厨余垃圾和农林废弃物好氧堆肥协同处理碳排放核算——以某镇处理设施为例

朱远超，赵子旼，张劲松

（1.北京市城市管理研究院，北京 100028；2.生活垃圾检测分析与评价北京市重点实验室，北京100028）

0 引言

近年来，气候变化问题引起了社会各界的广泛关注，并成为了众多学者探讨的焦点。人类活动导致的碳排放在全球变暖中扮演着极其重要的角色，其中工业和服务业占比较大，但是固体废物收运处置行业也不容忽视。为了更好地践行绿色发展战略，加快推进“无废城市”的建设［1］，厘清垃圾运输处置的碳排放现状，是实现这一目标的重要前提。早期的研究主要偏重于生活垃圾处理的碳排放和减排策略［2］以及建立处置过程的碳排放核算模型［3］，多个学者针对不同城市对生活垃圾处理碳排放进行了预测研究［4-5］，随着研究的逐步深入和垃圾分类进程不断深化，越来越多的学者开始围绕着不同品类垃圾的处理个案碳排放问题展开探究［6］。

厨余垃圾具有高含水率和高有机质的理化特性［7］，适用好氧堆肥和厌氧发酵［8］等工艺进行处理，与园林废弃物协同好氧处置，不但可以有效加速发酵进程［9］，而且有机质去除率可以达到90% 以上［10］。从现有文献看，垃圾处理碳排放研究主要集中在宏观视角层面，多以各个城市为研究对象展开探究，鲜有基于垃圾协同处理具体案例设施的碳排放核算。本研究以某镇厨余垃圾和农林废弃物协同好氧堆肥处理设施为例，利用排放因子法估算运输、处置和资源化利用的碳排放量，并分析探讨碳减排路径，为生活垃圾领域的低碳管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究对象

某镇为华北区域某市农业大镇，镇域面积约75 km2，下辖21 个行政村，常住人口3.3×104余人。该镇厨余垃圾处置主体工艺为“农林废弃物破碎预处理+厨余垃圾协同静态好氧堆肥+制备土壤调理剂”，处置规模为8 t/d 厨余垃圾+6 t/d 农林废弃物。厨余垃圾为厨余垃圾车巡回收集各村分类收集桶站中的家庭厨余垃圾；农林废弃物由收集车定时收集运输，主要来自该镇的草莓秧和园林修剪垃圾。

1.2 堆肥工艺及产物指标

好氧堆肥初级发酵采用露天条垛堆肥方式，条垛高度约为1.0 m，宽度约为2.0 m，长度约为7.0 m。堆体底层铺设厚度约为20～30 cm 经破碎预处理的农林废弃物（粒径为2～5 cm 的草莓秧和树枝），堆体物料为厨余垃圾掺混农林废弃物，掺混质量比为4∶3，掺混的目的主要是为了降低堆体含水率以提升好氧反应的进程与效果。初级发酵周期为7～14 d，定期由铲车进行翻堆，经多次测量，堆体温度在55～65 ℃波动。后进入次级发酵阶段，次级发酵周期为45～60 d，于10 月中旬对该设施不同阶段取样检测，其结果如表1 所示。

表1 初级发酵及次级发酵产物检测结果Table 1 Detection results of primary fermentation product and secondary fermentation product

检测结果表明，初级发酵和次级发酵产物中有机质的质量分数、酸碱度（pH）、含水率、种子发芽率指数、含杂率、钠离子的质量分数、总砷、总汞、总铅、总镉、总铬等堆肥产品无害化指标检测结果均符合DB11/T 2011—2022 厨余有机废弃物制备土壤调理剂技术规范的限值要求。

工艺参数、初级发酵产物和次级发酵产物的检测指标显示，取样当日，该设施厨余垃圾和农林废弃物协同好氧堆肥工艺运行较为稳定，估算其碳排放量是具备一定代表性的。

1.3 排放因子法

目前碳排放核算方法主要有基于测量的实测法、基于计算的质量平衡法和排放因子法［11］。排放因子法是IPCC 提出的一种碳排放估算方法，依照碳排放清单列表，针对每一种排放源构造活动数据与排放因子，以投入的能源使用量和排放因子的乘积作为该排放项目的碳排放量估算值，计算公式如下：

