上海市生活垃圾处置过程中温室气体排放研究

陈思勤

（上海市环境保护宣传教育中心，上海 200070）

0 概述

作为特大城市，上海由于其人口密度大，市民生活水平较高，生活垃圾产生量逐年递增且有价垃圾日益增加。2017 年，上海市生活垃圾产量已达8 995 kt。生活垃圾主要处置方式为焚烧、填埋、生物处置。 其中，焚烧和填埋的末端处理量占总产量的80%。在垃圾干湿分类基础上，末端处置量在2018 年有所下降，但由于焚烧和填埋处置设施接近满负荷。 因此，垃圾围城已成为制约上海发展的重要瓶颈问题。 上海市生活垃圾产生量及人均生产总值（2005～2015），如图1 所示。

图1 上海市生活垃圾产生量及人均生产总值（2005~2015）1）

上海市的生活垃圾处置以填埋为主（见图2），这与我国垃圾处置情况基本一致。 但自2013 年起，生活垃圾末端处置向焚烧倾斜，焚烧量逐步增加，2017 年已超过填埋量，成为上海市生活垃圾的主要末端处置方式。 另外，在填埋处置中，露天堆场的堆填量逐年减少，至2013 年新产生的生活垃圾已基本不再露天堆填，全部纳入卫生填埋场进行卫生填埋。

图2 上海市生活垃圾处置情况（2005~2015）

本文根据上海环境卫生工程设计院每年对上海市生活垃圾物理组分进行实验室测定的数据， 并结合课题组测定填埋场垃圾组分的数据[1]进行修正后得到上海市生活垃圾组分数据（见图3）。 由图3 可知，从2005 年的66%到2015 年的61%，上海市生活垃圾中厨余类的比重有微弱下降， 但与全国水平相比，该比重显著超过绝大多数城市（华东地区平均值54.07%[2]）。 上海市生活垃圾的热值除少数年份（2012 年、2014 年），均呈稳步增长态势。 另外，由于近些年再生资源价格下降， 部分再生资源混入生活垃圾，导致生活垃圾中部分有价垃圾占比上升。2015年，纸类、竹木和布类的比重均有明显上升。

图3 上海市生活垃圾组分（2005~2015）

1 上海市2005～2015 年生活垃圾温室气体排放计算

1.1 生活垃圾温室气体核算方法

根据《IPCC 2006 年指南》的推荐方法，分别计算填埋、 焚烧和堆肥3 种垃圾处置方式的温室气体排放量。考虑到填埋的温室气体排放量占比较大，为了得到更加接近真实情况的理论核算数据，本文利用具体填埋场排放源的数据和处置情况，对填埋场的温室气体排放进行自下而上的核算。

在计算填埋场温室气体排放时，使用2006FOD模型，首先计算废弃物的可分解DOC：

式中：DDOCm为沉积的可分解的DOC质量，Gg；W为沉积的废弃物质量，Gg；OC为沉积年份的可降解有机碳，Gg；OCf为可分解的DOC比例；MCF为沉积年份有氧分解的CH4修正因子。

填埋场中的DDOC以一级降解动力学反应，每年填埋场内DDOC的量等于上一年的剩余量加上当年新进场垃圾中包含DDOC， 填埋场场封场后场内DDOC没有新的来源，将会越来越少。

式中：T为清单年份；DDOCm(T-1)为(T-1)年年终时SWDS 累积的DDOCm，Gg；DDOCmdecomp(T):T年SWDS 分解的DDOCm，Gg；k为反应常量，k=ln(2)/t1/2年；t1/2为半衰期时间，a。

计算每年填埋场内降解的DDOC时， 假设当年进场的垃圾不发生反应， 通过计算得到上一年场内剩余的DDOC可以计算出当年的降解量DDOCmdecomp(T)。

式中：CH4generated（T）为可分解材料产生的CH4；DDOCmdecomp(T)为T年分解的DDOCm，Gg；F为产生的垃圾填埋气中的CH4比例 （体积比）；16/12 为CH4/C 分子量比率。

式中：CH4emission(T)为T年排放的CH4，Gg；T为清单年份；R(t)为T年回收的CH4，Gg；OX(T)为T年的氧化因子（比例）。

得到DDOCmdecomp(T)后，使用式（3）、式（4）可以计算出当年甲烷产生量和排放量。

应用IPCC 固体废物2006 模型时，需要垃圾中各个组分的比例、DOC、DOCf值和填埋场中甲烷收集量、甲烷氧化率、甲烷修正因子等参数。 这些参数可以根据当地情况调整，在数据充分的情况下可以准确计算出填埋场的产甲烷规律。 目前，IPCC 模型应用最为广泛，被多个国家、地区用来统计填埋场温室气体。 使用IPCC 模型可准确估算填埋场产甲烷量，且有利于国际交流。

