陳友媛， 魏 來(lái)， 孫 萍， 夏訓(xùn)峰

(1.中國(guó)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；2.中國(guó)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(guó)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(guó)家，填埋為生活垃圾的主要處置方式，但垃圾填埋會(huì)產(chǎn)生大量滲濾液和填埋氣。在發(fā)達(dá)國(guó)家，生活垃圾處理以分類(lèi)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(jì)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(píng)價(jià)[3-4]，而對(duì)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(duì)于環(huán)境污染的定量研究報(bào)道。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)提出生命周期評(píng)價(jià)(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(píng)價(jià)。環(huán)境影響評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)以固廢系統(tǒng)和技術(shù)的環(huán)境評(píng)價(jià)(EASEWASTE)模型中的環(huán)境影響類(lèi)型為主[6]，主要為全球變暖、富營(yíng)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(lèi)型[7]。LCA研究使用1 t垃圾作為評(píng)價(jià)功能單元[8]，從生命周期角度，對(duì)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(píng)價(jià)它們?cè)诃h(huán)境、能源和經(jīng)濟(jì)等方面的影響。由于我國(guó)缺少較為完備的農(nóng)村生活垃圾數(shù)據(jù)庫(kù)，且不同地區(qū)的垃圾管理系統(tǒng)對(duì)當(dāng)?shù)貤l件依賴(lài)強(qiáng)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(duì)我國(guó)農(nóng)村生活垃圾的處理處置模式進(jìn)行環(huán)境影響評(píng)價(jià)，可因地制宜為我國(guó)農(nóng)村生活垃圾管理的改進(jìn)和發(fā)展提供參考依據(jù)。

中國(guó)城鎮(zhèn)化農(nóng)村地區(qū)普遍實(shí)行生活垃圾“統(tǒng)一管理、集中清運(yùn)、定點(diǎn)填埋”模式，部分偏遠(yuǎn)、分散的農(nóng)村地區(qū)實(shí)行垃圾分類(lèi)收集、就地堆肥處理模式[15]。本研究采用LCA方法對(duì)這兩種典型農(nóng)村生活垃圾處理處置模式進(jìn)行環(huán)境影響評(píng)價(jià)，找出兩種模式的主要環(huán)境影響類(lèi)型及其影響因子，以期為中國(guó)農(nóng)村生活垃圾處理處置模式的改進(jìn)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(jìn)行評(píng)價(jià)研究。目前黃島區(qū)農(nóng)村生活垃圾通過(guò)混合收集，經(jīng)區(qū)域中轉(zhuǎn)站統(tǒng)一運(yùn)轉(zhuǎn)到固體廢棄物綜合處理場(chǎng)。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(jiàn)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(píng)價(jià)

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(yùn)處置模式，和適用于偏遠(yuǎn)、分散農(nóng)村地區(qū)的分類(lèi)就地處理模式[16]。利用生命周期評(píng)價(jià)(LCA)對(duì)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(jìn)行識(shí)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(píng)價(jià)分4階段：確定目標(biāo)與邊界，清單分析，影響評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)功能單元，研究從垃圾收集到最終處理處置過(guò)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(yùn)處置模式。農(nóng)村生活垃圾經(jīng)村戶(hù)投至村垃圾桶后，由車(chē)輛收集轉(zhuǎn)運(yùn)至區(qū)域填埋場(chǎng)，填埋覆蓋率100%。填埋場(chǎng)配有滲濾液收集處理設(shè)施，但無(wú)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(dá)標(biāo)后排放至自然水體中。

模式2：分類(lèi)就地處理模式。農(nóng)村生活垃圾源頭分類(lèi)后，廚余等可降解垃圾在降解池進(jìn)行高溫好氧堆肥，磚瓦等不可回收垃圾運(yùn)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(jìn)行無(wú)害化處理。該模式中可回收垃圾和有毒有害垃圾的處理過(guò)程不包括在評(píng)價(jià)范圍內(nèi)。

2.2 數(shù)據(jù)清單分析

生命周期評(píng)價(jià)清單(LCAI)數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)、中國(guó)統(tǒng)計(jì)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(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算及數(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(zhuān)門(mén)委員會(huì)(IPCC)推薦的公式(1)和(2)[18]，根據(jù)表1中垃圾各組分比例進(jìn)行計(jì)算，用DOC來(lái)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(jiàn)表2)進(jìn)行計(jì)算。1 t農(nóng)村生活垃圾填埋氣排放量見(jiàn)表2。

