生活垃圾处理的碳排放和减排策略

李 欢,金宜英,李洋洋(1.清华大学深圳研究生院,广东 深圳 518055；.清华大学环境学院,北京 100084)

生活垃圾处理的碳排放和减排策略

李 欢1*,金宜英2,李洋洋2(1.清华大学深圳研究生院,广东 深圳 518055；2.清华大学环境学院,北京 100084)

利用质量平衡模型,在核算生活垃圾处理技术碳排放的基础上,通过低碳化程度评价方法,建立了面向不同层次需求的生活垃圾低碳化策略.研究结果表明,餐厨垃圾产沼利用、生活垃圾填埋气收集利用和焚烧发电的低碳化程度最高,分别为93.7%、75.3%和71.0%.在不具备上述处理条件的地区,可以采用准好氧填埋,或在填埋之前进行好氧稳定预处理实现碳减排,其低碳化程度分别为 61.8%和 56.7%.根据目前生活垃圾的处理情况,估算我国每年生活垃圾处理过程将形成甲烷排放超过 600万 t,总碳排放约 1.5亿 t;而通过实施低碳化处理策略,2015年甲烷排放可减少至约500万t,总碳排放减少至1.3亿t.

生活垃圾；填埋；焚烧；碳排放

生活垃圾(MSW)等城市固体废弃物在处理过程中的碳排放是温室气体的重要来源.为制定具针对性的生活垃圾碳减排策略,国内外学者研究了填埋[1-2]、焚烧等不同处理方式的碳排放规律,并分别采用生命周期评价方法(LCA)[1-3]、联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)的推荐方法[3-4],以及基于清洁发展机制(CDM)的核算方法[5-7],对生活垃圾处理技术以及整个处理系统进行碳排放分析,并以此提出行之有效的措施,如恰当的分类系统[8]、改进的工艺技术[9]、优化的工艺流程[10-12]等.

如何从宏观角度建立生活垃圾管理系统的低碳化处理策略,是减少生活垃圾处理碳排放面临的重要问题.相对中国气候变化初始国家信息通报的 1994年数据[13],目前我国的生活垃圾处理发生了巨大变化.作者采用 IPCC的质量平衡方法

[14],分析了我国目前主要的及正在快速发展的生活垃圾处理技术的碳减排潜力,初步建立低碳化的生活垃圾处理策略,并对我国生活垃圾处理的碳排放情形进行分析.

1 研究方法

1.1 研究边界

从长期全球碳平衡的角度,生物质碳的释放并不增加大气碳含量,因此在核算不同情形碳排放时,生物质降解或焚烧产生的CO2未被IPCC要求计入碳排放总量,但要求在报告中列出.对于生物质而言,不同处理技术所产生的实际 CO2排放量有较大区别,如污泥堆肥法相对于焚烧处理而言,大部分污泥碳元素没有形成 CO2排放,而是进入到堆肥产品中,经施用后大部分仍保持生物质碳状态(如土壤腐殖质),而不是释放到大气中.而生物质碳焚烧后集中生成的CO2将会经过数十年乃至上百年才能重新汇集到生物体内,因此堆肥过程在一定时期内起到了碳固定作用.本研究中既包括生活垃圾中非生物质处理过程的碳排放,也包括餐厨垃圾等生物质处理过程的 CO2排放,同时考虑处理过程输出能量产生的减排效应.

1.2 评价方法

为了便于对不同处理技术进行比较,参考资源化处理率等指标,建立低碳化程度(DLC)指标.采用厌氧填埋的最大可能碳排放(Emax)作为比较基准,处理技术的综合碳排放(E)包括CH4和CO2排放(EC)并扣除碳减排效应(ER).

2 常用处理技术的碳排放分析

2.1 生活垃圾卫生填埋

生活垃圾厌氧填埋过程中,无甲烷收集处理的情况下,其碳排放达到最大,CH4和CO2排放量分别为:

式中,W为生活垃圾质量;DOC为可降解有机碳,可根据生活垃圾各组分的可降解碳含量的加权平均值来计算(IPCC推荐东亚国家缺省值为14%);DOCf为实际分解的可降解有机碳比例,取IPCC推荐值50%;MCF为甲烷氧化因子,厌氧填埋场为 100%,准好氧填埋场存在半有氧环境,产生的 CH4较少;F为填埋气中 CH4体积比例,IPCC推荐值 50%;(16/12)为 CH4/C分子量比率;(44/12)为CO2/C分子量比率.

将式(2)和式(3)相加,1 t CH4的百年全球变暖趋势(GWP)按 21t CO2计,代入相关参数,最大可能碳排放(CO2当量)为:

相对于厌氧填埋场的最大可能碳排放,还存在几种影响填埋场碳排放的因素.

