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好文推薦 | 典型濕垃圾處理工藝的生命周期環境影響分析

分類:固廢觀察    發布時間:2022年8月29日 11:00    作者:固廢觀察公眾號    文章來源:固廢觀察公眾號



近年來,固體廢棄物處理的環境影響引起了國內外學者的廣泛關注,并紛紛開展全生命周期影響評價(Life Cycle Assessment,LCA)方面的研究。巴西學者Angelo等對里約熱內盧地區餐廚垃圾的不同管理方式進行了LCA分析和多目標優化,采用的工藝包括衛生填埋和厭氧發酵。香港理工大學Lam等對比了餐廚垃圾焚燒、厭氧消化、水熱碳化制生物油發電等數種垃圾處理方式的環境影響和經濟效益,分析了水溶液、有機溶劑、金屬催化劑以及反應溫度和時間等重要參數對環境性能的影響。丹麥科技大學Andersen等建立了有機廢棄物堆肥的質量守恒和生命周期清單。日本學者Koido 等對泰國某地小規模餐廚垃圾制生物甲烷技術進行了生命周期環境影響和經濟性分析。國內外學者針對濕垃圾管理及資源化利用進行了一定的生命周期評價研究,但針對濕垃圾處理工藝的環境影響對比及優化研究較少。


當前我國典型的濕垃圾減量及資源化處理工藝主要為厭氧發酵產沼、就地減量處理、好氧發酵、垃圾焚燒發電等。本文主要針對中高溫和低溫減量型就地處理以及厭氧發酵(沼氣燃燒、發電)工藝進行生命周期環境影響分析與比較,通過建立完整生命周期清單,采用合理的環境影響分析模型,評估不同工藝的環境影響。

作者簡介

歐陽創:碩士,高級工程師,現任上海環境院研究中心副總工程師。


畢珠潔:碩士,高級工程師,現任上海環境院研究中心副主任。


宋   佳:碩士,工程師,現任上海環境院研究中心見習總工。


韓小渠:博士,副教授,西安交通大學大學能源與動力工程學院。

一、生命周期評價方法


生命周期評價(LCA)是—種對產品從生產到退役所涉及的所有過程的環境影響進行評價的分析方法,即從“搖籃”到“墳墓”(cradle to grave) ,其目的在于評估能量和物質利用對環境的影響,尋求改善環境影響的途徑。


二、目標和范圍的確定


根據SETAC(Society of Environmental Toxicology and Chemistry)和ISO14000標準,LCA技術框架包括:1、目標和范圍定義(goal and scope definition);2、清單分析(inventory analysis);3、環境影響評價(impact assessment);4、結果解釋(interpretation)四個組成部分,如圖1所示。

圖1 濕垃圾處理LCA分析框架


(一)研究目標


本研究旨在利用生命周期評價方法對比典型濕垃圾處理工藝的環境影響,包括厭氧發酵(沼氣燃燒)、厭氧發酵(沼氣發電)、低溫減量型就地處理和中高溫減量型就地處理四種工藝,不同工藝的能耗及能量回收方式有所區別,其工藝過程的污染物排放特性差異較大,因此需要進行全面的環境影響分析。


(二)研究邊界


本文的研究邊界如圖2所示。針對濕垃圾處理整體工藝,本研究暫不關注中間具體工藝環節(破碎/制漿等),以整廠范圍為邊界,以入廠物質為輸入,出廠物質為輸出。出廠物質以直接排放到大氣、水體(包括納管)的物質(SOx、COD等)為準。當出廠物質為雜物時,需匹配殘渣焚燒工藝;當出廠物質為滲瀝液時,需匹配滲瀝液處理工藝;當出廠物質為污泥時,需匹配污泥干化焚燒工藝。

圖2 濕垃圾處理LCA邊界


本研究的基本假設如下:


1、所有垃圾處理工藝的入廠垃圾組分相同;


2、忽略工廠的建設及退役過程環境影響,僅計算運行期間原材料的消耗,污水、煙氣、固渣排放的環境影響;


3、電力消耗來自燃煤發電過程。


三、清單分析


本研究的清單數據主要來源于現場實測,部分數據為經驗數據,在建模中各項物料輸入需要選定生命周期商業評價軟件SimaPro9.0版本Ecoinvent3.5數據庫中的背景數據。本研究中功能單位選定為為1t入廠垃圾。


四、環境影響評價


根據ISO14044標準,環境影響評價(Life Cycle lmpact Analysis,LCIA)有四個階段:分類、表征、標準化和加權。


(一)分類


進行生命周期環境影響分析,首先要進行分類,其目的在于識別每種潛在造成危害的物質。


濕垃圾處理的整個生命周期的污染物排放主要包括關鍵污染物的大氣排放,例如NOx、SO2、HCl、CO、CO2、PCDD/DFs、PM10、Hg 等;另外還包括滲濾液、固體廢物的排放等。因此,生命周期污染物排放質量矢量[M](kg·t-1)可以用以下公式表示:


