生活垃圾處理的碳排放和減排策略

1、2期李歡等：生活垃圾處理的碳押放和減捋策略#生活垃圾處理的碳排放和減排策略李 歡二金宜英：李洋洋2(1 清華大學(xué)深圳研究生院，廣東深圳518055： 2清華大學(xué)壞境學(xué)院，北京100084)利用質(zhì)平徽模巾在孩算生活垃圾處理技術(shù)序持放的菇礎(chǔ)上通過(guò)低饌化稈度評(píng)價(jià)方法建立了面何不同層次需求的生活垃圾低破 化第略.研允結(jié)果屜詠廚垃圾產(chǎn)用利用生活垃圾境坪氣收集利用和關(guān)燒發(fā)電的低戰(zhàn)化丹度最島分別為93.7%. 75.3%和71.0%在不具 備匕述處理?xiàng)l件的地X.珂以采用準(zhǔn)好但填堆.或金填埠2而進(jìn)行好氣診定険處幵實(shí)fleWM/I.M低礁化桎度分別為61.8%和56.7%.根據(jù)日 前生活垃圾的處用侑況估算我W毎

2、年生活垃圾處形成甲烷扌放超過(guò)600萬(wàn)J總破搏放約15億C而通過(guò)實(shí)施低欲化處理策 略.2015年甲烷JI放吋械少至釣500萬(wàn)匚總破排放廉少至1.3億I.關(guān)僅詞生活燉圾；填埠；焚燒I曦排放中圖分類號(hào)，X705文敵標(biāo)識(shí)碼：A文章第號(hào):1000-6923(2011)02 0250-06Carbon embsion nd its reduction strategies during municipal solid waste treatment LI Huanpt JIN Yi-ying2, LI Yang-yang2 (1 .Graduate School at Shenzhen, Tsinghua

3、 University, Shenzhen 518055, China： 2.School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China). China Environmental Science. 2011,31(2)： 259-264Abstracts Based on the calculation of carbon emission from municipal solid waste (MSW) treatment processes by using the mass balance model, a low

4、-carbon strategy for MSW management was established by evaluating the relatively low-carbon degree of these processes Restaurant garbage digestion for methane production, MSW landfill for gas utilization, and incineration for power production had the lowest carbon emission with low-carbon degrees of

5、 93.7%. 75.3% and 71.0%t respectively. In areas where the above technologies were limited, semi-aerobic landfill and landfill with an aerobic stabilization pretreatment were also effective for carbon emission reduction, and their low-carbon degrees were 61.8% and 56.7%, respectively. According to th

6、e present MSW treatment status in China, it was estimated that the CH< emission was above 6 million tons and the total carbon emission was about 150 million tons per year from MSW treatment. With the implementation of the low-carbon management strategy, in 2015, the CH4 emission and the total car

7、bon emission could be reduced to approximately 5 million tons and 130 million tons, respectivelyKey words： municipal solid waste (MSW)： landfill： incineration： carbon emission2期李歡等：生活垃圾處理的碳押放和減捋策略#2期李歡等：生活垃圾處理的碳押放和減捋策略263生活垃圾(MSW)等城市固體廢棄物在處理 過(guò)程中的碳排放是溫電氣體的亜要來(lái)源.為制定 具針對(duì)性的生活垃圾碳減排策略,國(guó)內(nèi)外學(xué)者研 究了填埋"叭焚燒等

8、不同處理方式的碳排放規(guī) 律，并分別采用生命周期評(píng)價(jià)方法(LCA)®叭聯(lián) 合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)的推 薦方法卩創(chuàng)，以及基于清潔發(fā)展機(jī)制(CDM)的核 算方法”乃,對(duì)生活垃圾處理技術(shù)以及整個(gè)處理 系統(tǒng)進(jìn)行碳排放分析，并以此提出行Z有效的措 施,如恰當(dāng)?shù)姆诸愊到y(tǒng)叫 改進(jìn)的工藝技術(shù)叫 優(yōu) 化的工藝流程等如何從宏觀角度建立生活垃圾管理系統(tǒng)的 低碳化處理策略，是減少生活垃圾處理碳排放面 臨的璇要問(wèn)題相對(duì)中國(guó)氣候變化初始國(guó)家信息 通報(bào)的1994年數(shù)據(jù)I叫冃前我國(guó)的生活垃圾處 理發(fā)生了巨大變化.作者采用IPCC的質(zhì)僦平衡 方法以),分析了我國(guó)冃前主要的及正在快速發(fā)展 的生活垃圾處理

