杭州市某典型建筑垃圾資源化處理項目的技術過程碳減排效益分析

張 亮 洪智程 馮一艦

(1.浙江省生態環境低碳發展中心，浙江 杭州 310012;2.浙江工商大學環境科學與工程學院，浙江 杭州 310018;3.浙江省固體廢物處理與資源化重點實驗室，浙江 杭州 310018;4.浙江省生態環境科學設計研究院，浙江 杭州 310007)

我國已經成為當今世界基礎建設量最大的國家，建筑垃圾已經占到城市垃圾總產生量的30%～40%[1]1。大量的建筑垃圾堆放需侵占大量土地，并可形成揚塵等二次污染，已經成為城市環境整治與管理中亟待解決的一大“頑疾”。

建筑垃圾一般包括廢棄混凝土、磚、瓦、木和玻璃等，其處理的技術過程碳排放不容忽視。WANG等[2]3162研究了深圳市一幢24層高層住宅拆除產生的14 803.12 t 建筑垃圾資源化處理過程，其技術過程產生的碳排放量達到4 350 t(以CO2當量計，下同)。因此，越來越多的研究者將注意力轉移到了建筑垃圾資源化處理的技術過程碳減排上。

建筑垃圾具有明顯的資源化特性，對其進行資源化處理，不僅能夠創造經濟效益，而且具有顯著的環境效益，特別是碳減排效益[3]。MARZOUK等[4]4分析表明，回收利用建筑垃圾可以顯著節約能源和填埋空間、減少溫室氣體排放、降低全球變暖影響潛力；ORTIZ等[5]比較了填埋、焚燒和資源化利用處理建筑垃圾的碳排放量，發現資源化利用的碳排放量最少；LIU等[6]1通過建筑垃圾的生命周期評價發現，與單純填埋相比，建筑垃圾再生骨料和再生微粉可大大削減碳排放量。由此可見，建筑垃圾資源化處理是一種有效的碳減排策略[7]。目前，鮮有從技術層面研究資源化處理工藝單元對碳減排效益的貢獻。

與發達國家相比，我國建筑垃圾資源化利用水平還有很大差距。日本建筑垃圾資源化利用率已經達到98%，歐盟國家的平均資源化利用率也超過了70%，而我國尚處于起步階段，成熟案例還不多。本研究以杭州市某年處理10萬t的典型建筑垃圾資源化處理項目為對象，核算了1.00 t建筑垃圾資源化處理過程中不同的處理工藝單元(破碎分選、高值外售、再生利用、除塵系統以及最終處置)對全球碳排放的貢獻，并分析碳減排效益，為技術層面上優化建筑垃圾資源化處理工藝提供參考。

1 對象與方法

1.1 評價對象

本研究的評價對象為杭州市某年處理10萬t的典型建筑垃圾資源化處理項目，該項目占地面積為1.67 hm2，工程總造價為2 107萬元，自2016年建成調試以來，運行狀態良好，資源化途徑較為多元。根據建筑垃圾的組分特點，從循環經濟角度考慮，該項目的具體工藝路線見圖1，建筑垃圾資源化處理過程中主要包括破碎分選、高值外售、再生利用、除塵系統和最終處置等工藝單元。建筑垃圾經破碎分選后分成可直接外售組分、可回收利用組分和不可回收利用組分，分別進入高值外售、再生利用和最終處置工藝單元，其中再生利用工藝單元包括4條生產線，即聯合磨粉生產線、砌塊生產線、水穩拌合站和燃料棒生產線。此外，考慮到二次污染控制的需求，主要需要控制破碎分選和再生利用工藝單元中產生的粉塵污染，因此還專門設置了除塵系統工藝單元。

本研究以1.00 t建筑垃圾為單位進行評價，針對建筑垃圾資源化處理過程的技術開展碳排放評價。碳減排效益分析作以下簡化假設：(1)針對所獲得的資源化產品，包括再生微粉、砌塊、水泥拌合物和燃料棒，僅考慮其替代建筑材料或燃料的碳減排效益；(2)車間地面、設備沖洗等環節產生的少量廢水以懸浮性固體(SS)為主要污染物，可認為無碳排放，收集后統一排入市政管網，不考慮其碳排放。

