生活垃圾處理的碳排放和減排策略

李 歡,金宜英,李洋洋(1.清華大學(xué)深圳研究生院,廣東 深圳 518055；.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京 100084)

生活垃圾處理的碳排放和減排策略

李 歡1*,金宜英2,李洋洋2(1.清華大學(xué)深圳研究生院,廣東 深圳 518055；2.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京 100084)

利用質(zhì)量平衡模型,在核算生活垃圾處理技術(shù)碳排放的基礎(chǔ)上,通過低碳化程度評價(jià)方法,建立了面向不同層次需求的生活垃圾低碳化策略.研究結(jié)果表明,餐廚垃圾產(chǎn)沼利用、生活垃圾填埋氣收集利用和焚燒發(fā)電的低碳化程度最高,分別為93.7%、75.3%和71.0%.在不具備上述處理?xiàng)l件的地區(qū),可以采用準(zhǔn)好氧填埋,或在填埋之前進(jìn)行好氧穩(wěn)定預(yù)處理實(shí)現(xiàn)碳減排,其低碳化程度分別為 61.8%和 56.7%.根據(jù)目前生活垃圾的處理情況,估算我國每年生活垃圾處理過程將形成甲烷排放超過 600萬 t,總碳排放約 1.5億 t;而通過實(shí)施低碳化處理策略,2015年甲烷排放可減少至約500萬t,總碳排放減少至1.3億t.

生活垃圾；填埋；焚燒；碳排放

生活垃圾(MSW)等城市固體廢棄物在處理過程中的碳排放是溫室氣體的重要來源.為制定具針對性的生活垃圾碳減排策略,國內(nèi)外學(xué)者研究了填埋[1-2]、焚燒等不同處理方式的碳排放規(guī)律,并分別采用生命周期評價(jià)方法(LCA)[1-3]、聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的推薦方法[3-4],以及基于清潔發(fā)展機(jī)制(CDM)的核算方法[5-7],對生活垃圾處理技術(shù)以及整個(gè)處理系統(tǒng)進(jìn)行碳排放分析,并以此提出行之有效的措施,如恰當(dāng)?shù)姆诸愊到y(tǒng)[8]、改進(jìn)的工藝技術(shù)[9]、優(yōu)化的工藝流程[10-12]等.

如何從宏觀角度建立生活垃圾管理系統(tǒng)的低碳化處理策略,是減少生活垃圾處理碳排放面臨的重要問題.相對中國氣候變化初始國家信息通報(bào)的 1994年數(shù)據(jù)[13],目前我國的生活垃圾處理發(fā)生了巨大變化.作者采用 IPCC的質(zhì)量平衡方法

[14],分析了我國目前主要的及正在快速發(fā)展的生活垃圾處理技術(shù)的碳減排潛力,初步建立低碳化的生活垃圾處理策略,并對我國生活垃圾處理的碳排放情形進(jìn)行分析.

1 研究方法

1.1 研究邊界

從長期全球碳平衡的角度,生物質(zhì)碳的釋放并不增加大氣碳含量,因此在核算不同情形碳排放時(shí),生物質(zhì)降解或焚燒產(chǎn)生的CO2未被IPCC要求計(jì)入碳排放總量,但要求在報(bào)告中列出.對于生物質(zhì)而言,不同處理技術(shù)所產(chǎn)生的實(shí)際 CO2排放量有較大區(qū)別,如污泥堆肥法相對于焚燒處理而言,大部分污泥碳元素沒有形成 CO2排放,而是進(jìn)入到堆肥產(chǎn)品中,經(jīng)施用后大部分仍保持生物質(zhì)碳狀態(tài)(如土壤腐殖質(zhì)),而不是釋放到大氣中.而生物質(zhì)碳焚燒后集中生成的CO2將會經(jīng)過數(shù)十年乃至上百年才能重新匯集到生物體內(nèi),因此堆肥過程在一定時(shí)期內(nèi)起到了碳固定作用.本研究中既包括生活垃圾中非生物質(zhì)處理過程的碳排放,也包括餐廚垃圾等生物質(zhì)處理過程的 CO2排放,同時(shí)考慮處理過程輸出能量產(chǎn)生的減排效應(yīng).

