城市生活垃圾生命周期分析及处理规划研究*

周晓萃 徐琳瑜 杨志峰

（环境模拟与污染控制国家重点实验室, 北京师范大学环境学院, 100875 北京）

随着城市人口的不断增长，居民消费结构的改变和生活水平的提高，城区生活垃圾数量日益增加，垃圾类型日益多样化。垃圾随处堆放影响人居环境美观，垃圾恶臭也影响着人居生活质量，因此垃圾问题已成为城市重要的民生问题之一[1]。城市生活垃圾处理规划是环境规划的主要组成，也是逐步解决城市垃圾问题的重要工作指南。目前，我国对城市垃圾处理规划更多关注垃圾的末端处理，较少从系统角度综合考虑垃圾排放、收集、回收及处理各环节，未能最佳有效利用垃圾处理设施的能力，垃圾的资源性价值得不到最大限度的利用，并且对规划方案的效果缺乏定量分析和评价。基于此，本文依据生命周期理论设计城市垃圾处理规划框架，以期丰富垃圾处理规划的理论和方法，并运用到北京市，通过基于生命周期分析的生活垃圾规划来减少城市生活垃圾处理的环境影响，提高资源化率，为政府提供有效解决城市垃圾问题的途径。

1.生命周期理论在城市垃圾处理规划中的适用性

生命周期(Life Cycle)的概念应用很广泛，特别是在政治、经济、环境、技术、社会等诸多领域经常出现，其基本涵义可以通俗地理解为“从摇篮到坟墓”(Cradle-to-Grave)的整个过程。垃圾生命周期管理是对排放、收集、运输、回收再利用、处理和处置垃圾的全部环节统筹考虑和分析。致力于生命周期分析方法（Life Cycle Analysis）开发的美国环境署和环境毒理化学学会认为其不仅是一种理念，也是一种实用的评价方法，它能从整个系统角度考虑各个环节和各项产品，并能评价其环境影响（Consoli F et al.1993）[2]。生命周期评价(Life Cycle Assessment)，是一种具有应用价值的环境管理工具，国际标准化组织（ISO）对其的定义是：汇总和评估一个产品(或服务) 体系在其整个生命周期间的所有投入及产出对环境造成潜在影响的方法[3]。生活垃圾生命周期评价的目的是考虑生活垃圾处理各个阶段环境影响的平衡，找到使垃圾从产生到最终处理整个过程的环境影响降到最小的途径。

生命周期分析方法一直是衡量区域废弃物管理体系环境效应的重要方法。早在60年代，生命周期分析即被用于分析产品“从摇篮到坟墓”生命周期过程的能源投入和环境影响。近年来，各国学者开始运用生命周期分析方法评估不同废弃物处理处置模式的能源投入和环境影响。国外学者已经将生命周期评价方法应用到固体废物各种处理情景的评价中，Stuart Ross[4]使用生命周期评估方法对塑料包装废弃物的再循环和再使用体系在减少废弃物填埋量的同时是否能够减少总环境负荷进行了分析。Peter Beigl[5]运用生命周期评价和成本分析的方法比较了存在再循环利用和不存在再循环利用情景下不同废弃物管理体系的全球变暖潜力效应、酸化潜力效应和净能源使用效应。同时，LCA还被应用到综合评价方法中，以其基本分析框架为基础，结合如生态效率等环境指标或是投入产出模型，能更为精确地量化与评价废弃物管理体系的环境效应[6,7,8,9]。我国对城市生活垃圾生命周期评价的认识和研究方面还处于起步阶段，徐成[10]、杨建新在1998年概括地介绍了城市生活垃圾系统的生命周期管理，并提出了城市生活垃圾处理的LCA系统结构，描述了LCA的发展意义和前景。部分学者提出了基于生命周期评价的城市生活垃圾管理框架[11]，有的学者对垃圾填埋、焚烧、堆肥等处理工艺进行了环境影响评价[12,13]。相比国外的研究，生命周期分析在我国生活垃圾管理方面应用还不足，有待作进一步的研究和探索。

