兩種典型農(nóng)村生活垃圾處理處置模式的生命周期評價?

陳友媛， 魏 來， 孫 萍， 夏訓(xùn)峰

(1.中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室，山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點實驗室，山東 青島 266100；2.中國環(huán)境科學(xué)研究院水環(huán)境系統(tǒng)工程研究室，北京 100012)

中國農(nóng)村生活垃圾產(chǎn)量逐年遞增，2015年為1.07 kg/d[1]。在發(fā)展中國家，填埋為生活垃圾的主要處置方式，但垃圾填埋會產(chǎn)生大量滲濾液和填埋氣。在發(fā)達國家，生活垃圾處理以分類處理和物質(zhì)回收的方式為主，具有更好的環(huán)境效應(yīng)和經(jīng)濟效益[2]。然而，生活垃圾處理處置的研究多集中于城市地區(qū)垃圾終端處理技術(shù)的定量評價[3-4]，而對于農(nóng)村生活垃圾的定性研究[1，5]，鮮有農(nóng)村生活垃圾處理處置對于環(huán)境污染的定量研究報道。

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)提出生命周期評價(LCA)方法，可用于農(nóng)村生活垃圾從收集到最終處置環(huán)節(jié)的多種潛在環(huán)境影響的綜合評價。環(huán)境影響評價標(biāo)準(zhǔn)以固廢系統(tǒng)和技術(shù)的環(huán)境評價(EASEWASTE)模型中的環(huán)境影響類型為主[6]，主要為全球變暖、富營養(yǎng)化、光化學(xué)臭氧合成和酸化，少數(shù)研究涉及生態(tài)毒性、污染水資源、致癌物等影響類型[7]。LCA研究使用1 t垃圾作為評價功能單元[8]，從生命周期角度，對比不同垃圾處理方式[9-10]、不同污染控制工藝[11]、不同工藝參數(shù)[12]等，評價它們在環(huán)境、能源和經(jīng)濟等方面的影響。由于我國缺少較為完備的農(nóng)村生活垃圾數(shù)據(jù)庫，且不同地區(qū)的垃圾管理系統(tǒng)對當(dāng)?shù)貤l件依賴強烈，限制了LCA結(jié)果的普遍適用[13-14]。因此，利用LCA方法首先對我國農(nóng)村生活垃圾的處理處置模式進行環(huán)境影響評價，可因地制宜為我國農(nóng)村生活垃圾管理的改進和發(fā)展提供參考依據(jù)。

中國城鎮(zhèn)化農(nóng)村地區(qū)普遍實行生活垃圾“統(tǒng)一管理、集中清運、定點填埋”模式，部分偏遠、分散的農(nóng)村地區(qū)實行垃圾分類收集、就地堆肥處理模式[15]。本研究采用LCA方法對這兩種典型農(nóng)村生活垃圾處理處置模式進行環(huán)境影響評價，找出兩種模式的主要環(huán)境影響類型及其影響因子，以期為中國農(nóng)村生活垃圾處理處置模式的改進提供指導(dǎo)依據(jù)。

1 農(nóng)村生活垃圾特性

本文以青島黃島區(qū)農(nóng)村的生活垃圾為例進行評價研究。目前黃島區(qū)農(nóng)村生活垃圾通過混合收集，經(jīng)區(qū)域中轉(zhuǎn)站統(tǒng)一運轉(zhuǎn)到固體廢棄物綜合處理場。根據(jù)調(diào)研結(jié)果，得到調(diào)查區(qū)2015年農(nóng)村生活垃圾成分比例(見表1)。

表1 青島市黃島區(qū)農(nóng)村生活垃圾組成Table 1 The composition of rural living waste in Huangdao district, Qingdao

