城市生活垃圾分類收運(yùn)系統(tǒng)的碳足跡分析與碳減排策略

引言

城市生活垃圾收運(yùn)系統(tǒng)包含收集和轉(zhuǎn)運(yùn)車輛、轉(zhuǎn)運(yùn)站設(shè)施等部分，是連接生活垃圾產(chǎn)生源頭和終端處理設(shè)施的中間環(huán)節(jié)，因其建設(shè)和運(yùn)行過(guò)程投入較大、操作過(guò)程復(fù)雜，已成為城市生活垃圾管理系統(tǒng)中非常重要的一部分。對(duì)于超特大城市而言，生活垃圾收運(yùn)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用約占總處理費(fèi)用的50%，是地方環(huán)衛(wèi)部門的主要財(cái)政支出類型。應(yīng)對(duì)氣候變化是當(dāng)今時(shí)代的“根本性問(wèn)題”，各國(guó)已對(duì)積極應(yīng)對(duì)氣候變化基本達(dá)成共識(shí)，占世界經(jīng)濟(jì)70％和全球二氧化碳排放65％的國(guó)家已承諾將盡快實(shí)現(xiàn)凈零排放。2020年9月，習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論中宣布，我國(guó)將力爭(zhēng)在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。2021年11月，習(xí)近平主席向《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》第二十六次締約方大會(huì)（COP26）世界領(lǐng)導(dǎo)人峰會(huì)發(fā)表書面致辭，就如何應(yīng)對(duì)氣候變化、推動(dòng)世界經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇等重大時(shí)代課題貢獻(xiàn)了中國(guó)方案，提出維護(hù)多邊共識(shí)、聚焦務(wù)實(shí)行動(dòng)、加速綠色轉(zhuǎn)型等主張。我國(guó)各行業(yè)對(duì)于綠色低碳轉(zhuǎn)型的需要也越發(fā)迫切。

生活垃圾分類暫存、收運(yùn)和壓縮等過(guò)程均會(huì)產(chǎn)生直接和間接的溫室氣體排放，由于監(jiān)測(cè)方法和本土化數(shù)據(jù)的欠缺，聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）推薦的國(guó)家溫室氣體核算框架固廢章節(jié)，僅考慮了末端處置環(huán)節(jié)的碳排放，尚未建立全生命周期下的垃圾管理系統(tǒng)碳排放核算方法。目前，生活垃圾收運(yùn)系統(tǒng)的規(guī)劃和建設(shè)階段，尚未全面開展碳排放和碳減排考核，也少有從碳排放的角度衡量垃圾分類、分類收運(yùn)環(huán)境效益的研究。目前關(guān)于生活垃圾收運(yùn)系統(tǒng)主要構(gòu)成要素、全生命周期相關(guān)的碳排放的定量研究還較為欠缺，尤其是本土化數(shù)據(jù)還較為欠缺。因此，本研究以中新天津生態(tài)城生活垃圾收運(yùn)系統(tǒng)作為典型案例，通過(guò)實(shí)際調(diào)研獲得本土化參數(shù)，構(gòu)建了城市生活垃圾不同收運(yùn)模式下的輸入—輸出清單，運(yùn)用GaBi等專業(yè)生命周期評(píng)價(jià)軟件，Eco-invent和CAS-RCEES專業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)，解析了車輛直運(yùn)、中轉(zhuǎn)站轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)、氣力管道運(yùn)輸系統(tǒng)全過(guò)程的碳排放，為我國(guó)環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供了科學(xué)依據(jù)和決策支撐。

