城市生活垃圾主要處理方式的溫室氣體協(xié)同減排效應(yīng)比較——以天津市為例

王 媛，何 彧，顏蓓蓓

(天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072)

根據(jù)主要經(jīng)濟體提交聯(lián)合國氣候變化框架公約網(wǎng)站(UNFCCC)的 1990—2007年溫室氣體排放數(shù)據(jù)，歐盟 15國的減排數(shù)據(jù)顯示雖然廢棄物領(lǐng)域的排放量僅占 2007年總排放量的 2.76%，但是其減排總量卻占到同年度減排總量的 29.70%．研究德國 1990年和 2007年溫室氣體排放情況，可以發(fā)現(xiàn)僅占德國總排放量 3.33%的廢棄物領(lǐng)域的減排量占總減排量的 11.18%，減排率達到 71.50%，而且其中 94.12%的減排是通過城市生活垃圾(municipal solid waste，MSW)的處理實現(xiàn)的[1]．上述研究數(shù)據(jù)表明 MSW 處理有巨大的溫室氣體減排潛力．中國在 2007年編制的《中國應(yīng)對氣候變化國家方案》中將加強 MSW管理作為減緩溫室氣體排放的重點領(lǐng)域之一．由此可見，MSW 在全球溫室氣體減排中的重要作用已經(jīng)引起了多方重視．

目前中國每年MSW產(chǎn)生量都很大，1979—2010年生活垃圾清運量呈上升的趨勢，無害化處理比例也逐年提高．2010年我國生活垃圾清運量為158.05×106,t，無害化處理中 77.9%采用填埋方式處理，只有18.8%采用焚燒方式處理，1.5%采用堆肥方式處理[2].選擇合適的處理方式不僅可以減少 MSW 對局地環(huán)境的影響，還可以減少溫室氣體的排放，節(jié)約化石能源，減緩氣候變暖．

“協(xié)同效應(yīng)”一詞最先出現(xiàn)在政府間氣候變化專門委員會(IPCC)于 2001年發(fā)布的第 3次評估報告，指“因各種理由而實施相關(guān)政策的同時獲得的收益”．筆者研究的協(xié)同減排效應(yīng)更為具體，指在控制局域污染物的排放過程中減少溫室氣體排放的效應(yīng)．筆者擬就焚燒發(fā)電和填埋氣焚燒、填埋氣發(fā)電 3種主要的固體廢物處理方式，以天津市為例，進行溫室氣體與城市生活垃圾處理的協(xié)同減排核算．

1 溫室氣體減排量的測算方法

目前對于 MSW 溫室氣體排放量的測算方法主要基于 IPCC溫室氣體排放清單中提供的方法和LCA的方法[3]，對于MSW處理項目的溫室氣體減排量的測算主要是基于 CDM 項目方法學(xué)．其中 LCA的方法雖然考慮了填埋過程中收集、運輸、填埋等工藝的碳排放，但是由于運輸?shù)冗^程中溫室氣體的散逸量非常有限，主要溫室氣體排放仍集中在處理環(huán)節(jié)．趙磊等[4]曾對 IPCC清單法和 LCA核算方法進行了比較分析，兩種核算方法計算所得的不同 MSW處理方式的碳排放趨勢基本一致．鑒于IPCC清單法比 LCA法更為規(guī)范，本文主要基于 IPCC清單法結(jié)合 CDM 項目的方法學(xué)核算幾種主要的 MSW 處理方式的溫室氣體協(xié)同減排效應(yīng)．中國 1979—2010年的生活垃圾處理情況如圖 1所示．根據(jù)我國生活垃圾處理的主要方式，以 S0為對比的基準(zhǔn)線情景，設(shè)定 3種情景(S1，S2，S3)考慮．

圖1 1979—2010年中國生活垃圾清運量與無害化處理量Fig.1 Chinese MSW collection quantity and harmless treatment quantity from 1979 to 2010

