环境科学  2025, Vol. 46 Issue (1): 100-106   PDF    
垃圾分类对城乡一体化模式垃圾处理碳减排的影响分析:以宝鸡市为例
兰剑1, 闫东杰1, 王永平2, 玉亚1     
1. 西安建筑科技大学环境与市政工程学院, 陕西省环境工程重点实验室, 西安 710055;
2. 陕西省环境科学研究院, 西安 710061
摘要: 生活垃圾处理是重要的人为温室气体排放源, 明确垃圾分类处理前后各环节的碳排放强度, 对助力“双碳”目标具有重要意义.基于宝鸡市2021年生活垃圾产生相关数据, 结合城乡生活垃圾一体化处置模式, 采用IPCC清单指南碳排放因子法, 核算了宝鸡市城乡生活垃圾分类前后各处理环节的碳排放强度.结果表明, 减少农村简易填埋比例可减碳59 451.62 t(以CO2-eq计), 2021年宝鸡市垃圾分类处理后总碳减排可达251 617.37 t(以CO2-eq计);垃圾分类处理前CH4占碳排放的96.75%, 分类处理后CO2占碳排放的83.74%;垃圾分类处理后, 助燃剂的消耗每年可产生碳排放1 167.16 t(以CO2-eq计), 占直接碳排放的0.38%;渗滤液和焚烧烟气处理的药品消耗每年会产生碳排放2 126.91 t(以CO2-eq计), 占间接碳排放的9.95%.深入完善生活垃圾分类体系, 改变处理方式, 提高填埋气(LFG)的收集利用率, 强化覆盖层的CH4氧化能力等是可行的碳减排措施.
关键词: 垃圾分类      简易填埋      助燃剂      城乡一体化      碳减排     
Analysis of the Impact of Waste Classification on Carbon Emission Reduction of Waste Treatment in Urban-Rural Integration Mode: A Case Study of Baoji City
LAN Jian1 , YAN Dong-jie1 , WANG Yong-ping2 , YU Ya1     
1. Shaanxi Key Laboratory of Environmental Engineering, School of Environment and Municipal Engineering, Xi'an University of Architecture and Technology, Xi'an 710055, China;
2. Shaanxi Provincial Academy of Environmental Sciences, Xi'an 710061, China
Abstract: Domestic waste treatment is an important source of anthropogenic greenhouse gas emissions, and it is of great significance to clarify the carbon emission intensity of each link before and after waste classification treatment to help with the "double carbon" goal. Based on the relevant data on domestic waste generation in Baoji City in 2021, combined with the integrated urban and rural domestic waste disposal model, the carbon emission intensity of urban and rural domestic waste treatment before and after classification was calculated using the IPCC inventory guide carbon emission factor method. The results showed that by reducing the proportion of simple landfills in rural areas, the carbon reduction could reach 59 451.62 t (measured by CO2-eq), and the total carbon reduction after waste classification and treatment in Baoji City in 2021 could reach 251 617.37 t (measured by CO2-eq). CH4 accounted for 96.75% of carbon emissions before waste classification, and CO2 accounted for 83.74% after waste classification. After waste classification and treatment, the consumption of combustifiers could produce 1 167.16 t (measured by CO2-eq) of carbon emissions per year, accounting for 0.38% of direct carbon emissions. Pharmaceutical consumption from leachate and incineration flue gas treatment produced 2 126.91 t (measured by CO2-eq) of carbon emissions per year, accounting for 9.95% of indirect carbon emissions. Further improving the classification system of solid waste, changing the treatment method, improving the collection and utilization rate of landfill gas, and strengthening the CH4 oxidation capacity of the covering layer are feasible carbon emission reduction measures.
Key words: garbage sorting      simple landfill      accelerant      urban-rural integration      carbon emission reduction     

近年来, 随着城乡建设的飞速发展, 生活垃圾的产量也逐渐增多.据《中国统计年鉴》数据, 截至2021年城乡生活垃圾年产量已达到2.48亿t, 由生活垃圾处理产生的温室气体也逐年增多, 从2010年的42.5 Mt到2019年的75.3 Mt(以CO2-eq计)[1], 其产生的温室气体主要来源于填埋场的CH4排放[2 ~ 4], 不仅包括卫生填埋场, 也含有农村简易填埋场[5].将生活垃圾处理方式由填埋转为焚烧可有效减少碳排放[6], 减少农村地区简易填埋比例和对简易填埋点的整治[7]也必不可少.同时, 推进生活垃圾的分类和垃圾的源头减量也可助力碳减排.