温室气体（GHG）排放=活动数据（AD）×排放因子（EF） （1）

式中：AD 是导致温室气体排放的生产或消费活动的活动量，如每种化石燃料的消耗量、石灰石原料的消耗量、净购入的电量、净购入的蒸汽量等；EF 是与活动水平数据对应的系数，包括单位热值含碳量或元素碳含量、氧化率等，表征单位生产或消费活动量的温室气体排放系数。EF 既可以直接采用IPCC、美国环境保护署、欧洲环境机构等提供的已知数据，也可以基于代表性的测量数据来推算。

排放因子法的优点是简单明确、易于理解，有成熟的公式、活动数据和排放因子数据库。本研究从数据可获得性角度出发，选取排放因子法对厨余垃圾协同农林废弃物好氧堆肥进行碳排放核算。

1.4 核算边界及排放清单

某镇厨余垃圾协同农林废弃物处理的碳排放主要来源包括厨余垃圾和农林废弃物的收集运输车辆、农林废弃物预处理破碎设备、翻堆作业铲车及好氧堆肥工艺过程等；碳补偿主要为堆肥产品的碳固定效应。其碳排放核算边界如图1 所示，碳排放清单如表2 所示。

图1 碳排放核算边界Figure 1 Counting boundary of carbon emission

表2 碳排放清单Table 2 List of carbon emission

1.5 碳排放量核算

1.5.1 收集运输阶段

收集运输阶段的碳排放主要是车辆燃烧化石燃料产生CO2、CH4和N2O 等温室气体。包括两部分：一是采用专用厨余垃圾运输车将村民桶站的厨余垃圾收集运输至镇级好氧堆肥点；二是采用轻型货车将农林废弃物运输至镇级好氧堆肥点。根据车辆运输距离、车辆类型、车辆燃油类型及相应的碳排放因子，运输阶段的间接碳排放量计算公式如下：

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式中：RSWa为农林废弃物收集运输量；Ma为轻型货车满载量；RSWd为厨余垃圾收集运输量；Md为厨余垃圾运输车满载量；βa为农林废弃物运输车单位距离的柴油消耗量；βd为厨余垃圾运输车单位距离的柴油消耗量；Da为单车次收集农林废弃物运输距离；Dd为单车次收集厨余垃圾运输距离；CEFp为柴油的碳排放因子。

1.5.2 处理阶段

1）直接碳排放。好氧堆肥，是在好氧环境下利用微生物的分解作用，使厨余垃圾中的有机质转化为稳定的腐殖质的过程。好氧堆肥产生的温室气体主要是CO2，堆肥过程直接释放的CO2被视为来源于生物碳，不计入碳排放清单。堆体内部局部厌氧产生CH4和N2O，在实际翻堆操作过程中，难免散逸到空气中。好氧堆肥CH4和N2O 碳排放量的计算公式如下：

式中：EF1为好氧堆肥的CH4排放因子；EF2为好氧堆肥的N2O 排放因子；GWPCH4为CH4的全球变暖潜能值；GWPN2O为N2O 的全球变暖潜能值。

2）间接碳排放。间接碳排放主要来自电力、机械、辅料消耗等。该设施厨余垃圾好氧堆肥间接碳排放过程包括两部分：一是对农林废弃物用破碎机进行破碎预处理所消耗的电力；二是使用铲车对堆体进行翻堆消耗的燃料。间接碳排放量计算公式如下：

