（环境工程专业论文）基于模糊数学理论的城市生活垃圾处理生命周期评价.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 砸对当前在人口、资源、环境与经济发展关系方面所出现的一系列尖锐矛 盾，人们需要重新认识环境问题的来源与人类活动方式以及消费模式之间的关 系，通过制度创新、技术进步以及管理变革来协调人与自然之问的关系，促进 人类社会的可持续发展，迫切需要一种方法能对所从事的活动全过程资源消耗 和造成的环境影响有一个彻底全面、综合的了解。生命周期评价( l c a ) 作为一 个面向产品的环境管理工具，通过对一产品系统或服务系统整个生命周期( 包括 原材料获取，生产及产品的制造、产品使用直至最终处理) 的环境影响进行评 价，避免了由于传统环境影响评价的局限性而导致的片面结论。l c 的应用已覆 盖了整个工业社会，涉及到工业产品及生产工艺的设计、评价及环境政策制定、 废弃物管理等各个方面，成为许多发达国家制定工业发展战略的首选工具。 本文在全面综述生命周期评价的技术演变及研究现状的基础上建构起城市 生活垃圾处理系统生命周期评价模型，并进一步深入建立起综合了环境可持续 性、经济可承受性、社会可接受性以及技术可行性多方面因素的多因素评估模 型。围绕城市生活垃圾处理系统生命周期评价模型，引入了基于隶属度的模糊 识别方法的环境影响潜值的计算方法，并将其系统的应用于成都市城市生活垃 圾处理的生命周期评价领域。通过生命周期评价模型的计算，得到四种垃圾处 理方案的环境影响潜值，卫生填埋处理中，全球变暖的环境影响潜力贡献最大， 占9 3 4 1 ，高温堆肥处理中，富营养化的贡献率最大，占3 5 3 1 ，焚烧处理中， 全球变暖对环境影响潜力的贡献最大，为7 5 8 4 ，综合处理中，全球变暖对环 境影响类型的贡献率最大，为3 7 2 3 。在考虑经济因素、环境因素、技术因素 和社会因素的综合权重，应用模糊综合评价法。得到卫生填埋的分值最高，为 9 7 0 4 、其次为焚烧处理6 4 0 0 、综合处理5 4 7 2 、高温堆肥4 6 6 0 ，即可以说在目 前的情况下，卫生填埋方案是适合成都市城市生活垃圾处理现状的。焚烧处理 可以在社会发展和经济能力的基础上，作为辅助的城市生活垃圾处理方式。得 到的结论也能很好的应用在其它城市生活垃圾的管理和评价中，使城市生活垃 圾处理向着可持续的方向发展。 关键词：生命周期评价；城市生活垃圾处理；环境影响潜值：模糊综合评价； 可持续发展 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s t r a c t c u r r e n t l y ，f a c i n ga s e r i e so fi n c i s i v ec o n t r a d i c t o r i e si nt h ep o p u l a t i o n ， r e s o u r c 慧s ，e n v i r o n m e n ta n dt h ee c o n o m i c a ld e v e l o p m e n t ，p e o p l en e e dt or e - r e a l l z e t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eo r i g i no fe n v i r o n m e n ta n dh u m a n sa c t i v i f i e sa sw e l la s t h e e x p e n s ep a t t e r n s b ys y s t e mi n n o v a t i o n ，t e c h n o l o g ya d v a n c e m e n ta n d m a n a g e m e n tt r a n s f o r m a t i o n , p e o p l ec a nc o o r d i n a t e st h er e l a t i o nb e t w e e np e o p l ea n d n a t u r e ，p r o m o t e ss u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ti nh u m a ns o c i e t y s ow eu r g e n t l yn e e da m e t h o dw h i c h nt h o r o u g h l y c o m p r e h e n s i v e l ya n dc o m p r e h e n s i v e l yu n d e r s t a n dt h e g e s o u r c 宅sc o n s u m p t i o na n de n v i r o n m e n t a le f f e c tp e o p l ee n g a g e di na n dc a u s e d t h e l i f ec y c l e a s s e s s m e n t ( l c a ) t a k e sa sa ne n v i r o n m e n tm a n a g e m e n tt o o l