周 鋼，宋 濤，馬士偉，沈來(lái)宏，葛暉駿

(1.南京師范大學(xué) 能源與機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210023；2.東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院 能源轉(zhuǎn)換及其過(guò)程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210000)

0 引 言

隨著人民生活水平的提高，市政污泥作為城市污水處理系統(tǒng)主要衍生物，處置要求大幅提高，需滿足減容化、穩(wěn)定化、無(wú)害化和資源化要求[1]。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外主流的污泥處置方法包括土地利用、建材利用、衛(wèi)生填埋與焚燒處置等[2]。其中市政污泥焚燒協(xié)同發(fā)電是最具大規(guī)模推廣潛力的處置技術(shù)之一，其利用污泥有機(jī)成分含量高與干基具有可燃性的兩大特點(diǎn)[3]，可在大規(guī)模處置污泥的同時(shí)回收利用焚燒產(chǎn)生的熱量進(jìn)行供熱發(fā)電。然而由于市政污泥揮發(fā)分高但固定碳含量低，造成其熱值相對(duì)較低，易著火卻燃燒不穩(wěn)定。因此，市政污泥作為單一燃料進(jìn)行焚燒發(fā)電對(duì)整個(gè)工藝要求相對(duì)較高[4]。目前普遍認(rèn)為采用加入生物質(zhì)、煤或一般工業(yè)固廢等與市政污泥進(jìn)行混合燃燒，不僅可提高污泥燃燒的穩(wěn)定性，且可極大降低污泥處理處置成本。魏玉芹等[5]研究了調(diào)理壓榨后污泥與生物質(zhì)制備燃料特性，結(jié)果表明，添加木屑、稻秸、甘燕渣的污泥衍生燃料低位熱值較高且燃燒穩(wěn)定均勻，可作燃料使用。NAMKUNG等[6]對(duì)煤與污泥木質(zhì)生物質(zhì)混燃特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)煤與污泥、木質(zhì)生物質(zhì)混合燃料可有效降低燃點(diǎn)與揮發(fā)性。張宗振等[7]在某電廠1 000 MW機(jī)組的循環(huán)流化床鍋爐中進(jìn)行含水量60%市政污泥與煤的直接摻燒試驗(yàn)，粉塵、NOx和SOx的排放均符合國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。孫宇等[8]對(duì)污泥混煤焚燒工藝進(jìn)行綜合分析比較，發(fā)現(xiàn)當(dāng)污泥摻混比例小于20%時(shí)，混燃對(duì)燃燒工況的影響最小，利用循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行污泥混煤焚燒是一種可行的污泥協(xié)同處置方案。由此可知，污泥混燃協(xié)同發(fā)電是大規(guī)模處置且資源化利用最有效的方法之一。

但由于混合燃料物化特性不同，勢(shì)必導(dǎo)致不同污泥混燃工藝選擇具有差異。與此同時(shí)，污泥混燃發(fā)電工藝的全生命進(jìn)程包括原材料收集、運(yùn)輸、預(yù)處理及煙氣灰渣處理，涉及較多環(huán)節(jié)，且各環(huán)節(jié)都可能對(duì)環(huán)境、人體健康造成一定危害，導(dǎo)致資源浪費(fèi)。因此，需要采用更全面的評(píng)價(jià)方法，對(duì)各種污泥混燃工藝及各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行全方位分析。

生命周期評(píng)價(jià)(Life Cycle Assessment，LCA)是用于評(píng)估產(chǎn)品在其整個(gè)生命周期內(nèi)，即從原材料獲取、產(chǎn)品生產(chǎn)直至產(chǎn)品使用后的處置，對(duì)環(huán)境影響的技術(shù)與方法[9]。LCA被眾多學(xué)者用來(lái)分析評(píng)價(jià)不同污泥處置工藝的環(huán)境影響與資源消耗。袁言言等[10]基于LCA和AHP分別對(duì)干化焚燒與簡(jiǎn)單填埋2種污泥處理方式進(jìn)行環(huán)境、資源、經(jīng)濟(jì)綜合性能評(píng)價(jià)，認(rèn)為污泥焚燒發(fā)電處置方式的綜合性能更優(yōu)，但經(jīng)濟(jì)成本過(guò)高是限制其發(fā)展的重要因素。趙由才等[11]對(duì)污泥填埋、原污泥干化焚燒以及改性(添加礦化垃圾篩上物、木屑、M1脫水劑和煤粉)污泥干化焚燒3種污泥處置方式進(jìn)行全生命周期評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，通過(guò)改變焚燒條件或添加劑組分，可使改性污泥焚燒具有較高的能量輸出。然而，關(guān)于污泥混燃工藝的環(huán)境影響與資源消耗分析相對(duì)較少。

