0 引言
随着经济快速增长、人民生活水平提升和城市化加速推进,使得包含餐饮废弃物、家庭厨余和其他相关垃圾三种主要类型在内的城市厨余垃圾产量逐年上升。这些垃圾来源广泛、成分多样,给垃圾精确分类和无害处理带来了极大挑战。据统计,我国每年的城市厨余垃圾产量已超过一亿吨,由于其含水量高、热值低、易腐败与可降解等特征,厨余垃圾主要通过生物反应进行处理。同时,由于厨余垃圾的高油脂含量（4.5% ~ 7%）和高含盐量（0.5% ~ 2.3%）特征[1,2,3,4],以及气候、降雨、土壤状况、环境现状以及处理时间等多种因素对厨余垃圾的影响[5],其资源化利用过程产物质量与经济效益提升难度大,沼渣和沼液难以实现无害化处置与高值化利用,存在较大的二次污染风险。随着国家不断强调生态环境保护,厌氧消化因其兼顾“减量化、资源化与无害化”的特征[6]已经被广泛应用于城市厨余垃圾的处理。然而,由于厨余垃圾组分的复杂性、各地区气候环境的差异性以及处理工艺路线的多样性,特定区域、特定案例的环境影响评价结果无法直接用于指导其他地区或项目的生产实践。因此,针对特定案例的评价研究是提高厨余垃圾资源化过程经济与环境效益的基础。
生命周期评价（life cycle assessment, LCA）作为一种环境管理工具,可以对产品从原材料获取、加工、使用到最终处理等全过程进行环境影响评估,为选择与优化工艺路线提供参考依据,已广泛应用于城市固体废物的管理实践。在垃圾资源化利用过程评价方面,国内外的相关研究已颇为丰富[7,8,9,10,11],具体到厨余垃圾,清华大学、华中科技大学、浙江大学等高校已进行了相关的环境影响评估研究[12,13,14],但均未构建完整的本地化LCA清单,这与我国厨余垃圾的具体情况存在一定的差异,降低了生命周期评价结果的参考价值。随着我国厨余垃圾处理问题日益严峻,加快厨余垃圾处理技术研究和示范基地建设,提高生命周期评价的针对性和清单分析的精确性,对于全面实现厨余垃圾的无害化处置与资源化利用至关重要。
近年来,研究者们已经提出了多种基于生命周期评价的管理策略。例如,潘国清等[15]利用LCA评估了餐厨垃圾厌氧发酵技术在沼气发电中的资源环境影响,并提出了优化策略。李欢等[16]则从回收利用率、碳排放和成本等方面,比较了混合焚烧、厌氧消化、好氧堆肥和制备饲料四种厨余垃圾处理方式的优劣,认为制备饲料、厌氧消化、好氧堆肥和混合焚烧的顺序为厨余垃圾处理的优选顺序。胡刚[17]针对重庆市主城区可持续生活垃圾管理系统进行了生命周期能源、环境和经济（energy, environment and economy, 3E）评价,并基于3E评价提出了决策建议。KENG等[18]评估了厨余垃圾好氧堆肥过程的生命周期环境影响,结果表明利用好氧堆肥替代垃圾填埋,以及用产生的有机堆肥替代化肥,可以极大地减少对全球变暖、生态毒性、富营养化和化石燃料消耗的影响。现有研究主要聚焦于厨余垃圾处理技术本身对环境的影响,涵盖了产品、服务或系统的能源利用、环境影响和资源消耗等方面,但对经济效益的考量较少。鉴于经济指标在决策中的重要性,将经济效益纳入厨余垃圾资源化利用生命周期评价将进一步提升分析结果的应用价值。
本研究选取湖南省娄底市厨余垃圾处置全过程为研究对象,基于自主设计的高油高盐厨余垃圾厌氧消化工艺及本地化的LCA清单,应用GaBi软件进行建模分析,综合评价厨余垃圾厌氧消化工艺的能源利用、环境影响及经济效益,为高油高盐厨余垃圾的政策措施制定、工程设施规划及处理工艺设计提供理论依据。
1 研究内容
1.1 原料性质
湖南省娄底市作为华中地区的典型城市,其城市厨余垃圾中易腐性有机物占比较高（组分见表1）,塑料和橡胶含量适中,纸、布、金属、玻璃等杂质含量较低,拥有较大的经济利用价值。
Table 1 Food waste fractions (on a dry basis)表1 厨余垃圾组分（以干基计） |