f o r p r o d u c t ，t h r o u g he n v i r o n m e n t a le f f e c ta s s e s s m e n tt ot h ee n t i r el i f ec y c l eo fap r o d u c t o fs e r v i c es y s t c m ( i n c l u d i n gl a wm a t e r i a lg a i n ，p r o d u c t i o na n dp r o d u c tm a n u f a c t u r e ， p r o d u c tu s i n gu n t i lf i n a l l yd i s p o s i n g ) ，i t 啪a v o i dt h eo n e - s i d e dc o n c l u s i o nw h i c h c a u s e sb yt h el i m i t a t i o no ft r a d i t i o ne n v i r o n m e n t a le f f e c ta s s e s s m e n t t h ea p p l i c a t i o n o fl c ah a sc o v e r e dt h ee n t i r ei n d u s t r ys o c i e t y ，i n v o l v e st h ed e s i g no fi n d u s t r y p r o d u c ta n dc r a f t t h ea s s e s s m e n ta n dt h ef o r m u l a t i o no fe n v i r o n m e n tp o l i c y ，t h e w a s t e sm a n a g e m e n ta n ds oo n ，a n dn o wi th a sb e c o m et h ef i r s tc h o i c et oe s t a b l i s h i n d u s t r i a ld e v e l o p m e n ts 眦g yi n m a n yd e v e l o p e d c o u n t r i e s o nb a s i so f s u m m a r i z i n gt h ee v o l v e m e n to ft e c h n i q u e sa n dt h es t a t eo fl c a ， t h ep a p e re s t a b l i s h e sas e to fl c am o d e lo l lm u n i c i p a ls o l i dw a s t e ( m s w ) t r e a t m e n l i na d d i t i o n , t h ep a p e rh a ss e t 叩am u l t i - f a c t o r se v a l u a t i n gm o d e lo fl i f ec y c l ei m p a c t a s s e s s m e n ti n t e g r a t i n ga s p e n so ne n v i r o n m e n t a ls u s t a i n a b i l i t y ，e c o n o m y c a p a b i l i t y ， s o c i e t ya c c e p t a b i l i t ya n dt e c h n o l o g yf e a s i b i l i t y i no r d e rt or e a l i z ee n v i r o n m e n t i m p a c tq u a n t i f i c a t i o n , t h ec a l c u l a t i o no fe n v i r o n m e n t a li m p a c tp o t e n t i a lb a s e do n f u z z yc o m p r e h e n s i v em e t h o d si si n t f o d u c e d ，a n df u r t h e r m o r e ，a p p l yi tt ot h em s w l i f ec y c l ea s s e s s m e n to fc h e n g d uc i t ys y s t e m a t i c a l l y b yt h ec a l c u l a t i o no fl c a m o d e l ，w ec 蛆o b t a i nt h ee n v i r o n m e n t a li m p a c tp o t e n t i a lo ft h ef o u rt r e a t m e n t s i n t h el a n d f i l lt r e a t m e n t ，t h ee n v i r o n m e n ti m p a c t p o t e n t i a lo ft h eg l o b a lw a r m