1.2 評價(jià)方法

為了便于對不同處理技術(shù)進(jìn)行比較,參考資源化處理率等指標(biāo),建立低碳化程度(DLC)指標(biāo).采用厭氧填埋的最大可能碳排放(Emax)作為比較基準(zhǔn),處理技術(shù)的綜合碳排放(E)包括CH4和CO2排放(EC)并扣除碳減排效應(yīng)(ER).

2 常用處理技術(shù)的碳排放分析

2.1 生活垃圾衛(wèi)生填埋

生活垃圾厭氧填埋過程中,無甲烷收集處理的情況下,其碳排放達(dá)到最大,CH4和CO2排放量分別為:

式中,W為生活垃圾質(zhì)量;DOC為可降解有機(jī)碳,可根據(jù)生活垃圾各組分的可降解碳含量的加權(quán)平均值來計(jì)算(IPCC推薦東亞國家缺省值為14%);DOCf為實(shí)際分解的可降解有機(jī)碳比例,取IPCC推薦值50%;MCF為甲烷氧化因子,厭氧填埋場為 100%,準(zhǔn)好氧填埋場存在半有氧環(huán)境,產(chǎn)生的 CH4較少;F為填埋氣中 CH4體積比例,IPCC推薦值 50%;(16/12)為 CH4/C分子量比率;(44/12)為CO2/C分子量比率.

將式(2)和式(3)相加,1 t CH4的百年全球變暖趨勢(GWP)按 21t CO2計(jì),代入相關(guān)參數(shù),最大可能碳排放(CO2當(dāng)量)為:

相對于厭氧填埋場的最大可能碳排放,還存在幾種影響填埋場碳排放的因素.

2.1.1 準(zhǔn)好氧填埋 準(zhǔn)好氧填埋場地表層、集水管附近、立渠或排氣設(shè)施左右部分成為好氧狀態(tài),而空氣接近不了的填埋層中央部分等則成為厭氧狀態(tài).甲烷在填埋氣中的比例為 10%～20%[15],按式(2)和式(3),代入相關(guān)參數(shù)(MCF=0.5,

F=0.2)可以得到:

2.1.2 甲烷燃燒 CH4收集后可噴焰燃燒,對于大型厭氧填埋場而言,填埋氣收集系統(tǒng)的集氣效率在 30%～80%之間,而密封較好的現(xiàn)代化衛(wèi)生填埋場可達(dá) 80%[16].這里采用 80%的集氣效率,而其中甲烷全部燃燒.根據(jù)式(2)和式(3),碳排放變?yōu)?

2.1.3 填埋氣發(fā)電 CH4可以純化燃燒發(fā)電,從而實(shí)現(xiàn)碳減排.沼氣發(fā)電效率一般在1.68～2.00kW·h/m3[17],大約 0.2kg CH4可 回 收1kW·h 電能[18].中國主要火電企業(yè)發(fā)電的單位CO2排放量為 0.7～0.8kg/kW·h 左右[19],這里及下文均取 0.8kg/kW·h,因此 1kg CH4發(fā)電可減少燃煤CO2排放4kg.當(dāng)80%填埋氣被收集發(fā)電時(shí),減排量為:

2.2 生活垃圾焚燒發(fā)電的碳排放

生活垃圾燃燒產(chǎn)生的碳排放為:式中, CF為生活垃圾可燃碳含量,相對于 DOC,主要多了橡塑中的碳,根據(jù)近年我國生活垃圾中像塑含量平均水平 7%～12%[20],以及 IPCC推薦的橡塑含碳量 67%～75%,則橡塑組分所含碳約占垃圾總重的 4%～9%,這里取 4%,即 CF取18%;OF為氧化因子,考慮到我國焚燒混合垃圾以及焚燒技術(shù)水平,這里取85%[21].

