基于生命周期的水泥窯協(xié)同處置生活垃圾技術(shù)環(huán)境影響評(píng)價(jià)

潘淑萍,俞 潔,潘荷芳,黃 歡,詹明秀

(1.浙江省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，浙江 杭州 310012;2.中國計(jì)量大學(xué)，浙江 杭州 310018)

據(jù)統(tǒng)計(jì)[1]，近十年我國生活垃圾每年平均以約2.6%的速度持續(xù)增長(zhǎng)，2015年全國生活垃圾清運(yùn)量達(dá)1.91億t，城市“垃圾圍城”現(xiàn)象日益突出。其中，北京市日產(chǎn)生活垃圾約1.8萬t，如果用裝載量為3.0 t的卡車來運(yùn)輸，能夠排滿三環(huán)路一圈；上海市日產(chǎn)生活垃圾約2.0萬t，每16天的生活垃圾可堆出一座金茂大廈[2]。截至2015年年底，我國工業(yè)垃圾也達(dá)到了32.71億t，其中危險(xiǎn)廢物產(chǎn)生量達(dá)到0.40億t。大量的固體廢棄物對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了巨大的影響，如何科學(xué)、合理地實(shí)現(xiàn)固體廢棄物無害化、減量化和資源化處置，是目前社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一[3]。

目前全世界生活垃圾無害化處置方法或技術(shù)主要有填埋、焚燒和堆肥處置等[4]。焚燒相比于填埋和堆肥具有無害化、減量化和資源化等優(yōu)點(diǎn)，近年來得到了人們的廣泛關(guān)注和快速發(fā)展[5]。然而，我國生活垃圾焚燒處置率相比于國外發(fā)達(dá)國家尚低，2015年我國城市生活垃圾焚燒處置量?jī)H0.62億t，占生活垃圾無害化處置量的34%。隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，以及信息傳輸和新聞報(bào)道越來越及時(shí)，人們對(duì)垃圾焚燒廠二噁英等污染物對(duì)周邊環(huán)境影響的關(guān)注度不斷提升，部分民眾擔(dān)心垃圾焚燒廠排放的二噁英會(huì)誘發(fā)癌癥等疾病，極力阻撓焚燒廠的建設(shè)和運(yùn)行[6]，使新建生活垃圾焚燒設(shè)施越來越困難，造成我國生活垃圾焚燒處理設(shè)施的缺口較大。因此，推進(jìn)我國生活垃圾焚燒協(xié)同處置技術(shù)的發(fā)展，填補(bǔ)垃圾焚燒處置需求的缺口，已顯得十分迫切和必要[7]。

近年來，水泥窯協(xié)同處置生活垃圾技術(shù)在生活垃圾處理方面的應(yīng)用已引起了人們的關(guān)注，相比于生活垃圾焚燒爐，水泥窯具有更好的燃燒條件，而且廢棄物在協(xié)同處置中為水泥生產(chǎn)提供了能量和原料，從而實(shí)現(xiàn)了廢棄資源和能量的再利用[8]。2015年5月11日我國工業(yè)和信息化部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、發(fā)展改革委、科技部、財(cái)政部和環(huán)境保護(hù)部六部委聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于開展水泥窯協(xié)同處置生活垃圾試點(diǎn)工作的通知》 ，通知要求水泥生產(chǎn)行業(yè)積極推進(jìn)協(xié)同處置技術(shù)，以化解水泥產(chǎn)能嚴(yán)重過剩的矛盾，并且促進(jìn)水泥行業(yè)降低能源、資源消耗。2016年10月11日，我國工業(yè)和信息化部發(fā)布了《建材工業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2016—2020年)》，表示支持利用現(xiàn)有新型干法水泥窯協(xié)同處置生活垃圾、城市污泥、污染土壤和危險(xiǎn)廢物等，要求到2020 年水泥熟料原燃料中廢棄物占比要達(dá)到20%以上，但目前該比例低于10%。因此，近年來我國政府大力支持水泥窯協(xié)同處置固體廢棄物，預(yù)計(jì)到2020年我國水泥工業(yè)每年協(xié)同處置生活垃圾量可達(dá)2 000萬t。然而與傳統(tǒng)的生活垃圾處置技術(shù)相比，水泥窯協(xié)同處置生活垃圾技術(shù)的環(huán)境影響仍有待證明。為此，本文采用生命周期評(píng)價(jià)方法，對(duì)水泥窯協(xié)同處置生活垃圾技術(shù)進(jìn)行了環(huán)境影響評(píng)價(jià)，通過分析全球變暖潛值(GWP)、富營(yíng)養(yǎng)化潛值(EP)、酸化潛值(AP)和人體毒性潛值(HTP)，比較了水泥窯協(xié)同處置生活垃圾技術(shù)與傳統(tǒng)的垃圾焚燒技術(shù)和垃圾填埋技術(shù)的環(huán)境影響。