式中：Pn为翻堆作业过程中的柴油消耗量；CEFp为柴油的碳排放因子；En为破碎预处理过程中的耗电量；CEFe为电力的碳排放因子。

1.5.3 碳补偿

厨余垃圾一般采用生化处理方式进行处置，协同农林废弃物的堆肥制品可作为土壤调理剂，将有机物中的碳储存于肥料中，最终与土壤结合从而实现碳减排。

厨余垃圾堆肥的碳补偿量计算公式如下：

综合以上计算公式，其中的碳排放因子及参数如表3 所示。

表3 碳排放因子及参数Table 3 Carbon emission factors and their datas

2 结果与讨论

2.1 碳排放量

该设施收集运输阶段碳排放量为14.61 kgCO2（1.04 kgCO2/t），处理阶段直接碳排放量为2 709.00 kgCO2（193.50 kgCO2/t），处理阶段间接碳排放量为58.29 kgCO2（4.16 kgCO2/t），碳补偿量为-770.00 kgCO2（-55.00 kgCO2/t），估算的碳净排放总量为2 011.90 kgCO2，折算每吨垃圾的收运、处理和资源化的净排放量为143.71 kgCO2/t。

何品晶等［14］对于上海市厨余垃圾收运碳排放计算为13.7～21.0 kgCO2/t，本研究对于厨余垃圾和农林废弃物收运碳排放计算则为1.04 kgCO2/t。分析其原因，本处理设施收运范围为镇域内各个村，不需要中转站进行转运，因此运输距离远低于送至大型集中处理设施。

边潇等［15］在研究中核算的餐厨垃圾设备的运行能耗在60～200 kWh/t 波动，碳排放量为34.22～114.06 kgCO2/t，本研究中设备及工具能耗碳排放量则为4.16 kgCO2/t。分析其原因，由于采用静态好氧堆肥工艺，不需要使用加热及氧气补充等辅助设备，仅使用预处理破碎机和翻堆作业铲车。

李欢等［16］在研究中提出厨余垃圾好氧堆肥的净排放量为165 kgCO2/t，本研究计算值则略低，为143.71 kgCO2/t。分析其原因，主要是由于碳排放的计算边界未将臭气控制和污水处理等环节纳入，可能是由于堆肥物料中协同处理了农林废弃物。

2.2 碳减排路径的讨论

本研究中，收集运输阶段碳排放量和处理阶段间接碳排放量占比分别为0.53%和2.09%，而处理阶段直接碳排放量占比达97.38%。意味着在该镇级农林废弃物协同厨余垃圾好氧堆肥设施中，垃圾的收集运输、破碎预处理及翻堆作业能耗的碳排放对整体碳排放的影响微乎其微；而堆肥处理过程的初级发酵和次级发酵的直接碳排放决定着整体碳排放的水平。分析其原因，在静态露天好氧堆肥工艺中，堆体内部难免出现厌氧环境，由于缺少密闭辅助设施，翻堆作业会造成CH4、N2O 的无组织逸散。因此协同好氧堆肥除应保持堆体氧气含量不低于8%、含水率在50%～65%、温度保持在55 ℃以上等运行工艺参数外，还应增加外部密闭设施，保证足够的堆肥时间以减少无组织逸散，并定期做好翻堆作业以降低堆体内部厌氧环境的产生。

本研究中，每吨垃圾的碳排放和碳补偿见图2。好氧堆肥工艺中堆肥产品对于碳的固定效应明显，占比达碳净排放量的38.41%。据调研，该设施堆肥产品由附近村民按需免费领取，存在供大于求的情况，因此实际的碳补偿量低于理论值。

图2 碳排放与碳补偿Figure 2 Carbon emission and carbon reduction

3 结论

1）厨余垃圾和农林废弃物协同好氧堆肥，收运、处理和资源化的净排放量为143.71 kgCO2/t。

2）镇域内收运处置的方式，由于减少了转运环节，具有运输距离短的优势，运输阶段的碳排放量低于经过转运运输至集中大型处理设施；同时协同静态好氧工艺，设备能耗碳排放量也低于使用加热及氧气补充设备能耗的碳排放量。

3）好氧堆肥阶段产生的CH4和N2O 无组织逸散，是影响其碳排放水平的关键因素。为降低其逸散率，需要注意保持堆体氧气含量不低于8%、含水率在50%～65%、温度保持在55℃以上，还需注意增加密闭辅助设施、定期翻堆作业和保证足够的堆肥时间等。

4）好氧堆肥的堆肥产品具有明显的碳减排效应，占碳净排放量的38.41%。从管理角度而言，建议出台相应政策推动堆肥产品的使用，以保障碳减排措施的有效落实。