垃圾焚烧过程中的温室气体排放指废弃物中的碳在燃烧过程中氧化排放出CO2。 其中，废弃物中的矿物碳在燃烧过程中产生的CO2排放被视为净排放。 利用下列公式计算出垃圾焚烧过程中的温室气体排放。

式中：IW为城市生活垃圾焚烧量，Gg/a；CCW为城市生活垃圾中的碳含量比例；FCF为城市生活垃圾中矿物碳含量比例；EF为城市生活垃圾中废弃物焚烧炉的完全燃放效率；44/12 为碳转换成CO2的转换系数。

垃圾生物处置的温室气体排放包含CH4排放和N2O 排放，根据《IPCC 优良做法指南》[3]中的计算公式， 活动数据主要包括各生物处置方式的处置量和CH4及N2O 的排放因子。

式中：Mi为i种生物处置方式的处置量，Gg/a；EFi为i种生物处置方式的排放因子，g/kg；i为堆肥或厌氧消化；R为CH4回收量，Gg/a。

式中：Mi为i种生物处置方式的处置量，Gg/a；EFi为i种生物处置方式的排放因子，g/kg；i为堆肥或厌氧消化。

1.2 生活垃圾温室气体核算活动数据

在此方法基础上，基于所有现有排放源的精细化数据（包括每个排放源处置量的历年数据、垃圾组分等活动数据，以及根据每个排放源处置情况、工况和实验室分析以及专家判定，优化后的排放因子）进行了自下而上的核算。

上海市生活垃圾处理处置以焚烧和填埋2 种方式为主，如表1 所示。 早期生活垃圾处理处置能力缺乏，仅有老港1~3 期填埋设施，有部分垃圾处于露天堆填状态，未进入卫生填埋系统。 2005~2012 年，共有逾7.30 Mt 生活垃圾被简易填埋，没有场底防渗系统、填埋气导排、渗沥液收集等环保措施，对环境污染较大，且对温室气体排放影响也较明显。2000年以后，随着垃圾填埋设施的建设逐步完善，上海生活垃圾逐渐纳入卫生填埋。老港生活垃圾填埋场、浦东黎明填埋场和松江填埋场承担了大部分生活垃圾卫生填埋任务。 2005~2015 年，上海市主要生活垃圾填埋场的总填埋量超过40 Mt。

此外，根据上海市生活垃圾填埋场的建设、运行、管理和改造情况，以及垃圾处置过程中温室气体排放特征，另参考了相关针对我国垃圾填埋场甲烷排放因子的研究报告和IPCC 清单指南[7]等文献研究， 确定上海市生活垃圾填埋场甲烷排放的关键参数，见表2、表3。

表1 上海市主要生活垃圾填埋场基本情况t/d

表2 上海市生活垃圾填埋场甲烷排放的排放因子

表3 生活垃圾中各个组分湿基的DOC 和k 值[2,3,8,9,10]

在进行垃圾焚烧温室气体核算时，将生活垃圾组分中的塑料、金属、玻璃、渣土和布类的比例作为矿物碳比例，并根据各垃圾焚烧厂的焚烧炉和运行管理情况，参考IPCC 的取值区间（95%~99%），对上海市各焚烧处置排放源的燃烧效率进行设定（见表4）。

生物处置过程的温室气体排放核算参考IPCC2006指南中综合考量生物处置过程中的垃圾处置量、辅助堆肥材料、温度和湿度情况以及厌氧和好氧条件等因素，给出的一组排放因子缺省值。根据上海生物处置设施的实际情况，全部按照堆肥处理核算，排放因子取每千克垃圾湿基排放4 g CH4和0.3 g N2O。

最后，根据IPCC 第5 版报告[15]，按照CH4的升温潜势是CO2的28 倍，N2O 的升温潜势是CO2的265 倍为依据进行换算。 将3 种处置方式过程中排放的温室气体以CO2当量核算排放总量。

表4 上海市主要垃圾焚烧厂甲烷排放的关键参数取值

2 上海市生活垃圾处置的温室气体排放水平及特征

基于IPCC2006模型自下而上的方法，精确核算了上海市生活垃圾处置过程中的温室气体排放特征。 在此期间，上海市生活垃圾填埋、焚烧和生物处置的年度碳排放量分别如图4～图6 所示。2005~2015 年期间，上海市生活垃圾处置过程共排放25 060 kt 二氧化碳当量。