i n g c o n t r i b u t e st h eb i g g e s t ， 9 3 4 1 ：i nt h ec o m p o s tt r e a t m e n t ，t h en o u r i s h m e n t c o n t r i b u t e st h eb i g g e s t ，3 5 3 1 ：i nt h ei n c i n e r a t i o nt r e a t m e n t ，t h eg l o b a lw a r m i n g 西南交通大学硕士研究生学位论文第m 页 c o n t r i b u t e st h eb i g g e s t ，7 5 8 4 ；a n di nt h e s y n t h e s i z e dt r e a t m e n t ，t h eo o b a l w a r m i n gc o n t r i b u t e st h eb i g g e s t ，t o o ，3 7 2 3 c o n s i d e r i n gt h es y n t h e s i z e dw e i g h to f e c o n o m i cf a c t o r ，e n v i r o n m e n tf a c t o r ，t e c h n i q u ef a c t o ra n ds o c i a lf a c t o r ，i ta r r i v e d a tt h a tt h ev a l u eo fl a n d f i l li st h eh i g h e s t ：9 7 0 4 ，t h en e x ti si n c i n e r a t i o n ：6 4 0 0 ， s y n t h e s i z e dt r e a t m e n t ：5 4 7 2 ，a n dc o m p o s t i n g ：4 6 5 6 t h a ti st os a y ，u n d e rt h e c u r r e n tc i r c u m s t a n c eo fc h e n g d uc i t y ，t h el a n d f i l li si nk e e p i n gw i t ht h ep r e s e n t m s wt r e a t m e n t o nt h eb a s i so fs o c i a ld e v e l o p m e n ta n de c o n o m i ca b i l i t y ，t h e i n c i n e r a t i o nt r e a t m e n tc a nb ea c t e da sa na u x i l i a r yt r e a t m e n tm e t h o d t h ec o n c l u s i o n o b t a i n e dc a nb ew e l la p p l i e di no t h e rc i t y sm a n a g e m e n ta n da s s e s s m e n to fm s w b yu s i n gi t ，t h em u n i c i p a ls o l i dw a s t et r e a t m e n tw i l lc o n s e q u e n t i a l l yd e v e l o pi na m o r es u s t a i n a b l ew a y “ k qw o r d s ：l i f ec y c l ea s s e s s m e n t ；m u n i c i p a ls o l i dw a s t et r e a t m e n t ； e n v i r o n m e n t a l i m p a c tp o t e n t i a l ；f u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n ； s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 第一章绪论 1 1 问题的提出 城市生活垃圾是指城市日常生活中或为城市日常生活提供服务的活动中产 生的固体废弃物，以及法律、行政法规规定的视为城市生活垃圾的固体废弃物。 城市生活垃圾是随着城市的出现而产生的，随着经济的发展、城市规模不 断扩大、人口高度集中、人民消费水平日益提高，城市生活垃圾产生量一直在 不断地增加，垃圾处理和处置的矛盾日益突出。城市生活垃圾已成为世界性的 环境问题之一 城市生活垃圾历来都被视为一种污染物和废弃物而进行处理处置，以达到 保护公众健康、去除环境污染的目的。但由于其组成复杂、结构多样，任何单 一的处理方式都不能对其进行有效的处理，况且“先污染、后治理”的治污思 想已被证明需要付出更大的代价。2 0 世纪7 0 年代的全球资源和环境危机以及可 持续发展思想的出现，使人们开始认识到城市生活垃圾不仅仅是一种污染物， 而是一种。放错地方的资源”，即它是一种可再生利用的宝贵资源即。产品”， 但它又不同于传统意义上的产品，它更注重从整体上去把握，而不仅仅是单一 的个体研究。