基于生命周期的水泥窑协同处置生活垃圾技术环境影响评价

潘淑萍,俞 洁,潘荷芳,黄 欢,詹明秀

(1.浙江省环境监测中心，浙江 杭州 310012;2.中国计量大学，浙江 杭州 310018)

据统计[1]，近十年我国生活垃圾每年平均以约2.6%的速度持续增长，2015年全国生活垃圾清运量达1.91亿t，城市“垃圾围城”现象日益突出。其中，北京市日产生活垃圾约1.8万t，如果用装载量为3.0 t的卡车来运输，能够排满三环路一圈；上海市日产生活垃圾约2.0万t，每16天的生活垃圾可堆出一座金茂大厦[2]。截至2015年年底，我国工业垃圾也达到了32.71亿t，其中危险废物产生量达到0.40亿t。大量的固体废弃物对环境产生了巨大的影响，如何科学、合理地实现固体废弃物无害化、减量化和资源化处置，是目前社会关注的热点问题之一[3]。

目前全世界生活垃圾无害化处置方法或技术主要有填埋、焚烧和堆肥处置等[4]。焚烧相比于填埋和堆肥具有无害化、减量化和资源化等优点，近年来得到了人们的广泛关注和快速发展[5]。然而，我国生活垃圾焚烧处置率相比于国外发达国家尚低，2015年我国城市生活垃圾焚烧处置量仅0.62亿t，占生活垃圾无害化处置量的34%。随着我国社会经济的快速发展，以及信息传输和新闻报道越来越及时，人们对垃圾焚烧厂二噁英等污染物对周边环境影响的关注度不断提升，部分民众担心垃圾焚烧厂排放的二噁英会诱发癌症等疾病，极力阻挠焚烧厂的建设和运行[6]，使新建生活垃圾焚烧设施越来越困难，造成我国生活垃圾焚烧处理设施的缺口较大。因此，推进我国生活垃圾焚烧协同处置技术的发展，填补垃圾焚烧处置需求的缺口，已显得十分迫切和必要[7]。

近年来，水泥窑协同处置生活垃圾技术在生活垃圾处理方面的应用已引起了人们的关注，相比于生活垃圾焚烧炉，水泥窑具有更好的燃烧条件，而且废弃物在协同处置中为水泥生产提供了能量和原料，从而实现了废弃资源和能量的再利用[8]。2015年5月11日我国工业和信息化部、住房和城乡建设部、发展改革委、科技部、财政部和环境保护部六部委联合印发了《关于开展水泥窑协同处置生活垃圾试点工作的通知》 ，通知要求水泥生产行业积极推进协同处置技术，以化解水泥产能严重过剩的矛盾，并且促进水泥行业降低能源、资源消耗。2016年10月11日，我国工业和信息化部发布了《建材工业发展规划(2016—2020年)》，表示支持利用现有新型干法水泥窑协同处置生活垃圾、城市污泥、污染土壤和危险废物等，要求到2020 年水泥熟料原燃料中废弃物占比要达到20%以上，但目前该比例低于10%。因此，近年来我国政府大力支持水泥窑协同处置固体废弃物，预计到2020年我国水泥工业每年协同处置生活垃圾量可达2 000万t。然而与传统的生活垃圾处置技术相比，水泥窑协同处置生活垃圾技术的环境影响仍有待证明。为此，本文采用生命周期评价方法，对水泥窑协同处置生活垃圾技术进行了环境影响评价，通过分析全球变暖潜值(GWP)、富营养化潜值(EP)、酸化潜值(AP)和人体毒性潜值(HTP)，比较了水泥窑协同处置生活垃圾技术与传统的垃圾焚烧技术和垃圾填埋技术的环境影响。

