城市生活垃圾生命周期分析及處理規(guī)劃研究*

周曉萃 徐琳瑜 楊志峰

（環(huán)境模擬與污染控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院, 100875 北京）

隨著城市人口的不斷增長(zhǎng)，居民消費(fèi)結(jié)構(gòu)的改變和生活水平的提高，城區(qū)生活垃圾數(shù)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(huán)境美觀，垃圾惡臭也影響著人居生活質(zhì)量，因此垃圾問(wèn)題已成為城市重要的民生問(wèn)題之一[1]。城市生活垃圾處理規(guī)劃是環(huán)境規(guī)劃的主要組成，也是逐步解決城市垃圾問(wèn)題的重要工作指南。目前，我國(guó)對(duì)城市垃圾處理規(guī)劃更多關(guān)注垃圾的末端處理，較少?gòu)南到y(tǒng)角度綜合考慮垃圾排放、收集、回收及處理各環(huán)節(jié)，未能最佳有效利用垃圾處理設(shè)施的能力，垃圾的資源性價(jià)值得不到最大限度的利用，并且對(duì)規(guī)劃方案的效果缺乏定量分析和評(píng)價(jià)?；诖?，本文依據(jù)生命周期理論設(shè)計(jì)城市垃圾處理規(guī)劃框架，以期豐富垃圾處理規(guī)劃的理論和方法，并運(yùn)用到北京市，通過(guò)基于生命周期分析的生活垃圾規(guī)劃來(lái)減少城市生活垃圾處理的環(huán)境影響，提高資源化率，為政府提供有效解決城市垃圾問(wèn)題的途徑。

1.生命周期理論在城市垃圾處理規(guī)劃中的適用性

生命周期(Life Cycle)的概念應(yīng)用很廣泛，特別是在政治、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、技術(shù)、社會(huì)等諸多領(lǐng)域經(jīng)常出現(xiàn)，其基本涵義可以通俗地理解為“從搖籃到墳?zāi)埂?Cradle-to-Grave)的整個(gè)過(guò)程。垃圾生命周期管理是對(duì)排放、收集、運(yùn)輸、回收再利用、處理和處置垃圾的全部環(huán)節(jié)統(tǒng)籌考慮和分析。致力于生命周期分析方法（Life Cycle Analysis）開發(fā)的美國(guó)環(huán)境署和環(huán)境毒理化學(xué)學(xué)會(huì)認(rèn)為其不僅是一種理念，也是一種實(shí)用的評(píng)價(jià)方法，它能從整個(gè)系統(tǒng)角度考慮各個(gè)環(huán)節(jié)和各項(xiàng)產(chǎn)品，并能評(píng)價(jià)其環(huán)境影響（Consoli F et al.1993）[2]。生命周期評(píng)價(jià)(Life Cycle Assessment)，是一種具有應(yīng)用價(jià)值的環(huán)境管理工具，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）對(duì)其的定義是：匯總和評(píng)估一個(gè)產(chǎn)品(或服務(wù)) 體系在其整個(gè)生命周期間的所有投入及產(chǎn)出對(duì)環(huán)境造成潛在影響的方法[3]。生活垃圾生命周期評(píng)價(jià)的目的是考慮生活垃圾處理各個(gè)階段環(huán)境影響的平衡，找到使垃圾從產(chǎn)生到最終處理整個(gè)過(guò)程的環(huán)境影響降到最小的途徑。

