青岛农村生活垃圾填埋污染控制及资源利用过程的环境影响评价❋

陈友媛, 王报英, 魏 来， 孙 萍， 夏训峰

(1.中国海洋大学环境科学与工程学院，海洋环境与生态教育部重点实验室，山东省海洋环境地质工程重点实验室，山东 青岛 266100；2.中国环境科学研究院水环境系统工程研究室，北京 100012)

中国农村生活垃圾产率逐年升高，2015年人均为1.07 kg/d[1]。城乡结合地区和经济发达农村的生活垃圾实行“统一管理、集中清运、定点处置”[2]。部分偏远落后农村地区的生活垃圾处理设施滞后或无人监管[3]，近1/3垃圾随意倾倒或采取不规范的就地坑埋处置[4-5]，严重影响农村生态环境。目前，中国生活垃圾处理处置的研究多集中于城市地区的定量分析或农村地区的定性研究[6-7]，而关于农村生活垃圾处置过程对环境污染的定量研究却鲜有报道。因此，通过科学方法对污染物排放造成的环境影响进行评价具有重要意义。

生活垃圾处理有多种环境影响评价方法。在多数情况下，不同的分析和评价方法可以为选择不同处理方式提供更加准确的评估，因而可以做出更加准确和公平的评价，但大多数环境分析过程往往不能完全囊括所有的环境影响[8]。生命周期评价(LCA)方法由国际标准化组织(ISO)提出，被认为是21世纪最具生命力的环境管理方法。当其用于农村生活垃圾处理模式时，可从系统和整体的角度出发，考虑不同环境类型的影响，综合评价农村生活垃圾处理模式，从垃圾收集到最终处置环节的多种潜在环境影响[9]。

垃圾填埋的LCA标准主要为全球变暖、富营养化、光化学臭氧合成和酸化，少数研究涉及生态毒性、水资源污染、致癌物等影响类型[10]。Florin等[11]利用LCA方法对罗马尼亚农村地区的家庭堆肥进行研究发现，家庭堆肥可实现垃圾就地消减，并降低温室气体的排放；Abduli等[12]采用LCA方法对德黑兰市垃圾管理决策的环境影响进行对比研究，发现配有气体控制措施的填埋处理优于无控制措施的堆肥+填埋方式；Turconi等[13]分别评估了丹麦和意大利两个垃圾焚烧炉系统，发现由于丹麦工厂热回收率高，其焚烧炉的整体环境影响优于意大利。由于中国生活垃圾数据库尚不完备，限制了LCA结果的普遍适用。因此，利用LCA方法对中国农村生活垃圾处理模式进行环境影响评价可为中国农村生活垃圾的管理和改进提供依据。

本研究采用LCA方法，对就地坑埋、集中填埋+渗滤液处理和集中填埋+渗滤液处理+甲烷回收利用3种层次的农村生活垃圾填埋模式进行环境影响分析。对比3种模式对环境影响的差异，确定LCA的主要环境影响类型，并分析LCA数据源的不确定性对评价结果的影响。最终根据LCA结果，提出农村生活垃圾填埋处置在污染控制和资源化过程中的改进措施，为我国农村生活垃圾管理的改进和农村生态环境保护提供参考依据。

1 调研分析

偏远、落后农村地区的典型生活垃圾处置模式为《农村生活污染控制技术规范》(HJ574—2010)中被明令禁止的就地坑埋模式。城乡结合地区、经济发达的农村则为集中填埋+渗滤液处理模式。典型城市卫生填埋场配有渗滤液处理系统和填埋气发电工艺，故集中填埋+渗滤液处理+甲烷回收利用可作为一种发展的农村生活垃圾处置模式。

本文以青岛黄岛区农村生活垃圾为例对上述3种填埋模式进行评价研究。目前，黄岛区农村生活垃圾实行混合收集，经区域中转站统一转运到固体废物综合处理场，其生活垃圾集中管理模式分为收集运输单元、中转压缩单元和填埋处置单元，具体调研数据如下：

(1) 收集运输单元

生活垃圾经投入村内垃圾箱后，由垃圾车运输至垃圾中转站进行中转压缩，后转运至区域填埋场。垃圾收集运输过程中，车辆燃料燃烧释放CO2、NOx、Pb等污染物。利用收集转运量及行驶里程，计算单位农村生活垃圾收集运输单元的污染排放量。调研区2015年共收集转运农村生活垃圾3.14×105t，行驶里程为604.8×106km，垃圾成分比例见表1。