9、技術(shù)的碳減排潛力，初步建立低 碳化的生活垃圾處理策略,并對(duì)我國(guó)生活垃圾處 理的碳排放情影進(jìn)行分析.1研究方法收稿日期，20I0 07-07金項(xiàng)目*國(guó)家十r.K"科枝支搏計(jì)劃“m(2009BAC64B06)；n： 蘇竹科技計(jì)劃X«tl(BE20086ll)賈任作疔講 W. sunpace1.1研究邊界從長(zhǎng)期全球碳平衡的角度，生物質(zhì)碳的釋放 并不增加大氣碳含殳，因此在核算不同情形碳排 放時(shí)，生物質(zhì)降解或熒燒產(chǎn)生的C6未被IPCC要 求計(jì)入碳持放總蛾，但要求在報(bào)告中列出.對(duì)于生 物質(zhì)而言,不同處理技采所產(chǎn)生的實(shí)際CO2排放 量有較大區(qū)別，如污泥堆肥法相對(duì)于焚燒處理而 言,大部分污

10、泥碳元素沒(méi)有形成CO2排放,而是進(jìn) 入到堆肥產(chǎn)品中，經(jīng)施用后大部分仍保持生物質(zhì) 碳狀態(tài)(如土壤牖殖質(zhì)),而不是釋放到大氣中.而 生物質(zhì)碳焚燒后集中生成的CO2將會(huì)經(jīng)過(guò)數(shù)十年 乃至匕百年才能重新匯集到生物體內(nèi)，因此堆肥 過(guò)程在一定時(shí)期內(nèi)起到了碳固定作用.本研究中 既包括生活垃圾中非生物質(zhì)處理過(guò)程的碳排放, 也包括餐耐垃圾等生物質(zhì)處理過(guò)程的CQ排放, 同時(shí)考虔處理過(guò)程輸出能雖產(chǎn)生的減排效應(yīng).1.2評(píng)價(jià)方法為了便于對(duì)不同處理技術(shù)進(jìn)行比較，參考資 源化處理率等指標(biāo)，建立低碳化程度(Due)指標(biāo). 采用厭氧垃埋的最大可能碳排放(£«)作為比牧 基準(zhǔn)，處理技術(shù)的綜合碳排放(E)包括CH

11、。和CO2 排放(氏)并扣除碳減推效應(yīng)(Er)PLCmw-yEnux其中：E=ElEr(1)2常用處理技術(shù)的碳排放分析2.1生活垃圾衛(wèi)生填埋生活垃圾厭氧填埋過(guò)程中，無(wú)甲烷收集處理 的情況下,其碳排放達(dá)到最大,CH4和CO：排放量 分別為：£ch< =FFDCKDOCrMCFFx(I6/12) £co, =fFDCX： DOCf(l-MCF/0x(44/12) 式中,爐為生活垃圾質(zhì)量;DOC為可降解有機(jī)碳, 可根據(jù)生活垃圾各組分的可降解碳含呈的加權(quán) 平均值來(lái)計(jì)算(IPCC推薦東亞國(guó)家缺省值為 14%);DOCf為實(shí)際分解的可降解有機(jī)碳比例，取 IPCC推薦值50%;MC