1 評(píng)價(jià)對(duì)象

1. 1 水泥窯協(xié)同處置生活垃圾技術(shù)

研究的水泥窯為新型干法回轉(zhuǎn)窯，配有五級(jí)雙系列懸浮預(yù)熱器和分解爐[9]，主要的裝置布置與歐盟推薦的水泥生產(chǎn)BAT(Best Available Technology)技術(shù)一致。煙氣經(jīng)過懸浮預(yù)熱器后分別流經(jīng)SP(Suspension Preheater)余熱鍋爐、生料磨和布袋除塵器，最后煙塵含量極低的煙氣通過窯尾煙囪排出[10]，各裝置的運(yùn)行溫度和壓力可參考李葉青等[11]的測(cè)試結(jié)果。我國的新型水泥生產(chǎn)線通常配置了低氮燃燒器+SNCR脫硝裝置，利用氨水溶液，以霧狀噴入水泥窯分解爐處，把煙氣中的氮氧化物還原成氮?dú)?，達(dá)到脫硝的目的[8]。為了有效地去除煙塵，一方面窯尾安裝了布袋除塵器或者靜電除塵器，另一方面窯頭空氣冷卻熟料后經(jīng)過配有四電場(chǎng)靜電除塵器進(jìn)行除塵。窯尾回收的煙塵經(jīng)傳送帶回用至生料磨，與生料混合后進(jìn)入預(yù)熱器C1級(jí)。窯頭收集的粉塵與熟料混合，用于替代部分常規(guī)原料。因此，整個(gè)水泥生產(chǎn)過程中并未產(chǎn)生飛灰等危險(xiǎn)物質(zhì)。水泥窯協(xié)同處置生活垃圾的運(yùn)行參數(shù)和污染物的排放濃度見表1和表2。表2中數(shù)據(jù)采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的手段獲取， 其中CO2的排放濃度達(dá)到了14.8 vol.%左右；水泥窯協(xié)同處置固廢過程排放的二噁英僅有少部分來源于固廢燃燒,而大部分來源于生料煅燒冷卻過程[12]；有機(jī)污染物中氯苯和二噁英的濃度分別為27 000 ng/m3和0.003 32 ng/m3[13]。

表1 水泥窯物質(zhì)流和運(yùn)行參數(shù)

表2 水泥窯協(xié)同處置生活垃圾前后煙氣中各污染物的排放濃度

1. 2 垃圾焚燒技術(shù)

本文評(píng)價(jià)的生活垃圾焚燒爐位于浙江省杭州市，是一座國內(nèi)典型的循環(huán)流化床垃圾焚燒爐，其垃圾處置能力為650 t/d，煙氣的流量為85 500 m3/h，遠(yuǎn)小于水泥窯窯尾煙氣的流量(700 000 m3/h)。垃圾焚燒爐每年正常運(yùn)行時(shí)間大約為7 300 h，略小于水泥窯的8 000 h，可見水泥窯系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定。根據(jù)系統(tǒng)邊界的界定，評(píng)估時(shí)水泥窯的物質(zhì)流和運(yùn)行參數(shù)采用2013年和2014年的平均值(見表1)；同理，生活垃圾焚燒爐的處理量與水泥窯相同，其摻煤量為垃圾處理量的6%，同時(shí)滲濾液、飛灰和灰渣的重量分別為垃圾處理量的4%、12%和10%。垃圾焚燒廠各污染物的排放濃度見表3。由于焚燒爐配置了脫硫和脫硝系統(tǒng)，因此SO2和NOx的濃度低于水泥窯的排放值。

表3 垃圾焚燒廠各污染物的排放濃度

1. 3 垃圾填埋技術(shù)

對(duì)于垃圾填埋場(chǎng)，其產(chǎn)生的填埋氣主要成分為CH4、CO2、H2S、NH3等，其中CH4的占比約為50%，CO2的占比約為45%。部分填埋氣經(jīng)過收集并直接燒掉，其收集效率為25%，即每千克垃圾大約可回收0.04 kg的填埋氣。

