河北省2006—2020年废弃物处理温室气体排放特征研究*

郝 汉 马文林# 李思航

(1.北京建筑大学北京应对气候变化研究和人才培养基地,北京 100044;2.北京建筑大学环境与能源工程学院,北京 100044)

近年来,学者们广泛认为人为源温室气体是造成全球气候变暖的主要因素之一。温室气体排放量不断增加,已经严重影响人类的正常生产生活并威胁到了地球生态系统[1]。CO2、CH4和N2O是主要的温室气体,分别占温室气体排放总量的72%、19%和6%[2]。废弃物是重要的人为温室气体排放源[3],据有关研究统计,我国废弃物温室气体排放量从1949年的36万t(以CO2为当量,下同)增加到2013年的7 240万t[4],在2017年进一步达到7 660万t[5]。尽管废弃物处理产生的温室气体排放占比不高,但废弃物同时也是一种可再生资源,如果对其加以回收利用,既能够实现温室气体减排目标,又具有良好的环境和社会效益[6]。目前在废弃物处理过程中产生的CO2、CH4和N2O等温室气体受到国内学者们的广泛关注[7]。

于洋等[8]针对厦门市废弃物处理的温室气体排放情况建立计算模型并进行核算;张成[9]对重庆市城镇污水处理系统温室气体排放进行核算,并预测当地温室气体排放潜势;郭宇杰等[10]、谢鹏程等[11]从生活垃圾处理温室气体排放方面开展了相关研究;曾灿等[12]核算并分析了宁波市废弃物处理温室气体排放特征;王安等[13]核算了北京市废弃物处理过程中温室气体排放总量,并与国内典型城市进行对比分析。近年来,河北省经济飞速发展,工业化进程不断加快,人们物质消费水平显著提高,废弃物产生和处理量也不断增加。目前鲜有河北省废弃物处理温室气体核算的研究报道,因此在已有研究的基础上,以河北省为研究区域,参考《2006年IPCC国家温室气体清单指南》(以下简称《IPCC 2006指南》)[14]和《省级温室气体清单编制指南(试行)》(以下简称《省级指南》)[15]的核算方法及相关参数,核算了河北省2006—2020年废弃物处理的温室气体排放量,并分析了温室气体排放特征,以期为河北省实现低碳经济的全面发展及开展废弃物领域的温室气体减排提供数据支持和理论参考。

1 研究区域概况

河北省地处我国华北地区,位于113°4′E～119°53′E,36°1′N～42°37′N,东至渤海,内环京津,南接山东、河南二省,西为太行山地区,北为燕山山地,全省面积18.88万km2,2020年全省户籍人口7 463.84万。2006年河北省共有污水处理厂38座,处理能力为316.1万m3/d,污水处理总量为77 169万m3;至2020年污水处理厂增加至93座,处理能力达680.1万m3/d,污水处理总量为171 325万m3。近年来,河北省垃圾处理能力也不断增强,2020年河北省垃圾无害化处理量为786.19万t,比2006年增加了146%,垃圾处理能力达到32 173 t/d。2006年全省无害化垃圾处理厂17座,至2020年已增加至59座,其中,垃圾焚烧厂数量显著增加,2006年全省垃圾焚烧厂共两座,焚烧处理能力为1 200 t/d;至2020年已经增加至15座,焚烧处理能力达到18 460 t/d。

2 数据与方法

2.1 核算方法

2.1.1 生活垃圾填埋处理CH4排放

采用《省级指南》中的质量平衡法对河北省城市生活垃圾填埋处理排放的CH4进行核算,由于这种方法假设在填埋处理当年就将所有潜在的CH4全部排放出,所以相比于实际的CH4排放量数值偏高[16]87,计算方法见式(1)至式(3)。

ECH4,L=(AMSW,T×ηMSW,L×L0-RL)×(1-FOX)

(1)

L0=FMCF×CDOC×ηDOC,F×ηCH4×16/12

(2)

(3)

式中:ECH4,L为生活垃圾填埋处理的CH4排放量,万t/a;AMSW,T为生活垃圾的产生总量,万t/a;ηMSW,L为城市生活垃圾填埋处理率,%;L0为生活垃圾填埋的CH4产生潜力,万t/万t;RL为填埋处理CH4回收量,万t/a;FOX为氧化因子;FMCF为生活垃圾填埋场的CH4修正因子;CDOC为可降解有机碳质量浓度,kg/kg,基于生活垃圾计算;ηDOC,F为可分解的可降解有机碳质量分数,%;ηCH4为生活垃圾填埋气中CH4质量分数,%;16/12为碳转化为CH4的系数;i为生活垃圾类型;CDOC,i为第i类生活垃圾可降解有机碳质量浓度,kg/kg;Wi为第i类生活垃圾在生活垃圾总量中的质量占比,%。

