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生活垃圾处理处置碳排放核算模型

2019/11/27 阅读:

[摘要]我国的生活垃圾排放量随着经济的快速发展呈逐年上升趋势,生活垃圾处理处置过程中产生的碳排放不可忽视。明确数值的垃圾碳排放量可对城市生活垃圾的处理处置起指导作用,因此对城市生活垃圾碳排放评价模型的研究意义重大。介绍了城市生活垃圾处理过程中碳排放的常用评价模型,并重点比对了各模型的适用性和优缺点,为生活垃圾处理碳排放的评价模型作了分类。各地区根据自身特点选择合适碳排放评价模型,有利于推动固废处理行业的低碳运行以此保持我国经济的绿色和可持续发展。

[关键词]生活垃圾;处理处置;碳排放;核算模型

随着经济的快速发展和城市化进程的加快,我国已成为全球第一大温室气体排放国。在全球变暖的大背景下,低碳发展业已成为我国经济发展的战略决策,我国政府承诺到2020年使单位GDP的CO2排放量在2005年的基础上下降40%~45%[1]。城市生活垃圾在运输、处理过程中产生的温室气体(如CO2、CH4和N2O等)碳排放的重要来源。经济的快速发展,使得我国居民生活水平和消费水平不断提高,生活方式和消费结构也发生了巨大的变化,这一显著变化导致我国生活垃圾产生量和排放量呈逐年上升趋势,致使生活垃圾的处理处置过程中的碳排放占比逐年增大[2]。为了更好的对生活垃圾处理处置过程中的碳排量进行核算,为处理处置制定最优的低碳排放策略,国内外学者对卫生填埋、焚烧和堆肥等处置方式,开发了不同的预测模型。但不同成分属性的生活垃圾组,需要使用不同的模型进行核算。

1城市生活垃圾的处理处置

我国城市生活垃圾按组成成分可分为厨余、橡塑、织物、纸类、金属、竹木、砖石、玻璃和其他9类。针对生活垃圾的处理处置国内普遍采用卫生填埋、堆肥和焚烧三种,其中卫生填埋和焚烧两种处理方式被广泛应用[3-4]。

1.1卫生填埋

生活垃圾卫生填埋,是指在填埋场底部铺设一定厚度的黏土或高密度聚乙烯衬层,以达到底层防渗作用。而后将生活垃圾分层填埋,压实后在顶层覆盖新土层,使生活垃圾在厌氧条件下发酵,以达到无害化处理。卫生填埋场投资和运行费用较低,能够防止填埋废物与周围环境的直接接触,尤其能够防止渗滤液对地下水的污染。但生活垃圾卫生填埋场对土地资源浪费较大,填埋操作复杂,管理较为困难。尤其是在卫生填埋的过程中产生大量的、处理难度巨大的渗滤液,导致后期的处理费用较高;卫生填埋场服务到期后对场地的综合利用也存在较大问题[5-6]。

1.2焚烧处理

生活垃圾的焚烧处理是指对垃圾中的可燃物在焚烧炉中进行燃烧处理。分选后的生活垃圾经过焚烧处理后,能够释放出热能转化为电能,并伴有烟气和固体残渣的产生[7-8]。焚烧法的特点是处理量大,减容性好,无害化彻底,并且可以进行能量转化,因此该垃圾处置方式被广泛使用。但该技术也存在不足,首先是对垃圾进行预筛选,因为能耗的原因,需要选择热值较高的垃圾进行处理,而热值较低的则会耗费更多的能量;另外,生活垃圾的焚烧处理对产生废气的处理要求较高,由于焚烧过程中伴随二噁英的生成,常规的废气处理技术无法满足目前严苛的环保排放要求;而终端产生的焚烧残渣往往有毒、有害,需要进行无害化处理。尽管焚烧前会有一定的渗滤液,但产生量较卫生填埋较小[9-10]。

1.3堆肥处理

生活垃圾的堆肥处理是指利用微生物对垃圾中的有机成分进行分解的生物化学过程。在该反应中,微生物对垃圾进行分解,生成CO2、H2O和能量的同时生成腐殖质(即堆肥熟料)。堆肥法最大的优点是堆肥产物具有一定的肥效,可以加以利用。但堆肥法仅针对有机垃圾,这就对了垃圾的前期分选提出了要求;另外,即便是好氧堆肥,处理的周期也相对较长;堆肥对场地的要求也较高,一般需要大面积的开阔场地,这就导致由微生物发酵产生的有机废气难以收集;堆肥产品的品质参差不齐,肥效有高有低且伴有重金属的富集,目前仅适用于花木的种植,广泛使用仍具有一定难度[11-12]。

2生活垃圾碳排放核算模型

不同的生活垃圾处置方式,对能耗的要求各有不同,并且产物的种类也不尽相同,导致碳排放的贡献程度也存在一定的差异性。为了制定针对生活垃圾处置的碳减排策略,国内外学者对卫生填埋、焚烧、堆肥等不同处置方式进行研究。目前常用全生命周期评价法(LCA)、“IPCC指南”法和UOD表格法探索生活垃圾处置过程中碳排放规律。

