生活垃圾处理的碳排放和减排策略

1、2期李欢等：生活垃圾处理的碳押放和减捋策略#生活垃圾处理的碳排放和减排策略李 欢二金宜英：李洋洋2(1 清华大学深圳研究生院，广东深圳518055： 2清华大学坏境学院，北京100084)利用质平徽模巾在孩算生活垃圾处理技术序持放的菇础上通过低饌化稈度评价方法建立了面何不同层次需求的生活垃圾低破 化第略.研允结果屉咏厨垃圾产用利用生活垃圾境坪气收集利用和关烧发电的低戰化丹度最岛分别为93.7%. 75.3%和71.0%在不具 备匕述处理条件的地X.珂以采用准好但填堆.或金填埠2而进行好氣诊定険处幵实fleWM/I.M低礁化桎度分别为61.8%和56.7%.根据日 前生活垃圾的处用侑况估算我W毎

2、年生活垃圾处形成甲烷扌放超过600万J总破搏放约15亿C而通过实施低欲化处理策 略.2015年甲烷JI放吋械少至釣500万匚总破排放廉少至1.3亿I.关僅词生活炖圾；填埠；焚烧I曦排放中图分类号，X705文敵标识码：A文章第号: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期李欢等：生活垃圾处理的碳押放和减捋策略#2期李欢等：生活垃圾处理的碳押放和减捋策略263生活垃圾(MSW)等城市固体废弃物在处理 过程中的碳排放是温电气体的亜要来源.为制定 具针对性的生活垃圾碳减排策略,国内外学者研 究了填埋"叭焚烧等

8、不同处理方式的碳排放规 律，并分别采用生命周期评价方法(LCA)®叭联 合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)的推 荐方法卩创，以及基于清洁发展机制(CDM)的核 算方法”乃,对生活垃圾处理技术以及整个处理 系统进行碳排放分析，并以此提出行Z有效的措 施,如恰当的分类系统叫 改进的工艺技术叫 优 化的工艺流程等如何从宏观角度建立生活垃圾管理系统的 低碳化处理策略，是减少生活垃圾处理碳排放面 临的璇要问题相对中国气候变化初始国家信息 通报的1994年数据I叫冃前我国的生活垃圾处 理发生了巨大变化.作者采用IPCC的质僦平衡 方法以),分析了我国冃前主要的及正在快速发展 的生活垃圾处理

9、技术的碳减排潜力，初步建立低 碳化的生活垃圾处理策略,并对我国生活垃圾处 理的碳排放情影进行分析.1研究方法收稿日期，20I0 07-07金项目*国家十r.K"科枝支搏计划“m(2009BAC64B06)；n： 苏竹科技计划X«tl(BE20086ll)贾任作疔讲 W. sunpace1.1研究边界从长期全球碳平衡的角度，生物质碳的释放 并不增加大气碳含殳，因此在核算不同情形碳排 放时，生物质降解或荧烧产生的C6未被IPCC要 求计入碳持放总蛾，但要求在报告中列出.对于生 物质而言,不同处理技采所产生的实际CO2排放 量有较大区别，如污泥堆肥法相对于焚烧处理而 言,大部分污

10、泥碳元素没有形成CO2排放,而是进 入到堆肥产品中，经施用后大部分仍保持生物质 碳状态(如土壤牖殖质),而不是释放到大气中.而 生物质碳焚烧后集中生成的CO2将会经过数十年 乃至匕百年才能重新汇集到生物体内，因此堆肥 过程在一定时期内起到了碳固定作用.本研究中 既包括生活垃圾中非生物质处理过程的碳排放, 也包括餐耐垃圾等生物质处理过程的CQ排放, 同时考虔处理过程输出能虽产生的减排效应.1.2评价方法为了便于对不同处理技术进行比较，参考资 源化处理率等指标，建立低碳化程度(Due)指标. 采用厌氧垃埋的最大可能碳排放(£«)作为比牧 基准，处理技术的综合碳排放(E)包括CH

11、。和CO2 排放(氏)并扣除碳减推效应(Er)PLCmw-yEnux其中：E=ElEr(1)2常用处理技术的碳排放分析2.1生活垃圾卫生填埋生活垃圾厌氧填埋过程中，无甲烷收集处理 的情况下,其碳排放达到最大,CH4和CO：排放量 分别为：£ch< =FFDCKDOCrMCFFx(I6/12) £co, =fFDCX： DOCf(l-MCF/0x(44/12) 式中,炉为生活垃圾质量;DOC为可降解有机碳, 可根据生活垃圾各组分的可降解碳含呈的加权 平均值来计算(IPCC推荐东亚国家缺省值为 14%);DOCf为实际分解的可降解有机碳比例，取 IPCC推荐值50%;MC