1 评价对象

1. 1 水泥窑协同处置生活垃圾技术

研究的水泥窑为新型干法回转窑，配有五级双系列悬浮预热器和分解炉[9]，主要的装置布置与欧盟推荐的水泥生产BAT(Best Available Technology)技术一致。烟气经过悬浮预热器后分别流经SP(Suspension Preheater)余热锅炉、生料磨和布袋除尘器，最后烟尘含量极低的烟气通过窑尾烟囱排出[10]，各装置的运行温度和压力可参考李叶青等[11]的测试结果。我国的新型水泥生产线通常配置了低氮燃烧器+SNCR脱硝装置，利用氨水溶液，以雾状喷入水泥窑分解炉处，把烟气中的氮氧化物还原成氮气，达到脱硝的目的[8]。为了有效地去除烟尘，一方面窑尾安装了布袋除尘器或者静电除尘器，另一方面窑头空气冷却熟料后经过配有四电场静电除尘器进行除尘。窑尾回收的烟尘经传送带回用至生料磨，与生料混合后进入预热器C1级。窑头收集的粉尘与熟料混合，用于替代部分常规原料。因此，整个水泥生产过程中并未产生飞灰等危险物质。水泥窑协同处置生活垃圾的运行参数和污染物的排放浓度见表1和表2。表2中数据采用现场监测的手段获取， 其中CO2的排放浓度达到了14.8 vol.%左右；水泥窑协同处置固废过程排放的二噁英仅有少部分来源于固废燃烧,而大部分来源于生料煅烧冷却过程[12]；有机污染物中氯苯和二噁英的浓度分别为27 000 ng/m3和0.003 32 ng/m3[13]。

表1 水泥窑物质流和运行参数

表2 水泥窑协同处置生活垃圾前后烟气中各污染物的排放浓度

1. 2 垃圾焚烧技术

本文评价的生活垃圾焚烧炉位于浙江省杭州市，是一座国内典型的循环流化床垃圾焚烧炉，其垃圾处置能力为650 t/d，烟气的流量为85 500 m3/h，远小于水泥窑窑尾烟气的流量(700 000 m3/h)。垃圾焚烧炉每年正常运行时间大约为7 300 h，略小于水泥窑的8 000 h，可见水泥窑系统相对稳定。根据系统边界的界定，评估时水泥窑的物质流和运行参数采用2013年和2014年的平均值(见表1)；同理，生活垃圾焚烧炉的处理量与水泥窑相同，其掺煤量为垃圾处理量的6%，同时渗滤液、飞灰和灰渣的重量分别为垃圾处理量的4%、12%和10%。垃圾焚烧厂各污染物的排放浓度见表3。由于焚烧炉配置了脱硫和脱硝系统，因此SO2和NOx的浓度低于水泥窑的排放值。

表3 垃圾焚烧厂各污染物的排放浓度

1. 3 垃圾填埋技术

对于垃圾填埋场，其产生的填埋气主要成分为CH4、CO2、H2S、NH3等，其中CH4的占比约为50%，CO2的占比约为45%。部分填埋气经过收集并直接烧掉，其收集效率为25%，即每千克垃圾大约可回收0.04 kg的填埋气。

2 生命周期评价方法

依据国际环境毒理和化学学会(SETAC)的ISO 14040标准，生命周期评价主要分为4个步骤，即目标和范围定义、清单分析、影响评价和结果解释[14-16]。

本文共设置了3个生活垃圾处置场景:①生活垃圾全部运送到水泥厂制备为垃圾衍生燃料(RDF)进行共焚烧处置，燃料替代率为6.5%，制备过程产生的废弃物运送到垃圾填埋场，且为了保证整个系统生产的电量相同，垃圾焚烧厂处由国家电网补充焚烧所有垃圾能够产生的电量，即134 000 000 MJ;②生活垃圾全部运送到垃圾焚烧厂进行处置，此时水泥厂的燃料仅为煤粉，同时垃圾填埋场关闭;③生活垃圾全部运送到垃圾填埋场，此时水泥厂的燃料仅为煤粉，并且由国家电网补充焚烧所有垃圾能够产生的电量。其中，水泥生产过程主要包括原料开采、运输、生料制备、熟料煅烧等阶段，本系统以原料制备为起点，熟料生产为终点，还包含废弃物从进厂到制备RDF、RDF入窑共焚烧和废弃物填埋处置等过程;传统的生活垃圾焚烧过程主要包括垃圾收集和运输、焚烧处置、飞灰和废渣固化填埋等阶段，本系统以垃圾收集为起点，飞灰和废渣无害化处置为终点；垃圾填埋过程主要包括垃圾收集和运输、填埋气回收和发电等阶段。3个生活垃圾处置场景产生的渗滤液均假设由废水厂处置，均不考虑在本评价范围内；各个场景的输入、输出均基于垃圾处置量(155 000 t)和熟料产量(1 785 000 t)相同的情况进行分析。具体的生活垃圾处置系统的边界见图1，生活垃圾各物理组分的含量见表4，中国电力能源消耗组成结构见表5。