2.1.1 准好氧填埋 准好氧填埋场地表层、集水管附近、立渠或排气设施左右部分成为好氧状态,而空气接近不了的填埋层中央部分等则成为厌氧状态.甲烷在填埋气中的比例为 10%～20%[15],按式(2)和式(3),代入相关参数(MCF=0.5,

F=0.2)可以得到:

2.1.2 甲烷燃烧 CH4收集后可喷焰燃烧,对于大型厌氧填埋场而言,填埋气收集系统的集气效率在 30%～80%之间,而密封较好的现代化卫生填埋场可达 80%[16].这里采用 80%的集气效率,而其中甲烷全部燃烧.根据式(2)和式(3),碳排放变为:

2.1.3 填埋气发电 CH4可以纯化燃烧发电,从而实现碳减排.沼气发电效率一般在1.68～2.00kW·h/m3[17],大约 0.2kg CH4可 回 收1kW·h 电能[18].中国主要火电企业发电的单位CO2排放量为 0.7～0.8kg/kW·h 左右[19],这里及下文均取 0.8kg/kW·h,因此 1kg CH4发电可减少燃煤CO2排放4kg.当80%填埋气被收集发电时,减排量为:

2.2 生活垃圾焚烧发电的碳排放

生活垃圾燃烧产生的碳排放为:式中, CF为生活垃圾可燃碳含量,相对于 DOC,主要多了橡塑中的碳,根据近年我国生活垃圾中像塑含量平均水平 7%～12%[20],以及 IPCC推荐的橡塑含碳量 67%～75%,则橡塑组分所含碳约占垃圾总重的 4%～9%,这里取 4%,即 CF取18%;OF为氧化因子,考虑到我国焚烧混合垃圾以及焚烧技术水平,这里取85%[21].

生活垃圾焚烧发电量受垃圾热值、处理设施、焚烧工况、辅助燃料等因素的影响.我国部分焚烧厂的单位垃圾发电量和自用电比例如表1所示,可以看出单位垃圾发电量在 0.2～0.4 kW·h/kg之间,本文按 0.3kW·h/kg计算,则焚烧1kg垃圾相当于减排 0.24kg CO2.生活垃圾焚烧发电替代燃煤的减排效果为

表1 我国部分焚烧厂发电情况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 以采用强制通风的静态好氧堆肥为例,生活垃圾中大部分 DOC转化为CO2和微生物机体.堆肥处理过程产生的碳排放为:

式中,考虑堆肥完全腐熟后 DOC分解率超过99.5%[22],碳在堆肥过程中约 2/3转换为 CO2,其余1/3用于细胞合成[23],DOCf取0.65.

2.3.2 好氧发酵用于填埋前预处理 好氧发酵还可以作为厌氧填埋的稳定化预处理手段.生活垃圾 DOC大部分在短期好氧发酵过程中分解(DOCf取 0.5),残余有机质主要是降解缓慢的有机物,在填埋场内厌氧分解的 DOC比例较低(DOCf取 0.1)[24].根据式(8),堆肥预处理的碳排放为:

设 DOC=14%,DOCf=0.1,MCF=1,F=0.5,代入式(2)和式(3),填埋过程碳排放为:

2.4 餐厨垃圾厌氧发酵

由于我国混合垃圾中含有大量餐厨垃圾,含水率和含盐量很高,严重影响后续焚烧或填埋处理,因此近年来餐厨垃圾的单独收运处理获得了迅速发展,这里以厌氧发酵产沼利用为例.厌氧分解会将大部分DOC转化为CH4和CO2,其中CH4含量在50%～55%之间,CH4最终燃烧转化为CO2.代入相关参数(DOC = 7%[25],DOCf= 0.5),甲烷燃烧后形成的总碳排放为

代入 DOC=7%,DOCf=0.5,MCF=1,F=0.5,甲烷发电替代燃煤导致的碳减排量为:

消化残渣可以作为肥料代替部分化肥,但肥料应用存在很大的不确定性,暂不考虑其影响.

2.5 不同处理技术的比较

上述计算基于处理技术的一般情况,对于具体项目而言,各种参数会略有不同,可依据上述公式进行调整.根据计算结果,不同处理技术的碳排放情况如表2所示.可以看出,餐厨垃圾厌氧发酵产沼利用、填埋气收集利用、好氧堆肥和焚烧发电,碳化程度最高.它们实际上具有双重减排效应,即减少垃圾填埋产生的 CH4排放和减少使用化石燃料产生的CO2排放,因此是值得推广的首选减排技术.

