處理中各清單過程對特征化指標的貢獻值Fig.2 Contribution values of each inventory process in the landfill to characteristic indexes

圖3 垃圾焚燒處理中各清單過程特征化指標的貢獻值Fig.3 Contribution values of each inventory process in the incineration to characteristic indexes

由圖2和圖3可以看出：在垃圾填埋處理過程中，對AP、EP、GWP、NOx、SO2幾個環境影響指標貢獻最大的均在填埋階段，其他指標則是柴油生產階段的排放，因此減少整個處理過程中柴油的使用對于減少其環境影響具有至關重要的作用；而在垃圾焚燒處理中，由于焚燒發電對一些環境影響產生了正效應，因此如何擴大焚燒發電的效率，提高這種正效應，是急需重點考慮的問題。

2.2 生命周期ECER綜合指標的計算

采用eBalance軟件對兩種垃圾處理方式進行生命周期ECER綜合指標的計算，其計算結果見表6。

表6 兩種垃圾處理方式的ECER綜合指標計算結果Table 6 ECER comprehensive evaluation results of the two methods of garbage treatment

對比表5和表6可以看出：雖然在特征化指標的比較中，垃圾填埋處理方式的大多數環境影響指標值要大于垃圾焚燒，但針對綜合指標，垃圾填埋卻要小一些，這是因為在國家節能減排規劃中對于溫室效應和氮氧化物的考量較重。

2.3 過程清單數據對ECER綜合指標的敏感度分析

進行敏感度分析的目的是為了找出對LCA結果影響最大的關鍵清單數據和原始數據，從而提出相應的改進方案。敏感度分析的數學定義為：當函數的自變量變化單位百分比時，函數值也會相應變化一個百分比，兩個百分比的比值就是函數值對此自變量的敏感度。在LCA中，各單元過程的清單數據及其原始數據就是自變量，LCA結果就是函數值。

本文采用eBalance軟件自帶的敏感度計算功能，利用最初建立的生命周期模型直接計算垃圾填埋和垃圾焚燒處理中各清單數據對ECER綜合指標的敏感度，并提出了可能的改進方案，見表7和表8。

表7 垃圾填埋處理中各清單數據對ECER綜合指標的敏感度分析Table 7 Sensitivity analysis of the landfill inventory data to ECER indexes

表8 垃圾焚燒處理中各清單數據對ECER綜合指標的敏感度分析Table 8 Sensitivity analysis of incineration inventory data to ECER indexes

3 結 論

通過對成都市生活垃圾兩種處理方法的生命周期進行環境影響評價得到如下結論：

（1）兩種處理方法的污染物排放均以氣體排放為主，其中垃圾填埋處理方式所排放的氣體主要以CO2和CH4為主，而垃圾焚燒處理方式所排放的氣體主要以CO2為主；垃圾填埋氣體排放主要發生在填埋過程中，垃圾焚燒處理氣體排放主要發生在焚燒過程中，因此對生活垃圾進行治理時要把重點放在空氣污染上，尤其是要考慮如何減少填埋和焚燒過程中CO2和CH4的排放。

（2）從環境影響評價結果看，各單項環境影響指標歸一化結果中，除了全球變暖潛值和氮氧化物排放量這兩項指標外，垃圾焚燒處理方式的環境影響都遠小于垃圾填埋，甚至垃圾焚燒處理還對某些環境影響產生了正效應。

（3）生命周期節能減排（ECER）綜合指標計算結果顯示，垃圾填埋處理方式要優于垃圾焚燒，這主要是由于在國家節能減排要求中，對全球變暖和氮氧化物的要求較高。

（4）在各清單數據對ECER綜合指標的敏感度分析中發現，柴油對環境影響的貢獻值較大，因此采用清潔能源替代柴油對于減少ECER綜合指標值具有重要作用。

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