浙江大学学报(工学版)

浙江大学学报(工学版), 2026, 60(6): 1361-1368 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2026.06.023

能源工程、环境工程

飞灰处置技术的生命周期环境影响对比评估

潘淑萍,, 骆煜昊, 徐顺安, 全炳迁, 李伟, 李素静, 杨珂宣,

1. 浙江省生态环境监测中心，浙江 杭州 310012

2. 浙江环境监测工程有限公司，浙江 杭州 310018

3. 浙江大学 化学工程与生物工程学院，浙江 杭州 310058

Comparative assessment of life-cycle environmental impact of fly ash disposal technology

PAN Shuping,, LUO Yuhao, XU Shun’an, QUAN Bingqian, LI Wei, LI Sujing, YANG Kexuan,

1. Zhejiang Province Ecological Environmental Monitoring Centre, Hangzhou 310012, China

2. Zhejiang Environmental Monitoring Engineering Limited Company, Hangzhou 310018, China

3. College of Chemical and Biological Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China

通讯作者: 杨珂宣，女，博士. orcid.org/0000-0002-0213-6097. E-mail：kexuan-yang@zju.edu.cn

收稿日期: 2025-07-1  

基金资助: 2022年度“领雁”研发攻关计划资助项目（2022C03056）.

Received: 2025-07-1  

Fund supported: 2022年度“领雁”研发攻关计划资助项目（2022C03056）.

作者简介 About authors

潘淑萍（1977—），女，正高级工程师，硕士，从事固废资源化与环境评价方法研究.orcid.org/0009-0003-6128-7404.E-mail：panshuping@zjemc.org.cn , E-mail：panshuping@zjemc.org.cn

摘要

针对城市生活垃圾（MSW）焚烧飞灰的填埋、熔融及资源化3种处置方式，开展生命周期环境影响的对比评估，量化全球变暖潜势（GWP）、人体毒性（HT）在内的10类中点影响以及人体健康、生态系统、资源3类终点损害. 结果表明，填埋85.24%的环境负荷源于渗滤液处理，熔融66.97%的负面贡献来自化石燃料消耗及重金属排放. 资源化技术的环境影响显著低于其他2种技术，GWP（4.31×103 kg （折算成二氧化碳））仅为熔融的26%和填埋的47%，HT（659 kg（折算成1,4-二氯苯））较熔融降低99.98%. 总生态指数因子（5.86×103）仅为熔融的2.2%，但能耗仍是主要瓶颈. 资源化技术的环境效益更显著，以清洁能源替代为抓手可推动绿色可持续转型.

关键词： 城市生活垃圾焚烧飞灰 ; 资源化利用 ; 生命周期评价（LCA） ; 人体毒性（HT） ; 不确定性分析

Abstract

A comparative assessment of life-cycle environmental impact was conducted for three disposal methods of municipal solid waste (MSW) incineration fly ash, including landfill, melting and resource utilization disposal. Ten midpoint impacts (including global warming potential (GWP), human toxocity (HT), etc) and three endpoint damages (human health, ecosystem, resource) were quantified. Results showed that 85.24% of landfill’s environmental burden stemmed from leachate treatment, while 66.97% of melting’s negative contribution came from fossil fuel consumption and heavy metal emission. The environmental impact of resource utilization technology was significantly lower than that of the other two technologies. GWP (4.31×103 kg (converted into carbon dioxide)) was 26% of melting and 47% of landfill, and HT (659 kg (converted into 1,4-Dichlorobenzene)) was 99.98% lower than melting. Total ecological index (5.86×103) was only 2.2% of melting, though energy consumption remained a bottleneck. Resource utilization disposal delivers superior environmental benefit, and promoting clean energy substitution is key to the green and sustainable transformation.