我国生活垃圾分类起步晚, 2019年上海开始实施垃圾强制分类制度[8], 到2020年在我国省会、直辖市等46个城市实施垃圾强制分类[9].2021年国家发改委颁布了《“十四五”城镇生活垃圾分类和处理设施发展规划》[10], 重点强调了城乡生活垃圾分类处理.国内学者对城市[11 ~ 15]生活垃圾分类前后的碳排放强度进行了分析, 但对村镇生活垃圾处理研究较少. 城市和村镇生活垃圾组成也存在差异, 城市生活垃圾可回收物比例以及有机物含量占比高;村镇生活垃圾灰土占比高, 有机组分占比低[16].同时, 现有研究没有考虑垃圾焚烧中助燃剂的消耗, 以及焚烧烟气处理和渗滤液处理时的药品消耗, 导致核算的结果偏小.村镇生活垃圾可采取就地就近小型化、无害化焚烧、热解和沤肥等处理模式, 或纳入城镇收运处置体系统一处理[17].虽就近小型生活垃圾处理设备对交通或运输距离限制较少, 但其目前还存在诸多问题, 如启停炉频繁故障多、燃烧条件不佳处理效果差、烟气排放超标现象严重、废水处理不规范和管理水平低等[18, 19].将村镇生活垃圾同城市生活垃圾一并处理, 采用“户分类、村收集、区压缩转运和市处理”的城乡生活垃圾一体化处理模式是目前许多地区的现实选择.

本研究以宝鸡市为例着重分析城乡生活垃圾一体化处理模式下垃圾分类处理前后产生的温室气体排放强度, 根据IPCC清单指南和碳排放因子法分别对生活垃圾分类处理前后的碳排放强度进行估算, 分析了生活垃圾处理过程中各温室气体的占比, 明确了垃圾分类处理及城乡生活垃圾一体化处置的碳减排优势, 以期为各地区生活垃圾处理碳减排提供参考.

1 材料与方法 1.1 宝鸡市城乡生活垃圾概况

宝鸡市2021年常住人口为176.9万人.城区每日产生活垃圾约1 188.04 t·d-1左右, 农村日产生活垃圾401.27 t·d-1左右, 城乡年垃圾产量为640 719 t.主城区生活垃圾无害化率达90%以上, 城区周边的部分村镇生活垃圾纳入城区收运系统, 其余村镇只做到了收集, 生活垃圾多采用简易填埋处理, 未纳入城区收运系统.且生活垃圾处理方式主要以卫生填埋为主, 但现有填埋场剩余库容少, 所以宝鸡市规划在填埋场的下游修建一座处理能力为1 500 t·d-1的垃圾焚烧厂, 以此实现生活垃圾的无害化、减量化和资源化.同时, 为切实改善宝鸡市城乡环境, 减少生活垃圾处理的碳排放, 宝鸡市以“户分类、村收集、区压缩转运和市处理”的城乡生活垃圾一体化治理模式进行全覆盖.

1.2 系统边界建立

宝鸡市城乡生活垃圾的组成如表 1所示.垃圾分类处理前, 生活垃圾通过转运到填埋场进行卫生填埋处置, 部分生活垃圾进行简易填埋处置;垃圾分类后, 生活垃圾可以通过焚烧、厌氧处理和回收等多种方法处理, 但也有极少部分垃圾未被收集, 从而进行简易填埋处理.

表 1 宝鸡市城乡生活垃圾组成 Table 1 Composition of urban and rural domestic waste in Baoji City

根据城市建设现状及发展趋势, 设立了分类前后的生活垃圾处置模式.模式一:(分类前)混合收集+卫生填埋+简易填埋;模式二:(分类后)其他垃圾焚烧、简易填埋+可回收垃圾资源化+厨余垃圾厌氧发酵;两种模式的系统核算边界如图 1图 2所示.

图 1 模式一:(分类前)混合收集+卫生填埋+简易填埋 Fig. 1 Mode 1: (before classification) mixed collection + sanitary landfill + simple landfill

图 2 模式二:(分类后)其他垃圾焚烧、简易填埋+可回收垃圾资源化+厨余垃圾厌氧发酵 Fig. 2 Mode 2: (after sorting) other waste incineration, simple landfill + recycling of recyclable waste + anaerobic fermentation of kitchen waste

1.3 核算方法 1.3.1 直接碳排放

生活垃圾处理过程中的直接碳排放包括填埋、焚烧、渗滤液处理、厌氧消化处理和助燃剂燃烧等环节.