總體而言，目前關(guān)于不同污泥混燃工藝從污泥和混合燃料的收集、焚燒發(fā)電到灰渣的處置這一全生命進(jìn)程的系統(tǒng)性對(duì)比研究鮮有報(bào)道。同時(shí)，有關(guān)“雙碳”視角下的污泥混燃發(fā)電工藝的碳排放情況也相對(duì)較少。因此，筆者分別以污泥與一般工業(yè)固廢、煙煤、稻秸混燃發(fā)電工藝為研究對(duì)象，通過(guò)LCA對(duì)3種工藝進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。將3種工藝劃分為生產(chǎn)上游、生產(chǎn)過(guò)程和生產(chǎn)下游，分別研究各階段的環(huán)境影響與資源消耗狀況，探究工藝流程中影響環(huán)境狀況的主要因素，并對(duì)3種混燃工藝進(jìn)行全生命周期碳排放核算，進(jìn)行3種工藝之間橫向?qū)Ρ确治?。以便為決策者提供一個(gè)清晰的視角，制定環(huán)境友好、資源節(jié)約型污泥處置方案。

1 研究對(duì)象與研究范圍

以蘇州昆山某污泥混燃協(xié)同發(fā)電公司和宿遷某工業(yè)固廢處置配套發(fā)電公司2個(gè)實(shí)際工程案例作為研究對(duì)象，利用LCA分別研究污泥與煙煤混燃發(fā)電、污泥與稻秸混燃發(fā)電、污泥與一般工業(yè)固廢混燃發(fā)電3種實(shí)際運(yùn)行工藝。3種工藝的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表1。其中污泥與煙煤混燃發(fā)電工藝、污泥與稻秸混燃發(fā)電工藝均為昆山某污泥混燃協(xié)同發(fā)電公司實(shí)際運(yùn)行案例，采用該廠45 t/h循環(huán)流化床鍋爐，配套6 MW背壓式發(fā)電機(jī)組；污泥與一般工業(yè)固廢混燃發(fā)電工藝為宿遷某工業(yè)固廢處置配套發(fā)電公司的實(shí)際運(yùn)行案例，采用該廠90 t/h循環(huán)流化床鍋爐，配套7.5 MW背壓式發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電。經(jīng)污水處理廠運(yùn)輸?shù)暮?5%的濕污泥干化后分別與煙煤、稻秸及一般工業(yè)固廢摻混燃燒，產(chǎn)生的高溫蒸汽通過(guò)配套發(fā)電機(jī)組發(fā)電。3種工藝的研究范圍都是從原材料的種植、開(kāi)采、收集、運(yùn)輸以及預(yù)處理開(kāi)始，再送入鍋爐中焚燒發(fā)電至灰渣的最終處置結(jié)束，系統(tǒng)邊界示意如圖1所示。

表1 各工程案例實(shí)際運(yùn)行參數(shù)

圖1 3種不同污泥混燃發(fā)電工藝系統(tǒng)邊界Fig.1 Boundaries of three different sludge co-combustion power generation process systems

利用LCA將3種工藝都分為生產(chǎn)上游、生產(chǎn)過(guò)程、生產(chǎn)下游3個(gè)階段。生產(chǎn)上游主要包括污泥運(yùn)輸、干化過(guò)程，水稻種植、收集、運(yùn)輸過(guò)程，煤炭開(kāi)采、運(yùn)輸過(guò)程，一般工業(yè)固廢的運(yùn)輸以及破碎處理過(guò)程；生產(chǎn)過(guò)程即混合燃料焚燒發(fā)電過(guò)程；生產(chǎn)下游主要考慮焚燒后灰渣的運(yùn)輸過(guò)程。為方便對(duì)比分析，3種工藝均采用1 t含水率65%濕污泥為功能單位，各工藝生產(chǎn)原料及混合燃料成分分析見(jiàn)表2。其中污泥與一般工業(yè)固廢混燃發(fā)電工藝選擇的摻混燃料為該項(xiàng)目周邊一定范圍內(nèi)收集到的造紙殘?jiān)?A)、廢棄紡織品(B)、建材邊角料(C)、家具邊角料(D)。