1.2 評價方法

本研究采用Environmentalmanagement-lifecycleassessment-principlesandframework(ISO 14040：2006)的生命周期評價方法來評價建筑垃圾資源化處理的碳排放。

根據生命周期評價理論分析破碎分選、高值外售、再生利用、除塵系統和最終處置5個工藝單元的輸入輸出，開展建筑垃圾資源化處理的碳排放核算。

本研究所選用的資源化產品(包括高值外售產品和再生利用產品)的碳排放因子來自于Gabi數據庫(9.2.0.58版)，但燃料棒的碳排放因子則根據ANASSTASIA等[8]的研究取0.840 kg/kg。耗電的碳排放因子根據Simapro軟件(8.1版)中Ecoinvent 3數據庫的各類電廠耗電的碳排放因子和由《中國電力統計年鑒2020》中各類電廠的電耗數據加權平均得到，取值為0.757 kg/(kW·h)。各處理單元運行過程中直接排放的具有全球變暖影響潛力的氣相污染物包括CO2、CH4和N2O。資源化產品的碳排放因子也來源于Ecoinvent 3數據庫。

圖1 建筑垃圾資源化處理項目的工藝路線Fig.1 Process route of the construction waste recycling project

表1 建筑垃圾的基本組分Table 1 Basic composition of construction waste

建筑垃圾資源化處理項目的技術過程碳排放主要包括4個方面：(1)運行過程耗電的碳排放；(2)處理過程中因廢氣排放污染物所導致的直接碳排放；(3)最終填埋處置的碳排放：(4)資源化產品替代建筑材料或燃料的碳減排。各工藝單元的碳排放量按式(1)計算。

E總=E電+E排+E填-E替

(1)

式中：E總為某個工藝單元的碳排放量，kg；E電為耗電的碳排放量，kg；E排為處理過程中因廢氣排放污染物所導致的直接碳排放量，kg；E填為最終填埋處置的碳排放量，kg；E替為資源化產品替代建筑材料或燃料的碳減排量，kg。

耗電的碳排放量、處理過程中因廢氣排放污染物所導致的直接碳排放量、最終填埋處置的碳排放量、資源化產品替代建筑材料或燃料的碳減排量分別按式(2)至式(5)計算。

E電=e×fe

(2)

E排=∑Mi×fi

(3)

E填=P×fL

(4)

E替=∑Ak×fk

(5)

式中：e為某個處理單元的電耗，kW·h；fe為耗電的碳排放因子，kg/(kW·h)；Mi為某個處理單元運行過程中直接排放的具有全球變暖影響潛力的氣相污染物i的質量，kg；fi為氣相污染物i的全球變暖影響潛力系數，kg/kg；P為最終填埋處置的廢物質量，kg；fL為廢物填埋的碳排放因子，kg/kg；Ak為資源化產品k的質量，kg；fk為資源化產品k的碳排放因子，kg/kg。

2 結果與討論

2.1 建筑垃圾組分分析

本研究項目的建筑垃圾主要有3個來源：(1)杭州市主城區內的無主亂倒建筑垃圾；(2)社區和小區物業上報的建筑垃圾；(3)大型企業、商鋪等產生的建筑垃圾。這些垃圾的基本組分見表1。

由表1可見，本研究項目的建筑垃圾以碎磚石和混凝土為主(38%)，并還有木材、玻璃、灰土、渣土、陶瓷、石膏板、紙類包裝物、廢布這些可回收利用組分，再加上可直接外售組分廢金屬，可進行資源化的組分質量分數合計達到86%，可見建筑垃圾的資源化回收價值較高[1]43，但本研究項目的建筑垃圾組分與深圳市[2]3162、廣州市[9]25的建筑垃圾組分差異較大。在本研究項目中，可回收利用組分分別進入4條生產線，分別是聯合磨粉生產線、砌塊生產線、水穩拌合站和燃料棒生產線。

