两种典型农村生活垃圾处理处置模式的生命周期评价❋

2018-10-12陈友媛夏训峰

中国海洋大学学报（自然科学版） 2018年10期

陈友媛，魏来，孙萍，夏训峰

(1.中国海洋大学环境科学与工程学院，海洋环境与生态教育部重点实验室，山东省海洋环境地质工程重点实验室，山东青岛 266100；2.中国环境科学研究院水环境系统工程研究室，北京 100012)

中国农村生活垃圾产量逐年递增，2015年为1.07 kg/d[1]。在发展中国家，填埋为生活垃圾的主要处置方式，但垃圾填埋会产生大量渗滤液和填埋气。在发达国家，生活垃圾处理以分类处理和物质回收的方式为主，具有更好的环境效应和经济效益[2]。然而，生活垃圾处理处置的研究多集中于城市地区垃圾终端处理技术的定量评价[3-4]，而对于农村生活垃圾的定性研究[1，5]，鲜有农村生活垃圾处理处置对于环境污染的定量研究报道。

国际标准化组织(ISO)提出生命周期评价(LCA)方法，可用于农村生活垃圾从收集到最终处置环节的多种潜在环境影响的综合评价。环境影响评价标准以固废系统和技术的环境评价(EASEWASTE)模型中的环境影响类型为主[6]，主要为全球变暖、富营养化、光化学臭氧合成和酸化，少数研究涉及生态毒性、污染水资源、致癌物等影响类型[7]。LCA研究使用1 t垃圾作为评价功能单元[8]，从生命周期角度，对比不同垃圾处理方式[9-10]、不同污染控制工艺[11]、不同工艺参数[12]等，评价它们在环境、能源和经济等方面的影响。由于我国缺少较为完备的农村生活垃圾数据库，且不同地区的垃圾管理系统对当地条件依赖强烈，限制了LCA结果的普遍适用[13-14]。因此，利用LCA方法首先对我国农村生活垃圾的处理处置模式进行环境影响评价，可因地制宜为我国农村生活垃圾管理的改进和发展提供参考依据。

中国城镇化农村地区普遍实行生活垃圾“统一管理、集中清运、定点填埋”模式，部分偏远、分散的农村地区实行垃圾分类收集、就地堆肥处理模式[15]。本研究采用LCA方法对这两种典型农村生活垃圾处理处置模式进行环境影响评价，找出两种模式的主要环境影响类型及其影响因子，以期为中国农村生活垃圾处理处置模式的改进提供指导依据。

1 农村生活垃圾特性

本文以青岛黄岛区农村的生活垃圾为例进行评价研究。目前黄岛区农村生活垃圾通过混合收集，经区域中转站统一运转到固体废弃物综合处理场。根据调研结果，得到调查区2015年农村生活垃圾成分比例(见表1)。

表1 青岛市黄岛区农村生活垃圾组成Table 1 The composition of rural living waste in Huangdao district, Qingdao

2 生命周期评价

山东农村地区具有两种典型的生活垃圾处理处置模式：适用于城乡结合地区的集中转运处置模式，和适用于偏远、分散农村地区的分类就地处理模式[16]。利用生命周期评价(LCA)对这两种模式的物质和能源的输入、输出及相应环境排放物进行识别和量化，从而提出污染物排放少、环境影响小的垃圾处理模式。根据ISO14040标准，生命周期评价分4阶段：确定目标与边界，清单分析，影响评价和解释[17]。

2.1 目标定义与边界确定

目标：以1 t农村生活垃圾为评价功能单元，研究从垃圾收集到最终处理处置过程的资源消耗与环境排放，为农村生活垃圾处理处置管理体系提供决策依据。

两种模式的系统边界如图1。

图1 两种模式的系统边界Fig.1 The system boundary of the two modes

模式1：集中转运处置模式。农村生活垃圾经村户投至村垃圾桶后，由车辆收集转运至区域填埋场，填埋覆盖率100%。填埋场配有渗滤液收集处理设施，但无填埋气体收集控制与能量再生装置，故填埋气体可直接排入空气，渗滤液经处理达标后排放至自然水体中。