表2 各工藝生產(chǎn)原料及混合燃料成分分析

續(xù)表

2 生命周期清單分析

2.1 生產(chǎn)上游

2.1.1 污泥與煙煤混燃發(fā)電

該工藝生產(chǎn)上游包括煤炭開(kāi)采及運(yùn)輸過(guò)程與污泥運(yùn)輸及干化過(guò)程。其中煤炭開(kāi)采階段污染物來(lái)源主要為礦井中抽排出的瓦斯氣體、煤炭與煤矸石的自燃、車輛尾氣的排放、儲(chǔ)煤場(chǎng)與道路揚(yáng)塵、礦區(qū)廢水以及固體廢棄物污染，數(shù)據(jù)參考文獻(xiàn)[12]。煤炭運(yùn)輸采用鐵路運(yùn)輸方式，據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)年鑒統(tǒng)計(jì)，2020年煤炭平均運(yùn)輸距離為656 km，內(nèi)燃機(jī)柴油消耗量為2.64 g/(t·km)。污泥運(yùn)輸采用40 t載重的重型柴油卡車，周邊各城市污水處理廠到電廠的平均運(yùn)輸距離設(shè)為30 km，柴油消耗量為37.66 g/(t·km)。通過(guò)重型卡車運(yùn)輸污染物排放系數(shù)以及內(nèi)燃機(jī)污染物排放系數(shù)[13-14]，結(jié)合運(yùn)輸距離與柴油消耗量即可獲得運(yùn)輸階段污染物排放量與柴油消耗量。經(jīng)污水處理廠運(yùn)輸?shù)氖姓勰嗪蕿?5%，含水率過(guò)高制約混燃過(guò)程燃燒效率[15]，該工藝采用低溫除濕干化工藝將其干化至含水率40%左右與煙煤混燃。該過(guò)程產(chǎn)生惡臭氣體H2S與NH3，預(yù)熱后送入鍋爐焚燒處理，生成NOx與SO2與煙氣一起排出。本階段資源消耗主要是干化過(guò)程中干化機(jī)主機(jī)、熱泵制熱系統(tǒng)、空氣循環(huán)系統(tǒng)、輔助循環(huán)冷卻水系統(tǒng)等機(jī)械設(shè)備電耗，約31.48 kWh/t(以濕污泥計(jì))。由于廠內(nèi)用電由該發(fā)電項(xiàng)目自身提供，故電耗造成的環(huán)境影響作為間接排放計(jì)入生產(chǎn)過(guò)程。

2.1.2 污泥與稻秸混燃發(fā)電

該工藝生產(chǎn)上游包括污泥運(yùn)輸及干化、水稻種植、稻秸預(yù)處理以及稻秸運(yùn)輸過(guò)程。其中污泥運(yùn)輸、干化過(guò)程污染物排放與資源消耗數(shù)據(jù)參考污泥與煙煤混燃發(fā)電工藝。水稻種植階段生長(zhǎng)固碳(CO2)量由稻秸含碳量估算，為1 206.12 t/t；由于稻田為水田，農(nóng)田溫室氣體以CH4和N2O為主，排放量分別為38.388和0.337 kg/t(均以稻谷計(jì))[16]；每噸稻谷純N、磷肥(P2O5)、鉀肥(K2O)使用量分別為28.85、14.42和17.31 kg/t[13]，其中每噸水稻純N流失率為5%，農(nóng)藥流失量為0.54 kg/t[17]；根據(jù)化肥生產(chǎn)階段各污染物排放系數(shù)[13]，結(jié)合施肥量即可獲得稻秸種植階段化肥生產(chǎn)的間接排放。因水稻種植范圍廣，為方便收集運(yùn)輸，需破碎、打包等，主要為機(jī)器電耗，為0.021 kWh/kg(以稻秸計(jì))[18]。根據(jù)我國(guó)電力生產(chǎn)污染物排放系數(shù)[14]結(jié)合耗電量可得該過(guò)程污染物排放量。稻秸運(yùn)輸采用5 t載重輕型柴油卡車，考慮到稻秸收集均在電廠附近農(nóng)村，一般運(yùn)輸半徑為50 km，結(jié)合小型卡車污染物排放系數(shù)可得污染物排放量與柴油消耗量。

