基于生命周期評價的城市生活垃圾焚燒過程環境影響研究*

李 娟 鄭海濤 李金香# 葉美瀛 楊妍妍 劉保獻 鹿海峰 鄒本東

(1.北京市生態環境監測中心，北京 100048；2.中國環境科學研究院，國家環境保護危險廢物鑒別與風險控制重點實驗室，北京 100012)

隨著城市人口的增長和經濟的迅速發展，城市生活垃圾的產生量也日益增長。生活垃圾的集中處置給人們的正常生活帶來巨大的困擾和威脅，其處置方式最優化和環境影響最小化已然成為城市發展必須面對的問題[1]。根據國家統計年鑒，2019年全國城市生活垃圾清運量達24 206.2萬t[2]，相較2018年同比增加了6.2%，其中焚燒處置量占50%以上，焚燒已逐漸成為處置生活垃圾的主流方法[3]。

如今，公眾對環保問題越來越重視，對垃圾焚燒廠后期的監管也提出全面、及時、準確、透明等要求[4]。目前，管理部門對垃圾焚燒廠的監測聚焦于末端廢氣項目的達標排放，尚未將整個焚燒階段中物質消耗或能量投入部分納入其環境影響范圍之中，從而忽視了環境污染轉移問題，缺乏整體環境影響定量評估。垃圾焚燒過程中會從兩方面對環境造成影響：(1)二次污染物的產生，包括廢氣、飛灰和爐渣；(2)外源物料和電力的輸入又會對環境產生間接影響[5-6]。在垃圾處理系統內部，環境影響可能會發生轉移[7-8]。以往的環境監管重點是放在工藝階段煙氣排放方面，缺少對整個處理過程各方面的監管，對整個系統生命周期階段環境影響的全貌缺乏一定了解，環保監管呈現較分散的特點，包括管理對象和污染信息的分散。

生命周期評價(LCA)是一種全面的環境管理工具，將環境因子融入整個產品或工藝的設計、制造、消費、處置過程中，對整個過程的環境影響進行評價[9]。垃圾焚燒過程的LCA是指垃圾焚燒的整個生命周期過程，包括從垃圾入爐焚燒、發電到最終煙氣凈化，對物質或能源輸入、輸出以及相應環境排放物進行識別和量化，評估物質、能源利用效率以及所排放廢物的環境影響。國內外眾多學者利用LCA方法開展垃圾處理的相關研究，如ABDULI等[10]497采用LCA方法對德黑蘭市垃圾管理決策的環境影響進行對比研究，發現配有氣體控制措施的填埋處理優于無控制措施的堆肥+填埋方式；STASIULAITIENE等[11]利用LCA方法將等離子體廢氣處理技術與傳統廢氣處理技術進行對比分析，結果表明，在脫硫脫硝方面，等離子體技術在酸雨、富營養化和人體毒性上的環境效益更優。王麗佳[12]分別對采用爐排型焚燒爐和流化床焚燒爐的垃圾焚燒廠的整個生命周期進行評價，研究兩種爐型垃圾焚燒整個生命周期的環境釋放影響；梁鎮江等[13]13利用LCA法對焚燒發電和全組分資源化處理技術的主要大氣污染物排放特征進行分析，為生活垃圾的合理化處理提供理論支持。

然而，國內外學者大多研究不同垃圾處理方式之間的環境影響差異，缺乏對同一種處理方式不同階段的環境影響研究，尤其是對垃圾焚燒過程不同階段的定量評估研究甚少，也未得出不同階段的特征污染物和主要污染環節，不能為環境管理部門的監管提供有利的數據支撐。因此，本研究通過對北方城市典型生活垃圾焚燒廠的調研，分析垃圾焚燒全過程中的工藝技術、污染物處理過程、資源消耗和污染物排放，采用LCA方法計算垃圾焚燒過程3個不同工藝階段存在的環境影響，分析不同工藝階段的特征污染物及主要污染環節，從而提出有效的控制措施，對切實降低環境影響及風險方面提供決策支持，為垃圾焚燒廠的監督監管提供指導。