生命周期分析方法一直是衡量區(qū)域廢棄物管理體系環(huán)境效應(yīng)的重要方法。早在60年代，生命周期分析即被用于分析產(chǎn)品“從搖籃到墳?zāi)埂鄙芷谶^(guò)程的能源投入和環(huán)境影響。近年來(lái)，各國(guó)學(xué)者開始運(yùn)用生命周期分析方法評(píng)估不同廢棄物處理處置模式的能源投入和環(huán)境影響。國(guó)外學(xué)者已經(jīng)將生命周期評(píng)價(jià)方法應(yīng)用到固體廢物各種處理情景的評(píng)價(jià)中，Stuart Ross[4]使用生命周期評(píng)估方法對(duì)塑料包裝廢棄物的再循環(huán)和再使用體系在減少?gòu)U棄物填埋量的同時(shí)是否能夠減少總環(huán)境負(fù)荷進(jìn)行了分析。Peter Beigl[5]運(yùn)用生命周期評(píng)價(jià)和成本分析的方法比較了存在再循環(huán)利用和不存在再循環(huán)利用情景下不同廢棄物管理體系的全球變暖潛力效應(yīng)、酸化潛力效應(yīng)和凈能源使用效應(yīng)。同時(shí)，LCA還被應(yīng)用到綜合評(píng)價(jià)方法中，以其基本分析框架為基礎(chǔ)，結(jié)合如生態(tài)效率等環(huán)境指標(biāo)或是投入產(chǎn)出模型，能更為精確地量化與評(píng)價(jià)廢棄物管理體系的環(huán)境效應(yīng)[6,7,8,9]。我國(guó)對(duì)城市生活垃圾生命周期評(píng)價(jià)的認(rèn)識(shí)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(tǒng)的生命周期管理，并提出了城市生活垃圾處理的LCA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，描述了LCA的發(fā)展意義和前景。部分學(xué)者提出了基于生命周期評(píng)價(jià)的城市生活垃圾管理框架[11]，有的學(xué)者對(duì)垃圾填埋、焚燒、堆肥等處理工藝進(jìn)行了環(huán)境影響評(píng)價(jià)[12,13]。相比國(guó)外的研究，生命周期分析在我國(guó)生活垃圾管理方面應(yīng)用還不足，有待作進(jìn)一步的研究和探索。

本文將生命周期分析方法應(yīng)用到城市生活垃圾處理規(guī)劃中，提出具體規(guī)劃框架與評(píng)價(jià)方法（見(jiàn)圖1），在對(duì)現(xiàn)狀生命周期定性分析基礎(chǔ)上，選取生活垃圾處理的環(huán)境影響和資源化率兩個(gè)指標(biāo)，基于生活垃圾末端處理工藝的生命周期環(huán)境影響的核算結(jié)果，定量評(píng)價(jià)現(xiàn)狀與規(guī)劃方案環(huán)境影響與資源化率，將兩者進(jìn)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(guī)劃框架

2.北京市生活垃圾現(xiàn)狀生命周期分析

根據(jù)垃圾管理的生命周期特征，分別對(duì)北京市垃圾產(chǎn)量與類型、收集與回收、處理與處置等管理現(xiàn)狀進(jìn)行分析，見(jiàn)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(xiàn)狀分析

3.北京市生活垃圾生命周期評(píng)價(jià)

根據(jù)LCA方法對(duì)北京市垃圾末端處理—填埋、焚燒、堆肥的環(huán)境影響進(jìn)行了評(píng)價(jià)，計(jì)算出不同處理工藝的環(huán)境影響潛值，結(jié)合北京市垃圾處理現(xiàn)狀，得到垃圾處理的綜合環(huán)境影響潛值，同時(shí)計(jì)算出垃圾整個(gè)生命周期的資源化率。

3.1 生活垃圾處理生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)

3.1.1末端處理工藝生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)

利用生命周期評(píng)價(jià)方法對(duì)北京市垃圾末端處理工藝—填埋、焚燒、堆肥的環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)算出不同處理工藝的環(huán)境影響潛值，然后結(jié)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(huán)境影響潛值。

生命周期評(píng)價(jià)的實(shí)施步驟分為目標(biāo)和范圍定義、清單分析、影響評(píng)價(jià)和結(jié)果解析4個(gè)部分。環(huán)境影響評(píng)價(jià)是在清單分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)選擇的環(huán)境影響類型，進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化和制定各類環(huán)境影響的權(quán)重，最后加和得到各種處理方式的環(huán)境負(fù)荷，其計(jì)算公式[15]如下。