12、F為甲烷氧化因子,厭氧填 埋場(chǎng)為100%,準(zhǔn)好氧填埋場(chǎng)存在半有氧壞境，產(chǎn) 生的CH4較少；F為填埋氣中CH4體枳比例, IPCC推薦值50%;(16/12)為CHVC分子最比 率;(44/為COz/C分子量比率.將式(2)和式(3)相加,1 t CH4的百年全球變 暖趨勢(shì)(GWP)按2it C02計(jì),代入相關(guān)參數(shù)，最大 可能碳排放(C02當(dāng)和為：相對(duì)于厭氧填埋場(chǎng)的最大可能碳排放，還存 在幾種影響填埋場(chǎng)碳排放的閑素.2.1.1準(zhǔn)好氧填埋準(zhǔn)好氧填埠場(chǎng)地表層、集 水管附近、立渠或排氣設(shè)施左右部分成為好氧狀 態(tài)，而空氣接近不了的填埋層中央部分等則成為 厭氧狀態(tài)甲烷在填埋氣中的比例為10 20%吧按試和

13、式(3)、代入相關(guān)參數(shù)(MCF-0.5, F=0.2)可以得到：% =0009Eg、=O231W2.1.2甲烷燃燒CH。收集后可噴焰燃燒，對(duì)于 大型厭氧填埋場(chǎng)而言，填埋氣收集系統(tǒng)的集氣效 率在30%-80%Z間，雨密封較好的現(xiàn)代化衛(wèi)生 填埋場(chǎng)可達(dá)80%叫這里采用80%的集氣效率, 而其中甲烷全部燃燒根據(jù)式(2)和式(3),碳排放 變?yōu)椋篍g =DOCDOCf MCFFx( 16/12)x20%=0.009W(4)Eg =DOCDOCfMCFFx80%x(44/12) +爐DOCDOC( 1 -MCF町 x(44/12) =0.23W (5) 2.1.3填埋氣發(fā)電CH?？梢约兓紵l(fā)電，從 而實(shí)

14、現(xiàn)碳減排.沼氣發(fā)電效率一般在 1.682.00kW h/m川 7),大約 o.2kg CH< 可回收 lkWh電能冋.中國(guó)主要火電企業(yè)發(fā)電的單位 CO2排放最為0.77.8kg/kW h左右I咧，這里及下 文均取0.8kg/kWh,因此lkg CH。發(fā)電口J減少燃 煤CO?排放4kg.當(dāng)80%填埋氣被收集發(fā)電時(shí)，減 排最為：£R=FK-DOC DOCrMCF Fx( 16/12) «80%x4=0.149(6)2.2生活垃圾焚燒發(fā)電的碳排放生活垃圾燃燒產(chǎn)生的碳排放為：Eg =IFCFOFx(44/I2)=0.561 W(7) 式中，CF為生活垃圾可燃碳含就相對(duì)于DOC

15、, 主要多了橡蜩中的談，根據(jù)近年我國(guó)生活垃圾中 像刻含童平均水平7%12%【20),以及1PCC推薦 的橡塑含碳儀6775%,則橡蜩組分所含碳約 占垃圾總璽的4%9%,這電取4%,即CF取 18%;0F為氧化因子，考慮到我國(guó)焚燒混合垃圾 以及焚燒技術(shù)水平,這里取85%】.生活垃圾焚燒發(fā)電承受垃圾熱值、處理設(shè) 施、焚燒工況、輔助燃料等因索的影響我國(guó)部 分焚燒廠的單位垃圾發(fā)電疑和自用電比例如表 1所示,可以看出單位垃圾發(fā)電最在0.2T.4 kW JVkg Z間,本文按O.3kW4Vkg計(jì)算.則焚燒 lkg垃圾相當(dāng)于減排0.24kg CO2生活垃圾焚燒 發(fā)電替代燃煤的減排效果為Er=0.24 爐&#

16、171;1我國(guó)部分焚燒廠發(fā)電悄況Table 1 Some MSW-to-Energy plants in China所卞地處 ff.we* (i/d)小位垃圾發(fā)電白川比例電債(kWh/t)比例()上海浦東100036522上海江橋180030028寧波尊潰150036120¥慶同興120022725吸慶北硝14S022625常熟900254100020620息州8002402.3生活垃圾好氧堆肥2.3.1堆肥本身的碳排放 以釆用強(qiáng)制通風(fēng)的 靜態(tài)好氧堆肥為例，生活垃圾中大部分DOC轉(zhuǎn) 化為CO2和微生物機(jī)體.堆肥處理過(guò)程產(chǎn)生的碳 推放為：Eco> =FFDOCDOCfx(44/1