1 研究對象與研究方法

1.1 研究對象

選取北方城市某典型生活垃圾焚燒廠為研究對象。該城市經濟發達、生活質量高，屬于高消費城市，產生的生活垃圾種類多。生活垃圾組分平均質量分數見表1。廚余類垃圾平均占32.5%，有機物含量比南方城市低，可見垃圾容重較小；無機物塑料類垃圾較多，平均占33.8%，可見其垃圾熱值較高，易于燃燒。此外，近年來，隨著垃圾分類的逐步實施，進入垃圾焚燒廠的廚余類垃圾占比有所下降，且隨季節變動較大。

表1 生活垃圾組分平均質量分數

該垃圾焚燒廠共有3條焚燒生產線，設計產能為3×600 t/d，垃圾進廠貯存脫水后進行燃燒，爐內添加氨水進行脫氮；燃燒產生的爐渣外運進行綜合利用，飛灰穩定固化處理后填埋。燃燒產生的高溫煙氣經過鍋爐進行熱交換，產生的蒸汽進入汽輪機進行發電，最后從鍋爐出來的煙氣進入煙氣凈化系統，經過處理達標后通過煙囪排放。煙氣中主要污染因子為二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、氯化氫、重金屬和二噁英。

本研究評價的目標是通過LCA方法，對比該垃圾焚燒廠焚燒、發電和煙氣凈化3個階段的環境負荷和整個過程的環境總負荷，分析城市生活垃圾焚燒不同階段物質消耗、污染物排放對環境造成的影響，研究系統邊界設定如圖1所示。生活垃圾焚燒過程中，經焚燒產生的飛灰和爐渣直接運往危廢處置單位和填埋場(或綜合利用)，進入新的使用循環，飛灰和爐渣的處理過程不包含在本系統之內。3個階段的煙氣總量基本維持不變，為使其具有可比性，視其煙氣總量一致。

圖1 生活垃圾焚燒過程LCA系統邊界

1.2 功能單位和設定條件

功能單位是用于度量焚燒過程整體系統和每個階段系統功能的計量單位，實現系統輸入與輸出的歸一化[14]。2020年該垃圾焚燒廠所在城市人均生活垃圾產量約1.02 kg/d，生活垃圾總量約1 259.7 t/d，生活垃圾收集率可達100%。本研究選取功能單位為處理1 t垃圾的量。圍繞此次研究內容，做以下設定：(1)焚燒過程中不考慮可回收物質的回用；(2)不考慮生活垃圾焚燒整個過程辦公及生活類物質的輸入和污染物排放；(3)僅考慮生活垃圾焚燒各階段主要影響因素，未納入考慮部分少量物質的消耗，對于廠內資源回用的影響可忽略不計。

1.3 研究方法

1.3.1 環境影響潛值歸一化

一般而言，環境影響類型包括資源耗竭、溫室效應、酸雨、富營養化、臭氧層破壞、人體毒性和生態毒性等。根據生活垃圾組分及生命周期清單(LCI)分析結果，本研究選取與之密切相關的5種環境影響類型(溫室效應、臭氧層破壞、酸雨、富營養化和人體毒性)進行分析。

由于每種污染物對環境都有其固有特征，且影響程度也各不同，歸一化可將每一個影響類型中的不同物質轉化和匯總成為統一的單元，并將其對環境的影響貢獻程度量化，數據歸一化的目的是為各環境影響類型的相對大小提供一個可比較的標準。CML-IA是由荷蘭萊頓大學環境科學研究院開發的一個包含LCA所需的特征化因子的數據庫[10]493。歸一化系數采用CML-IA中2000年的參考值(見表2)。

表2 LCA參數

第j種環境影響類型的歸一化后的環境影響潛值(NEPj)計算公式如下：

NEPj=EPj/(T×ERj)

