基于生命周期环境影响的城市固废管理策略再思考——以沙特利雅得为例

《Circular Economy》：Rethinking municipal solid waste management with life-cycle environmental impacts

　　

摘要专业翻译 沙特阿拉伯的大型城市是中东地区发展最快的城市之一，持续产生大量城市固体废物（municipal solid waste，MSW）。最大限度地减少城市固废系统生命周期环境负担的必要性已得到广泛认可，然而目前尚未建立起环境友好型的固废管理体系，传统填埋和规模化焚烧仍是唯一依赖的处理方式。为契合沙特愿景2030（Saudi Vision 2030），亟需基于证据的城市固废管理策略，以在多个环境影响类别中最小化生命周期环境影响。本研究考察了由不同沙特主管部门提出的六种城市固废管理情景，数据直接取自相关主管部门的最新资料、文献以及ecoinvent v3.9数据库。研究采用生命周期评价（life-cycle assessment，LCA）方法，使用openLCA v2.4软件，评估了十一项环境影响类别，包括：细颗粒物形成、化石资源稀缺性、淡水生态毒性、淡水富营养化、全球变暖、人类致癌毒性、人类非致癌毒性、矿产资源稀缺性、臭氧形成（人体健康）、平流层臭氧消耗以及陆地酸化。研究表明，虽然部分情景可降低某些环境负担，但在其他方面仍面临显著挑战，表明需要采取均衡、综合的方法。结果显示，将回收利用（42%）和有机处理（42%）最大化，并将填埋（9%）和废弃物能源化（waste to energy，WtE）控制在约7%的情景（Sc3——国家废物管理中心方案）在关键类别中实现了最低的环境负担。相反，高度依赖废弃物能源化（80%）的情景（Sc1——利雅得皇家委员会方案）在11个类别中的8个类别中产生了最高的负担。这些发现凸显了将回收利用、有机处理和废弃物能源化相结合以最小化环境影响的重要性，并为有效的城市固废管理政策规划提供了支持。

论文解读

一、研究背景与问题

城市固体废物管理已引起全球组织和各国政府的高度关注。人口快速增长、现代工业发展和密集的消费行为共同推动了废物产生率的持续上升。随着全球废物量达到创纪录水平，其负面环境后果日益凸显，各国亟需以环境可持续的方式应对这一问题。沙特阿拉伯正面临城市固废减量与处理的相关挑战，该国旨在利用城市固废作为能源来源，并优先实施减量化、再利用和再循环。然而，目前回收活动仍然十分有限，且主要由私营部门以非正式方式开展。据国家废物管理中心（MWAN）提供的数据，沙特阿拉伯废物总产生量预计到2020年将达到每年1.07亿吨，其中城市固废约占30%，即每年约3570万吨。仅利雅得市就贡献了全国城市固废产生量的约21%，每年约750万吨。

传统处理方式如露天倾倒和规模化焚烧仍被广泛采用，其对环境和生活质量的影响已有充分记录。利雅得市面积1973平方公里，拥有该国最大的填埋场Al-Sullay，占地约472300平方米。沙特阿拉伯的填埋场普遍未经过专门设计以最小化负面环境影响。尽管多个关键机构已提出多种城市固废管理策略和规划，包括利雅得皇家委员会（RCRC）、国家废物管理中心（MWAN）和沙特投资回收公司（SIRC），但在评估这些策略的实际有效性和长期可持续性方面仍存在明显空白。此外，将现有和拟议的城市固废管理策略与稳健的生命周期评价方法相结合的综合环境影响评估研究十分有限。

已有研究存在若干不足：其一，尚无研究采用综合生命周期评价方法评估沙特主管部门在其2020—2030年战略规划文件中提出的官方城市固废管理情景；其二，现有研究主要依赖2010—2015年的数据，早于沙特愿景2030的实施和近期基础设施发展；其三，以往评估通常聚焦单一环境指标（主要是温室气体排放），而非在人体毒性、生态毒性、资源耗竭和颗粒物形成等多个类别中进行多标准环境影响分析。仅关注单一指标可能掩盖其他影响类别中的负担转移现象，即气候绩效的改善以人体毒性、生态毒性或资源耗竭的增加为代价，从而导致次优甚至适得其反的政策决策。基于上述背景，本研究针对利雅得市六种官方城市固废管理情景开展了首次综合生命周期评价，使用直接取自政府来源和战略规划文件的最新数据（2020—2024年），评估11项环境影响类别，为沙特愿景2030下的政策实施提供定量证据。

