黃和平,胡 晴,王智鵬,喬學忠,舒 璜,陳 慧,楊宗之
南昌市生活垃圾衛生填埋生命周期評價
黃和平1*,胡 晴2,王智鵬1,喬學忠1,舒 璜2,陳 慧1,楊宗之2
(1.江西財經大學生態經濟研究院,江西 南昌 330013;2.江西財經大學旅游與城市管理學院,江西 南昌 330032)
衛生填埋法是當前我國處理城市生活垃圾的主要方式,依據生命周期評價理論及分析框架,借助eFootprint軟件對南昌市衛生填埋法處理城市生活垃圾進行生命周期分析以期找出各處理過程的突出環境影響及原因并提出針對性改善建議.結果表明:衛生填埋法處理城市生活垃圾的主要環境影響類型為全球變暖(GWP)、初級能源消耗(PED)、水資源消耗(WU)、酸化(AP)、光化學臭氧合成(POFP)、生態毒性(ET)、淡水富營養化(FEP);電力盈余作為副產品參與分配使得各環境影響類型指標潛值減小,其中最突出的是PED,其次是WU;收集運輸過程最突出的環境影響類型為POFP,其次依次為ET、PED、FEP,該過程應減少柴油運輸車使用,適量引用節能環保或清潔能源汽車;衛生填埋過程在垃圾處理各過程中產生的環境污染最大,該過程最突出的環境問題是AP,其次是GWP,再者是PED、FEP、ET,該過程應改善工藝以提升填埋氣收集效率,采用清潔能源減少柴油使用;填埋氣發電過程因填埋氣發電產生盈余電力,實現能量回收后對環境的正效益,該過程應提升填埋氣收集以及燃燒發電效率;滲濾液處理過程的環境影響較小,主要表現為WU和FED,需在注重節能的同時優化升級處理工藝,改善當前處置工藝存在的弊端并排除隱患.
城市生活垃圾;衛生填埋;生命周期評價;環境影響;南昌市
伴隨我國經濟和城鎮化水平的不斷提升以及城鎮人口的激增,城市生活垃圾產量日益增多,截止到2016年底,全國城市生活垃圾清運量高達2.04億t,其產生量在近20年里翻了一倍[1-2].但當前我國城市生活垃圾處理方式還是以衛生填埋為主[3],較為單一的垃圾處理方式難以應對生活垃圾數量大幅提升、垃圾成分越發復雜的困境,引發一系列的生態環境問題,導致大量城市陷入垃圾圍城困境,城市生活垃圾問題成為制約城市可持續發展的重要因素.
生命周期評價(life cycle assessment,LCA)作為一種全面的環境管理工具[4],也是評價城市生活垃圾處理系統環境影響的有效方法.國內外學者采用生命周期評價法量化城市生活垃圾處理環境影響的研究取得了一定成果.具體來看,國外的研究起步早,研究的內容廣泛,有針對單一生活垃圾處理方式環境影響的評估[5-6];有面向城市生活垃圾處理系統的對比分析,具體又可從研究區域[7-9]、生活垃圾處理方式[10-14]、生活垃圾處理環節等[15-18]方面展開對比研究;目前,生活垃圾處理技術的改進研究[19-22]、廢棄物資源化利用[23-25]以及食物垃圾的處理問題[26-28]逐漸成為研究熱點.相比于國外,國內研究起步較晚,相關研究主要集中在對比不同城市生活垃圾處理方式的環境影響[29-32],當前,生活垃圾處置成本核算以及綜合考慮環境影響和經濟成本的研究日益增多,成為研究趨勢[33-35].
目前國內已有的關于生活垃圾處理的生命周期評價研究主要集中在直接對比不同生活垃圾處理方式產生的環境影響或者是通過模擬不同生活垃圾處置情景找出最優處置方案,研究結果也多是對數據的客觀描述,缺乏挖掘數據背后的深層含義,因而對處理工藝改進的價值不高,同時,缺乏對具體處置方式的分環節細化研究.此外,研究中建立的模型忽略了一些本應考慮的環節,比如未將衛生填埋過程中填埋氣發電對環境產生的正效益進行考慮,從而影響研究結果的準確性.鑒于此,本文以南昌市最主要的生活垃圾處理方式——衛生填埋法為研究對象,建立了生活垃圾從收集運輸、衛生填埋到填埋氣發電和滲濾液處理的全過程生命周期模型,通過收集數據得到完整的生命周期清單,采用eFootprint軟件,以衛生填埋法處理1t城市生活垃圾為功能單位,計算出總體和分過程的各類環境影響指標潛值,并結合敏感度分析,識別各處理過程中突出的環境污染問題及關鍵污染因素,同時,還將填埋氣發電產生的環境正效益納入對比分析,更加全面地評價生活垃圾處理的環境影響,并根據分析結果針對處理工藝流程提出可行的改進措施和建議,促進城市生活垃圾可持續管理.