情景設(shè)置共有4種．

(1) 基準(zhǔn)線(S0)．采用固體廢物填埋方式處置城市生活固體廢物，沒有集中收集設(shè)施，固體廢物填埋時產(chǎn)生的填埋氣直接排空，不做任何處理．

(2) 填埋氣焚燒(S1)．相比于S0，不具有發(fā)電效益的填埋氣進行集中收集后火炬焚燒后排放．

(3) 填埋氣發(fā)電(S2)．相比于S0，具有發(fā)電效益的填埋氣進行集中收集后進行焚燒發(fā)電替代能源．

(4) 焚燒發(fā)電(S3)．MSW焚燒發(fā)電替代能源．

1.1 S0情景下MSW填埋溫室氣體排放量的測算

MSW 填埋后，由于微生物的活動，固體廢物中的可降解有機成分被逐漸分解，這一過程可大致分為5個階段：水解/好氧降解階段、水解/發(fā)酵階段、酸化階段、產(chǎn)甲烷階段、氧化階段[5]．垃圾降解產(chǎn)甲烷是一個以微生物為中介體的、受多種因素影響的動態(tài)生物轉(zhuǎn)化過程，其主要影響因素如下．

(1) 垃圾特性．MSW 中可降解的有機物的含量，以及其中纖維素、蛋白質(zhì)、脂肪的構(gòu)成比例，對填埋氣的產(chǎn)生起著決定性的作用，影響可產(chǎn)生的填埋氣總量．其中，易降解有機物(如廚余)對填埋氣的產(chǎn)生貢獻最為直接，且為其他有機物降解提供了條件．此外，減小垃圾粒度可以增加MSW表面積及分布的均勻性，有助于填埋降解過程的加速．

(2) 濕度．垃圾中的水分主要取決于垃圾內(nèi)自身的含水量、填埋區(qū)的降雨量、以及地面水和地下水的防滲措施．適量的水分有利于垃圾降解，同時水分在垃圾堆體中的運動可以將微生物和養(yǎng)分輸送到各處，并同時帶走降解產(chǎn)物，從而加速降解的進行．但過多的含水量將會起到降溫作用，并且阻滯氣體的流動，導(dǎo)致氣體產(chǎn)量的降低．有研究表明，填埋垃圾的初始水分為60%～80%比較適宜降解[6]．

(3) 溫度．填埋氣的產(chǎn)生與甲烷菌的活躍程度有關(guān)，產(chǎn)甲烷階段有兩種甲烷菌非?；钴S，一種是中溫甲烷菌，其活躍的適宜溫度為 30～35,℃，另一種為嗜熱甲烷菌，其活躍的適宜溫度為 45～65,℃．因此甲烷菌活躍的適宜溫度在 30～65,℃之間，過低或過高的溫度都會使填埋氣的產(chǎn)生明顯下降．

以上都是影響排放量的重要因素，除此之外還有pH值和填埋場地特性等也會對排放量產(chǎn)生影響，其中垃圾特性主要影響排放總量，而濕度、溫度等主要影響降解半衰期t1/2，即影響產(chǎn)氣速率．

填埋氣的主要成分是 CH4和 CO2，各占 50%左右，其他氣體如 O2、N2、H2S、烷烴和芳烴等含量極少．由于這部分的 CO2排放量是源自生物質(zhì)的碳排放，不計入溫室氣體排放[7]．基準(zhǔn)線情景主要是測算填埋產(chǎn)生甲烷的量，并將其換算成全球變暖潛力(global warming potential，GWP)，采用一階衰減(first-order decay，F(xiàn)OD)方法進行測算．

IPCC指南[7]提供的FOD方法測算公式為

CH4是厭氧條件下有機材料降解產(chǎn)生的結(jié)果．產(chǎn)生的部分 CH4在固體廢棄物填埋場覆蓋層氧化，或可回收用作能源或噴焰燃燒．因此，固體廢棄物填埋場實際排放的 CH4少于產(chǎn)生的量．產(chǎn)生排放CH4的測算公式為式中：ES0為FOD方法核算S0情景下MSW填埋釋放的甲烷的二氧化碳當(dāng)量，t,CO2e；R為回收的 CH4，在S0條件下沒有收集回收，該參數(shù)為0；O為氧化因子，取 0.1．

