城市生活垃圾处理系统氮元素跨介质代谢模拟及技术政策优化

Development of pollution control management and technical policies have conventionally focused on individually improving one of three media (air, water, soil). However, this leaves a gap in accounting for trans-media pollutants, that is, those that migrate between air, water or soil. Addressing this trans-migration is of great significance to improving overall ecological environment quality. This project explores the mechanisms for nitrogen release and migration through air, water and soil, establishing a cross-media metabolism accounting model based on substance flow analysis and system dynamics modeling. The model identifies key interfaces for cross-media pollution control and corresponding management measures. It combines Monte Carlo simulation and scenario analysis methods to assess different processing and disposal technologies, their effect on the 3-media environmental system, and to minimize overall ecological impacts. This project puts forward recommendations for technical policies and management procedures to overcome the limitations of current practices based on the single medium concept, and realize holistic environmental system modelling and management approach by cross-media pollutants control.

制定污染防治管理措施及技术政策时，过去往往以单一环境介质（水、土、气）的质量改善为目标，据此确定的污染治理技术路径易发生污染物跨环境介质迁移代谢的现象。如何通过污染物跨介质迁移代谢核算及系统优化，制定科学的管理措施和技术政策，规避环境影响跨介质转移的风险，对整体生态环境质量改善具有重要意义。本项目基于元素流分析和系统动力学方法，以我国城市生活垃圾处理处置系统为对象，探索治理过程中氮元素在大气、水体和土壤等跨环境介质的释放及迁移机制，建立元素跨介质代谢核算模型，识别跨介质污染控制的关键界面及相关管理措施；结合蒙特卡洛模拟与情景分析，评估不同处理处置技术路径下跨介质的综合环境影响水平，并以整体生态环境影响最小化为目标优选技术路径，提出以生态环境质量改善系统性目标为导向的技术政策优化方法，克服当前单一环境介质目标管理思想的局限性，初步建立了基于跨介质污染控制改善整体生态环境质量的系统性管理方法。

城市固体废物处理处置过程中，污染物可通过物理、化学、生物等作用在气、水、土等环境介质间发生迁移转化，导致跨介质污染转移和环境管理风险。传统以单一环境介质质量改善为目标确定的污染治理技术路径，易导致污染控制目标在介质间的“隐性”转移，无法保障整体生态环境质量改善。本项目以城市生活垃圾处理处置过程中的氮元素为对象，构建以垃圾填埋、堆肥、焚烧及厌氧发酵等处理工艺为核心的氮元素跨介质代谢模型，解析城市生活垃圾处理处置过程中氮元素迁移转化机理与向各环境介质的释放特征；开展系统整体环境影响评价，识别跨介质污染控制关键技术；开展城市生活垃圾处理系统技术路径优化，提出基于整体生态环境质量改善的技术政策。研究结果表明，对于填埋、堆肥、焚烧及厌氧发酵四类垃圾处理工艺，均存在含氮污染物经跨介质代谢后最终流入环境，约23%-54%未得到彻底去除；堆肥和厌氧发酵工艺的氮污染去除率相对较高。其中，填埋气制取天然气技术、堆肥化学添加剂技术、生化法+膜处理渗滤液处理技术等13项技术的普及推广对系统整体环境影响显著且较优。优化的技术路径下，2025年我国城市生活垃圾处理处置系统整体环境影响和净能耗相对2016年可分别降低24.2%和7.4%，厌氧发酵、堆肥等垃圾处理工艺及水泥窑协同处理污泥等二次污染处理技术应得到大力推广。本研究统筹了生活垃圾处理处置过程中多环境介质间的整体性和协同性，突破原有技术选择方法在单目标导向、单介质局部最优及跨介质风险不可控方面的局限性，建立了基于跨介质污染控制和整体生态环境质量改善的系统性管理方法。项目成果为党中央、国务院“科技助推生活垃圾分类”的交办任务提供重要决策咨询1次，成果支撑了全国城镇生活垃圾无害化处理设施建设规划、“无废城市”建设试点工作方案、“十四五”时期“无废城市”建设工作方案、“十四五”循环经济发展规划等4份重大国家决策，应用于张家港、成都、彭州、徐州、盘锦等5项地方“无废城市”相关建设规划的编制。