2 生命周期評價

山東農(nóng)村地區(qū)具有兩種典型的生活垃圾處理處置模式：適用于城鄉(xiāng)結(jié)合地區(qū)的集中轉(zhuǎn)運處置模式，和適用于偏遠、分散農(nóng)村地區(qū)的分類就地處理模式[16]。利用生命周期評價(LCA)對這兩種模式的物質(zhì)和能源的輸入、輸出及相應(yīng)環(huán)境排放物進行識別和量化，從而提出污染物排放少、環(huán)境影響小的垃圾處理模式。根據(jù)ISO14040標(biāo)準(zhǔn)，生命周期評價分4階段：確定目標(biāo)與邊界，清單分析，影響評價和解釋[17]。

2.1 目標(biāo)定義與邊界確定

目標(biāo)：以1 t農(nóng)村生活垃圾為評價功能單元，研究從垃圾收集到最終處理處置過程的資源消耗與環(huán)境排放，為農(nóng)村生活垃圾處理處置管理體系提供決策依據(jù)。

兩種模式的系統(tǒng)邊界如圖1。

圖1 兩種模式的系統(tǒng)邊界Fig.1 The system boundary of the two modes

模式1：集中轉(zhuǎn)運處置模式。農(nóng)村生活垃圾經(jīng)村戶投至村垃圾桶后，由車輛收集轉(zhuǎn)運至區(qū)域填埋場，填埋覆蓋率100%。填埋場配有滲濾液收集處理設(shè)施，但無填埋氣體收集控制與能量再生裝置，故填埋氣體可直接排入空氣，滲濾液經(jīng)處理達標(biāo)后排放至自然水體中。

模式2：分類就地處理模式。農(nóng)村生活垃圾源頭分類后，廚余等可降解垃圾在降解池進行高溫好氧堆肥，磚瓦等不可回收垃圾運至低洼處填地或鋪路，塑料、金屬等可回收垃圾送往回收站，電池、藥物等有害垃圾送至有資質(zhì)單位進行無害化處理。該模式中可回收垃圾和有毒有害垃圾的處理過程不包括在評價范圍內(nèi)。

2.2 數(shù)據(jù)清單分析

生命周期評價清單(LCAI)數(shù)據(jù)來源于國內(nèi)外文獻、中國統(tǒng)計年鑒、調(diào)查區(qū)農(nóng)村垃圾中轉(zhuǎn)站等數(shù)據(jù)資料，污染物排放及能源消耗清單數(shù)據(jù)基于經(jīng)驗?zāi)Ｐ陀嬎慵皵?shù)據(jù)整合估算結(jié)果。

2.2.1模式1中填埋單元 填埋后產(chǎn)生的主要污染物為填埋氣和垃圾滲濾液。填埋氣主要包含CH4、CO2、H2S等成分，其中，CH4的產(chǎn)生量采用政府間氣候變化專門委員會(IPCC)推薦的公式(1)和(2)[18]，根據(jù)表1中垃圾各組分比例進行計算，用DOC來表示。其他氣體組分的產(chǎn)生量按填埋氣體主要組成的典型比例值[19](見表2)進行計算。1 t農(nóng)村生活垃圾填埋氣排放量見表2。

DOC=0.4A+0.17B+0.15C+0.3D。

(1)

式中：DOC為可降解有機碳含量(%)；A為垃圾中紙類和織物所占比例(6.00%)；B為庭院垃圾所占比例(0%)；C為廚余垃圾所占比例(54.00%)；D為竹木所占比例(0%)。通過計算，可降解有機碳含量DOC為10.50%。

(16/12)×0.6。

(2)

式中：CH4垃圾填埋場的甲烷排放量(kg)；SW垃圾量(評價功能單元，1 t)；η垃圾填埋率(%)，取1；DOC為10.50%；r垃圾中可降解有機碳的分解百分率(IPCC推薦值77%)。通過計算，CH4排放量為64.68 kg/t。

垃圾滲濾液的產(chǎn)生量主要受垃圾組分、地域差異的影響，一般為垃圾量的0%～15%[19]，本文取10%，滲濾液密度為1.01 kg/L[20]，則1 t垃圾產(chǎn)生100.00 L滲濾液，由調(diào)研所得填埋場污水排放檢測濃度估算出1t農(nóng)村垃圾液體中污染物含量(見表2)。