一、城市生活垃圾收運(yùn)系統(tǒng)分析

中新天津生態(tài)城坐落于天津市濱海新區(qū)北部，毗鄰天津經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)、天津港、海濱休閑旅游區(qū)，距天津中心城區(qū)45千米，總面積約31.23平方千米，規(guī)劃居住人口為35萬(wàn)，是中國(guó)和新加坡兩國(guó)的戰(zhàn)略合作項(xiàng)目，規(guī)劃建設(shè)其成為資源節(jié)約、環(huán)境友好和社會(huì)和諧的生態(tài)城。2013年年底，濱海旅游區(qū)和中心漁港經(jīng)濟(jì)區(qū)并入中新天津生態(tài)城管轄范圍，其管轄范圍增至約150平方千米。中新天津生態(tài)城將垃圾分類和真空管道收集技術(shù)結(jié)合，建立起不同于傳統(tǒng)車輛收運(yùn)的新型收運(yùn)模式。本文的研究區(qū)域?yàn)樘旖蛑行律鷳B(tài)城規(guī)劃管理范圍，面積150平方千米，包括生態(tài)城合作區(qū)和濱海旅游區(qū)等非合作區(qū)。生態(tài)城合作區(qū)普遍采用真空管道收運(yùn)垃圾，其南部地區(qū)為建成區(qū)域，現(xiàn)有常住人口約10萬(wàn)人，已建設(shè)運(yùn)行的生活垃圾氣力運(yùn)輸管道共5套；生態(tài)城非合作區(qū)建成區(qū)主要集中在東南部地區(qū)，采用常規(guī)生活垃圾收運(yùn)方式。真空管道收集系統(tǒng)為居民端的垃圾分類投放、收集提供了更便利的方式，但是其建設(shè)和運(yùn)行仍需要大量物料和能源投入，其綜合環(huán)境績(jī)效也一直受到行業(yè)關(guān)注。

（一）城市生活垃圾產(chǎn)生現(xiàn)狀

城市生活垃圾產(chǎn)生量受社會(huì)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、收入水平、消費(fèi)和使用習(xí)慣的影響。2020年，中新天津生態(tài)城生活垃圾總清運(yùn)量為31 407 t，其中生活垃圾、廚余垃圾、可回收物和有害垃圾產(chǎn)生量分別為27 702 t、2427 t、1204 t和73 t（表1）。其中，合作區(qū)內(nèi)已推廣建設(shè)眾多垃圾分類精品小區(qū)，垃圾收運(yùn)采用分類收運(yùn)；根據(jù)建成區(qū)區(qū)位和系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況調(diào)查，生活垃圾直運(yùn)仍是主要的清運(yùn)方式。

根據(jù)2020年《中新天津生態(tài)城生活垃圾成分調(diào)查與分析》，廚余類垃圾組分占比最大，廚余、紙類和橡塑類3個(gè)類別的含量超過(guò)了中新天津生態(tài)城生活垃圾總量的90%，其他類別合計(jì)占比不足10%（圖1）。

（二）城市生活垃圾收運(yùn)系統(tǒng)現(xiàn)狀

生活垃圾收運(yùn)系統(tǒng)與垃圾產(chǎn)生特征、管理方式和終端處理設(shè)施相關(guān)，可分為以下方式：（1）直運(yùn)方式，即生活垃圾自居民區(qū)等地產(chǎn)生后直接由運(yùn)輸車輛收集運(yùn)送到終端處理設(shè)施處理處置的過(guò)程；（2）轉(zhuǎn)運(yùn)方式，包括地埋式轉(zhuǎn)運(yùn)站、普通轉(zhuǎn)運(yùn)站等，即生活垃圾自居民區(qū)等產(chǎn)生源產(chǎn)生后先由物業(yè)、環(huán)衛(wèi)等單位收集轉(zhuǎn)運(yùn)到中轉(zhuǎn)設(shè)施，經(jīng)過(guò)壓縮等再運(yùn)輸?shù)浇K端處理設(shè)施；（3）氣力管道運(yùn)輸＋轉(zhuǎn)運(yùn)體系，即在前端通過(guò)氣力管道收集運(yùn)輸生活垃圾到中央收集站，而后經(jīng)過(guò)壓縮等處理后再通過(guò)車輛運(yùn)輸?shù)浇K端處理設(shè)施。前兩者是我國(guó)目前主要的生活垃圾收運(yùn)體系形式，后者為近些年發(fā)展起來(lái)的新型收運(yùn)方式，主要在中新天津生態(tài)城、北京市通州區(qū)、雄安新區(qū)和蘇州市吳中區(qū)等地應(yīng)用。

