将嵌入技术和管理应用于城市固体废物(MSW)清洁技术价值链中的循环经济:一种生命周期评估(LCA)归因建模方法

《Science of The Total Environment》:Embedding technology and management for circularity in MSW clean tech value chain: An LCA attributional modelling approach

【字体: 时间:2026年03月20日 来源:Science of The Total Environment 8

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  市政固体废物管理设施的归因生命周期评估显示,循环经济策略如资源回收和填埋气能回收可显著降低生态毒性、资源消耗及健康风险,为优化废物处理系统提供决策依据。

  
Hema Diwan|Hitesh Kavasia|Jitender Singh
印度管理学院,孟买,400087,印度

摘要

本研究对一个市政固体废物管理(MSWM)设施进行了归属生命周期评估(Attributional Life Cycle Assessment),以衡量MSWM逆向供应链的生态影响。该研究评估了一个集成的市政固体废物处理系统的性能,该系统包含了运输、检验与分类、再处理和填埋等逆向循环供应链流程,并将其与印度孟买的传统MSWM设施进行了对比。使用GaBi软件进行了归属生命周期评估,以了解MSWM逆向供应链的生态和人类相关影响。评估的指标包括海洋水生生态毒性、人类毒性潜力、臭氧层破坏潜力、陆地生态毒性潜力、臭氧生成潜力以及非生物资源消耗潜力。在能源回收、材料再利用和回收等方面,研究了循环经济干预措施的效果。研究发现,生物采矿、堆肥和运输等过程对人类健康和生态环境产生了显著影响,包括非生物资源的消耗和水生/陆地生态毒性。循环经济方法,如材料回收和填埋气体回收,能够减轻这些影响,并可作为MSWM废物处理中的价值创造策略。这些领域在减轻生态和健康影响方面具有最大的潜力。

引言

长期以来,工业界一直遵循一种强调材料和能源线性流动的经济模式,即“获取-制造-废弃”的范式(Andrews, 2015; Nguyen et al., 2022; Chen et al., 2019; Rana et al., 2019; Iqbal et al., 2020; Zhang et al., 2021; Pujara et al., 2023; Sharma et al., 2023)。当前的生产和消费系统需要被可持续的系统所取代,正如可持续发展目标12所倡导的那样。实现这一目标需要采用循环经济原则,在生产和消费系统中实施再利用、回收、减少和再生等干预措施,特别是在MSW、生物质或氢能等清洁能源供应链中。在废物服务领域迅速兴起的清洁能源供应链中,MSW废物价值链既可能成为负担,也可能带来创造经济和环境价值的机会。鉴于全球产生的大量废物,循环经济模型已被应用于MSW领域。
循环经济(CE)模型通过闭环设计思维、循环逆向物流和技术整合来创建循环供应链,从而最大化资源效率并减少废物。鉴于MSW产生的废物量及其对生态和环境的影响(Pe?a et al., 2021; van Stijn et al., 2021; Br?ndstr?m and Saidani, 2022; Almadi et al., 2023),这一概念已被应用于MSW设施的评估中。MSW的处理过程从收集到处置整个生命周期都存在环境外部性;然而,通过实施循环经济干预措施,可以减轻对环境和资源的影响(Rajaeifar et al., 2015; Ayodele et al., 2017; Caicedo-Concha et al., 2021; Aldhafeeri and Alhazmi, 2022)。
近年来,为了优化固体废物流的环境成本,人们推广了综合固体废物管理系统。这些系统基于系统视角,提倡配置逆向供应链以改进废物管理并提高其效率。综合固体废物管理系统包括基于循环经济的干预措施,如收集废物、储存/分类以回收经济价值,创建反馈循环,最终将剩余物填埋。闭合生产和消费循环可以提高资源和环境效率,同时减少与废物管理系统相关的环境外部性。结构良好的综合固体废物管理系统,配备完善的收集点、再利用、回收和再处理等逆向流程,不仅能降低管理成本,还能减少碳排放并提高运营效率(Milutinovi? et al., 2017; Nabavi-Pelesaraei et al., 2017; Neo et al., 2021; Kouassi et al., 2022; Lingaitien? et al., 2022)。正在开发涵盖MSW供应链上下游操作的循环经济模型,以提升废物服务的环境绩效。此外,从循环供应链的角度来看,废物管理研究尚不充分,而这正是需要重点关注的领域。废物处理技术产生的排放物不仅影响人类健康,还带来其他生态影响,但这方面的研究相对较少。在这种情况下,MSW处理过程需要实现循环经济,通过缩小反馈循环将材料和能源封闭在系统内。循环经济(CE)要求重新思考工业系统,使其与自然系统协同运作,从而重新定义和优化资源利用方式以实现最大价值回收(Bocken et al., 2016; Panchal et al., 2021; Sazdovski et al., 2021; Kumar et al., 2023)。
生命周期评估(LCA)作为一种建模工具,可以分析整个生命周期的环境影响,识别出需要采取缓解措施的热点问题。综合固体废物管理(ISWM)通过“从摇篮到摇篮”(Cradle to Cradle)方法促进可持续废物管理(Othman et al., 2013; Yay, 2015; Pan et al., 2018; Aryan et al., 2019, Aryan et al., 2023; ?zer and Yay, 2021; Kumar et al., 2023)。LCA建模有助于识别成本效益高的技术和高效运营方式,因为MSW处理设施通常资本和资源密集型。在此背景下,基于LCA的建模可以作为决策工具,支持更有效的废物管理策略规划和实施(Bisinella et al., 2016; Anshassi and Townsend, 2021; Hossain et al., 2021)。将LCA用于环境影响评估,并将其与循环经济理念相结合,可以创建减少废物管理设施环境影响的技术设置和商业模式。通过将基于循环经济的资源和环境效率策略相结合,可以在产品/材料层面建立反馈循环,从而增强废物管理服务的价值创造(Bocken et al., 2016; Popi?a et al., 2017; Tutunchian and Alt?nba?, 2023; Harris et al., 2025)。尽管由于废物产生量巨大,MSW废物系统是必需的,但它们具有环境影响。处理过程(如堆肥和填埋)会导致严重的土地退化、毒性影响和全球变暖相关问题。这些废物处理系统的环境成本很高,可以通过循环经济策略来缓解多重挑战。同样,低效的收集系统也会导致资源消耗和健康风险。这要求重新评估处理策略,重点在于闭合材料或产品循环。循环经济(CE)有助于转变MSW系统,管理二次资源和废物。
虽然通过焚烧、热处理、填埋和回收等技术,废物管理领域的技术创新显著增加(Khoo, 2019; Maalouf and El-Fadel, 2020; Maalouf and Agamuthu, 2023),但对管理模型及其实施的关注仍在发展中。本研究将循环经济模型整合到废物价值链的技术中,是朝这个方向迈出的一步。
在废物管理系统生命周期评估的背景下,文献深入探讨了废物行业的科学影响及其环境影响。关于循环经济模型中废物价值链管理的研究仍然较少。Mantalovas和Di Mino(2020)、Rufí-Salís等人(2021)以及Schmidt等人(2020)的工作在这方面有所进展。相关文献正在逐步发展,本研究试图将基于LCA的建模与MSW系统的循环经济模型相结合,提供全面的视角。通过生产和消费视角来系统地理解LCA非常重要。本研究评估了较少研究的生态和人类健康指标的影响,因为MSW设施具有显著的毒性影响,这些影响与全球变暖和气候变化同样值得关注。现有文献主要关注MSW设施对全球变暖和气候变化的影响,而忽略了分类、分离、堆肥和填埋等操作对资源消耗和毒性的影响,这些影响表现为渗滤液产生、生态毒性以及循环经济的影响。
在市政领域,集成系统的实施正在加速,重点在于资源再利用、回收、再生和循环利用。评估循环经济在减轻环境影响方面的作用,以改进MSW设施的管理和升级。这项研究为MSW处理对生态环境影响的评估提供了宝贵的文献补充。
在这方面,可以在循环经济模型内探讨MSW废物的再利用、回收和再生潜力。基于循环经济的模型可以支持对MSW管理影响的科学评估,监管机构和政策制定者倡导将这些科学和管理方面结合起来,为城市废物管理服务提供系统解决方案。