17、2)=0334 (8) 式中,考慮堆肥完全腐熟后DOC分解率超過(guò) 99.5%汽碳在堆肥過(guò)程中約2/3轉(zhuǎn)換為CO?,其 余1/3用于細(xì)胞合成®),DOCf取0.65.2.3.2好氧發(fā)傅用于填埠前預(yù)處理好氧發(fā) 酵還可以作為厭氧填埋的穩(wěn)定化預(yù)處理手段. 生活垃圾DOC大部分在短期好氧發(fā)M過(guò)程中 分解(DOCf取0.5),殘余有機(jī)質(zhì)主要是降解緩慢 的有機(jī)物，在填埋場(chǎng)內(nèi)厭氧分解的DOC比例較 低(DOCf取0.1)M).根據(jù)式，堆肥預(yù)處理的碳 排放為：Eco, =0.2650設(shè) DOC=14%tDOCH),MCF=I尸=0.5,代入 式(2)和式(3),填埋過(guò)程碳排放為：ECHa =0.009

18、 IF Eg =0.026 W i2.4餐耐垃圾厭氧發(fā)酵由于我國(guó)混合垃圾中含有大疑餐廚垃圾，含 水率和含鹽呈很高,嚴(yán)璽影響后續(xù)焚燒或填埋處 理，因此近年來(lái)餐廚垃圾的單獨(dú)收運(yùn)處理獲得了 迅速發(fā)展，這里以厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼利用為例.厭氧分 解會(huì)將大部分DOC轉(zhuǎn)化為CH。和CO2,K中CH4 含量在50%55%Z間,CH4最終燃燒轉(zhuǎn)化為CO2. 代入相關(guān)參數(shù)(DOC = 7%l25,DOCf=0.5),甲烷燃 燒后形成的總碳排放為Eco> =IFDOCDOCfX(44/12)=028W (9) 代入 DOC=7%,DOCf=0.5,MCF=l尸=0.5,甲 烷發(fā)電替代燃煤導(dǎo)致的碳減排量為：ER=JF

19、DOCDOCrMCFFx(16/12)x4=C.093IF (10) 消化殘?jiān)梢宰鳛榉柿洗娌糠只?，但?料應(yīng)用存在很大的不確定性，暫不考堆其影響. 2.5不同處理技術(shù)的比較上述計(jì)算基于處理技術(shù)的一般情況，對(duì)于具 體項(xiàng)冃而言，各種參數(shù)會(huì)略有不同,可依據(jù)上述公 式進(jìn)行調(diào)整根據(jù)計(jì)算結(jié)果,不同處理技術(shù)的碳排 放悄況如表2所示.可以看出，餐常垃圾厭氧發(fā)酵 產(chǎn)沼利用、填埋氣收集利用、好氣堆肥和焚燒發(fā) 電,碳化程度最高它們實(shí)際匕具有雙重減排效應(yīng), 即減少垃圾填埋產(chǎn)生的CH4排放和減少使用化 石燃料產(chǎn)生的CO?排放，因此是值得推廣的首選 減排技術(shù).3低碳化處理策略和愣形分析隨考生活垃圾處理需求的不斷改變

20、，其處 理策略從無(wú)害化、減床化、資源化到低碳化，層 次不斷提高.這些層次并不是截然分開的，它們從低到高逐步過(guò)渡并共同構(gòu)成?；罾奶幚?策略根據(jù)表1的分析結(jié)果，要實(shí)現(xiàn)生活垃圾的 低碳化管理.首先應(yīng)考察是否適合采用干濕垃 圾分開的收集模式，單獨(dú)處理餐耐垃圾不僅可 以減少碳排放，還可以大幅減輕后續(xù)處理負(fù)擔(dān) 和難度然后進(jìn)一步考察混合垃圾焚燒發(fā)電的 可能性如需填埋處理，應(yīng)盡審使生活垃圾進(jìn)入 有完善管理和沼氣收集利用設(shè)施的填埋場(chǎng).如 填埋場(chǎng)產(chǎn)氣不穩(wěn)定或無(wú)完善的沼氣收集系統(tǒng), 可以將填埋場(chǎng)改造成準(zhǔn)好氧填埋場(chǎng)，或者在生 活垃圾填埋前，進(jìn)行好氧穩(wěn)定預(yù)處理，減少填埋 過(guò)程的甲烷和滲濾液排放.2期李歡等：生活垃圾

