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user: 3. 结果与讨论 3.1. 研究区域基础数据分析 研究区域的生活垃圾和玉米秸秆样品的理化分析数据见表1。 Table 1 Physical and chemical analysis data of domestic waste and corn stra 名称 年产出量(t/a) 含水率(%) 灰分率(%) H H ， 干 (J/g) H L ， 湿 (J/g) 单位热值Cl − 析出量(mgHCl/kJ) 斜口街道生活垃圾 2.35×10 4 16.5 13.0 9068.9 7570.8 0.74 东大街道生活垃圾 1.44×10 4 13.3 18.2 6734.7 5539.1 0.91 华胥镇生活垃圾 1.08×10 4 27.9 9.5 11052.5 7332.7 0.59 玉米秸秆 1.61×10 4 6.70 16.32 14566.5 9715.4 0.43 表1. 生活垃圾和玉米秸秆的理化分析数据 从表中数据可知，三个区域的生活垃圾含水率不超过30%，全组分热值均大于垃圾入炉低位热值限值4180 J/g，满足焚烧厂入炉垃圾标准 [ 15 ]。但是由于垃圾中混合了大量塑料制品使得Cl − 单位热值析出量较高，烟气对焚烧炉维护和大气环境影响均很大。同时为了确保炉渣热灼减率低于5%要求，有必要进一步提高入炉垃圾的热值。而在上述区域产出的玉米秸秆在经过自然晾晒后，属于高热值、低Cl − 单位热值析出量的良好辅助燃料，当掺杂10%混合秸秆(质量比，垃圾: 玉米秸秆 = 90:10)后的混合燃料热值分别提升至8050.7 J/g (斜口街道)、6555.2 J/g (东大街道)和8169.4 J/g (华胥镇)，提高到入炉垃圾热值设计上限6380 J/g以上，且Cl − 析出量控制在0.67以下。说明采用生物质固废物混合垃圾焚烧的模式可以很好地解决乡镇垃圾低热值和氯释放的问题，也为垃圾分类后大量不易回收利用的橡胶、塑料、织物、木竹、纸等高热值废弃物找到了资源利用的途径，降低此类垃圾组分填埋后厌氧分解过程产生的CH 4 等温室体对大气的污染。 3.2. 不同垃圾处理方法的能值比较 能值分析方法是美国著名生态学家H. T. Odum于20世纪80年代创立的以能量为核心的系统分析方法，是评估系统可持续发展能力的有力工具 [ 16 ]。能值分析是以能值为基准，把不同种类、不同质量、不可比较的能量转换成统一标准来进行比较。能值分析常用太阳能值solar energy来衡量某一能量的能值大小，任何流动的或贮存状态的能量所包含的太阳能的量，即为该能量的太阳能值。能值分析方法目前已被引入城市生活垃圾及建筑垃圾的回收处理方案比选，通过计算将生活垃圾在城市生态系统内不同类型的能量、物质资源、劳力服务以及费用等统一转化为太阳能值焦耳(sej)，从而对垃圾处理系统的结构、功能特征与生态经济效益进行比较分析，为低碳循环过程的转化效率评价提供科学依据。以卫生填埋–沼气发电处理系统作为对照，选择国内技术较为成熟的直燃焚烧发电和秸秆–垃圾混烧发电这两种系统作为推荐的垃圾减量化处理模式，采用能值分析法对三种处理方法的系统能值投入产出情况进行对比，以 η E Y R (能值产出率)、 η E L R (环境负载率)、 η E I R (能值投资率)、 η R I R (可更新资源投入率)和 η E S I (能值可持续指数)五类能值指标分别比较评价不同生活垃圾处置方式的生态化效率。 卫生填埋–沼气发电处理方法按西安市市容环卫局管理的卫生填埋场沼气回收及发电项目参数进行折算(装机容量12 MW) [ 17 ] [ 18 ]，垃圾产沼气率按6.42 m 3 ·t − 1 计(利用率81%)，沼气的热值为35，874 kJ·m 3 ，发电效率为30%，每吨垃圾发电量为43.69 kWh·t − 1 ；冷却水量按3.45 × 10 4 kg·t − 1 计，发电耗气量按0.5 kg·MJ − 1 计，燃烧空气用量可忽略不计；发电运行成本按0.16 $·kWh − 1 计，垃圾收运和卫生填埋处理成本按44.34 $·t − 1 ；核算的年减排当量为0.679 tCO 2 e，垃圾处理政府补贴按10.77 $·t −1 计，此两项能值作为社会经济投入负能值计入。 焚烧发电处理方法以600 t·d −1 生活垃圾焚烧发电厂项目参数进行折算(装机容量12 MW) [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]，发电效率按20%计，输出电量按90%计；冷却水量1.98 × 10 5 kg·t − 1 按计，发电耗气量按0.5 kg·MJ − 1 计，燃烧空气用量可忽略不计；发电运行成本按0.11 $·kWh − 1 计，核算的年减排当量为0.853 tCO 2 e，垃圾处理政府补贴按10.77 $·t −1 计，此两项能值作为社会经济投入负能值计入。 