Keywords： municipal solid waste incineration fly ash ; resource utilization ; life cycle assessment (LCA) ; human toxicity (HT) ; uncertainty analysis

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本文引用格式

潘淑萍, 骆煜昊, 徐顺安, 全炳迁, 李伟, 李素静, 杨珂宣. 飞灰处置技术的生命周期环境影响对比评估. 浙江大学学报(工学版)[J], 2026, 60(6): 1361-1368 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2026.06.023

PAN Shuping, LUO Yuhao, XU Shun’an, QUAN Bingqian, LI Wei, LI Sujing, YANG Kexuan. Comparative assessment of life-cycle environmental impact of fly ash disposal technology. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2026, 60(6): 1361-1368 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2026.06.023

随着城市化进程的加速，生活垃圾（municipal solid waste, MSW）焚烧发电已成为我国城市固废处置的主流方式[1]. 据中国统计年鉴数据[2]可知，2023年我国垃圾焚烧量约为2.1亿t，而碳强度比欧盟高15%，达到180~450 kg（折算成二氧化碳）[3]. 对此，国家近年发布了一系列政策文件. 《关于加快推进城镇环境基础设施建设的指导意见》[4]指出，到2025年，城镇生活垃圾焚烧处理能力须达80万t/d，并推动减污降碳协同增效. 《2030年前碳达峰行动方案》[5]明确要求降低生活垃圾的填埋比例，优先发展焚烧发电，并使2025年生活垃圾资源化利用率达到60%. 与此同时，自2020年以来，全国生活垃圾焚烧发电产生的飞灰量已超0.1亿t. 飞灰的主要成分为硅酸盐、氯化物盐、氢氧化钙和硫酸盐等，且富集高浓度重金属（如Pb、Cd、Zn等）[6-7]与持久性有机污染物[8-10]（如二恶英毒性当量质量分数达到2.59 TEQ/kg），已被列入《国家危险废物名录》（HW18类）[11]. 飞灰的无害化安全处置问题逐渐成为生活垃圾焚烧可持续转型的主要挑战之一，亟须开展系统化的环境影响评估.

现有的环境影响评估手段，如利用长期风险预测模型探析填埋场渗滤液与固化体反应路径，能够深入揭示长期环境风险机理，但预测精度受参数不确定性和情景假设限制；开展物质流/能量流分析，以追踪重金属在处置流程中的流向与存量，并识别“泄漏点”，通常聚焦单一环境的影响（如毒性），缺乏多维综合分析，由此导致数据质量薄弱. 相比之下，生命周期评估（life cycle assessment, LCA）以“从摇篮到坟墓”的全流程思想[12-14]，能够覆盖温室效应、生态毒性、水体富营养化等多类型环境的影响[15]，为环境影响评价提供更综合全面的支撑. Huber等[16]开展飞灰水泥固化与高温熔融LCA的对比. 结果表明，熔融技术的全球变暖潜势（global warming potential, GWP）比固化高35%，但生态毒性潜值低60%. 该研究的数据截断准则未考虑将熔融渣作为建材替代原生材料开采的“环境效益抵扣”效应，因此结果与实际值的偏差较大. 尽管如此，该研究为飞灰处置技术的LCA研究提供了重要指导. 周白玉等[17]基于中国本地数据，分析城市垃圾填埋和焚烧的碳足迹，确定每吨飞灰的填埋净碳排放质量为794.00 kg，焚烧净碳排放质量为0.93 kg，然而未量化二恶英降解带来的长期环境健康影响，且考察的影响类型仅为碳排放，较单一. 由此可见，目前缺少包含多种环境类型的、覆盖全链条的飞灰处置技术对比LCA研究.

本文旨在开展3种城市生活垃圾焚烧飞灰处置技术的对比LCA研究，探析不同工艺过程与处理技术之间的环境贡献关联度. 开展多类型环境影响的综合评估与环境损害的精准量化，对模拟计算结果开展数据质量分析，以确保结论的准确性，为飞灰处置技术环境评估验证提供案例参考，推进固体废物的减量化与资源化进程.