3 低碳化处理策略和情形分析

随着生活垃圾处理需求的不断改变,其处理策略从无害化、减量化、资源化到低碳化,层次不断提高.这些层次并不是截然分开的,它们从低到高逐步过渡并共同构成生活垃圾的处理策略.根据表 1的分析结果,要实现生活垃圾的低碳化管理,首先应考察是否适合采用干湿垃圾分开的收集模式,单独处理餐厨垃圾不仅可以减少碳排放,还可以大幅减轻后续处理负担和难度.然后进一步考察混合垃圾焚烧发电的可能性.如需填埋处理,应尽量使生活垃圾进入有完善管理和沼气收集利用设施的填埋场.如填埋场产气不稳定或无完善的沼气收集系统,可以将填埋场改造成准好氧填埋场,或者在生活垃圾填埋前,进行好氧稳定预处理,减少填埋过程的甲烷和渗滤液排放.

表2 生活垃圾处理过程的碳排放和低碳化程度Table 2 The carbon emission and low-carbon degree of MSW treatment technologies

根据前述公式,可以推算我国目前生活垃圾处理过程的碳排放情况(表 3中现状部分),每年CH4排放约600多万t,CO2排放约2650万t,而填埋气利用和焚烧发电是主要碳减排方式,但总量相对很少,因此总碳排放达到1.5亿t,约占我国碳排放(2004年为61亿t[26])的2%.

表3 不同生活垃圾处理模式对碳排放的影响Table 3 The effect of MSW management modes on the carbon emission from MSW treatment

随着低碳化策略在实践中的应用以及我国 相关政策的推动,可以预计餐厨垃圾的资源化处理、生活垃圾的焚烧发电以及填埋气的利用将越来越广泛.根据国家统计局 2003～2008年环境统计数据,我国生活垃圾总的清运量变化较小,而无害化处理率、焚烧处理比例均显著提高,堆肥比例持续下降,其他处理方式很少(图1).

图1 我国近年来生活垃圾主要处理方式变化Fig.1 Variation of MSW treatment methods during recent years in China

据此推测2015年我国清运生活垃圾量达到1.6亿t,而无害化处理率达到75%,其中焚烧发电处理占20%.根据国家环境保护总局于2002年公布的处理城市垃圾《国家行动方案》,填埋气回收利用的填埋垃圾量比例将达到全部垃圾量的10%,预计普通厌氧填埋处理占全部垃圾量的40%,其他准好氧填埋、填埋器收集燃烧、好氧预处理等方式共占 4%.我国每年餐饮垃圾产生量估计约3000万t,而无害化处理比例不到2%,随着大量资源化设施的投入应用,预计2015年单独处理比例达到5%,约占全部垃圾量的1%.

在这种情形下,利用前述公式可以对我国未来碳排放情况进行预测,如表3所示.CH4排放量将减少至 500万 t,减少量转换为 CO2导致 CO2有所增加,而替代能源效应产生的碳减排效果也更加明显,达到1000万t,则总碳排放为1.3亿t,相对于现状减排15%.这说明,通过适当推动生活垃圾填埋气利用、沼气发电和焚烧发电等低碳化技术应用,以及通过好氧稳定方式减少 CH4排放后,在生活垃圾清运量有所增加的情况下,其处理过程碳排放仍可显著减少,从而为我国的温室气体控制,建设低碳社会提供有力支持.

4 结论

4.1 相对于厌氧填埋,餐厨垃圾厌氧产沼利用、填埋气收集利用和焚烧发电低碳化程度最高,减排潜力最大.

4.2 低碳化策略是,在条件许可的地区开展干湿垃圾分类收集,餐厨垃圾进行厌氧产沼利用,其次利用生活垃圾焚烧发电回收能源;而对于经济相对落后的地区,建设大型填埋场可以设置完善的沼气收集利用系统,建设小型填埋场可以使用准好氧模式,或在填埋之前进行好氧稳定预处理.

4.3 我国生活垃圾处理碳排放约1.5亿t,通过适当提高沼气利用、焚烧发电和好氧稳定处理的比例,控制甲烷排放量,促进能源回收利用,就可以使我国2015年在生活垃圾无害化处理量显著增加的情况下,碳排放大幅减少15%.

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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

国家“十二五”科技支撑计划项目(2009BAC64B06);江苏省科技计划项目(BE2008611)

* 责任作者, 讲师, sunpace@vip.163.com

李 欢(1979-),男,河北衡水人,讲师,博士,主要从事固体废物处理处置和资源化研究.发表论文20余篇.