DOC=0.4A+0.17B+0.15C+0.3D。

(1)

式中：DOC為可降解有機(jī)碳含量(%)；A為垃圾中紙類(lèi)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(guò)計(jì)算，可降解有機(jī)碳含量DOC為10.50%。

(16/12)×0.6。

(2)

式中：CH4垃圾填埋場(chǎng)的甲烷排放量(kg)；SW垃圾量(評(píng)價(jià)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(jī)碳的分解百分率(IPCC推薦值77%)。通過(guò)計(jì)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(chǎng)污水排放檢測(cè)濃度估算出1t農(nóng)村垃圾液體中污染物含量(見(jiàn)表2)。

模式2中磚瓦、灰土等不可回收組分進(jìn)行填坑或修路，認(rèn)為該部分對(duì)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(chǎng)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(jìn)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(guò)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(guò)式(3)和(4)對(duì)CO2和NH3產(chǎn)量進(jìn)行計(jì)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(jì)算為50.42kg)；QNH3為堆肥產(chǎn)生NH3量(計(jì)算為0.39 kg)；Q為混合垃圾量(評(píng)價(jià)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(jiàn)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(guò)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(jì)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(guó)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(jiàn)表4。

表4 模式2堆肥過(guò)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(yùn)輸單元 根據(jù)調(diào)查區(qū)2015年交通運(yùn)輸數(shù)據(jù)，全年共收集轉(zhuǎn)運(yùn)農(nóng)村生活垃圾3.14×105t，垃圾收轉(zhuǎn)率100%，運(yùn)輸車(chē)輛安全行駛604.8×106km，則垃圾運(yùn)輸油耗為8.079 L/t。垃圾運(yùn)輸過(guò)程消耗柴油，其排污系數(shù)[24]及污染物排放量見(jiàn)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(yùn)輸至填坑、修路，按照與模式1運(yùn)輸相同距離來(lái)計(jì)算，認(rèn)為模式2運(yùn)輸過(guò)程污染排放量對(duì)應(yīng)為模式1的26.0%，結(jié)果見(jiàn)表5。

2.3 生命周期影響評(píng)價(jià)

垃圾處理處置過(guò)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(yíng)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(lèi)型，對(duì)兩種農(nóng)村生活垃圾處理模式進(jìn)行評(píng)價(jià)。影響評(píng)價(jià)過(guò)程分為特征化、標(biāo)準(zhǔn)化和加權(quán)評(píng)估3個(gè)步驟。

表5 車(chē)輛運(yùn)輸階段污染物排放Table 5 The pollution emissions in the process of transportation

標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程即對(duì)環(huán)境影響類(lèi)型的相對(duì)大小提供一個(gè)可比較的標(biāo)準(zhǔn)，參考LCA模型EASEWASTE中5種環(huán)境影響類(lèi)型的人均年當(dāng)量潛值作為基準(zhǔn)值[7](見(jiàn)表6)，對(duì)各影響類(lèi)型的環(huán)境影響潛值進(jìn)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(duì)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(píng)估確定各種環(huán)境影響類(lèi)型的權(quán)重，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化后的環(huán)境影響潛值賦權(quán)重值，得到各類(lèi)型的環(huán)境影響負(fù)荷，可反映評(píng)價(jià)單元的環(huán)境影響大小。權(quán)重值的選取采用專(zhuān)家打分法(特爾斐法)，通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查，統(tǒng)計(jì)得到9位相關(guān)專(zhuān)家針對(duì)每種環(huán)境影響類(lèi)型的平均權(quán)重值(見(jiàn)表6)，從中看出，專(zhuān)家普遍對(duì)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)結(jié)果如表7所示。對(duì)于5種環(huán)境影響類(lèi)型總負(fù)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(fù)荷比模式1降低36.55%。