1. 方法简介

1.1. 研究场景与边界

依据ISO 14040/44标准框架[18-19]，设定功能单位为“年处置生活垃圾焚烧飞灰”，采用“从大门到坟墓”系统边界（见图1），涵盖飞灰收集运输、核心处置工艺及长期环境释放的全过程. 生活垃圾成分见表1，数据参考文献[20]，飞灰数据由监测所得. 其中，wB为质量分数.

图 1

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图 1   飞灰处置技术的系统边界

Fig.1   System boundary of fly ash disposal technology


表 1   城市生活垃圾与飞灰的成分

Tab.1  Composition of municipal solid waste and fly ash

类别成分wB
生活垃圾纸张3.54%
纺织品0.52%
食品垃圾67.14%
木材1.42%
公园废弃物1.03%
橡胶和皮革0.56%
塑料3.82%
金属0.37%
玻璃0.66%
砖瓦20.93%
飞灰Si6.15%~10.70%
Al1.95%~5.22%
Fe1.34%~2.98%
K1.95%~3.08%
Na1.66%~3.12%
Ca16.99%~27.24%
Mg1.19%~1.38%
S1.24%~5.92%
Cl6.48%~10.18%
P0.94%~1.19%
As2.23×10−5~5.41×10−5
Cr4.22×10−4~5.32×10−4
Cu7.17×10−4~2.585×10−3
Mn6.75×10−4~8.24×10−4
Ni9.7×10−5~1.30×10−4
Pb1.210×10−3~3.114×10−3
Ti8.73×10−4~6.457×10−3
Cd5.7×10−5~1.60×10−4
Zn3.659×10−3~5.462×10−3
二恶英2.59 TEQ/kg

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设置以下3个飞灰处置场景：1）填埋处置（符合GB 18598—2019标准[21]）；2）熔融处置；3）资源化处置. 探析3种飞灰处置技术的环境影响.

填埋处置包括飞灰收集与运输、填埋作业及渗滤液处理，污染物排放见表2. 其中，m为每吨飞灰的污染物排放质量. 表2数据参考文献[22]并根据实际情况进行修正，运输环节的平均距离设定为35 km，载重为5 t的货车油耗为25.5 L/100 km.

表 2   填埋处置的污染物排放

Tab.2  Emission of landfill disposal

污染物类别监测项目m/kg
废气CO238.50
CO0.12
CH446.40
SO24.10×10−4
NOx7.25×10−3
NMVOC0.03
NH30.17
H2S0.17
Pb4.75×10−4
废水As1.00×10−8
Cd5.00×10−6
Cr2.10×10−6
Pb5.00×10−6
Hg4.00×10−9
TN0.08
TP1.03×10−4

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熔融处置（1 400~1 600 ℃）以熔融炉为核心，辅以烟气处理系统. 废气处理量为47 000 m3/h，废水和固废循环回用，污染物排放详见表3. 数据参考文献[23]，并根据实际情况进行修正.

表 3   熔融处置的污染物排放

Tab.3  Emission of melting disposal

监测项目m/kg监测项目m/kg
烟尘3.76×106Hg1.88×104
CO1.13×107Cd1.88×104
HCl3.76×106Pb1.50×105
SO21.88×107As+Ni+Cr+Sn+
Sb+Cu+Mn		7.71×105
NOx5.64×107二恶英3.76×104
HF3.76×105粉尘1.32×10−10

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资源化处置以浙江湖州某飞灰资源化利用企业研发的“垃圾飞灰固相催化热解-水洗脱盐-协同资源化利用工艺技术”为例，从飞灰储存开始，经固相催化热解除二恶英、水洗脱盐、蒸发结晶等关键工艺，最终产出再生盐、脱毒飞灰、玻璃体等副产品，同时伴随废弃物处理. 系统边界具体如下.

1）固相催化热解除二恶英：飞灰在惰性绝氧气氛中进行热解；烟气经冷却、除尘、活性炭吸附及水喷淋洗涤后达标排放.

