生活垃圾處理處置碳排放核算模型范文
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[摘要]我國的生活垃圾排放量隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展呈逐年上升趨勢，生活垃圾處理處置過程中產(chǎn)生的碳排放不可忽視。明確數(shù)值的垃圾碳排放量可對城市生活垃圾的處理處置起指導(dǎo)作用，因此對城市生活垃圾碳排放評價(jià)模型的研究意義重大。介紹了城市生活垃圾處理過程中碳排放的常用評價(jià)模型，并重點(diǎn)比對了各模型的適用性和優(yōu)缺點(diǎn)，為生活垃圾處理碳排放的評價(jià)模型作了分類。各地區(qū)根據(jù)自身特點(diǎn)選擇合適碳排放評價(jià)模型，有利于推動(dòng)固廢處理行業(yè)的低碳運(yùn)行以此保持我國經(jīng)濟(jì)的綠色和可持續(xù)發(fā)展。
隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，我國已成為全球第一大溫室氣體排放國。在全球變暖的大背景下，低碳發(fā)展業(yè)已成為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略決策，我國政府承諾到2020年使單位GDP的CO2排放量在2005年的基礎(chǔ)上下降40%~45%[1]。城市生活垃圾在運(yùn)輸、處理過程中產(chǎn)生的溫室氣體(如CO2、CH4和N2O等)碳排放的重要來源。經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，使得我國居民生活水平和消費(fèi)水平不斷提高，生活方式和消費(fèi)結(jié)構(gòu)也發(fā)生了巨大的變化，這一顯著變化導(dǎo)致我國生活垃圾產(chǎn)生量和排放量呈逐年上升趨勢，致使生活垃圾的處理處置過程中的碳排放占比逐年增大[2]。為了更好的對生活垃圾處理處置過程中的碳排量進(jìn)行核算，為處理處置制定最優(yōu)的低碳排放策略，國內(nèi)外學(xué)者對衛(wèi)生填埋、焚燒和堆肥等處置方式，開發(fā)了不同的預(yù)測模型。但不同成分屬性的生活垃圾組，需要使用不同的模型進(jìn)行核算。
1城市生活垃圾的處理處置
我國城市生活垃圾按組成成分可分為廚余、橡塑、織物、紙類、金屬、竹木、磚石、玻璃和其他9類。針對生活垃圾的處理處置國內(nèi)普遍采用衛(wèi)生填埋、堆肥和焚燒三種，其中衛(wèi)生填埋和焚燒兩種處理方式被廣泛應(yīng)用[3-4]。
1.1衛(wèi)生填埋
生活垃圾衛(wèi)生填埋，是指在填埋場底部鋪設(shè)一定厚度的黏土或高密度聚乙烯襯層，以達(dá)到底層防滲作用。而后將生活垃圾分層填埋，壓實(shí)后在頂層覆蓋新土層，使生活垃圾在厭氧條件下發(fā)酵，以達(dá)到無害化處理。衛(wèi)生填埋場投資和運(yùn)行費(fèi)用較低，能夠防止填埋廢物與周圍環(huán)境的直接接觸，尤其能夠防止?jié)B濾液對地下水的污染。但生活垃圾衛(wèi)生填埋場對土地資源浪費(fèi)較大，填埋操作復(fù)雜，管理較為困難。尤其是在衛(wèi)生填埋的過程中產(chǎn)生大量的、處理難度巨大的滲濾液，導(dǎo)致后期的處理費(fèi)用較高；衛(wèi)生填埋場服務(wù)到期后對場地的綜合利用也存在較大問題[5-6]。
1.2焚燒處理
生活垃圾的焚燒處理是指對垃圾中的可燃物在焚燒爐中進(jìn)行燃燒處理。分選后的生活垃圾經(jīng)過焚燒處理后，能夠釋放出熱能轉(zhuǎn)化為電能，并伴有煙氣和固體殘?jiān)漠a(chǎn)生[7-8]。焚燒法的特點(diǎn)是處理量大，減容性好，無害化徹底，并且可以進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化，因此該垃圾處置方式被廣泛使用。但該技術(shù)也存在不足，首先是對垃圾進(jìn)行預(yù)篩選，因?yàn)槟芎牡脑颍枰x擇熱值較高的垃圾進(jìn)行處理，而熱值較低的則會(huì)耗費(fèi)更多的能量；另外，生活垃圾的焚燒處理對產(chǎn)生廢氣的處理要求較高，由于焚燒過程中伴隨二噁英的生成，常規(guī)的廢氣處理技術(shù)無法滿足目前嚴(yán)苛的環(huán)保排放要求；而終端產(chǎn)生的焚燒殘?jiān)卸尽⒂泻Γ枰M(jìn)行無害化處理。盡管焚燒前會(huì)有一定的滲濾液，但產(chǎn)生量較衛(wèi)生填埋較小[9-10]。
