青島農(nóng)村生活垃圾填埋污染控制及資源利用過程的環(huán)境影響評價?

陳友媛, 王報英, 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)率逐年升高，2015年人均為1.07 kg/d[1]。城鄉(xiāng)結(jié)合地區(qū)和經(jīng)濟發(fā)達農(nóng)村的生活垃圾實行“統(tǒng)一管理、集中清運、定點處置”[2]。部分偏遠落后農(nóng)村地區(qū)的生活垃圾處理設(shè)施滯后或無人監(jiān)管[3]，近1/3垃圾隨意傾倒或采取不規(guī)范的就地坑埋處置[4-5]，嚴(yán)重影響農(nóng)村生態(tài)環(huán)境。目前，中國生活垃圾處理處置的研究多集中于城市地區(qū)的定量分析或農(nóng)村地區(qū)的定性研究[6-7]，而關(guān)于農(nóng)村生活垃圾處置過程對環(huán)境污染的定量研究卻鮮有報道。因此，通過科學(xué)方法對污染物排放造成的環(huán)境影響進行評價具有重要意義。

生活垃圾處理有多種環(huán)境影響評價方法。在多數(shù)情況下，不同的分析和評價方法可以為選擇不同處理方式提供更加準(zhǔn)確的評估，因而可以做出更加準(zhǔn)確和公平的評價，但大多數(shù)環(huán)境分析過程往往不能完全囊括所有的環(huán)境影響[8]。生命周期評價(LCA)方法由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)提出，被認(rèn)為是21世紀(jì)最具生命力的環(huán)境管理方法。當(dāng)其用于農(nóng)村生活垃圾處理模式時，可從系統(tǒng)和整體的角度出發(fā)，考慮不同環(huán)境類型的影響，綜合評價農(nóng)村生活垃圾處理模式，從垃圾收集到最終處置環(huán)節(jié)的多種潛在環(huán)境影響[9]。

垃圾填埋的LCA標(biāo)準(zhǔn)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、水資源污染、致癌物等影響類型[10]。Florin等[11]利用LCA方法對羅馬尼亞農(nóng)村地區(qū)的家庭堆肥進行研究發(fā)現(xiàn)，家庭堆肥可實現(xiàn)垃圾就地消減，并降低溫室氣體的排放；Abduli等[12]采用LCA方法對德黑蘭市垃圾管理決策的環(huán)境影響進行對比研究，發(fā)現(xiàn)配有氣體控制措施的填埋處理優(yōu)于無控制措施的堆肥+填埋方式；Turconi等[13]分別評估了丹麥和意大利兩個垃圾焚燒爐系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)由于丹麥工廠熱回收率高，其焚燒爐的整體環(huán)境影響優(yōu)于意大利。由于中國生活垃圾數(shù)據(jù)庫尚不完備，限制了LCA結(jié)果的普遍適用。因此，利用LCA方法對中國農(nóng)村生活垃圾處理模式進行環(huán)境影響評價可為中國農(nóng)村生活垃圾的管理和改進提供依據(jù)。

本研究采用LCA方法，對就地坑埋、集中填埋+滲濾液處理和集中填埋+滲濾液處理+甲烷回收利用3種層次的農(nóng)村生活垃圾填埋模式進行環(huán)境影響分析。對比3種模式對環(huán)境影響的差異，確定LCA的主要環(huán)境影響類型，并分析LCA數(shù)據(jù)源的不確定性對評價結(jié)果的影響。最終根據(jù)LCA結(jié)果，提出農(nóng)村生活垃圾填埋處置在污染控制和資源化過程中的改進措施，為我國農(nóng)村生活垃圾管理的改進和農(nóng)村生態(tài)環(huán)境保護提供參考依據(jù)。