2.1.3 污泥與一般工業(yè)固廢混燃發(fā)電

該工藝生產(chǎn)上游包括污泥運(yùn)輸及干化與一般工業(yè)固廢運(yùn)輸及預(yù)處理過(guò)程。其中污泥與一般工業(yè)固廢運(yùn)輸、干化過(guò)程污染物排放和資源消耗數(shù)據(jù)計(jì)算參考污泥與煙煤混燃發(fā)電工藝。固廢原料由40 t重型載重卡車運(yùn)至廠內(nèi)后，經(jīng)電磁除鐵后送至破碎機(jī)破碎，主要破碎固廢為服裝廠邊角料、家具廠邊角料及造紙輕渣。參照《逸散性工業(yè)粉塵控制技術(shù)》，項(xiàng)目破碎過(guò)程粉塵排放系數(shù)為0.2 kg/t，破碎粉塵由管道收集后通過(guò)引風(fēng)機(jī)送至脈沖布袋除塵器處理，捕集效率達(dá)100%，除塵效率按99%計(jì)算，破碎粉塵產(chǎn)生量為0.1 kg/t(以濕污泥計(jì))。該過(guò)程產(chǎn)生資源消耗主要為電力消耗，由發(fā)電項(xiàng)目自身提供，電力消耗造成的環(huán)境影響作為間接排放計(jì)入生產(chǎn)過(guò)程。

上述各工藝生產(chǎn)上游階段使用運(yùn)輸載具污染物排放系數(shù)、化肥生產(chǎn)污染物排放系數(shù)及電力生產(chǎn)污染物排放系數(shù)見(jiàn)表3。

表3 污染物排放系數(shù)

2.2 生產(chǎn)過(guò)程

生產(chǎn)過(guò)程環(huán)境影響主要考慮氣體污染物、水體污染物以及固體廢棄物的直接或間接排放。氣體污染物來(lái)自焚燒后煙氣排放，主要有CO2、SO2、CO、NOx、PM10。根據(jù)鍋爐實(shí)際運(yùn)行效率，按90%碳轉(zhuǎn)化率估算CO2排放量，其他氣體污染物通過(guò)各工藝現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算可得。水體污染物主要來(lái)自污泥干化系統(tǒng)蒸汽冷凝液、鍋爐排水與冷卻塔排水等，主要考慮的評(píng)價(jià)因子包括化學(xué)需氧量COD、固體懸浮物SS、氨氮NH3-N、總磷TP及總氮TN，這些排放量可根據(jù)項(xiàng)目環(huán)評(píng)報(bào)告中數(shù)據(jù)通過(guò)換算獲得相應(yīng)功能單位的排放值。生產(chǎn)過(guò)程資源消耗主要為水、煤及電力消耗。其中電耗由發(fā)電項(xiàng)目自身提供，即對(duì)應(yīng)的廠用電。廠用電造成污染物間接排放計(jì)入焚燒過(guò)程。鍋爐耗水量由鍋爐蒸發(fā)量與汽水損失量相加可得，其中鍋爐排污損失水量設(shè)為3%，管道汽水損失量設(shè)為3%，由此可得該過(guò)程耗水量。

2.3 生產(chǎn)下游

生產(chǎn)下游主要涉及焚燒后可利用固體廢棄物。固體廢棄物主要包括鍋爐飛灰、底渣與脫硫石膏等，其中鍋爐底渣、脫硫石膏等送至附近建材生產(chǎn)廠家作原料使用，實(shí)現(xiàn)資源化利用。污泥焚燒廠至建材生產(chǎn)產(chǎn)家距離設(shè)為30 km，固廢利用率為90%，該階段環(huán)境排放及資源消耗計(jì)算參照生產(chǎn)上游污泥運(yùn)輸階段。而鍋爐飛灰為危險(xiǎn)廢棄物，一般交由資質(zhì)單位委托處理，不考慮資源化利用。

2.4 環(huán)境負(fù)荷比較

基于以上清單收集結(jié)果，將3種污泥混燃發(fā)電工藝全生命周期污染物排放與資源消耗換算為每處理1 t濕污泥排放量與消耗量，具體結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 環(huán)境排放與資源消耗清單

由表4可知，主要環(huán)境排放集中在生產(chǎn)過(guò)程，而生產(chǎn)上游、下游對(duì)環(huán)境負(fù)荷影響較小。其中，CO2和固體廢棄物產(chǎn)生量較多。污泥與一般工業(yè)固廢混燃發(fā)電工藝的CO2排放量最高，達(dá)13 986 kg/t(以濕污泥計(jì)，下同)；污泥與稻秸混燃發(fā)電工藝CO2排放量最少，僅為930 kg/t，這是由于該工藝生產(chǎn)上游水稻生長(zhǎng)過(guò)程固定CO2。污泥與一般工業(yè)固廢混燃發(fā)電工藝的固廢產(chǎn)生量較多，導(dǎo)致占地問(wèn)題嚴(yán)重。針對(duì)污泥與煙煤混燃發(fā)電工藝，煤炭消耗高達(dá)450 kg/t，說(shuō)明該工藝在資源化處置污泥的同時(shí)，也伴隨煤炭資源大量損耗。