2.1.2 垃圾焚烧处理CO2排放

根据《省级指南》的核算范围,本研究按照式(4)计算垃圾焚烧处理的CO2排放量:

(4)

式中:ECO2,I为垃圾焚烧处理的CO2排放量,万t/a;k为待焚烧的垃圾类型;AIW,k为第k类垃圾的焚烧量,万t/a;ηCCW,k为第k类垃圾中的碳质量分数,%;ηFCF,k为第k类垃圾中矿物碳占碳总量的质量分数,%;ηEF,k为第k类垃圾焚烧的完全燃烧效率,%;44/12为碳转化为CO2的系数。

2.1.3 生活污水处理CH4排放

生活污水包括城镇居民住宅、机关单位、学校等场所在日常生活中产生并排放的废水,本研究按照式(5)和式(6)计算生活污水处理CH4排放量。

ECH4,DW=ATOW×FDW-RDW

(5)

FDW=B0,DW×FMC,DW

(6)

式中:ECH4,DW为生活污水处理CH4排放量,kg/a;ATOW为生活污水中有机物总量(以BOD计),kg/a;FDW为生活污水CH4排放因子,kg/kg;RDW为生活污水CH4回收量,kg/a;B0,DW为生活污水CH4最大产生能力(基于BOD计算),kg/kg;FMC,DW为生活污水CH4修正因子。

2.1.4 工业废水处理CH4排放

工业废水源于工业生产过程中产生并排放的废水废液,按照式(7)和式(8)计算工业废水处理CH4排放量。

(7)

FIW=B0,IW×FMC,IW

(8)

式中:ECH4,IW为工业废水处理CH4排放量,kg/a;j为工业部门;ATOW,j为工业部门j的工业废水中可降解有机物的总量(以COD计),kg/a;Sj为工业部门j以污泥方式清除的有机物总量(以COD计),kg/a;FIW为工业废水CH4排放因子;RIW,j为工业部门j的CH4回收量,kg/a;B0,IW为工业废水CH4最大产生能力(基于COD计算),kg/kg;FMC,IW为工业废水CH4修正因子。

2.1.5 废水处理N2O排放

生活、工业、商业废水的处理产生并排放的N2O是废水处理过程中N2O的主要来源,按照式(9)和式(10)计算废水处理N2O排放量。

EN2O=NE×FN2O×44/28

(9)

NE=P×Pr×FNPR×FNON-CON×FIND-COM-NS

(10)

式中:EN2O为废水处理N2O排放量,kg/a;NE为废水中含氮量,kg/a;FN2O为废水N2O排放因子(基于含氮量计算),kg/kg;44/28为氮转化为N2O的系数;P为人口,人;Pr为人均蛋白质消耗量,kg/(人·a);FNPR为蛋白质中含氮量,kg/kg;FNON-CON为废水中的非消耗蛋白质因子,%;FIND-COM为工业和商业的蛋白质排放因子,%;NS为随污泥清除的氮,kg/a。

2.2 活动水平数据

河北省废弃物处理温室气体排放核算所需的活动水平数据分为固体废物处理及废水处理两部分。

固体废物处理部分所需的活动数据包括城市生活垃圾填埋量、城市生活垃圾焚烧量、危险废物焚烧量和城市生活垃圾有机成分含量,由于污泥焚烧产生的CO2属于生物成因排放,不计入排放总量中,因此未统计污泥焚烧处理量[16]191。

废水处理部分所需的活动数据包括生活污水及工业废水的COD产生量、经过处理设施削减的COD去除量和排入环境的COD排放量,河北省工业产品产量和河北省常住总人口。

数据主要来源于2006—2020年中国城市建设年鉴、2006—2020年中国环境统计年鉴、2006—2020年中国环境年鉴、2020—2021年河北省统计年鉴、2008—2019年河北省经济年鉴。参考文献[17]获得我国主要城市的生活垃圾组分情况并取华北地区平均值,用以表征城市生活垃圾有机成分含量(食品废物、纸类、竹木和织物占比(以质量分数计)分别为60.60%、12.47%、1.97%和2.70%);因环境统计方式发生变化,2015年以后的生活污水中COD去除量采用国内COD产生系数[18]进行估算,2015年以前污水中的COD去除量来自相应年份的中国环境统计年鉴及中国环境年鉴。河北省人均蛋白质消耗量的数据来源于联合国粮食及农业组织[19],取中国平均值(见表1)。

表1 2006—2020年中国人均蛋白质消耗量Table 1 Annual per capita protein consumption in China during 2006-2020 g/(人·d)

2.3 排放因子数据

固体废物处理以及废水处理的CH4排放因子和N2O排放因子,基本采用《省级清单》中的推荐值,部分参数取值参考文献[20],废弃物温室气体排放关键因子汇总于表2。

表2 河北省各废弃物温室气体关键排放因子Table 2 Key greenhouse gas emission factors by waste sector in Hebei Province