因此，城市生活垃圾应从废物产生源开始减少其产生量，通过分 类收集、回收再利用、填埋、堆肥、焚烧和多种技术的综合，实施全过程的管 理，以达到资源最有效的回收利用的目的。生命周期评价就是这样一种环境管 理工具。 生命周期评价( “、a ) 体现了一种整体、系统的思想，它作为一种具有潜 在应用价值的环境管理工具，不仅对当前的环境冲突进行定量化分析，而且对 被研究系统从“摇篮到坟墓”全过程所涉及的环境问题进行评价。目前它已在产 品环境标志计划的实施、产品生态设计、企业的环境管理等诸多领域得到了越 来越多的应用。生命周期评价既是一种面向产品、工艺过程以及服务集成的预 防策略：又是一个目标，规定了工业行为和人类行动应达到的经济与环境要求， 其最终目的是以可持续的方式来满足人类对产品和服务的需求，即在维持可持 续发展的前提下提高资源和能源的利用率。因此，将l c a 引入到城市生活垃圾 处理中，通过综合考虑城市生活垃圾资源化的回收利用价值、再回收利用技术 条件、回收利用的成本等综合因素，可以对城市垃圾处理的全过程实行监管， 为可持续的废弃物管理提供有力工具，为政府对资源的节约消耗提供数据，从 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 而在一定程度上有助于我国循环经济的发展。近十几年来，将l c a 应用于我国 城市生活垃圾处理，许多城市也相继开展了城市生活垃圾的u a 探讨，然而， 许多研究仍还停留在纯理论研究和初步探讨阶段，对于模型的应用还缺乏深层 次的理论分析和实际经验。近几年，随着人们环境意识的增强，对城市生活垃 圾处理的标准和要求也逐步提高，如何从城市生活垃圾全过程角度更全面的考 虑其管理、回收利用和处理处置，已经成为十分现实的问题。 模糊综合评价方法是在模糊环境中，考虑多种因素影响，根据确定的目标 对被评价对象进行定量或定性的度量，它能够处理许多客观存在的、模糊性的、 用传统数学方法无法加以量化的问题。采用模糊综合评价方法是用量化的数学 公式来确定权重系数，克服了人为因素引起的权重系数具有一定主观性的缺点， 计算结论较为可靠将它引入到城市生活垃圾的i c a 中，通过城市生活垃圾处 理系统生命周期环境影响评价，并综合考虑其经济可承受性、社会可接受性及 技术水平等其它因素，可以得出不同环境影响类型的环境影响潜值【环境影响 潜值是整个系统( 产品或服务) 对某一类环境影响类型有贡献的所有环境排放影 响的总和】。 1 2 生命周期评价研究现状 1 2 1 生命周期评价概念的形成过程 生命周期评价最早起源于对包装产品环境问题的评价，当时称为资源与环 境状况分析0 r e c o u r s e sa n de n v i r o n m e n t a l p r o f i l ea n a l y s i s ，r e p a ) ，其标志为 1 9 6 9 年美国中西部资源研究所( m r i ) 开展的可口可乐公司的饮料包装瓶评价1 1 1 。 s e t a c ( 国际环境毒理学与化学学会) 、s p o l d ( 生命周期发展促进会) 和l s o ( 国 际标准化组织谗 国际组织开始致力于l c a 的开发和标准化。1 9 9 0 年s e t a c 主持召开了有关生命周期评价的国际研讨会，在该会议上首次提出“生命周期 评价( 】l i f e c y c l e a s s e s s m e n t ，l c a ) ”的概念。1 9 9 3 年s e t a c 出版了一份纲领 性报告生命周期评价纲要：实用指南 2 1 ，该报告为生命周期评价方法提出 了一个基本技术框架，即i j c a 包括目标与范围的定义、清单分析、影响评价和 改善评价( s e t a c ，1 9 9 31 ，这成为l c a 方法研究起步的一个里程碑。1 9 9 7 年 国际标准化组织i s o 颁布了i s 0 1 4 0 4 0 标准( 环境管理- - l c a 原则和框架) ，现 在相应的标准i s 0 1 4 0 4 1 ( 清单分析) 、i s 0 1 4 0 4 2 ( 影响评价) 、i s 0 1 4 0 4 3 ( 解释说明) 也已经颁布。 目前，生命周期评价尚属动态概念，不同国家或组织对生命周期评价的理 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 解不甚一致，国际标准化组织( 1 s o ) 和国际环境毒理学和化学学会( s e t a c ) 的定 义最具有权威性1 3 - 4 5 6 j 。 i s o 定义1 3 l ：对产品或服务系统整个生命周期中与产品或服务系统直接有关 的环境影响、物质和能源的投入产出，进行汇集和测定的一种方法 s e t a c 定义1 2 】：生命周期评价是一种对产品、生产工艺以及活动对环境的 压力进行辨识和量化来进行的其目的在于评估能量和物质利用，以及废物捧 放对环境的影响，寻求改善环境影响的机会以及如何利用这种机会。这种评价 贯穿于产品，工艺和活动的整个生命周期，包括原材料的提取与加工，产品制 造、运输以及销售；产品的使用、再利用和维护；废物循环和最终废物弃置。 可以看出：生命周期评价是一种连续性的集成预防策略，通过改变产品、 过程和服务以提高效率，从而达到改善环境性能和降低成本的目的它既是一 种面向产品、工艺过程以及服务集成的预防策略：又是一个目标，规定了工业 行为和人类行动应达到的经济与环境要求。