(1)填埋  填埋分为简易填埋和卫生填埋两种, 其中简易填埋过程中产生的碳排放可采用IPCC清单指南中的质量平衡算法进行计算:

(1)
(2)

式中, I填埋,CH4为垃圾简易填埋过程中产生的CH4(以CO2-eq计), t;MSWF为简易填埋垃圾的量, t;LO为填埋场产CH4的潜力;MCF为CH4修正因子, 取缺省值0.4;DOCi为可降解有机碳分数, 见表 2;DOCF为分解的可降解有机碳比例, 取0.5;F为CH4在垃圾LFG中的比例, 取0.5;R为CH4回收量, 简易填埋CH4回收量为0;OX为氧化因子, 取0;GWPCH4为CH4的全球变暖趋势, 取27[20].

表 2 填埋相关参数取值表 Table 2 Values of landfill related parameters

卫生填埋过程产生的碳排放可采用IPCC中的一阶衰减模型(FOD)进行计算:

(3)

式中, E填埋,CH4为卫生填埋排放的CH4(以CO2-eq计), t;MSWT为生活垃圾填埋量, t;MSWi为填埋垃圾的种类i的比例;k为填埋场产CH4的速率常数, 见表 2;卫生填埋的CH4回收量R=0.3, 回收气体通过火炬燃烧处理;LO及其中参数同简易填埋, DOCF取值见表 2.

(2)焚烧  生活垃圾焚烧过程中会产生CO2、CH4和N2O等温室气体, 碳排放计算公式如下:

(4)
(5)
(6)

式中, I焚烧,CO2为焚烧过程中产生的碳排放(以CO2-eq计), t;MSWO为焚烧生活垃圾的总量, t;WFjj型生活垃圾的比例;dmjj型生活垃圾的干物质含量;CFj为组分j干物质中的碳比例;FCFj为组分j中矿物碳占总碳的比例;OF为氧化因子, 取0.9;44/12为C到CO2的转化因子;I焚烧,CH4为焚烧过程中产生CH4的量;I焚烧,N2O为焚烧过程中产生N2O的量;GWPN2O为N2O的全球变暖趋势, 取273[20]mi为焚烧垃圾的量;EFCH4为焚烧过程中CH4的排放因子, 取0.2 g·t-1生活垃圾;EFN2O为焚烧过程中N2O的排放因子, 取50 g·t-1生活垃圾.其余参数取IPCC推荐的缺省值.

(3)渗滤液  在填埋、焚烧以及厨余垃圾处理环节中产生的渗滤液在处理时会产生CH4和N2O[21, 22], 计算公式如下:

(7)
(8)

式中, I渗滤液,CH4和I渗滤液,N2O分别为渗滤液产生的CH4和N2O(以CO2-eq计), t;Qr为渗滤液r的处理量, t;TOWin和TOWout分别为渗滤液进出水有机物浓度, 以COD计, mg·L-1BO为最大CH4产生能力(以CH4/COD计), 取0.25 kg·kg-1;MCFs为污水处理的CH4修正因子, 0.8[23];TNin和TNout分别为进出水总氮质量浓度, mg·L-1;EF渗滤液,N2O为渗滤液处理中N2O排放因子(以N2O/TN计), 取值0.016 kg·kg-1.不同类型渗滤液水质情况见表 3.

表 3 各环节渗滤液水质情况 Table 3 Water quality of leachate in each link

(4)厌氧发酵  在厨余垃圾的厌氧发酵过程中主要产生CH4和N2O, 其计算公式如下:

(9)

式中, I厌氧排放为厌氧发酵过程中产生的碳排放量(以CO2-eq计), t;M为有机物处理总量, t;EFCH4为厌氧发酵过程中CH4的排放因子(以CH4/MSW计), 取10 g·kg-1;EFN2O为厌氧发酵过程中N2O的排放因子(以CH4/MSW计), 取0.6 g·kg-1.