表1 农村生活垃圾组成

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

(2) 压缩中转单元

黄岛区前湾港固体废弃物中转站建筑面积约为1万m2，转运的生活垃圾包括附近8个农村社区及镇。垃圾运输车进入前湾港固体废弃物中转站后实行过磅计量及密闭压缩处理。压缩供电设施运行8 640 h/a，耗电4.22×105kW·h。消耗的电力源于电厂燃煤发电[14]，燃煤过程释放CO2、SO2、Pb、Hg等污染物[15]。故可利用耗电数据，计算压缩单位垃圾的等量污染排放。

(3)填埋处置单元

黄岛区团结路生活垃圾填埋场占地13.83万m2。填埋场产生的气体污染排空处理，污水处理采用“MBR(外置超滤膜)+NF+RO”工艺。对该填埋场渗滤液的监测结果显示，根据《生活垃圾填埋场控制标准》(GB16889-2008)，COD超标量达10.88倍，Cr达5倍，氨氮达1.51倍，总氮达21.18倍，其他物质均达标。

2 生命周期评价

根据ISO14040标准，生命周期评价分4阶段：确定目标与边界、清单分析、影响评价和解释[16]。

2.1 目标定义与边界确定

以1 t农村生活垃圾为评价功能单元，研究从垃圾收集到最终处理处置过程的环境影响负荷。3种垃圾填埋模式的系统边界如图1所示。边界假设：生活垃圾运输过程均由密封式垃圾车完成，不考虑在垃圾收集及清运过程中有垃圾、渗滤液、污染气体的直接泄露或随运输车清洗废水等途径向自然环境中的间接排放。

模式1：就地坑埋。村户自行将生活垃圾投至村内废弃土坑中，无统一收集、运输和压缩环节。生活垃圾露天堆放，产生垃圾渗滤液和填埋气，无防渗和填埋气收集措施。

模式2：集中填埋+渗滤液处理。生活垃圾经统一收集后，由中转站压实后运至填埋场，进场垃圾填埋覆盖率100%。填埋场配有渗滤液处理设施，但无填埋气收集与资源回收利用装置。

模式3：集中填埋+渗滤液处理+甲烷回收利用。模式3在模式2的基础上，增加了填埋气回收利用装置，对填埋产生的甲烷进行回收发电。

2.2 环境排放清单计算

生命周期评价清单(LCA)数据源自国内外文献、中国统计年鉴及调查区农村垃圾中转站等数据资料，污染物排放及能源消耗清单数据是基于经验模型计算和数据整合估算结果。

2.2.1收集运输单元 根据收集运输单元调研结果，收集转运1 t农村生活垃圾平均油耗距离为19.24 km/t。垃圾运输过程消耗柴油，其排污系数[17]及污染物排放量见表2。

图1 不同垃圾填埋模式的系统边界

成分Ingredients系数Coefficient/g·km-1运输单位垃圾的排量Displacement of transport unit waste/kg成分Ingredients系数Coefficient/g·km-1运输单位垃圾的排量Displacement of transport unit waste/kgCH40.0071.35E-04CO1.0001.92E-02CO2183.2983.53E+00SOx0.2334.48E-03NOx0.8041.55E-02烃类0.0961.85E-03N2O0.0071.35E-04Pb357.0006.87E+00

注：运输单位垃圾的污染物排量为排放系数与油耗距离19.24 km/t的乘积。The pollutant displacement of transportation unit garbage is the product of emission coefficient and fuel consumption distance 19.24 km/t.

2.2.2 压缩中转单元 中转站处理1 t农村生活垃圾耗电1.343 kW·h。火力发电以燃煤为主[14]，将用电量转化为上游燃煤产生的污染物，计入该过程污染排放清单。根据火力发电排放系数[18]和电力折标系数(0.122 9 kg煤炭/kW·h)，1 t农村生活垃圾在中转压缩过程的等效污染物产量见表3。

表3 中转压缩用电等效污染物排放

2.2.3 填埋处置单元

(1)模式1

填埋产生填埋气体和渗滤液体，无污染控制措施，直接排放到环境中。填埋气体中，CH4产生量采用政府间气候变化专门委员会(IPCC)推荐的公式(1)和(2)[19]，根据垃圾组分比例(见表1)进行计算。其他气体组分产生量按填埋气体主要组成的典型比例值[20](见表3)进行计算。1 t农村生活垃圾填埋气排放量见表3。

DOC=0.4Pp+0.17Py+0.15Pk+0.3Pw。

(1)

式中：DOC为可降解有机碳含量(%)；Pp为垃圾中纸类比例(4.5%)；Py为庭院垃圾比例(0%)；Pk为厨余垃圾比例(32.8%)；Pw为草木比例(0.9%)。通过计算，DOC为6.99%。

