双碳背景下园林绿化废弃物资源化利用研究进展

刘学磊 任学勇宋曙光 吕雪强 丁紫妍 段帅

摘要  全国每年产生7 000万～10 000万t园林绿化废弃物，数量巨大，并呈现逐年增长趋势。在“双碳”战略背景下，为实现城市绿色低碳可持续发展，需要对园林绿化废弃物进行科学处置利用，实现其减量化、无害化和资源化利用，“变废为宝”，缓解城市有机固体废弃物的处置压力。系统总结和探讨了覆盖物化、堆肥化、养料化、材料化、固体燃料化、生物燃气化、热解多联产、景观化等绿色资源化利用研究进展，并对今后的发展趋势进行了展望，以期为加快实现园林绿化废弃物绿色低碳利用提供参考。

关键词  园林绿化废弃物；碳达峰、碳中和；绿色低碳；资源特性；资源化利用

中图分类号  X705  文献标识码  A  文章编号  0517-6611（2024）09-0001-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.09.001

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Research Progress on Resource Utilization of Garden Waste Under the Background of Dual Carbon

LIU Xue-lei1，2， REN Xue-yong1，2， SONG Shu-guang2，3 et al

（1.College of Materials Science and Technology， Beijing Forestry University/National Forestry Grassland Wood Material Recycling Engineering Technology Research Center， Beijing 100083;2.Green Waste Disposal and Utilization of Beijing Landscaping Expert Workstation， Beijing 100054;3.Beijing Jicheng Shanshui Investment Management Corporation， Beijing 100054）

Abstract  China generates 70-100 million tons of garden waste per year， with an enormous amount and shows a trend of expanding year by year. Under the background of the “double carbon” strategy， in order to achieve green and low-carbon development of the city， it is necessary to scientific disposal and utilize garden waste， to achieve its reduction， harmlessness and resourcefulness， to “turn waste into treasure”， and to alleviate the pressure of urban organic solid waste disposal. This paper summarizes and discusses the research progress of greening resource utilization such as mulching， composting， nutrient conversion， materialization， solid fuel conversion， bio-gasification， pyrolysis multi-coupling and landscaping， and provides an outlook on the future development trend. It is expected to provide reference for accelerating the realization of green and low-carbon resource utilization of garden waste.

Key words  Garden waste;Carbon emissions peak;Carbon neutrality;Green and low-carbon;Resource feature;Resource utilization

基金項目  河北省中央财政林草科技推广项目（冀TG〔2022〕004）；国家林草科普项目（2023133307）。

作者简介  刘学磊（1998—），男，山东德州人，硕士研究生，研究方向：木质材料热解循环利用。

*通信作者，副教授，博士，硕士生导师，从事林木生物质能源与新材料研究。

收稿日期  2023-07-04

随着生态文明和美丽中国建设的不断推进，我国城镇绿化面积逐渐增加，由此产生了大量的园林绿化废弃物。园林绿化废弃物（简称“绿废”）是指绿化植物在生长过程中自然凋落或人为修剪后所产生的植物残体，包括常见的枯枝、落叶、花败、草屑、乔灌木修剪的枝桠材等，全国每年产生7 000万～10 000万t园林绿化废弃物，数量巨大，已经成为继城市生活垃圾之后的第二大城市固体废弃物。2021年，《Nature》发文指出全球枯木每年释放10.90亿t碳，相当于化石燃料排放的1.15倍，且枯木的分解速率随着温度的升高还在加快［1］。当前，对绿废传统的处理方式主要是焚烧与填埋，在资源浪费的同时也产生沉重的环境负担。

2020年，我国提出了3060“碳达峰，碳中和”行动计划，据统计，全国超90%的碳排放量来自城市，城市园林工程建设除了满足日常的美化环境外，也应该聚焦绿化植物的碳汇作用［2］，以此达到缓解城市碳排放的压力，这对绿化过程中产生的园林绿化废弃物循环利用提出了更高的要求。同时园林绿化废弃物作为清洁可再生的资源，也为我国绿色清洁能源发展转型带来机遇。