| 来源 | 组分占比/% | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 易腐性有机物 | 塑料和橡胶 | 纸/布 | 金属 | 玻璃 | 木、竹 | 骨贝类 | |
| 家庭厨余 | 84.12 ~ 93.15 | 10.15 ~ 17.78 | 4.32 ~ 17.31 | 0.34 ~ 1.02 | 1.63 ~ 2.97 | 0.12 ~ 0.54 | 1.25 ~ 3.75 |
| 酒店餐饮 | 85.64 ~ 94.32 | 0.32 ~ 0.81 | 0.35 ~ 1.02 | 0.00 ~ 0.15 | 0.00 ~ 0.25 | 0.00 ~ 0.14 | 0.10 ~ 0.25 |
| 饭堂餐饮 | 87.15 ~ 96.47 | 0.21 ~ 0.94 | 0.02 ~ 0.24 | 0.00 ~ 0.01 | 0.00 | 0.00 ~ 0.02 | 0.24 ~ 0.58 |
| 菜市场 | 78.64 ~ 88.13 | 1.78 ~ 5.42 | 0.00 ~ 0.17 | 0.00 ~ 0.02 | 0.00 ~ 0.15 | 0.00 ~ 0.12 | 0.24 ~ 1.32 |
1.2 处理工艺
娄底市厨余垃圾厌氧消化工艺流程如图1所示,包括收集转运、预处理、厌氧发酵、污水净化、沼气净化和回收、沼渣处理、粗油提纯等环节。厨余垃圾收集转运后进料仓进行卸料,经过预处理后分选出惰性组分,三相分离后的废弃油脂外售,破碎制浆后的浆液进入厌氧发酵系统,厌氧消化产生的沼气经过净化后部分用于发电上网,部分进入锅炉房蒸汽供热,沼液直接进入污水处理厂处理达标后排放,沼渣运至焚烧厂进行焚烧。考虑了厌氧发酵产物沼气资源化利用,沼液和沼渣直接进行后续处理,未考虑预处理分选出来的惰性组分。这一处置过程主要的物质能源消耗包括厨余垃圾收运过程的柴油消耗;分选和制浆等预处理过程中的电耗和水耗;厌氧发酵、沼液处理、沼气利用（热电联产）、沼渣焚烧阶段的电耗和其他消耗;产生的资源化处置效益主要有热力和电力回收。
Fig. 1 Treatment process flow chart图1 处理工艺流程图 |
1.3 系统清单
Table 2 The inventory of life cycle system表2 生命周期系统清单 |
| 处理过程 | 阶段 | 物料名称 | 单位 | 数值 |
|---|---|---|---|---|
| 运输转运 | 输入 | 柴油 | t | 2.604 × 103 |
| 预处理和厌氧发酵 | 输入 | 电耗 | kW∙h | 1.957 × 107 |
| 水耗 | t | 3.487 × 105 | ||
| 聚丙烯酰胺 | kg | 9.112 × 104 | ||
| 植物液 | kg | 1.812 × 104 | ||
| 蒸汽 | MJ | 3.61 × 1011 | ||
| 氢氧化钠 | kg | 1.145 × 105 | ||
| 输出 | 废渣 | t | 9.746 × 104 | |
| 氨气 | t | 30.072 | ||
| H2S | t | 15.800 | ||
| 沼气净化和回收 | 输入 | 电耗 | kW∙h | 2.228 × 105 |
| 尿素 | kg | 4.801 × 105 | ||
| 氧化铁 | kg | 1.812 × 104 | ||
| 输出 | 电力 | kW∙h | 7.080 × 107 | |
| 热力 | MJ | 5.620 × 108 | ||
| CO2 | kg | 0.000 | ||
| CO | kg | 34.239 | ||
| 烟尘 | t | 31.341 | ||
| CH4 | kg | 3.605 | ||