21、處理的碳押放和減捋策略#2期李歡等：生活垃圾處理的碳押放和減捋策略#表2生活垃圾處理過(guò)程的碳排放和彳氐碳化程度Table 2 The carbon emission and low-carbon degree of MSW treatment technologies項(xiàng)目CHli(kg/kg)CO：(kg/kg)CO?為歆 (kg/kg)(kg/kg)Ar (%)餐射垃圾厭魚產(chǎn)沼發(fā)電0.1280.1280.09393.7填坪*沼代發(fā)電0.0090.2340.4230.149753熒燒發(fā)電0.5610.5610.24071.0好Wff肥0.3340.33469.9填埠+沼氣燃燒0.0090.23

22、40.42361.8準(zhǔn)好氧填埠0.0090.2340.42361.8好氯f(wàn)*處理+填埋0.0090.2910.48056.7厭輒垃坤0.0470.1281.1080注:餐謝垃圾厭氣產(chǎn)沼發(fā)電的低確化基于餐射燉圾慶魚填埋依IK式和式（3）.其匚.為0.554kg C6肖Gbkg垃物;CO：謝卜最為發(fā)電相應(yīng)魅煤的CQ排放2期李歡等：生活垃圾處理的碳押放和減捋策略#2期李歡等：生活垃圾處理的碳押放和減捋策略265>3不同生活垃圾處理模式對(duì)硃排放的影響Table 3 The effect of MSW management modes on the carbon emission from MSW

23、 treatment處理方式-現(xiàn)狀I(lǐng)f放山（力1）2015%優(yōu)化tfi形”放（力l）ftJYlCH4C6 d總搏放處理金CH4CO：總放用代利用必42149963120160014374238430填厭氧填舞80033761024892064003018197140埋椎好IV好但預(yù) 處理等6406150276黃燒發(fā)電1570881377504320017957681027堆肥1745858產(chǎn)羽發(fā)電16020)55未無(wú)害化處理m5131248675588340001885124460其他139介計(jì)15438628273744015485160005093670102!13338注：處理最情況來(lái)自

24、國(guó)家統(tǒng)計(jì)局的壞境統(tǒng)it數(shù)據(jù)2008少uw&wew兒I廉填坪場(chǎng)采?。浩顨饫妹┗菧p"模式按總填坪盤 的5%計(jì);uwaw的放相對(duì)于厭氧覽埠牧少這里儕按厭魚填埋計(jì)算嚴(yán)除境埠.黃燒.堆記外的其他處理方式所占比佛不到 !%.*»放忽略不計(jì)隨著低碳化策略在實(shí)踐中的應(yīng)用以及我國(guó)相關(guān)政策的推動(dòng)，可以預(yù)計(jì)餐廚垃圾的資源化處根據(jù)同述公式，可以推算我國(guó)冃前生活垃圾 處理過(guò)程的碳排放情況（表3中現(xiàn)狀部分），每年 CH4井放約600多萬(wàn)t,CO2排放約2650 ）訂血填埋氣利用和焚燒發(fā)電是主要碳減排方式，但總量 相對(duì)很少，因此總碳排放達(dá)到1.5億J約占我國(guó)碳 排放（2004年為61億嚴(yán)的2%

25、.理、生活垃圾的焚燒發(fā)電以及填埋氣的利用將越 來(lái)越廣泛根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局2003-2008年環(huán)境統(tǒng) 計(jì)數(shù)據(jù)我國(guó)生活垃圾總的淸運(yùn)戢變化較小，而無(wú) 害化處理率、焚燒處理比例均顯若提高,堆肥比 例持續(xù)F降，其他處理方式很少(圖1).年份圖1我國(guó)近年來(lái)生活垃圾上要處理方式變化Fig.l Variation of MSW treatment methods during recentyears in China填埋熒饒口堆肥口堆放據(jù)此推測(cè)2015年我國(guó)清運(yùn)生活垃圾吐達(dá)到 1.6億t,而無(wú)害化處理率達(dá)到75%,其中焚燒發(fā)電 處理占20%.根據(jù)國(guó)家壞境保護(hù)總局于2002年公 布的處理城市垃圾國(guó)家行動(dòng)方案，填埋氣