伴隨南昌市城區面積擴張,越來越多人口注入城市,加之經濟進一步發展,人民生活水平不斷提高,生活垃圾產生量持續增加.南昌市目前生活垃圾日均產生量為4000多t,其中,有機垃圾約占30%,可回收垃圾約占25%,無機垃圾約占10%,剩余約35%則為其他垃圾.南昌市生活垃圾主要通過麥園垃圾填埋處理廠和泉嶺垃圾焚燒發電廠處理,其中70%的生活垃圾靠衛生填埋,因此南昌市形成了填埋為主,焚燒為輔的生活垃圾處理模式.伴隨鄱陽湖生態經濟區建設的國家戰略部署以及南昌市藍天行動計劃的推行,加之垃圾焚燒技術的發展,南昌市決定將垃圾填埋處理廠升級為垃圾焚燒發電廠,以期改變當前生活垃圾處理模式,緩解城市生活垃圾處理壓力,但目前南昌市生活垃圾主要依靠衛生填埋處理的局面一時難以改變.
麥園垃圾填埋處理廠是南昌市唯一的填埋場,位于南昌市經開區,距市區約15km,占地面積106.73hm2(其中填埋庫區占地65.49hm2),設計使用年限31.5a,現已運行20多a,日平均垃圾清運量達2700余t,最高峰時每天高達3000多t.填埋場附近配套建設沼氣發電廠和滲濾液處理廠,沼氣發電廠日發電量96000kW·h,輸入南昌市電網供全市居民使用,滲濾液處理廠日均處理滲濾液1000m3,處理后達標水體外排入贛江.
借鑒國際標準化組織頒布的ISO14040環境管理體系確定的生命周期評價——原則與框架,將南昌市衛生填埋法處理城市生活垃圾的LCA分析分為目標與范圍確定、清單分析、影響評價和結果解釋四個部分.
研究的目標是以南昌市主要生活垃圾處理方式——衛生填埋法為例,對該生活垃圾處理系統每處理1t城市生活垃圾的物質、能量輸入-輸出以及污染物排放的環境影響進行LCA分析,進而量化衛生填埋法處理城市生活垃圾的環境影響以及有效識別出處理環節中的關鍵污染點,從而優化當前處理方式.
研究的范圍包括生活垃圾收集運輸、衛生填埋、填埋氣發電以及滲濾液處理4個部分,不包括垃圾填埋處理廠的建造階段.其LCA系統邊界圖如圖1所示.

圖1 衛生填埋法處理城市生活垃圾的系統邊界
數據清單分析(life cycleI inventory,LCI)是指針對產品、工藝或活動對其研究系統邊界內所有物質、能量的投入以及污染物排放進行量化分析,通常以數據清單表的形式呈現分析結果[36].
本文以衛生填埋法處理1t城市生活垃圾為功能單位,生命清單中使用的數據主要來自于企業實地調研以及eFfootprint軟件數據庫數據,部分數據借鑒相關文獻的評估和計算[37-38].
2.2.1 生活垃圾收集運輸過程清單分析 本文將收集運輸過程定義為從各垃圾中轉站運輸到麥園垃圾填埋處理場的過程,采用各垃圾中轉站到填埋場的平均距離,約15km,則往返距離約為30km.
垃圾中轉站僅考慮電力消耗,每處理1t生活垃圾耗電1.92kW·h.同時,假設垃圾運輸車都是密閉式的,因而運輸過程中除汽車尾氣排放外,不會產生其他污染,通過eFootprint軟件導入一個功能單位的垃圾中轉站運行電力投入以及往返距離數據,并連接到系統內部的CLCD數據庫,則可以量化收集運輸過程的環境影響.
