城市厨余垃圾集中与分布处置模式的碳排放对比分析

蒋宇?谭瑶瑶?李东?郑晓倩?邓放

一、引言

在“双碳”背景下，节能减碳已成为我国各行业的紧迫任务。随着生活垃圾分类工作的不断推进，厨余垃圾处置对碳排放的影响尤为重要。成都市厨余垃圾采取“集中处置为主、分散处置为辅”的处置方式，城镇地区厨余垃圾主要收运至各区域大中型处置设施集中处置，部分产生量相对较大的农贸市场、食堂、城市综合体、街道社区等实施就地就近分布式处置。集中式处置模式虽然处理效率较高，但收运过程可能产生较大的碳排放；分布式处置模式能够大幅缩减收运过程的碳排放，但由于设施场地限制，通常无法就地完成厨余垃圾全量利用。当前，对于不同厨余垃圾处置技术碳排放的量化分析已有较多研究，而对于不同处置模式碳排放的定量对比研究较少。本研究以成都市为例，旨在对厨余垃圾分布式与集中式处理技术与处置模式的碳排放进行对比研究，为制定厨余垃圾低碳处置策略提供科学依据。

二、成都市厨余垃圾处置基本情况

（一）厨余垃圾产生和处置量

厨余垃圾的产生量受许多因素的影响，包括人口数量、饮食习惯、经济发展程度、教育意识水平等。厨余垃圾主要包括餐饮单位厨余垃圾和家庭厨余垃圾两部分，其中餐饮单位厨余垃圾产生量通常以人均0.1 kg/d估算，家庭厨余垃圾量占城市生活垃圾总量的37%～62%。预计2025年和2030年成都市厨余垃圾总产生量将分别达到442万t和507万t。推进生活垃圾分类，实行厨余垃圾单独处置利用，能够有效减少进入其他垃圾的厨余组分，从而降低其他垃圾的处置量，对碳减排具有重要意义。目前，成都市厨余垃圾处置方式主要有厌氧消化、好氧发酵、小型生化机处理和压榨脱水处理等，2021年全市廚余垃圾处理量为33.23万t。今后，随着餐饮单位厨余垃圾收运率与家庭厨余垃圾分出率的不断提高，城市厨余垃圾处理能力还需要进一步提升，选择绿色低碳的厨余垃圾处理技术与处置模式有利于指导设施高水平建设。

（二）厨余垃圾处理技术碳排放对比

现阶段我国厨余垃圾处理常见的工艺技术包括厌氧消化、好氧发酵和昆虫等生物养殖处理等。厌氧消化技术具有较高的资源回收利用率，沼气产品作为替代能源的碳减排效果显著。好氧发酵技术的资源回收利用率与厌氧消化相当，但在开放式堆肥时会产生额外的温室气体排放。昆虫等生物养殖处理技术资源回收利用率最高，碳排放最低，考虑饲料替代的减排效应，该技术通常视为碳零排或碳负排。从碳减排的角度考量，厨余垃圾处理技术优先级为昆虫等生物养殖＞厌氧消化＞好氧发酵。

厨余垃圾处理的碳排放主要来自以下几方面：处理过程中消耗外部能量引起的间接碳排放（包括生产设备、废气沼液处理的环保设备等的消耗），好氧发酵过程中甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）等温室气体排放，以及厌氧消化过程中部分CH4泄漏导致的碳排放。本研究中厨余垃圾分布式处置过程中的间接碳排放分别根据成都市2021年度59个小型生化机处理和2个就地压榨脱水处理案例厂界范围内能耗调查数据平均水平估算，厨余垃圾好氧发酵和厌氧消化过程中的间接碳排放根据2021年度2座集中式大中型餐厨垃圾处置实际案例厂界范围内能源消耗量调查数据估算，处置过程中温室气体泄漏导致的碳排放参考《成都市“碳惠天府”机制碳减排项目方法学 餐厨废弃物资源化利用（资源节约类—03）》，按照式（1）、式（2）计算。

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

式中，EHA为厨余垃圾好氧发酵过程中产生的温室气体排放，tCO2e；wt为进入好氧发酵系统的厨余垃圾总量，t；EHA，CH4为厨余垃圾好氧发酵的CH4排放因子，取0.002 tCH4/t；GWPCH4为CH4的全球增温潜势，取21；EHA，N2O为厨余垃圾高温好氧发酵的N2O排放因子，取0.0002  tN2O/t；GWPN2O为N2O的全球增温潜势，取310。

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

式中，EHD为厨余垃圾厌氧消化过程中产生的温室气体排放，tCO2e；Qbiogas为厌氧消化过程中产生的沼气量，m3biogas；fCH4为厌氧消化过程中产生的沼气中CH4占比，取0.6 m3CH4/m3biogas；DCH4为室温20℃和一个标准大气压下的CH4密度，6.7×10-4 t/m3；EAD，CH4为厌氧消化过程中泄漏CH4的排放因子，取0.028 tCH4泄漏/tCH4产生。