中新天津生態(tài)城多數(shù)建成區(qū)域已被真空管道收運(yùn)范圍覆蓋，每套管道系統(tǒng)包括中央收集站、公共管網(wǎng)和物業(yè)管網(wǎng)，包括居民區(qū)、商業(yè)區(qū)等。2018—2020年，生活垃圾氣力運(yùn)輸?shù)臄?shù)量分別占當(dāng)年生活垃圾清運(yùn)總量的19.70%、30.59%和17.6%。氣力管道運(yùn)輸主要服務(wù)于社區(qū)分類后的生活垃圾（圖2）。

中新天津生態(tài)城尚有氣力管道未覆蓋的區(qū)域，通常采用直運(yùn)方式收運(yùn)垃圾，據(jù)調(diào)研，車輛直運(yùn)線路共6條，針對(duì)服務(wù)區(qū)域的其他垃圾進(jìn)行收運(yùn)（圖3）。臨海新城區(qū)域已建成1座地埋式垃圾收集站，周邊區(qū)域的生活垃圾由物業(yè)人員駕駛收運(yùn)車輛送往該收集站，之后由運(yùn)輸車輛統(tǒng)一運(yùn)往垃圾處理廠。廚余垃圾則全部采用直運(yùn)方式，日產(chǎn)日清，最終運(yùn)至廚余垃圾處理廠進(jìn)行統(tǒng)一處理。對(duì)于可回收垃圾和有害垃圾，主要采用直運(yùn)方式分別送往生態(tài)城外資源回收和有害垃圾處置企業(yè)。

二、城市生活垃圾收運(yùn)系統(tǒng)的碳足跡及減排策略研究

（一）生活垃圾收運(yùn)系統(tǒng)的碳排放定義

根據(jù)IPCC的范疇劃分，生活垃圾收運(yùn)過(guò)程的碳足跡包括以下內(nèi)容：（1）生活垃圾在暫存和收運(yùn)過(guò)程中由于自身降解而產(chǎn)生的碳排放，主要是來(lái)源于廚余垃圾，其在微生物作用下產(chǎn)生甲烷和氧化亞氮等溫室氣體；（2）化石能源燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的溫室氣體排放，主要是由于以化石能源為動(dòng)力的收運(yùn)車輛在收運(yùn)行駛過(guò)程中因燃燒而產(chǎn)生的直接碳排放；（3）消耗能源生產(chǎn)過(guò)程中的碳排放，指生活垃圾收運(yùn)過(guò)程所消耗的能源（包括電能、化石能源等）在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的碳排放；（4）其他物質(zhì)投入所隱含的碳排放，主要指收運(yùn)車輛生產(chǎn)、氣力收運(yùn)管道鋼材生產(chǎn)以及相關(guān)收運(yùn)設(shè)備生產(chǎn)過(guò)程和建筑材料的生產(chǎn)消耗等過(guò)程的碳排放；（5）物料循環(huán)利用產(chǎn)生的碳排放削減，主要指收運(yùn)車輛和氣力管道報(bào)廢后對(duì)其部分鋼材的循環(huán)利用替代了原生材料生產(chǎn)過(guò)程而產(chǎn)生的碳排放削減。

現(xiàn)有的垃圾收運(yùn)方式主要包括：小區(qū)電瓶車收集＋車輛直運(yùn)、小區(qū)電瓶車收集＋轉(zhuǎn)運(yùn)站壓縮＋車輛運(yùn)輸、真空管道收集＋中央收集站壓縮＋車輛運(yùn)輸。以當(dāng)前中新天津生態(tài)城建成區(qū)為案例開展研究，通過(guò)與環(huán)衛(wèi)主管和規(guī)劃部門的資料調(diào)研獲得2020年區(qū)域內(nèi)生活垃圾產(chǎn)生量及組分、處理處置設(shè)施位置、運(yùn)輸車輛、氣力運(yùn)輸管道和中央收集站等詳細(xì)資料，構(gòu)建了收運(yùn)系統(tǒng)的輸入—輸出清單。