其最终目的是以可持续的方式来满 足人类对产品的需求，即在维持可持续发展的前提下提高资源和能源的利用率。 1 2 2 生命周期评价的国内外研究现状 生命周期评价( “、a ) ，有时也称为“生命周期分析”、“生命周期方法”、“摇 篮到坟墓”等。其最初应用可追溯n 1 9 6 9 年美国可口可乐公司对不同饮料容器 的资源消耗和环境释放所作的特征分析1 3 l 。该公司在考虑是否以一次性塑料瓶 替代可回收玻璃瓶时，比较了两种方案的环境友好情况，肯定了前者的优越性 此后，l c a 方法学不断发展，现已成为一种具有广泛应用的产品环境特征分析 和决策支持工具。在这方面，最早的事例是2 0 世纪7 0 年代初美国国家科学基金 的国家需求研究计划( r n n ) 。该项目中，采用类似于清单分析的“物料过 程一产品”模型，对玻璃、聚乙烯和聚氯乙烯瓶产生的废物进行分析比较。 2 0 世纪年代中期到9 0 年代初，城市生活垃圾的ic a 研究快速增长，发达 国家推行环境报告制度，要求对产品形成统一的环境影响评价方法和数据，对 l c a 的研究开始从实验室阶段转变到实际中来。国际标准化组织制定和发布了 关于l c a 的i s 0 1 4 0 4 0 系列标准。9 0 年代中期以来，u a 在许多工业行业特别是 生活垃圾的处理处置中取得了很大成果，r o b e r th u n t1 9 9 5 年研究了生活垃圾中 纸、塑料进行焚烧、填埋、堆肥三种不同处理方式对全球变暖的影响；m a s a n 等人1 9 9 8 年对生活垃圾焚烧、塑料炼油+ 剩余物焚烧、有机垃圾堆肥+ 剩余物作 垃圾固形燃科、有机垃圾堆肥+ 塑料炼油+ 纸及其它焚烧四种处理方案进行l c a 研究；c l a u s1 9 9 5 年研究了城市生活垃圾中塑料的六种不同处理方法，通过研究 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 塑料在整个生命周期的资源( 能源) 消耗和污染物排放，得出塑料回收利用是最佳 处理方案，其次为焚烧回收热能。a m e l i a1 9 9 6 年比较了可回收利用的纸( 纸版) 、 金属、玻璃及塑料容器进行回收再利用和直接填埋处理两种方案的研究，结果 表明铝、玻璃、纸循环再利用处理较填埋对环境更有利i “。对生活垃圾的研究 已经由传统的管理方法逐渐转移到对垃圾整个生命阶段的研究，研究的内容也 趋于多样化、多目的性，研究的技术更注重数学和其他模型的应用。 在我国，对城市生活垃圾l ( 、a 的认识和研究还刚刚起步，从研究的角度看 尚属学习和模仿跟踪阶段。1 9 9 8 年徐成、杨建新概括的介绍了城市生活垃圾的 生命周期管理，提出了城市生活垃圾处理的l c a 系统结构，肯定了l c a 的发展 意义 8 1 1 9 9 9 年徐成、杨建新、王如松将i c a 应用于广汉市生活垃圾管理评价 中，计算卫生填埋、焚烧、简单填埋和综合处理四种处理工艺的环境影响潜值， 得到综合法处理垃圾将垃圾的无害化处理与对其中资源的利用有机地结合起 来，减少了垃圾焚烧和填埋量，既降低了污染，又节约了处理成本，为最优处 理方案1 9 1 。2 0 0 2 年刘丽孺、毛建素、王晓华、李勇的生命周期评价及其在废物 管理中的应用，从评价模型建立角度较系统的分析了每一步的评价因子的确定， 指出“a 的发展应注重数学模型的建立起步阶段，还存在许多的问题，尤其缺 乏最新的、精确的和立足于尽量多的有效来源的数据库1 1 0 j ：2 0 0 2 年蔡宝森，杜 玲枝又将生命周期管理应用于平顶山市生活垃圾的处理中，从减量化、资源化 和无害化三个角度考虑城市生活垃圾的管理1 1 1 l ；杨卫国、白庆中、魏铁军2 0 0 3 年对产品生命周期评价在固体废弃物管理中的应用进行了研究1 1 2 j ；2 0 0 4 9 黄江 丽、王泽、王伟用生命周期评价北京市城市垃圾处理工艺，从垃圾卫生填埋、 焚烧和综合处理三个角度考虑对比，计算各种因子的环境影响潜值，得到综合 处理方式为最优处理方梨w 。 1 2 3 生命周期评价的应用领域 生命周期评价作为一种可持续的环境管理工具，同时也是一种定量化决策工 具，其应用领域非常广泛，包括产品设计、废弃物管理、污染预防及工艺设计。 ( 1 1l 【a 用于废弃物管理 废弃物的循环利用一般被认为是对环境有利的，但废弃物收集、分选和用 于产品加工也会带来明显的环境影响。究竟是循环利用好，还是直接处理( 如焚 烧或填埋1 好，这取决于这两个系统的废弃物在整个生命周期产生的环境影响和 经济效益【1 4 l q 。a m e l i a c r a i g h i l l 等人用l c a 比较了废弃物循环利用系统和废 弃物处理系统的环境影响，再加入环境影响的经济评价，结果表明，l c a 可为 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 可持续的废弃物管理系统提供有力支持【1 3 1 。 ( 2 ) l c a 用于评价污染预防措施 目前污染预防在政府和企业内部得到了高度重视，但以往的决策过程都把 环境影响重点放在生产阶段，而不是系统的整个生命周期过程，采取的污染预 防措施也都是针对某个过程的，显然对系统环境影响的全貌缺乏了解，不可避 免的带来决策失误或不理想，因此采取的预防措施也达不到理想的效果。