2 生命周期評(píng)價(jià)方法

依據(jù)國際環(huán)境毒理和化學(xué)學(xué)會(huì)(SETAC)的ISO 14040標(biāo)準(zhǔn)，生命周期評(píng)價(jià)主要分為4個(gè)步驟，即目標(biāo)和范圍定義、清單分析、影響評(píng)價(jià)和結(jié)果解釋[14-16]。

本文共設(shè)置了3個(gè)生活垃圾處置場(chǎng)景:①生活垃圾全部運(yùn)送到水泥廠制備為垃圾衍生燃料(RDF)進(jìn)行共焚燒處置，燃料替代率為6.5%，制備過程產(chǎn)生的廢棄物運(yùn)送到垃圾填埋場(chǎng)，且為了保證整個(gè)系統(tǒng)生產(chǎn)的電量相同，垃圾焚燒廠處由國家電網(wǎng)補(bǔ)充焚燒所有垃圾能夠產(chǎn)生的電量，即134 000 000 MJ;②生活垃圾全部運(yùn)送到垃圾焚燒廠進(jìn)行處置，此時(shí)水泥廠的燃料僅為煤粉，同時(shí)垃圾填埋場(chǎng)關(guān)閉;③生活垃圾全部運(yùn)送到垃圾填埋場(chǎng)，此時(shí)水泥廠的燃料僅為煤粉，并且由國家電網(wǎng)補(bǔ)充焚燒所有垃圾能夠產(chǎn)生的電量。其中，水泥生產(chǎn)過程主要包括原料開采、運(yùn)輸、生料制備、熟料煅燒等階段，本系統(tǒng)以原料制備為起點(diǎn)，熟料生產(chǎn)為終點(diǎn)，還包含廢棄物從進(jìn)廠到制備RDF、RDF入窯共焚燒和廢棄物填埋處置等過程;傳統(tǒng)的生活垃圾焚燒過程主要包括垃圾收集和運(yùn)輸、焚燒處置、飛灰和廢渣固化填埋等階段，本系統(tǒng)以垃圾收集為起點(diǎn)，飛灰和廢渣無害化處置為終點(diǎn)；垃圾填埋過程主要包括垃圾收集和運(yùn)輸、填埋氣回收和發(fā)電等階段。3個(gè)生活垃圾處置場(chǎng)景產(chǎn)生的滲濾液均假設(shè)由廢水廠處置，均不考慮在本評(píng)價(jià)范圍內(nèi)；各個(gè)場(chǎng)景的輸入、輸出均基于垃圾處置量(155 000 t)和熟料產(chǎn)量(1 785 000 t)相同的情況進(jìn)行分析。具體的生活垃圾處置系統(tǒng)的邊界見圖1，生活垃圾各物理組分的含量見表4，中國電力能源消耗組成結(jié)構(gòu)見表5。

本文采用GaBi 8.0軟件和CML2001評(píng)價(jià)方法， 通過分析全球變暖潛值(GWP)、富營(yíng)養(yǎng)化潛值(EP)、酸化潛值(AP)和人體毒性潛值(HTP)來評(píng)估3種生活垃圾處置方案的環(huán)境影響[18]，具體計(jì)算公式如下：

圖1 生活垃圾處置系統(tǒng)的邊界圖Fig.1 Boundary of the MSW disposal system

表4 生活垃圾各物理組分的含量(wt.%)

表5 中國電力能源消耗組成結(jié)構(gòu)(%)[17]

EIi=∑(Nj×EFij)

(1)

式中：EIi為環(huán)境影響類型i的特征化結(jié)果；Nj為污染物j的排放量;EFij為污染物j對(duì)環(huán)境影響類型i的特征化因子。

3 基于生命周期的生活垃圾處置技術(shù)環(huán)境影響評(píng)價(jià)

3.1 全球變暖潛值(GWP)分析

全球變暖主要由溫室氣體CO2、CH4等造成[19]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，水泥生料的主要成分為CaCO3，在加熱至900℃時(shí)會(huì)分解為CaO和CO2[20]，最終導(dǎo)致水泥生產(chǎn)排放出的CO2約占全球CO2總排放量的5%[21]。3種生活垃圾處置技術(shù)產(chǎn)生的溫室效應(yīng)影響[即全球變暖潛值(GWP)的分布]，見圖2和表6。