12、F为甲烷氧化因子,厌氧填 埋场为100%,准好氧填埋场存在半有氧坏境，产 生的CH4较少；F为填埋气中CH4体枳比例, IPCC推荐值50%;(16/12)为CHVC分子最比 率;(44/为COz/C分子量比率.将式(2)和式(3)相加,1 t CH4的百年全球变 暖趋势(GWP)按2it C02计,代入相关参数，最大 可能碳排放(C02当和为：相对于厌氧填埋场的最大可能碳排放，还存 在几种影响填埋场碳排放的閑素.2.1.1准好氧填埋准好氧填埠场地表层、集 水管附近、立渠或排气设施左右部分成为好氧状 态，而空气接近不了的填埋层中央部分等则成为 厌氧状态甲烷在填埋气中的比例为10 20%吧按试和

13、式(3)、代入相关参数(MCF-0.5, F=0.2)可以得到：% =0009Eg、=O231W2.1.2甲烷燃烧CH。收集后可喷焰燃烧，对于 大型厌氧填埋场而言，填埋气收集系统的集气效 率在30%-80%Z间，雨密封较好的现代化卫生 填埋场可达80%叫这里采用80%的集气效率, 而其中甲烷全部燃烧根据式(2)和式(3),碳排放 变为：Eg =DOCDOCf MCFFx( 16/12)x20%=0.009W(4)Eg =DOCDOCfMCFFx80%x(44/12) +炉DOCDOC( 1 -MCF町 x(44/12) =0.23W (5) 2.1.3填埋气发电CH。可以纯化燃烧发电，从 而实

14、现碳减排.沼气发电效率一般在 1.682.00kW h/m川 7),大约 o.2kg CH< 可回收 lkWh电能冋.中国主要火电企业发电的单位 CO2排放最为0.77.8kg/kW h左右I咧，这里及下 文均取0.8kg/kWh,因此lkg CH。发电口J减少燃 煤CO?排放4kg.当80%填埋气被收集发电时，减 排最为：£R=FK-DOC DOCrMCF Fx( 16/12) «80%x4=0.149(6)2.2生活垃圾焚烧发电的碳排放生活垃圾燃烧产生的碳排放为：Eg =IFCFOFx(44/I2)=0.561 W(7) 式中，CF为生活垃圾可燃碳含就相对于DOC

15、, 主要多了橡蜩中的谈，根据近年我国生活垃圾中 像刻含童平均水平7%12%【20),以及1PCC推荐 的橡塑含碳儀6775%,则橡蜩组分所含碳约 占垃圾总璽的4%9%,这电取4%,即CF取 18%;0F为氧化因子，考虑到我国焚烧混合垃圾 以及焚烧技术水平,这里取85%】.生活垃圾焚烧发电承受垃圾热值、处理设 施、焚烧工况、辅助燃料等因索的影响我国部 分焚烧厂的单位垃圾发电疑和自用电比例如表 1所示,可以看出单位垃圾发电最在0.2T.4 kW JVkg Z间,本文按O.3kW4Vkg计算.则焚烧 lkg垃圾相当于减排0.24kg CO2生活垃圾焚烧 发电替代燃煤的减排效果为Er=0.24 炉&#

16、171;1我国部分焚烧厂发电悄况Table 1 Some MSW-to-Energy plants in China所卞地处 ff.we* (i/d)小位垃圾发电白川比例电債(kWh/t)比例()上海浦东100036522上海江桥180030028宁波尊潰150036120¥庆同兴120022725吸庆北硝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 以釆用强制通风的 静态好氧堆肥为例，生活垃圾中大部分DOC转 化为CO2和微生物机体.堆肥处理过程产生的碳 推放为：Eco> =FFDOCDOCfx(44/1

17、2)=0334 (8) 式中,考虑堆肥完全腐熟后DOC分解率超过 99.5%汽碳在堆肥过程中约2/3转换为CO?,其 余1/3用于细胞合成®),DOCf取0.65.2.3.2好氧发傅用于填埠前预处理好氧发 酵还可以作为厌氧填埋的稳定化预处理手段. 生活垃圾DOC大部分在短期好氧发M过程中 分解(DOCf取0.5),残余有机质主要是降解缓慢 的有机物，在填埋场内厌氧分解的DOC比例较 低(DOCf取0.1)M).根据式，堆肥预处理的碳 排放为：Eco, =0.2650设 DOC=14%tDOCH),MCF=I尸=0.5,代入 式(2)和式(3),填埋过程碳排放为：ECHa =0.009