1 調(diào)研分析

偏遠、落后農(nóng)村地區(qū)的典型生活垃圾處置模式為《農(nóng)村生活污染控制技術(shù)規(guī)范》(HJ574—2010)中被明令禁止的就地坑埋模式。城鄉(xiāng)結(jié)合地區(qū)、經(jīng)濟發(fā)達的農(nóng)村則為集中填埋+滲濾液處理模式。典型城市衛(wèi)生填埋場配有滲濾液處理系統(tǒng)和填埋氣發(fā)電工藝，故集中填埋+滲濾液處理+甲烷回收利用可作為一種發(fā)展的農(nóng)村生活垃圾處置模式。

本文以青島黃島區(qū)農(nóng)村生活垃圾為例對上述3種填埋模式進行評價研究。目前，黃島區(qū)農(nóng)村生活垃圾實行混合收集，經(jīng)區(qū)域中轉(zhuǎn)站統(tǒng)一轉(zhuǎn)運到固體廢物綜合處理場，其生活垃圾集中管理模式分為收集運輸單元、中轉(zhuǎn)壓縮單元和填埋處置單元，具體調(diào)研數(shù)據(jù)如下：

(1) 收集運輸單元

生活垃圾經(jīng)投入村內(nèi)垃圾箱后，由垃圾車運輸至垃圾中轉(zhuǎn)站進行中轉(zhuǎn)壓縮，后轉(zhuǎn)運至區(qū)域填埋場。垃圾收集運輸過程中，車輛燃料燃燒釋放CO2、NOx、Pb等污染物。利用收集轉(zhuǎn)運量及行駛里程，計算單位農(nóng)村生活垃圾收集運輸單元的污染排放量。調(diào)研區(qū)2015年共收集轉(zhuǎn)運農(nóng)村生活垃圾3.14×105t，行駛里程為604.8×106km，垃圾成分比例見表1。

表1 農(nóng)村生活垃圾組成

Note：①Peel, meals, etc；② Tile, ash, etc；③ Paperboard；④ Plastic；⑤ Metal；⑥ Glass；⑦ Battery, medicine, etc.

(2) 壓縮中轉(zhuǎn)單元

黃島區(qū)前灣港固體廢棄物中轉(zhuǎn)站建筑面積約為1萬m2，轉(zhuǎn)運的生活垃圾包括附近8個農(nóng)村社區(qū)及鎮(zhèn)。垃圾運輸車進入前灣港固體廢棄物中轉(zhuǎn)站后實行過磅計量及密閉壓縮處理。壓縮供電設(shè)施運行8 640 h/a，耗電4.22×105kW·h。消耗的電力源于電廠燃煤發(fā)電[14]，燃煤過程釋放CO2、SO2、Pb、Hg等污染物[15]。故可利用耗電數(shù)據(jù)，計算壓縮單位垃圾的等量污染排放。

(3)填埋處置單元

黃島區(qū)團結(jié)路生活垃圾填埋場占地13.83萬m2。填埋場產(chǎn)生的氣體污染排空處理，污水處理采用“MBR(外置超濾膜)+NF+RO”工藝。對該填埋場滲濾液的監(jiān)測結(jié)果顯示，根據(jù)《生活垃圾填埋場控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB16889-2008)，COD超標(biāo)量達10.88倍，Cr達5倍，氨氮達1.51倍，總氮達21.18倍，其他物質(zhì)均達標(biāo)。

2 生命周期評價

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[16]。

2.1 目標(biāo)定義與邊界確定

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環(huán)境影響負荷。3種垃圾填埋模式的系統(tǒng)邊界如圖1所示。邊界假設(shè)：生活垃圾運輸過程均由密封式垃圾車完成，不考慮在垃圾收集及清運過程中有垃圾、滲濾液、污染氣體的直接泄露或隨運輸車清洗廢水等途徑向自然環(huán)境中的間接排放。

模式1：就地坑埋。村戶自行將生活垃圾投至村內(nèi)廢棄土坑中，無統(tǒng)一收集、運輸和壓縮環(huán)節(jié)。生活垃圾露天堆放，產(chǎn)生垃圾滲濾液和填埋氣，無防滲和填埋氣收集措施。

