城市廚余垃圾集中與分布處置模式的碳排放對比分析

蔣宇?譚瑤瑤?李東?鄭曉倩?鄧放

一、引言

在“雙碳”背景下，節(jié)能減碳已成為我國各行業(yè)的緊迫任務(wù)。隨著生活垃圾分類工作的不斷推進(jìn)，廚余垃圾處置對碳排放的影響尤為重要。成都市廚余垃圾采取“集中處置為主、分散處置為輔”的處置方式，城鎮(zhèn)地區(qū)廚余垃圾主要收運至各區(qū)域大中型處置設(shè)施集中處置，部分產(chǎn)生量相對較大的農(nóng)貿(mào)市場、食堂、城市綜合體、街道社區(qū)等實施就地就近分布式處置。集中式處置模式雖然處理效率較高，但收運過程可能產(chǎn)生較大的碳排放；分布式處置模式能夠大幅縮減收運過程的碳排放，但由于設(shè)施場地限制，通常無法就地完成廚余垃圾全量利用。當(dāng)前，對于不同廚余垃圾處置技術(shù)碳排放的量化分析已有較多研究，而對于不同處置模式碳排放的定量對比研究較少。本研究以成都市為例，旨在對廚余垃圾分布式與集中式處理技術(shù)與處置模式的碳排放進(jìn)行對比研究，為制定廚余垃圾低碳處置策略提供科學(xué)依據(jù)。

二、成都市廚余垃圾處置基本情況

（一）廚余垃圾產(chǎn)生和處置量

廚余垃圾的產(chǎn)生量受許多因素的影響，包括人口數(shù)量、飲食習(xí)慣、經(jīng)濟發(fā)展程度、教育意識水平等。廚余垃圾主要包括餐飲單位廚余垃圾和家庭廚余垃圾兩部分，其中餐飲單位廚余垃圾產(chǎn)生量通常以人均0.1 kg/d估算，家庭廚余垃圾量占城市生活垃圾總量的37%～62%。預(yù)計2025年和2030年成都市廚余垃圾總產(chǎn)生量將分別達(dá)到442萬t和507萬t。推進(jìn)生活垃圾分類，實行廚余垃圾單獨處置利用，能夠有效減少進(jìn)入其他垃圾的廚余組分，從而降低其他垃圾的處置量，對碳減排具有重要意義。目前，成都市廚余垃圾處置方式主要有厭氧消化、好氧發(fā)酵、小型生化機處理和壓榨脫水處理等，2021年全市廚余垃圾處理量為33.23萬t。今后，隨著餐飲單位廚余垃圾收運率與家庭廚余垃圾分出率的不斷提高，城市廚余垃圾處理能力還需要進(jìn)一步提升，選擇綠色低碳的廚余垃圾處理技術(shù)與處置模式有利于指導(dǎo)設(shè)施高水平建設(shè)。

（二）廚余垃圾處理技術(shù)碳排放對比

現(xiàn)階段我國廚余垃圾處理常見的工藝技術(shù)包括厭氧消化、好氧發(fā)酵和昆蟲等生物養(yǎng)殖處理等。厭氧消化技術(shù)具有較高的資源回收利用率，沼氣產(chǎn)品作為替代能源的碳減排效果顯著。好氧發(fā)酵技術(shù)的資源回收利用率與厭氧消化相當(dāng)，但在開放式堆肥時會產(chǎn)生額外的溫室氣體排放。昆蟲等生物養(yǎng)殖處理技術(shù)資源回收利用率最高，碳排放最低，考慮飼料替代的減排效應(yīng)，該技術(shù)通常視為碳零排或碳負(fù)排。從碳減排的角度考量，廚余垃圾處理技術(shù)優(yōu)先級為昆蟲等生物養(yǎng)殖＞厭氧消化＞好氧發(fā)酵。

廚余垃圾處理的碳排放主要來自以下幾方面：處理過程中消耗外部能量引起的間接碳排放（包括生產(chǎn)設(shè)備、廢氣沼液處理的環(huán)保設(shè)備等的消耗），好氧發(fā)酵過程中甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）等溫室氣體排放，以及厭氧消化過程中部分CH4泄漏導(dǎo)致的碳排放。本研究中廚余垃圾分布式處置過程中的間接碳排放分別根據(jù)成都市2021年度59個小型生化機處理和2個就地壓榨脫水處理案例廠界范圍內(nèi)能耗調(diào)查數(shù)據(jù)平均水平估算，廚余垃圾好氧發(fā)酵和厭氧消化過程中的間接碳排放根據(jù)2021年度2座集中式大中型餐廚垃圾處置實際案例廠界范圍內(nèi)能源消耗量調(diào)查數(shù)據(jù)估算，處置過程中溫室氣體泄漏導(dǎo)致的碳排放參考《成都市“碳惠天府”機制碳減排項目方法學(xué) 餐廚廢棄物資源化利用（資源節(jié)約類—03）》，按照式（1）、式（2）計算。