(5)助燃剂燃烧  垃圾焚烧炉点火或维持炉温时需要添加助燃剂, 其碳排放计算公式如下:

(10)

式中, I柴油,CO2为柴油燃烧产生的碳排放(以CO2-eq计), t;n为辅助燃料的种类, 本研究以柴油为例;FCn为第n种燃料的年消耗量, 取377 t;NCVn为第n种燃料的平均低位热值, 柴油为42 652 kJ·kg-1;CCn为第n种燃料的单位热值含碳量, 柴油为20.2 t·TJ-1;OFn为第n种燃料的碳氧化率, 柴油为98%[24].

1.3.2 间接碳排放

(1)运输  运输产生的碳排放主要是柴油消耗, 可由以下公式计算:

(11)

式中, I运输,CO2为运输过程中产生的碳排放(以CO2-eq计), t;EFa为柴油的排放因子(以CO2/柴油计), 取2.7 kg·L-1Va为柴油消耗量, L.

(2)电力消耗  生活垃圾处理过程中产生的电力消耗也会产生碳排放, 计算公式如下:

(12)

式中, I电力,CO2为电力消耗所产生的碳排放(以CO2-eq计), t;Pt为垃圾处理设施的电力消耗量, 填埋场耗电量28 kW·h·t-1[11], 焚烧厂耗电量52 kW·h·t-1[25], 厨余垃圾厌氧消化设施耗电量32 kW·h·t-1[26]Ee为国家电网排放系数(以CO2-eq计), 取0.581 t·(MW·h)-1[27].

(3)药品消耗  在垃圾焚烧烟气处理环节中会使用活性炭、氨水等药品;渗滤液处理过程中会使用增稠和絮凝药剂, 如聚合氯化铝(PAC)和聚丙烯酰胺(PAM)等, 药品使用产生的碳排放计算公式如下:

(13)

式中, I药品,CO2为药剂生产和运输产生的碳排放(以CO2-eq计), t;Mc为药剂c的投加量, kg;Ec为药剂c的排放因子.各药剂排放因子及使用量见表 4, 其中各药剂使用量为实测值.

表 4 相关药剂排放因子及其使用量 Table 4 Emission factors of related agents and their usage

(4)炉渣  垃圾焚烧的减容率程度高, 但焚烧过后仍会有20%~25%的炉渣产生[30, 31], 在炉渣运输过程中也会产生碳排放, 炉渣产生的碳排放(以CO2/MSW计)为5.2 kg·t-1[25].

1.3.3 碳减排

(1)焚烧发电  利用垃圾焚烧产生的高温可以用于发电, 且1 t生活垃圾焚烧可产生0.41 MW·h电能[32], 焚烧发电产生的碳减排计算公式如下:

(14)

式中, I发电为焚烧发电的碳减排量(以CO2-eq计), t;Ee为国家电网排放系数, 同公式(12).

(2)垃圾回收  将塑料、纸张、金属和玻璃等可回收组分进行回收利用可以替代部分产品生产的碳排放, 减少的碳排放可通过下式进行计算:

(15)

式中, I回收为垃圾回收过程减少的碳排放量(以CO2-eq计), t;Wi为组分i的质量, t;EFi为可回收垃圾组分i的排放系数.

2 结果与讨论 2.1 分类前后碳排放对比

宝鸡市生活垃圾分类前后垃圾处理各环节碳排放强度清单如表 5所示.模式一(分类前)中填埋对碳排放量的贡献最大, 主要原因是填埋场CH4产生量大, CH4收集利用率低, 覆盖层CH4氧化效果差.特别是村镇地区简易填埋点, 缺少LFG收集和覆盖措施, 导致产生的CH4直接排放到大气中.模式二(分类后)中生活垃圾的主要处理方式由填埋转为焚烧, 减少了CH4的直接排放, 焚烧烟气发电和提高可回收垃圾利用率实现了大量的碳减排.同时, 城乡一体化处理模式下极大地减少了简易填埋的比例, 简易填埋比例由19%减少至4%, 减少碳排放59 451.62 t(以CO2-eq计, 下同).

表 5 不同处理模式下的碳排放清单 Table 5 Carbon emission inventories under different treatment modes

图 3所示, 生活垃圾分类处理前后总碳排放量差异明显, 模式一(335 223.24 t)的总碳排放远大于模式二(83 605.87 t), 宝鸡市2021年垃圾分类处理后可减排251 617.37 t, 分类后碳排放减少的原因主要体现在垃圾回收比例增加与焚烧发电上.

