廚余垃圾和農林廢棄物好氧堆肥協同處理碳排放核算
——以某鎮處理設施為例

朱遠超，趙子旼，張勁松

（1.北京市城市管理研究院，北京 100028；2.生活垃圾檢測分析與評價北京市重點實驗室，北京100028）

0 引言

近年來，氣候變化問題引起了社會各界的廣泛關注，并成為了眾多學者探討的焦點。人類活動導致的碳排放在全球變暖中扮演著極其重要的角色，其中工業和服務業占比較大，但是固體廢物收運處置行業也不容忽視。為了更好地踐行綠色發展戰略，加快推進“無廢城市”的建設［1］，厘清垃圾運輸處置的碳排放現狀，是實現這一目標的重要前提。早期的研究主要偏重于生活垃圾處理的碳排放和減排策略［2］以及建立處置過程的碳排放核算模型［3］，多個學者針對不同城市對生活垃圾處理碳排放進行了預測研究［4-5］，隨著研究的逐步深入和垃圾分類進程不斷深化，越來越多的學者開始圍繞著不同品類垃圾的處理個案碳排放問題展開探究［6］。

廚余垃圾具有高含水率和高有機質的理化特性［7］，適用好氧堆肥和厭氧發酵［8］等工藝進行處理，與園林廢棄物協同好氧處置，不但可以有效加速發酵進程［9］，而且有機質去除率可以達到90% 以上［10］。從現有文獻看，垃圾處理碳排放研究主要集中在宏觀視角層面，多以各個城市為研究對象展開探究，鮮有基于垃圾協同處理具體案例設施的碳排放核算。本研究以某鎮廚余垃圾和農林廢棄物協同好氧堆肥處理設施為例，利用排放因子法估算運輸、處置和資源化利用的碳排放量，并分析探討碳減排路徑，為生活垃圾領域的低碳管理提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究對象

某鎮為華北區域某市農業大鎮，鎮域面積約75 km2，下轄21 個行政村，常住人口3.3×104余人。該鎮廚余垃圾處置主體工藝為“農林廢棄物破碎預處理+廚余垃圾協同靜態好氧堆肥+制備土壤調理劑”，處置規模為8 t/d 廚余垃圾+6 t/d 農林廢棄物。廚余垃圾為廚余垃圾車巡回收集各村分類收集桶站中的家庭廚余垃圾；農林廢棄物由收集車定時收集運輸，主要來自該鎮的草莓秧和園林修剪垃圾。

1.2 堆肥工藝及產物指標

好氧堆肥初級發酵采用露天條垛堆肥方式，條垛高度約為1.0 m，寬度約為2.0 m，長度約為7.0 m。堆體底層鋪設厚度約為20～30 cm 經破碎預處理的農林廢棄物（粒徑為2～5 cm 的草莓秧和樹枝），堆體物料為廚余垃圾摻混農林廢棄物，摻混質量比為4∶3，摻混的目的主要是為了降低堆體含水率以提升好氧反應的進程與效果。初級發酵周期為7～14 d，定期由鏟車進行翻堆，經多次測量，堆體溫度在55～65 ℃波動。后進入次級發酵階段，次級發酵周期為45～60 d，于10 月中旬對該設施不同階段取樣檢測，其結果如表1 所示。

表1 初級發酵及次級發酵產物檢測結果Table 1 Detection results of primary fermentation product and secondary fermentation product

檢測結果表明，初級發酵和次級發酵產物中有機質的質量分數、酸堿度（pH）、含水率、種子發芽率指數、含雜率、鈉離子的質量分數、總砷、總汞、總鉛、總鎘、總鉻等堆肥產品無害化指標檢測結果均符合DB11/T 2011—2022 廚余有機廢棄物制備土壤調理劑技術規范的限值要求。

工藝參數、初級發酵產物和次級發酵產物的檢測指標顯示，取樣當日，該設施廚余垃圾和農林廢棄物協同好氧堆肥工藝運行較為穩定，估算其碳排放量是具備一定代表性的。

1.3 排放因子法

目前碳排放核算方法主要有基于測量的實測法、基于計算的質量平衡法和排放因子法［11］。排放因子法是IPCC 提出的一種碳排放估算方法，依照碳排放清單列表，針對每一種排放源構造活動數據與排放因子，以投入的能源使用量和排放因子的乘積作為該排放項目的碳排放量估算值，計算公式如下：