EHA=wt×EHA，CH4×GWPCH4+wt×EHA，N2O×GWPN2O （1）

式中，EHA為廚余垃圾好氧發(fā)酵過程中產(chǎn)生的溫室氣體排放，tCO2e；wt為進(jìn)入好氧發(fā)酵系統(tǒng)的廚余垃圾總量，t；EHA，CH4為廚余垃圾好氧發(fā)酵的CH4排放因子，取0.002 tCH4/t；GWPCH4為CH4的全球增溫潛勢，取21；EHA，N2O為廚余垃圾高溫好氧發(fā)酵的N2O排放因子，取0.0002? tN2O/t；GWPN2O為N2O的全球增溫潛勢，取310。

EHD=Qbiogas×fCH4×DCH4×EAD，CH4×GWPCH4? ? （2）

式中，EHD為廚余垃圾厭氧消化過程中產(chǎn)生的溫室氣體排放，tCO2e；Qbiogas為厭氧消化過程中產(chǎn)生的沼氣量，m3biogas；fCH4為厭氧消化過程中產(chǎn)生的沼氣中CH4占比，取0.6 m3CH4/m3biogas；DCH4為室溫20℃和一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的CH4密度，6.7×10-4 t/m3；EAD，CH4為厭氧消化過程中泄漏CH4的排放因子，取0.028 tCH4泄漏/tCH4產(chǎn)生。

由于脫水殘渣和沼渣干基有機質(zhì)含量通常超過75%，為簡化計算，假設(shè)脫水殘渣和沼渣全部為可降解生物碳源，當(dāng)采用堆肥方式處理時按好氧發(fā)酵單位碳排放量計算，采用焚燒方式處理時可降解生物碳源焚燒產(chǎn)生的CO2不計入碳排放量。結(jié)果見表1。

結(jié)果表明，無論是好氧發(fā)酵還是小型生化機處理技術(shù)，由于存在CH4、N2O等溫室氣體逸散，且單位排放量均超過1000 tCO2e/萬t垃圾，即使考慮壓榨脫水后的殘渣和厭氧消化沼渣的后續(xù)處理，就地壓榨脫水和厭氧消化技術(shù)的碳排放量也顯著低于好氧發(fā)酵和小型生化機處理技術(shù)。值得注意的是，采用厭氧消化工藝的集中式大中型餐廚垃圾處置工程案例已實施了沼氣發(fā)電供熱，上述數(shù)據(jù)未考慮燃料替代減排。

總的來說，盡管壓榨脫水技術(shù)碳排放最低，但壓榨脫水設(shè)施規(guī)模小、點位多，存在建設(shè)運行成本高和環(huán)境污染控制難度大的問題，因此，從減污降碳和成本控制綜合考慮，成都市廚余垃圾應(yīng)優(yōu)先選擇厭氧消化處理技術(shù)，沼渣宜進(jìn)行焚燒處置。

三、廚余垃圾處置模式碳排放對比

廚余垃圾處置模式通常分為集中式處置或分布式處置。集中式處置模式通過大型設(shè)施集中處置大量的廚余垃圾，多采用厭氧消化或好氧發(fā)酵技術(shù)，實現(xiàn)規(guī)模效應(yīng)和便利的控制與監(jiān)測。而分布式處置模式將處理設(shè)施就近設(shè)置，采用生化機處理或壓榨脫水技術(shù)，能夠顯著減少運輸成本，靈活性和適應(yīng)性較強。本研究以成都市3處采用不同工藝技術(shù)的分布式廚余垃圾處置設(shè)施為例，模擬計算了相同廚余垃圾產(chǎn)量條件下，采用新能源純電動或傳統(tǒng)燃油車輛收運至末端大中型設(shè)施集中式收運處置過程中的碳排放量，其中A區(qū)與B區(qū)采用分布式生化機處理技術(shù)，C區(qū)采用分布式壓榨脫水技術(shù)。集中式好氧發(fā)酵項目和集中式厭氧消化項目（沼渣進(jìn)行焚燒處置）碳排放量分別按每萬噸垃圾1481 t和266 t計算。