2.2 各工藝單元的碳排放量

破碎分選、高值外售、再生利用、除塵系統和最終處置5個工藝單元的碳排放量計算結果見圖2。

圖2 各工藝單元的碳排放量Fig.2 Carbon emission of each treatment unit

從圖2可以看出，破碎分選、除塵系統和最終處置3個工藝單元碳排放量為正，會產生一定的全球變暖影響潛力，碳排放量依次為最終處置(101.9 kg)>除塵系統(21.5 kg)>破碎分選(9.6 kg)。最終處置工藝單元的碳排放量分別是除塵系統和破碎分選的4.7、10.6倍，說明在建筑垃圾處理過程中，最終處置的碳排放最大，對全球變暖的影響潛力最大。據LIU等[9]37估算，建筑垃圾填埋處置的碳排放量占整個處理過程的75%。因此，應盡量減少建筑垃圾的填埋處置量以削減碳排放量[4]4,[10]86,[11]47-49。除塵系統由于電耗較高，導致其碳排放量也較大，因此開發低耗高效的除塵工藝或設備是有望減少建筑垃圾碳排放的另一可行策略。

表2 再生利用工藝單元的碳排放分析Table 2 Carbon emission analysis of recycling unit

再生利用和高值外售工藝單元的碳排放量分別為-402.9、-154.0 kg，均為負值，說明這兩個工藝單元對全球變暖影響潛力具有一定的削減作用，與前人的研究結果較為一致[1]42,[10]86,[11]47,[12]。HOSSAIN等[13]對中國香港建筑垃圾處理的綜合評估發現，資源化利用建筑材料能獲得可觀的凈環境效益。LIU等[6]11指出，從建筑垃圾中回收鋁的碳減排量可削減整個建筑垃圾處理系統46.06%的碳排放量。本研究項目中由于可回收利用組分的量遠大于可直接外售組分，因此再生利用工藝單元的碳減排量高于高值外售?？梢?，提高建筑垃圾中的可回收利用組分的回收利用率對于削減建筑垃圾資源化處理工程中的碳排放量具有重要意義。

深入分析再生利用工藝單元的碳排放可以發現，該工藝的碳排放主要是耗電產生的，其生產出來的再生利用產品如燃料棒、水穩拌合物、砌塊、再生微粉等具有明顯的碳減排效應(見表2)，因此再生利用整個工藝單元呈碳排放負值狀態。由此可見，花費一定的能源進行建筑垃圾資源化利用是值得的。最終，4條生產線的碳減排量從大到小依次為砌塊生產線、燃料棒生產線、聯合磨粉生產線、水穩拌合站，所以應重點推行建筑垃圾的砌塊再生和燃料棒回收。

2.3 建筑垃圾資源化處理項目的技術過程碳減排效益分析

綜合5個工藝單位的碳排放量結果可以核算出本研究項目的碳排放量為-423.85 kg，是負值。段榮生[1]43研究發現，僅對建筑垃圾中的廢舊材料進行再生利用即可獲得232.32元/m2的經濟效益，還可節約1.38 t/m2的資源，碳減排量為22.13 kg/m2。LIU等[6]11評估發現，與直接填埋相比，建筑垃圾資源化處理后生產再生骨料和再生微粉均可顯著減少碳排放。由此說明，建筑垃圾資源化處理能夠達到節約資源、減少污染和減少碳排放的目的。因此，推行建筑垃圾資源化處理是減少碳排放的有效途徑，有望成為促進建筑業實現碳達峰的有力推手[10]86。所以，應加大對建筑垃圾資源化處理過程的工藝和設備研發，盡可能提高建筑垃圾中可回收利用組分的回收利用率。

3 結論與建議

建筑垃圾資源化處理項目的技術過程具有明顯的碳減排效益，其中最終處置、除塵系統和破碎分選工藝單元表現為碳排放，而再生利用和高值外售工藝單元則表現為碳減排，并且最終處理1.00 t建筑垃圾的碳排放量為-423.85 kg。在建筑垃圾資源化處理過程中，技術層面上可從以下3方面著手來提高碳減排效益：(1)開發高效的分選破碎設備和技術，盡可能提高建筑垃圾的物理組分分離率，提高精細化分離水平，盡可能減少填埋處置量；(2)開發低耗高效的除塵工藝或設備，減少建筑垃圾資源化處理過程中除塵系統的碳排放；(3)深度開發精細的建筑垃圾再生利用生產線，盡可能多地資源化利用建筑垃圾，以實現碳減排目的。