模式2中磚瓦、灰土等不可回收組分進行填坑或修路，認為該部分對環(huán)境不產(chǎn)生氣、液污染。

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

注：*《生活垃圾填埋場控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB16889—2008)。

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

2.2.2 模式2中堆肥單元 模式2堆肥處理單元中，易腐的廚余垃圾進行高溫好氧堆肥，釋放出CO2、NH3等氣體及滲濾液體。按照好氧堆肥過程固體降解規(guī)律，堆肥物質(zhì)中2/3的C轉(zhuǎn)化成CO2，13.16%的N轉(zhuǎn)化為NH3，通過式(3)和(4)對CO2和NH3產(chǎn)量進行計算[21]。

QCO2=Q×P0×(PC-PCf)×2/3×44/12，

(3)

QNH3=Q×P0×PN×13.16%×17/14。

(4)

式中：QCO2為堆肥產(chǎn)生的CO2量(計算為50.42kg)；QNH3為堆肥產(chǎn)生NH3量(計算為0.39 kg)；Q為混合垃圾量(評價功能單元為1 t，即1 000 kg)；P0為堆肥垃圾比例(54.00%)；PC、PCf和PN分別代表堆肥垃圾C元素比例(%)、固定碳比例(%)和N元素比例(%)，分別為7.52%、3.70%和0.45%(見表3)[22]。

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

好氧堆肥過程排放的氣體中NH3、NOx、H2S、SO2的質(zhì)量比為396.8∶0.5∶7.3∶1[21]，據(jù)此計算各氣體產(chǎn)生的理論值。堆肥滲濾液中TN、COD和TP排量參考Abduli等的研究數(shù)據(jù)[10]，主要重金屬排量參考我國城市1 t廚余垃圾好氧堆肥研究結(jié)果[22]，液體污染排量參考值換算為本研究中1 t農(nóng)村生活垃圾中54.00%的廚余垃圾，即參考值的0.54倍。堆肥單元的氣、液污染排放結(jié)果見表4。

表4 模式2堆肥過程產(chǎn)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 交通運輸單元 根據(jù)調(diào)查區(qū)2015年交通運輸數(shù)據(jù)，全年共收集轉(zhuǎn)運農(nóng)村生活垃圾3.14×105t，垃圾收轉(zhuǎn)率100%，運輸車輛安全行駛604.8×106km，則垃圾運輸油耗為8.079 L/t。垃圾運輸過程消耗柴油，其排污系數(shù)[24]及污染物排放量見表5。

模式2中由于只有26.00%的灰土磚瓦等不可回收垃圾需要運輸至填坑、修路，按照與模式1運輸相同距離來計算，認為模式2運輸過程污染排放量對應(yīng)為模式1的26.0%，結(jié)果見表5。

2.3 生命周期影響評價

垃圾處理處置過程產(chǎn)生的污染物具有一定的潛在環(huán)境影響，確定全球變暖、酸化、富營養(yǎng)化、光化學(xué)臭氧合成和生態(tài)毒性共5種環(huán)境影響類型，對兩種農(nóng)村生活垃圾處理模式進行評價。影響評價過程分為特征化、標(biāo)準(zhǔn)化和加權(quán)評估3個步驟。

表5 車輛運輸階段污染物排放Table 5 The pollution emissions in the process of transportation

標(biāo)準(zhǔn)化過程即對環(huán)境影響類型的相對大小提供一個可比較的標(biāo)準(zhǔn)，參考LCA模型EASEWASTE中5種環(huán)境影響類型的人均年當(dāng)量潛值作為基準(zhǔn)值[7](見表6)，對各影響類型的環(huán)境影響潛值進行標(biāo)準(zhǔn)化處理。其含義相當(dāng)于處理1 t農(nóng)村生活垃圾的環(huán)境影響潛值相對于人均年當(dāng)量潛值的大小。標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果等于環(huán)境影響潛值與基準(zhǔn)值的比值。