二、研究开展的工作与主要结论

研究人员利用生命周期评价方法，按照ISO 14040和ISO 14044标准，以1吨城市固废为功能单位，系统边界涵盖废物产生、收集、运输及处理过程（包括回收、生物处理、废弃物能源化和带气体捕获的填埋）。研究采用openLCA v2.4软件和ecoinvent v3.9数据库，运用ReCiPe 2016中点（H）方法评估11项环境影响类别。研究评估了六种由沙特官方机构提出的城市固废管理情景：Sc0为基线情景（95%填埋、5%回收）；Sc1为RCRC方案（80%废弃物能源化、2%填埋、3%回收、13%有机处理）；Sc2为RCRC方案（1%填埋、68%废弃物能源化、10%回收、21%有机处理）；Sc3为MWAN方案（9%填埋、7%废弃物能源化、42%回收、42%有机处理）；Sc4为MWAN方案（6%填埋、14%废弃物能源化、27%回收、53%堆肥）；Sc5为SIRC方案（0%填埋、19%废弃物能源化、81%回收、0%有机处理）。研究采用系统扩展（避免负担）方法进行末端建模，对回收和能源回收所产生的环境效益给予信用。

研究得出以下主要结论：Sc3-MWAN情景（回收42%、有机处理42%、废弃物能源化7%、填埋9%）在11个环境影响类别中的6个类别实现了最低环境负担，且在所有类别中均未出现最高负担，是最优的环境管理策略。相反，Sc1-RCRC情景（废弃物能源化占80%）在11个类别中的8个类别产生了最高环境负担，包括陆地酸化、细颗粒物形成、人类致癌毒性、矿产资源稀缺性、全球变暖、淡水富营养化、淡水生态毒性和人类非致癌毒性。Sc2-RCRC情景紧随其后，在多个类别中排名第二高。Sc4-MWAN情景在平流层臭氧消耗和臭氧形成（人体健康）方面负担最高，但在化石资源稀缺性方面最低。Sc5-SIRC情景在化石资源稀缺性方面负担最高，但在平流层臭氧消耗、臭氧形成（人体健康）、细颗粒物形成和陆地酸化方面最低。敏感性分析表明，虽然关键参数的变化会影响环境影响的量级，但情景的相对排序保持稳定，结论具有稳健性。

三、关键技术方法

本研究采用的主要技术方法包括：生命周期评价（LCA）方法，依据ISO 14040和ISO 14044标准实施，通过目标与范围定义、生命周期清单分析、生命周期影响评价和结果解释四个标准化阶段进行；系统扩展（避免负担）建模方法，采用openLCA v2.4中的相反方向方法（ODA）进行末端建模，对回收和能源回收产生的环境效益给予信用；ReCiPe 2016中点（H）方法，用于评估11项环境影响类别；敏感性分析，考察废弃物能源化效率、废物组成变异性、电网结构变化和有机处理工艺效率等关键参数对结果的影响。数据来源包括从MWAN和利雅得市政府直接获取的沙特特定前沿数据，以及ecoinvent v3.9数据库中的背景数据集。

四、研究结果

3.1 结果

研究结果显示，Sc1-RCRC情景在11个环境影响类别中的8个类别负担最高，包括陆地酸化（0.020 kg SO? eq）、细颗粒物形成（0.0072 kg PM?.? eq）、人类致癌毒性（3.210 kg 1,4-DCB eq）、矿产资源稀缺性（0.0183 kg Cu eq）、全球变暖（52.78 kg CO? eq）、淡水富营养化（0.0039 kg P eq）、淡水生态毒性（27.04 kg 1,4-DCB eq）和人类非致癌毒性（468.36 kg 1,4-DCB eq）。该高负担主要归因于废弃物能源化占80%的高度依赖。废弃物能源化过程释放大量化石二氧化碳（48.978 kg CO? eq）、氮氧化物（0.01147 kg SO? eq）、氨（0.0033 kg SO? eq）、三氧化硫（0.00546 kg SO? eq）、锌离子（441.99 kg 1,4-DCB）、铜离子（12.383 kg 1,4-DCB）和铬VI（3.03 kg 1,4-DCB）等污染物，分别贡献于全球变暖、陆地酸化、细颗粒物形成、人类非致癌毒性、淡水生态毒性和人类致癌毒性。

Sc2-RCRC情景在多个类别中排名第二高，包括陆地酸化（0.0164 kg SO? eq）、细颗粒物形成（0.0060 kg PM?.? eq）、人类致癌毒性（2.74 kg 1,4-DCB）、矿产资源稀缺性（0.0161 kg Cu eq）、全球变暖（45.12 kg CO? eq）、淡水富营养化（0.0033 kg P eq）、淡水生态毒性（24.82 kg 1,4-DCB）和人类非致癌毒性（397.57 kg 1,4-DCB）。废弃物能源化占该情景负担的80%—95%。

Sc3-MWAN情景实现了最低环境负担的类别包括：人类致癌毒性（0.527 kg 1,4-DCB eq）、矿产资源稀缺性（0.0055 kg Cu eq）、全球变暖（16.03 kg CO? eq）、淡水富营养化（0.0007 kg P eq）、淡水生态毒性（8.95 kg 1,4-DCB eq）和人类非致癌毒性（90.19 kg 1,4-DCB eq）。该情景在所有11个类别中均未出现最高负担。其温室气体排放最低，包括8.1528 kg CO? eq的化石二氧化碳，有毒物质如锌离子（81.5416 kg 1,4-DCB eq）和砷离子（2.2971 kg 1,4-DCB eq）的释放水平也低于其他情景。