溫室氣體（GHG）排放=活動數據（AD）×排放因子（EF） （1）

式中：AD 是導致溫室氣體排放的生產或消費活動的活動量，如每種化石燃料的消耗量、石灰石原料的消耗量、凈購入的電量、凈購入的蒸汽量等；EF 是與活動水平數據對應的系數，包括單位熱值含碳量或元素碳含量、氧化率等，表征單位生產或消費活動量的溫室氣體排放系數。EF 既可以直接采用IPCC、美國環境保護署、歐洲環境機構等提供的已知數據，也可以基于代表性的測量數據來推算。

排放因子法的優點是簡單明確、易于理解，有成熟的公式、活動數據和排放因子數據庫。本研究從數據可獲得性角度出發，選取排放因子法對廚余垃圾協同農林廢棄物好氧堆肥進行碳排放核算。

1.4 核算邊界及排放清單

某鎮廚余垃圾協同農林廢棄物處理的碳排放主要來源包括廚余垃圾和農林廢棄物的收集運輸車輛、農林廢棄物預處理破碎設備、翻堆作業鏟車及好氧堆肥工藝過程等；碳補償主要為堆肥產品的碳固定效應。其碳排放核算邊界如圖1 所示，碳排放清單如表2 所示。

圖1 碳排放核算邊界Figure 1 Counting boundary of carbon emission

表2 碳排放清單Table 2 List of carbon emission

1.5 碳排放量核算

1.5.1 收集運輸階段

收集運輸階段的碳排放主要是車輛燃燒化石燃料產生CO2、CH4和N2O 等溫室氣體。包括兩部分：一是采用專用廚余垃圾運輸車將村民桶站的廚余垃圾收集運輸至鎮級好氧堆肥點；二是采用輕型貨車將農林廢棄物運輸至鎮級好氧堆肥點。根據車輛運輸距離、車輛類型、車輛燃油類型及相應的碳排放因子，運輸階段的間接碳排放量計算公式如下：

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式中：RSWa為農林廢棄物收集運輸量；Ma為輕型貨車滿載量；RSWd為廚余垃圾收集運輸量；Md為廚余垃圾運輸車滿載量；βa為農林廢棄物運輸車單位距離的柴油消耗量；βd為廚余垃圾運輸車單位距離的柴油消耗量；Da為單車次收集農林廢棄物運輸距離；Dd為單車次收集廚余垃圾運輸距離；CEFp為柴油的碳排放因子。

1.5.2 處理階段

1）直接碳排放。好氧堆肥，是在好氧環境下利用微生物的分解作用，使廚余垃圾中的有機質轉化為穩定的腐殖質的過程。好氧堆肥產生的溫室氣體主要是CO2，堆肥過程直接釋放的CO2被視為來源于生物碳，不計入碳排放清單。堆體內部局部厭氧產生CH4和N2O，在實際翻堆操作過程中，難免散逸到空氣中。好氧堆肥CH4和N2O 碳排放量的計算公式如下：

式中：EF1為好氧堆肥的CH4排放因子；EF2為好氧堆肥的N2O 排放因子；GWPCH4為CH4的全球變暖潛能值；GWPN2O為N2O 的全球變暖潛能值。

2）間接碳排放。間接碳排放主要來自電力、機械、輔料消耗等。該設施廚余垃圾好氧堆肥間接碳排放過程包括兩部分：一是對農林廢棄物用破碎機進行破碎預處理所消耗的電力；二是使用鏟車對堆體進行翻堆消耗的燃料。間接碳排放量計算公式如下：