通過(guò)Eco-invent、CAS-RCEES等數(shù)據(jù)庫(kù)和實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù)結(jié)合，核算物料投入、設(shè)備生產(chǎn)和運(yùn)行等過(guò)程的碳排放。通過(guò)調(diào)研和資料收集等方法獲得樣點(diǎn)的生活垃圾產(chǎn)生量、組分等特征，測(cè)算生活垃圾清運(yùn)過(guò)程的直接碳排放，分析垃圾暫存、運(yùn)輸和壓縮過(guò)程產(chǎn)生的CO2、CH4和N2O等溫室氣體排放。

對(duì)于生活垃圾中有機(jī)垃圾暫存和運(yùn)輸過(guò)程的自身排放，計(jì)算方式如式（1）所示。

式中，GHG'表示暫存過(guò)程的碳排放總量，CO2-eq/d；Fe表示單位質(zhì)量有機(jī)垃圾暫存過(guò)程的溫室氣體排放，CO2-eq/d；M表示生活垃圾每天的清運(yùn)量，t/d；Co表示生活垃圾中的有機(jī)垃圾組分占比，%。

對(duì)于直運(yùn)模式，碳排放核算方式如式（2）所示。

式中，" " " " "表示直運(yùn)過(guò)程的碳排放總量，CO2-eq/d；GHG'表示生活垃圾自身收運(yùn)過(guò)程的碳排放，取18.99 CO2-eq/d；Mi表示第i個(gè)生活垃圾直運(yùn)車一天收運(yùn)的垃圾數(shù)量，kg/d；Si表示第i個(gè)生活垃圾直運(yùn)車的行駛距離，km；" " 表示垃圾收運(yùn)車運(yùn)輸單位質(zhì)量生活垃圾單位距離的碳排放，kgCO2-eq/（kg·km），柴油生產(chǎn)和燃燒系數(shù)取1.21 kgCO2-eq/L；" " " 表示垃圾收運(yùn)車生命周期內(nèi)的碳排放強(qiáng)度，取3.019 kgCO2-eq/kg。

對(duì)于轉(zhuǎn)運(yùn)模式，碳排放核算方式如式（3）所示。

式中，" " " " "表示中轉(zhuǎn)運(yùn)輸部分的碳排放總量，CO2-eq；Mi表示第i個(gè)收集車一天收集的垃圾數(shù)量，kg；Si表示第i個(gè)收集車一天的行駛距離，km；" " " "表示收集車運(yùn)輸過(guò)程的碳排放強(qiáng)度，kgCO2-eq/d，柴油生產(chǎn)和燃燒系數(shù)取1.21 kgCO2-eq/L；" " " 表示收集車生命周期內(nèi)的碳排放強(qiáng)度，取3.019 kgCO2-eq/d；" " " 表示第j個(gè)中轉(zhuǎn)站的運(yùn)行過(guò)程的碳排放強(qiáng)度，電力系數(shù)取0.55 kgCO2-eq/d；" " "表示第j個(gè)中轉(zhuǎn)站的生命周期內(nèi)的碳排放（折算到服務(wù)的單位質(zhì)量生活垃圾），取4.474 kgCO2-eq/d；Mj表示第j個(gè)中轉(zhuǎn)站的生活垃圾中轉(zhuǎn)量，t；Sj表示第j個(gè)生活垃圾運(yùn)輸車一天的行駛距離，km；" " " "表示垃圾收運(yùn)車運(yùn)輸單位質(zhì)量生活垃圾的碳排放強(qiáng)度，柴油生產(chǎn)和燃燒系數(shù)取1.21 kgCO2-eq/d；" " " 表示垃圾收運(yùn)車生命周期內(nèi)的碳排放強(qiáng)度（折算到運(yùn)輸每噸生活垃圾），取3.019 kgCO2-eq/d。