模式2：分类就地处理模式。农村生活垃圾源头分类后，厨余等可降解垃圾在降解池进行高温好氧堆肥，砖瓦等不可回收垃圾运至低洼处填地或铺路，塑料、金属等可回收垃圾送往回收站，电池、药物等有害垃圾送至有资质单位进行无害化处理。该模式中可回收垃圾和有毒有害垃圾的处理过程不包括在评价范围内。

2.2 数据清单分析

生命周期评价清单(LCAI)数据来源于国内外文献、中国统计年鉴、调查区农村垃圾中转站等数据资料，污染物排放及能源消耗清单数据基于经验模型计算及数据整合估算结果。

2.2.1模式1中填埋单元填埋后产生的主要污染物为填埋气和垃圾渗滤液。填埋气主要包含CH4、CO2、H2S等成分，其中，CH4的产生量采用政府间气候变化专门委员会(IPCC)推荐的公式(1)和(2)[18]，根据表1中垃圾各组分比例进行计算，用DOC来表示。其他气体组分的产生量按填埋气体主要组成的典型比例值[19](见表2)进行计算。1 t农村生活垃圾填埋气排放量见表2。

DOC=0.4A+0.17B+0.15C+0.3D。

(1)

式中：DOC为可降解有机碳含量(%)；A为垃圾中纸类和织物所占比例(6.00%)；B为庭院垃圾所占比例(0%)；C为厨余垃圾所占比例(54.00%)；D为竹木所占比例(0%)。通过计算，可降解有机碳含量DOC为10.50%。

(16/12)×0.6。

(2)

式中：CH4垃圾填埋场的甲烷排放量(kg)；SW垃圾量(评价功能单元，1 t)；η垃圾填埋率(%)，取1；DOC为10.50%；r垃圾中可降解有机碳的分解百分率(IPCC推荐值77%)。通过计算，CH4排放量为64.68 kg/t。

垃圾渗滤液的产生量主要受垃圾组分、地域差异的影响，一般为垃圾量的0%～15%[19]，本文取10%，渗滤液密度为1.01 kg/L[20]，则1 t垃圾产生100.00 L渗滤液，由调研所得填埋场污水排放检测浓度估算出1t农村垃圾液体中污染物含量(见表2)。

模式2中砖瓦、灰土等不可回收组分进行填坑或修路，认为该部分对环境不产生气、液污染。

表2 模式1填埋单元污染排放Table 2 The pollution emissions in the unit of the landfill of Mode 1

注：*《生活垃圾填埋场控制标准》(GB16889—2008)。

Note:*is 《Standard for Pollation Control on the Landfill Site of Municipal Solid Waste》(GB16889—2008).

2.2.2 模式2中堆肥单元模式2堆肥处理单元中，易腐的厨余垃圾进行高温好氧堆肥，释放出CO2、NH3等气体及渗滤液体。按照好氧堆肥过程固体降解规律，堆肥物质中2/3的C转化成CO2，13.16%的N转化为NH3，通过式(3)和(4)对CO2和NH3产量进行计算[21]。

QCO2=Q×P0×(PC-PCf)×2/3×44/12，

(3)

QNH3=Q×P0×PN×13.16%×17/14。

(4)

式中：QCO2为堆肥产生的CO2量(计算为50.42kg)；QNH3为堆肥产生NH3量(计算为0.39 kg)；Q为混合垃圾量(评价功能单元为1 t，即1 000 kg)；P0为堆肥垃圾比例(54.00%)；PC、PCf和PN分别代表堆肥垃圾C元素比例(%)、固定碳比例(%)和N元素比例(%)，分别为7.52%、3.70%和0.45%(见表3)[22]。