1.3堆肥處理
生活垃圾的堆肥處理是指利用微生物對垃圾中的有機(jī)成分進(jìn)行分解的生物化學(xué)過程。在該反應(yīng)中，微生物對垃圾進(jìn)行分解，生成CO2、H2O和能量的同時(shí)生成腐殖質(zhì)(即堆肥熟料)。堆肥法最大的優(yōu)點(diǎn)是堆肥產(chǎn)物具有一定的肥效，可以加以利用。但堆肥法僅針對有機(jī)垃圾，這就對了垃圾的前期分選提出了要求；另外，即便是好氧堆肥，處理的周期也相對較長；堆肥對場地的要求也較高，一般需要大面積的開闊場地，這就導(dǎo)致由微生物發(fā)酵產(chǎn)生的有機(jī)廢氣難以收集；堆肥產(chǎn)品的品質(zhì)參差不齊，肥效有高有低且伴有重金屬的富集，目前僅適用于花木的種植，廣泛使用仍具有一定難度[11-12]。
2生活垃圾碳排放核算模型
不同的生活垃圾處置方式，對能耗的要求各有不同，并且產(chǎn)物的種類也不盡相同，導(dǎo)致碳排放的貢獻(xiàn)程度也存在一定的差異性。為了制定針對生活垃圾處置的碳減排策略，國內(nèi)外學(xué)者對衛(wèi)生填埋、焚燒、堆肥等不同處置方式進(jìn)行研究。目前常用全生命周期評價(jià)法(LCA)、“IPCC指南”法和UOD表格法探索生活垃圾處置過程中碳排放規(guī)律。
2.1全生命周期評價(jià)法
全生命周期評價(jià)法(LifeCycleAssessment，LCA)，即通過對能源、原材料消耗及廢物排放的鑒定及量化，來評估一個(gè)產(chǎn)品對環(huán)境造成負(fù)擔(dān)的客觀方法。1969年美國中西部研究所受可口可樂公司委托，對飲料容器從原材料到廢棄物的最終處理的全過程進(jìn)行跟蹤與定量分析。ISO14040標(biāo)準(zhǔn)將生命周期評價(jià)的實(shí)施步驟分為目的與范圍的確定、清單分析、影響評價(jià)和結(jié)果解釋四個(gè)必要階段[13]。在獲得垃圾的全生命周期的直接碳排放相關(guān)數(shù)據(jù)后，LCA法能夠較為全面的考慮生活垃圾處理過程中的碳排放，可用于計(jì)算從小范圍到大區(qū)域的碳排放，從而制定完備的減排方案。但由于相關(guān)數(shù)據(jù)的收集存在一定的困難，目前該方法尚不被認(rèn)定為權(quán)威的核算方法[14]。黃江麗等[15]采用LCA法，對北京城市生活垃圾的不同處置方式進(jìn)行了較為系統(tǒng)的評價(jià)。結(jié)果表明，衛(wèi)生填埋和焚燒處理的環(huán)境影響潛力分別為3.59×10-2和5.87×10-2、處理成本分別為97.8元(人•a)-1和127.4元(人•a)-1人。Razza[16]等利用LCA法，對生活垃圾中的餐具和瓶類的處理方式進(jìn)行評估，結(jié)果表明，使用堆肥方法代替填埋和焚燒方式處理此類廢棄物，能源損耗量由1490kJ降低到128kJ，溫室氣體排放量由64CO2-eq降低到22CO2-eq。劉燕[17]利用LCA法對綏德縣生活垃圾運(yùn)輸和衛(wèi)生填埋的氣體進(jìn)行分析，得出CH4和CO2為衛(wèi)生填埋主要的排放氣體，環(huán)境影響潛力為5.7×10-2kg/(人•a)。Assamoi等[18]采用LCA法，比較了加拿大多倫多市生活垃圾衛(wèi)生填埋和焚燒法產(chǎn)生的溫室氣體排放量和成本。結(jié)果顯示生活垃圾的焚燒發(fā)電大大降低了溫室氣體的排放量，但該方法的處理成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于衛(wèi)生填埋法。Liamsanguan[19]采用LCA法核算了泰國普吉市3種垃圾綜合處理方式的碳排放量，發(fā)現(xiàn)利用填埋氣發(fā)電和垃圾分類回收可以有效地降低該地區(qū)的碳排放。趙磊等[20]分別采用“IPCC2006指南”推薦的經(jīng)驗(yàn)公式和LCA法對生活垃圾三種不同的處理方式產(chǎn)生的碳排放進(jìn)行了計(jì)算和對比，發(fā)現(xiàn)LCA方法雖然考慮了垃圾處理全過程中，但在國內(nèi)諸多數(shù)據(jù)難以獲得，不能被確定為權(quán)威的核算方法。