2.2.2 衛生填埋過程清單分析 衛生填埋過程中的主要投入包括裝載機、挖掘機、推土機、壓實機等機械作業所需的柴油以及用于垃圾填埋后覆膜的高密度聚乙烯(HDPE)材料.此外還有用于殺蟲的藥劑的投入,因數據獲取困難,故不考慮藥劑投入的環境影響.根據調查,填埋每噸垃圾的總機械運行油耗為1.05kg,高密度聚乙烯為1.045kg,投入物質的上游生產過程的環境影響的測算則通過連接軟件內部數據庫實現.
衛生填埋過程中的排放數據由投入物質的排放數據以及填埋場產生的外逸填埋氣體兩部分組成,根據企業統計資料,具體排放數據如表1所示.

表1 衛生填埋過程投入與排放清單
2.2.3 填埋氣發電過程清單分析 南昌麥園垃圾填埋處理廠配備有填埋氣發電廠用于收集填埋氣發電,根據調查,填埋氣發電廠配備有4MW內燃機組,日均收集填埋氣約67200m3,日均發電量約為96000kW·h,衛生填埋法處理城市生活垃圾的日均發電數據見表2.

表2 填埋氣發電廠日均發電量數據
填埋氣發電過程的主要投入是電力,主要排放則是沼氣燃燒后排放的污染氣體.因為填埋氣發電量遠大于填埋氣發電設備的電力消耗,因此該部分電力消耗為負值,實際上該過程產生正向環境影響.則該過程的投入排放清單數據如表3所示.
2.2.4 滲濾液處理過程清單 滲濾液處理廠日均處理1000m3滲濾液,其中滲濾液濃縮回灌量為250m3.滲濾液處理具體包括硝化沉降、混凝沉降、深度凈化等一系列流程,限于數據獲取的原因,該部分并未細分工序研究.該過程的主要消耗為滲濾液處理機械運行所需的電力、用于沉降的聚氯化鋁(PAC).排放主要是企業對達標排放的水體所進行檢測的污染項目,清單數據列表如表4所示.

表3 填埋氣發電過程投入與排放清單

表4 滲濾液處理過程投入與排放清單
生命周期影響評價(LCIA)是在清單分析的基礎上,對其分析中包含的物質、能量投入以及污染物排放所造成的環境壓力進行定量和定性評價的過程[39].本文對衛生填埋法處理城市生活垃圾的生命周期環境影響的量化和綜合評價通過億科環境科技有限公司(IKE)研發的生命周期評價分析軟件eFootprint實現.針對衛生填埋法處理城市生活垃圾的環境影響特點以及清單分析結果,確定了7種關系密切的環境影響類型:全球變暖(GWP)、初級能源消耗(PED),水資源消耗(WU),酸化(AP),光化學臭氧合成( POFP),生態毒性(ET),淡水富營養化(FEP).
因為填埋氣發電過程產生了電力盈余,因此,根據是否將電力盈余作為副產品進行分配形成了兩個生命周期評價結果,不含電力盈余分配的評價結果更為真實地還原了衛生填埋法處理城市生活垃圾的環境影響,而包含電力盈余分配的評價結果則是從全過程環境負面影響中扣除了電力盈余產生的環境正效益.本文中副產品分配采用系統擴展法(替代法),并借助eFootprint軟件計算了各環境影響類型的環境影響潛值,衛生填埋法的主要環境影響類型為全球變暖、初級能源消耗、水資源消耗、酸化、光化學臭氧合成、生態毒性、淡水富營養化,具體結果如表5所示.

表5 衛生填埋法處理城市生活垃圾環境影響潛值
未將電力盈余作為副產品進行分配前,衛生填埋法處理城市生活垃圾的全球變暖潛值(碳足跡總量)為242.56kgCO2eq.,初級能源消耗總量為217.61MJ,水資源消耗總量為67.04kg,酸化潛值為1.06kgSO2eq.,光化學臭氧合成潛值為0.15kg NMVOC eq.,生態毒性潛值為0.46CTUe,淡水富營養化潛值為0.0001kg P eq./kg N eq..