Sc4-MWAN情景在平流层臭氧消耗（0.000187 kg CFC-11 eq）和臭氧形成（人体健康）（0.4788 kg NO? eq）方面负担最高，但在化石资源稀缺性（0.3655 kg oil eq）方面最低。该情景将53%的废物分配给堆肥处理，27%分配给回收，两者合计约占总处理分配的80%。高负担主要与有机处理有关，有机处理贡献了臭氧形成和平流层臭氧消耗影响的90%以上，主要释放一氧化二氮（N?O）。

Sc5-SIRC情景在化石资源稀缺性方面负担最高（0.85 kg oil eq），但在四个类别中负担最低：平流层臭氧消耗（0.000016 kg CFC-11 eq）、臭氧形成（人体健康）（0.0107 kg NO? eq）、细颗粒物形成（0.0027 kg PM?.? eq）和陆地酸化（0.0069 kg SO? eq）。该情景依赖回收（81%）和废弃物能源化（19%），氮氧化物和一氧化二氮排放最低。

3.2 讨论

3.2.1 综合废物管理情景的环境绩效

Sc3-MWAN情景在11个类别中的9个类别实现最低环境负担，其优势源于废物流特征与处理路径选择的战略匹配。该综合策略与基线（Sc0）相比实现全球变暖潜力降低88%。材料回收每吨提供的环境效益最大：铝回收每吨避免7830 kg CO?-eq，塑料回收每吨避免2050 kg，纸张回收每吨避免658 kg，均远超废弃物能源化通过电网电力替代每吨避免的432 kg。废弃物能源化绩效呈非线性特征：从0%增加到7%带来显著改善，但进一步增加到14%、19%和80%则呈现收益递减。Sc5情景（80%废弃物能源化）在11个类别中的8个类别产生最高环境负担，表明以废弃物能源化为主导的策略表现不佳。废弃物能源化比例7%—14%对应于真正不可回收、不可堆肥的可燃废物。该研究验证了沙特愿景2030设定的2040年16%废弃物能源化目标在环境上是合理的，同时警示不应超过20%。

3.2.2 局限性

本研究的部分处理工艺参数依赖ecoinvent v3.9中代表世界其他地区条件的改编数据集，包括废弃物能源化燃烧参数和空气污染控制效率、厌氧消化逸散甲烷率以及下游回收过程。填埋场气体捕获效率假设代表改进型卫生填埋配置，可能与沙特当前运行绩效存在差异。废弃物能源化电力效率反映现代设计规格，实际运行条件下可能有所变化。回收替代比率假设部分到接近完全的原始材料替代，实际替代效率可能取决于市场条件和材料质量。虽然这些局限性在计算影响的绝对量级上引入不确定性，但由于所有情景一致应用，比较评估对相对环境绩效的评判仍然稳健。

3.2.3 废物管理情景中的回收与废弃物能源化

Sc1-RCRC情景发电量最高，为18.84 GWh/年，其次是Sc2-RCRC的16.25 GWh/年。Sc3-MWAN、Sc4-MWAN和Sc5-SIRC的发电量分别为2.67、4.51和4.47 GWh/年。较低发电量与其更重视回收和有机处理、较低废物分配给焚烧有关。

3.3 敏感性分析

敏感性分析考察了废弃物能源化效率（10%、15%、20%）、废物组成变异性（有机物35%—60%、塑料10%—22%、纸张8%—18%、金属3%—10%）、电网碳强度（0.42—0.85 kg CO?/kWh）和有机处理工艺效率（沼气产率80—180 m3/t、甲烷泄漏0.5%—6%、堆肥氮回收15%—50%）等参数变化。结果表明，虽然关键参数的变化影响环境影响的量级，但情景的相对排序保持稳定，结论具有稳健性。

3.4 政策建议与实施

Sc3-MWAN情景——实现42%回收、42%有机处理、7%废弃物能源化和9%残余填埋——在环境结果和沙特愿景2030转型目标之间实现了统一。研究提出分阶段实施策略：第一阶段（2025—2027年）为基础阶段，建立回收系统和源头分类基础设施，目标到2027年实现约20%回收和10%有机处理，部署约4—5个材料回收设施（MRF），总产能约0.40 Mt/年，启动2—3个试点堆肥设施。

五、研究结论

本研究通过对利雅得市六种官方城市固废管理情景的综合生命周期评价，得出以下核心结论：以回收利用和有机处理为主导、废弃物能源化作为补充技术的综合管理策略（Sc3-MWAN）在11个环境影响类别中的9个类别实现了最低环境负担，是环境最优的城市固废管理方案。高度依赖废弃物能源化的策略（Sc1和Sc2）在多数环境影响类别中产生最高负担，表明废弃物能源化应定位为补充技术而非主要处理方式。材料回收每吨提供的环境效益远超能源回收，废弃物能源化绩效呈非线性特征，比例超过20%将产生显著的负面环境后果。研究结果验证了沙特愿景2030设定的16%废弃物能源化目标的环境合理性，为利雅得乃至沙特阿拉伯的城市固废管理基础设施投资和政策制定提供了定量证据支持。