而将 l c a 用于污染预防措施，能在决策过程中提供整个系统环境影响信息，有利于 选择理想的污染预防措旌和方法。m a r ya n nc u 哟n 1 1 6 1 曾详细阐述i c a 在评价污 染预防中的作用。 ( 3 ) l c a 用于产品设计 有关产品设计的u a 研究旧，最典型的例子包括对婴儿可重复使用的布尿 布和一次性纸尿布的比较研究，塑料杯和纸杯的比较，汉堡包聚苯乙烯包装和 纸包装1 1 暑】的对比研究以及美国纤维制造商协会完成的一种聚酷女式衬衫的生命 周期评价。 ( 4 ) l ( a 用于工艺设计 对于工艺设计者而言，面对的是经济和环境的双重约束，即如何做到经济 效益最大，而环境影响最小。以前的设计者大多运用的是成本一效益分析方法， 追求的是如何利用最小的经济成本换取最大的经济效益，而很少考虑外部成本， 即环境的代价。而环境影响评价和风险评价则更多考虑的是环境问题，而把经 济考虑放在第二位，由于这两种方法都只把环境问题放在特定较小的范围来考 虑，同时关注的是过程的输入和输出而不是过程本身，所以对如何通过减少废 物来改善工艺提不出比较好的建议，而l c a 从资源采集到产品的最终处置来考 虑环境影响，同时将这些影响和整个过程( 内、中、外) 的物质和能量联系在一起， 因此能在环境影响、工艺设计和经济学之间建立联系，从而能克服成本一效益 分析、环境影响评价和风险评价的不足【1 9 2 0 l 。 ( 5 ) l e a 用于企业清洁生产设计 以l c a 思想结合环境目标对企业生产全过程给予正确评价，评价从局部到 整体，从生产工艺到生产监督管理，从企业环境保护措施到区域环境质量，客 观公正地剖析实现清洁生产目标的具体要求及改进方案，如：企业清洁生产指标 可行性评价，企业实现清洁生产工艺的技术方案、技术改造要求及需投人资金， 企业清洁生产的时效评价，企业对改善区域嚣境并提高所在地区环境质量的系 统评价。采用l c a 思想对企业生产全过程进行清洁生产分折和评价，并完善清 洁生产指标体系，可为企业清洁生产审计提供可靠的技术保证，同时，可尽快 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 建立企业清洁生产定量考核与评价规范，促进企业可持续发展。 展望未来生命周期评价研究领域的发展，其研究重点可分为八个方面：即 生命周期的环境和生态风险分析；生命周期的环境和生态决策方法；生命周期 废弃物的减量化、无害化和资源化生态工程技术；生命周期管理标准；生命周 期管理政策和手段；生命周期的生态经济评价方法；生命周期管理的信息系统； 产品生命周期设计这些问题的解决将促进生命周期分析的系统化和完备化。 1 3 城市生活垃圾处理生命周期评价研究现状 生命周期评价作为一种全面的环境管理工具，它将环境因子融入整个产品 及工艺的设计、制造、消费、处置过程中，而城市生活垃圾管理的一个基本要 求就是将环境因素纳入到所有的经济与社会决策中，对经济因素和环境影响的 综合考虑需要对整个管理过程的环境影响进行评价。 城市生活垃圾生命周期评价是指通过对垃圾整个生命周期过程，包括从原 材料获取及生产、产品制造及使用、废物收集、回收、再利用及最终处理，物 质、能源输入、输出以及相应环境排放物进行识别和量化，评估各个阶段物质、 能源利用效率以及所排放废物的环境影响，从而设计出对环境友好的产品，尽 可能减少垃圾的产生、捧放，通过加强可回收品的循环、再利用、处理工艺的 优化设计等措施，将整个过程的环境影响降为最小，而不是某一阶段或工艺的 环境最优。从这个意义上讲，生命周期评价考虑了垃圾处理各个阶段环境影响 的平衡【2 1 2 2 1 。 生命周期评价考虑了生活垃圾处理各阶段对环境影响的平衡，它的主要意 义和作用在于以下几个方面：提供了一种系统性的观点。提供了一种整 体性的观点；注重生活垃圾生命周期中的整体环境影响分析；提供了组 织和编辑大量的研究框架；为政府环境规划提供了有力的支持；提供了 垃圾组分管理的依据。 目前，生命周期评价理论和方法的应用已从最初的针对产品开发到现在用 于战略规划、公共政策制定、市场营销等方面。城市生活垃圾的l e a 正成为生 命周期评价方法在公共政策制定领域的一个重要的研究方向，国外研究者已对 此作出了多方面的研究，对政府制定生活垃圾管理策略提供了科学依据。 而我国在这些方面的研究仍落后于欧美发达国家，u a 在城市生活垃圾管 理中的应用尚处于起步阶段。由于l c a 中比较成型的一些方法主要是依据发达 国家的数据背景而开发的，我国很难完全照搬，因此目前我国实际应用l c a 的 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 困难主要是数据的大量缺乏和适合我国国情的t c a 力法。 1 4 研究内容和技术路线 1 a 1 研究内容 1 基础理论研究 城市生活垃圾处处置现状和技术综述： 针对城市生活垃圾处理处置的现状，从模型实际的应用条件出发，对城 市生活垃圾及处理采用l c a 评价方法进行可行性分析和论证； 模糊综合评判方法概述以一级综合评价为例来研究。 2 l c a 模型的建立 运用基于隶属度的模糊综合评判方法建立城市生活垃圾处理l c a 模型， 包括目标定义范围确定、清单分析、影响评价模型建立和生命周期解释； 隶属度函数和权重的确定，由于受到条件的限制，本文主要采用模拟专 家打分法来确定各种环境影响类型重要性的大小。 