2.1全生命周期评价法

全生命周期评价法(LifeCycleAssessment,LCA),即通过对能源、原材料消耗及废物排放的鉴定及量化,来评估一个产品对环境造成负担的客观方法。1969年美国中西部研究所受可口可乐公司委托,对饮料容器从原材料到废弃物的最终处理的全过程进行跟踪与定量分析。ISO14040标准将生命周期评价的实施步骤分为目的与范围的确定、清单分析、影响评价和结果解释四个必要阶段[13]。在获得垃圾的全生命周期的直接碳排放相关数据后,LCA法能够较为全面的考虑生活垃圾处理过程中的碳排放,可用于计算从小范围到大区域的碳排放,从而制定完备的减排方案。但由于相关数据的收集存在一定的困难,目前该方法尚不被认定为权威的核算方法[14]。黄江丽等[15]采用LCA法,对北京城市生活垃圾的不同处置方式进行了较为系统的评价。结果表明,卫生填埋和焚烧处理的环境影响潜力分别为3.59×10-2和5.87×10-2、处理成本分别为97.8元(人•a)-1和127.4元(人•a)-1人。Razza[16]等利用LCA法,对生活垃圾中的餐具和瓶类的处理方式进行评估,结果表明,使用堆肥方法代替填埋和焚烧方式处理此类废弃物,能源损耗量由1490kJ降低到128kJ,温室气体排放量由64CO2-eq降低到22CO2-eq。刘燕[17]利用LCA法对绥德县生活垃圾运输和卫生填埋的气体进行分析,得出CH4和CO2为卫生填埋主要的排放气体,环境影响潜力为5.7×10-2kg/(人•a)。Assamoi等[18]采用LCA法,比较了加拿大多伦多市生活垃圾卫生填埋和焚烧法产生的温室气体排放量和成本。结果显示生活垃圾的焚烧发电大大降低了温室气体的排放量,但该方法的处理成本远远高于卫生填埋法。Liamsanguan[19]采用LCA法核算了泰国普吉市3种垃圾综合处理方式的碳排放量,发现利用填埋气发电和垃圾分类回收可以有效地降低该地区的碳排放。赵磊等[20]分别采用“IPCC2006指南”推荐的经验公式和LCA法对生活垃圾三种不同的处理方式产生的碳排放进行了计算和对比,发现LCA方法虽然考虑了垃圾处理全过程中,但在国内诸多数据难以获得,不能被确定为权威的核算方法。

2.2“IPCC指南”法

政府间气候变化专业委员会(IntergovernmentalPanelonClimateChange,IPCC)编制出版的《1996年国家温室气体清单指南修订版》中详细给出了在城市生活垃圾处理过程中可能产生的碳排放环节以及对区域城市生活垃圾处理产生的碳排放估算的方法[21]。随着“IPCC指南”法的广泛应用,研究者们针对当地生活垃圾特性对该方法进行不断的修正以适用于当地的生活垃圾碳排放核算。继“IPCC1996指南”后IPCC相继出版了一系列指南,并预计在2019年出版IPCC精细化产品,IPCC一直在不断完善估算温室气体排放的方法。Groode[22]对麻省理工学院(MIT)校园内生活垃圾焚烧产生的温室气体排放进行了分析,结果显示当回收垃圾的数量达到焚烧垃圾数量的时,产生的温室气体排放量才会降低。陈移峰等[23]采用“IPCC1996指南”推荐的经验公式估算了我国每年卫生填埋沼气中产生的温室气体排放量,提出卫生填埋沼气具有巨大的回收利用潜能。并针对卫生填埋、堆肥、焚烧这3种常见的垃圾处理方式,提出了利用垃圾焚烧回收能源、对有机垃圾进行厌氧消化、收集并利用沼气发电等一系列温室气体减排措施。J.Bogner等[24]使用“IPCC1996指南”推荐方法研究了1980~1996年全球卫生填埋场每年的CH4排放量和CH4回收利用情况,研究结果显示,美国和一些发达国家的CH4回收率逐年增长,而CH4排放量在逐年减少。潘玲阳等[25]选用“IPCC1996指南”法,研究了北京市生活垃圾在卫生填埋、堆肥和焚烧处理过程中,直接或间接产生的温室气体排放量。结果表明,随着北京市生活垃圾产量的逐年增加,由此引起的温室气体排放量也显著增加;如果对卫生填埋产生的大量CH4加以利用可以明显提高减排能力。Wang等[26]采用“IPCC2006指南”计算了2003年至2012年中国31个省市生活垃圾的碳排放量,得出堆肥法产生的碳排放量最少,卫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

该方法通过对基础数据的收集整理,可以方便的比较不同来源数据之间的结构性差异。Manfredi等[27]利用UOD方法对发达国家卫生填埋法产生的温室气体排放规律进行了研究,确定了利用该方法在表达数据结构性方面的用途。何品晶等[28]利用UOD法,研究了上海市生活垃圾焚烧发电过程中的温室气体排放规律。发现生活垃圾中化石碳的焚烧是温室气体产生的主要原因,减少焚烧过程中辅助物料的用量,并调整炉渣的最终处置方法可以促进温室气体的减排。

3结论

城市生活垃圾的组成受多种因素的影响,在不同的处理过程中进行碳排放预测计算有一定的难度。合理运用多种模型对其进行预测的同时并加以比对,可以增加生活垃圾排放过程中的碳排放核算的准确性,从而对有效降低生活垃圾处理碳排放进行科学、合理的指导和统筹。

作者:卢鹏 彭莉 丁社光 季雨晴 杨凌 傅敏 单位:重庆工商大学

生活垃圾处理处置碳排放核算模型

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