式中：EIL為每種工藝總的環(huán)境負(fù)荷；WjEP(j)為j類環(huán)境影響加權(quán)后的環(huán)境影響潛值；Wj為j類環(huán)境影響的權(quán)重；Qi為i種物質(zhì)的排放量，kg/t垃圾；PF(j)i為第i種排放物質(zhì)對(duì)第j種環(huán)境影響的當(dāng)量因子；EP(j)為人均環(huán)境影響潛值；j為環(huán)境影響類型；i為排放物質(zhì)。

首先，對(duì)垃圾末端處理工藝進(jìn)行生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)的目標(biāo)是對(duì)比填埋、堆肥、焚燒三種處理工藝的環(huán)境影響，所以研究系統(tǒng)邊界定為進(jìn)入垃圾處理站開始，功能單位為1噸垃圾。結(jié)合文獻(xiàn)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(guān)的4種環(huán)境影響類型，即全球變暖、酸化、富營(yíng)養(yǎng)化和光化學(xué)臭氧合成，并分別以CO2、SO2、NO3-、C2H4為參照物，根據(jù)各環(huán)境影響因子與參照物之間的當(dāng)量關(guān)系[10]，計(jì)算出每種影響類型的環(huán)境影響潛值。通過(guò)式（1）得到每種環(huán)境影響潛值。其次用人均環(huán)境影響潛值進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，本研究運(yùn)用中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心建立的中國(guó)環(huán)境影響潛值標(biāo)準(zhǔn)人當(dāng)量基準(zhǔn)[17]。最后，用層次分析法制定環(huán)境影響權(quán)重(圖3)，計(jì)算得到各處理模式總的環(huán)境影響潛值（見(jiàn)表2）。

圖3 生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)過(guò)程

表2 3種處理工藝環(huán)境影響潛值

3.1.2 環(huán)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(shí)約50%的廚余垃圾可直接用于動(dòng)物飼料[16]，其余部分進(jìn)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(chǎn)生的殘?jiān)糠謩e為10%與30%，最后都做填埋處理。根據(jù)上文得到的三種工藝下環(huán)境影響潛值計(jì)算結(jié)果，可得1噸垃圾的處理環(huán)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(cuò)了位置的資源，它含有許多可綜合利用的物質(zhì)和能源，可以重新在經(jīng)濟(jì)循環(huán)中發(fā)揮作用。因此在考慮垃圾處理環(huán)境影響的同時(shí)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(shí)現(xiàn)資源化的垃圾的比例，一般包含物質(zhì)回收、物質(zhì)轉(zhuǎn)化再利用以及能源利用三個(gè)層級(jí)[17]，假設(shè)產(chǎn)生的垃圾全部進(jìn)行資源化和無(wú)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(zhì)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(chǎn)生量為垃圾產(chǎn)生量（t）；E填埋為填埋資源化率（%），E焚燒為垃圾焚燒轉(zhuǎn)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(xiàn)狀為50%。垃圾焚燒可以供熱發(fā)電，目前我國(guó)自主設(shè)計(jì)的供熱鍋爐熱效率可以達(dá)到65%，熱電聯(lián)產(chǎn)可以達(dá)到 50%，而單純發(fā)電的熱效率只能達(dá)到 23%，根據(jù)北京實(shí)際情況，大部分垃圾焚燒廠是熱電聯(lián)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(fā)利用是垃圾填埋處置過(guò)程中唯一可測(cè)量的資源化指標(biāo)，填埋氣體通過(guò)收集發(fā)電實(shí)現(xiàn)資源化，其資源化率可為發(fā)電量與理論發(fā)電量的比值。北京生活垃圾低位熱值4 627kJ/kg，理論可發(fā)電1 284kw·h/t, 北京一座典型垃圾填埋場(chǎng)生活垃圾焚燒處理實(shí)際可發(fā)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(chǎn)品的產(chǎn)率約為30%～50%，但是北京垃圾堆肥產(chǎn)品營(yíng)銷不理想，其資源化率E堆肥取30%。

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

4.北京市生活垃圾處理規(guī)劃及評(píng)價(jià)