表6 生命周期影響評(píng)價(jià)參數(shù)Table 6 The parameters of LCA

表7兩種模式生命周期的影響評(píng)價(jià)結(jié)果

Table 7 The LCA results of two modes

影響類(lèi)型Impact category全球變暖Global warming酸化Acidification富營(yíng)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(fù)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(fù)荷最大，為該模式主要環(huán)境影響類(lèi)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(duì)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?xì)怏w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(jì)，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(duì)減緩環(huán)境影響具有重要意義。該模式中酸化、富營(yíng)養(yǎng)化、光化學(xué)臭氧合成和生態(tài)毒性的環(huán)境影響負(fù)荷較小，與全球變暖相差2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。

對(duì)于模式2，由表7可知，富營(yíng)養(yǎng)化的環(huán)境影響負(fù)荷最大，由于無(wú)堆肥液體污染控制措施，富營(yíng)養(yǎng)化成為最大環(huán)境影響類(lèi)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(chǎng)配有水平防滲系統(tǒng)，并按照《生活垃圾填埋場(chǎng)控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB16889—2008)對(duì)其進(jìn)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(fù)荷較小，但H2S、NH3為惡臭氣體的主要成分，對(duì)附近居民生理健康產(chǎn)生不利影響，同時(shí)NH3的釋放造成堆肥產(chǎn)品氮素?fù)p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(jì)，未將堆肥后續(xù)利用環(huán)節(jié)納入評(píng)價(jià)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(shí)應(yīng)用情況，可將其作為有機(jī)肥來(lái)替代化肥[12]、泥炭[29]等改良土壤、增加作物營(yíng)養(yǎng)。若采用農(nóng)村生活垃圾堆肥生產(chǎn)的有機(jī)肥來(lái)替代化肥，其生命周期的能耗、全球變暖潛力、酸化潛力、富營(yíng)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(fù)荷較大，而運(yùn)輸中轉(zhuǎn)單元的環(huán)境影響負(fù)荷占總影響負(fù)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(jì)算污染物產(chǎn)生量，而使用實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算運(yùn)輸過(guò)程污染排放量，導(dǎo)致兩者結(jié)果差異懸殊，但該差異趨勢(shì)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(yùn)輸過(guò)程對(duì)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(lèi)就地處理模式可一定程度上實(shí)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(shì)，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(píng)價(jià)的環(huán)境影響，還需對(duì)其他影響因素進(jìn)行綜合分析，為兩種模式的對(duì)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(guò)表8中兩種模式的對(duì)比可以看出，農(nóng)村生活垃圾運(yùn)用集中轉(zhuǎn)運(yùn)處置模式(模式1)的優(yōu)勢(shì)在于填埋技術(shù)經(jīng)驗(yàn)豐富、對(duì)垃圾性質(zhì)要求較低、填埋沼氣可進(jìn)行能源利用、臭氣排放可控性較強(qiáng)、工程投資及運(yùn)行成本均較低、且運(yùn)行管理較容易；分類(lèi)就地處理模式(模式2)的優(yōu)勢(shì)在于操作安全性較高、選址較易、資源回收利用性強(qiáng)、對(duì)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(jì)。

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(hù)措施

根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果表7可知，模式2的環(huán)境影響負(fù)荷小于模式1。對(duì)模式1中填埋場(chǎng)排放的CH4和CO2進(jìn)行回收利用可以減少全球變暖潛力，是減緩環(huán)境負(fù)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(duì)填埋氣體回收和垃圾滲濾液收集提出建議如下：

(2)通過(guò)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(yíng)養(yǎng)化污染。通過(guò)在堆肥時(shí)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(shí)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(jìn)行分類(lèi)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(yùn)輸源頭上減少了垃圾總量，降低了垃圾運(yùn)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(hù)畜牧養(yǎng)殖業(yè)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，通過(guò)家畜內(nèi)化餐廚有機(jī)垃圾，在收集環(huán)節(jié)源頭上大量減少?gòu)N余垃圾的處理量。

4 結(jié)論

(1)模式1的總環(huán)境影響負(fù)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(fù)荷角度考慮，模式2優(yōu)于模式1。5種環(huán)境影響類(lèi)型中，模式1的主要環(huán)境影響是全球變暖，模式2為富營(yíng)養(yǎng)化。且兩個(gè)模式垃圾處理處置單元的環(huán)境影響負(fù)荷較大，收集運(yùn)輸單元較小。

(2)建議通過(guò)在填埋場(chǎng)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(guò)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(yíng)養(yǎng)化效應(yīng)，通過(guò)添加菌糠等輔料降低惡臭氣體的排放。