(1)

式中：EPj為第j種環境影響類型的環境影響潛值(溫室效應以二氧化碳當量計，臭氧層破壞以一氟三氯甲烷當量計，酸雨以二氧化硫當量計，富營養化以油的當量計，人體毒性以細顆粒物當量計)，kg/a；T為產品服務期，取值為100；ERj為第j種環境影響類型的歸一化系數，kg/a。

1.3.2 環境影響潛值加權

對歸一化后的數據賦予不同的權重，才能將不同影響類型的環境影響潛值進行比較。目前對權重的確定方法有很多，包括目標距離法[15-16]、模糊邏輯法、專家打分法、層次分析和相對重要性標度法[17]等。本研究采取比較客觀的目標距離法，即某種環境效應的嚴重性表現為當前水平與目標水平之間的距離，即權重由1990年第j種環境影響類型的環境影響潛值(EPj1990，kg/a)和2000年第j種環境影響類型的環境影響潛值(EPj2000，kg/a)的比值確定。權重反映了1990年的歸一化基準要削減多少才能達到2000年的削減目標，權重愈大，說明削減愈快。權重等于1表明2000年的排放目標將保持在1990年的水平；小于1說明2000年的削減目標是降低排放的增長速度，并不降低排放的總量；大于1說明2000年的排放總量將低于1990年。經過加權的各種環境影響潛值具有了可比性，可相加綜合成一個簡單的指標，稱為環境影響總負荷(EIL，見式(2))。

EIL=∑EPj1990/EPj2000×NEPj

(2)

1.4 分析軟件和方法

利用SimaPro軟件進行LCA模擬計算，環境影響評價采用CML-IA。將具有同一種環境影響效應的污染物利用當量因子計算整合轉化為特征污染物，再利用歸一化系數和權重進行歸一化和加權評估，從而能直觀比較焚燒過程不同階段的環境影響水平。

2 結果與討論

2.1 LCI數據分析

LCI分析是指對前一階段所確定的系統邊界內的所有過程的資源能源消耗和環境排放物進行量化和合理性分析，并制定清單表，即輸入、輸出表。數據收集是LCI分析的核心部分，本研究數據來源主要為垃圾處理單位實際測得或提供的數據、監管部門提供的監測報告及文獻中的研究數據。對收集到的所有處理設施的清單數據進行匯總，并折算成功能單位。按照處理1 t垃圾量計算，該垃圾焚燒廠焚燒階段需要消耗尿素0.45 kg(助燃劑只在啟停爐時使用且用量很少，因此在本研究中可忽略不計)，產生煙氣量1 500 m3、爐渣18 kg、飛灰2.7 kg；發電階段物耗因子是焚燒階段產生的煙氣1 500 m3、鍋爐冷卻水消耗量0.78 t，無污染排放物；煙氣凈化階段，物耗因子為從發電階段產生的煙氣1 422 m3、石灰消耗量8.0 t、活性炭消耗量0.5 kg，二氧化碳、氮氧化物、二氧化硫、一氧化碳、氯化氫、重金屬、二噁英排放量分別為24.0、157.5、5.63、3.56、1.9、2.76×10-4、1.13×10-15kg。

2.2 不同階段環境影響潛值

生活垃圾焚燒3個階段的環境影響潛值如表3所示。該廠生活垃圾焚燒階段的環境影響潛值受垃圾組分影響，且不同垃圾組分對相同環境影響類型造成的危害程度也有所差異；發電階段系統輸入是煙氣污染物，但系統輸出為電能，產生的環境影響潛值是負值，這與其產生的經濟效益是一致的結果；煙氣凈化階段的環境影響潛值為正值，且不同污染物的凈化過程和排放對環境的影響作用不同。