图 3 垃圾分类前后的碳排放 Fig. 3 Carbon emissions before and after waste sorting

2.2 温室气体占比分析

城乡生活垃圾处置过程中产生的温室气体主要为CH4、CO2和N2O, 两种模式碳排放(直接碳排放和间接碳排放)中各温室气体占比差异明显, 如图 4所示.模式一中产生的主要温室气体是CH4, 大多为卫生填埋和简易填埋过程产生, 占比为96.75%, CO2和N2O占比较少;模式二中产生的主要温室气体是CO2, 多为垃圾焚烧过程产生, 占比为83.74%, 其次是CH4(14.26%)和N2O(2.00%).

图 4 不同模式碳排放中各温室气体占比 Fig. 4 Proportion of greenhouse gases in different models of carbon emissions

本研究还考虑了助燃剂和药剂消耗所产生的碳排放, 主要体现在模式二中.由表 5可知, 垃圾焚烧助燃剂的消耗可产生碳排放1 167.16 t, 占直接碳排放的0.38%.同时, 在渗滤液处理时增稠、絮凝药剂以及焚烧烟气脱硫、脱硝和除二噁英时消耗的药剂每年可产生碳排放2 126.91 t, 目前关于生活垃圾的处理研究中都未曾考虑药耗的碳排放, 但本研究结果表明药耗碳排放在间接碳排放占比为9.95%, 为更加准确评估生活垃圾处置过程的碳排放, 药耗也应当纳入核算范围.

2.3 宝鸡市碳减排措施

根据表 5数据可知, 宝鸡市城乡生活垃圾处理碳排放主要来源于卫生填埋、简易填埋和焚烧, 因此考虑在这3个环节中采取相应措施进行减排.同时, 加强城乡生活垃圾分类及处理设施的建立, 完善分类转运体系也必不可少.

(1)宝鸡市垃圾分类处理前, 卫生填埋产生的碳排放占直接碳排放的78.61%, 主要是有机垃圾厌氧发酵产生的大量CH4, 厨余垃圾有机物含量高, 减少或者禁止厨余垃圾进入卫生填埋场可促进填埋场碳减排.垃圾处理方式由填埋改为焚烧, 同时, 宝鸡市冬季天气寒冷干燥, 焚烧厂可以考虑采用热电联产[33, 34].在焚烧能力富余的情况下还可以协同处理填埋场的陈腐垃圾[35, 36], 既释放填埋场库容, 还可减少填埋场存量垃圾CH4的释放.

(2)填埋场LFG的收集率是影响CH4排放的重要因素, 我国LFG的收集率仅为25%~40%[37], 低于丹麦(50%)、英国(64%)和美国(63%)等国家[38], 因此提高LFG的收集利用效率也是减少碳排放的重要措施[39].同时, 利用生物炭、堆肥废物和矿化垃圾等强化覆盖层的CH4氧化能力, 也可减少填埋场的CH4排放[40 ~ 44].

(3)宝鸡市城乡垃圾分类处理前, 简易填埋产生的碳排放占直接碳排放的19.76%, 农村生活垃圾简易填埋的治理也十分重要, 国内外常用的治理技术有原位封场治理、转运异地卫生填埋和好氧快速稳定等方法[45], 对于乡镇的简易填埋点采用原位封场治理经济性更高.

3 结论

(1)宝鸡市城乡生活垃圾一体化处理下, 村镇生活垃圾简易填埋的比例由19%下降到4%, 减少碳排放59 451.62 t, 2021年宝鸡市生活垃圾分类处理后总碳减排可达251 617.37 t.

(2)生活垃圾分类处理前, 产生的碳排放主要为卫生填埋和简易填埋产生的CH4, 占碳排放的96.75%;分类处理后, 产生的碳排放主要是焚烧产生的CO2, 占碳排放的83.74%.

(3)宝鸡市城乡生活垃圾分类处理下, 垃圾焚烧厂启停和维持炉温所消耗的柴油每年可产生碳排放1 167.16 t, 占直接碳排放的0.38%;渗滤液处理和焚烧烟气处理中的药品消耗每年可产生碳排放2 126.91 t, 占间接碳排放的9.95%.

(4)加快生活垃圾分类进度, 处理方式由填埋转为焚烧, 焚烧厂热电联产和利用焚烧厂富余能力协同处理填埋场陈腐垃圾, 提高LFG收集效率, 强化覆盖层的CH4氧化能力, 对简易填埋场进行封场改造是可行的碳减排措施.

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