（一）A區(qū)分布式生化機處理項目

成都市A區(qū)廚余垃圾小型生化機處理項目2021年共處理廚余垃圾3544 t，站內(nèi)配有4輛新能源廚余垃圾平板收運車和1輛柴油收運車。2021年，4輛新能源收運車共行駛41 515 km，平均單車每日行駛里程28.46 km；1輛柴油收運車共行駛10 180 km，平均每日行駛里程27.89 km。根據(jù)本項目車輛油耗和充電量計算，車輛運輸環(huán)節(jié)碳排放量為7.97 t。站內(nèi)設(shè)施消耗電力464 737 kW·h，碳排放量為411.81 t（含處理泄漏產(chǎn)生碳排放量363.52 t）。2021年，該項目廚余垃圾收運處置過程的總碳排放量為419.78 t。

在廚余垃圾收運總量不變的情況下，若運往集中式好氧發(fā)酵項目（單車每日往返行駛里程將增加30 km）和集中式厭氧消化項目（單車每日往返行駛里程將增加70 km）集中處置，假設(shè)根據(jù)載重量換算將現(xiàn)有5輛收集車替換為3輛常規(guī)廚余垃圾收集車，根據(jù)成都市多個區(qū)常規(guī)廚余垃圾收集車平均能耗分別計算燃油車和新能源純電動車的碳排放量（燃油車按0.000 942 tCO2e/km，新能源純電動車按0.000 171 tCO2e/km計），結(jié)果見表2。

結(jié)果表明，廚余垃圾分布式生化機處理能夠顯著減少車輛運輸環(huán)節(jié)碳排放，但從廚余垃圾收運處置過程碳排放總量上看，相比集中式厭氧消化處理仍然處于劣勢。特別是在采用電動垃圾收集車的情況下，車輛運輸環(huán)節(jié)碳排放量大幅下降，廚余垃圾集中式厭氧消化處理相較分布式生化機處理碳排放能減少71.92%。

（二）B區(qū)分布式生化機處理項目

成都市B區(qū)廚余垃圾小型生化機處理項目2021年共處理餐廚垃圾3650 t。站內(nèi)配有1輛新能源廚余垃圾收運車，2021年共行駛20 075 km，平均單車每日行駛里程55 km。另有3輛第三方垃圾收集車負(fù)責(zé)將周邊市場的果蔬垃圾運往本項目，每輛車每日往返行駛里程約8 km。根據(jù)本項目車輛油耗和充電量計算，車輛運輸環(huán)節(jié)碳排放量為2.97 t。站內(nèi)設(shè)施消耗電力432 000 kW·h，碳排放量為424.13 t（含處理泄漏產(chǎn)生碳排放量379.24 t）。2021年，該項目廚余垃圾收運處置過程的總碳排放量為427.10 t。

在廚余垃圾收運總量不變的情況下，若運往集中式好氧發(fā)酵項目（單車每日往返行駛里程將增加80千米）和集中式厭氧消化項目（單車每日往返行駛里程將增加90千米）集中處置，假設(shè)根據(jù)載重量換算將4輛小型廚余垃圾收集車替換為2輛常規(guī)廚余垃圾收集車，分別計算燃油車輛和新能源純電動車的碳排放量，結(jié)果見表3。

結(jié)果同樣表明，廚余垃圾分布式生化機處理相比集中式厭氧消化處理收運處置過程碳排放仍然處于劣勢，特別在采用電動垃圾收集車的情景下，B區(qū)廚余垃圾集中式厭氧消化處理相較分布式生化機處理碳排放能減少73.48%。

（三）C區(qū)分布式壓榨脫水項目

成都市C區(qū)廚余垃圾就地壓榨脫水處理項目2021年共處理果蔬垃圾1 527.57 t，脫水率71.67%，壓榨產(chǎn)生殘渣433.08 t。站內(nèi)設(shè)施消耗電力4668 kW·h，碳排放量為0.48 t。果蔬垃圾由人工運至站內(nèi)。殘渣由1輛柴油貨車運往55 km外的有機肥廠，每日往返運距約110 km，車輛運輸環(huán)節(jié)碳排放量為37.82 t。后端有機肥廠堆肥過程碳排放量為47.93 t。2021年，該項目廚余垃圾收運處置過程碳排放總量為86.23 t。

在廚余垃圾收運總量不變的情況下，若運往集中式好氧發(fā)酵項目（單車每日往返行駛里程將增加60 km）和集中式厭氧消化項目（單車每日往返行駛里程將增加90 km）集中處置，假設(shè)根據(jù)載重量換算配置2輛常規(guī)廚余垃圾收集車，分別計算燃油車和新能源純電動車的排放，結(jié)果見表4。

結(jié)果表明，C區(qū)分布式處理項目采用“壓榨脫水＋殘渣外運堆肥”工藝時，分布式壓榨脫水與集中式厭氧消化處理過程碳排放量差異不大，運輸過程碳排放成為主要影響因素。