由圖2和表6可見：當(dāng)采用水泥窯協(xié)同處置生活垃圾技術(shù)(場(chǎng)景1)時(shí)(GWP)最低，而采用垃圾填埋技術(shù)(場(chǎng)景3)時(shí)(GWP)值最高，兩者分別為160.14萬t CO2-Equiv和166.25萬t CO2-Equiv，這是因?yàn)樘盥駡?chǎng)填埋氣CH4的產(chǎn)生量大、捕集利用率低；3個(gè)場(chǎng)景中，水泥窯CaCO3分解對(duì)GWP的貢獻(xiàn)率均最大，占比大約為50%左右，其次煤粉作為燃料產(chǎn)生的CO2等溫室氣體對(duì)GWP的貢獻(xiàn)率大約為33%，水泥窯原料制備過程產(chǎn)生的CO2等溫室氣體也能夠貢獻(xiàn)7%的GWP。

圖2 3種生活垃圾處置技術(shù)全球變暖潛值(GWP)的分布情況Fig.2 Contribution of different stages to GWP in the three scenarios of MSW disposal technologies注：場(chǎng)景1為水泥窯協(xié)同處置生活垃圾技術(shù)；場(chǎng)景2為垃圾焚燒技術(shù)；場(chǎng)景3為垃圾填埋技術(shù)。下同。

表6 3種生活垃圾處置技術(shù)的全球變暖潛值(GWP)

綜上可知，水泥窯協(xié)同處置生活垃圾技術(shù)在溫室效應(yīng)方面表現(xiàn)最優(yōu)；同時(shí)，減少單位水泥生產(chǎn)所需的生料量是最有效的溫室效應(yīng)減排措施，目前已有水泥生產(chǎn)商在熟料制作成水泥的過程中通過添加鐵屑、灰渣等廢棄物來減少熟料的使用量。

3.2 富營(yíng)養(yǎng)化潛值(EP)分析

生活垃圾處置過程中會(huì)排放出氮、磷化合物，是造成富營(yíng)養(yǎng)化影響的主要因素。3種生活垃圾處置技術(shù)富營(yíng)養(yǎng)化潛值(EP)的分布情況,見圖3和表7。

圖3 3種生活垃圾處置技術(shù)富營(yíng)養(yǎng)化潛值(EP)的分布情況Fig.3 Contribution of different stages to EP in the three scenarios of MSW disposal technologies

表7 3種生活垃圾處置技術(shù)的富營(yíng)養(yǎng)化潛值(EP)

由圖3和表7可見：當(dāng)采用垃圾焚燒技術(shù)(場(chǎng)景2)時(shí)EP最低，而采用垃圾填埋技術(shù)(場(chǎng)景3)時(shí)EP最高，兩者分別為239 t 磷酸鹽-Equiv和270 t 磷酸鹽-Equiv，這與垃圾焚燒廠煙氣凈化系統(tǒng)良好的運(yùn)行效果以及配有發(fā)電設(shè)備有關(guān)；3個(gè)場(chǎng)景中，水泥生產(chǎn)過程對(duì)EP的貢獻(xiàn)率均最大，占比大約為60%左右，表明減少水泥生產(chǎn)排放的NOx是降低EP最有效的措施，目前一些水泥廠已經(jīng)安裝有SNCR系統(tǒng)，從源頭上減少NOx的生成;3個(gè)場(chǎng)景中，水泥原料制備過程對(duì)EP的貢獻(xiàn)率大約為30%，場(chǎng)景1和場(chǎng)景3中由電網(wǎng)提供平衡電量而產(chǎn)生的氮、磷化合物對(duì)EP的貢獻(xiàn)率為11%。

綜上可知，垃圾焚燒廠處置生活垃圾有利于降低整個(gè)系統(tǒng)的EP，同時(shí)水泥窯協(xié)同處置生活垃圾技術(shù)相比于垃圾填埋技術(shù)更有利于氮、磷化合物的減排。

3.3 酸化潛值(AP)分析

水泥生料和生活垃圾中含有少量的硫(S)，兩者焚燒過程都能夠排放出SO2、SO3等加劇酸雨形成的酸性氣體，危害生態(tài)系統(tǒng)平衡和人體健康。3種生活垃圾處置技術(shù)酸化潛值(AP)的分布情況，見圖4和表8。

圖4 3種生活垃圾處置技術(shù)酸化潛值(AP)的分布情況Fig.4 Contribution of different stages to AP in the three scenarios of MSW disposal technologies

表8 3種生活垃圾處置技術(shù)的酸化潛值(AP)

