双碳背景下城市生活垃圾处理过程

作者简介：宋俊成（1995.07-），男，汉族，河北唐山人，硕士，科研员，研究方向：城市固废处理。

摘 要：随着全球垃圾产生量的快速增长，城市生活垃圾处理过程产生的温室气体排放逐渐成为城乡建设领域温室气体排放的重要人为来源之一。因此，亟需探索城市生活垃圾处理行业的温室气体减排路径，为城市生活垃圾处理行业的绿色化、低碳化发展提供支撑和保障。本文在分析生活垃圾资源化利用过程中甲烷产生情况的基础上，对甲烷控制和处理技术进行了综述，为降低生活垃圾处理过程中的甲烷排放，提高生活垃圾资源化利用率提供参考。

关键词：碳减排；生活垃圾；甲烷；资源化利用

1 前言

伴随着城市化发展步伐的快速推进和居民生活质量的持续提高，我国城市生活垃圾的产生量稳步增长，生活垃圾处理过程中甲烷气体排放量也逐步增加。为进一步落实我国“双碳”任务目标，需要更加重视生活垃圾处理过程中甲烷气体的资源化利用，保证利用效率最大化，真正达到保护社会环境以及构建绿色城市的目标。

2我国生活垃圾处理甲烷排放情况

2.1我国生活垃圾产生与处理现状

目前我国垃圾无害化处理的主要手段有卫生填埋、焚烧及生化处理方式。根据《中国统计年鉴2023》统计数据显示，2022年我国的城市生活垃圾无害化处理总量约2.44亿吨，包括卫生填埋0.3亿吨，焚烧处理1.95亿吨，生化处理0.19亿吨，生活垃圾无害化处理率约99.9％[1]。

2.2生活垃圾处理过程中的甲烷产生情况

甲烷是最简单的碳氢化合有机物，是天然气、沼气和垃圾填埋气的主要成分。除自然产生外，人类活动是甲烷产生的最大来源，其中固废处理是继农业生产、能源生产之后主要甲烷产生领域之一。近年来，伴随中国国民生活水平的日益提升，以及城市生活垃圾处理量的快速增长，城市生活垃圾产生的甲烷如不通过合理途径回收处置，无序排放，将会对环境和人民生命安全造成极大危害。甲烷减排成功与否已经直接影响到大气温升速度控制，对改善地区环境质量有重要的协同作用。

2.2.1填埋处理的甲烷产生情况

生活垃圾填埋处理过程是甲烷排放的重要渠道，大约占人类活动甲烷总排放量的12％，是全球第三大的CH4排放源[2]。在填埋处置的初始阶段，产气主要为CO2，随着填埋时间的增加，CH4产气量也逐渐上升，通常在1至3年后达到较高水平，并在填埋场封场后逐渐随着封场年数的增加而减少[3]。王敏等[4]研究发现，垃圾组分、有机质比例、含水率、气候条件和PH等因素是影响甲烷产生的重要因素；聂发辉等[5]、王晓琳等[6]针对甲烷好氧氧化和厌氧发酵机理进行了深入研究，研究表明垃圾填埋场表面覆土具有甲烷氧化能力，使得甲烷的排放量大幅下降。

2.2.2焚烧处理的甲烷产生情况

在生活垃圾焚烧厂的生产过程中，甲烷产生量较低，主要来自垃圾渗沥液处理过程。目前，我国生活垃圾焚烧厂渗沥液处理工艺组合通常采用厌氧+好氧+膜法工艺组合，在厌氧发酵阶段，渗沥液在厌氧环境下，通过厌氧微生物的作用，使有机物经历水解、酸化、产气等步骤，生成甲烷气体。生活垃圾焚烧厂产生的甲烷气体主要被用于其他工艺生产阶段，以实现资源化利用和环保达标排放。

2.2.3生化处理的甲烷产生情况

生化处理主要分为好氧堆肥和厌氧发酵两种工艺路线，其中好氧堆肥处理过程中甲烷气体产生主要集中在微生物分解有机物环节，但产生量较低。而厌氧发酵时则会产生大量的甲烷气体。厨余垃圾浆料中的有机物

在隔绝空气并保持一定的水分、温度、酸碱度等环境温度的条件下，经过多种微生物的分解能够产生大量沼气，其中的甲烷含量能够达到40％，如果厌氧发酵产气稳定并将其进行资源化利用，则具有显著的碳减排效益。