考慮副產品分配,衛生填埋法處理城市生活垃圾的全球變暖潛值(碳足跡總量)為215.20kgCO2eq.,初級能源消耗總量為-141.30MJ,水資源消耗總量為-39.88kg,酸化潛值為0.90kgSO2eq.,光化學臭氧合成潛值為0.14kg NMVOC eq.,生態毒性潛值為0.39CTUe,淡水富營養化潛值為0.00009kg P eq./kg N eq..因為對填埋氣發電產生的電力盈余進行了分配,因而7類環境影響類型的數值均出現下降,表明副產品分配實際帶來環境效益的提升,其中初級能源消耗的效益提升最大,為358.91MJ,其次是水資源消耗,提升了106.92kg,全球變暖提升效益也較明顯.可見填埋氣用于發電產生的環境正面影響較為顯著.
通過量化不同處理過程中環境影響類型潛值進而識別出污染嚴重的過程及其突出的環境影響類型,并配合清單數據靈敏度表進一步辨識各過程的最有效改進點.清單數據靈敏度是指清單數據單位變化率引起的相應環境影響類型指標的變化率.本文采用eFootprint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計算衛生填埋各個過程中投入、排放的清單數據對各影響類型指標的敏感度,選擇出影響較顯著的清單數據,羅列于表6中.將影響類型潛值和敏感度相結合進行分析,找出污染嚴重的過程以及各過程中突出的環境污染因素,以便提出可行的改善方案.

圖1 各過程環境影響貢獻(不含電力分配)
4個處理過程的環境影響類型的貢獻如圖1、圖2所示,值得注意的是,因為填埋氣發電產生的電力盈余通過擴展系統邊界方法在上游耗電量以負值體現,所以進行副產品分配的圖2中部分環境影響指標貢獻值為負,表現出對環境的正效益.清單敏感度分析表如表6所示.
從圖1和圖2中可以看出,總體上,衛生填埋法處理城市生活垃圾各個過程中衛生填埋過程的環境負面影響最大,其次是收集運輸過程,而填埋氣發電過程和滲濾液處理過程的環境影響較小,填埋氣發電過程甚至在多數指標上表現為正向環境影響.

圖2 各過程環境影響貢獻(含電力分配)
收集運輸過程最突出的環境影響類型為光化學臭氧合成,其次依次為生態毒性、初級能源消耗、淡水富營養化.查清單敏感度表(表6)可知,這4類環境影響主要是由運輸引起的,一部分歸因于垃圾運輸車汽車尾氣中CH4、CO2、NO等污染氣體的排放,引發空氣和水體的污染,同時,汽車制動部件、輪胎等的磨損也會向周圍環境中排放含Cd、Cu、Zn、Cr等重金屬的煙塵引發土壤毒性危害.另一部分歸因于柴油生產過程中會消耗大量能源也會向大氣和水體中排放廢水、廢氣等污染物.
衛生填埋過程在垃圾處理各過程中產生的環境污染最大,該過程最突出的環境問題是酸化,其次是全球變暖,再者是初級能源消耗、淡水富營養化、生態毒性.酸化和氣候變化的主要原因是填埋氣體外逸,根據清單敏感度表(見表6),酸化主要由外逸填埋氣體中的H2S和NH3引起.而全球變暖主要是因為填埋氣體中的溫室氣體CH4和CO2引起的,兩者在填埋氣體中所占比例分別為40%~50%、30%~ 40%.初級能源消耗、淡水富營養化、生態毒性這3種環境污染主要是因為追溯柴油以及高密度聚乙烯生產過程投入的大量初級能源以及排放的NO、SO2、CO2等污染氣體、包含重金屬的廢水等污染物帶來的環境影響.
填埋氣發電過程實際上產生了環境正效益,原因是利用填埋氣中CH4的熱值發電,其產生的電量遠大于機械運行的電力消耗,因而產生了電力盈余,將該部分電力連接到eFootprint軟件中的華東平均火電數據庫,表明能量回收后對環境的正效應,因而相關環境影響指標值發生變化,其中最突出的是水資源消耗和初級能源消耗,其貢獻值分別為-268%和-254%,其次是生態毒性、酸化、光化學臭氧合成(圖2).總體上,填埋氣發電過程實現了能量的回收利用,利用熱值發電,化廢為寶,而且與填埋氣直接排放或者點燃相比,其本質上達到污染氣體減排效果,最終實現社會經濟和生態環境的雙重效益.