3 结果与分析

根据2.1节的计算方法,并将结果均折算为CO2当量,不同温室气体折合为CO2当量的系数为:1 t CH4相当于21 t CO2带来的增温潜势;1 t N2O相当于310 t CO2带来的增温潜势[21]。

3.1 固体废物处理温室气体排放特征

由图1可以看出,生活垃圾填埋处理CH4排放量分别在2006—2011年和2011—2020年呈先升后降的趋势,其占固体废物处理产生温室气体总量的比例在2006—2015年总体呈缓慢下降趋势,并在2016—2020年明显下降。生活垃圾填埋处理CH4排放量最大值为2016年的401.34万t,最小值为2006年的227.42万t,2020年比2006年增长76.48%。生活垃圾填埋处理CH4排放量增长幅度最大的年份为2007年,比前一年增长20.10%;排放量下降幅度最大的年份为2020年,比前一年下降19.97%。在2006—2009年生活垃圾填埋处理CH4排放量呈快速增长的趋势,年均增长率为14.64%,原因是河北省这一时期固体废物收集技术水平的提高及垃圾填埋场建设数量的不断增加,导致了垃圾无害化处理量的显著提升。

图1 2006—2020年河北省固体废物处理温室气体排放情况Fig.1 Greenhouse gas emissions from solid waste treatment in Hebei Province during 2006-2020

垃圾焚烧处理CO2排放量除在2008、2014年稍有下降外,总体上呈稳定上升趋势,且在2016—2020年增速明显加快,其占固体废物处理产生温室气体总量的比例变化趋势与排放量变化趋势基本相同。其中,垃圾焚烧处理CO2排放量最小值为2006的6.42万t,最大值为2020年的130.93万t,2020年比2006年增加了19.39倍。垃圾焚烧处理CO2排放量最大增长幅度在2017年,相比前一年增加了92.07%。

不同固体废物处理温室气体排放量占比变化趋势主要受处理方式改变的影响。随着河北省城镇化进程不断加快,人民生活水平日益提高,生活垃圾的产生量处理量不断增加,填埋处理方式受到土地限制逐渐趋于饱和,与垃圾填埋场相比垃圾焚烧厂的占地面积更小,土地利用效率更高,由于环境污染和土地资源的制约,河北省正逐步推进将垃圾填埋场取代为垃圾焚烧厂。

3.2 废水处理温室气体排放特征

由图2可以看出,生活污水处理CH4排放量在2006—2020年间,除2012、2020年有小幅下降外,其余年份均呈稳定上升趋势;2020年比2006年增长138.48%;其中,在2019年排放量达到最大,为99.23万t,在2006年排放量最小,为40.02万t。2006—2011年生活污水CH4排放量增速较快,年均增长率达到了13.86%,这可能与这一时期河北省城镇污水处理厂的快速建设及污水处理能力的显著提高有关,污水处理厂的数量从2006年的38座增长到2011年的73座,生活污水COD去除量也随之显著提高,由2006年的22.79万t增加到2011年的66.94万t。

图2 2006—2020年河北省废水处理温室气体排放情况Fig.2 Greenhouse gas emissions from wastewater treatment in Hebei Province during 2006-2020

工业废水处理CH4排放量在2006—2020年总体呈先升后降的趋势,但波动幅度较大,其排放量变化与各工业行业COD去除量及排放量变化有关。工业废水处理CH4排放量在2020年比2006年增长27.93%;排放量最大值在2012年,为321.11万t,最小值在2008年,为144.67万t;增长幅度最大的为2011年,相比前一年增加84.35%,分析其主要原因可能是2011年环保部门统计方式发生改变,导致工业废水COD去除量的数据连续性受到影响。

废水处理N2O排放量在2006—2020年间呈缓慢上升趋势,从2006年的160.29万t增加到2020年的205.23万t,年均增长率仅1.78%,这与这一时期内河北省人口增速及人均蛋白质消耗量增速都比较低有关。

3.3 总体排放特征分析

由图3可以看出,河北省2006—2020年废弃物处理温室气体排放总量呈总体上升趋势,2020年(926.06 万t)比2006年(582.74万t)增长了58.92%;其中,2006—2011年间,排放总量除在2010年小幅下降2.09%外,一直处于稳定增长趋势;2011—2019年排放总量除2015年存在小幅下降外,整体呈小幅增长趋势,并在2019年达到最大值(967.23万t)后于2020年下降。废弃物处理温室气体排放总量在2011年上升幅度最大,相比前一年增长18.39%,主要由于2011年工业废水处理CH4排放量增幅较大;在2020年下降幅度最大,相比前一年下降4.26%。