表3 模式2厨余垃圾元素比例Table 3 The food component proportion of Model 2 /%

好氧堆肥过程排放的气体中NH3、NOx、H2S、SO2的质量比为396.8∶0.5∶7.3∶1[21]，据此计算各气体产生的理论值。堆肥渗滤液中TN、COD和TP排量参考Abduli等的研究数据[10]，主要重金属排量参考我国城市1 t厨余垃圾好氧堆肥研究结果[22]，液体污染排量参考值换算为本研究中1 t农村生活垃圾中54.00%的厨余垃圾，即参考值的0.54倍。堆肥单元的气、液污染排放结果见表4。

表4 模式2堆肥过程产生的污染排放Table 4 The pollution emissions in the process of the compost of Model 2 /kg·t-1

2.2.3 交通运输单元根据调查区2015年交通运输数据，全年共收集转运农村生活垃圾3.14×105t，垃圾收转率100%，运输车辆安全行驶604.8×106km，则垃圾运输油耗为8.079 L/t。垃圾运输过程消耗柴油，其排污系数[24]及污染物排放量见表5。

模式2中由于只有26.00%的灰土砖瓦等不可回收垃圾需要运输至填坑、修路，按照与模式1运输相同距离来计算，认为模式2运输过程污染排放量对应为模式1的26.0%，结果见表5。

2.3 生命周期影响评价

垃圾处理处置过程产生的污染物具有一定的潜在环境影响，确定全球变暖、酸化、富营养化、光化学臭氧合成和生态毒性共5种环境影响类型，对两种农村生活垃圾处理模式进行评价。影响评价过程分为特征化、标准化和加权评估3个步骤。

表5 车辆运输阶段污染物排放Table 5 The pollution emissions in the process of transportation

标准化过程即对环境影响类型的相对大小提供一个可比较的标准，参考LCA模型EASEWASTE中5种环境影响类型的人均年当量潜值作为基准值[7](见表6)，对各影响类型的环境影响潜值进行标准化处理。其含义相当于处理1 t农村生活垃圾的环境影响潜值相对于人均年当量潜值的大小。标准化结果等于环境影响潜值与基准值的比值。

加权评估确定各种环境影响类型的权重，对标准化后的环境影响潜值赋权重值，得到各类型的环境影响负荷，可反映评价单元的环境影响大小。权重值的选取采用专家打分法(特尔斐法)，通过问卷调查，统计得到9位相关专家针对每种环境影响类型的平均权重值(见表6)，从中看出，专家普遍对生态毒性给予了较高关注。

3 结果与讨论

3.1 两种模式的评价结果与分析

两种农村生活垃圾处理处置模式生命周期的影响评价结果如表7所示。对于5种环境影响类型总负荷，模式1为5.28×10-2，模式2为3.35×10-2，模式2的总环境影响负荷比模式1降低36.55%。

表6 生命周期影响评价参数Table 6 The parameters of LCA

表7两种模式生命周期的影响评价结果

Table 7 The LCA results of two modes

影响类型Impact category全球变暖Global warming酸化Acidification富营养化Eutrophication光化学臭氧合成Photochemical ozone formation生态毒性Ecological toxicity环境影响负荷Environmental impact load模式1 Mode14.62E-023.03E-035.02E-041.72E-031.26E-035.28E-02模式2 Mode21.46E-032.68E-032.77E-026.01E-071.61E-033.35E-02

模式1中，由于填埋气体未经处理直接排空，造成大量CO2、CH4等温室气体排放到环境中。由表7可知，全球变暖的环境影响负荷最大，为该模式主要环境影响类型。这同其他地区城市生活垃圾填埋处置的LCA研究结果[25]一致。全球变暖的主导污染物是CH4和CO2，对比表2和表5可知，模式1中填埋单元为导致全球变暖的主要影响单元。其中，CH4和CO2分别占气体排放量的55.00%和41.89%，CH4的影响因子是CO2的25倍，故CH4环境影响潜值较大。据估计，全球垃圾处置区每年产生的CH4量约为总温室气体排放量的3%～4%[26]，故有效控制填埋产生的CH4量对减缓环境影响具有重要意义。该模式中酸化、富营养化、光化学臭氧合成和生态毒性的环境影响负荷较小，与全球变暖相差2～3个数量级。