3生活垃圾处理过程甲烷排放核算方法

3.1IPCC指南

2006年，联合国政府间气候变化委员会（IPCC）发布了《IPCC 2006年国家温室气体清单指南》（简称“IPCC 2006”）。指南第二章第五卷《废物产生、成分和管理数据》专门探讨了生活垃圾不同处理工艺过程中的排放因子计算方法，这套计算方法是目前国际上使用最为广泛的CH4排放核算方法。2019年5月12日，IPCC通过了《IPCC 2006年国家温室气体清单2019修订版》（简称“IPCC 2019”），此次修订对温室气体排放量的估算方法进行了进一步优化。方法中补充考虑了不同固体废物成分的可降解有机碳值。同时在填埋过程温室气体排放量的计算过程中，另外增加了垃圾填埋场CH4排放的一阶衰减方法，并提供了相对应的排放因子。其主要计算公式见下式：

CH4排放=■CH■产生■-R■·（1-OX■）

其中：CH4排放为T年排放的CH4，单位为Gg;T为清单年份;x为废弃物类别或类型/材料;RT为T年回收的CH4，单位为Gg;OXT为T年的氧化因子。

相比IPCC 2006，IPCC 2019可以更加精确地计算填埋场温室气体排放量。但是由于我国经济发展的地域性差异以及各地垃圾性质差异等原因，IPCC 2019仍无法准确计算出我国的生活垃圾处理过程碳排放水平。

3.2 LCA模型

全生命周期评估模型（LCA模型）能够计算垃圾处理全过程中的碳排放，或用于估算某个项目（企业）、一个地区或者一个国家尺度的碳排放。但由于原始数据的缺失、缺省值与实际情况的差异、系统边界条件的不一致性或不确定性，都可能导致核算结果的不同。因此，LCA法并不适合权威的核算方法，通常需要结合IPCC国家清单数据和城市生活垃圾管理行业数据库等进行使用。

3.3CMD法

CDM法是指《<气候变化公约>京都议定书》框架下的一种灵活履约机制之一，该机制通过审核CDM项目的执行情况以追踪温室气体的实际排放数据，在此基础上对基准排放线相对降低的排放进行计算，并在扣除可能的泄漏情况后，得到“核证减排量”（CERs）。废弃物处置属于CDM项目中重要的一类，对于垃圾处理项目，CDM执行委员会提供了许多适用的操作指南，如ACM0001（填埋气体回收利用项目）、ACM0022（替代废物处理工艺）等。主要计算公式见下式：

ERy=BEy-PEy-Ly

式中：ERy为y年研究项目的碳减排量（tCO2eq）；BEy为y年基准线碳排放量（tCO2eq）；PEy为y年研究项目的碳排放量（tCO2eq）；Ly为y年研究项目的碳泄漏排放量（tCO2eq）。

此方法适用于固体废物的填埋、焚烧和生物处理等过程中温室气体减排量的计算。但由于其重点在于基准情况和实际情况下的减排量，以对比为主。因此只能为城市生活垃圾处理行业温室气体减排量核算提供指导，并不能客观核算和评价处理设施在核算周期内的温室气体排放量。

4生活垃圾处理过程中的甲烷控制与利用技术

4.1火炬燃烧技术

沼气火炬燃烧技术即将生活垃圾处理设施生产过程中产生的沼气通过管道输送至火炬进行直接燃烧。这种处理方式虽然能满足安全处理及环保排放的要求，但沼气未经过资源化利用，经济效益较低，因此沼气火炬燃烧技术一般应用于沼气产生不稳定、产量较低的小型生活垃圾处理设施，或者作为沼气应急处理设施，在产气量过大或者设备检修等情况时应急使用。

4.2沼气锅炉利用技术

部分生活垃圾处理设施配备了沼气锅炉，生活垃圾处理过程中产生的沼气经管道输送至沼气锅炉中燃烧，将生物质能转化为热能。通过此种方式产生的热水和蒸汽可用于生活垃圾处理过程中的加热加温环境，或者厂区冬季供暖，降低能源消耗。

4.3沼气发电技术

沼气发电是生物质能源发电的主要方式之一，此项技术在生活垃圾处理领域已经有较为成熟的工艺流程和成套设备。主要工艺流程为生活垃圾填埋及生化处理项目产生的沼气，首先经过预处理，脱除其中的硫化物、水分以及其他杂质，进入储存气柜稳压后，送入沼气发电机组进行发电作业，将生物质能先转化为热能再转化为电能，后端通过设置余热锅炉系统回收余热，供厂内其他生产活动使用，实现能源的梯次利用。