秸秆–垃圾混烧发电项目参照文献参数进行折算(装机容量2 × 12 MW) [ 21 ] [ 22 ]，秸秆热值按14，566.5 J·g −1 计，发电效率按20%计，输出电量按90%计，冷却水量按1.98 × 10 5 kg·t − 1 计，发电耗气量按0.5 kg·MJ − 1 计，冷却气量按1.13 × 10 6 kg·t − 1 计，燃烧空气用量可忽略不计；发电运行成本按0.10 $·kWh − 1 计；核算的年减排当量为0.893 tCO 2 e，垃圾处理政府补贴按10.77 $·t −1 计，再生能源补贴按0.038 $·(kW·h) −1 计，此三项能值作为社会经济投入负能值计入。 各个过程的能值转换率按文献选取 [ 16 ] [ 23 ] [ 24 ]，中国碳交易市场价格统一按3.82 $·tCO 2 e −1 计，美元汇率统一按6.5:1计。分别计算出卫生填埋–沼气发电处理法、焚烧发电处理法和生物质混烧发电处理法相应的太阳能值(见表2~4)。 Table 2 Emergy analysis of domestic waste landfill biogas power generation syste 项目 能值转换率(sej·unit −1 ) 太阳能值(sej·a −1 ) 斜口街道 东大街道 华胥镇 输入：生活垃圾R 1 3.34 × 10 11 7.83 × 10 18 4.82 × 10 18 3.60 × 10 18 输入：冷却用水耗能 R ′ 1 6.07 × 10 4 1.34 × 10 18 8.26 × 10 17 6.16 × 10 17 输入：冷却用气耗能 R ′ 2 1.50 × 10 3 1.00 × 10 14 6.13 × 10 13 4.61 × 10 13 输入：卫生填埋成本F 1 4.0 × 10 12 4.16 × 10 18 2.56 × 10 18 1.91 × 10 18 输入：运营成本F 2 4.0 × 10 12 6.56 × 10 17 4.04 × 10 17 3.01 × 10 17 输入：垃圾处理补贴F 3 4.0 × 10 12 −1.01 × 10 18 −6.22 × 10 17 −4.64 × 10 17 输入：减排温室气体G 4.0 × 10 12 −8.95 × 10 16 −8.16 × 10 16 −1.37 × 10 17 输出：电力产出Y 1.59 × 10 5 5.87 × 10 17 3.61 × 10 17 2.70 × 10 17 表2. 生活垃圾卫生填埋–沼气发电系统能值分析 Table 3 Emergy analysis of domestic waste incineration power generation syste 项目 能值转换率(sej·unit −1 ) 太阳能值(sej·a −1 ) 斜口街道 东大街道 华胥镇 输入：生活垃圾R 1 3.34 × 10 11 7.83 × 10 18 4.82 × 10 18 3.60 × 10 18 输入：冷却用水耗能 R ′ 1 6.07 × 10 4 7.08 × 10 18 4.36 × 10 18 3.25 × 10 18 输入：冷却用气耗能 R ′ 2 1.50 × 10 3 3.17 × 10 14 1.95 × 10 14 1.46 × 10 14 输入：运营成本F 2 4.0 × 10 12 4.13 × 10 18 1.95 × 10 18 1.93 × 10 18 输入：垃圾处理补贴F 3 4.0 × 10 12 −1.01 × 10 18 −6.22 × 10 17 −4.64 × 10 17 输入：减排温室气体G 4.0 × 10 12 −2.92 × 10 17 −1.93 × 10 17 −2.42 × 10 17 输出：电力产出Y 1.59 × 10 5 5.37 × 10 18 2.54 × 10 18 2.51 × 10 18 表3. 生活垃圾焚烧发电系统能值分析 Table 4 Emergy analysis of domestic waste-biomass co-fired power generation syste 项目 能值转换率(sej·unit −1 ) 太阳能值(sej·a −1 ) 斜口街道 东大街道 华胥镇 输入：生活垃圾R 1 3.34 × 10 11 7.83 × 10 18 4.82 × 10 18 3.60 × 10 18 输入：玉米秸秆R 2 4.24 × 10 11 9.95 × 10 17 6.12 × 10 17 4.57 × 10 17 输入：冷却用水耗能 R ′ 1 6.07 × 10 4 7.08 × 10 17 4.36 × 10 17 3.25 × 10 17 输入：冷却用气耗能 R ′ 2 1.50 × 10 3 3.17 × 10 13 1.95 × 10 13 1.46 × 10 13 输入：运营成本F 2 4.0 × 10 12 5.46 × 10 18 2.73 × 10 18 2.54 × 10 18 输入：垃圾处理补贴F 3 4.0 × 10 12 −1.01 × 10 17 −6.22 × 10 16 −4.64 × 10 16 输入：再生能源补贴F 4 4.0 × 10 12 −1.61 × 10 18 −9.93 × 10 17 −7.42 × 10 17 输入：减排温室气体G 4.0 × 10 12 −3.07 × 10 17 −2.02 × 10 17 −2.43 × 10 17 输出：电力产出Y 1.59 × 10 5 6.01 × 10 18 3.01 × 10 18 2.80 × 10 18 表4. 