上海市生活垃圾處置過程中溫室氣體排放研究

陳思勤

（上海市環(huán)境保護宣傳教育中心，上海 200070）

0 概述

作為特大城市，上海由于其人口密度大，市民生活水平較高，生活垃圾產生量逐年遞增且有價垃圾日益增加。2017 年，上海市生活垃圾產量已達8 995 kt。生活垃圾主要處置方式為焚燒、填埋、生物處置。 其中，焚燒和填埋的末端處理量占總產量的80%。在垃圾干濕分類基礎上，末端處置量在2018 年有所下降，但由于焚燒和填埋處置設施接近滿負荷。 因此，垃圾圍城已成為制約上海發(fā)展的重要瓶頸問題。 上海市生活垃圾產生量及人均生產總值（2005～2015），如圖1 所示。

圖1 上海市生活垃圾產生量及人均生產總值（2005~2015）1）

上海市的生活垃圾處置以填埋為主（見圖2），這與我國垃圾處置情況基本一致。 但自2013 年起，生活垃圾末端處置向焚燒傾斜，焚燒量逐步增加，2017 年已超過填埋量，成為上海市生活垃圾的主要末端處置方式。 另外，在填埋處置中，露天堆場的堆填量逐年減少，至2013 年新產生的生活垃圾已基本不再露天堆填，全部納入衛(wèi)生填埋場進行衛(wèi)生填埋。

圖2 上海市生活垃圾處置情況（2005~2015）

本文根據上海環(huán)境衛(wèi)生工程設計院每年對上海市生活垃圾物理組分進行實驗室測定的數據， 并結合課題組測定填埋場垃圾組分的數據[1]進行修正后得到上海市生活垃圾組分數據（見圖3）。 由圖3 可知，從2005 年的66%到2015 年的61%，上海市生活垃圾中廚余類的比重有微弱下降， 但與全國水平相比，該比重顯著超過絕大多數城市（華東地區(qū)平均值54.07%[2]）。 上海市生活垃圾的熱值除少數年份（2012 年、2014 年），均呈穩(wěn)步增長態(tài)勢。 另外，由于近些年再生資源價格下降， 部分再生資源混入生活垃圾，導致生活垃圾中部分有價垃圾占比上升。2015年，紙類、竹木和布類的比重均有明顯上升。

圖3 上海市生活垃圾組分（2005~2015）

1 上海市2005～2015 年生活垃圾溫室氣體排放計算

1.1 生活垃圾溫室氣體核算方法

根據《IPCC 2006 年指南》的推薦方法，分別計算填埋、 焚燒和堆肥3 種垃圾處置方式的溫室氣體排放量?？紤]到填埋的溫室氣體排放量占比較大，為了得到更加接近真實情況的理論核算數據，本文利用具體填埋場排放源的數據和處置情況，對填埋場的溫室氣體排放進行自下而上的核算。

在計算填埋場溫室氣體排放時，使用2006FOD模型，首先計算廢棄物的可分解DOC：

式中：DDOCm為沉積的可分解的DOC質量，Gg；W為沉積的廢棄物質量，Gg；OC為沉積年份的可降解有機碳，Gg；OCf為可分解的DOC比例；MCF為沉積年份有氧分解的CH4修正因子。

填埋場中的DDOC以一級降解動力學反應，每年填埋場內DDOC的量等于上一年的剩余量加上當年新進場垃圾中包含DDOC， 填埋場場封場后場內DDOC沒有新的來源，將會越來越少。

式中：T為清單年份；DDOCm(T-1)為(T-1)年年終時SWDS 累積的DDOCm，Gg；DDOCmdecomp(T):T年SWDS 分解的DDOCm，Gg；k為反應常量，k=ln(2)/t1/2年；t1/2為半衰期時間，a。

計算每年填埋場內降解的DDOC時， 假設當年進場的垃圾不發(fā)生反應， 通過計算得到上一年場內剩余的DDOC可以計算出當年的降解量DDOCmdecomp(T)。

式中：CH4generated（T）為可分解材料產生的CH4；DDOCmdecomp(T)為T年分解的DDOCm，Gg；F為產生的垃圾填埋氣中的CH4比例 （體積比）；16/12 為CH4/C 分子量比率。

式中：CH4emission(T)為T年排放的CH4，Gg；T為清單年份；R(t)為T年回收的CH4，Gg；OX(T)為T年的氧化因子（比例）。

得到DDOCmdecomp(T)后，使用式（3）、式（4）可以計算出當年甲烷產生量和排放量。

應用IPCC 固體廢物2006 模型時，需要垃圾中各個組分的比例、DOC、DOCf值和填埋場中甲烷收集量、甲烷氧化率、甲烷修正因子等參數。 這些參數可以根據當地情況調整，在數據充分的情況下可以準確計算出填埋場的產甲烷規(guī)律。 目前，IPCC 模型應用最為廣泛，被多個國家、地區(qū)用來統(tǒng)計填埋場溫室氣體。 使用IPCC 模型可準確估算填埋場產甲烷量，且有利于國際交流。