| NOx | t | 1.349 × 109 | ||
| N2O | kg | 12.500 | ||
| SO2 | t | 14.500 | ||
| 废热 | MJ | 1.400 × 108 | ||
| 废水净化 | 输入 | 电耗 | kW∙h | 2.500 × 107 |
| 聚合氯化铝 | t | 94.203 | ||
| 聚丙烯酰胺 | t | 42.029 | ||
| 水耗 | t | 3.623 × 105 | ||
| 葡萄糖 | t | 204.710 | ||
| Na2CO3 | t | 72.464 | ||
| 输出 | NH3 | t | 7.554 | |
| 生化需氧量 | kg | 5.869 × 104 | ||
| 化学需氧量 | kg | 5.018 × 104 | ||
| H2S | t | 0.293 | ||
| 总氮 | kg | 8.243 × 109 | ||
| 总磷 | kg | 442.029 | ||
| 排水 | t | 4.964 × 105 | ||
| 固体悬浮物 | kg | 1.993 × 103 | ||
| 沼渣焚烧 | 输入 | 柴油 | kg | 5.880 × 104 |
| 蒸汽 | MJ | 7.943 × 107 | ||
| 输出 | CO2 | kg | 3.275 × 105 | |
| CH4 | kg | 14.058 | ||
| SO2 | kg | 5.981 | ||
| NOx | kg | 1.071 × 104 | ||
| CO | kg | 2.795 × 103 | ||
| NH3 | kg | 0.069 | ||
| 挥发性有机物 | kg | 6.488 × 103 | ||
| PM10 | kg | 3.615 × 106 | ||
| Cu（土壤） | kg | 3.119 | ||
| Hg（土壤） | kg | 0.017 | ||
| Cr（土壤） | kg | 1.990 | ||
| Ni（土壤） | kg | 0.114 | ||
| 粗油提纯 | 输入 | 电耗 | kW∙h | 2.874 × 106 |
| 水耗 | t | 1.069 × 105 | ||
| 甲醇 | t | 1.044 × 104 | ||
| 氢氧化钠 | t | 505.853 | ||
| 蒸汽 | MJ | 8.040 × 107 | ||
| 输出 | 生物柴油 | t | 1.678 × 104 | |
| 甘油 | t | 1.678 × 103 | ||
| CO2 | t | 0.000 | ||
| CO | t | 1.954 | ||
| NOx | t | 10.232 | ||
| SO2 | t | 48 286 | ||
| 挥发性有机物 | t | 21 499 |
1.4 构建模型
利用GaBi生命周期评价软件及相应的数据库构建厨余垃圾厌氧消化处理工艺生命周期模型。基于工艺路线,本研究建模的处置容量设定为100万吨厨余垃圾,背景数据主要来源于GaBi数据库和Ecoinvent数据库,而实景数据为各个单元过程的实际输入和输出,来源于企业报告。基于GaBi生命周期评价软件,构建独立的功能单元模型,便于不同处理工艺组合,通过物质与能量基准流相互连接,形成完整的物质循环、能源利用、环境影响与经济效益综合评价模型,如图2所示。
Fig. 2 GaBi-based life cycle modeling diagram of Loudi food waste图2 基于GaBi的娄底厨余垃圾生命周期模型示意图 |