由于脱水残渣和沼渣干基有机质含量通常超过75%，为简化计算，假设脱水残渣和沼渣全部为可降解生物碳源，当采用堆肥方式处理时按好氧发酵单位碳排放量计算，采用焚烧方式处理时可降解生物碳源焚烧产生的CO2不计入碳排放量。结果见表1。

结果表明，无论是好氧发酵还是小型生化机处理技术，由于存在CH4、N2O等温室气体逸散，且单位排放量均超过1000 tCO2e/万t垃圾，即使考虑压榨脱水后的残渣和厌氧消化沼渣的后续处理，就地压榨脱水和厌氧消化技术的碳排放量也显著低于好氧发酵和小型生化机处理技术。值得注意的是，采用厌氧消化工艺的集中式大中型餐厨垃圾处置工程案例已实施了沼气发电供热，上述数据未考虑燃料替代减排。

总的来说，尽管压榨脱水技术碳排放最低，但压榨脱水设施规模小、点位多，存在建设运行成本高和环境污染控制难度大的问题，因此，从减污降碳和成本控制综合考虑，成都市厨余垃圾应优先选择厌氧消化处理技术，沼渣宜进行焚烧处置。

三、厨余垃圾处置模式碳排放对比

厨余垃圾处置模式通常分为集中式处置或分布式处置。集中式处置模式通过大型设施集中处置大量的厨余垃圾，多采用厌氧消化或好氧发酵技术，实现规模效应和便利的控制与监测。而分布式处置模式将处理设施就近设置，采用生化机处理或压榨脱水技术，能够显著减少运输成本，灵活性和适应性较强。本研究以成都市3处采用不同工艺技术的分布式厨余垃圾处置设施为例，模拟计算了相同厨余垃圾产量条件下，采用新能源纯电动或传统燃油车辆收运至末端大中型设施集中式收运处置过程中的碳排放量，其中A区与B区采用分布式生化机处理技术，C区采用分布式压榨脱水技术。集中式好氧发酵项目和集中式厌氧消化项目（沼渣进行焚烧处置）碳排放量分别按每万吨垃圾1481 t和266 t计算。

（一）A区分布式生化机处理项目

成都市A区厨余垃圾小型生化机处理项目2021年共处理厨余垃圾3544 t，站内配有4辆新能源厨余垃圾平板收运车和1辆柴油收运车。2021年，4辆新能源收运车共行驶41 515 km，平均单车每日行驶里程28.46 km；1辆柴油收运车共行驶10 180 km，平均每日行驶里程27.89 km。根据本项目车辆油耗和充电量计算，车辆运输环节碳排放量为7.97 t。站内设施消耗电力464 737 kW·h，碳排放量为411.81 t（含处理泄漏产生碳排放量363.52 t）。2021年，该项目厨余垃圾收运处置过程的总碳排放量为419.78 t。

在厨余垃圾收运总量不变的情况下，若运往集中式好氧发酵项目（单车每日往返行驶里程将增加30 km）和集中式厌氧消化项目（单车每日往返行驶里程将增加70 km）集中处置，假设根据载重量换算将现有5辆收集车替换为3辆常规厨余垃圾收集车，根据成都市多个区常规厨余垃圾收集车平均能耗分别计算燃油车和新能源纯电动车的碳排放量（燃油车按0.000 942 tCO2e/km，新能源纯电动车按0.000 171 tCO2e/km计），结果见表2。

结果表明，厨余垃圾分布式生化机处理能够显著减少车辆运输环节碳排放，但从厨余垃圾收运处置过程碳排放总量上看，相比集中式厌氧消化处理仍然处于劣势。特别是在采用电动垃圾收集车的情况下，车辆运输环节碳排放量大幅下降，厨余垃圾集中式厌氧消化处理相较分布式生化机处理碳排放能减少71.92%。

（二）B区分布式生化机处理项目

成都市B区厨余垃圾小型生化机处理项目2021年共处理餐厨垃圾3650 t。站内配有1辆新能源厨余垃圾收运车，2021年共行驶20 075 km，平均单车每日行驶里程55 km。另有3辆第三方垃圾收集车负责将周边市场的果蔬垃圾运往本项目，每辆车每日往返行驶里程约8 km。根据本项目车辆油耗和充电量计算，车辆运输环节碳排放量为2.97 t。站内设施消耗电力432 000 kW·h，碳排放量为424.13 t（含处理泄漏产生碳排放量379.24 t）。2021年，该项目厨余垃圾收运处置过程的总碳排放量为427.10 t。

在厨余垃圾收运总量不变的情况下，若运往集中式好氧发酵项目（单车每日往返行驶里程将增加80千米）和集中式厌氧消化项目（单车每日往返行驶里程将增加90千米）集中处置，假设根据载重量换算将4辆小型厨余垃圾收集车替换为2辆常规厨余垃圾收集车，分别计算燃油车辆和新能源纯电动车的碳排放量，结果见表3。

结果同样表明，厨余垃圾分布式生化机处理相比集中式厌氧消化处理收运处置过程碳排放仍然处于劣势，特别在采用电动垃圾收集车的情景下，B区厨余垃圾集中式厌氧消化处理相较分布式生化机处理碳排放能减少73.48%。