式中：Pn為翻堆作業過程中的柴油消耗量；CEFp為柴油的碳排放因子；En為破碎預處理過程中的耗電量；CEFe為電力的碳排放因子。

1.5.3 碳補償

廚余垃圾一般采用生化處理方式進行處置，協同農林廢棄物的堆肥制品可作為土壤調理劑，將有機物中的碳儲存于肥料中，最終與土壤結合從而實現碳減排。

廚余垃圾堆肥的碳補償量計算公式如下：

綜合以上計算公式，其中的碳排放因子及參數如表3 所示。

表3 碳排放因子及參數Table 3 Carbon emission factors and their datas

2 結果與討論

2.1 碳排放量

該設施收集運輸階段碳排放量為14.61 kgCO2（1.04 kgCO2/t），處理階段直接碳排放量為2 709.00 kgCO2（193.50 kgCO2/t），處理階段間接碳排放量為58.29 kgCO2（4.16 kgCO2/t），碳補償量為-770.00 kgCO2（-55.00 kgCO2/t），估算的碳凈排放總量為2 011.90 kgCO2，折算每噸垃圾的收運、處理和資源化的凈排放量為143.71 kgCO2/t。

何品晶等［14］對于上海市廚余垃圾收運碳排放計算為13.7～21.0 kgCO2/t，本研究對于廚余垃圾和農林廢棄物收運碳排放計算則為1.04 kgCO2/t。分析其原因，本處理設施收運范圍為鎮域內各個村，不需要中轉站進行轉運，因此運輸距離遠低于送至大型集中處理設施。

邊瀟等［15］在研究中核算的餐廚垃圾設備的運行能耗在60～200 kWh/t 波動，碳排放量為34.22～114.06 kgCO2/t，本研究中設備及工具能耗碳排放量則為4.16 kgCO2/t。分析其原因，由于采用靜態好氧堆肥工藝，不需要使用加熱及氧氣補充等輔助設備，僅使用預處理破碎機和翻堆作業鏟車。

李歡等［16］在研究中提出廚余垃圾好氧堆肥的凈排放量為165 kgCO2/t，本研究計算值則略低，為143.71 kgCO2/t。分析其原因，主要是由于碳排放的計算邊界未將臭氣控制和污水處理等環節納入，可能是由于堆肥物料中協同處理了農林廢棄物。

2.2 碳減排路徑的討論

本研究中，收集運輸階段碳排放量和處理階段間接碳排放量占比分別為0.53%和2.09%，而處理階段直接碳排放量占比達97.38%。意味著在該鎮級農林廢棄物協同廚余垃圾好氧堆肥設施中，垃圾的收集運輸、破碎預處理及翻堆作業能耗的碳排放對整體碳排放的影響微乎其微；而堆肥處理過程的初級發酵和次級發酵的直接碳排放決定著整體碳排放的水平。分析其原因，在靜態露天好氧堆肥工藝中，堆體內部難免出現厭氧環境，由于缺少密閉輔助設施，翻堆作業會造成CH4、N2O 的無組織逸散。因此協同好氧堆肥除應保持堆體氧氣含量不低于8%、含水率在50%～65%、溫度保持在55 ℃以上等運行工藝參數外，還應增加外部密閉設施，保證足夠的堆肥時間以減少無組織逸散，并定期做好翻堆作業以降低堆體內部厭氧環境的產生。

本研究中，每噸垃圾的碳排放和碳補償見圖2。好氧堆肥工藝中堆肥產品對于碳的固定效應明顯，占比達碳凈排放量的38.41%。據調研，該設施堆肥產品由附近村民按需免費領取，存在供大于求的情況，因此實際的碳補償量低于理論值。

圖2 碳排放與碳補償Figure 2 Carbon emission and carbon reduction

3 結論

1）廚余垃圾和農林廢棄物協同好氧堆肥，收運、處理和資源化的凈排放量為143.71 kgCO2/t。

2）鎮域內收運處置的方式，由于減少了轉運環節，具有運輸距離短的優勢，運輸階段的碳排放量低于經過轉運運輸至集中大型處理設施；同時協同靜態好氧工藝，設備能耗碳排放量也低于使用加熱及氧氣補充設備能耗的碳排放量。

3）好氧堆肥階段產生的CH4和N2O 無組織逸散，是影響其碳排放水平的關鍵因素。為降低其逸散率，需要注意保持堆體氧氣含量不低于8%、含水率在50%～65%、溫度保持在55℃以上，還需注意增加密閉輔助設施、定期翻堆作業和保證足夠的堆肥時間等。

4）好氧堆肥的堆肥產品具有明顯的碳減排效應，占碳凈排放量的38.41%。從管理角度而言，建議出臺相應政策推動堆肥產品的使用，以保障碳減排措施的有效落實。