在以上的数学模型研究基础上，具体论证四种城市垃圾处理方案( 卫生 填埋、高温焚烧、堆肥和在；综合处理) ，各自的环境影响潜值： 3 模型在生活垃圾处理中的应用将模型应用于成都市城市生活垃圾处 理，讨论i a z a ，建立全球变暖、酸化、富营养化及生态毒性环境影响分类体系， 通过对每一环境影响类型利用特征化因子计算环境影响潜值、数据标准化、加 权评估，最终得到四种拟定的成都市生活垃圾处理方案对于不同环境影响类型 的环境影响潜值，再综合考虑经济、环境、技术、社会等不同影响因素条件， 计算出最终评判结果，最终得出成都市生活垃圾处理的最佳方案。 1 4 2 研究的技术路线 本文在全面综述生命周期评价的技术演变及研究现状的基础上，针对城市 生活垃圾处理处置的现状，从模型实际的应用条件出发，城市生活垃圾处理系 统生命周期评价模型，通过对每一环境影响类型利用特征化因子计算环境影响 潜值、数据标准化、加权评估，最终得到四种拟定的成都市生活垃圾处理方案 对于不同环境影响类型的环境影响潜值和总环境影响潜值，再综合考虑经济、 环境、技术、社会等不同影响因素条件，计算出最终评价结果，最终得出成都 市生活垃圾处理的最佳方案。其研究的技术路线见下图1 - 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 图1 - 1 城市生活垃圾处理生命周期评价技术路线图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 第二章城市生活垃圾的产生与处理概述 城市生活垃圾是随着城市的出现而产生的，随着经济的发展、城市规模不 断扩大、人口高度集中、人民消费水平日益提高，城市生活垃圾产生量一直在 不断地增加，垃圾处理和处置的矛盾日益突出。城市生活垃圾已成为世界性的 一大环境问题。 2 1 城市生活垃圾的产生 按照城市生活垃圾的产生源，一般可分为居民生活垃圾、街道路面垃圾、 商业垃圾、机关事业单位垃圾等四大类。居民生活垃圾是城市垃圾中最重要的 组成部分，约占其总量的7 0 ，成分包括煤灰、灰土等无机垃圾，厨余、庭院 垃圾等可堆肥的有机垃圾，以及纸、塑料、玻璃、电池等可回收利用的垃圾。 在家庭中，厨余垃圾量约占家庭垃圾总量的8 0 左右，其次为塑料、纸等包装 材料和容器等。街道路面垃圾主要包括行人丢弃在果皮箱中的瓜果皮、纸、塑 料等包装材料、容器以及街道清扫的灰土，这部分垃圾约占城市垃圾总量的 1 0 ，成分随季节变化幅度大，夏季主要以瓜果皮为主，而在深秋季节落叶的 数量明显增多。商业垃圾主要有三个来源：商场垃圾、餐饮垃圾和农贸市场垃 圾，占城市垃圾总量的1 5 。商场垃圾主要是一些纸、塑料、木制包装材料， 它们直接由商家回收利用或由小贩收购后卖给废品收购站，仅有少量利用价值 较低的部分进入城市垃圾流中：餐饮垃圾中的最主要成分是饭店、饭馆的剩饭、 剩菜，通常有人收集去喂猪、鸡等家畜，而一次性快餐盒、饮料杯则进入城市 垃圾中；农贸市场的垃圾主要是烂菜叶、边角料等，是很好的畜禽饲料和堆肥 原料，一般都进入城市垃圾中。机关、事业单位的垃圾主要包括办公用纸、塑 料和玻璃器具，其产生量不大，以废纸的量最大，约占城市垃圾总量的5 左右。 2 1 1 城市生活垃圾组成 城市生活垃圾的构成受多种因素影响，各个地区间经济发展不同和人民生 活水平不同，也必将导致生活垃圾组成不同【冽。表2 1 我国部分城市垃圾成分 表( 重量百分比) 。从中可以看出，不同的地区，垃圾的组成区别很大。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 2 2 城市生活垃圾处理技术 垃圾问题的产生决定于垃圾的绝对量，但也与吸纳和处理垃圾的情况密切 相关，垃圾处理的目标就是实现垃圾减量化、无害化、资源化。我国各大中城 市生活垃圾仍以混合收集为主，2 0 世纪9 0 年代以来，国家颁布了固体废弃物 污染环境防治法和城市生活垃圾管理办法等法律、规定【期，提出垃圾分 类收集的要求，环卫部门会同一些居委会和单位建立了一批垃圾分类试点，但 这更多的停留在宣传、教育层面，并未形成规模及与生活垃圾的后续处理很好 的结合。生活垃圾被混合收集后，由环卫公司直接送垃圾处理场进行处理。 对于垃圾处理技术，最常用的有卫生填埋、焚烧处理和高温堆肥，此外还 有厌氧消化、热解气化、高温高压液化等。但目前国内外形成的垃圾处理方法 基本上是填埋、焚烧和堆肥三种。在我国，填埋占总处理量的7 0 以上，其次 是采用堆肥化，约占总处理量的2 0 ，其它处理方式占1 0 左右。 2 2 1 垃圾卫生填埋技术 卫生填埋是垃圾处理必不可少的最终处理手段，也是现阶段我国垃圾处理 的主要方式。由于我国垃圾处理受到技术水平、经济条件等影响，卫生填埋将 是我国主要的垃圾处置方式，也是我国现在和今后一段时间内的主要处理技术。 城市生活垃圾的卫生填埋一般是在填埋场内分区分层进行填埋，每天运到 填埋场的生活垃圾，在限定的范围内铺成适当薄层，压实，在微生物作用下， 进行有机成分的生物降解过程，并释放出填埋气体和大量含有机物的液体。