18、 IF Eg =0.026 W i2.4餐耐垃圾厌氧发酵由于我国混合垃圾中含有大疑餐厨垃圾，含 水率和含盐呈很高,严璽影响后续焚烧或填埋处 理，因此近年来餐厨垃圾的单独收运处理获得了 迅速发展，这里以厌氧发酵产沼利用为例.厌氧分 解会将大部分DOC转化为CH。和CO2,K中CH4 含量在50%55%Z间,CH4最终燃烧转化为CO2. 代入相关参数(DOC = 7%l25,DOCf=0.5),甲烷燃 烧后形成的总碳排放为Eco> =IFDOCDOCfX(44/12)=028W (9) 代入 DOC=7%,DOCf=0.5,MCF=l尸=0.5,甲 烷发电替代燃煤导致的碳减排量为：ER=JF

19、DOCDOCrMCFFx(16/12)x4=C.093IF (10) 消化残渣可以作为肥料代替部分化肥，但肥 料应用存在很大的不确定性，暂不考堆其影响. 2.5不同处理技术的比较上述计算基于处理技术的一般情况，对于具 体项冃而言，各种参数会略有不同,可依据上述公 式进行调整根据计算结果,不同处理技术的碳排 放悄况如表2所示.可以看出，餐常垃圾厌氧发酵 产沼利用、填埋气收集利用、好氣堆肥和焚烧发 电,碳化程度最高它们实际匕具有双重减排效应, 即减少垃圾填埋产生的CH4排放和减少使用化 石燃料产生的CO?排放，因此是值得推广的首选 减排技术.3低碳化处理策略和愣形分析随考生活垃圾处理需求的不断改变

20、，其处 理策略从无害化、减床化、资源化到低碳化，层 次不断提高.这些层次并不是截然分开的，它们从低到高逐步过渡并共同构成牛活垃圾的处理 策略根据表1的分析结果，要实现生活垃圾的 低碳化管理.首先应考察是否适合采用干湿垃 圾分开的收集模式，单独处理餐耐垃圾不仅可 以减少碳排放，还可以大幅减轻后续处理负担 和难度然后进一步考察混合垃圾焚烧发电的 可能性如需填埋处理，应尽审使生活垃圾进入 有完善管理和沼气收集利用设施的填埋场.如 填埋场产气不稳定或无完善的沼气收集系统, 可以将填埋场改造成准好氧填埋场，或者在生 活垃圾填埋前，进行好氧稳定预处理，减少填埋 过程的甲烷和渗滤液排放.2期李欢等：生活垃圾

21、处理的碳押放和减捋策略#2期李欢等：生活垃圾处理的碳押放和减捋策略#表2生活垃圾处理过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項目CHli(kg/kg)CO：(kg/kg)CO?为歆 (kg/kg)(kg/kg)Ar (%)餐射垃圾厌魚产沼发电0.1280.1280.09393.7填坪*沼代发电0.0090.2340.4230.149753熒烧发电0.5610.5610.24071.0好Wff肥0.3340.33469.9填埠+沼气燃烧0.0090.23

22、40.42361.8准好氧填埠0.0090.2340.42361.8好氯f*处理+填埋0.0090.2910.48056.7厌輒垃坤0.0470.1281.1080注:餐謝垃圾厌氣产沼发电的低確化基于餐射炖圾庆魚填埋依IK式和式（3）.其匚.为0.554kg C6肖Gbkg垃物;CO：谢卜最为发电相应魅煤的CQ排放2期李欢等：生活垃圾处理的碳押放和减捋策略#2期李欢等：生活垃圾处理的碳押放和减捋策略265>3不同生活垃圾处理模式对硃排放的影响Table 3 The effect of MSW management modes on the carbon emission from MSW

23、 treatment处理方式-现状If放山（力1）2015%优化tfi形”放（力l）ftJYlCH4C6 d总搏放处理金CH4CO：总放用代利用必42149963120160014374238430填厌氧填舞80033761024892064003018197140埋椎好IV好但预 处理等6406150276黄烧发电1570881377504320017957681027堆肥1745858产羽发电16020)55未无害化处理m5131248675588340001885124460其他139介计15438628273744015485160005093670102!13338注：处理最情况來自