模式2：集中填埋+滲濾液處理。生活垃圾經(jīng)統(tǒng)一收集后，由中轉(zhuǎn)站壓實后運至填埋場，進場垃圾填埋覆蓋率100%。填埋場配有滲濾液處理設(shè)施，但無填埋氣收集與資源回收利用裝置。

模式3：集中填埋+滲濾液處理+甲烷回收利用。模式3在模式2的基礎(chǔ)上，增加了填埋氣回收利用裝置，對填埋產(chǎn)生的甲烷進行回收發(fā)電。

2.2 環(huán)境排放清單計算

生命周期評價清單(LCA)數(shù)據(jù)源自國內(nèi)外文獻、中國統(tǒng)計年鑒及調(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)是基于經(jīng)驗?zāi)Ｐ陀嬎愫蛿?shù)據(jù)整合估算結(jié)果。

2.2.1收集運輸單元 根據(jù)收集運輸單元調(diào)研結(jié)果，收集轉(zhuǎn)運1 t農(nóng)村生活垃圾平均油耗距離為19.24 km/t。垃圾運輸過程消耗柴油，其排污系數(shù)[17]及污染物排放量見表2。

圖1 不同垃圾填埋模式的系統(tǒng)邊界

成分Ingredients系數(shù)Coefficient/g·km-1運輸單位垃圾的排量Displacement of transport unit waste/kg成分Ingredients系數(shù)Coefficient/g·km-1運輸單位垃圾的排量Displacement of transport unit waste/kgCH40.0071.35E-04CO1.0001.92E-02CO2183.2983.53E+00SOx0.2334.48E-03NOx0.8041.55E-02烴類0.0961.85E-03N2O0.0071.35E-04Pb357.0006.87E+00

注：運輸單位垃圾的污染物排量為排放系數(shù)與油耗距離19.24 km/t的乘積。The pollutant displacement of transportation unit garbage is the product of emission coefficient and fuel consumption distance 19.24 km/t.

2.2.2 壓縮中轉(zhuǎn)單元 中轉(zhuǎn)站處理1 t農(nóng)村生活垃圾耗電1.343 kW·h?；鹆Πl(fā)電以燃煤為主[14]，將用電量轉(zhuǎn)化為上游燃煤產(chǎn)生的污染物，計入該過程污染排放清單。根據(jù)火力發(fā)電排放系數(shù)[18]和電力折標(biāo)系數(shù)(0.122 9 kg煤炭/kW·h)，1 t農(nóng)村生活垃圾在中轉(zhuǎn)壓縮過程的等效污染物產(chǎn)量見表3。

表3 中轉(zhuǎn)壓縮用電等效污染物排放

2.2.3 填埋處置單元

(1)模式1

填埋產(chǎn)生填埋氣體和滲濾液體，無污染控制措施，直接排放到環(huán)境中。填埋氣體中，CH4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)[19]，根據(jù)垃圾組分比例(見表1)進行計算。其他氣體組分產(chǎn)生量按填埋氣體主要組成的典型比例值[20](見表3)進行計算。1 t農(nóng)村生活垃圾填埋氣排放量見表3。

DOC=0.4Pp+0.17Py+0.15Pk+0.3Pw。

(1)

式中：DOC為可降解有機碳含量(%)；Pp為垃圾中紙類比例(4.5%)；Py為庭院垃圾比例(0%)；Pk為廚余垃圾比例(32.8%)；Pw為草木比例(0.9%)。通過計算，DOC為6.99%。

CH4=Q0×η×DOC×r×(16/12)×0.6。

(2)

式中：Q0為垃圾量(1 t，即1 000 kg)；η為垃圾填埋率(100%)；r為垃圾中可降解有機碳分解率(IPCC推薦值77%)。通過計算，CH4排放量為43.06 kg/t。