2）水洗处理：热解后飞灰采用梯度循环逆流套洗，经卧螺离心机分离得到水洗湿灰和水洗废水；水洗湿灰暂存危险废物暂存库.

3）水处理系统：处理水洗废水（含高浓度Ca2+、Mg2+及微量重金属）.

4）过滤单元：通过药剂软化、澄清、过滤去除钙镁离子及悬浮物（生成CaCO3/MgCO3混合物，经二级水洗后入库）.

5）胶束强化单元：沉淀分离重金属.

6）膜蒸馏单元：对含盐水进行预浓缩.

7）采用蒸汽机械再压缩技术蒸发结晶：浓缩液经变温结晶，产出工业级钾钠盐.

资源化处置过程的废气排放见表4，废水和固废循环回用.

表 4   资源化处置的污染物排放

Tab.4  Emission of resource recovery disposal

监测项目m/kg监测项目m/kg
烟尘4.67×103HF83.20
SO21.66×103Pb10.40
NOx9.98×103Cd8.32
CO1.04×104As4.16
二恶英16.60六价铬0.42
HCl312.00粉尘720.00

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1.2. 环境影响的评价方法

填埋与熔融场景通过实际监测数据及数值模拟进行评价，数据主要来源于文献查阅与环评报告. 评价过程采用Simapro软件内置的Ecoinvent数据库[24]及ReCiPe 2016影响评价方法[25]，数据分配采用系统结果性导向进行数据截断.

在中点层面，选择GWP、酸化潜势（acidification potential, AP）、淡水富营养化潜势（freshwater eutrophocation potential, FEP）、海洋富营养化潜势（marine eutrophocation potential, MEP）、人体毒性（human toxicity, HT）、光化学氧化（photochemical oxidation, PO）、颗粒物生成潜势（particle matter formation potential, PMFP）、水耗（water depletion）、金属消耗（metal depletion, MD）、化石燃料消耗（fossil depletion, FD）共10种环境影响类别，解析3种固废处置技术的环境影响路径. 在终点层面，运用软件内置模型，对上述环境影响加权归一至人体健康（human health, HH）、生态系统（ecosystems, E）、资源（resources, R）3种损害类别中. 环境影响向环境损害的转化路径如图2所示.

图 2

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图 2   基于ReCiPe的环境评价路径

Fig.2   ReCiPe-based environmental assessment path


数据质量分析主要涉及完整性、敏感性以及不确定性检查. 由于本研究主要针对飞灰的末端治理，属于技术LCA，不涉及完整性检查. 末端处置技术属于低敏感性系统，参数本身具有一定的波动范围，对污染物排放的影响可以忽略不计. 本研究的数据质量由不确定性分析来保障. LCA的不确定性一般由边界划定、数据截断、路径分配、模型假设等因素引起，须通过输入参数的迭代模拟[26]，建立概率密度分布函数，从而提供环境影响评价结果的可信度范围.

2. 结果与讨论

2.1. 生活垃圾处置技术的环境影响评价

2.1.1. 总体环境贡献

为了考察多类型综合环境的影响，研究开展3种飞灰处置技术LCA. 探究不同工艺过程与处理技术对总体环境影响的贡献率分布情况，识别关键影响阶段，结果如图3所示.

图 3

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图 3   LCA总环境贡献

Fig.3   Overall LCA environmental contribution


如图3所示，以环境贡献率的形式展示了不同处置技术对整体环境影响的相对权重分配. 其中，填埋处置的渗滤液处置过程占有绝对主导的环境贡献，达到85.24%；相较之下，飞灰运输过程的环境贡献较低. 熔融处置因飞灰进入熔融炉时灰渣中的有毒物质（重金属、二恶英），成为系统最主要的负面贡献源（达到66.97%）. 资源化处置通过固相催化热解除二恶英、水洗脱盐、蒸发结晶等关键工艺，最终产出再生盐、脱毒飞灰、玻璃体等副产品，因此环境贡献率大多归于无害化资源化过程的能耗，即电能供应（占比为56.47%）与燃气锅炉（占比为33.10%）.