對(duì)于氣力運(yùn)輸模式，碳排放核算方式如式（4）所示。

式中，" " " "表示氣力系統(tǒng)收集部分的碳排放總量，CO2-eq；" " 表示氣力運(yùn)輸管道的長(zhǎng)度，km；" " "表示單位長(zhǎng)度管道的碳排放強(qiáng)度，取298.95 kgCO2-eq/m；Mk表示第k個(gè)中央收集站一天中轉(zhuǎn)的垃圾數(shù)量，t/d；" " "表示第k個(gè)中央收集站的噸均碳排放，kgCO2-eq/t；" " 表示第k個(gè)中央收集站的生命周期內(nèi)的碳排放，取102.22 kgCO2-eq/d；Mj表示第j個(gè)生活垃圾運(yùn)輸車一天運(yùn)輸?shù)睦鴶?shù)量，t/d；Sj表示第j個(gè)生活垃圾運(yùn)輸車一天的行駛距離，km/d；" " "表示生活垃圾運(yùn)輸車運(yùn)輸單位距離的碳排放強(qiáng)度，kgCO2-eq/km；" " "表示生活垃圾運(yùn)輸車生命周期內(nèi)的碳排放強(qiáng)度（折算到運(yùn)輸單位距離），取6.48 kgCO2-eq/km。

（二）生活垃圾收運(yùn)系統(tǒng)的碳足跡結(jié)果

中新天津生態(tài)城的生活垃圾收運(yùn)系統(tǒng)的碳足跡核算結(jié)果如表2所示，生活垃圾收運(yùn)系統(tǒng)的碳足跡分配比例中，占比最高的其他垃圾氣力運(yùn)輸系統(tǒng)碳足跡為2 490.34 kgCO2-eq/d，占比82.8%；其他垃圾直運(yùn)過(guò)程的碳足跡為142.90 kgCO2-eq/d，占比4.7%；其他垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程的碳足跡為130.19 kgCO2-eq/d，占比為4.3%。

小區(qū)收集階段和餐廚垃圾收運(yùn)的碳排放較為接近，分別為95.55 kgCO2-eq/d和98.20 kgCO2-eq/d，占比分別為3.2%和3.3%。除此之外，有機(jī)垃圾的直接碳排放、可回收物收運(yùn)和有害垃圾收運(yùn)這三部分的潛在碳排放，僅占生活垃圾收運(yùn)系統(tǒng)總體碳排放的1.6%。

對(duì)氣力運(yùn)輸系統(tǒng)的碳足跡進(jìn)行分解如圖4所示，可以被分解為五個(gè)部分，分別為管道生產(chǎn)和報(bào)廢（133.33 kgCO2-eq/d）、氣力站建設(shè)和報(bào)廢（102.22 kgCO2-eq/d）、氣力站運(yùn)行（2200 kgCO2-eq/d）、轉(zhuǎn)運(yùn)車生產(chǎn)和報(bào)廢（12.93 kgCO2-eq/d）、轉(zhuǎn)運(yùn)車運(yùn)輸（41.57 kgCO2-eq/d）。氣力站運(yùn)行過(guò)程的碳足跡占比超過(guò)氣力收運(yùn)系統(tǒng)總碳足跡的80%，其中電力消耗貢獻(xiàn)了大部分。這與氣力收集站引風(fēng)、分離、除臭等設(shè)備較高的電力能源消耗有關(guān)。由此可見，能源結(jié)構(gòu)的清潔化轉(zhuǎn)變，是未來(lái)降低氣力收運(yùn)系統(tǒng)碳排放的關(guān)鍵措施。