滲濾液處理過程的環境影響較小,主要表現為水資源消耗和初級能源消耗.滲濾液處理廠執行《生活垃圾填埋場污染控制標準》(GB16889-2008)[40],出水水質在達到標準限值要求后排入贛江,因而該過程污染物排放的環境影響不大.該過程的主要投入是滲濾液深度處理的電力損耗和用于化學沉降作用的聚氯化鋁(PAC),環境影響則是追溯電力和PAC生產過程帶來的負面環境效應.

表6 垃圾衛生填埋清單數據敏感度分析
城市生活垃圾處理方式生命周期評價需要大量的數據支撐,而往往數據的收集難度大.本文也因數據獲取上的局限性導致衛生填埋法處理城市生活垃圾的一些環境影響未能納入總體LCA核算體系中,如滲濾液處理過程中沒有涉及到重金屬物質的檢測,以及滲濾液處理調節池少量的氣體排放也未納入計算,因此環境影響結果會出現輕微偏差.在后續的深化研究中應采取先進檢測設備收集該部分缺失數據.
本文僅是對衛生填埋法處理城市生活垃圾的環境影響進行分析,但缺乏處置方式間的對比分析,后期研究可收集焚燒廠的清單數據,對兩種處置方式進行對比分析,找出更為適宜的生活垃圾單一處理方式或者處置方式的組合,在目前不能改變原處置方式的前提下,識別出當前處理方式的突出問題,提出有效改善措施,面向未來,提供城市生活垃圾處置方式優化升級的理論指導.
有關生活垃圾處理方式環境影響評價方面的研究成果較為豐富,當前生活垃圾處置成本的分析逐漸成為研究熱點,因而在環境影響評價的基礎上可進一步引入成本效益分析,在環境、經濟、社會等維度下更為全面綜合地考量生活垃圾處理方式,為城市生活垃圾處理科學、有效、經濟的管理提供現實指導.
收集運輸過程在垃圾運輸環節應盡量減少柴油運輸車的使用,并綜合考慮運營成本、技術可行性及環境影響等方面,混合使用以生物柴油、電能、醇類燃料、沼氣等提供運行動能的清潔能源汽車,減少環境污染排放.
衛生填埋過程首先需要重點解決的問題是提高垃圾填埋氣的收集效率.一方面,需要采用功率強的空壓機降低填埋場堆體中滲濾液的水位,另一方面,在保證已有的填埋氣收集豎井的布設間距較合理,并且定期維護、增設豎井的前提下采用更為高效的工藝來收集填埋氣,減少因其外逸造成的環境污染.其次,該過程也要盡量尋找環境污染較小的替代品來降低柴油和高密度聚乙烯材料的使用,并且面向柴油和高密度聚乙烯材料的生產環節,應該加快轉變能源消費結構,加強清潔生產工藝的應用.
填埋氣發電過程雖然表現出環境正效益,但也存在問題,除提升填埋氣收集效率外,該過程應當引入更為先進的工藝、設備提升發電效率.此外,還應當在燃燒發電環節注意對排放的污染物進行總量上的削減與控制.
滲濾液處理過程一方面需要注重節能降耗和引入先進設備和技術優化處理工藝.例如在鼓風曝氣環節,可以采用空氣懸浮、磁懸浮鼓風機,在污水提升環節設置合理的水力高程,最終實現節能降耗的目的[41].在膜處理環節,對產生的濃縮液,應避免直接回填,考慮在滲濾液終端處理環節增設高級氧化、MVR蒸發等處理工藝降低環境污染程度[42].另一方面,還要注意控制污染物排放.應充分考慮防范因暴雨天氣滲濾液外逸帶來的環境破壞,設置調節池的合理庫容,使其具備應急處理能力.并且還需要對調節池等構筑物進行加蓋處理,減少惡臭.
4.1 衛生填埋法的主要環境影響類型為GWP、PED、WU、AP、POFP、ET、FEP.當把填埋氣發電過程中盈余電力作為副產品進行分配,產生了環境效益,因此7類環境影響有所改善,數值出現下降.其中PED的改善最大,為358.91MJ,其次是WU,改善了106.92kg,GWP的效益提升也較明顯,改善了27.36kg CO2eq..