园林绿化废弃物资源化利用有助于维持城市森林生态系统的碳平衡，将废弃物中的碳封存至城市园林体系，同时还可以为社会提供有机肥料、固体燃料等生态产品，促进资源循环利用和生态文明社会建设。该研究从绿废的种类与资源特性出发，重点探讨资源化利用方式的新进展，并对未来的发展趋势进行展望和建议，以期为实现高效利用、助力碳中和提供科学参考和有益借鉴。

1  绿废资源特性

我国地域辽阔、绿化植物种类多样，随之产生的园林绿化废弃物也多种多样，应用领域广阔。整体而言，绿废具有资源丰富、数量巨大、季节性强［3］以及利用潜力大等特点。与其他城市固体废弃物（如生活垃圾）相比，绿废属于木质纤维素类生物质，原料相对清洁且可再生［4］，元素构成、化学成分和工业组成十分丰富，易于实现资源化利用、生产多种生态环境产品（图1）。

2  绿废资源化利用研究进展

目前，常见的园林绿化废弃物利用方式包括覆盖物化、肥料化、养料化、材料化、能源化和景观化等，涉及的技术包括复合成型、堆肥发酵、固化成型以及热解转化等，可以生产覆盖物、有机肥、固体燃料以及生物炭等产品。

2.1  覆盖物化利用

制备有机覆盖物是近年快速发展和应用起来的绿废利用技术。将树皮、树枝、树叶以及木片等原料制成的碎末、条状、片状的本色或彩色的产品，作为覆盖物铺设于土壤表面。从结构上看，有机覆盖物通常包括散状和定型两类，前者指直接将经过粉碎、阻燃处理的绿废作为覆盖物散状铺装使用，后者指将粉碎后的园林废弃物进行胶结成型（包括预制成型和现场成型2种方式）后再铺装成型使用。制备有机覆盖物时，园林绿化废弃物通常需要经过高温、阻燃等安全处理，还要进行环保染色处理，赋予其装饰与美化环境效果。覆盖物的使用可起到控温保湿、提高土壤肥力的作用，达到作物产量的目的［5］，同时对于抑制城市扬尘具有积极作用，常被用来修复城市森林土壤。刘倩云等［6］以热解油脲醛树脂胶黏剂，去粘接以园林绿化废弃物为原料制成的覆盖垫，其中热解油和覆盖垫的原料来源于园林绿化废弃物，2种技术的结合有效利用原料中的碳元素，使之尽可能回归土壤，为土壤提供养料。

2.2  堆肥化利用

园林绿化废弃物富含有机质，适合进行堆肥处理制备有机肥料或基质。在适宜的理化状态下，绿废原料中有机物通过微生物的作用可以转化为供植物吸收的物质，主要包括有机肥、基质与土壤改良剂等产品。有机肥料在使用过程中不仅可以为植物的生长提供养料，而且可以改善土壤的理化性质、促进微生物的生长繁殖。余韵等［7］研究发现，土壤中添加10%的有机废弃物堆肥可以有效地促进楸树的增高增粗，提高植株的总生物量以及总叶绿素含量，有助于种植出高质量的树木。有机基质可替代无机基质用于植物栽培，尤其是在空间紧张的条件下，园林废弃物堆肥不仅可制成轻型基质用于屋顶绿化，而且还可以替代泥炭、缓解泥炭等不可再生资源紧张的现状。绿废制备的土壤改良剂可以起到改善土壤结构、优化土壤环境以及提高土壤活性的作用［8］。木质类绿废富含“三大素”，腐熟时间长，经常需要通过添加高效微生物菌种来降低时间成本，其中蚯蚓堆肥也是一种处理手段，不仅可以实现园林绿化废弃物的稳定处理，而且可以加快堆肥进程，获得稳定、高效的有机肥［9］。

园林绿化废弃物在堆肥过程中会产生二氧化碳、氨气、甲烷等副产物气体［10］，如果控制不好会造成恶臭气体排放。有研究发现，添加了绿废的厨余垃圾在堆肥时，可抑制相关微生物（产生温室气体）的丰富度，从而减少温室气体的排放［11］。Li等［12］发现，使用机器学习算法对于预测堆肥过程中产生的CO2具有很大的潜力，绿废发酵产生的甲烷气体，其温室效应是CO2的20多倍，有必要对于堆肥发酵中的CH4与CO2进行回收，制备成气体碳肥进行利用。绿废在堆肥过程中也存在设备成本较高、原料与成品占地面积大、肥效释放缓慢、受限于天气与温度等问题［13］，如何实现绿废堆肥处理过程的绿色低碳和快速高效是今后需要着重解决的问题。