对于模式2，由表7可知，富营养化的环境影响负荷最大，由于无堆肥液体污染控制措施，富营养化成为最大环境影响类别，这与Vahidi等的研究结论一致[27]。虽然模式1中填埋垃圾组分多于模式2，但垃圾填埋场配有水平防渗系统，并按照《生活垃圾填埋场控制标准》(GB16889—2008)对其进行处理，大大降低了污染物的外排。虽然在该模式中，堆肥释放的CO2导致的全球变暖及H2S、NH3导致的酸化影响负荷较小，但H2S、NH3为恶臭气体的主要成分，对附近居民生理健康产生不利影响，同时NH3的释放造成堆肥产品氮素损失[28]，故恶臭气体应予以减排控制。由于缺少具体数据统计，未将堆肥后续利用环节纳入评价范围，但由于农村地域所具有的农耕及农业生产的功能性，及农村生活垃圾堆肥的现实应用情况，可将其作为有机肥来替代化肥[12]、泥炭[29]等改良土壤、增加作物营养。若采用农村生活垃圾堆肥生产的有机肥来替代化肥，其生命周期的能耗、全球变暖潜力、酸化潜力、富营养化潜力方面均大幅降低[30]。

从生命周期角度分析可知，填埋单元和堆肥单元产生的环境影响负荷较大，而运输中转单元的环境影响负荷占总影响负荷的比例不足1%，这可能由于在堆肥和填埋单元使用理论模型计算污染物产生量，而使用实际统计数据计算运输过程污染排放量，导致两者结果差异悬殊，但该差异趋势与Abduli等[10]的研究结果一致。因此，在农村生活垃圾管理决策中可适当降低垃圾运输过程对于整体环境影响的顾虑。

3.2 两种模式综合影响比较分析

垃圾分类就地处理模式可一定程度上实现农村生活垃圾资源化和减量化，然而堆肥处理具有一定劣势，如成本投入高、统一管理的难度增加等。故除了全球变暖、酸化等已评价的环境影响，还需对其他影响因素进行综合分析，为两种模式的对比提供更全面的参考依据。两种模式多因素影响的比较分析[31]如表8所示。

通过表8中两种模式的对比可以看出，农村生活垃圾运用集中转运处置模式(模式1)的优势在于填埋技术经验丰富、对垃圾性质要求较低、填埋沼气可进行能源利用、臭气排放可控性较强、工程投资及运行成本均较低、且运行管理较容易；分类就地处理模式(模式2)的优势在于操作安全性较高、选址较易、资源回收利用性强、对地下水污染影响较小。

表8 两种模式多因素影响比较

注：*投资比例及处理成本比例，均以模式1为1.0计。

Note:*is investment cost and processing cost are both calculated on the base of those of mode 1, set as 1.0.

3.3 环境影响保护措施

根据评价结果表7可知，模式2的环境影响负荷小于模式1。对模式1中填埋场排放的CH4和CO2进行回收利用可以减少全球变暖潜力，是减缓环境负荷的关键。模式2的关键则是收集堆肥渗滤液，并控制恶臭气体的排放。针对填埋气体回收和垃圾渗滤液收集提出建议如下：

(2)通过在垃圾堆肥处安装衬底、硬化地面或添加堆肥渗滤液收集系统，降低COD及氨氮的外排，减少富营养化污染。通过在堆肥时投放菌糠、锯末、玉米秸秆等辅料，降低NH3、H2S等恶臭气体的排放，同时减少总氮、总硫的流失[35]。

(3)当厨余垃圾量接近农村生活垃圾总量的50%，可进行分类堆肥处理，并考虑将肥料应用于农业领域。模式1转变为模式2，运输源头上减少了垃圾总量，降低了垃圾运输成本，缓解最终处置压力；也可充分利用部分农村所具有的农户畜牧养殖业独特优势，通过家畜内化餐厨有机垃圾，在收集环节源头上大量减少厨余垃圾的处理量。