3 生命周期影響評(píng)價(jià)

由于各種污染物排放對(duì)環(huán)境變化貢獻(xiàn)不同，各種資源消耗對(duì)于該資源未來(lái)耗竭情況影響也不同。為綜合分析各工藝對(duì)環(huán)境與資源耗竭的影響，利用LCA對(duì)3種工藝進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)，將表4的結(jié)果轉(zhuǎn)化為能直接反映環(huán)境影響潛值與資源消耗潛值的指標(biāo)?；趪?guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織的ISO14040框架，LCA通常包括分類、特征化和量化3個(gè)步驟[19]。

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

針對(duì)3種工藝實(shí)際運(yùn)行時(shí)可能產(chǎn)生的環(huán)境影響、資源消耗以及對(duì)人體健康造成的危害進(jìn)行評(píng)價(jià)分析?；诠I(yè)產(chǎn)品環(huán)境設(shè)計(jì)(EDIP)環(huán)境影響分類體系，對(duì)污泥混燃發(fā)電工藝污染物排放導(dǎo)致的環(huán)境影響進(jìn)行分類，根據(jù)不同環(huán)境影響類型體現(xiàn)3種工藝的環(huán)境負(fù)擔(dān)。主要考慮污泥混燃發(fā)電工藝在全球變暖(GWP)、酸化(AP)、富營(yíng)養(yǎng)化(EP)、光化學(xué)污染(POF)、人體毒性(HTP)和固體廢棄物(SW)6種環(huán)境影響類型的環(huán)境影響潛值，將各種污染物通過(guò)參考物質(zhì)歸類到相應(yīng)環(huán)境影響類型。資源耗竭潛值主要以全生命周期內(nèi)各種資源消耗為指標(biāo)參數(shù)，為便于計(jì)算，本文選取Fe為參考物質(zhì)。各污染物與資源消耗當(dāng)量因子數(shù)據(jù)均來(lái)源于CML數(shù)據(jù)庫(kù)，綜合見(jiàn)表5。

表5 各排放物與資源消耗當(dāng)量因子

3.2 影響評(píng)價(jià)

對(duì)工藝各環(huán)境影響類型進(jìn)行分類后，采用污染物排放量或資源消耗量乘以相應(yīng)當(dāng)量因子的方法進(jìn)行特征化處理，結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可知，各工藝中GWP值與SW值較大，其中污泥與一般工業(yè)固廢混燃發(fā)電工藝由于發(fā)電規(guī)模最大，混合燃料焚燒后溫室氣體排放相對(duì)較多，故GWP值也最大，為13 992 kg/t。對(duì)于污泥與稻秸混燃發(fā)電工藝，GWP值相較其他工藝最小，僅1 158 kg/t，說(shuō)明水稻種植階段對(duì)CO2的吸收固定可有效減少64%的CO2排放，緩解工藝溫室氣體排放對(duì)全球變暖的影響程度。另外，污泥與煙煤混燃工藝中EP值明顯高于其他工藝，可知該工藝煤炭開(kāi)采階段水體污染物排放較多，其貢獻(xiàn)高達(dá)97%。針對(duì)AP、HTP指標(biāo)，污泥與一般工業(yè)固廢混燃發(fā)電工藝最大，與稻秸混燃發(fā)電工藝次之，與煙煤混燃發(fā)電工藝最小。各工藝生命周期內(nèi)均會(huì)產(chǎn)生資源消耗，污泥與一般工業(yè)固廢混燃發(fā)電工藝采用的鍋爐容量最大，生產(chǎn)過(guò)程耗水量必然最大，導(dǎo)致該工藝資源消耗潛值(441 kg/t)明顯高于另外2種工藝。

表6 特征化值

為無(wú)量綱比較各種環(huán)境影響類型對(duì)總體環(huán)境影響貢獻(xiàn)，便于不同工藝間橫向?qū)Ρ刃柽M(jìn)行量化處理，即對(duì)各環(huán)境影響特征值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化與加權(quán)評(píng)估處理。本文主要考慮全球性、區(qū)域性及局地性3個(gè)視角下各環(huán)境影響類型權(quán)重[19]。標(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn)與權(quán)重因子[20]見(jiàn)表7，處理結(jié)果見(jiàn)表8。