1.2 S1、S2情景下 MSW填埋的 2種處理方式的溫

室氣體協(xié)同減排量的測算方法

S1為一般 MSW 衛(wèi)生填埋的情景，即填埋氣體經(jīng)過導(dǎo)氣裝置集中收集后點火焚燒，焚燒后的甲烷變?yōu)?CO2，即

此部分CO2也同樣來自于生物質(zhì)(由于甲烷來自于有機廢物的分解，由此部分甲烷轉(zhuǎn)化的 CO2，不屬于化石碳的來源)，不計入溫室氣體排放．

MSW衛(wèi)生填埋的溫室氣體減排量ES1為

S2情景中 MSW 填埋氣發(fā)電項目的基準(zhǔn)線為：①在不存在填埋氣發(fā)電項目時，固體廢物填埋排放的CH4量；②在不存在填埋氣發(fā)電項目時，當(dāng)?shù)匕l(fā)電廠的平均溫室氣體排放量．

MSW填埋氣發(fā)電項目的溫室氣體減排量為

式中：ES2為 S2情景下衛(wèi)生填埋場減排的溫室氣體，t,CO2e；Eelec為發(fā)電替代電能的減排量，測算式為式中：Tel為 MSW 處理后對外輸出的電量，MW·h；Selec為當(dāng)?shù)匕l(fā)電的 CO2平均排放系數(shù)，t,CO2e/(MW·h)．

1.3 S3情景下 MSW焚燒供電的溫室氣體協(xié)同減排量的測算方法

MSW 焚燒供電項目的基準(zhǔn)線為：①在不存在固體廢物焚燒供電項目時，固體廢物填埋排放的 CH4量；②在不存在固體廢物焚燒供電項目時，當(dāng)?shù)匕l(fā)電廠的平均溫室氣體排放量；③在不存在固體廢物焚燒供熱項目時，當(dāng)?shù)劐仩t供熱的平均溫室氣體排放量．

在計算 MSW 焚燒供電項目的溫室氣體減排量時，由于固廢中動物、植物、廚余、紙等固體廢物所含碳的最初來源為生物質(zhì)，因此，從碳平衡的角度來看，整個過程為零碳排放，不將其計入，而塑料等含碳來源為化石碳，在計算減排量時應(yīng)扣除．由于目前中國MSW的熱值較低，在焚燒固體廢物時往往需要加入煤、重油、天然氣等化石類輔助燃料，在計算減排量時應(yīng)扣除這部分化石燃料燃燒產(chǎn)生的CO2量[8].

由于焚燒一次性把所有可能產(chǎn)生的甲烷全部消耗，采用質(zhì)量平衡法計算其基準(zhǔn)減排量．測算式為

王俊[3]等報道中良性結(jié)節(jié)血流分級主要為0～Ⅰ級，惡性結(jié)節(jié)血流分級主要為Ⅱ～Ⅲ級；相較于惡性結(jié)節(jié)，良性結(jié)節(jié)的血流信號豐富比率、RI和鈣化比率均更低，形態(tài)規(guī)則比率、邊界清晰比和暈環(huán)比率均更高，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。本次研究的診斷結(jié)果和其他報道基本一致，可行性高[4]。

式中：E′S0為質(zhì)量平衡法核算S0情景下MSW填埋釋放的甲烷的二氧化碳當(dāng)量，t CO2e；m為填埋的城市固體廢棄物總量，t；Een為替代能源的減排量(包括替代電能與熱能)，t CO2e；Tei為MSW焚燒發(fā)電對外輸出的電量，MW·h；Tt為MSW焚燒供熱對外輸出的熱量，GJ；St為當(dāng)?shù)毓I(yè)鍋爐生產(chǎn)的CO2平均排放系數(shù)，t,CO2e/GJ；EGHG為燃燒化石碳來源的MSW排放的溫室氣體，t,CO2e；2COE 為焚燒MSW中的化石碳來源CO2排放量，t；2NOE 為焚燒MSW排放N2O的二氧化碳當(dāng)量，t,CO2e；ES3為S3情景下MSW焚燒減排的溫室氣體量，t,CO2e；Efud為燃燒時添加輔助燃料所排放的溫室氣體，t,CO2e；El為焚燒后剩余廢棄物的泄漏排放，t,CO2e．