本文将生命周期分析方法应用到城市生活垃圾处理规划中，提出具体规划框架与评价方法（见图1），在对现状生命周期定性分析基础上，选取生活垃圾处理的环境影响和资源化率两个指标，基于生活垃圾末端处理工艺的生命周期环境影响的核算结果，定量评价现状与规划方案环境影响与资源化率，将两者进行比较以使方案的制定更加合理和有效。

图1 基于生命周期理论的城市生活垃圾处理规划框架

2.北京市生活垃圾现状生命周期分析

根据垃圾管理的生命周期特征，分别对北京市垃圾产量与类型、收集与回收、处理与处置等管理现状进行分析，见表1及图2。

图2 北京市城市生活垃圾处理流程

表1 北京市生活垃圾生命周期管理现状分析

3.北京市生活垃圾生命周期评价

根据LCA方法对北京市垃圾末端处理—填埋、焚烧、堆肥的环境影响进行了评价，计算出不同处理工艺的环境影响潜值，结合北京市垃圾处理现状，得到垃圾处理的综合环境影响潜值，同时计算出垃圾整个生命周期的资源化率。

3.1 生活垃圾处理生命周期环境影响评价

3.1.1末端处理工艺生命周期环境影响评价

利用生命周期评价方法对北京市垃圾末端处理工艺—填埋、焚烧、堆肥的环境影响进行评价，计算出不同处理工艺的环境影响潜值，然后结合北京市垃圾处理各工艺的利用情况，得到垃圾处理的综合环境影响潜值。

生命周期评价的实施步骤分为目标和范围定义、清单分析、影响评价和结果解析4个部分。环境影响评价是在清单分析的基础上，根据选择的环境影响类型，进行数据标准化和制定各类环境影响的权重，最后加和得到各种处理方式的环境负荷，其计算公式[15]如下。

式中：EIL为每种工艺总的环境负荷；WjEP(j)为j类环境影响加权后的环境影响潜值；Wj为j类环境影响的权重；Qi为i种物质的排放量，kg/t垃圾；PF(j)i为第i种排放物质对第j种环境影响的当量因子；EP(j)为人均环境影响潜值；j为环境影响类型；i为排放物质。

首先，对垃圾末端处理工艺进行生命周期环境影响评价。评价的目标是对比填埋、堆肥、焚烧三种处理工艺的环境影响，所以研究系统边界定为进入垃圾处理站开始，功能单位为1吨垃圾。结合文献资料[16]可得北京市生活垃圾在三种处理模式下的排放清单，然后选取与之密切相关的4种环境影响类型，即全球变暖、酸化、富营养化和光化学臭氧合成，并分别以CO2、SO2、NO3-、C2H4为参照物，根据各环境影响因子与参照物之间的当量关系[10]，计算出每种影响类型的环境影响潜值。通过式（1）得到每种环境影响潜值。其次用人均环境影响潜值进行数据标准化，本研究运用中国科学院生态环境研究中心建立的中国环境影响潜值标准人当量基准[17]。最后，用层次分析法制定环境影响权重(图3)，计算得到各处理模式总的环境影响潜值（见表2）。

图3 生命周期环境影响评价过程

表2 3种处理工艺环境影响潜值

3.1.2 环境影响综合潜值

2008年，北京市分类收集率为54%，其中可回收物资的资源化水平为50%，同时约50%的厨余垃圾可直接用于动物饲料[16]，其余部分进入末端处理。末端垃圾填埋、焚烧、堆肥处理比例分别为93%，4%，3%。焚烧与堆肥两种处理方式下产生的残渣量分别为10%与30%，最后都做填埋处理。根据上文得到的三种工艺下环境影响潜值计算结果，可得1吨垃圾的处理环境影响潜值为0.027。

3.2 生活垃圾管理资源化率核算

城市生活垃圾是放错了位置的资源，它含有许多可综合利用的物质和能源，可以重新在经济循环中发挥作用。因此在考虑垃圾处理环境影响的同时也要兼顾垃圾的资源化，采用高效率处理方法，回收垃圾中有用的成分并加以利用。资源化率是指生活垃圾处理实现资源化的垃圾的比例，一般包含物质回收、物质转化再利用以及能源利用三个层级[17]，假设产生的垃圾全部进行资源化和无害化， 其值可由式（2）得出。