垃圾焚燒過程中的溫室氣體排放指廢棄物中的碳在燃燒過程中氧化排放出CO2。 其中，廢棄物中的礦物碳在燃燒過程中產生的CO2排放被視為凈排放。 利用下列公式計算出垃圾焚燒過程中的溫室氣體排放。

式中：IW為城市生活垃圾焚燒量，Gg/a；CCW為城市生活垃圾中的碳含量比例；FCF為城市生活垃圾中礦物碳含量比例；EF為城市生活垃圾中廢棄物焚燒爐的完全燃放效率；44/12 為碳轉換成CO2的轉換系數。

垃圾生物處置的溫室氣體排放包含CH4排放和N2O 排放，根據《IPCC 優(yōu)良做法指南》[3]中的計算公式， 活動數據主要包括各生物處置方式的處置量和CH4及N2O 的排放因子。

式中：Mi為i種生物處置方式的處置量，Gg/a；EFi為i種生物處置方式的排放因子，g/kg；i為堆肥或厭氧消化；R為CH4回收量，Gg/a。

式中：Mi為i種生物處置方式的處置量，Gg/a；EFi為i種生物處置方式的排放因子，g/kg；i為堆肥或厭氧消化。

1.2 生活垃圾溫室氣體核算活動數據

在此方法基礎上，基于所有現有排放源的精細化數據（包括每個排放源處置量的歷年數據、垃圾組分等活動數據，以及根據每個排放源處置情況、工況和實驗室分析以及專家判定，優(yōu)化后的排放因子）進行了自下而上的核算。

上海市生活垃圾處理處置以焚燒和填埋2 種方式為主，如表1 所示。 早期生活垃圾處理處置能力缺乏，僅有老港1~3 期填埋設施，有部分垃圾處于露天堆填狀態(tài)，未進入衛(wèi)生填埋系統(tǒng)。 2005~2012 年，共有逾7.30 Mt 生活垃圾被簡易填埋，沒有場底防滲系統(tǒng)、填埋氣導排、滲瀝液收集等環(huán)保措施，對環(huán)境污染較大，且對溫室氣體排放影響也較明顯。2000年以后，隨著垃圾填埋設施的建設逐步完善，上海生活垃圾逐漸納入衛(wèi)生填埋。老港生活垃圾填埋場、浦東黎明填埋場和松江填埋場承擔了大部分生活垃圾衛(wèi)生填埋任務。 2005~2015 年，上海市主要生活垃圾填埋場的總填埋量超過40 Mt。

此外，根據上海市生活垃圾填埋場的建設、運行、管理和改造情況，以及垃圾處置過程中溫室氣體排放特征，另參考了相關針對我國垃圾填埋場甲烷排放因子的研究報告和IPCC 清單指南[7]等文獻研究， 確定上海市生活垃圾填埋場甲烷排放的關鍵參數，見表2、表3。

表1 上海市主要生活垃圾填埋場基本情況t/d

表2 上海市生活垃圾填埋場甲烷排放的排放因子

表3 生活垃圾中各個組分濕基的DOC 和k 值[2,3,8,9,10]

在進行垃圾焚燒溫室氣體核算時，將生活垃圾組分中的塑料、金屬、玻璃、渣土和布類的比例作為礦物碳比例，并根據各垃圾焚燒廠的焚燒爐和運行管理情況，參考IPCC 的取值區(qū)間（95%~99%），對上海市各焚燒處置排放源的燃燒效率進行設定（見表4）。

生物處置過程的溫室氣體排放核算參考IPCC2006指南中綜合考量生物處置過程中的垃圾處置量、輔助堆肥材料、溫度和濕度情況以及厭氧和好氧條件等因素，給出的一組排放因子缺省值。根據上海生物處置設施的實際情況，全部按照堆肥處理核算，排放因子取每千克垃圾濕基排放4 g CH4和0.3 g N2O。

最后，根據IPCC 第5 版報告[15]，按照CH4的升溫潛勢是CO2的28 倍，N2O 的升溫潛勢是CO2的265 倍為依據進行換算。 將3 種處置方式過程中排放的溫室氣體以CO2當量核算排放總量。

表4 上海市主要垃圾焚燒廠甲烷排放的關鍵參數取值

2 上海市生活垃圾處置的溫室氣體排放水平及特征

基于IPCC2006模型自下而上的方法，精確核算了上海市生活垃圾處置過程中的溫室氣體排放特征。 在此期間，上海市生活垃圾填埋、焚燒和生物處置的年度碳排放量分別如圖4～圖6 所示。2005~2015 年期間，上海市生活垃圾處置過程共排放25 060 kt 二氧化碳當量。