2.1.2. 特征化分析

LCA总环境贡献率仅能反映处置技术主要阶段的相对环境重要性，但缺乏对环境影响的定量定性路径解析. 开展中点层面的LCA特征化分析，涵盖GWP、AP、FEP、MEP、HT、PO、PMFP、WD、MD、FD在内的10种环境影响类别，满足“三废”的考察需求.

以典型影响类别为例，开展生命周期环境影响分析，如图4所示. 1）GWP表示指定时间范围内单位质量温室气体排放所产生的累积辐射强度，反映处置过程中等效温室气体排放的潜力[27-28]. 结果显示，熔融的GWP最高，达到1.64×104 kg（折算成二氧化碳），主要源于维持高温过程所需的大量化石燃料消耗，属于直接排放. 填埋的GWP次之，达到9.23×103 kg（折算成二氧化碳），主要由运输飞灰的柴油消耗以及填埋体中某些矿物碳酸化等缓慢化学反应引发，例如厌氧降解产生的甲烷在10 a及以上时间尺度内具有显著的温室效应，属于间接排放. 资源化处置的GWP最低，为4.31×103 kg（折算成二氧化碳）. 因资源化处置的电耗远低于熔融工艺，且通过使用稳定化飞灰替代部分水泥熟料，避免了原生材料生产所需的高温煅烧过程. 由此可见，GWP主要受处置场景能耗水平的直接影响. 2）FEP与MEP：富营养化是水体中氮、磷养分浓度过高导致的水生生态系统水质恶化现象，其中硝酸盐和磷酸盐对富营养化的贡献占比分别约为20%~50%和35%~55%[29]. 在这2类影响中，相较于填埋与熔融处置，资源化处置的环境影响可以忽略不计. 原因在于资源化处置经催化热解产生的NOx相对较少，且通过资源化回用促使含氮物质进入物质循环的下一阶段，减少了向环境的直接释放. 3）HT表征了重金属（如Pb、Cd、As）或二恶英经多种环境介质传递及暴露途径对人体健康造成的慢性危害效应. 其中，熔融的毒性效应最强（2.90×107 kg（折算成1,4-二氯苯）），因部分高挥发性重金属可能进入烟气，并伴随二恶英的生成. 填埋处置的毒性主要源于渗滤液处理过程，因为富含高浓度重金属及可溶性盐类的渗滤液可能对地下水和土壤造成污染，进而通过食物链富集对人体健康产生毒性影响. 资源化的重金属浸出毒性大幅降低，若将资源化产品用作建筑材料，则重金属释放风险远低于飞灰填埋处置，且催化热解炉会降解废气中的二恶英，从而使毒性效应最低，达到659 kg（折算成1,4-二氯苯）.

图 4

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图 4   LCA特征化分析

Fig.4   LCA characterized analysis


从飞灰处置场景的环境影响特征化结果来看，总体趋势遵循：熔融>填埋>资源化处置. 原因如下. 1）熔融以玻璃化飞灰中的重金属并分解有机污染物，此过程通常需要添加助熔剂（如二氧化硅、石灰石）以调整熔渣成分和流动性，具有极高的能源需求. 此外，尽管高温能够有效固定重金属，但部分挥发性重金属可能在熔融过程中蒸发，需要复杂的尾气处理系统来控制排放，显著增大了环境影响. 2）飞灰中含有大量可溶性盐分和部分可浸出的重金属，对地下水构成潜在威胁. 尽管填埋场通常配备渗滤液收集与处理设施，但长期运行、监测及维护需要持续的资源投入. 填埋仅通过物理隔离延缓污染释放，未能从根本上解决环境问题. 3）资源化无害化处置通过低于熔融工艺的能源消耗，即可实现飞灰中重金属的有效固定，并可直接替代水泥、混凝土、砖瓦、路基材料等. 这种处置方式不仅避免了原生材料开采、加工及运输环节的间接环境影响，而且通过资源循环利用减少飞灰的环境危害，从根本上降低了全生命周期环境负荷. 资源化无害化处置方式成为环境影响最小的处置方式.