表3 生活垃圾焚燒不同階段的環境影響潛值

2.3 不同階段環境影響潛值歸一化

生活垃圾焚燒階段的環境影響潛值歸一化結果如表4所示。焚燒階段的溫室效應、臭氧層破壞、酸雨、富營養化、人體毒性的環境影響潛值分別為5.07×10-14、8.62×10-18、4.72×10-12、7.95×10-15、1.54×10-15，焚燒階段的環境影響潛值為正值，主要影響類型為酸雨。在不同環境影響類型中，塑料類組分的環境影響潛值較大，且是其他垃圾組分的10～1 000倍。這是因為塑料中含氯組分較高，多為聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯樹脂等，經過焚燒易產生有毒有害物質，含氯氣體也是后期污染物形成的前軀體，所以其對環境的影響較大[18]。發電階段環境影響潛值均為負值，這是因為發電階段對環境影響產生了抵消作用，主要抵消類型為酸雨。煙氣凈化階段的溫室效應、臭氧層破壞、酸雨、富營養化、人體毒性的環境影響潛值分別為1.89×10-14、2.13×10-17、1.08×10-14、7.51×10-13、4.50×10-14，煙氣凈化階段的環境影響潛值為正值，主要影響類型為富營養化。總體而言，生活垃圾焚燒發電產生的5種環境影響類型，按照影響程度高低排列依次是酸雨、富營養化、溫室效應、人體毒性和臭氧層破壞。

表4 生活垃圾焚燒階段的環境影響潛值歸一化結果

2.4 環境影響潛值加權和環境影響總負荷

生活垃圾焚燒煙氣凈化階段的環境影響潛值加權結果如表5所示。生活垃圾焚燒、發電、煙氣凈化階段加權后的環境影響潛值分別為3.49×10-12、-3.79×10-12、5.56×10-13，環境影響總負荷為2.56×10-13。可見，垃圾焚燒發電過程產生了一定的環境影響，且其環境影響總負荷小于梁鎮江等[13]12的研究結果(5.00×10-13)，這可能與該城市實行生活垃圾分類管理條例和嚴格的焚燒工藝條件有關。

表5 生活垃圾煙氣凈化階段的環境影響潛值加權結果

2.5 不同階段環境影響評價結果分析

生活垃圾焚燒過程3個階段加權后的環境影響潛值排序為焚燒階段>煙氣凈化階段>發電階段。焚燒階段的主要環境影響潛力為酸雨，酸雨貢獻率超過90%，入爐生活垃圾可燃組分中塑料類和廚余類垃圾焚燒產生的二氧化硫和二氧化碳排放量最大，因此增加廚余類垃圾分流量并提高可回收塑料的回收率可進一步實現垃圾焚燒廠酸雨氣體減排效益。發電階段的主要環境抵消潛力為酸雨，這是因為火電廠主要是煤作為燃料進行發電，煤燃燒釋放出大量的二氧化硫、二氧化氮和總懸浮顆粒物，其中二氧化硫是火電廠排放的主要污染物，它也是重要的大氣污染物，二氧化硫是形成酸雨的重要組分，氮氧化物也是火電廠的重要污染物，同時是形成酸雨的重要組分之一，正因為垃圾焚燒產生大量的電能，才會減少燃燒煤發電過程的間接環境影響。煙氣凈化階段的主要環境影響潛力為富營養化，貢獻率達90%以上，且富營養化的環境影響潛值遠高于其他兩個階段。相關研究表明，富營養化與廚余類垃圾組分有關[19]，廚余類垃圾含氮量較高，在焚燒階段產生高濃度的氮氧化物，雖然通過凈化系統將氮氧化物濃度降低，但排出的煙氣中依然存在氮氧化物。

綜上可知，生活垃圾在焚燒過程中解決了垃圾環境問題，可降低末端環境影響，雖然增加了其前端的能源資源消耗造成的環境影響，但整個系統既對環境有一定的影響，也有減弱作用，在一定程度上也可實現環境問題的轉移。