模式1滲濾液污染物含量參考Obersteiner等[21]對1 t生活垃圾開放堆儲產(chǎn)生的滲濾液污染研究結(jié)果(見表4)。

表4 模式1就地坑埋過程污染排放

(2)模式2

模式2填埋氣體直接排空，其結(jié)果與模式1一致。滲濾液經(jīng)處理后釋放進地表水，污染物排放量是基于調(diào)研填埋場污水排放檢測濃度和滲濾液產(chǎn)量的計算結(jié)果。滲濾液產(chǎn)量一般為垃圾量的0%～15%[22]，本文取10%，密度為1.01 kg/L[23]，則1 t垃圾的滲濾液產(chǎn)量為100.00 L，估算模式2中1 t農(nóng)村垃圾液體中污染物含量(見表5)。

表5 模式2填埋場液體污染排放情況Table 5 The water pollution emissions of Mode 2 landfill /kg·t-1

(3)模式3

模式3在模式2的基礎(chǔ)上，對填埋氣CH4進行回收發(fā)電。故滲濾液處理情況與模式2(見表5)一致。填埋氣變化量參考城市生活垃圾衛(wèi)生填埋場的填埋氣發(fā)電情況[24]，當(dāng)上網(wǎng)電量為47 kW·h時，CH4減排量為13.2 kg。模式3填埋單元的CH4產(chǎn)生量為43.06 kg/t，根據(jù)城市衛(wèi)生填埋場，CH4收集率為60%，則填埋1 t農(nóng)村生活垃圾的CH4減排量為25.84 kg/t，這些CH4上網(wǎng)發(fā)電25.84 kg/t÷13.2 kg/t×47 kW·h=92.01 kW·h。結(jié)合轉(zhuǎn)化系數(shù)，可得1 t農(nóng)村生活垃圾填埋發(fā)電產(chǎn)生的環(huán)境效益，其結(jié)果如表6所示。

3 結(jié)果與討論

3.1 生命周期影響評價

對清單中污染物排放對環(huán)境造成的負荷進行環(huán)境影響評價。LCA針對垃圾填埋處置的潛在環(huán)境影響，確定五種潛在環(huán)境影響類型：全球變暖(GWP)、酸化(AP)、富營養(yǎng)化(EP)、光化學(xué)臭氧合成(POSP)和生態(tài)毒性(ETP)。其中，GWP為全球性環(huán)境影響，AP、EP和POSP為區(qū)域性環(huán)境影響，ETP為局地性環(huán)境影響[11]。根據(jù)國際環(huán)境毒理與環(huán)境化學(xué)學(xué)會(SETAC)LCA模型框架，影響評價過程分為特征化、標(biāo)準(zhǔn)化和加權(quán)3個步驟[25]。特征化將同類污染物通過固定的當(dāng)量系數(shù)(見表7)轉(zhuǎn)換為其參照物的環(huán)境影響潛力，如CH4的全球變暖潛力為CO2的25倍，則當(dāng)以CO2為參照物時，CH4的當(dāng)量系數(shù)為25。通過對污染物環(huán)境影響潛力進行標(biāo)準(zhǔn)化和加權(quán)，得到影響類型的環(huán)境影響負荷(EIL)。本文權(quán)重值采用專家打分法，通過問卷調(diào)查，得到中國環(huán)境科學(xué)研究院的9位專家組成員，專業(yè)背景以環(huán)境工程、農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)為主，統(tǒng)計問卷得到9位專家針對每種環(huán)境影響類型的平均權(quán)重值，具體LCA模型參數(shù)見表7。從中可看出，專家對環(huán)境影響中的生態(tài)毒性給予了較高關(guān)注。

表6 模式3填埋氣發(fā)電過程污染轉(zhuǎn)化系數(shù)及等效污染排放

注：1 t垃圾填埋氣發(fā)電的等效污染排放量為產(chǎn)電量92.01 kW·h與轉(zhuǎn)化系數(shù)的乘積。The equivalent pollution emissions from landfill gas power generation of 1 t waste are the product of the electricity production amount and the conversion coefficient.

