西安市生活垃圾處理溫室氣體排放及減排策略

郝 麗 孫 嫻 姜創(chuàng)業(yè) 鞏祥夫

(陜西省氣候中心，陜西西安710015)

隨著人口增長、城市化進程加快以及經(jīng)濟發(fā)展水平的不斷提高，城市生活垃圾的產(chǎn)生量日益增多，垃圾處理不僅影響居民的生活環(huán)境質(zhì)量，而且還關(guān)系到溫室氣體排放。政府間氣候變化專門委員會(IPCC)發(fā)布的《氣候變化2007綜合報告》［1］中，明確將廢棄物作為一個獨立對象來計算其溫室氣體排放量。我國政府高度重視由生活垃圾處理引起的溫室氣體排放，并在2007年編制的《中國應對氣候變化國家方案》中將加強城市垃圾管理作為減緩溫室氣體排放的重點領(lǐng)域之一［2］。目前，我國對垃圾的處理通常采取填埋、焚燒和堆肥三種方式，其中填埋是我國城市生活垃圾處理的主要方式［3］。在填埋處理過程中垃圾中的有機物將發(fā)生厭氧分解，主要產(chǎn)生CH4和CO2兩種溫室氣體，占90%以上。CH4是一種重要的溫室氣體，雖然在大氣中的含量遠低于CO2，但其百年全球增溫潛勢值為CO2的25倍［4］。因此生活垃圾填埋處理產(chǎn)生的溫室氣體排放會對氣候產(chǎn)生長期影響，并已受到廣泛關(guān)注。

目前，針對生活垃圾處理溫室氣體排放研究，國內(nèi)專家開展了多項研究。例如:全球環(huán)境基金(GEF)項目的分報告之一《1990年中國溫室氣體控制源與匯估算》［5］;“UNDP/GEF中國初始國家信息通報”項目5－《中國城市廢棄物溫室氣體排放清單編制》［6］;高慶先等采用 IPCC提供方法研究中國生活垃圾的排放現(xiàn)狀［7］。以上研究在計算生活垃圾處理碳排放方面，大多是通過采樣或假設(shè)獲得垃圾物理組成后進行計算，但也有部分學者將運輸過程車輛燃油納入計算范圍，將整個垃圾的收運和處理過程看作一個生命周期，對不同處理方式進行物質(zhì)能量輸入輸出的計算和比較。

本文以2002－2010年西安市市容環(huán)境衛(wèi)生數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計算西安市生活垃圾運輸和處理過程中的直接和間接溫室氣體排放量。直接排放是指衛(wèi)生填埋、堆肥和焚燒過程垃圾中的碳或氮轉(zhuǎn)化成溫室氣體排放的總量并折算成CO2排放當量;間接排放則指垃圾運輸過程車輛燃油消耗、處理廠運行耗能(主要是電)以及填埋氣回收利用排放的CO2當量。

1 生活垃圾直接溫室氣體排放

1.1 數(shù)據(jù)與方法

生活垃圾填埋量來源于《陜西省城市建設(shè)年報》［8］，西安市生活垃圾填埋量見表1;生活垃圾組分為環(huán)衛(wèi)部門資料;用于發(fā)電的CH4量來源于威立雅環(huán)境服務(wù)公司;估算溫室氣體排放量的排放因子參數(shù)主要參考《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》［9］(以下簡稱《2006年IPCC指南》)。

填埋氣的主要成分是CH4和CO2，各占50%左右，其他氣體如 O2、N2、H2S、烷烴和芳烴等含量極少［10］，可用如下方法計算填埋氣中CH4和CO2的排放量［11］:

表1 西安市生活垃圾填埋量

式中，ELi指垃圾填埋場CH4(或CO2)排放量(萬t/年);MSWL為城市生活垃圾填埋量;DOC為垃圾中可降解有機碳含量(%);r為垃圾中可降解有機碳的分解百分率，取IPCC推薦值50%［9］;50%指CH4(或CO2)在填埋氣中的比例，取IPCC推薦值50%［12］;Mi為 CH4(或 CO2)的分子量;12為C的分子量。