[M]=[CO2,SO2,NOX,CO,CH4,NMVOC,PM2.5,Hg,…]T


在生命周期中的材料輸入包括輔助燃料、石灰粉、各種化學藥劑等,可以表示為:

kg·t-1


通常上述污染物排放到空氣和水中會引起各種環境問題,如空氣污染、酸沉淀、臭氧消耗、全球變暖、森林破壞、呼吸效應和能源枯竭。


(二)特征化


為上述分類的物質分配影響因子,從而獲得各項環境影響類別。特征化過程是對各種物質引起的環境影響的定量表征。通過將排放的污染物乘以相應的潛值轉換因子,即通過以下公式的計算獲得相應的環境影響潛值(EIP):


[EIP]=[EIF]×[M]


其中,[EIF]是軟件數據庫中包含的環境影響特征化因子向量。


本文所使用的生命周期評價方法為EDIP2003方法。由表1所示,EDIP2003方法在中間點階段總共定義了19種不同的影響類別。


表1 EDIP2003方法的影響類別、標準化因子和權重因子

(三)標準化


定義為計算環境影響類別指標結果相對于參考影響潛值的大小。對于每個基線指標,計算標準化分數以供參考。標準化環境影響潛值(NEIP)是無量綱的。


[NEIP]=[EIP]×(1/N)


(四)加權


加權定義為不同影響類別的加權因子與影響潛值的乘積之和以表征其對環境的綜合影響。通過對標準化環境影響潛值進行加權(單位為無量綱單位Pt),可獲得總環境影響潛值(TEIP)的單一評分指標:


TEIP=[NEIP]×[WF]


其中[WF]是加權因子向量,各項加權因子如表1所示。


(五)環境影響分析


本研究采用EDIP2003方法,對厭氧發酵(沼氣燃燒)、厭氧發酵(沼氣發電)、低溫減量型就地處理、高溫減量型就地處理四種工藝進行了環境影響潛值的對比,其中間點環境影響潛值分析結果如表2所示。


表2 環境影響分析(中間點環境影響潛值)

將上述結果標準化之后進行加權,獲得各工藝的環境影響如表3所示。其中,臭氧消耗、生態毒性、危廢、廢渣/飛灰、放射性廢物等幾類評價指標的占比相對較小,故將其合并為“其他”,則各工藝環境影響潛值的對比及分布如圖3所示。可以看出:中高溫減量型就地處理工藝的環境影響(1637.12mPt)顯著高于其他三種工藝。厭氧發酵(沼氣發電)的環境影響潛值僅為28.49mPt,是環境較為友好的方案。厭氧發酵(沼氣燃燒)與低溫減量型就地處理工藝的環境影響潛值分別為199.61mPt與190.87mPt,二者基本相等。對比厭氧發酵的兩種能量回收方式可見:沼氣發電利用的環境影響相比沼氣燃燒下降86%;對比就地處理的兩種工藝可見:低溫減量型就地處理的環境影響僅為中高溫減量型工藝的12%,中高溫減量型就地處理工藝中,臭氧生成、酸化、富營養化和人體毒性的影響潛值均是低溫減量就地處理工藝的十倍左右。因此,中高溫減量就地處理工藝的環境影響亟待改善。


表3 環境影響分析(標準化后加權終點值)


圖3 四種工藝的環境影響潛值對比


各工藝主要環境影響潛值的分布如圖4所示。可見:在中高溫減量就地處理與厭氧發酵(沼氣燃燒)兩種工藝中,富營養化與人體毒性為主要環境影響,兩者合計占總影響潛值的比例分別為53%和52%。其原因是兩種工藝的電耗較高,相應電力生產過程中磷和重金屬的排放較多。低溫減量型就地處理工藝中,主要環境影響依次為富營養化、全球變暖和人體毒性,占比分別為26%、22%和21%。在消耗外界電力較少的情況下,工藝本身排放的二氧化碳造成的全球變暖成為了環境影響的主要因素之一。對于厭氧發酵(沼氣發電)工藝,全球變暖為最主要的環境影響,占總影響潛值的32%,所耗電能由產品抵消,向環境排放的磷和重金屬較少,故其綜合環境影響潛值較低,工藝本身排放的二氧化碳是造成環境影響的主要因素。

圖4 四種工藝的環境影響潛值分布對比


五、結論


本文對厭氧發酵(沼氣燃燒)、厭氧發酵(沼氣發電)、低溫減量型就地處理、中高溫減量型就地處理四種典型工藝進行了生命周期環境影響對比研究。通過數據收集、清單分析和結果評價,得出以下結論:


(一)從全生命周期角度分析,厭氧發酵(沼氣發電)是環境較為友好的濕垃圾處理方案,其工藝耗電由沼氣發電自身提供是環境影響潛值較低的直接原因。


(二)中高溫減量型就地處理工藝的環境影響最為顯著,主要原因是電耗較高,上游電力生產過程采用燃煤發電工藝,其排放的磷和重金屬等導致了較為嚴重的富營養化和人體毒性。


(三)富營養化、人體毒性和全球變暖是四種典型濕垃圾處理工藝的主要環境影響類別。富營養化和人體毒性是上游過程燃煤發電帶來的主要環境影響,而全球變暖主要是由工藝生產過程排放的CO2導致。


本文成果來源干國家重點研發計劃“城鎮易腐有機固廢生物轉化與二次污染控制技術”2018YFC1901000


來源 | 上海環境工程衛生設計院
作者 | 歐陽創、畢珠潔、宋佳、韓小渠
編輯 | 匡宋堯

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