2.3  养料化利用

新鲜的树叶、青草中富含营养物质，例如粗纤维、粗蛋白、粗脂肪各类微量元素等，可以为多种家禽、鸟类的生长发育提供营养，成为动物的饲料来源之一。以园林绿化废弃物作为原料生产饲料通常要经过发酵、干燥、水泡、打浆、青贮与盐浸等步骤［14］，其中刺槐、桑、榆、松与桐树，墨西哥玉米草、红三叶、大针茅等种类的树叶或青草是制备饲料的优质原料。一般在春、秋季收集饲料原料，用来制成青料（含水率在60%以上）、干料（干燥后），前者常选择当地应季的新鲜植物为主，一般夏季保质期3个月、冬季保质期6个月，后者对原料的收集季节要求不高，保质时间可高达两年。对于家畜而言，干料的营养全面均衡，可以满足家禽的生长需求；而青料容易消化吸收、适口性好，但单位重量的蛋白質、能量均较低，一般作为补充料，搭配其他主料使用。

绿废中因富含有机质可作为食用菌的养料来源用作栽培基质。刘连成等［15］以意杨木屑和棉籽壳为碳源基质用于栽培香菇，研究发现52.00%的意杨木屑和24.00%的棉籽壳搭配时，香菇菌丝产量最高，生物学效率高达89.94%。杨迪等［16］以各类生物质为原料在林下栽培大球盖菇，研究发现林下种植可以有效利用秸秆、木屑以及杂草等废弃资源，为社会提供多样的食用菌产品。

2.4  材料化利用

园林绿化废弃物可以与有机或无机材料进行复合，生产绿色生态材料制品，比如与塑料、高分子等复合生产木塑复合材料、人造板材等家具建材产品，与无机胶凝材料复合生产植物纤维混凝土与填料［17］等建筑交通材料。园林绿化废弃物与聚丙烯、高密度聚乙烯等热塑性塑料混合后经挤压、注塑、压制可制成用途广泛的木塑产品。经破碎等处理后的绿废添加到混凝土中可制成生态混凝土（也称植材砼），应用于海绵城市的街道路面、河岸护坡等方面。崔恒香等［18］研究发现，生态混凝土具有良好的保水、透水性能，能更好地实现对雨水的蓄积与缓排。Fang等［19］利用枯叶制备了活性多功能材料，在太阳能水蒸发、光催化制氢和光催化降解纤维素等方面显示了优良性能，同时作为一种生物塑料还展现出了高机械强度、耐高温和可生物降解的特点。

2.5  固态燃料化利用

在一定的温度（加热或不加热）和压力的作用下，可将疏松、分散的木质纤维类生物质经一系列加工处理，压制成颗粒状、块状与棒状固体燃料，有研究发现绿废可用于生产高品质的燃料［20］。在不加热的情况下，该技术较适合于树皮与草本类等原料，因为木质化程度高的废弃物粉碎时能耗相对较高且不易被压缩；而在加热的情况下，更适合木质类原料且更易成型，这是由于其木质素含量高且其需要在高温作用下发生流变起到胶黏剂的作用［21］。园林绿化废弃物经过压缩处理后可以降低储运成本，提升原料的能量密度与燃烧性能、清洁环保等特点，燃烧后的灰烬属于高品质的钾肥，可进一步回收利用。需要注意的是，树叶、草屑等原料灰分含量高，会降低成型燃料的热值，而且对后续锅炉可能也有较高的要求，制作固态成型燃料应尽量减少树叶、草屑等原料的混入。