表7 各環(huán)境影響類型標(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn)與權(quán)重因子[20]

表8 不同視角下各環(huán)境影響類型潛值和總環(huán)境影響值

3.3 結(jié)果分析與討論

圖2為不同視角下各環(huán)境影響類型占總環(huán)境影響份額及總環(huán)境影響值。由圖2可知，每處理1 t濕污泥，不同視角下各工藝的總環(huán)境影響值以及不同環(huán)境影響類型對(duì)總環(huán)境影響貢獻(xiàn)程度不同。3種污泥混燃發(fā)電工藝中，總環(huán)境影響值呈全球性>局地性>區(qū)域性趨勢(shì)，其中污泥與一般固廢混燃發(fā)電工藝總環(huán)境影響值最大，分別為0.87、0.50、0.22人·a/t；其次為與煙煤混燃發(fā)電工藝，分別為0.12、0.12、0.07人·a/t；與稻秸混燃發(fā)電工藝最小，為0.09、0.08、0.04人·a/t。

針對(duì)污泥與一般固廢混燃發(fā)電工藝(圖2(a))，全球性視角下，GWP占總環(huán)境影響份額達(dá)89.16%；區(qū)域性視角下，GWP、SW、AP三者共占總環(huán)境影響份額達(dá)88.41%；局地性視角下，GWP、SW占總環(huán)境影響份額為94.13%。由此可見(jiàn)，GWP、SW、AP為該工藝實(shí)際運(yùn)行導(dǎo)致的主要環(huán)境影響類型。對(duì)于污泥與煙煤混燃發(fā)電工藝(圖2(b))，全球性視角下，對(duì)總環(huán)境影響貢獻(xiàn)程度較大的環(huán)境影響類型有GWP、EP,共占比86.15%；區(qū)域性視角下，EP占比大幅提升，達(dá)58.2%；局地性視角下，SW占比提升明顯，為78.32%，EP顯著下降，降至11.13%。污泥與稻秸混燃發(fā)電工藝(圖2(c))總環(huán)境影響占比較大的環(huán)境影響類型為GWP、EP、AP、SW。全球性視角下，GWP、AP共占比86.05%；區(qū)域性視角下，AP為導(dǎo)致環(huán)境惡化主要環(huán)境影響類型，占比41.02%；局地性視角下，SW、GWP共占比87%。

圖2 不同視角下各環(huán)境影響類型占總環(huán)境影響份額及總環(huán)境影響值Fig.2 Share and total environmental impact value of each environmental impact type from different perspectives

通過(guò)橫向?qū)Ρ?種工藝，可知污泥與一般工業(yè)固廢混燃發(fā)電工藝實(shí)際運(yùn)行時(shí)對(duì)環(huán)境影響程度最大，主要是由于污泥摻燒比例(10%)最小，而污泥與煙煤混燃發(fā)電工藝和污泥與稻秸混燃發(fā)電工藝污泥摻燒比例分別為63%與45%。GWP、SW、AP、EP是導(dǎo)致環(huán)境惡化的主要環(huán)境影響類型，污泥與煙煤混燃發(fā)電工藝中EP對(duì)總環(huán)境的影響程度(11%～58%)遠(yuǎn)大于與一般固廢混燃發(fā)電工藝(0.74%～5.90%)及與稻秸混燃發(fā)電工藝(2%～10%)。因此煤炭開(kāi)采階段水體污染物的排放是導(dǎo)致EP的主要原因，對(duì)環(huán)境影響很大。由于污泥與稻秸混燃發(fā)電工藝生產(chǎn)上游階段水稻生長(zhǎng)所需化肥的生產(chǎn)間接排放導(dǎo)致AP占總環(huán)境影響份額(5%～42%)較污泥與煙煤混燃發(fā)電工藝(1%～10%)更顯著。需要注意的是，由于水稻種植階段農(nóng)藥流失導(dǎo)致的間接污染，污泥與稻秸混燃發(fā)電工藝中HTP對(duì)總環(huán)境影響貢獻(xiàn)程度(1.41%～6.19%)較另外2種工藝更顯著。