卫 生填埋的处理工艺见图2 _ 2 0 0 l 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 圈2 - 2 卫生填埋工艺原理漉程图 由于卫生填埋技术工艺简单、成本较低，因此在大多数国家被广泛使用， 韩国有9 3 的垃圾使用该法处理，英国有9 0 的垃圾也以填埋法为主我国大 多数城市也采用填埋法处理城市生活垃圾，从多年的实践经验看，垃圾填埋场 可以大量的处理城市垃圾，是各种废弃物的最终处理场所但是随着现代科学 技术的发展，城市生活垃圾采用填埋处理的趋势有所下降，数量在减少，填埋 将成为其它处理工艺的辅助方法，成为不能再利用物质的最终消纳场所。 我国的卫生填埋几乎全部采用传统的厌氧填埋方式，但填埋技术也并非是 一种完美的垃圾处理技术，其垃圾的稳定化时间较长，渗滤液的水质水量波动 较大，同时污染的风险也较大如果将所有的垃圾都进行填埋，同时也填埋掉 了有用之物，如塑料、纸张及其它一些高热能废物，造成了资源浪费，所以填 埋技术没有实现废物资源化，并不能代表未来的发展方向。 2 2 2 高温堆肥处理技术 堆肥处理是利用微生物分解垃圾中有机成分的生物化学过程。在生化反应 过程中，有机物、氧气和细菌相互作用，析出二氧化碳、水和热量，同时生成 腐殖质1 3 l l 。 根据处理过程中起作用的微生物对氧气要求的不同，可分为好氧堆肥法( 高 温堆肥法1 和厌氧堆肥法两种。前者是在通气条件下借助好氧型微生物活动使生 活垃圾得到降解。由于好氧堆肥温度高，一般在5 0 - 6 0 ，极限可达8 0 - 9 0 ， 故也称为高温堆肥。后者则是利用厌氧微生物发酵造肥。高温堆肥工艺见图2 3 堆肥技术是实现城市垃圾资源化、减量化的一条重要途径。它不仅可以杀 死垃圾中的病原菌，有效处理垃圾中的有机物，而且可生产有机肥，特别适用 农业为主的国家和地区，使用堆肥可以增加土壤中的有机成分，有利于增加农 业产量。另外，由于堆肥处理是通过生化反应实现的，因此是一种符合生态要 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 求的垃圾处理方法，而且操作安全性较好，能很好的实现垃圾资源化。堆肥时， 垃圾中的石块、金属、玻璃、塑料等废物不能被微生物分解，必须进行预分选， 另行处 2 2 3 焚烧处理技术 图2 - 3 高温堆肥工艺原理流程图 焚烧处理是一种对城市生活垃圾进行高温热化学处理的技术。将生活垃圾 送入过量空气稀疏大于l 和温度为8 0 0 - 1 0 0 0 的炉膛内燃烧，城市生活垃圾中 的可燃组分与空气中的氧进行剧烈的化学反应，释放出热量并转化为高温的燃 烧气体和少量的性质稳定的固体残渣，当生活垃圾有足够的热值时，生活垃圾 能靠自身的能量维持自燃，而不用提供辅助燃料p 2 1 。垃圾燃烧产生的高温燃烧 气体可作为热能回收利用，性质稳定的残渣可直接填埋处理，各种恶臭气体得 到高温分解，因此采用焚烧工艺处理垃圾能以最快的速度实现无害化、稳定化、 资源化和减量化的最终目标。在工业发达的国家被广泛采用【3 3 i 。焚烧处理的工 艺流程见图2 4 。 垃圾焚烧处理由于具有明显的减量化和无害化而得到迅速发展。国外垃圾 焚烧处理技术起步较早，已发展了大约1 0 0 年，处理技术工艺和设备较为成熟。 日本的垃圾焚烧率在1 9 8 1 年就达到了8 5 ，法国共有垃圾焚烧处理厂5 0 多座， 意大利罗马市4 1 7 的生活垃圾实行焚烧处理，产生的蒸汽作能源利用。而在 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 我国，垃圾焚烧技术的使用还不是很广泛，深圳市垃圾焚烧厂是我国引进国外 关键技术及主要设备建成的第一座现代化焚烧厂，为我国发展自己的垃圾焚烧 技术提供了经验。 外运填埋 图2 - 4 焚烧工艺原理流程图 焚烧技术对垃圾的低位发热值有一定的要求，不是任何垃圾都可以焚烧， 通常要求低位热值大于4 1 2 7 1 0 k g ，水份- 5 4 ，可燃物含量- 2 2 。我国城市中 的可燃物主要是厨余类垃圾，而塑料、废纸等高热值垃圾含量较小，与国外相 比垃圾热值仍然较低。另外，垃圾焚烧处理成本较高，由于我国焚烧技术发展 较晚，需要从国外引进焚烧炉或焚烧技术，使得焚烧设备一次性投资大、运转 成本高。另外，焚烧过程产生的有害气体会对大气环境造成污染，尤其是产生 的急性剧毒物质二恶英最受关注【3 4 1 。 2 2 4 综合处理 所谓综合处理技术就是卫生填埋、堆肥、焚烧等多种垃圾处理系统的有机 结合，因地制宜，充分发挥各种垃圾处理系统的优势，扬长避短，从而真正实 现生活垃圾的无害化、减量化和资源化【3 3 j 。在综合处理系统中，必须要先进行 垃圾分选，垃圾分选不仅可回收有用物质，而且也是后续各种处理的基础，综 合处理是建立在垃圾有效分选之上的。源头分类收集是最理想的，有利于回收 物质的再利用，但由于现阶段我国社会条件的制约，还不可能真正做到源头分 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 类收集，在这种情况下，可建设垃圾分选中转站1 2 日，在此进行垃圾分选，玻璃、 纸板、金属等利用价值较高的物品被回收利用；而有机残余物进行堆肥处理， 其它易燃物质被焚烧回收能量，焚烧和堆肥的残余物进行填埋处理。 图2 - 5 生活垃圾综合处理体系的技术框架 由于生活垃圾综合处理是由单一处理发展而成，它不仅集中了填埋、堆肥、 焚烧的优点而有机结合，同时也解决了单一处理的缺点。采用综合处理