式中：E资为生活垃圾资源化率（%）；为垃圾回收率（%），L为回收物质的资源化水平（%），Q填埋为垃圾填埋量（t），Q焚烧为垃圾焚烧量（t），Q堆肥为垃圾堆肥量（t）；Q产生量为垃圾产生量（t）；E填埋为填埋资源化率（%），E焚烧为垃圾焚烧转化成热能和电能的效率（%）；E堆肥为堆肥资源化率（%），

可回收物的资源化水平L现状为50%。垃圾焚烧可以供热发电，目前我国自主设计的供热锅炉热效率可以达到65%，热电联产可以达到 50%，而单纯发电的热效率只能达到 23%，根据北京实际情况，大部分垃圾焚烧厂是热电联供，其资源化率E焚烧可取40%。垃圾填埋处理，填埋气体的开发利用是垃圾填埋处置过程中唯一可测量的资源化指标，填埋气体通过收集发电实现资源化，其资源化率可为发电量与理论发电量的比值。北京生活垃圾低位热值4 627kJ/kg，理论可发电1 284kw·h/t, 北京一座典型垃圾填埋场生活垃圾焚烧处理实际可发电量为20kw·h/t，可得垃圾填埋资源化率E填埋为2%。垃圾堆肥处理的资源化率可看作是堆肥率，通常情况下，垃圾堆肥产品的产率约为30%～50%，但是北京垃圾堆肥产品营销不理想，其资源化率E堆肥取30%。

根据以上分析和式（2），结合2008年北京市生活垃圾填埋、焚烧、堆肥处理比例，可到现状垃圾资源化率为30%。

4.北京市生活垃圾处理规划及评价

本规划方案将针对北京市垃圾生命周期过程在收集、回收、处理处置等方面存在的问题和不足，在分类收集率、回收物资源化率、无害化处理工艺利用比例的调整等方面进行改进和优化。一方面，参考北京市市政管委政府工作报告的相关内容[18]；另一方面，参考国内其他城市的有关工作，如深圳市在《深圳市环境卫生设施总体规划》中提出2010年城市垃圾分类收集率达到90%，江苏省在《江苏省循环经济发展规划》中提出2010年城市垃圾分类收集率达到92%；此外，借鉴国外的先进经验，例如荷兰2008年固体废物循环使用率75%，丹麦为64%。据《日本废弃物处理（2006年版）》载，东京垃圾处理以焚烧为主，焚烧比例占到77.9%，填埋比例保持在21%～26%的水平上。具体方案如表3。

表3 北京市城市生活垃圾处理规划方案

对规划的垃圾处理模式生命周期环境影响潜值和资源化率进行计算，结果见表3。规划方案将垃圾分类回收率和回收资源化水平分别提高了30%和10%，同时增强垃圾处理能力，改变垃圾处理工艺的比例，使得规划年（2015）垃圾处理的环境影响潜值降低了22%，全生命周期资源化率提高了83%。规划方案对环境以及资源化方面都产生了积极的影响，同时提供了末端污染防治措施。

表4 环境影响潜值与资源化率计算结果

5.结果与讨论

根据对北京市垃圾处理工艺生命周期环境影响的评价结果，堆肥的环境影响潜值远远小于焚烧和填埋，焚烧略大于填埋。从三种处理工艺资源化率方面看，焚烧好于堆肥，填埋资源化效果最差，整个生命周期的资源化率与前端分类回收程度有重要关系。规划方案的环境影响与现状相比有明显改善，资源化率也有显著提高，这可说明北京市生活垃圾处理应将垃圾焚烧和堆肥比例大幅度提高，同时加强垃圾前端回收和再生资源利用。

基于生命周期理论的城市垃圾处理规划框架体现了“摇篮-坟墓”，源头有效控制，末端有机治理的思想，充分包含垃圾的收集、运输、回收再利用、处理和处置垃圾的全部环节，同时兼用生命周期评价，对其环境影响，资源化率进行定量分析，科学地制定规划方案，力求使城市垃圾管理更加系统和合理，并达到环境可持续、经济可承受和社会可接受。

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