24、国家统计局的坏境统it数据2008少uw&wew儿I廉填坪场采取：祁气利用茅磺减"模式按总填坪盘 的5%计;uwaw的放相对于厌氧览埠牧少这里儕按厌魚填埋计算严除境埠.黄烧.堆記外的其他处理方式所占比佛不到 !%.*»放忽略不计随着低碳化策略在实践中的应用以及我国相关政策的推动，可以预计餐厨垃圾的资源化处根据同述公式，可以推算我国冃前生活垃圾 处理过程的碳排放情况（表3中现状部分），每年 CH4井放约600多万t,CO2排放约2650 ）订血填埋气利用和焚烧发电是主要碳减排方式，但总量 相对很少，因此总碳排放达到1.5亿J约占我国碳 排放（2004年为61亿严的2%

25、.理、生活垃圾的焚烧发电以及填埋气的利用将越 来越广泛根据国家统计局2003-2008年环境统 计数据我国生活垃圾总的淸运戢变化较小，而无 害化处理率、焚烧处理比例均显若提高,堆肥比 例持续F降，其他处理方式很少(图1).年份图1我国近年来生活垃圾上要处理方式变化Fig.l Variation of MSW treatment methods during recentyears in China填埋熒饶口堆肥口堆放据此推测2015年我国清运生活垃圾吐达到 1.6亿t,而无害化处理率达到75%,其中焚烧发电 处理占20%.根据国家坏境保护总局于2002年公 布的处理城市垃圾国家行动方案，填埋气

26、回 收利用的填埋垃圾帰比例将达到全部垃圾册的 】0%,预计普通厌氧填埋处理占全部垃圾最的 40%,其他准好氧填埋、填埋器收集燃烧、好牴 预处理等方式共占4%.我国每年餐饮垃圾产生 議佔计约3000力J而无害化处理比例不到2%, 随着大般资源化设施的投入应用，预计2015年单 独处理比例达到5%,约占全部垃圾欣的1%.在这种情形下，利用询述公式可以对我国未 来碳排放情况进行预测，如表3所示放議 将减少至500万t,减少最转换为C02导致C02 有所增加，而曹代能源效应产牛的碳减排效果也 更加明显，达到1000万t,则总碳排放为1.3亿t, 相对于现状减排15%.这说明，通过适当推动生活 垃圾填埋

27、气利用、用气发电和焚烧发电等低碳化 技术应用,以及通过好氧稳定方式减少CH。排放 后，在生活垃圾清运駅仃所増加的悄况下,其处理 过程碳排放仍可显著减少,从而为我国的温室气 体控制，建设低碳社会提供有力支持.4结论4.1相对于厌氧境埠.餐厨垃圾厌氧产沼利用、 填埋气收集利用和焚烧发电低碳化程度鍛高，减 样潜力最大.4.2低碳化策略是，在条件许可的地区开展干 湿垃圾分类收集,餐厨垃圾进行厌氧产沼利用，其 次利用生活垃圾焚烧发电回收能源;而对于经济 相对落后的地区，建设大里填埋场可以设置完善 的沼气收集利用系统，建设小型填埋场可以使用 准好氧模式，或在填埋Z啊进行好氧稳定预处理. 4.3我国生活垃圾

28、处理碳排放约1.5亿t,通过适 当提高沼气利用、焚烧发电和好氧稳定处理的比 例，控制甲烷排放僦，促进能源回收利用，就可以 使我国2015年在生活垃圾无害化处理疑显著增 加的情况下，碳排放大幅减少15%.參考文献：(|) *贤,何品晶.邵立朗.等.生物质组成矩#对生活垃圾厌氧产 甲烷化的彫响卩).中M环境科学,2008,28(8):730-735.2 邵立期.仲胡杠.张后虎.竽4：活垃圾填埋场祚St于CM释放及 重响因耒卩)环境科学研究,200922():83-88.3 足理.陈1珍.刘光字.等坨圾第化学转化利用过程中礦排放 的购冲计算方法卩).坏境科学学报.2O1(U(X8):I634-I64

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30、蒲KWMttf Wih-生活垃圾处斤与渔宅体域排(几 (庆学院学报(门体科学版),2007? 3:25-2834.7 Xiao Y, Bal X. Ouyang 2, «t al. The composition, trend and impact of urban solid waste in Beijing (J. Environment Monitoring and Atiesiment. 2007,135(1-3):21-30.8 C«l*bro P S. Greenhouse gases emission from municip*! waste manageme

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