圖4 上海市生活垃圾填埋處置碳排放量（2005~2015）

圖5 上海市垃圾焚燒量及溫室氣體排放情況（2005~2015）

圖6 上海市生活垃圾生物處置的溫室氣體排放分布（2005~2015）

在所有溫室氣體排放源中，填埋場排放占比達81.88%，是生活垃圾處置中最重要的溫室氣體來源。 垃圾填埋的年度碳排放量在2011 年達到峰值（2.02 Mt/a），2010 年以后隨著填埋量的逐漸減少，碳排放呈下行趨勢。但由于2005~2010 年填埋量一直處于高位， 有機物分解需要一定時間。 因此，2010 年以后碳排放量的下降幅度沒有填埋量下降幅度明顯。

2005~2015 年上海市生活垃圾焚燒處理的溫室氣體排放占生活垃圾處置總排放的9.5%，焚燒處置量占總處置量的20%。因此，焚燒處置是一種有利于溫室氣體減排的處置方式。 從年度排放水平方面來說，2013 年是上海市垃圾處置方式發(fā)生結構性轉變的起始年，2013 年起垃圾焚燒處置量大幅增加，溫室氣體排放隨之增加。 2013 年和2014 年的焚燒處置量分別比上一年度增長59%和43%。

上海市生活垃圾生物處置以堆肥方式為主，2005~2015 年共排放溫室氣體2.16 Mt。 從年度排放量來看，2009 年和2012~2013 年有兩次較大幅度的增長，主要原因是上海市新增堆肥處置設施，堆肥量有較大增長。 但2013 年之后年度排放量逐漸回落，顯示堆肥處置遇到瓶頸，產物出路不暢，因此堆肥量得到控制。

作為生活垃圾處置中最重要的溫室氣體來源，進一步分析各排放源的年度排放情況（見圖7），從圖7 中可以看出，建造時間較久遠的填埋場的甲烷排放均已達到峰值并逐年減量排放，如老港生活垃圾填埋場一到三期的甲烷排放峰值在2002~2004年，主要原因是2005 年隨著老港四期建成投入使用，老港一到三期的填埋量驟減，并于2009 年停止填埋。 浦東黎明填埋場和松江填埋場也將隨著黎明垃圾焚燒廠和松江天馬焚燒廠的先后建成投產，減少填埋量。 未來上海市廢棄物填埋處理的甲烷排放絕大部分將來源于老港基地的四期填埋場和綜合填埋場。

總體而言，2005~2015 年期間上海的生活垃圾處置過程的年度溫室氣體排放量逐年提升（圖8），2014 年達到峰值（2.58 Mt CO2-eq），十年間（2005~2014）溫室氣體排放增長率達41%。填埋處置的溫室氣體排放是最大的貢獻者，其排放量在2011 年達到峰值，之后穩(wěn)步下降。焚燒處置的溫室氣體排放量顯著增長，但總量相對填埋處置來說占比較低。

圖7 上海市主要生活垃圾填埋場溫室氣體排放情況

圖8 2005~2015 年上海生活垃圾處置過程溫室氣體排放特征變化情況

3 垃圾管理政策對溫室氣體減排的影響

在總量計算基礎上，進一步分析不同垃圾末端處置方式的單位質量垃圾碳排放情況（見圖9），可見對于土地資源稀缺，人口量龐大的超大城市來說，垃圾焚燒對垃圾減量化和無害化兩方面的優(yōu)勢明顯。相較于垃圾填埋處置，垃圾焚燒的溫室氣體排放量更低。核算結果顯示，簡易堆場和小規(guī)模垃圾填埋場的噸垃圾碳排放是垃圾焚燒方式的2~3 倍。%%%%

圖9 2005~2015 年不同處置方式下的單位質量垃圾的溫室氣體排放特征變化情況

上海市自2013 年開始，其生活垃圾的末端處置方式從以填埋為主逐漸向填埋和焚燒并重的模式發(fā)展。 2013 年至2017 年，焚燒量以平均年增長500 kt的速度逐年遞增。 2017 年，上海市生活垃圾焚燒處置量是2012 年的2.5 倍，首次小幅超越了同年的填埋處置量。根據上海市政府相關部門的管理規(guī)劃，到2020 年將逐步實現原生垃圾零填埋。 從溫室氣體排放角度而言，將有利于減少二氧化碳排放量。

未來，上海在生活垃圾管理方面，將繼續(xù)實施源頭減量和優(yōu)化末端處置模式雙方面的發(fā)展。 源頭分類減量是溫室氣體減排的核心動力，末端處置能力的轉型和全量焚燒時代的到來也將有助于控制溫室氣體排放。