本文采用GaBi 8.0软件和CML2001评价方法， 通过分析全球变暖潜值(GWP)、富营养化潜值(EP)、酸化潜值(AP)和人体毒性潜值(HTP)来评估3种生活垃圾处置方案的环境影响[18]，具体计算公式如下：

图1 生活垃圾处置系统的边界图Fig.1 Boundary of the MSW disposal system

表4 生活垃圾各物理组分的含量(wt.%)

表5 中国电力能源消耗组成结构(%)[17]

EIi=∑(Nj×EFij)

(1)

式中：EIi为环境影响类型i的特征化结果；Nj为污染物j的排放量;EFij为污染物j对环境影响类型i的特征化因子。

3 基于生命周期的生活垃圾处置技术环境影响评价

3.1 全球变暖潜值(GWP)分析

全球变暖主要由温室气体CO2、CH4等造成[19]。据统计，水泥生料的主要成分为CaCO3，在加热至900℃时会分解为CaO和CO2[20]，最终导致水泥生产排放出的CO2约占全球CO2总排放量的5%[21]。3种生活垃圾处置技术产生的温室效应影响[即全球变暖潜值(GWP)的分布]，见图2和表6。

由图2和表6可见：当采用水泥窑协同处置生活垃圾技术(场景1)时(GWP)最低，而采用垃圾填埋技术(场景3)时(GWP)值最高，两者分别为160.14万t CO2-Equiv和166.25万t CO2-Equiv，这是因为填埋场填埋气CH4的产生量大、捕集利用率低；3个场景中，水泥窑CaCO3分解对GWP的贡献率均最大，占比大约为50%左右，其次煤粉作为燃料产生的CO2等温室气体对GWP的贡献率大约为33%，水泥窑原料制备过程产生的CO2等温室气体也能够贡献7%的GWP。

图2 3种生活垃圾处置技术全球变暖潜值(GWP)的分布情况Fig.2 Contribution of different stages to GWP in the three scenarios of MSW disposal technologies注：场景1为水泥窑协同处置生活垃圾技术；场景2为垃圾焚烧技术；场景3为垃圾填埋技术。下同。

表6 3种生活垃圾处置技术的全球变暖潜值(GWP)

综上可知，水泥窑协同处置生活垃圾技术在温室效应方面表现最优；同时，减少单位水泥生产所需的生料量是最有效的温室效应减排措施，目前已有水泥生产商在熟料制作成水泥的过程中通过添加铁屑、灰渣等废弃物来减少熟料的使用量。

3.2 富营养化潜值(EP)分析

生活垃圾处置过程中会排放出氮、磷化合物，是造成富营养化影响的主要因素。3种生活垃圾处置技术富营养化潜值(EP)的分布情况,见图3和表7。

图3 3种生活垃圾处置技术富营养化潜值(EP)的分布情况Fig.3 Contribution of different stages to EP in the three scenarios of MSW disposal technologies

表7 3种生活垃圾处置技术的富营养化潜值(EP)

由图3和表7可见：当采用垃圾焚烧技术(场景2)时EP最低，而采用垃圾填埋技术(场景3)时EP最高，两者分别为239 t 磷酸盐-Equiv和270 t 磷酸盐-Equiv，这与垃圾焚烧厂烟气净化系统良好的运行效果以及配有发电设备有关；3个场景中，水泥生产过程对EP的贡献率均最大，占比大约为60%左右，表明减少水泥生产排放的NOx是降低EP最有效的措施，目前一些水泥厂已经安装有SNCR系统，从源头上减少NOx的生成;3个场景中，水泥原料制备过程对EP的贡献率大约为30%，场景1和场景3中由电网提供平衡电量而产生的氮、磷化合物对EP的贡献率为11%。