图4 上海市生活垃圾填埋处置碳排放量（2005~2015）

图5 上海市垃圾焚烧量及温室气体排放情况（2005~2015）

图6 上海市生活垃圾生物处置的温室气体排放分布（2005~2015）

在所有温室气体排放源中，填埋场排放占比达81.88%，是生活垃圾处置中最重要的温室气体来源。 垃圾填埋的年度碳排放量在2011 年达到峰值（2.02 Mt/a），2010 年以后随着填埋量的逐渐减少，碳排放呈下行趋势。但由于2005~2010 年填埋量一直处于高位， 有机物分解需要一定时间。 因此，2010 年以后碳排放量的下降幅度没有填埋量下降幅度明显。

2005~2015 年上海市生活垃圾焚烧处理的温室气体排放占生活垃圾处置总排放的9.5%，焚烧处置量占总处置量的20%。因此，焚烧处置是一种有利于温室气体减排的处置方式。 从年度排放水平方面来说，2013 年是上海市垃圾处置方式发生结构性转变的起始年，2013 年起垃圾焚烧处置量大幅增加，温室气体排放随之增加。 2013 年和2014 年的焚烧处置量分别比上一年度增长59%和43%。

上海市生活垃圾生物处置以堆肥方式为主，2005~2015 年共排放温室气体2.16 Mt。 从年度排放量来看，2009 年和2012~2013 年有两次较大幅度的增长，主要原因是上海市新增堆肥处置设施，堆肥量有较大增长。 但2013 年之后年度排放量逐渐回落，显示堆肥处置遇到瓶颈，产物出路不畅，因此堆肥量得到控制。

作为生活垃圾处置中最重要的温室气体来源，进一步分析各排放源的年度排放情况（见图7），从图7 中可以看出，建造时间较久远的填埋场的甲烷排放均已达到峰值并逐年减量排放，如老港生活垃圾填埋场一到三期的甲烷排放峰值在2002~2004年，主要原因是2005 年随着老港四期建成投入使用，老港一到三期的填埋量骤减，并于2009 年停止填埋。 浦东黎明填埋场和松江填埋场也将随着黎明垃圾焚烧厂和松江天马焚烧厂的先后建成投产，减少填埋量。 未来上海市废弃物填埋处理的甲烷排放绝大部分将来源于老港基地的四期填埋场和综合填埋场。

总体而言，2005~2015 年期间上海的生活垃圾处置过程的年度温室气体排放量逐年提升（图8），2014 年达到峰值（2.58 Mt CO2-eq），十年间（2005~2014）温室气体排放增长率达41%。填埋处置的温室气体排放是最大的贡献者，其排放量在2011 年达到峰值，之后稳步下降。焚烧处置的温室气体排放量显著增长，但总量相对填埋处置来说占比较低。

图7 上海市主要生活垃圾填埋场温室气体排放情况

图8 2005~2015 年上海生活垃圾处置过程温室气体排放特征变化情况

3 垃圾管理政策对温室气体减排的影响

在总量计算基础上，进一步分析不同垃圾末端处置方式的单位质量垃圾碳排放情况（见图9），可见对于土地资源稀缺，人口量庞大的超大城市来说，垃圾焚烧对垃圾减量化和无害化两方面的优势明显。相较于垃圾填埋处置，垃圾焚烧的温室气体排放量更低。核算结果显示，简易堆场和小规模垃圾填埋场的吨垃圾碳排放是垃圾焚烧方式的2~3 倍。%%%%

图9 2005~2015 年不同处置方式下的单位质量垃圾的温室气体排放特征变化情况

上海市自2013 年开始，其生活垃圾的末端处置方式从以填埋为主逐渐向填埋和焚烧并重的模式发展。 2013 年至2017 年，焚烧量以平均年增长500 kt的速度逐年递增。 2017 年，上海市生活垃圾焚烧处置量是2012 年的2.5 倍，首次小幅超越了同年的填埋处置量。根据上海市政府相关部门的管理规划，到2020 年将逐步实现原生垃圾零填埋。 从温室气体排放角度而言，将有利于减少二氧化碳排放量。

未来，上海在生活垃圾管理方面，将继续实施源头减量和优化末端处置模式双方面的发展。 源头分类减量是温室气体减排的核心动力，末端处置能力的转型和全量焚烧时代的到来也将有助于控制温室气体排放。