式中:DOC為垃圾中可降解有機碳的百分比;DOCi為垃圾各組分i中可降解有機碳的百分比;Wi為垃圾中第i類組分的百分比。生活垃圾組分數(shù)據(jù)出自環(huán)衛(wèi)部門。玻璃、金屬、磚石、渣土和煤灰中幾乎不含DOC，故未在表1中列出，各組分的DOCi含量為IPCC推薦值［12］，通過公式2計算得出填埋垃圾的DOC為12.5%(表2)。

表2 生活垃圾中可降解有機物組成及其可降解有機碳(DOC)比例(%)

1.2 結(jié)果與分析

圖1 西安市生活垃圾填埋溫室氣體直接排放量

圖1為2002－2010年西安市生活垃圾填埋產(chǎn)生的CH4和CO2的排放量，表明填埋產(chǎn)生的CH4和CO2量在2002－2007年變化不大，2007－2010年逐年遞增，2002年CH4排放量為5.10萬t，CO2排放量為14.03萬 t，到2010年，分別為8.40萬 t和23.09萬t，相當于大約93萬t標準煤燃燒的排放(圖1)。純CH4具較高的發(fā)熱量，是較好的清潔能源，2010年西安填埋場排放的CH4發(fā)熱量相當于約7萬t管道煤氣，存在著較大的節(jié)能減排潛力。

2 生活垃圾間接溫室氣體排放

2.1 能耗

2.1.1 中轉(zhuǎn)站到垃圾填埋場運輸過程

研究表明［12］，垃圾清運過程能耗極少，根據(jù)《PAS2050規(guī)范》產(chǎn)生CO2量小于1%的過程，可忽略不計。本文以公式(3)估算垃圾從中轉(zhuǎn)站運輸?shù)教盥駡鲞^程的溫室氣體排放量:

Etr為運輸過程車輛的CO2排放量(t)，Cdiesel為車輛勻速行駛時的柴油消耗(L/km)，Ti為運往填埋場的生活垃圾總量(t)，Lc為每輛車的裝載垃圾量t/車，Dai為填埋場的服務(wù)距離(km)，2為環(huán)衛(wèi)車輛的來回，不計滿載與空載的燃油差異，γ為柴油的CO2排放因子，取69.7kg/MJ，θ為柴油的能源密度因子，取 38.6MJ/L［13］。

在計算運輸過程的溫室氣體排放時，運往填埋場的生活垃圾總量見表1，所用車輛為10t大卡車，百公里油耗為35L。根據(jù)公式3計算得出運輸過程中排放的CO2總量在2002－2005年變化不大，2005－2010年逐年遞增明顯(見圖2)。

2.1.2 垃圾填埋過程能耗

垃圾運到填埋場后，需要出料裝載機、推土機、填埋壓實機和挖掘機等對其進行填埋壓實，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，其所使用的機械與蘇州市垃圾填埋場所用機型一致。朱文婷［14］根據(jù)蘇州市垃圾填埋場現(xiàn)場統(tǒng)計數(shù)據(jù)，得到這些機械的油耗數(shù)據(jù):出料裝載機 0.73L/t，推土機 0.65L/t，填埋壓實機 0.22L/t，挖掘機 0.27L/t，從而得到填埋場的機械總耗油為1.87L/t。根據(jù)西安市生活垃圾填埋總量及各種機械油耗數(shù)據(jù)得出填埋過程能耗，然后根據(jù)公式3計算得出垃圾填埋過程排放CO2總量并列于圖2。垃圾填埋過程中排放的CO2總量受垃圾處理總量影響較大，其變化趨勢與垃圾總量變化一致，2005－2010年垃圾處理總量增長明顯，故垃圾填埋過程中由于能耗問題產(chǎn)生的CO2總量增長較明顯(見圖2)。

2.2 垃圾中轉(zhuǎn)站電耗

垃圾中轉(zhuǎn)站處理設(shè)施運行中消耗的能源主要是電能，

圖2 西安市生活垃圾填埋間接溫室氣體排放

根據(jù)李雯婧等［15］的研究結(jié)果，該過程每壓縮1t垃圾用電 1.92kWh，采用《省級溫室氣體清單編制指南》［16］推薦的西北區(qū)域電網(wǎng)CO2排放系數(shù)0.977kg/kWh，根據(jù)西安市垃圾中轉(zhuǎn)站填埋垃圾總量，計算得出垃圾中轉(zhuǎn)站處理間接排放的CO2量。垃圾中轉(zhuǎn)站電耗產(chǎn)生的間接CO2排放較其他間接排放的CO2較少，垃圾中轉(zhuǎn)站電耗產(chǎn)生的間接CO2排放在2002－2010年緩慢增大且在0.2－0.4萬t之間(圖2)。