CH4=Q0×η×DOC×r×(16/12)×0.6。

(2)

式中：Q0为垃圾量(1 t，即1 000 kg)；η为垃圾填埋率(100%)；r为垃圾中可降解有机碳分解率(IPCC推荐值77%)。通过计算，CH4排放量为43.06 kg/t。

模式1渗滤液污染物含量参考Obersteiner等[21]对1 t生活垃圾开放堆储产生的渗滤液污染研究结果(见表4)。

表4 模式1就地坑埋过程污染排放

(2)模式2

模式2填埋气体直接排空，其结果与模式1一致。渗滤液经处理后释放进地表水，污染物排放量是基于调研填埋场污水排放检测浓度和渗滤液产量的计算结果。渗滤液产量一般为垃圾量的0%～15%[22]，本文取10%，密度为1.01 kg/L[23]，则1 t垃圾的渗滤液产量为100.00 L，估算模式2中1 t农村垃圾液体中污染物含量(见表5)。

表5 模式2填埋场液体污染排放情况Table 5 The water pollution emissions of Mode 2 landfill /kg·t-1

(3)模式3

模式3在模式2的基础上，对填埋气CH4进行回收发电。故渗滤液处理情况与模式2(见表5)一致。填埋气变化量参考城市生活垃圾卫生填埋场的填埋气发电情况[24]，当上网电量为47 kW·h时，CH4减排量为13.2 kg。模式3填埋单元的CH4产生量为43.06 kg/t，根据城市卫生填埋场，CH4收集率为60%，则填埋1 t农村生活垃圾的CH4减排量为25.84 kg/t，这些CH4上网发电25.84 kg/t÷13.2 kg/t×47 kW·h=92.01 kW·h。结合转化系数，可得1 t农村生活垃圾填埋发电产生的环境效益，其结果如表6所示。

3 结果与讨论

3.1 生命周期影响评价

对清单中污染物排放对环境造成的负荷进行环境影响评价。LCA针对垃圾填埋处置的潜在环境影响，确定五种潜在环境影响类型：全球变暖(GWP)、酸化(AP)、富营养化(EP)、光化学臭氧合成(POSP)和生态毒性(ETP)。其中，GWP为全球性环境影响，AP、EP和POSP为区域性环境影响，ETP为局地性环境影响[11]。根据国际环境毒理与环境化学学会(SETAC)LCA模型框架，影响评价过程分为特征化、标准化和加权3个步骤[25]。特征化将同类污染物通过固定的当量系数(见表7)转换为其参照物的环境影响潜力，如CH4的全球变暖潜力为CO2的25倍，则当以CO2为参照物时，CH4的当量系数为25。通过对污染物环境影响潜力进行标准化和加权，得到影响类型的环境影响负荷(EIL)。本文权重值采用专家打分法，通过问卷调查，得到中国环境科学研究院的9位专家组成员，专业背景以环境工程、农业生态学为主，统计问卷得到9位专家针对每种环境影响类型的平均权重值，具体LCA模型参数见表7。从中可看出，专家对环境影响中的生态毒性给予了较高关注。

表6 模式3填埋气发电过程污染转化系数及等效污染排放

注：1 t垃圾填埋气发电的等效污染排放量为产电量92.01 kW·h与转化系数的乘积。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 生命周期评价模型参数

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

3.2 三种模式的评价结果与分析

3种农村生活垃圾填埋处置模式，在收集运输、压缩中转及填埋处置3个单元的LCA结果如表8所示。3种垃圾模式的环境影响总负荷分别为2.00×10-1，3.97×10-2和2.46×10-2。

模式1中，由于无垃圾收集运输和压缩中转过程，最终EIL全部来源于垃圾坑埋处置单元。由表8可知，富营养化EIL最大，占整体EIL的87.32%，其次是全球变暖，占10.83%。由于在垃圾坑埋过程中产生了大量渗滤液，液体中含有高浓度TN和COD，导致富营养化类型的环境影响潜值较大。全球变暖的主要影响因子是CH4和CO2，由于这两种气体是垃圾坑埋气体中的主要成分，导致该模式具有较高的全球变暖EIL。而酸化、光化学臭氧合成和生态毒性的占比较小，均不足1%。

模式2中包括了垃圾收集运输、压缩转运和末端填埋处置三个单元，各单元EIL分别为3.49×10-3、7.34×10-6和3.62×10-2。故填埋处置单元为主要影响单元，EIL比例达91.18%，其次是收集运输单元，占8.79%，压缩中转单元最小，为0.02%。可认为压缩中转过程对整个生活垃圾处理模式的潜在环境影响很小。在该模式的五种环境影响类型中，全球变暖具有最高EIL，占比55.13%，主要影响因子是CH4。其次是富营养化(28.72%)和生态毒性(8.21%)，两者主要影响因子分别为COD和Pb。