图3 2006—2020年河北省废弃物处理温室气体排放情况Fig.3 Greenhouse gas emissions by waste treatment in Hebei Province during 2006-2020

由图4可以看出,废水处理在河北省废弃物处理温室气体排放总量中占比最高,但总体呈波动下降趋势,废水处理在2006—2020年平均排放占比为55.78%。生活垃圾填埋处理温室气体排放占比居次,平均为39.42%,分别在2006—2011年和2011—2020年呈先升后降的趋势;垃圾焚烧处理温室气体排放占比居于末位,平均为4.79%,但2020年相比2006年增长11.85倍。在2016—2020年间,随着河北省垃圾填埋场逐渐关停封场以及垃圾焚烧厂的快速建设,卫生填埋无害化处理量已经从408.36万t减少到309.70万t,垃圾焚烧无害化处理量由288.63万t增加到447.24万t,所以在2016—2020年间垃圾焚烧处理温室气体排放占比显著上升。2020年河北省生活垃圾填埋处理、垃圾焚烧处理和废水处理产生的温室气体排放占比分别为32.87%、14.14%、52.99%。

图4 2006—2020年河北省废弃物处理温室气体排放占比趋势Fig.4 Trends in the precentage of greenhouse gas emissions by sector for waste treatment in Hebei Province during 2006-2020

4 不确定性分析

本次关于河北省废弃物处理温室气体排放量核算的研究主要有两个方面的不确定性,即方法和数据的不确定性。方法的不确定性主要为,在计算生活垃圾填埋处理温室气体排放量的过程中所采用的方法为质量平衡法,这种方法假设所有潜在的CH4全部在处理当年排放完,因此会导致排放量估算值偏高,最终产生一定偏差。

数据的不确定性包括活动数据和排放因子的不确定性。为降低估算数据的不确定性,本研究活动数据采用统计年鉴中河北省本地数据或中国国内平均值并选取《省级清单》中合适的参数值进行计算。因此,活动数据的不确定性除了来自统计部门的统计口径以及调查的精确程度外,也有以下几方面的影响:生活垃圾填埋处理产生的CH4排放量计算,涉及到河北省城市生活垃圾组分,而目前收集到的相关数据有限,本研究通过查阅文献,获得了我国华北地区3个城市生活垃圾组分情况数据并取平均值;河北省生活垃圾填埋处理产生的CH4回收量极小,本次研究忽略不计;在计算生活污水处理温室气体排放量时,未获取到各个污水处理厂BOD/COD的数据,因此该数值采用省级清单中的推荐值;在估算废水处理N2O排放量时,人均蛋白质消耗量采用联合国粮食及农业组织提供的中国平均值。此外,本研究采用排放因子法估算废弃物温室气体排放量,所选取的排放因子中有一些不是河北省特征值,这也一定程度上造成核算结果的不确定性。

5 结论与建议

5.1 结 论

(1) 2006—2020年河北省废弃物处理产生的温室气体排放总量整体呈稳定上升的趋势,但2011—2019年排放总量变化幅度较小。

(2) 废水处理为河北省废弃物处理温室气体排放的主要来源,但其温室气体排放量占比总体呈波动下降趋势。

(3) 垃圾焚烧处理温室气体排放的变化最为明显,2020年相较于2006年垃圾焚烧处理温室气体排放量增长近20倍,在废弃物处理温室气体排放总量的占比增长近12倍。

5.2 建 议

(1) 河北省垃圾焚烧相较于填埋处理,1万t垃圾平均可减少0.77万t的温室气体排放。建议河北省加快垃圾焚烧处理设施建设,逐步关停并科学治理生活垃圾填埋场,推动生活垃圾处理从“填埋”到“绿色焚烧”的变革,通过采用高参数中间再热技术、热电联产技术及提高焚烧炉单炉的处理规模等方式建设高效低碳的垃圾焚烧发电厂。

(2) 食品废物约占河北省生活垃圾的有机组分的60.60%,在进行填埋处理时,其中丰富的营养物质极易被生物降解,不仅有大量的温室气体排放,还会产生垃圾渗滤液污染地下水环境。建议河北省继续推进垃圾分类资源回收,单独对餐厨垃圾进行厌氧消化处理,回收产生的H2、CH4等可燃气体,在减少温室气体排放的同时回收大量生物能源。

(3) 废水处理产生的碳排放主要分为直接碳排放和间接碳排放,受到工艺选型等影响,污水处理厂在运行中对间接碳排放部分控制更多,包括生产过程中电力消耗、药剂消耗等。建议河北省在污水处理厂的运营管理中注重减少污水处理系统厌氧环境,如逐步取消化粪池、减少管道淤积等,并将N2O纳入生物处理控制体系,同时提高精细化管理水平,降低能源和物料消耗,从而减少间接碳排放。