2.3 沼氣發(fā)電站溫室氣體減排

根據(jù)2002－2010年垃圾填埋場沼氣發(fā)電量及用于發(fā)電消耗的CH4量，采用《省級溫室氣體清單編制指南》［19］推薦的西北區(qū)域電網(wǎng)CO2排放系數(shù)0.977kg/kWh，計算得出2002－2010年所發(fā)電量間接CO2減排量，并且根據(jù)用于發(fā)電的CH4按照其百年全球增溫潛勢值為CO2的25倍［5］，將這兩部分相加作為沼氣發(fā)電站溫室氣體減排量，這部分算作匯從垃圾產(chǎn)生CO2中減去。由表3可知:江村溝垃圾填埋場沼氣發(fā)電站2003年12月正式投產(chǎn)運行，其2002年和2003年CO2減排量為0，隨著垃圾填埋量的增大和發(fā)電機組的增加，2005－2010年間沼氣站發(fā)電量增大，由此引起的CO2減排量從2004年的18.56萬t增大到2010年的52.74萬t，增大近3倍，其減排成績顯著，盡管如此，西安市生活垃圾填埋氣的絕大部分都釋放到環(huán)境中，僅30%的沼氣回收利用發(fā)電，西安市生活垃圾處理仍存在很大的節(jié)能減排空間。

表3 2002－2010年西安市沼氣發(fā)電廠CH4回收量及溫室氣體排放量

3 結(jié)論與討論

3.1 生活垃圾溫室氣體排放

本文計算了2002－2010年西安市生活垃圾處理的直接和間接溫室氣體排放量，計算結(jié)果分別按照CO2排放當量合計后列于表4，可看出:西安市生活垃圾處理溫室氣體直接排放量逐年遞增，間接排放量為負值，為溫室氣體匯，其絕對值逐年遞增，這是由于沼氣發(fā)電減排溫室氣體量作為匯抵消了其他間接過程的溫室氣體排放量。西安市生活垃圾溫室氣體排放量從2002年143.02萬tCO2當量增加到2010年182.73萬t左右，而2004－2008年排放量呈下降趨勢，這是由于江村溝垃圾發(fā)電場減排溫室氣體引起，2009年和2010年溫室氣體排放增大，是由于生活垃圾產(chǎn)量和填埋量的明顯增大引起。

表4 2002－2010年西安市生活垃圾溫室氣體排放 單位:萬t CO2當量

3.2 節(jié)能減排策略

2010年由于填埋氣回收發(fā)電，西安市的溫室氣體排放量由233.03萬 t減少到182.73萬 t，減排了 21.59%左右。而發(fā)達國家廢棄物領(lǐng)域減排潛力很大，部分國家衛(wèi)生填埋減排量占其領(lǐng)域減排總量的70%以上［17］。從節(jié)能減排角度考慮，西安市廢棄物領(lǐng)域還存在很大節(jié)能減排空間，因此應加快填埋氣收集利用技術(shù)的發(fā)展。垃圾填埋場CH4減排的方式主要有自然減排與人工減排。西安市目前的衛(wèi)生填埋是自然減排的主要方式。人工減排的主要措施包括:①增加具有完善管理和沼氣收集系統(tǒng)的衛(wèi)生填埋場比例;②有機成分的厭氧填埋處理是垃圾填埋場產(chǎn)生溫室氣體的重要來源，所以可以將填埋構(gòu)造由厭氧型改為半好氧型或滲濾液回灌的半好氧型，研究表明，與厭氧型填埋相比，半好氧型或滲濾液回灌的半好氧型填埋可分別降低CH4排放60%和80%［18］;③在生活垃圾填埋前，進行好氧穩(wěn)定預處理，減少填埋過程的CH4和滲濾液排放。④西安市垃圾分類系統(tǒng)比較薄弱，因此應加大衛(wèi)生填埋的垃圾分類以及回收利用力度;⑤西安市生活垃圾增加量較大，而國外其卻逐漸減少，因此從源頭抓起，最大程度地減少垃圾產(chǎn)生量，是走低碳之路必然之選。

(編輯:張 英)

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