具體核算工程減排量時不僅要考慮基準(zhǔn)線排放量，還要考慮處理工程本身的特點．由于填埋方式核算是動態(tài)的一階衰減疊加過程，不同于靜態(tài)核算，其結(jié)果與核算年份和每年的垃圾處理量有關(guān)，而且運營期之后產(chǎn)生的填埋氣由于數(shù)量較少，不具有利用效率，且缺乏管理，一般都直接排放，造成其減排量的減少．而焚燒一次性把可能產(chǎn)生的CH4全部減排．

2 天津市3種垃圾處理方式協(xié)同減排分析

2.1 天津垃圾特點及模型參數(shù)選擇

2010年，天津市全年城市生活垃圾產(chǎn)生量為207.32×104,t(人均日產(chǎn)生垃圾量約為 0.9,kg)，無害化處置量為 192.85×104,t，無害化處置率為 93.02%，其中衛(wèi)生填埋處理 134.56×104,t，占 69.80%，衛(wèi)生填埋處理中采用甲烷收集火炬焚燒方式(S1)的處理量為 75×104,t，占 38.90%，填埋氣發(fā)電替代化石能源(S2)的處理量為 59.56×104,t，占 30.90%，此外焚燒(S3)處理 58.29×104,t，占 30.20%[9]．

根據(jù)天津市2006年生活 MSW的成分組成[10]，如表 1所示，得出每噸 MSW 的可降解有機碳 DOC的含量為0.134,t，化石碳的含量為0.106,t．

表1 天津市城市生活垃圾的成分組成Tab.1 Fraction composition of MSW in Tianjin %

由表1得知天津市廚余成分為56.9%，有利于降解．同時紙張是降解速度居中的有機物，含量相對較少，為8.7%．實踐證明20～30的C/N值對厭氧發(fā)酵最為有利，而根據(jù)表1可知天津垃圾C/N為42，不利于降解．根據(jù)表1計算其MSW平均含水率為44.4%，含水率較小，低于60%～80%的產(chǎn)氣最佳范圍．

天津地區(qū)平均氣溫 13,℃，年降水量為 600,mm，而蒸發(fā)量為 1,032,mm，屬于北溫帶(溫度≤20,℃)的較干(年均降水量/蒸發(fā)量＜1)地區(qū)．通過 IPCC提供的 MSW 各組分在該條件下的缺省半衰期值進行加權(quán)平均得出天津地區(qū)垃圾降解半衰期為9.4年，即甲烷產(chǎn)生率常數(shù)為0.074．

2.2 實例工程項目情況概述

選取天津市濱海新區(qū)漢沽垃圾焚燒發(fā)電 CDM項目[11]和雙口生活垃圾衛(wèi)生填埋場填埋氣發(fā)電CDM項目[12]為實例進行核算．這兩個項目占垃圾處理量的 56.81%，其中天津市雙口生活垃圾衛(wèi)生填埋場為天津已投入使用的唯一填埋氣發(fā)電項目，2010年處理垃圾59.56×104,t，占S2處理量的100%，占總垃圾處理量的 30.88%；天津市濱海新區(qū)漢沽垃圾焚燒發(fā)電項目2011年才投入使用，2010年若投入使用占S3處理量的 85.78%，占總垃圾處理量的 25.93%．上述兩個垃圾處理項目在天津地區(qū)的代表性強，故選取這兩個項目作為代表S2和S3處理方法的核算實例．

(1)情景 S1．由于普通衛(wèi)生填埋場標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)難以獲取，根據(jù)雙口生活垃圾衛(wèi)生填埋場數(shù)據(jù)進行核算，假設(shè)其產(chǎn)生的所有填埋氣都通過火炬焚燒后直接排放，其他條件同S2．