表7 生命周期評價模型參數(shù)

Note：①Global warming；②Acidification；③ Eutrophication；④ Photochemical ozone synthetic；⑤Eco-toxicity

3.2 三種模式的評價結(jié)果與分析

3種農(nóng)村生活垃圾填埋處置模式，在收集運輸、壓縮中轉(zhuǎn)及填埋處置3個單元的LCA結(jié)果如表8所示。3種垃圾模式的環(huán)境影響總負荷分別為2.00×10-1，3.97×10-2和2.46×10-2。

模式1中，由于無垃圾收集運輸和壓縮中轉(zhuǎn)過程，最終EIL全部來源于垃圾坑埋處置單元。由表8可知，富營養(yǎng)化EIL最大，占整體EIL的87.32%，其次是全球變暖，占10.83%。由于在垃圾坑埋過程中產(chǎn)生了大量滲濾液，液體中含有高濃度TN和COD，導(dǎo)致富營養(yǎng)化類型的環(huán)境影響潛值較大。全球變暖的主要影響因子是CH4和CO2，由于這兩種氣體是垃圾坑埋氣體中的主要成分，導(dǎo)致該模式具有較高的全球變暖EIL。而酸化、光化學(xué)臭氧合成和生態(tài)毒性的占比較小，均不足1%。

模式2中包括了垃圾收集運輸、壓縮轉(zhuǎn)運和末端填埋處置三個單元，各單元EIL分別為3.49×10-3、7.34×10-6和3.62×10-2。故填埋處置單元為主要影響單元，EIL比例達91.18%，其次是收集運輸單元，占8.79%，壓縮中轉(zhuǎn)單元最小，為0.02%?？烧J(rèn)為壓縮中轉(zhuǎn)過程對整個生活垃圾處理模式的潛在環(huán)境影響很小。在該模式的五種環(huán)境影響類型中，全球變暖具有最高EIL，占比55.13%，主要影響因子是CH4。其次是富營養(yǎng)化(28.72%)和生態(tài)毒性(8.21%)，兩者主要影響因子分別為COD和Pb。

表8 3種模式的生命周期評價結(jié)果

Note：① Collection and transportation；②Compression transfer；③Landfill disposal；④Proportion of type；⑤；EIL of every unite；⑥EIL of every mode

模式3比模式2增設(shè)了氣體回收發(fā)電過程，使得模式3的EIL比模式2減少38.03%，比模式1減少87.70%。填埋處置單元仍為該模式的主要環(huán)境影響單元，其EIL為2.11×10-2，占比85.77%；其次是收集運輸單元,為3.49×10-3，占14.19%；壓縮中轉(zhuǎn)單元最小，為7.34×10-6，占0.03%。富營養(yǎng)化為模式3潛在環(huán)境影響的最大類型，占總EIL的46.34%，全球變暖次之，占37.55%。同時，由于發(fā)電過程等價減少了發(fā)電燃煤產(chǎn)生的污染排放，所以相比模式2，填埋處置單元的酸化、光化學(xué)臭氧合成和生態(tài)毒性類別的EIL均有所降低。

3.3 敏感性分析

由于本文基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于實地調(diào)研，部分參數(shù)引用國內(nèi)外文獻的研究結(jié)果，故需通過參數(shù)的不確定性分析判斷數(shù)據(jù)對評價結(jié)果影響的大小。不確定數(shù)據(jù)來源分為三類[27]：(1)主要污染物排放量的調(diào)研或計算結(jié)果，選取CH4、CO2、COD、TN和Pb這5個污染物的排放量；(2)LCA模型參數(shù)的不確定性，主要為5種潛在環(huán)境影響類型權(quán)重值；(3)農(nóng)村生活垃圾的主要組分比例，主要為填埋氣體計算過程所涉及的廚余、紙類、草木這3種組分的比例參數(shù)。用敏感率(SR)表征敏感性分析結(jié)果[28]，計算方法如下：

SR=(ΔR/R0)/(ΔP/P0) 。

(3)