加權(quán)評估確定各種環(huán)境影響類型的權(quán)重，對標(biāo)準(zhǔn)化后的環(huán)境影響潛值賦權(quán)重值，得到各類型的環(huán)境影響負荷，可反映評價單元的環(huán)境影響大小。權(quán)重值的選取采用專家打分法(特爾斐法)，通過問卷調(diào)查，統(tǒng)計得到9位相關(guān)專家針對每種環(huán)境影響類型的平均權(quán)重值(見表6)，從中看出，專家普遍對生態(tài)毒性給予了較高關(guān)注。

3 結(jié)果與討論

3.1 兩種模式的評價結(jié)果與分析

兩種農(nóng)村生活垃圾處理處置模式生命周期的影響評價結(jié)果如表7所示。對于5種環(huán)境影響類型總負荷，模式1為5.28×10-2，模式2為3.35×10-2，模式2的總環(huán)境影響負荷比模式1降低36.55%。

表6 生命周期影響評價參數(shù)Table 6 The parameters of LCA

表7兩種模式生命周期的影響評價結(jié)果

Table 7 The LCA results of two modes

影響類型Impact category全球變暖Global warming酸化Acidification富營養(yǎng)化Eutrophication光化學(xué)臭氧合成Photochemical ozone formation生態(tài)毒性Ecological toxicity環(huán)境影響負荷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，由于填埋氣體未經(jīng)處理直接排空，造成大量CO2、CH4等溫室氣體排放到環(huán)境中。由表7可知，全球變暖的環(huán)境影響負荷最大，為該模式主要環(huán)境影響類型。這同其他地區(qū)城市生活垃圾填埋處置的LCA研究結(jié)果[25]一致。全球變暖的主導(dǎo)污染物是CH4和CO2，對比表2和表5可知，模式1中填埋單元為導(dǎo)致全球變暖的主要影響單元。其中，CH4和CO2分別占氣體排放量的55.00%和41.89%，CH4的影響因子是CO2的25倍，故CH4環(huán)境影響潛值較大。據(jù)估計，全球垃圾處置區(qū)每年產(chǎn)生的CH4量約為總溫室氣體排放量的3%～4%[26]，故有效控制填埋產(chǎn)生的CH4量對減緩環(huán)境影響具有重要意義。該模式中酸化、富營養(yǎng)化、光化學(xué)臭氧合成和生態(tài)毒性的環(huán)境影響負荷較小，與全球變暖相差2～3個數(shù)量級。

對于模式2，由表7可知，富營養(yǎng)化的環(huán)境影響負荷最大，由于無堆肥液體污染控制措施，富營養(yǎng)化成為最大環(huán)境影響類別，這與Vahidi等的研究結(jié)論一致[27]。雖然模式1中填埋垃圾組分多于模式2，但垃圾填埋場配有水平防滲系統(tǒng)，并按照《生活垃圾填埋場控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB16889—2008)對其進行處理，大大降低了污染物的外排。雖然在該模式中，堆肥釋放的CO2導(dǎo)致的全球變暖及H2S、NH3導(dǎo)致的酸化影響負荷較小，但H2S、NH3為惡臭氣體的主要成分，對附近居民生理健康產(chǎn)生不利影響，同時NH3的釋放造成堆肥產(chǎn)品氮素損失[28]，故惡臭氣體應(yīng)予以減排控制。由于缺少具體數(shù)據(jù)統(tǒng)計，未將堆肥后續(xù)利用環(huán)節(jié)納入評價范圍，但由于農(nóng)村地域所具有的農(nóng)耕及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的功能性，及農(nóng)村生活垃圾堆肥的現(xiàn)實應(yīng)用情況，可將其作為有機肥來替代化肥[12]、泥炭[29]等改良土壤、增加作物營養(yǎng)。若采用農(nóng)村生活垃圾堆肥生產(chǎn)的有機肥來替代化肥，其生命周期的能耗、全球變暖潛力、酸化潛力、富營養(yǎng)化潛力方面均大幅降低[30]。