（三）C區分布式压榨脱水项目

成都市C区厨余垃圾就地压榨脱水处理项目2021年共处理果蔬垃圾1 527.57 t，脱水率71.67%，压榨产生残渣433.08 t。站内设施消耗电力4668 kW·h，碳排放量为0.48 t。果蔬垃圾由人工运至站内。残渣由1辆柴油货车运往55 km外的有机肥厂，每日往返运距约110 km，车辆运输环节碳排放量为37.82 t。后端有机肥厂堆肥过程碳排放量为47.93 t。2021年，该项目厨余垃圾收运处置过程碳排放总量为86.23 t。

在厨余垃圾收运总量不变的情况下，若运往集中式好氧发酵项目（单车每日往返行驶里程将增加60 km）和集中式厌氧消化项目（单车每日往返行驶里程将增加90 km）集中处置，假设根据载重量换算配置2辆常规厨余垃圾收集车，分别计算燃油车和新能源纯电动车的排放，结果见表4。

结果表明，C区分布式处理项目采用“压榨脱水＋残渣外运堆肥”工艺时，分布式压榨脱水与集中式厌氧消化处理过程碳排放量差异不大，运输过程碳排放成为主要影响因素。

四、厨余垃圾处置负排放展望

在“双碳”背景下，要实现厨余垃圾收运处置过程碳减排还需大力探索碳负排技术。其中，生物养殖、腐殖化和炭化是厨余垃圾处置领域具有较大应用推广潜力的碳负排技术。

（一）生物养殖处理

昆虫等生物养殖处理主要指，通过食物链方法，或者微生物在一定条件下参与分解，将厨余垃圾转化为其他生物种类的营养物质，作为替代饲料，已先后发展出利用蚯蚓、蝇类、黑水虻、黄粉虫、蟑螂和各类微生物菌等处理厨余垃圾的技术路线。该技术系统综合回收利用率高达90%以上，远高于传统厌氧消化和好氧发酵。目前，虽然对昆虫等生物养殖处理技术碳排放影响的研究较少，但有研究表明，当黑水虻虫体干燥过程能耗降低至0.17 kW·h/kg时，净排放表现为碳负排。

（二）腐殖化和炭化处理

厨余垃圾的腐殖化包括低矿化定向快速生物发酵腐殖化和化学催化超快腐殖化，将厨余垃圾通过生物或化学的手段转化为性质稳定的含腐殖酸物料。厨余垃圾炭化包括水热炭化和热解炭化，将厨余垃圾通过化学手段转化为性质稳定的生物炭材料。腐殖酸和生物炭产品作为肥料增效剂、土壤改良剂施用到土壤中，由于其稳定性较好且自身可作为土壤碳库封存于地下，能使来源于农业的厨余垃圾回到农田，将大气中的CO2封存于土壤，实现净负排。

五、结论与建议

通过成都市厨余垃圾分布式与集中式处置案例碳排放的分析对比，可以看出，厨余垃圾收运处置过程碳减排效果由高到低依次是：分布式压榨脱水模式＞集中式厌氧消化模式＞分布式生化机处理模式＞集中式好氧发酵模式。尽管分布式处置模式能够显著减少收运环节的碳排放，但随着未来新能源收运车辆的推广普及，收运环节碳排放在厨余垃圾收运处置过程中的占比将进一步缩小，综合考虑环境影响控制、资源化利用程度和处置成本等因素，成都市未来厨余垃圾处置应优先选择集中式厌氧消化模式，同时可在距集中式处置设施较远的区域配套厨余垃圾压榨脱水设施，进一步减少运输过程的碳排放。结合未来厨余垃圾降污减碳处理要求，本文在優化厨余垃圾处理管理方面提出以下建议。

1．落实厨余垃圾前端减量、分类管理和资源化利用的思路。在保障厨余垃圾无害化处置的基础上，构建适合国情的食物管理层级理念，强调避免浪费、食物捐赠等措施。利用多种财政政策手段补贴或奖励厨余垃圾的前端减量行为，对食物浪费和高排放处理模式进行收费或征税，支持厨余垃圾资源化利用技术创新和推广应用，加快厨余垃圾处理和资源化利用项目建设。

2．避免选择高污染、高碳排放的工艺路线。适当的厨余垃圾处理工艺路线应综合考虑当地建设条件、市场需求、工艺可行性以及收运处置过程中的碳排放。近期优先选择“集中式厌氧消化＋沼渣焚烧处置”工艺，并积极探索昆虫养殖、压滤液和沼液制备有机水溶肥和微生物蛋白饲料等负排放技术。推广厨余垃圾协同处置模式，重点考虑处理规模、垃圾组分、地区差异等因素，发挥多种技术耦合协同作用，提高温室气体减排效益和环境综合效益。

参考文献

[1]刘郡. 城市厨余垃圾资源化回收利用现状分析与研究[J]. 资源节约与环保，2021，（10）：146-148.

[2]杨光，史波芬，周传斌. 我国厨余垃圾资源化技术的多维绩效评价[J]. 环境科学，2023，44（6）：3024-3033.

（责任编辑：张秋辰）