4.4沼气入炉掺烧技术

随着近年来对沼气入炉掺烧技术的不断进步与优化，其技术上的安全性和稳定性已经基本成熟。生活垃圾焚烧厂产生的沼气先经历脱水、过滤等预处理工序，然后通过罗茨风机增压并输送至沼气燃烧装置，最终喷至生活垃圾焚烧炉进行燃烧，用作生活垃圾焚烧过程中的辅助燃料提升焚烧热值，从而降低焚烧炉所需辅助燃料的用量。沼气入炉掺烧具有资源化程度高、改善炉膛燃烧、系统稳定、维护成本低等优势。

4.5甲烷重整制氢技术

甲烷重整技术在国外已经有百年发展历史，工艺方法相对成熟，通过将餐厨垃圾与其他有机固废合并处置产生沼气，经管路输送至除沫分离器，脱除沼气中的凝结水。沼气经脱水输送进入吸收塔，用MEA配方溶液在吸收塔内同时进行化学吸收脱硫脱碳，再经过提纯压缩以后存储作为制备氢气的原料气。原料气甲烷在催化裂解炉里发生裂解反应，生成氢气和固态碳，这一过程既实现了绿色氢能的生产，也完成了脱碳固碳，其副产物可用于生产炭黑、石墨、石墨烯等高新材料，能够提供较高的经济效益。

5结论与建议

5.1有效垃圾分类，用垃圾源头减量化实现甲烷排放减量化

甲烷是伴随垃圾处置过程产生的，而垃圾分类系统的建立是垃圾处理的基础，积极完善垃圾分类系统，加强相关宣传工作，将垃圾分类的相关知识普及到每个居民意识中就变得非常重要；同时还需要制定相关法律，对于公民需承担的相关责任和义务进行明确，规范民众行为，使得垃圾分类的相关措施可以得到很好地落实。政府相关部门应强化经济手段的应用，对垃圾处理采取必要的收费措施，利用收费来限制垃圾产生；且费用收取还可有效完善城市生活垃圾处理体系的建设，为生活垃圾的减量化、无害化、资源化处理提供资金支持。

5.2探索垃圾无害化、减量化、资源化利用先进技术，提高甲烷回收水平

减少生活垃圾甲烷排放是国家实施温室气体排放控制的目标之一。与垃圾填埋和堆肥不同，焚烧可节约土地，减少对地表水和地下水污染，回收的甲烷还能代替其他传统化石能源发电，具有“甲烷控排+替代发电”的双重碳减排效果，对国家实现碳达峰、碳中和目标起着重要的作用。在城市化加速推进、建设用地指标接近极限的情况下，垃圾焚烧已经成为一种现实选择。

5.3加强生活垃圾处理项目规划，建设生活垃圾处理产业园区

建设生活垃圾处理产业园区是生活垃圾综合利用和高效处理的重要举措，将生活垃圾焚烧、生化处理设施集中建设在同一区域内，园区内厨余垃圾和渗沥液厌氧发酵产生的沼气进入焚烧设施进行辅助燃烧，发挥协同处理优势，提高生活垃圾处理过程中的沼气收集利用效率。焚烧产生的余热能够为生化设施厌氧发酵提供余热，同时配套建设生物柴油生产等资源化企业对外输出再生资源，可以实现最大化的资源协同利用，具有很大的减排潜力。

6结论

总而言之，随着生活垃圾处理过程甲烷释放量的不断增加，对甲烷进行资源化利用，不仅符合我国的“双碳”发展目标，更符合我国可持续发展的战略要求。这就需要积极引进更加先进的理念、技术及设备，提高甲烷资源化利用效率，从而降低生活垃圾处理过程中的碳排放。

参考文献

[1]国家统计局.中国统计年鉴[J].北京：中国统计出版社，2018～2023.

[2]王琛，孙治国，付友先，等.填埋场产甲烷影响因素及减排技术研究进展 [J].山东化工，2022，51（16）：104-106+110.

[3]杨国栋，颜枫，王鹏举，等.生活垃圾处理的低碳化研究进展[J].环境工程学报，2022，16（3）：9.

[4]王敏，王里奥，刘莉.垃圾填埋场的温室气体控制 [J].重庆大学学报（自然科学版），2001（05）：142-144.

[5]聂发辉，周永希，张后虎，等.垃圾填埋场甲烷释放及氧化技术研究进展[J].环境工程技术学报，2016，6（2）：163-169.

[6]王晓琳， 曹爱新， 周传斌， 等.垃圾填埋场甲烷氧化菌及甲烷减排的研究进展[J]. 生物技术通报，2016，32（5）：16-25.