2.6  生物燃气化利用

剪枝、树皮等木质化程度较高的绿废经粉碎处理后常用于发电，但落叶并未得到充分利用，它们经常被送至垃圾填埋场，需要经过数月才能腐烂。与其他种类的绿废相比，落叶、草屑等木质化程度较低的绿废原料更容易被生物降解，是用来制备燃气（如沼气、氢气等）的良好原料。绿废发酵制备沼气是将原料置于缺氧的环境中，通过微生物的作用，经历液化、产酸、产甲烷3个阶段。沼气主要成分是CH4，是可用作燃料使用的清洁能源。有研究发现，厨余垃圾和绿废在厌氧共发酵时，不仅对微生物的活性有利，而且还可提升产物品质［22］。Perin等［23］发现，将厨余垃圾中的20%替换成绿废进行共同厌氧发酵时，可有效提升沼气和甲烷的产量，为城市固废处理问题提供可行方案。发酵除产沼气外，还会产生沼液、沼渣等副产物，可被当作农作物肥料，为土壤补充养料。除此之外，绿废也可用来制备氢气等化学品，有研究发现，经过预处理去除落叶中的木质素，并将纤维素、半纤维素中的多糖物质转化为简单的还原糖，进而作为碳源在微生物中酶的协助下可以较大程度地产生氢气［24］。深入研究绿废作为燃气生产的原料特性与理化性质，有助于豐富生产燃气的原料种类，降低生物燃气的生产成本。

2.7  热解多联产利用

热解是指在缺氧或有限供氧的条件下，将绿废通过高温分解转化为生物炭、热解油、木醋液和可燃气的过程。该技术具有处理能力大、转化过程清洁高效与产品附加值高等特点，适用于种类多样且能量密度低的绿废［25］。姚宏鹤等［26］对乔木类园林绿化废弃物的工业组成及其热解特性进行了相应的研究。

以绿废为原料生产的生物炭用途广泛。鞠艳艳等［27］以树皮、树枝、树叶、残草为原料，通过热解的方式制备生物炭，发现木本类生物炭材料（树皮炭、树枝炭）性质稳定、有机质含量高，可用于改良土壤；草本类的生物炭（树叶炭、残草炭）可溶性有机质含量高，可增加土壤养分并有益于微生物的生命活动。与园林绿化废弃物在自然界中易分解产生大量二氧化碳不同，生物炭可以稳定存在于土壤环境中数百年甚至更久的时间而不会降解，作为普通肥料的载体，混合制备成炭基肥，以此向土壤缓慢释放植物生长所需营养元素，达到作物增产，提高化肥利用和降低环境污染的目的。因此，生物炭是固碳减排的理想材料，而且炭材料经加工后可制得活性炭［28］、石墨电极等化工材料，用于重金属吸附、催化及电化学等众多领域。

绿废生物油可用于燃料及化工产品的生产，比如生产重油、胶黏剂、脱硫剂、缓释肥料、融雪剂等［29］，也可精制生产糠醛类化学品等［30］。 另外，热解产物木醋液中含有较高含量的酸类、酚类物质，能够起到抗菌和抗氧化的作用，常用作制备抑菌剂、除草剂和杀虫剂等产品；在一定条件下可有效钝化土壤中的重金属、调节土壤酸碱性，进而改善土壤结构，提高酶的活性［31］。

2.8  景观化利用

园林绿化废弃物经过设计和加工处理后可用于制备各种生态景观小品，在城市景观中频频亮相。2022年北京冬奥会期间，用2万多块旧木块搭建、总用材量约12 m3的《拼搏》冰球运动员主题地景雕塑，是国内单体体量最大的利用园林废弃物等材料拼接而成的冬奥雕塑景观。北京多次举办以绿废为原料进行创作的地景艺术节，生动践行和传播了城市绿色低碳的环保理念。本杰士堆也是各大城市公园的景点之一，它将树枝和石块等堆在一起，并用当地含绿废的土壤进行填充，为小动物提供食物和住所，提升公园游览者的游赏体验［32］。由于绿废尺寸、形态和密度不一，作为建材原料在搭建户外景观产品时需要重点考虑结构的安全稳定性，如抗风载、耐自然老化等，尤其是大型景观。

3  建议和展望

近年来，园林绿化废弃物的处置利用取得了积极进展，但仍面临着回收储运困难、缺少新装备、产品附加值低等问题，建议从政策、回收技术、分类处理、新设备研发、循环利用体系、产品技术规程与标准六个方面进一步努力提升绿废资源化利用水平和科学处置利用成效。