生活垃圾焚燒發(fā)電量受垃圾熱值、處理設(shè)施、焚燒工況、輔助燃料等因素的影響.我國部分焚燒廠的單位垃圾發(fā)電量和自用電比例如表1所示,可以看出單位垃圾發(fā)電量在 0.2～0.4 kW·h/kg之間,本文按 0.3kW·h/kg計(jì)算,則焚燒1kg垃圾相當(dāng)于減排 0.24kg CO2.生活垃圾焚燒發(fā)電替代燃煤的減排效果為

表1 我國部分焚燒廠發(fā)電情況Table 1 Some MSW-to-Energy plants in China

2.3 生活垃圾好氧堆肥

2.3.1 堆肥本身的碳排放 以采用強(qiáng)制通風(fēng)的靜態(tài)好氧堆肥為例,生活垃圾中大部分 DOC轉(zhuǎn)化為CO2和微生物機(jī)體.堆肥處理過程產(chǎn)生的碳排放為:

式中,考慮堆肥完全腐熟后 DOC分解率超過99.5%[22],碳在堆肥過程中約 2/3轉(zhuǎn)換為 CO2,其余1/3用于細(xì)胞合成[23],DOCf取0.65.

2.3.2 好氧發(fā)酵用于填埋前預(yù)處理 好氧發(fā)酵還可以作為厭氧填埋的穩(wěn)定化預(yù)處理手段.生活垃圾 DOC大部分在短期好氧發(fā)酵過程中分解(DOCf取 0.5),殘余有機(jī)質(zhì)主要是降解緩慢的有機(jī)物,在填埋場內(nèi)厭氧分解的 DOC比例較低(DOCf取 0.1)[24].根據(jù)式(8),堆肥預(yù)處理的碳排放為:

設(shè) DOC=14%,DOCf=0.1,MCF=1,F=0.5,代入式(2)和式(3),填埋過程碳排放為:

2.4 餐廚垃圾厭氧發(fā)酵

由于我國混合垃圾中含有大量餐廚垃圾,含水率和含鹽量很高,嚴(yán)重影響后續(xù)焚燒或填埋處理,因此近年來餐廚垃圾的單獨(dú)收運(yùn)處理獲得了迅速發(fā)展,這里以厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼利用為例.厭氧分解會將大部分DOC轉(zhuǎn)化為CH4和CO2,其中CH4含量在50%～55%之間,CH4最終燃燒轉(zhuǎn)化為CO2.代入相關(guān)參數(shù)(DOC = 7%[25],DOCf= 0.5),甲烷燃燒后形成的總碳排放為

代入 DOC=7%,DOCf=0.5,MCF=1,F=0.5,甲烷發(fā)電替代燃煤導(dǎo)致的碳減排量為:

消化殘?jiān)梢宰鳛榉柿洗娌糠只?但肥料應(yīng)用存在很大的不確定性,暫不考慮其影響.

2.5 不同處理技術(shù)的比較

上述計(jì)算基于處理技術(shù)的一般情況,對于具體項(xiàng)目而言,各種參數(shù)會略有不同,可依據(jù)上述公式進(jìn)行調(diào)整.根據(jù)計(jì)算結(jié)果,不同處理技術(shù)的碳排放情況如表2所示.可以看出,餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼利用、填埋氣收集利用、好氧堆肥和焚燒發(fā)電,碳化程度最高.它們實(shí)際上具有雙重減排效應(yīng),即減少垃圾填埋產(chǎn)生的 CH4排放和減少使用化石燃料產(chǎn)生的CO2排放,因此是值得推廣的首選減排技術(shù).