目前,常用的生命周期评价特征化方法包括IPCC、CML2016、ReCiPe2016等,便于研究者量化不同的环境影响。本研究选择ReCiPe2016方法,解释处理100万吨厨余垃圾导致的环境影响,选取全球变暖潜值（global warming potential, GDP）、化石能源消耗（fossil depletion, FD）、淡水水生生态毒性潜势（freshwater ecotoxicity, FE）、淡水富营养化（freshwater eutrophication, FEP）、人类毒性（癌症）[human toxicity (cancer), HTC]、陆地酸化（terrestrial acidification, TA）6种环境影响类型（表3）对厨余垃圾厌氧消化处置各阶段过程开展定量化评价。同时,为了消除不同影响类型的量纲差异,采用标准化因子对各类环境影响类型进行标准化,以便于横向比较不同环境影响类型,相关参数来自GaBi生命周期评价软件。
Table 3 Environmental impact categories表3 环境影响类型 |
| 环境影响类型 | 特征单位 |
|---|---|
| 全球变暖潜值（GDP） | kg CO2-eq |
| 化石能源消耗（FD） | kg标准油-eq |
| 淡水水生生态毒性潜势（FE） | kg 1,4-二氯苯 |
| 淡水富营养化（FEP） | kg P-eq |
| 人类毒性（癌症）（HTC） | kg 1,4-二氯苯 |
| 陆地酸化（TA） | kg SO2-eq |
2 结果与讨论
2.1 环境影响分析
GDP、FD、FE、FEP、HTC、TA等6类环境影响指标对应的结果如图3所示。厨余垃圾处置过程对淡水水生生态毒性潜势、淡水富营养化和陆地酸化的影响均会产生一定程度的负面影响。对淡水水生生态毒性潜势和淡水富营养化的负面影响,主要源于污水净化环节。其中,污水净化环节所使用的电耗、水耗、葡萄糖等药剂,以及处理后产生的固体废物,对水生生态毒性产生较明显的负面作用,污水净化环节的葡萄糖添加是为了提高污水的可生化性,使用葡萄糖作为碳源,防止由于营养源不够引起的污泥老化和生物活性降低。对淡水富营养化的影响主要源于预处理阶段和污水净化阶段的污染物排放。污水处理单元输出到环境的固体悬浮物（suspended solid, SS）、化学需氧量（chemical oxygen demand, COD）和总氮会带来富营养化风险。对于陆地酸化的负面影响是源于污水净化环节、预处理和厌氧发酵环节。而厨余垃圾处置过程对气候变化和人类毒性的影响均是正面的,且主要来源于沼气净化和回收环节。
Fig. 3 Environmental impact analysis图3 环境影响分析 |
计算结果表明,处理100万吨厨余垃圾生命周期的碳排放量总计为 -6.41 × 106 kg CO2-eq,表现为环境正效益,包括运输转运排放9.48 × 106 kg CO2-eq,预处理和厌氧发酵排放4.67 × 107 kg CO2-eq,污水净化过程排放3.85 × 107 kg CO2-eq和沼渣焚烧过程排放7.06 × 106 kg CO2-eq。其中预处理阶段和污水净化阶段碳排放最高,主要由于预处理过程的热耗和污水净化过程的电耗大,对应的碳排放较多。而沼气净化与利用环节则抵消排放 -1.03 × 108 kg CO2-eq,粗油提纯环节可抵消排放 -4.88 × 106 kg CO2-eq,对改善气候变化有良好的促进作用。
Fig. 4 Comparison of the environmental benefits of aerobic composting of digestate and incineration treatment processes图4 沼渣好氧堆肥与焚烧处置工艺环境效益对比 |
此外,标准化后的环境影响指标结果（图5）表明,厨余垃圾处置过程化石能源消耗对环境的影响最大,对环境影响的贡献度为35.6%,其次是对气候变化、淡水富营养化和陆地酸化的影响,占比分别为22.4%、19%和13.3%,主要是由于厨余垃圾处置过程中的运输转运、预处理和污水净化环节所需的柴油和电力等能源消耗给环境带来的影响。