生活垃圾–生物质混烧发电系统能值分析 3.3. 生态效率评价 根据各区域生活垃圾处理能值分析表数据，分别计算采用卫生填埋–沼气发电、焚烧发电和秸秆-垃圾混烧发电等三种处理方法时的各项能值评价指标，如表5所示。 Table 5 Emergy evaluation indexes of different treatment method 评价 指标 卫生填埋–沼气发电 焚烧发电 秸秆–垃圾混烧发电 斜口街道 东大街道 华胥镇 斜口街道 东大街道 华胥镇 斜口街道 东大街道 华胥镇 η E Y R 0.16 0.16 0.17 1.90 2.23 2.05 1.75 2.04 1.85 η E L R 0.41 0.40 0.38 0.19 0.12 0.18 0.36 0.25 0.35 η E I R 0.65 0.64 0.62 1.26 1.14 1.24 0.47 0.35 0.45 η R I R 0.71 0.71 0.72 0.84 0.89 0.85 0.74 0.80 0.74 η E S I 0.39 0.40 0.44 10.03 17.95 11.46 4.86 8.10 5.37 表5. 不同处理方法的能值评价指标 η E Y R = Y / Σ F k ; η E L R = ( Σ N j + Σ F k ) / ( Σ R i + Σ R ′ i ) ; η E I R = ( Σ R ′ i + Σ F k ) / ( Σ N j + Σ R i ) ; η R I R = ( Σ R i + Σ R ′ i ) / ( Σ R i + Σ R ′ i + Σ N j + Σ F k ) ; η E S I = η E Y R / η E L R 。 由表中数据可以看出： 1) 三种方法的 η E Y R 值与燃煤发电系统( η E Y R 值一般在3~8之间 [ 25 ] [ 26 ] )相比并没有优势，这主要因为这三类生物质发电的单位电量成本比燃煤发电成本大很多，使得投入的货币能值较大所致。其中卫生填埋–沼气发电的 η E Y R 值最小，仅约为焚烧发电法和混烧法的7%~9%。虽然焚烧发电法和垃圾混烧法在水、气能耗方面高于卫生填埋法3~5倍，但是其电力产出能力比后者高出近十倍，另外利用秸秆等生物质燃料的焚烧发电系统可以在现行政策下获得额外的电价补贴，因此利用垃圾焚烧热量的发电系统具有更高的盈利潜力和市场竞争力。 2) 三种处理方法的 η E L R 值均小于1，相比燃煤发电和燃油发电类高环境负荷系统来说，属于低环境负荷系统 [ 27 ]。外界大量的货币能值输入以及使用过多的不可再生资源，都是引起环境系统恶化的主要原因。虽然在三种垃圾处理过程中均极少直接消耗不可再生能源，但是其中卫生填埋–沼气发电法占用较大量的土地资源，因而其产生的环境压力较大， η E L R 值也最高。而采用焚烧发电法对垃圾进行减量化处理仅需填埋少量飞灰和炉渣，可以大幅减小对土地环境功能退化的压力，因此 η E L R 值相对较低。 3) 焚烧和混烧发电系统的 η E I R 值相对较高，主要是因为焚烧设备运行的投资成本较高所致，其中生物质混烧发电法由于使用了秸秆这种廉价的可再生能源作为辅助燃料并获得了额外的电价补贴，因而相对于焚烧发电法降低了 η E I R 值。 4) 三种方法的 η R I R 值接近，而生物质混烧发电法的 η R I R 值相对略高，主要是因为额外利用了秸秆类可更新资源，相对提高了对自然资源的持续利用性。 5) 三种方法的 η E S I 值相差悬殊。焚烧发电法和生物质混烧发电法的 η E S I 值远远超过卫生填埋–沼气发电系统，显示出更好的生态可持续性。但并非 η E S I 值越高就越好。当 η E S I 值在5~10之间时，表明该系统富有活力和发展潜力，可在较长时间内持续发展 [ 27 ]。垃圾卫生填埋–沼气发电处理法的 η E S I 值极低，表明依赖占用土地填埋处理垃圾的方式是难以长期持续的，而两种焚烧发电法的经济效益/环境负荷比值比较合理，因此可以作为重点发展的垃圾处理方法。焚烧发电法的 η E S I 值相对生物质混烧发电法要高出近一倍，主要是对秸秆等自然资源利用率较低造成的，这需要进一步研发成本低、热值高及焚烧效率高的辅助生物质燃料，从而进一步发掘垃圾焚烧处理系统在提高经济效益和降低环境负荷方面的潜力。