村镇生活垃圾不同处置模式下...比研究——以湖北埠河镇为例_淦方茂.pdf

村镇生活垃圾不同处置模式下温室气体排放潜力对比研究*以湖北埠河镇为例淦方茂1，吴莉鑫2，虞文波2，胡广2，惠二青1，郭帅2（1.长江生态环保集团有限公司，湖北武汉430062；2.华中科技大学 环境科学与工程学院，湖北武汉430074）【摘要】采用政府间气候变化专门委员会（IPCC）清单指南联合生命周期评价（LCA）方法，对我国村镇生活垃圾厌氧填埋、微好氧填埋、堆肥和焚烧 4 种处置工艺下的主要温室气体排放潜力进行对比分析。结果表明，每吨村镇生活垃圾处置工艺的温室气体排放潜力从大到小依次为：厌氧填埋（1 324.72 kgCO2eq）微好氧填埋（34.97kgCO2eq）焚烧（1.85 kgCO2eq）堆肥（-106.03 kgCO2eq）。厌氧填埋的温室气体主要来自厌氧降解产生的CH4；微好氧填埋的温室气体主要来自厌氧-好氧降解产生的 N2O；堆肥产生的温室气体主要来自生物降解过程产生的 CH4和 N2O，而堆肥产品的再利用能够有效抵消部分温室气体排放；焚烧的温室气体主要来自焚烧过程化石碳转化生成的 CO2和焚烧厂运行过程的间接排放，上网发电能有效减少温室气体排放。【关键词】村镇生活垃圾；处置工艺；温室气体排放潜力；政府间气候变化专门委员会（IPCC）；生命周期评价（LCA）中图分类号：X799.3文献标识码：A文章编号：1005-8206（2023）01-0112-07DOI：10.19841/ki.hjwsgc.2023.01.018Comparative Study on Greenhouse Gas Emission Potential of Different Disposal Modes of Rural Domestic Waste：A Case Study of Buhe Town，Hubei ProvinceGAN Fangmao1，WU Lixin2，YU Wenbo2，HU Guang2，HUI Erqing1，GUO Shuai2（1.Yangtze Ecology and Environment Co.Ltd.，Wuhan Hubei430062；2.School of Environmental Science andEngineering，Huazhong University of Science and Technology，WuhanHubei430074）【Abstract】The greenhouse gas（GHG）emission potential of four disposal processes of anaerobic landfill，micro-aerobic landfill，composting and incineration of rural domestic waste were compared and analyzed via the intergovernmentalpanel on climate change（IPCC）inventory guidelines combined with the life cycle assessment（LCA）method.The resultsshowed that the GHG emission potential of per ton rural domestic waste disposal process from large to small was anaerobiclandfill（1 324.72 kgCO2eq）micro-aerobic landfill（34.97 kgCO2eq）incineration（1.85 kgCO2eq）composting（-106.03 kgCO2eq）.The GHG of anaerobic landfill mainly came from CH4produced by anaerobic degradation.The GHGof micro-aerobic landfill mainly came from N2O produced by anaerobic-aerobic degradation.The GHG of compostingmainly came from CH4and N2O produced by biodegradation，and the reuse of the compost product could effectively offsetpart of the GHG emissions.The GHG of incineration mainly came from CO2generated from fossil carbon conversion andindirect emission from incineration plant operation.On-gird power generation could effectively reduce GHG emission.【Key words】rural domestic waste；disposal process；GHG emission potential；intergovernmental panel on climatechange（IPCC）；life cycle assessment（LCA）1引言生活垃圾处置方式主要包括填埋、焚烧和堆肥等，是温室气体排放的重要来源。其中，填埋占据生活垃圾行业温室气体排放总量的 60%以上1。随着生活垃圾产生量的逐年增加和用地紧张问题加剧，垃圾焚烧处置得到不断推广2。2019 年，我国城市生活垃圾焚烧比例首次超过填埋比例，而对于欠发达的村镇地区，填埋仍然占据 80%以上的市场3。得益于温室气体核算方法和工具的发展与成熟，我国城市层面生活垃圾处置过程的温室气体排放研究取得了很大进展。