四、廚余垃圾處置負(fù)排放展望

在“雙碳”背景下，要實現(xiàn)廚余垃圾收運處置過程碳減排還需大力探索碳負(fù)排技術(shù)。其中，生物養(yǎng)殖、腐殖化和炭化是廚余垃圾處置領(lǐng)域具有較大應(yīng)用推廣潛力的碳負(fù)排技術(shù)。

（一）生物養(yǎng)殖處理

昆蟲等生物養(yǎng)殖處理主要指，通過食物鏈方法，或者微生物在一定條件下參與分解，將廚余垃圾轉(zhuǎn)化為其他生物種類的營養(yǎng)物質(zhì)，作為替代飼料，已先后發(fā)展出利用蚯蚓、蠅類、黑水虻、黃粉蟲、蟑螂和各類微生物菌等處理廚余垃圾的技術(shù)路線。該技術(shù)系統(tǒng)綜合回收利用率高達(dá)90%以上，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)厭氧消化和好氧發(fā)酵。目前，雖然對昆蟲等生物養(yǎng)殖處理技術(shù)碳排放影響的研究較少，但有研究表明，當(dāng)黑水虻蟲體干燥過程能耗降低至0.17 kW·h/kg時，凈排放表現(xiàn)為碳負(fù)排。

（二）腐殖化和炭化處理

廚余垃圾的腐殖化包括低礦化定向快速生物發(fā)酵腐殖化和化學(xué)催化超快腐殖化，將廚余垃圾通過生物或化學(xué)的手段轉(zhuǎn)化為性質(zhì)穩(wěn)定的含腐殖酸物料。廚余垃圾炭化包括水熱炭化和熱解炭化，將廚余垃圾通過化學(xué)手段轉(zhuǎn)化為性質(zhì)穩(wěn)定的生物炭材料。腐殖酸和生物炭產(chǎn)品作為肥料增效劑、土壤改良劑施用到土壤中，由于其穩(wěn)定性較好且自身可作為土壤碳庫封存于地下，能使來源于農(nóng)業(yè)的廚余垃圾回到農(nóng)田，將大氣中的CO2封存于土壤，實現(xiàn)凈負(fù)排。

五、結(jié)論與建議

通過成都市廚余垃圾分布式與集中式處置案例碳排放的分析對比，可以看出，廚余垃圾收運處置過程碳減排效果由高到低依次是：分布式壓榨脫水模式＞集中式厭氧消化模式＞分布式生化機處理模式＞集中式好氧發(fā)酵模式。盡管分布式處置模式能夠顯著減少收運環(huán)節(jié)的碳排放，但隨著未來新能源收運車輛的推廣普及，收運環(huán)節(jié)碳排放在廚余垃圾收運處置過程中的占比將進(jìn)一步縮小，綜合考慮環(huán)境影響控制、資源化利用程度和處置成本等因素，成都市未來廚余垃圾處置應(yīng)優(yōu)先選擇集中式厭氧消化模式，同時可在距集中式處置設(shè)施較遠(yuǎn)的區(qū)域配套廚余垃圾壓榨脫水設(shè)施，進(jìn)一步減少運輸過程的碳排放。結(jié)合未來廚余垃圾降污減碳處理要求，本文在優(yōu)化廚余垃圾處理管理方面提出以下建議。

1．落實廚余垃圾前端減量、分類管理和資源化利用的思路。在保障廚余垃圾無害化處置的基礎(chǔ)上，構(gòu)建適合國情的食物管理層級理念，強調(diào)避免浪費、食物捐贈等措施。利用多種財政政策手段補貼或獎勵廚余垃圾的前端減量行為，對食物浪費和高排放處理模式進(jìn)行收費或征稅，支持廚余垃圾資源化利用技術(shù)創(chuàng)新和推廣應(yīng)用，加快廚余垃圾處理和資源化利用項目建設(shè)。

2．避免選擇高污染、高碳排放的工藝路線。適當(dāng)?shù)膹N余垃圾處理工藝路線應(yīng)綜合考慮當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)條件、市場需求、工藝可行性以及收運處置過程中的碳排放。近期優(yōu)先選擇“集中式厭氧消化＋沼渣焚燒處置”工藝，并積極探索昆蟲養(yǎng)殖、壓濾液和沼液制備有機水溶肥和微生物蛋白飼料等負(fù)排放技術(shù)。推廣廚余垃圾協(xié)同處置模式，重點考慮處理規(guī)模、垃圾組分、地區(qū)差異等因素，發(fā)揮多種技術(shù)耦合協(xié)同作用，提高溫室氣體減排效益和環(huán)境綜合效益。

參考文獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯：張秋辰）