Fig. 5 Standardization of environmental impact indicators图5 环境影响指标标准化 |
2.2 环境影响贡献源分析
从各处理单元不同环境影响类型的贡献源分析（图6）,蒸汽消耗是预处理、粗油提纯和沼渣焚烧环节的主要贡献源,厌氧发酵、污水净化和沼气净化环节则不需要用到蒸汽,而蒸汽消耗对碳排放和化石能源消耗的贡献最大。在厌氧发酵和污水净化环节,电耗则是主要贡献源,用电环节对环境产生负面影响的环节,占比从高到低分别是污水净化、预处理、厌氧发酵和运输转运过程,电力的消耗也是碳排放和化石能源消耗的主要贡献源。在沼气净化和回收阶段,消耗的脱硫剂和尿素等其他物耗是环境影响的主要贡献源,其次是电力消耗。而对于沼渣焚烧环节,除了消耗的柴油和蒸汽外,还会排放一定量的废气,对环境产生负面影响。
Fig. 6 Environmental impact contribution sources analysis图6 环境影响贡献源分析 |
对碳排放量的贡献源分析表明,在预处理与厌氧发酵阶段,碳排放大致分为两部分,一是物料消耗带来的碳排放,以电耗和热耗为主;二是粗油回收带来的减碳效益,电耗、热耗和粗油回收的碳排放分别为1.56 × 107 kg CO2-eq、3.06 × 107 kg CO2-eq和 -2.38 × 107 kg CO2-eq。在沼气净化和回收阶段,碳排放包括过程排放、电力回收和热力回收三个部分,电力与热力回收为厌氧消化工艺减碳效益的最重要部分,其中电力回收 -5.65 × 107 kg CO2-eq和热力回收 -4.74 × 107 kg CO2-eq。污水净化阶段的碳排放主要来自电耗,还包括水、Na2CO3、葡萄糖、聚丙烯酰胺和聚合氯化铝等物料消耗带来的碳排放,电耗碳排放为3.74 × 107 kg CO2-eq,占整个阶段的97.1%。
2.3 经济性分析
从生命周期经济性角度分析（图7）,厨余垃圾处置过程的总成本为负值,表明建设基于该技术工艺的项目能够实现盈利,这主要得益于预处理过程产生的废渣和油脂外售所产生的收入,这也是高油高脂厨余垃圾资源化利用的产品特点。而运输转运、厌氧发酵和污水净化的成本占比较高,这几个阶段的主要花费在于设备的维修管理。因此,从经济性角度考虑,尽可能提高预处理的三相分离提油率,优化收运转运路线以减少收运次数和重复路线;进一步优化设备的维护次数和频率,可以实现厨余垃圾厌氧消化处置过程的降本增效。
Fig. 7 Economic analysis图7 经济性分析 |
3 结论
根据湖南省娄底市厨余垃圾处置过程实际调研结果和企业报告,通过软件建立LCA模型,对每个模块的能源消耗、环境影响和经济效益进行了分析,主要结论如下：
（1）厨余垃圾厌氧消化处置全过程对淡水水生生态毒性潜势、淡水富营养化和陆地酸化等方面具有负面影响,且主要源于电耗、水耗和蒸汽消耗。进一步优化工艺,降低生命周期的能源消耗将有助于降低负面的环境影响。
（2）厨余垃圾厌氧消化处置全过程在气候变化和人类毒性方面具有正面效益,且正面效益主要源于沼气净化和回收环节。因此,通过采用新技术与新工艺进一步提高单位质量厨余垃圾的沼气产量将有助于强化正面效益。
（3）在沼渣处理环节,沼渣堆肥比焚烧的碳排放降低了54%,其他废气排放降低了76%,同时可供应11 827 t有机肥,具有明显的环境优势和副产物优势。因此,结合厌氧消化与好氧堆肥将是厨余垃圾资源化利用技术的发展方向。
（4）经济性分析表明,预处理过程产生的废渣和油脂外售取得一定收益,而运输转运、厌氧发酵和污水净化的输出成本占比较高。因此,尽可能提高预处理的三相分离提油率,能优化收运转运路线,也将有助于全过程的降本增效。