本規(guī)劃方案將針對(duì)北京市垃圾生命周期過(guò)程在收集、回收、處理處置等方面存在的問(wèn)題和不足，在分類收集率、回收物資源化率、無(wú)害化處理工藝?yán)帽壤恼{(diào)整等方面進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。一方面，參考北京市市政管委政府工作報(bào)告的相關(guān)內(nèi)容[18]；另一方面，參考國(guó)內(nèi)其他城市的有關(guān)工作，如深圳市在《深圳市環(huán)境衛(wèi)生設(shè)施總體規(guī)劃》中提出2010年城市垃圾分類收集率達(dá)到90%，江蘇省在《江蘇省循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》中提出2010年城市垃圾分類收集率達(dá)到92%；此外，借鑒國(guó)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，例如荷蘭2008年固體廢物循環(huán)使用率75%，丹麥為64%。據(jù)《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(guī)劃方案

對(duì)規(guī)劃的垃圾處理模式生命周期環(huán)境影響潛值和資源化率進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表3。規(guī)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(shí)增強(qiáng)垃圾處理能力，改變垃圾處理工藝的比例，使得規(guī)劃年（2015）垃圾處理的環(huán)境影響潛值降低了22%，全生命周期資源化率提高了83%。規(guī)劃方案對(duì)環(huán)境以及資源化方面都產(chǎn)生了積極的影響，同時(shí)提供了末端污染防治措施。

表4 環(huán)境影響潛值與資源化率計(jì)算結(jié)果

5.結(jié)果與討論

根據(jù)對(duì)北京市垃圾處理工藝生命周期環(huán)境影響的評(píng)價(jià)結(jié)果，堆肥的環(huán)境影響潛值遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(gè)生命周期的資源化率與前端分類回收程度有重要關(guān)系。規(guī)劃方案的環(huán)境影響與現(xiàn)狀相比有明顯改善，資源化率也有顯著提高，這可說(shuō)明北京市生活垃圾處理應(yīng)將垃圾焚燒和堆肥比例大幅度提高，同時(shí)加強(qiáng)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(guī)劃框架體現(xiàn)了“搖籃-墳?zāi)埂?，源頭有效控制，末端有機(jī)治理的思想，充分包含垃圾的收集、運(yùn)輸、回收再利用、處理和處置垃圾的全部環(huán)節(jié)，同時(shí)兼用生命周期評(píng)價(jià)，對(duì)其環(huán)境影響，資源化率進(jìn)行定量分析，科學(xué)地制定規(guī)劃方案，力求使城市垃圾管理更加系統(tǒng)和合理，并達(dá)到環(huán)境可持續(xù)、經(jīng)濟(jì)可承受和社會(huì)可接受。

[1] 李萌，楊志峰.循環(huán)經(jīng)濟(jì)原則在城區(qū)固體廢物處置規(guī)劃中的應(yīng)用[J].北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)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(huán)境與城市生態(tài),1998,11(3):52-55.

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

[12] 陶華，陶加林.生命周期評(píng)價(jià)在中國(guó)城市垃圾減量化的應(yīng)用[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，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(píng)價(jià)[J].中國(guó)人口·資源與環(huán)境,2009,19(2):93-97 .

[14] 李玉春.北京市生活垃圾厭氧發(fā)酵技術(shù)應(yīng)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(guó)產(chǎn)品生命周期影響評(píng)價(jià)方法研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2001,21(2):234-238.

[16] 紀(jì)丹鳳.城市生活垃圾處理處置的生命周期與環(huán)境經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)[D].北京化工大學(xué)，2010.

[17] 周菲.杭州城市生活垃圾處理體系綜合評(píng)價(jià)方法研究[D].中南大學(xué)，2010.

[18] 陳永.關(guān)于生活垃圾處理工作進(jìn)展情況的報(bào)告.北京市第十三屆人民代表大會(huì)常務(wù)委員會(huì)第十九次會(huì)議.＜2010.http://www.bjrd.gov.cn/zt/sjchy/hywj/201007/t20100730_57056.html>