3 低碳化處理策略和情形分析

隨著生活垃圾處理需求的不斷改變,其處理策略從無害化、減量化、資源化到低碳化,層次不斷提高.這些層次并不是截然分開的,它們從低到高逐步過渡并共同構(gòu)成生活垃圾的處理策略.根據(jù)表 1的分析結(jié)果,要實(shí)現(xiàn)生活垃圾的低碳化管理,首先應(yīng)考察是否適合采用干濕垃圾分開的收集模式,單獨(dú)處理餐廚垃圾不僅可以減少碳排放,還可以大幅減輕后續(xù)處理負(fù)擔(dān)和難度.然后進(jìn)一步考察混合垃圾焚燒發(fā)電的可能性.如需填埋處理,應(yīng)盡量使生活垃圾進(jìn)入有完善管理和沼氣收集利用設(shè)施的填埋場.如填埋場產(chǎn)氣不穩(wěn)定或無完善的沼氣收集系統(tǒng),可以將填埋場改造成準(zhǔn)好氧填埋場,或者在生活垃圾填埋前,進(jìn)行好氧穩(wěn)定預(yù)處理,減少填埋過程的甲烷和滲濾液排放.

表2 生活垃圾處理過程的碳排放和低碳化程度Table 2 The carbon emission and low-carbon degree of MSW treatment technologies

根據(jù)前述公式,可以推算我國目前生活垃圾處理過程的碳排放情況(表 3中現(xiàn)狀部分),每年CH4排放約600多萬t,CO2排放約2650萬t,而填埋氣利用和焚燒發(fā)電是主要碳減排方式,但總量相對很少,因此總碳排放達(dá)到1.5億t,約占我國碳排放(2004年為61億t[26])的2%.

表3 不同生活垃圾處理模式對碳排放的影響Table 3 The effect of MSW management modes on the carbon emission from MSW treatment

隨著低碳化策略在實(shí)踐中的應(yīng)用以及我國 相關(guān)政策的推動,可以預(yù)計(jì)餐廚垃圾的資源化處理、生活垃圾的焚燒發(fā)電以及填埋氣的利用將越來越廣泛.根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局 2003～2008年環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),我國生活垃圾總的清運(yùn)量變化較小,而無害化處理率、焚燒處理比例均顯著提高,堆肥比例持續(xù)下降,其他處理方式很少(圖1).

圖1 我國近年來生活垃圾主要處理方式變化Fig.1 Variation of MSW treatment methods during recent years in China

據(jù)此推測2015年我國清運(yùn)生活垃圾量達(dá)到1.6億t,而無害化處理率達(dá)到75%,其中焚燒發(fā)電處理占20%.根據(jù)國家環(huán)境保護(hù)總局于2002年公布的處理城市垃圾《國家行動方案》,填埋氣回收利用的填埋垃圾量比例將達(dá)到全部垃圾量的10%,預(yù)計(jì)普通厭氧填埋處理占全部垃圾量的40%,其他準(zhǔn)好氧填埋、填埋器收集燃燒、好氧預(yù)處理等方式共占 4%.我國每年餐飲垃圾產(chǎn)生量估計(jì)約3000萬t,而無害化處理比例不到2%,隨著大量資源化設(shè)施的投入應(yīng)用,預(yù)計(jì)2015年單獨(dú)處理比例達(dá)到5%,約占全部垃圾量的1%.

在這種情形下,利用前述公式可以對我國未來碳排放情況進(jìn)行預(yù)測,如表3所示.CH4排放量將減少至 500萬 t,減少量轉(zhuǎn)換為 CO2導(dǎo)致 CO2有所增加,而替代能源效應(yīng)產(chǎn)生的碳減排效果也更加明顯,達(dá)到1000萬t,則總碳排放為1.3億t,相對于現(xiàn)狀減排15%.這說明,通過適當(dāng)推動生活垃圾填埋氣利用、沼氣發(fā)電和焚燒發(fā)電等低碳化技術(shù)應(yīng)用,以及通過好氧穩(wěn)定方式減少 CH4排放后,在生活垃圾清運(yùn)量有所增加的情況下,其處理過程碳排放仍可顯著減少,從而為我國的溫室氣體控制,建設(shè)低碳社會提供有力支持.