為進(jìn)一步分析污泥混燃發(fā)電工藝各階段的環(huán)境影響分布情況，分別針對(duì)生產(chǎn)上游、生產(chǎn)過(guò)程、生產(chǎn)下游3個(gè)階段分析不同環(huán)境影響類型的貢獻(xiàn)程度,如圖3所示，可知生產(chǎn)上游、生產(chǎn)過(guò)程是導(dǎo)致環(huán)境惡化2個(gè)主要過(guò)程，生產(chǎn)下游污染物排放導(dǎo)致的環(huán)境影響幾乎忽略不計(jì)。對(duì)SW而言，影響較大的階段為生產(chǎn)過(guò)程，所占份額高達(dá)88%～100%；針對(duì)HTP，污泥與稻秸混燃工藝在生產(chǎn)上游比其他2種工藝更嚴(yán)重，所占份額為72.54%，這主要是由于生產(chǎn)上游階段水稻種植施用農(nóng)藥導(dǎo)致。然而，由于水稻生長(zhǎng)對(duì)CO2吸收固定起正向作用，從而該工藝生產(chǎn)上游GWP出現(xiàn)負(fù)值，有效緩解工藝生產(chǎn)對(duì)于全球氣候變暖的影響。另外，3種工藝對(duì)應(yīng)的GWP、AP、POF均呈生產(chǎn)過(guò)程大于生產(chǎn)上游趨勢(shì)，這證明生產(chǎn)過(guò)程即焚燒發(fā)電過(guò)程是導(dǎo)致環(huán)境惡化的主要階段。

3.4 敏感度分析

由前文可知，GWP、AP、SW是對(duì)總環(huán)境影響程度占比較大的3種環(huán)境影響類型，導(dǎo)致這3種環(huán)境影響類型的主要污染物排放有CO2、SO2、NOx、CH4和固體廢棄物。為進(jìn)一步考察污染物排放量對(duì)相應(yīng)環(huán)境影響類型的影響程度，分析不同污染物敏感度，從而找出改善環(huán)境影響的關(guān)鍵因素。需要指出的是，所謂的敏感度分析主要通過(guò)調(diào)整污染物變化幅度，依據(jù)相應(yīng)環(huán)境影響類型的標(biāo)準(zhǔn)化值變化，從而計(jì)算該環(huán)境影響類型的敏感度。本節(jié)選取的變化幅度為10%、20%和30%，敏感度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表9。

圖3 工藝各階段環(huán)境影響分布情況Fig.3 Distribution of environmental impacts at each stage of the process

表9 各環(huán)境影響類型對(duì)不同污染物的敏感度

由表9可知，GWP對(duì)于水稻生長(zhǎng)階段CO2固定量和全生命周期CO2排放量敏感度較高，分別為-1.5%與0.8%。同時(shí)，GWP對(duì)于水稻生長(zhǎng)階段土壤CH4排放量也較敏感，敏感度為0.99%。因此，減少碳排放對(duì)改善工藝環(huán)境影響意義重大。與固廢混燃發(fā)電時(shí)AP對(duì)于NOx(0.57%)排放的敏感度比SO2(0.43%)高，因此控制NOx排放對(duì)于改善酸化現(xiàn)象效果較好。各工藝中SW對(duì)于固體廢棄物的敏感度差距不大，均較高。

3.5 碳排放核算

污泥混燃發(fā)電工藝全生命周期內(nèi)，必然會(huì)產(chǎn)生能源消耗，高能耗的同時(shí)伴隨較高碳排放。為響應(yīng)國(guó)家雙碳政策，基于LCA方法，對(duì)污泥混燃發(fā)電工藝進(jìn)行全生命進(jìn)程碳排放核算，識(shí)別工藝過(guò)程中的高能耗單元。本文利用IPCC《國(guó)家溫室氣體指南》提供的方法，對(duì)3種污泥混燃發(fā)電工藝進(jìn)行碳排放核算，主要包括間接碳排放(電力消耗、燃料消耗等)、直接碳排放以及碳匯。核算過(guò)程是將工藝全生命周期內(nèi)排放的CO2、CH4、N2O根據(jù)IPCC提供的氣體增溫潛勢(shì)折算成CO2當(dāng)量計(jì)入碳排放量，其中氣體增溫潛勢(shì)即表5中GWP當(dāng)量因子。