(2)情景 S2．根據(jù)天津市雙口生活垃圾衛(wèi)生填埋場的設(shè)計，收集填埋產(chǎn)生的填埋氣進行填埋氣發(fā)電，過剩的填埋氣以及不發(fā)電時產(chǎn)生的所有氣體都通過現(xiàn)場燃燒系統(tǒng)燃燒后再排放．固體廢物填埋產(chǎn)生的填埋氣收集率為 45%～60%，取平均值為 55.5%．填埋氣發(fā)電量的 95%被送入電網(wǎng)，5%現(xiàn)場消耗．前期填埋4年，項目生命周期為2008—2028年共21年，處理 MSW 總?cè)萘繛?6.64×106,t，日處理量 1,300,t，填埋期為2008—2018年共11年．

(3)情景 S3．天津市濱海新區(qū)漢沽垃圾焚燒發(fā)電項目建設(shè)期2年，運營期為20年，年處理MSW 50×104,t，運營期總處理廢棄物 1×107,t，年發(fā)電量為85,900,MW·h，年現(xiàn)場耗電量為200,MW·h．

2.3 3種處理方式協(xié)同減排分析

對于填埋氣焚燒(S1)，其產(chǎn)生的所有填埋氣都通過現(xiàn)場燃燒系統(tǒng)燃燒后再排放，不發(fā)電，減排量就等于 S0情景下甲烷的排放量．所以根據(jù)式(1)和式(2)計算 S0基準(zhǔn)排放量，再根據(jù)式(3)得 S1的總減排量為 4.00×106,t,CO2e，平均每噸 MSW 的溫室氣體減排量為0.602,t,CO2e．

對于填埋氣發(fā)電(S2)，首先測算在不存在固體廢物處理供電項目時天津本地發(fā)電廠的平均 CO2排放量．發(fā)電的 CO2平均排放系數(shù) Selec應(yīng)當(dāng)是電量邊際排放因子和容量邊際排放因子的加權(quán)平均，又稱組合邊際 CM，二者權(quán)重默認值為 50%[13]．天津位于華北地區(qū)，采用華北區(qū)域電網(wǎng)數(shù)據(jù)，得其 CO2平均排放系數(shù)為 0.87,t,CO2e/(MW·h)．填埋每產(chǎn)生 1,t甲烷可發(fā)電 1.986,MW·h，平均 1,t MSW 凈發(fā)電量為60.3,kW·h，根據(jù)式(5)計算得出處理替代電能減排0.055 t,CO2,e/t,MSW．所以根據(jù)式(4)得出S2的總減排量為 4.36×106,t,CO2e，平均每噸 MSW 填埋氣發(fā)電項目的CO2減排量為0.657,t,CO2e．

對于焚燒發(fā)電(S3)，首先根據(jù)式(6)用質(zhì)量平衡法核算其避免甲烷排放的減排量為 0.843,t,CO2e/t,MSW，其平均燃燒每噸 MSW 的發(fā)電量為171.4,kW·h，發(fā)熱量為 2.168,GJ，根據(jù)式(7)核算其替代能源減排量為 0.354,t,CO2e/t,MSW．根據(jù)式(8)測算燃燒化石碳來源的MSW排放的溫室氣體，焚燒1,t固體廢物釋放溫室氣體 CO2和 N2O共計0.403,t,CO2e．根據(jù)上海某城市生活固體廢物焚燒發(fā)電廠[14]的監(jiān)測結(jié)果，焚燒處理過程所需輔助材料及助燃劑產(chǎn)生的排放量為 6.7～7.7,kg,CO2e/t，即為Eful．焚燒后El每噸MSW殘余9.63,kg,CO2e．最后根據(jù)式(9)得到S3的總減排量為7.77×106,t,CO2e，平均每噸MSW焚燒供電項目的減排量為0.777,t CO2e．