3.1  加强绿废规范处理的政策引导

各地政府部门应加大绿废循环利用理念宣传力度，给予相关加工处理企业一定的政策扶持，对于低碳排放的企业，给予表彰以及更大的扶持力度，制定完善的行业标准；对当地园林绿化废弃物的种类、产量、产生季节进行登记造册；明确责任主体，进一步明确林业、园林、城建、绿化与环保等部门的职责范围，秉持“谁产生，谁负责”的原则；制定更为完善的法律法规，严格将其与生活垃圾、工业垃圾区别开，并根据原料的特点选择合适的处理方式。

3.2  完善绿废回收技术体系并深化资源特性研究

园林绿化废弃物具有分散、体积大等特点，各地区应根据实际情况设置专门的收集点并进行集中处理。在源头有条件时按照树叶、草屑、碎片等不同类型进行分类收集；实行减量化处理，如枝桠材可进行粉碎等预处理，树叶、草屑等可压缩处理，减小空间以降低成本。另外，需要进一步研究不同区域的园林绿化废弃物资源特性，因时制宜、因地制宜，探索适合的资源化利用途径。

3.3  加强基于资源特性的园林废弃物高效利用技术研发

园林绿化废弃物不仅包含低密度、高含水率、易腐熟的落叶、草坪修剪物等，而且也包含高密度、高热值的乔木等木质原料。基于不同原料的特点，分地域、分季节进行处理，对于分散、面积小的绿地可使用移动式粉碎机进行就地处理；对于大面积绿地可进行集中收集、统一处理的方法；收集周期和频率按季节适时做出调整，例如在夏、秋两季可适当增加收集次数。同时加大资金投入，探求新的低能耗、低排放的生物质能-碳捕集与封存技术（BECCS），逐步提升技术水平，制备高附加值产品。同时在园林绿化废弃物利用过程中加强无害化环保处理，如堆肥产生的甲烷气体、沼液处理等，实现低碳转化、避免二次污染。

3.4  强化园林废弃物绿色低碳资源化利用新装备的研发

目前，园林绿化废弃物处置利用专业设备相对缺乏，特别是缺少高效收运和资源化利用设备。一方面是专业修剪车、打捆机以及移动粉碎车等预处理设备应用不足，绝大部分城市缺乏相应的专业收储运等设备。另一方面，园林绿化废弃物高效资源化利用设备，如超细粉碎机、堆肥腐熟翻滚设备、连续清洁热解炭化设备等相对缺乏。园林绿化废弃物绿色低碳资源化利用的新装备较为欠缺，如绿废堆肥副产物气体的收集系统、绿废太阳能干燥预处理设备、绿废全组分清洁转化设备等。建议针对绿废资源特点，积极研发集高效收运和移动粉碎于一体的原料预处理设备，以及高效资源化、多元化利用专业设备，并尽快实现产业化和规模化利用。

3.5  构建多元化园林废弃物循环利用技术体系

园林绿化废弃物来源广泛、种类多样，应根据原料特点采取就地利用和集中处理等模式，进而构建多元化利用途径。对于树叶与草本类废弃物即可直接还田利用，也可经堆肥处理制备有机肥料等产品，木质类废弃物可用于制备板材或生产木塑产品等。当前园林绿化废弃物规模化利用技术单一、缺乏创新性，还应加强其他高附加值产品利用技术的研发，如热解技术、生产沼气、液体乙醇等，并强化绿废处置利用全过程链条技术的耦合，真正实现绿废原料的高效多元化循环利用。

3.6  完善园林废弃物利用技术规程与产品标准体系

由于原料的多样性、复杂性，技术、设备存在的差异性，在生产过程中往往缺乏统一的规范、标准，使得产品质量良莠不齐。因而各地应加强政策引导与扶持力度，制定统一的技术规程与产品标准。政府相关部门也应制定与产品生产相匹配的双碳标准，在保证节能减排的同时寻求规模生产的技术体系，助力实现园林绿化废弃物减量化、无害化、资源化的利用目标。

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