從生命周期角度分析可知，填埋單元和堆肥單元產(chǎn)生的環(huán)境影響負荷較大，而運輸中轉(zhuǎn)單元的環(huán)境影響負荷占總影響負荷的比例不足1%，這可能由于在堆肥和填埋單元使用理論模型計算污染物產(chǎn)生量，而使用實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)計算運輸過程污染排放量，導(dǎo)致兩者結(jié)果差異懸殊，但該差異趨勢與Abduli等[10]的研究結(jié)果一致。因此，在農(nóng)村生活垃圾管理決策中可適當(dāng)降低垃圾運輸過程對于整體環(huán)境影響的顧慮。

3.2 兩種模式綜合影響比較分析

垃圾分類就地處理模式可一定程度上實現(xiàn)農(nóng)村生活垃圾資源化和減量化，然而堆肥處理具有一定劣勢，如成本投入高、統(tǒng)一管理的難度增加等。故除了全球變暖、酸化等已評價的環(huán)境影響，還需對其他影響因素進行綜合分析，為兩種模式的對比提供更全面的參考依據(jù)。兩種模式多因素影響的比較分析[31]如表8所示。

通過表8中兩種模式的對比可以看出，農(nóng)村生活垃圾運用集中轉(zhuǎn)運處置模式(模式1)的優(yōu)勢在于填埋技術(shù)經(jīng)驗豐富、對垃圾性質(zhì)要求較低、填埋沼氣可進行能源利用、臭氣排放可控性較強、工程投資及運行成本均較低、且運行管理較容易；分類就地處理模式(模式2)的優(yōu)勢在于操作安全性較高、選址較易、資源回收利用性強、對地下水污染影響較小。

表8 兩種模式多因素影響比較

注：*投資比例及處理成本比例，均以模式1為1.0計。

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

3.3 環(huán)境影響保護措施

根據(jù)評價結(jié)果表7可知，模式2的環(huán)境影響負荷小于模式1。對模式1中填埋場排放的CH4和CO2進行回收利用可以減少全球變暖潛力，是減緩環(huán)境負荷的關(guān)鍵。模式2的關(guān)鍵則是收集堆肥滲濾液，并控制惡臭氣體的排放。針對填埋氣體回收和垃圾滲濾液收集提出建議如下：

(2)通過在垃圾堆肥處安裝襯底、硬化地面或添加堆肥滲濾液收集系統(tǒng)，降低COD及氨氮的外排，減少富營養(yǎng)化污染。通過在堆肥時投放菌糠、鋸末、玉米秸稈等輔料，降低NH3、H2S等惡臭氣體的排放，同時減少總氮、總硫的流失[35]。

(3)當(dāng)廚余垃圾量接近農(nóng)村生活垃圾總量的50%，可進行分類堆肥處理，并考慮將肥料應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。模式1轉(zhuǎn)變?yōu)槟Ｊ?，運輸源頭上減少了垃圾總量，降低了垃圾運輸成本，緩解最終處置壓力；也可充分利用部分農(nóng)村所具有的農(nóng)戶畜牧養(yǎng)殖業(yè)獨特優(yōu)勢，通過家畜內(nèi)化餐廚有機垃圾，在收集環(huán)節(jié)源頭上大量減少廚余垃圾的處理量。

4 結(jié)論

(1)模式1的總環(huán)境影響負荷為5.28×10-2，模式2為3.35×10-2，所以從5種環(huán)境影響總負荷角度考慮，模式2優(yōu)于模式1。5種環(huán)境影響類型中，模式1的主要環(huán)境影響是全球變暖，模式2為富營養(yǎng)化。且兩個模式垃圾處理處置單元的環(huán)境影響負荷較大，收集運輸單元較小。

(2)建議通過在填埋場增加土壤覆蓋層，或安裝填埋氣回收發(fā)電系統(tǒng)，降低甲烷的排放量以減小填埋氣體造成的全球變暖效應(yīng)，通過在堆肥處安裝滲濾液收集系統(tǒng)降低液體污染排放，以減小堆肥液體造成的富營養(yǎng)化效應(yīng)，通過添加菌糠等輔料降低惡臭氣體的排放。