2.6 主要組分貢獻率

進入垃圾焚燒廠的生活垃圾組分不同，對環境影響的貢獻率也不同。從圖2可以看出，環境影響貢獻最大的垃圾組分為塑料類(貢獻率為50%～95%)，其次為廢紙類(貢獻率為3%～38%)，而其余的垃圾組分貢獻率則較低。城市生活垃圾主要有廚余類垃圾、廢紙、塑料等，塑料在城市生活中的作用越來越大，雖然近年國家發布了限塑令，但我國塑料類垃圾在城市生活垃圾組成中占比仍較大[20]。該城市塑料類垃圾平均占33.8%(見表1)，而塑料類垃圾中含有毒有害組分較高，對環境影響最大。此外，城市生活垃圾的高含水率，致使垃圾在焚燒爐里燃燒不充分而產生有毒物質，其高水分尤其會導致塑料類垃圾燃燒不充分，釋放出更多有害物質，對環境造成較大影響。

圖2 生活垃圾焚燒階段環境影響的貢獻

由圖3可以看出，煙氣凈化階段，二氧化碳和氮氧化物對溫室效應影響較大，酸雨方面二氧化硫影響較大，氯化氫和一氧化碳對臭氧層破壞較大，氮氧化物對富營養化影響最大，對人體毒性貢獻較大的是重金屬和二噁英。不同環境影響效應貢獻的主要污染因子也不同，但氮氧化物影響的環境因素較多，其主要環境貢獻與垃圾組分中較高的含氮量有關，在焚燒階段產生高濃度的氮氧化物，雖然通過凈化系統將絕大部分氮氧化物濃度降低，但每噸生活垃圾在凈化末端的氮氧化物排放總量依然較高。

圖3 生活垃圾煙氣凈化階段環境影響的貢獻

由圖4可見，在溫室效應方面，焚燒、發電、煙氣凈化階段的貢獻率分別為56%、-24%和21%，焚燒階段貢獻最大，這是因為焚燒階段產生的污染物種類最多，富含引起溫室效應的二氧化碳和一氧化碳等物質；在臭氧層破壞方面，焚燒、發電、煙氣凈化階段的貢獻率分別為15%、-48%和37%；在酸雨方面，主要貢獻階段為焚燒；在富營養化和人體毒性方面，主要貢獻階段則為煙氣凈化，煙氣凈化階段消耗大量化學試劑，并排出氮氧化物，因此易造成富營養化的結果，此外煙氣凈化階段雖產生較低濃度的重金屬和二噁英，但其毒性遠高于其他污染物，對人體毒性作用最大。因此，垃圾焚燒廠可通過提高煙氣凈化效率來對焚燒中產生的污染氣體進行有效去除，降低其對環境和人體健康的危害影響；同時，管理部門可加強對氮氧化物、重金屬和二噁英的排放標準，通過控制排放總量來降低對環境和人體健康的危害。

圖4 生活垃圾焚燒不同階段環境影響的貢獻

3 結 論

(1) 城市生活垃圾在焚燒、發電、煙氣凈化階段加權后的環境影響潛值分別為3.49×10-12、-3.79×10-12和5.56×10-13，環境影響總負荷為2.56×10-13，整個焚燒過程對環境產生了一定的影響。

(2) 生活垃圾不同組分對環境產生的影響貢獻率也不同。焚燒階段環境影響貢獻最大的垃圾組分為塑料類(貢獻率為50%～95%)；煙氣凈化階段二氧化碳和氮氧化物對溫室效應影響較大，酸雨方面二氧化硫影響較大，氯化氫和一氧化碳對臭氧層破壞較大，氮氧化物對富營養化影響最大，對人體毒性貢獻較大的是重金屬和二噁英。不同環境影響效應貢獻的主要污染階段不同，但可通過控制主要關鍵因素如加強塑料類垃圾分類作用、提高企業污染物凈化效率以及加強氮氧化物排放標準等手段降低生活垃圾焚燒不同階段對環境的影響。