Lou等4采用政府间气候变化专门委员会（IPCC）推*基金项目：国家重点研发计划专项（2018YFD1100604）；武汉市科技计划项目（2020020601012277）；中国长江三峡集团有限公司科研项目（202101356）；长江生态环保集团有限公司科研项目（HB/ZB2021138）收稿日期：2022-09-02；录用日期：2022-11-10第 31 卷第 1 期2023年2月环境卫生工程Environmental Sanitation EngineeringVol.31 No.1Feb.2023荐的一阶衰减（FOD）模型对 19492013 年我国城市生活垃圾处置温室气体排放情况进行了评估，结果显示温室气体总排放量由 0.36 MtCO2eq 增长至 72.4 MtCO2eq，主要排放源为垃圾填埋场。但该研究侧重于废物处理过程的温室气体直接排放，忽略了收集和运输过程产生的温室气体。Liu 等5通过 IPCC 计算方法分析了上海 20052015 年城市固体废物（MSW）处置过程的温室气体排放，发现焚烧处置的温室气体排放强度（以 MSW 计）为 0.1470.177 kgCO2eq/kg，低 于 填 埋 和 堆 肥。Lee 等6对填埋气回收利用技术进行了生命周期评价（LCA）研究，当填埋气被收集用于发电时，能减少填埋过程中 44%的温室气体排放。然而，村镇生活垃圾具有产生量小、产生地分散、难以收集等特点，因此在收运、处理工艺和处置规模等方面与 MSW 相比存在明显差异7。受限于数据获取难度大，村镇层面的生活垃圾处置过程的温室气体排放研究鲜有报道。本研究以湖北省埠河镇垃圾处置为案例，采用IPCC 清单指南结合 LCA 方法，对村镇生活垃圾厌氧填埋、微好氧填埋、堆肥和焚烧 4 种处置情景下的主要温室气体（CO2、CH4和 N2O）产生来源及排放潜力进行对比研究，为我国村镇生活垃圾低碳处置提供数据基础，助力国家“双碳”战略目标的实现。2生活垃圾基本特性与温室气体排放计算方法2.1生活垃圾的基本特性湖北省荆州市埠河镇位于我国中南部，濒临长江，总面积约 230 km2，户籍人口约 9.4 万人。当地生活垃圾清运量约为 30 t/d，大部分定期收运至当地应急填埋场进行填埋处置，部分垃圾集中外运至荆州市区焚烧厂进行处理，形成以填埋为主、焚烧为辅的垃圾处置模式。埠河镇及当地填埋场地理分布如图 1 所示。埠河镇应急填埋场埠河镇注：图片来源于百度地图 https：/ 1埠河镇地理位置Figure 1The geographical location of Buhe Town根据笔者团队前期研究8，得到埠河镇生活垃圾组成及相关特性（表 1）。表 1埠河镇生活垃圾特性Table 1Characteristics of domestic waste in Buhe Town注：空白项表示无数据，在计算中取值为“0”。2.2各温室气体排放量计算方法本研究的基准为单位质量（1 t）村镇生活垃圾的处置，包括处置过程中物质和能量的输入、输出及产生的污染物（图 2）。首先，通过 IPCC 清单指南对厌氧填埋、微好氧填埋、堆肥和焚烧 4种垃圾处置方式下产生的 CO2、CH4和 N2O 3 种温室气体量进行计算。然后，借助 eFootprint 生命周期评价软件，计算全球变暖潜值（GWP，单位：kgCO2eq）指标，作为温室气体排放潜力的结果。在填埋和堆肥过程中，生物碳分解产生的 CO2不纳入评价范围。填埋堆体稳定后储存于填埋场的未降解有机碳、堆肥和焚烧过程中产生的能源及可回用物质的温室气体排放潜力取负值。输入村镇生活垃圾传统厌氧填埋微好氧填埋就地堆肥处置集中外运焚烧物质能源废气废液废渣物质回收能源回收输出图 2村镇生活垃圾处置过程的系统边界Figure 2System boundary of rural domestic wastedisposal process2.2.1垃圾填埋处置温室气体排放计算本研究中填埋方式包括厌氧填埋和微好氧填埋两种。其中，微好氧填埋是一种在较低通风量条件下实现生活垃圾无害化的处置技术。微好氧淦方茂，等.村镇生活垃圾不同处置模式下温室气体排放潜力对比研究以湖北埠河镇为例物理组成厨余纸类橡塑纺织木竹灰土砖瓦陶瓷玻璃金属混合其他质量分数/%62.059.0415.955.761.070.621.671.920.920.780.22干物质质量分数%40.0055.0065.0072.0082.0091.00100.0099.0096.0097.0096.00干物质碳含量/%38.0046.0075.0050.0050.003.003.00矿物碳含量/%1.0060.0020.00100.00100.00生物碳含量/%15.0040.0039.0024.0043.00 113环境卫生工程2023 年 2 月第 31 卷第 1 期填埋堆体内部存在厌氧区、好氧区和兼氧区，相较厌氧填埋处置效率提高，相对好氧填埋建运成本降低9。1）填埋场温室气体排放。以单位质量（1 t）村镇生活垃圾为基准，根据埠河镇生活垃圾特性，通过 IPCC 推荐的计算方法对垃圾填埋生物降解过程中 CH4排放量进行计算，详见公式（1）和公式（2），部分参数参考IPCC 缺省值10。ECH4=W DOC DOCf MCF F 1612(1-Ri)(1-OX)（1）DOC=DOCi fi（2）式中：ECH4为甲烷排放量，t；W 为生活垃圾质量，t；DOC 为垃圾可降解有机碳，t；DOCi为垃圾成分 i 的可降解有机碳，t；fi为垃圾成分 i 的比例，%；DOCf为可分解的 DOC 比例，%，缺省值为 50%；MCF 为 CH4修正因子；F 为填埋气中 CH4比例，%；Ri为 CH4回收率，%；OX 为氧化因子；16/12 为 CH4与 C 的分子量比率。厌氧填埋情景下，MCF 取 0.8，F 取 50%；微好氧填埋情景下，MCF 取 0.5，F 取 2%，Ri和