综上可知，垃圾焚烧厂处置生活垃圾有利于降低整个系统的EP，同时水泥窑协同处置生活垃圾技术相比于垃圾填埋技术更有利于氮、磷化合物的减排。

3.3 酸化潜值(AP)分析

水泥生料和生活垃圾中含有少量的硫(S)，两者焚烧过程都能够排放出SO2、SO3等加剧酸雨形成的酸性气体，危害生态系统平衡和人体健康。3种生活垃圾处置技术酸化潜值(AP)的分布情况，见图4和表8。

图4 3种生活垃圾处置技术酸化潜值(AP)的分布情况Fig.4 Contribution of different stages to AP in the three scenarios of MSW disposal technologies

表8 3种生活垃圾处置技术的酸化潜值(AP)

由图4和表8可见：采用垃圾焚烧技术(场景2)时AP最低，采用水泥窑协同处置生活垃圾技术(场景1)时AP最高，两者分别为1 257 t SO2-Equiv和1 472 t SO2-Equiv，这主要是因为垃圾焚烧厂余热发电上网产生了环境优势；3个场景中，水泥生产过程对AP的贡献率均最大，占比大约为50%左右，虽然水泥窑天然的碱性环境很好地降低了酸性气体的排放浓度，但是水泥窑的烟气量大约是垃圾焚烧厂的5倍以上，因此水泥生产过程的AP达到了750 t SO2-Equiv；3个场景中,水泥原料制备过程产生的酸性气体对AP的贡献率大约为35%，场景1和场景3中由电网提供平衡电量而产生的酸性气体对AP的贡献率为17%。

综上可知，垃圾焚烧厂处置生活垃圾有利于降低整个系统的AP，同时垃圾填埋技术相比于水泥窑协同处置生活垃圾技术更有利于酸性气体的减排。

3.4 人体毒性潜值(HTP)分析

水泥生产和垃圾焚烧过程能够排放出二噁英、氯苯等对人体有害的物质。3种生活垃圾处置技术人体毒性潜值(HTP)的分布情况见图5和表9。

图5 3种生活垃圾处置技术人体毒性潜值(HTP)的分布情况Fig.5 Contribution of different stages to HTP in the three scenarios of MSW disposal technologies

表9 3种生活垃圾处置技术的人体毒性潜值(HTP)

由图5和表9可见：3个场景产生的HTP差别不大，这与模型中二噁英等污染物浓度的设定值有关；3个场景中，水泥生产过程对HTP的贡献率均最大，占比达到了97%，虽然水泥窑二噁英的排放浓度很低，但是水泥窑的烟气量大约是垃圾焚烧厂的5倍以上，因此水泥生产过程的HTP达到了5 700万t DCB-Equiv，而垃圾填埋场对HTP的贡献率为0，这是因为二噁英、氯苯等对人体有害的物质主要来源于燃烧过程。

综上可知，水泥窑协同处置生活垃圾技术产生的HTP略高于其他两种技术，但差距很小。

4 结 论

(1) 水泥窑协同处置生活垃圾技术为水泥生产提供了能量和原料，实现了废弃资源和能量的利用与回收。

(2) 相对于传统的垃圾焚烧技术和垃圾填埋技术，水泥窑协同处置生活垃圾技术在全球变暖潜值方面表现最优，其中CaCO3分解对全球变暖潜值的贡献率均最大，比例大约为50%左右；在富营养化潜值方面，水泥窑协同处置生活垃圾技术高于垃圾焚烧技术但低于垃圾填埋技术，其中水泥生产过程和水泥原料制备是产生富营养化潜值的主要环节，占比分别达到62%和29%;在酸化潜值和人体毒性潜值方面，虽然水泥窑协同处置生活垃圾技术表现最差，但与其他两种技术相差不大，而水泥生产过程是产生环境影响的主要环节。

(3) 生命周期环境影响评价结果表明：水泥窑协同处置生活垃圾技术是一项对环境友好的固废处置技术。