4 結(jié)論

4.1 相對于厭氧填埋,餐廚垃圾厭氧產(chǎn)沼利用、填埋氣收集利用和焚燒發(fā)電低碳化程度最高,減排潛力最大.

4.2 低碳化策略是,在條件許可的地區(qū)開展干濕垃圾分類收集,餐廚垃圾進(jìn)行厭氧產(chǎn)沼利用,其次利用生活垃圾焚燒發(fā)電回收能源;而對于經(jīng)濟(jì)相對落后的地區(qū),建設(shè)大型填埋場可以設(shè)置完善的沼氣收集利用系統(tǒng),建設(shè)小型填埋場可以使用準(zhǔn)好氧模式,或在填埋之前進(jìn)行好氧穩(wěn)定預(yù)處理.

4.3 我國生活垃圾處理碳排放約1.5億t,通過適當(dāng)提高沼氣利用、焚燒發(fā)電和好氧穩(wěn)定處理的比例,控制甲烷排放量,促進(jìn)能源回收利用,就可以使我國2015年在生活垃圾無害化處理量顯著增加的情況下,碳排放大幅減少15%.

[1] 瞿 賢,何品晶,邵立明,等.生物質(zhì)組成差異對生活垃圾厭氧產(chǎn)甲烷化的影響 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2008,28(8):730-735.

[2] 邵立明,仲躋勝,張后虎,等.生活垃圾填埋場春夏季 CH4釋放及影響因素 [J].環(huán)境科學(xué)研究, 2009,22(1):83-88.

[3] 趙 磊,陳德珍,劉光宇,等.垃圾熱化學(xué)轉(zhuǎn)化利用過程中碳排放的兩種計(jì)算方法 [J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2010,30(8):1634-1641.

[4] 徐思源,陳剛才,魏世強(qiáng),等.重慶市城市生活垃圾填埋甲烷排放量估算 [J]. 西南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2010,32(5):120-125.

[5] Elhanandeh A, Elzein A. Strategies for the municipal waste management system to take advantage of carbon trading under competing policies: The role of energy from waste in Sydney [J].Waste Management, 2009,29(7):2188-2194.

[6] 陳移峰,蒲 舸,冉景煜.城市生活垃圾處理與溫室氣體減排 [J].重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2007,21(3):25-28,34.

[7] Xiao Y, Bal X, Ouyang Z, et al. The composition, trend and impact of urban solid waste in Beijing [J]. Environmental Monitoring and Assessment, 2007,135(1-3):21-30.

[8] Calabro P S. Greenhouse gases emission from municipal waste management: The role of separate collection [J]. Waste management, 2009,29(7):2178-2187.

[9] 趙由才,趙天濤,韓 丹,等.生活垃圾衛(wèi)生填埋場甲烷減排與控制技術(shù)研究 [J]. 環(huán)境污染與防治, 2009,31(12):48-52.

[10] Zhao W, Dervoet E, Zhang Y, et al. Life cycle assessment of municipal solid waste management with regard to greenhouse gasemissions: Case study of Tianjin, China [J]. Science of the Total Environment, 2009,407(5):1517-1526.

[11] Batool S A, Chuadhry M N. The impact of municipal solid waste treatment methods on greenhouse gas emissions in Lahore,Pakistan [J]. Waste management, 2009,29(1):63-69.

[12] Mohareb A K, Warith M A, Diaz R. Modelling greenhouse gas emissions for municipal solid waste management strategies in Ottawa, Ontario, Canada [J]. Resource Conservation and Recycle,2008,52(11):1241-1251.

[13] 中國國家發(fā)展和改革委員會.中華人民共和國氣候變化初始國家信息通報(bào) [M]. 北京:中國計(jì)劃出版社, 2004.