污泥混燃發(fā)電工藝產(chǎn)生碳排放的環(huán)節(jié)有：原料生產(chǎn)、收集、開(kāi)采、運(yùn)輸、預(yù)處理階段電力消耗與柴油消耗間接碳排放；污泥混燃過(guò)程直接碳排放；灰渣運(yùn)輸過(guò)程柴油消耗間接碳排放。其中，原料生產(chǎn)階段的水稻種植過(guò)程對(duì)CO2吸收固定可產(chǎn)生碳匯，廠綜合發(fā)電效率取25%。造成間接碳排放能源消耗CO2排放因子參考國(guó)家發(fā)改委能源研究所推薦值，見(jiàn)表10。由于煙煤消耗CO2排放因子未知，本文通過(guò)煙煤熱值將其折算為標(biāo)煤，即燃燒1 kg煙煤產(chǎn)生碳排放等于0.85 kg標(biāo)煤產(chǎn)生碳排放。

表10 CO2排放因子

各工藝技術(shù)路線碳排放量如圖4所示，可知污泥與一般工業(yè)固廢混燃發(fā)電工藝碳排放量最高，達(dá)13 722 kg/t(以濕污泥計(jì)，下同)；其次為污泥與稻秸混燃發(fā)電工藝，為1 537 kg/t；污泥與煙煤混燃發(fā)電工藝碳排放量最小，為1 493 kg/t。各工藝碳排放主要來(lái)源于混燃階段直接碳排放，間接碳排放占比較小，可忽略不計(jì)。產(chǎn)生碳匯的主要階段為污泥混燃后熱量發(fā)電利用，各工藝發(fā)電量根據(jù)混合燃料熱值進(jìn)行換算，各廠綜合發(fā)電效率取25%。則每處理1 t濕污泥，污泥與一般工業(yè)固廢、煙煤、稻秸混燃發(fā)電工藝分別可產(chǎn)生8 890、979、1 168 kWh發(fā)電量。該階段發(fā)電并網(wǎng)后，可替代相應(yīng)燃煤發(fā)電需求，即抵消等電量煤電形式的碳排放。本文以標(biāo)煤進(jìn)行換算，污泥與一般工業(yè)固廢、煙煤混燃發(fā)電可抵消7 260、800 kg CO2排放。對(duì)于污泥與稻秸混燃發(fā)電工藝，還需考慮植物生長(zhǎng)階段對(duì)CO2的吸收，即共抵消1 189 kg CO2排放。3種工藝全生命周期凈碳排放量分別為6 522、742、410 kg/t，可見(jiàn)污泥與稻秸混燃發(fā)電工藝在大量資源化處置污泥的同時(shí)，具有顯著的碳減排潛力。

圖4 各工藝技術(shù)路線碳排放量Fig.4 Carbon emissions by process technology route

3.6 資源性分析

3種污泥混燃發(fā)電工藝全生命周期內(nèi)資源消耗主要為電力、柴油、水以及煙煤，其中一般工業(yè)固體廢棄物與稻秸作為生產(chǎn)副產(chǎn)物，本文不將其納入生命周期資源消耗計(jì)算。各項(xiàng)資源消耗量見(jiàn)表5，經(jīng)特征化和標(biāo)準(zhǔn)化處理后可獲得各工藝總資源消耗值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表11。

表11 各工藝資源消耗潛值

結(jié)果顯示，3種工藝的總資源消耗潛值分別為2.2×10-2、5.4×10-3、3.6×10-3人·a/t，可知資源消耗趨勢(shì)為：污泥與一般工業(yè)固廢混燃發(fā)電>污泥與煙煤發(fā)電>污泥與稻秸混燃發(fā)電。各工藝生產(chǎn)過(guò)程資源消耗對(duì)于工藝總資源消耗貢獻(xiàn)程度最大，達(dá)45%～90%，該階段為資源消耗主要來(lái)源。

4 結(jié) 論

1)從總環(huán)境影響角度來(lái)看，污泥與一般工業(yè)固廢混燃發(fā)電工藝>與煙煤混燃發(fā)電工藝>與稻秸混燃發(fā)電工藝，其中全球性視角下環(huán)境影響一般大于區(qū)域性與局地性。

2)各工藝污染物排放與資源消耗主要集中在生產(chǎn)過(guò)程，因此降低環(huán)境影響的關(guān)鍵為減少生產(chǎn)過(guò)程污染物排放，如提高煙氣處理效率。

3)污泥與稻秸混燃發(fā)電工藝具有顯著碳減排潛力，對(duì)污泥大規(guī)模資源化處置具有參考價(jià)值。

4)總體來(lái)說(shuō)，相比其他工藝，污泥與稻秸混燃發(fā)電工藝在處理污泥與農(nóng)產(chǎn)品廢棄物的同時(shí)，對(duì)環(huán)境影響與資源耗竭的影響程度更小，值得大力推廣。