其中：P0為原始參數(shù)值；ΔP為原始參數(shù)增加量；R0為參數(shù)P0計算所得的環(huán)境影響負荷；ΔR為參數(shù)P0變化所帶來的環(huán)境影響負荷變化量。將13種參數(shù)值增加量設(shè)為10%，通過對應(yīng)模式環(huán)境影響負荷的變化得到SR值(見表9)，據(jù)此判斷參數(shù)的敏感性大小。

根據(jù)表9結(jié)果，綜合3種模式中13種參數(shù)敏感率，LCA模型權(quán)重值的SR平均值最高，故在對農(nóng)村生活垃圾填埋模式LCA中，相比垃圾組分比例和污染物排放值，環(huán)境影響類型權(quán)重值的選擇更為關(guān)鍵。

然而，SR值單因素不確定性分析方法具有一定缺陷，因為當(dāng)一種參數(shù)值變化時會引起其他參數(shù)的改變，所以SR值的計算結(jié)果只能線性估測單一參數(shù)的敏感性。

3.4 環(huán)保優(yōu)化措施

針對不同模式選擇及污染排放控制提出以下建議：

(1) 模式1未配套相應(yīng)的防滲措施、滲濾液收集處理系統(tǒng)、填埋氣導(dǎo)排系統(tǒng)為不符合標(biāo)準(zhǔn)的簡易填埋方式，極易導(dǎo)致填埋場周圍環(huán)境的二次污染，存在較高的環(huán)境安全隱患，應(yīng)堅決杜絕。這種模式存在于偏遠落后且疏于監(jiān)管的農(nóng)村地區(qū)，應(yīng)強化基礎(chǔ)環(huán)保設(shè)施建設(shè)、建立完善的農(nóng)村垃圾管理體制。

(2) 模式2可在村鎮(zhèn)條件允許的情況下，在填埋場安裝填埋氣發(fā)電系統(tǒng)進行能量的回收利用，將模式2向模式3轉(zhuǎn)化，不僅可降低填埋氣體排放帶來的全球變暖效應(yīng)，還可以提供清潔可再生能源，緩解部分區(qū)域能源緊缺的問題。

(3) 對于模式2和模式3，收集運輸單元和壓縮中轉(zhuǎn)單元的EIL相對較小，但其運輸及處理過程的污染排放不可忽視。目前，青島部分發(fā)達城區(qū)已實現(xiàn)壓縮垃圾車的使用，但并未普及?？稍诘貐^(qū)條件允許的情況下，將垃圾運輸車全部以壓縮垃圾車替代，以減少運載次數(shù)和距離，降低運行成本，減少污染排放。

表9 單因素敏感性對3種模式評價結(jié)果的影響值

4 結(jié)論

(1) 模式1、模式2和模式3的環(huán)境影響負荷分別為2.00×10-1、3.97×10-2和2.46×10-2，從環(huán)境影響負荷角度，模式3優(yōu)于模式2和模式1。

(2) 鑒于模式1對環(huán)境危害極大，應(yīng)堅決杜絕。對于模式2和資源化模式3，主要潛在環(huán)境影響類型分別為全球變暖和富營養(yǎng)化。在3種模式中，影響環(huán)境的主要環(huán)節(jié)均是填埋處置單元，收集運輸單元次之，轉(zhuǎn)運壓縮單元最小。

(3) 對于3種模式，LCA模型權(quán)重值的敏感性均高于污染物排放量和垃圾組分。因此模型權(quán)重值的選擇對農(nóng)村生活垃圾填埋處置的LCA研究較為關(guān)鍵。

(4) 建議杜絕農(nóng)村地區(qū)生活垃圾的就地坑埋處置。在垃圾集中填埋處置時，可通過在填埋區(qū)增加土壤覆蓋層或安裝填埋氣回收發(fā)電系統(tǒng)來降低CH4的排放量，以減小填埋氣體造成的全球變暖效應(yīng)。