参考文献

联合国可持续发展目标(SDGs)第12项目标提倡通过减少、回收、再生等策略,在2030年前实现全球废物产生的净减少。随着循环经济作为管理理念的日益重视,废物材料需要重新进入生产系统,作为技术养分或二次资源。这些材料可以通过再利用、回收或在MSW系统中通过能源回收实现循环利用。

研究区域和MSW组成

孟买是印度最大的城市之一,被誉为印度的金融中心。根据中央污染控制委员会(CPCB)的估计,孟买每天产生约11,000吨固体废物,由于该地区的快速发展,这一数字预计还会呈指数级增长。XYZ站点被选为案例研究的地点。废物类型包括食物废物、木材和布料、沙子、石头、塑料、纸张和可回收物,以及惰性物质(图1d)。

方法:生命周期评估

生命周期评估(Life Cycle Assessment)

海洋水生生态毒性

海洋生态毒性指的是有毒物质释放到环境中对海洋生态系统的影响(Westenenk et al., 2022)。由于填埋设施或生物采矿和堆肥过程,水生生态毒性可能会增加(Pujara et al., 2023)。本研究使用CML 2001方法评估海洋水生生态毒性潜力(MAETP),结果以kg DCB eq表示(图5a)。

陆地生态毒性潜力

陆地生态毒性表明...

讨论

情景分析用于比较废物处理对生态指标(如生态毒性、人类毒性、资源消耗等)的环境影响,这些影响取决于废物的数量。LCA有助于识别各种工艺技术和热点区域的影响,这对于评估多种MSW技术的生态影响至关重要。在本研究中,通过物质流整合了传统的MSW管理技术。

避免的影响:填埋系统中的循环经济

通过比较三种情景,研究了在填埋过程中引入循环经济对减少生态影响的效应。
  • 情景1:填埋气体燃烧,
  • 情景2:填埋过程中回收气体用于发电,
  • 情景3:直接释放填埋气体。

主要发现

运输阶段对生态毒性、非生物资源消耗和臭氧生成及消耗等指标有显著影响。虽然生物采矿可以促进再利用和回收,但它也可能对人类健康产生显著影响。堆肥可能影响陆地和海洋生态毒性,但利用渗滤液可以显著降低其环境毒性潜力。同样,如果使用填埋气体回收能源,可以减少填埋对环境的影响。

结论

本研究有助于基于循环经济概念制定和实施最佳废物管理策略,强调回收和价值创造,是闭合废物供应链以实现生命周期管理的好案例。虽然现有文献报告了与MSW废物管理相关的研究,但本文通过探讨废物价值链中的循环经济影响,提供了独特的视角。

CRediT作者贡献声明

Hema Diwan:撰写 – 审稿与编辑、原始草稿撰写、方法论制定、数据分析、概念构建。Hitesh Kavasia:原始草稿撰写、数据管理、数据收集。Jitender Singh:原始草稿撰写。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
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