（三）生活垃圾收運(yùn)系統(tǒng)的碳減排對(duì)策

（1）垃圾收運(yùn)系統(tǒng)的碳排放是值得關(guān)注的問(wèn)題。全生命周期視角下，需要考慮建設(shè)、運(yùn)行全生命周期的直接排放和間接排放，影響垃圾收運(yùn)過(guò)程碳排放的因素包括收運(yùn)車輛行駛過(guò)程產(chǎn)生的燃料直接碳排放，環(huán)衛(wèi)場(chǎng)站設(shè)施運(yùn)行能耗及相關(guān)車輛、場(chǎng)站生產(chǎn)、建設(shè)、報(bào)廢等階段的碳排放。

（2）相對(duì)于轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)施投入，多站轉(zhuǎn)運(yùn)和少站轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中運(yùn)輸車輛和收運(yùn)距離差異導(dǎo)致的碳排放變化不顯著，二者碳排放的主要差距集中于轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)施的建設(shè)和轉(zhuǎn)運(yùn)站運(yùn)行過(guò)程的能源物質(zhì)消耗。因此，在進(jìn)行環(huán)衛(wèi)規(guī)劃時(shí)，可從收運(yùn)系統(tǒng)全周期碳足跡的角度出發(fā)，對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)站進(jìn)行優(yōu)化布局，并尋求低碳建材、綠色建筑以及降低轉(zhuǎn)運(yùn)站能耗等方式減少碳排放。

（3）直運(yùn)方式取消了轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)節(jié)過(guò)程，相對(duì)于轉(zhuǎn)運(yùn)方式減少了運(yùn)輸車輛和轉(zhuǎn)運(yùn)站設(shè)施的使用。因此，對(duì)于距離終端處理處置廠相對(duì)較近的區(qū)域，宜采用直運(yùn)方式進(jìn)行垃圾收運(yùn)，以減少轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)節(jié)中環(huán)衛(wèi)車輛、轉(zhuǎn)運(yùn)建筑建設(shè)、運(yùn)營(yíng)過(guò)程的碳排放。還可以通過(guò)投入電力、氫燃料電池、生物柴油等清潔能源車輛，進(jìn)一步降低直運(yùn)環(huán)節(jié)的碳足跡。

（4）與常規(guī)的轉(zhuǎn)運(yùn)和直運(yùn)方式相比，氣力管道收運(yùn)系統(tǒng)在收運(yùn)階段采用真空管道代替了車輛，減少了城市道路交通負(fù)荷。但是，氣力收運(yùn)系統(tǒng)在場(chǎng)站規(guī)模、建設(shè)運(yùn)行費(fèi)用、總體碳排方面仍有較大改進(jìn)空間。特別是場(chǎng)站運(yùn)行的電力消耗是造成其碳排放的主要因素，建議通過(guò)智能技術(shù)改造、負(fù)壓系統(tǒng)能效提升、綠電使用等方式，降低系統(tǒng)的整體碳排放。

三、展望

城市人口密度、開發(fā)強(qiáng)度、發(fā)展階段等社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素和區(qū)位，都會(huì)對(duì)收運(yùn)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，在高強(qiáng)度開發(fā)區(qū)域用地緊張情況下，需要因地制宜地選擇垃圾收運(yùn)方式，并將碳足跡作為績(jī)效指標(biāo)。本研究以中新天津生態(tài)城為例，分析了基于化石能源消耗的車輛收運(yùn)，以及基于電能消耗的氣力管道收運(yùn)等不同垃圾收運(yùn)方式下碳足跡的差異。研究表明，垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站的設(shè)施設(shè)備建設(shè)、氣力管道輸送系統(tǒng)的運(yùn)行電耗、垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)車輛油耗是主要的碳排放來(lái)源，建議采用優(yōu)化轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)施布局、使用新能源車輛、提升氣力輸送系統(tǒng)能效等方式，降低城市垃圾分類收運(yùn)系統(tǒng)的碳足跡水平。

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（責(zé)任編輯：張秋辰）