4.2 收集運輸過程最突出的環境影響類型為POFP,其次依次為ET、PED、FEP.主要是由公路運輸和追溯柴油生產排放的廢氣、廢水等污染物引起的.因此該過程在垃圾運輸中應盡量減少柴油運輸車的使用,采用節能環保汽車或者清潔能源汽車.
4.3 衛生填埋過程在垃圾處理各過程中產生的環境污染最大,該過程最突出的環境問題是AP,其次是GWP,再者是PED、FEP、ET.環境污染主要是由填埋氣體外逸和追溯柴油以及高密度聚乙烯生產過程中的投入和排放引起的.因此該過程需要重點解決的問題是提高垃圾填埋氣的收集效率,此外,也要盡量尋找環境污染較小的替代品來降低柴油和高密度聚乙烯材料的使用.
4.4 填埋氣發電過程實際上產生了環境正效益,原因是利用填埋氣發電產生的電量遠大于機械運行的電力消耗,產生電力盈余,實現能量回收后對環境的正效應.該過程應重點考慮引入更為先進的設備和工藝,進一步提升填埋氣收集和燃燒發電效率,與此同時也應當注意控制燃燒發電過程中的污染物排放.
4.5 滲濾液處理過程的環境影響較小,主要表現為水資源消耗和初級能源消耗.該過程的主要投入是滲濾液深度處理的電力損耗和用于化學沉降作用的PAC,環境影響則是追溯電力和PAC生產過程帶來的負面環境效應.因而該過程需注重節能,引入先進的設備或者技術,優化處理工藝,達到節能環保目標.
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致謝:本文使用的eFootprint軟件由億科環境科技有限公司提供,數據由南昌市麥園垃圾填埋處理廠工作人員提供,在此表示感謝.
Life cycle assessment of sanitary landfill of municipal solid waste in Nanchang.
HUANG He-ping1*, HU Qing2, WANG Zhi-peng1, QIAO Xue-zhong1, SHU Huang2, CHEN Hui1, YANG Zong-zhi2
(1.Institute of Ecological Economics, Jiangxi University of Finance and Economics, Nanchang 330013, China;2.School of Tourism and Urban Management, Jiangxi University of Finance and Economics, Nanchang 330032, China)., 2018,38(10):3844~3852
Sanitary landfilling method was the main way to deal with municipal solid waste in China. On the basis of the theory and analysis framework of life cycle assessment, the life cycle analysis of municipal solid waste disposal in Nanchang sanitary landfill was conducted with the aid of eFootprint software in order to find out the outstanding environmental impacts and reasons of various treatment processes and propose targeted improvement. The results showed that the main environmental impact types of sanitary landfills were global warming (GWP), primary energy demand (PED), resource depletion-water (WU), acidification (AP), photochemical ozone formation (POFP), Ecotoxicity (ET), and freshwater eutrophication (FEP). The distribution of electricity surplus as a by-product contributed to the reduction of the potential value of various environmental impact indicators, among which, the most prominent was PED, followed by WU. The most prominent type of environmental impact in the collection and transportation process was POFP, followed by ET, PED, and FEP. The use of diesel transporters should be reduced and energy-saving environmentally friendly or clean energy vehicles should be used moderately in this process. The environmental pollution caused by the sanitary landfill process was the largest. The most prominent environmental problem in this process was AP, followed by GWP, PED, FEP and ET. The landfill gas collection efficiency should be increased by improving the process and clean energy should be used to reduce diesel use in this process. The surplus power generated by landfill gas achieved positive environmental benefits after energy recovery. The efficiency of landfill gas collection and combustion electricity production need to be enhanced in this process. The environmental impact of the leachate treatment process was relatively small, mainly represented by WU and FED. It was necessary to optimize the upgrading process while focusing on energy conservation, and to improve the existing drawbacks of the disposal process and remove hidden dangers.
municipal solid waste;sanitary landfill;life cycle assessment;environmental impact;Nanchang City
X705
A
1000-6923(2018)10-3844-09
黃和平(1969-),男,江西吉水人,教授,博士,主要從事生命周期評價與管理研究.發表論文50余篇.
2018-06-02
國家自然科學基金資助項目(41661113,71463020)
* 責任作者, 教授, hphuang2004@163.com