2.1.3. 加权归一化

为了解析中点环境影响与终点环境损害对前述结果的贡献机制，开展加权归一化分析，结果如图5所示.

图 5

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图 5   生命周期评价的加权归一化结果

Fig.5   Weighted normalization result of life cycle assessment


在终点层面，环境损害值越低，表明对环境的负面影响越小. 3种飞灰处置场景下的生态指数因子Pt分别达到41.0×103、265×103、5.86×103. 在损害类别层面，总体上呈现人体健康、生态系统、资源3类损害指标依次递减的规律. 以绿色化应用潜力突出的资源化处置为研究对象，分析表明，该场景在HH、E、R 3类损害指标中均表现最优，尤其在HH类别中，相较于熔融处置可以有效削减约98%的环境负荷. 降低环境损害的核心原因是飞灰的资源回收特性更契合循环经济原则，显著降低了对原生资源的需求. 结合飞灰资源化利用技术的核心特征，优化工艺以降低能耗，是下一步改进的核心方向.

2.2. 数据质量校验

对于模型假设、数据库偏差、工艺波动等引起的不确定性，采用蒙特卡罗统计模拟对输入可变性累积效应进行量化. 基于100 000次蒙特卡罗模拟迭代，将飞灰处置的不确定性信息转化为概率密度分布，如图6所示. 其中，P为概率密度. 不确定性拟合参数详见表5. 其中，CV为变异系数.

图 6

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图 6   生命周期评价的不确定性分析

Fig.6   Uncertainty analysis of life cycle assessment


表 5   不确定性拟合参数

Tab.5  Uncertainty fitting parameter

场景类别Pt/103CV/%
平均值中值标准差
填埋处置HH40.640.0036.900.16
填埋处置E0.100.1019.606.29
填埋处置R0.300.3036.35.20
熔融处置HH263.00263.000.070.03
熔融处置E1.701.690.042.20
熔融处置R0.430.420.075.40
资源化处置HH3.533.520.020.65
资源化处置E2.182.180.020.71
资源化处置R0.150.140.042.42

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如图6所示，在95%置信区间内，该分布符合对数正态分布规律，拟合出的变异系数均小于7%，远小于文献[30]结果（7%~27%）[30]. 在数据分布相近的情况下，本研究方法具有较高的准确性和可靠性.

3. 结　论

（1）资源化处置技术具有显著的环境优势：飞灰资源化处置技术的环境影响远低于填埋和熔融技术. 资源化处置技术的温室效应潜势（GWP=4.31×103 kg （折算成二氧化碳））仅为熔融技术的26%和填埋技术的47%；人体毒性（HT=659 kg（折算成1,4-二氯苯））较熔融降低99.98%，且淡水/海洋的富营养化潜势可以忽略. 核心原因是资源化通过飞灰脱毒和盐分回收，替代原生材料，大幅降低能耗并阻断重金属释放路径.

（2）填埋处置85.24%的环境负荷源于渗滤液处理（含重金属渗滤液长期威胁水土）. 熔融66.97%的负面贡献来自高温熔融阶段的化石燃料消耗（GWP=1.64×104 kg（折算成二氧化碳））及挥发性重金属排放（如Pb、Cd）. 资源化技术主要受限于电能（56.47%）和燃气（33.10%）供应，但整体损害值（5.86×103）仅为熔融的2.2%，优化潜力在于清洁能源替代.

（3）通过蒙特卡罗100 000万次迭代量化不确定性，所有场景的CV均小于7%（远小于文献[30]结果），证明3种技术的环境表现排序具有统计显著性，为技术优选提供可靠依据.

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