26、回 收利用的填埋垃圾帰比例將達(dá)到全部垃圾冊(cè)的 】0%,預(yù)計(jì)普通厭氧填埋處理占全部垃圾最的 40%,其他準(zhǔn)好氧填埋、填埋器收集燃燒、好牴 預(yù)處理等方式共占4%.我國(guó)每年餐飲垃圾產(chǎn)生 議佔(zhàn)計(jì)約3000力J而無(wú)害化處理比例不到2%, 隨著大般資源化設(shè)施的投入應(yīng)用，預(yù)計(jì)2015年單 獨(dú)處理比例達(dá)到5%,約占全部垃圾欣的1%.在這種情形下，利用詢述公式可以對(duì)我國(guó)未 來(lái)碳排放情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，如表3所示放議 將減少至500萬(wàn)t,減少最轉(zhuǎn)換為C02導(dǎo)致C02 有所增加，而曹代能源效應(yīng)產(chǎn)牛的碳減排效果也 更加明顯，達(dá)到1000萬(wàn)t,則總碳排放為1.3億t, 相對(duì)于現(xiàn)狀減排15%.這說(shuō)明，通過(guò)適當(dāng)推動(dòng)生活 垃圾填埋

27、氣利用、用氣發(fā)電和焚燒發(fā)電等低碳化 技術(shù)應(yīng)用,以及通過(guò)好氧穩(wěn)定方式減少CH。排放 后，在生活垃圾清運(yùn)駅仃所増加的悄況下,其處理 過(guò)程碳排放仍可顯著減少,從而為我國(guó)的溫室氣 體控制，建設(shè)低碳社會(huì)提供有力支持.4結(jié)論4.1相對(duì)于厭氧境埠.餐廚垃圾厭氧產(chǎn)沼利用、 填埋氣收集利用和焚燒發(fā)電低碳化程度鍛高，減 樣潛力最大.4.2低碳化策略是，在條件許可的地區(qū)開展干 濕垃圾分類收集,餐廚垃圾進(jìn)行厭氧產(chǎn)沼利用，其 次利用生活垃圾焚燒發(fā)電回收能源;而對(duì)于經(jīng)濟(jì) 相對(duì)落后的地區(qū)，建設(shè)大里填埋場(chǎng)可以設(shè)置完善 的沼氣收集利用系統(tǒng)，建設(shè)小型填埋場(chǎng)可以使用 準(zhǔn)好氧模式，或在填埋Z啊進(jìn)行好氧穩(wěn)定預(yù)處理. 4.3我國(guó)生活垃圾

28、處理碳排放約1.5億t,通過(guò)適 當(dāng)提高沼氣利用、焚燒發(fā)電和好氧穩(wěn)定處理的比 例，控制甲烷排放僦，促進(jìn)能源回收利用，就可以 使我國(guó)2015年在生活垃圾無(wú)害化處理疑顯著增 加的情況下，碳排放大幅減少15%.參考文獻(xiàn)：(|) *賢,何品晶.邵立朗.等.生物質(zhì)組成矩#對(duì)生活垃圾厭氧產(chǎn) 甲烷化的彫響卩).中M環(huán)境科學(xué),2008,28(8):730-735.2 邵立期.仲胡杠.張后虎.竽4：活垃圾填埋場(chǎng)祚St于CM釋放及 重響因耒卩)環(huán)境科學(xué)研究,200922():83-88.3 足理.陳1珍.劉光字.等坨圾第化學(xué)轉(zhuǎn)化利用過(guò)程中礦排放 的購(gòu)沖計(jì)算方法卩).壞境科學(xué)學(xué)報(bào).2O1(U(X8):I634-I64

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