綜上，S1～S3的協(xié)同減排效應(yīng)分別為 0.602 t,CO2e/t,MSW、0.657,t,CO2e/t,MSW 和 0.777,t,CO2e/t,MSW．對比S1～S3 3種情景下單位MSW 處理的減排構(gòu)成，如圖 2所示．S1的減排全部來源于消除S0基準(zhǔn)線情景產(chǎn)生的CH4．S2的減排大部分也是來源于消除S0產(chǎn)生的CH4，占總減排的91.6%，同時還有 8.4%的替代能源減排．S3的主要減排也是源自消除填埋產(chǎn)生的CH4，由于焚燒一次性把可降解有機碳轉(zhuǎn)換為 CO2，在運營期內(nèi)該部分減排大于 S1與S2．同時 S3的替代能源包括發(fā)電替代電能與產(chǎn)熱替代熱能，其替代化石能源減排量遠大于S2．但是由于焚燒發(fā)電過程釋放了MSW中的化石碳，而且需要輔助燃料，這些都是額外排放，抵消了部分減排量．

圖2 S1～S3 情景下單位MSW處理協(xié)同減排構(gòu)成情況Fig.2 Collaborative emission reduction composition of processing unit MSW in S1—S3 scenarios

2.4 幾點討論

(1) 焚燒發(fā)電項目可以同時供熱，采用熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)利用焚燒發(fā)電后的余熱．可是由于部分現(xiàn)有垃圾焚燒廠規(guī)模較小，地理位置較為偏僻，周圍居民數(shù)量少且分散，不具備供熱的條件，部分垃圾焚燒廠無供熱設(shè)計．而本文核算得出焚燒的替代熱能減排占其總減排的 26.4%，所以無供熱會使焚燒的減排量下降為0.572,t,CO2e/t,MSW，小于S2的減排量．

(2) 生活垃圾填埋場在填埋作業(yè)期間填埋單元是開放性的，產(chǎn)生的填埋氣體不易被控制收集．生活垃圾填埋場在填埋作業(yè)臺階運行期間產(chǎn)生的未被處理或收集利用的甲烷量約占理論產(chǎn)生總量的50%[15]，而由于方法學(xué)的考量和缺少數(shù)據(jù)等問題，本文核算時并未考慮這部分甲烷．因此，實際甲烷消耗量應(yīng)該小于核算出的基準(zhǔn)線排放量．

上述問題需要在實際 MSW 處理項目中具體情況具體分析，同時對填埋過程的產(chǎn)氣進一步細化研究．

3 結(jié) 論

(1)協(xié)同減排效應(yīng)：S3＞S2＞S1．S1比 S2少了回收填埋氣發(fā)電的步驟，由于沒有替代電能減排，所以 S1的協(xié)同減排效應(yīng)小于 S2．S3替代能源減排大于S2，且對于基準(zhǔn)線甲烷排放的減排較為徹底，雖然焚燒發(fā)電過程中釋放出的化石碳來源溫室氣體和輔助燃料排放等抵消了部分減排，其協(xié)同減排效應(yīng)仍較大．

(2)發(fā)電效率：S3＞S2．焚燒發(fā)電的效率要高于填埋氣發(fā)電，焚燒每噸 MSW 的發(fā)電量在205,kW·h～268,kW·h左右，填埋氣發(fā)電中每噸MSW發(fā)電量最高也只能達到168,kW·h左右．

(3)焚燒發(fā)電減排溫室氣體的協(xié)同效應(yīng)高于填埋的 2種方式，同時由于其占地面積小、選址容易，比較適于用地緊張的城市地區(qū)．但由于焚燒本身也會釋放溫室氣體，所以盡管焚燒發(fā)電減少了填埋造成的CH4的排放，其本身的燃燒效率還有待提高．

(4)S1衛(wèi)生填埋的減排僅略小于 S2填埋氣發(fā)電，減排量為S2的 91.6%，同時S1項目由于沒有發(fā)電設(shè)備，其建設(shè)成本比 S2小得多，所以根據(jù)我國實際情況在鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)中小型衛(wèi)生填埋場仍為處理MSW的一種重要方法．

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