由圖4和表8可見：采用垃圾焚燒技術(shù)(場(chǎng)景2)時(shí)AP最低，采用水泥窯協(xié)同處置生活垃圾技術(shù)(場(chǎng)景1)時(shí)AP最高，兩者分別為1 257 t SO2-Equiv和1 472 t SO2-Equiv，這主要是因?yàn)槔贌龔S余熱發(fā)電上網(wǎng)產(chǎn)生了環(huán)境優(yōu)勢(shì)；3個(gè)場(chǎng)景中，水泥生產(chǎn)過程對(duì)AP的貢獻(xiàn)率均最大，占比大約為50%左右，雖然水泥窯天然的堿性環(huán)境很好地降低了酸性氣體的排放濃度，但是水泥窯的煙氣量大約是垃圾焚燒廠的5倍以上，因此水泥生產(chǎn)過程的AP達(dá)到了750 t SO2-Equiv；3個(gè)場(chǎng)景中,水泥原料制備過程產(chǎn)生的酸性氣體對(duì)AP的貢獻(xiàn)率大約為35%，場(chǎng)景1和場(chǎng)景3中由電網(wǎng)提供平衡電量而產(chǎn)生的酸性氣體對(duì)AP的貢獻(xiàn)率為17%。

綜上可知，垃圾焚燒廠處置生活垃圾有利于降低整個(gè)系統(tǒng)的AP，同時(shí)垃圾填埋技術(shù)相比于水泥窯協(xié)同處置生活垃圾技術(shù)更有利于酸性氣體的減排。

3.4 人體毒性潛值(HTP)分析

水泥生產(chǎn)和垃圾焚燒過程能夠排放出二噁英、氯苯等對(duì)人體有害的物質(zhì)。3種生活垃圾處置技術(shù)人體毒性潛值(HTP)的分布情況見圖5和表9。

圖5 3種生活垃圾處置技術(shù)人體毒性潛值(HTP)的分布情況Fig.5 Contribution of different stages to HTP in the three scenarios of MSW disposal technologies

表9 3種生活垃圾處置技術(shù)的人體毒性潛值(HTP)

由圖5和表9可見：3個(gè)場(chǎng)景產(chǎn)生的HTP差別不大，這與模型中二噁英等污染物濃度的設(shè)定值有關(guān)；3個(gè)場(chǎng)景中，水泥生產(chǎn)過程對(duì)HTP的貢獻(xiàn)率均最大，占比達(dá)到了97%，雖然水泥窯二噁英的排放濃度很低，但是水泥窯的煙氣量大約是垃圾焚燒廠的5倍以上，因此水泥生產(chǎn)過程的HTP達(dá)到了5 700萬t DCB-Equiv，而垃圾填埋場(chǎng)對(duì)HTP的貢獻(xiàn)率為0，這是因?yàn)槎f英、氯苯等對(duì)人體有害的物質(zhì)主要來源于燃燒過程。

綜上可知，水泥窯協(xié)同處置生活垃圾技術(shù)產(chǎn)生的HTP略高于其他兩種技術(shù)，但差距很小。

4 結(jié) 論

(1) 水泥窯協(xié)同處置生活垃圾技術(shù)為水泥生產(chǎn)提供了能量和原料，實(shí)現(xiàn)了廢棄資源和能量的利用與回收。

(2) 相對(duì)于傳統(tǒng)的垃圾焚燒技術(shù)和垃圾填埋技術(shù)，水泥窯協(xié)同處置生活垃圾技術(shù)在全球變暖潛值方面表現(xiàn)最優(yōu)，其中CaCO3分解對(duì)全球變暖潛值的貢獻(xiàn)率均最大，比例大約為50%左右；在富營(yíng)養(yǎng)化潛值方面，水泥窯協(xié)同處置生活垃圾技術(shù)高于垃圾焚燒技術(shù)但低于垃圾填埋技術(shù)，其中水泥生產(chǎn)過程和水泥原料制備是產(chǎn)生富營(yíng)養(yǎng)化潛值的主要環(huán)節(jié)，占比分別達(dá)到62%和29%;在酸化潛值和人體毒性潛值方面，雖然水泥窯協(xié)同處置生活垃圾技術(shù)表現(xiàn)最差，但與其他兩種技術(shù)相差不大，而水泥生產(chǎn)過程是產(chǎn)生環(huán)境影響的主要環(huán)節(jié)。

(3) 生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)結(jié)果表明：水泥窯協(xié)同處置生活垃圾技術(shù)是一項(xiàng)對(duì)環(huán)境友好的固廢處置技術(shù)。