表8 3种模式的生命周期评价结果

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增设了气体回收发电过程，使得模式3的EIL比模式2减少38.03%，比模式1减少87.70%。填埋处置单元仍为该模式的主要环境影响单元，其EIL为2.11×10-2，占比85.77%；其次是收集运输单元,为3.49×10-3，占14.19%；压缩中转单元最小，为7.34×10-6，占0.03%。富营养化为模式3潜在环境影响的最大类型，占总EIL的46.34%，全球变暖次之，占37.55%。同时，由于发电过程等价减少了发电燃煤产生的污染排放，所以相比模式2，填埋处置单元的酸化、光化学臭氧合成和生态毒性类别的EIL均有所降低。

3.3 敏感性分析

由于本文基础数据来源于实地调研，部分参数引用国内外文献的研究结果，故需通过参数的不确定性分析判断数据对评价结果影响的大小。不确定数据来源分为三类[27]：(1)主要污染物排放量的调研或计算结果，选取CH4、CO2、COD、TN和Pb这5个污染物的排放量；(2)LCA模型参数的不确定性，主要为5种潜在环境影响类型权重值；(3)农村生活垃圾的主要组分比例，主要为填埋气体计算过程所涉及的厨余、纸类、草木这3种组分的比例参数。用敏感率(SR)表征敏感性分析结果[28]，计算方法如下：

SR=(ΔR/R0)/(ΔP/P0) 。

(3)

其中：P0为原始参数值；ΔP为原始参数增加量；R0为参数P0计算所得的环境影响负荷；ΔR为参数P0变化所带来的环境影响负荷变化量。将13种参数值增加量设为10%，通过对应模式环境影响负荷的变化得到SR值(见表9)，据此判断参数的敏感性大小。

根据表9结果，综合3种模式中13种参数敏感率，LCA模型权重值的SR平均值最高，故在对农村生活垃圾填埋模式LCA中，相比垃圾组分比例和污染物排放值，环境影响类型权重值的选择更为关键。

然而，SR值单因素不确定性分析方法具有一定缺陷，因为当一种参数值变化时会引起其他参数的改变，所以SR值的计算结果只能线性估测单一参数的敏感性。

3.4 环保优化措施

针对不同模式选择及污染排放控制提出以下建议：

(1) 模式1未配套相应的防渗措施、渗滤液收集处理系统、填埋气导排系统为不符合标准的简易填埋方式，极易导致填埋场周围环境的二次污染，存在较高的环境安全隐患，应坚决杜绝。这种模式存在于偏远落后且疏于监管的农村地区，应强化基础环保设施建设、建立完善的农村垃圾管理体制。

(2) 模式2可在村镇条件允许的情况下，在填埋场安装填埋气发电系统进行能量的回收利用，将模式2向模式3转化，不仅可降低填埋气体排放带来的全球变暖效应，还可以提供清洁可再生能源，缓解部分区域能源紧缺的问题。

(3) 对于模式2和模式3，收集运输单元和压缩中转单元的EIL相对较小，但其运输及处理过程的污染排放不可忽视。目前，青岛部分发达城区已实现压缩垃圾车的使用，但并未普及。可在地区条件允许的情况下，将垃圾运输车全部以压缩垃圾车替代，以减少运载次数和距离，降低运行成本，减少污染排放。

表9 单因素敏感性对3种模式评价结果的影响值

4 结论

(1) 模式1、模式2和模式3的环境影响负荷分别为2.00×10-1、3.97×10-2和2.46×10-2，从环境影响负荷角度，模式3优于模式2和模式1。

(2) 鉴于模式1对环境危害极大，应坚决杜绝。对于模式2和资源化模式3，主要潜在环境影响类型分别为全球变暖和富营养化。在3种模式中，影响环境的主要环节均是填埋处置单元，收集运输单元次之，转运压缩单元最小。

(3) 对于3种模式，LCA模型权重值的敏感性均高于污染物排放量和垃圾组分。因此模型权重值的选择对农村生活垃圾填埋处置的LCA研究较为关键。

(4) 建议杜绝农村地区生活垃圾的就地坑埋处置。在垃圾集中填埋处置时，可通过在填埋区增加土壤覆盖层或安装填埋气回收发电系统来降低CH4的排放量，以减小填埋气体造成的全球变暖效应。