[14] IPCC. 2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories [R]. Geneva, 2006.

[15] 劉玉強(qiáng),黃啟飛,王 琪,等.生活垃圾填埋場不同填埋方式填埋氣特性研究 [J]. 環(huán)境污染與防治, 2005,27(5),333-337.

[16] 趙由才,龍 燕,張 華.生活垃圾衛(wèi)生填埋技術(shù) [M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2004:177.

[17] 冉國偉,張汝坤,馮愛國.沼氣發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀分析及發(fā)展方向的探討 [J]. 農(nóng)機(jī)化研究, 2006,(3):189-191,194.

[18] 張相鋒,肖學(xué)智,何 毅,等.我國垃圾填埋氣發(fā)電項(xiàng)目利用清潔發(fā)展機(jī)制的可行性研究 [J]. 太陽能學(xué)報(bào), 2007,28(9):1045-1048.

[19] 綠色和平組織.中國發(fā)電集團(tuán)氣候影響排名 [R]. 北京, 2009.

[20] 杜吳鵬,高慶先,張恩琛,等.中國城市生活垃圾排放現(xiàn)狀及成分分析 [J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 2006,19(5):85-90.

[21] 趙天濤,閻 寧,趙由才.環(huán)境工程領(lǐng)域溫室氣體減排與控制技術(shù) [M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2009:51

[22] Garcia C, Costa H F, Ayuso M. Evaluation of the maturity of municipal waste compost using simple chemical parameters [J].Communication in Soil Science and Plant Analysis, 1992,23(13/14):1501-1512.

[23] 趙由才,牛冬杰,柴曉利.固體廢物處理與資源化 [M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2006:72-73,199.

[24] Mahar R B, Liu J, Li H, et al. Bio-pretreatment of municipal solid waste prior to landfilling and its kinetics [J]. Biodegradation,2009,20(3):319-330.

[25] 吉崇喆,劉桐武,張恩琛.城市生活垃圾可降解有機(jī)碳估算方法的研究 [J]. 環(huán)境衛(wèi)生工程, 2005,13(3):7-9,13.

[26] 中國國家發(fā)展和改革委員會.中國應(yīng)對氣候變化國家方案 [R].北京, 2007.

Carbon emission and its reduction strategies during municipal solid waste treatment.

LI Huan1*, JIN Yi-ying2, LI Yang-yang2(1.Graduate School at Shenzhen, Tsinghua University, Shenzhen 518055, China；2.School of Environment,Tsinghua University, Beijing 100084, China). China Environmental Science, 2011,31(2)：259～264

Based on the calculation of carbon emission from municipal solid waste (MSW) treatment processes by using the mass balance model, a low-carbon strategy for MSW management was established by evaluating the relatively low-carbon degree of these processes. Restaurant garbage digestion for methane production, MSW landfill for gas utilization, and incineration for power production had the lowest carbon emission, with low-carbon degrees of 93.7%,75.3% and 71.0%, respectively. In areas where the above technologies were limited, semi-aerobic landfill and landfill with an aerobic stabilization pretreatment were also effective for carbon emission reduction, and their low-carbon degrees were 61.8% and 56.7%, respectively. According to the present MSW treatment status in China, it was estimated that the CH4emission was above 6 million tons and the total carbon emission was about 150 million tons per year from MSW treatment. With the implementation of the low-carbon management strategy, in 2015, the CH4emission and the total carbon emission could be reduced to approximately 5 million tons and 130 million tons, respectively.

municipal solid waste (MSW)；landfill；incineration；carbon emission

X705

A

1000-6923(2011)02-0259-06

2010-07-07

國家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2009BAC64B06);江蘇省科技計(jì)劃項(xiàng)目(BE2008611)

* 責(zé)任作者, 講師, sunpace@vip.163.com

李 歡(1979-),男,河北衡水人,講師,博士,主要從事固體廢物處理處置和資源化研究.發(fā)表論文20余篇.