2.2“IPCC指南”法
政府間氣候變化專業(yè)委員會(huì)(IntergovernmentalPanelonClimateChange，IPCC)編制出版的《1996年國家溫室氣體清單指南修訂版》中詳細(xì)給出了在城市生活垃圾處理過程中可能產(chǎn)生的碳排放環(huán)節(jié)以及對區(qū)域城市生活垃圾處理產(chǎn)生的碳排放估算的方法[21]。隨著“IPCC指南”法的廣泛應(yīng)用，研究者們針對當(dāng)?shù)厣罾匦詫υ摲椒ㄟM(jìn)行不斷的修正以適用于當(dāng)?shù)氐纳罾寂欧藕怂恪＠^“IPCC1996指南”后IPCC相繼出版了一系列指南，并預(yù)計(jì)在2019年出版IPCC精細(xì)化產(chǎn)品，IPCC一直在不斷完善估算溫室氣體排放的方法。Groode[22]對麻省理工學(xué)院(MIT)校園內(nèi)生活垃圾焚燒產(chǎn)生的溫室氣體排放進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示當(dāng)回收垃圾的數(shù)量達(dá)到焚燒垃圾數(shù)量的時(shí)，產(chǎn)生的溫室氣體排放量才會(huì)降低。陳移峰等[23]采用“IPCC1996指南”推薦的經(jīng)驗(yàn)公式估算了我國每年衛(wèi)生填埋沼氣中產(chǎn)生的溫室氣體排放量，提出衛(wèi)生填埋沼氣具有巨大的回收利用潛能。并針對衛(wèi)生填埋、堆肥、焚燒這3種常見的垃圾處理方式，提出了利用垃圾焚燒回收能源、對有機(jī)垃圾進(jìn)行厭氧消化、收集并利用沼氣發(fā)電等一系列溫室氣體減排措施。J.Bogner等[24]使用“IPCC1996指南”推薦方法研究了1980~1996年全球衛(wèi)生填埋場每年的CH4排放量和CH4回收利用情況，研究結(jié)果顯示，美國和一些發(fā)達(dá)國家的CH4回收率逐年增長，而CH4排放量在逐年減少。潘玲陽等[25]選用“IPCC1996指南”法，研究了北京市生活垃圾在衛(wèi)生填埋、堆肥和焚燒處理過程中，直接或間接產(chǎn)生的溫室氣體排放量。結(jié)果表明，隨著北京市生活垃圾產(chǎn)量的逐年增加，由此引起的溫室氣體排放量也顯著增加；如果對衛(wèi)生填埋產(chǎn)生的大量CH4加以利用可以明顯提高減排能力。Wang等[26]采用“IPCC2006指南”計(jì)算了2003年至2012年中國31個(gè)省市生活垃圾的碳排放量，得出堆肥法產(chǎn)生的碳排放量最少，衛(wèi)生填埋的碳排放量最多。
2.3上游-操作-下游(Upstream-operation-downstream，UOD)表格法
該方法通過對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集整理，可以方便的比較不同來源數(shù)據(jù)之間的結(jié)構(gòu)性差異。Manfredi等[27]利用UOD方法對發(fā)達(dá)國家衛(wèi)生填埋法產(chǎn)生的溫室氣體排放規(guī)律進(jìn)行了研究，確定了利用該方法在表達(dá)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)性方面的用途。何品晶等[28]利用UOD法，研究了上海市生活垃圾焚燒發(fā)電過程中的溫室氣體排放規(guī)律。發(fā)現(xiàn)生活垃圾中化石碳的焚燒是溫室氣體產(chǎn)生的主要原因，減少焚燒過程中輔助物料的用量，并調(diào)整爐渣的最終處置方法可以促進(jìn)溫室氣體的減排。
3結(jié)論
城市生活垃圾的組成受多種因素的影響，在不同的處理過程中進(jìn)行碳排放預(yù)測計(jì)算有一定的難度。合理運(yùn)用多種模型對其進(jìn)行預(yù)測的同時(shí)并加以比對，可以增加生活垃圾排放過程中的碳排放核算的準(zhǔn)確性，從而對有效降低生活垃圾處理碳排放進(jìn)行科學(xué)、合理的指導(dǎo)和統(tǒng)籌。
作者：盧鵬 彭莉 丁社光 季雨晴 楊凌 傅敏 單位：重慶工商大學(xué)
