雙碳背景下城市生活垃圾處理過(guò)程

作者簡(jiǎn)介：宋俊成（1995.07-），男，漢族，河北唐山人，碩士，科研員，研究方向：城市固廢處理。

摘 要：隨著全球垃圾產(chǎn)生量的快速增長(zhǎng)，城市生活垃圾處理過(guò)程產(chǎn)生的溫室氣體排放逐漸成為城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域溫室氣體排放的重要人為來(lái)源之一。因此，亟需探索城市生活垃圾處理行業(yè)的溫室氣體減排路徑，為城市生活垃圾處理行業(yè)的綠色化、低碳化發(fā)展提供支撐和保障。本文在分析生活垃圾資源化利用過(guò)程中甲烷產(chǎn)生情況的基礎(chǔ)上，對(duì)甲烷控制和處理技術(shù)進(jìn)行了綜述，為降低生活垃圾處理過(guò)程中的甲烷排放，提高生活垃圾資源化利用率提供參考。

關(guān)鍵詞：碳減排；生活垃圾；甲烷；資源化利用

1 前言

伴隨著城市化發(fā)展步伐的快速推進(jìn)和居民生活質(zhì)量的持續(xù)提高，我國(guó)城市生活垃圾的產(chǎn)生量穩(wěn)步增長(zhǎng)，生活垃圾處理過(guò)程中甲烷氣體排放量也逐步增加。為進(jìn)一步落實(shí)我國(guó)“雙碳”任務(wù)目標(biāo)，需要更加重視生活垃圾處理過(guò)程中甲烷氣體的資源化利用，保證利用效率最大化，真正達(dá)到保護(hù)社會(huì)環(huán)境以及構(gòu)建綠色城市的目標(biāo)。

2我國(guó)生活垃圾處理甲烷排放情況

2.1我國(guó)生活垃圾產(chǎn)生與處理現(xiàn)狀

目前我國(guó)垃圾無(wú)害化處理的主要手段有衛(wèi)生填埋、焚燒及生化處理方式。根據(jù)《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒2023》統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2022年我國(guó)的城市生活垃圾無(wú)害化處理總量約2.44億噸，包括衛(wèi)生填埋0.3億噸，焚燒處理1.95億噸，生化處理0.19億噸，生活垃圾無(wú)害化處理率約99.9％[1]。

2.2生活垃圾處理過(guò)程中的甲烷產(chǎn)生情況

甲烷是最簡(jiǎn)單的碳?xì)浠嫌袡C(jī)物，是天然氣、沼氣和垃圾填埋氣的主要成分。除自然產(chǎn)生外，人類(lèi)活動(dòng)是甲烷產(chǎn)生的最大來(lái)源，其中固廢處理是繼農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、能源生產(chǎn)之后主要甲烷產(chǎn)生領(lǐng)域之一。近年來(lái)，伴隨中國(guó)國(guó)民生活水平的日益提升，以及城市生活垃圾處理量的快速增長(zhǎng)，城市生活垃圾產(chǎn)生的甲烷如不通過(guò)合理途徑回收處置，無(wú)序排放，將會(huì)對(duì)環(huán)境和人民生命安全造成極大危害。甲烷減排成功與否已經(jīng)直接影響到大氣溫升速度控制，對(duì)改善地區(qū)環(huán)境質(zhì)量有重要的協(xié)同作用。

2.2.1填埋處理的甲烷產(chǎn)生情況

生活垃圾填埋處理過(guò)程是甲烷排放的重要渠道，大約占人類(lèi)活動(dòng)甲烷總排放量的12％，是全球第三大的CH4排放源[2]。在填埋處置的初始階段，產(chǎn)氣主要為CO2，隨著填埋時(shí)間的增加，CH4產(chǎn)氣量也逐漸上升，通常在1至3年后達(dá)到較高水平，并在填埋場(chǎng)封場(chǎng)后逐漸隨著封場(chǎng)年數(shù)的增加而減少[3]。王敏等[4]研究發(fā)現(xiàn)，垃圾組分、有機(jī)質(zhì)比例、含水率、氣候條件和PH等因素是影響甲烷產(chǎn)生的重要因素；聶發(fā)輝等[5]、王曉琳等[6]針對(duì)甲烷好氧氧化和厭氧發(fā)酵機(jī)理進(jìn)行了深入研究，研究表明垃圾填埋場(chǎng)表面覆土具有甲烷氧化能力，使得甲烷的排放量大幅下降。

2.2.2焚燒處理的甲烷產(chǎn)生情況

在生活垃圾焚燒廠的生產(chǎn)過(guò)程中，甲烷產(chǎn)生量較低，主要來(lái)自垃圾滲瀝液處理過(guò)程。目前，我國(guó)生活垃圾焚燒廠滲瀝液處理工藝組合通常采用厭氧+好氧+膜法工藝組合，在厭氧發(fā)酵階段，滲瀝液在厭氧環(huán)境下，通過(guò)厭氧微生物的作用，使有機(jī)物經(jīng)歷水解、酸化、產(chǎn)氣等步驟，生成甲烷氣體。生活垃圾焚燒廠產(chǎn)生的甲烷氣體主要被用于其他工藝生產(chǎn)階段，以實(shí)現(xiàn)資源化利用和環(huán)保達(dá)標(biāo)排放。

2.2.3生化處理的甲烷產(chǎn)生情況

生化處理主要分為好氧堆肥和厭氧發(fā)酵兩種工藝路線(xiàn)，其中好氧堆肥處理過(guò)程中甲烷氣體產(chǎn)生主要集中在微生物分解有機(jī)物環(huán)節(jié)，但產(chǎn)生量較低。而厭氧發(fā)酵時(shí)則會(huì)產(chǎn)生大量的甲烷氣體。廚余垃圾漿料中的有機(jī)物

在隔絕空氣并保持一定的水分、溫度、酸堿度等環(huán)境溫度的條件下，經(jīng)過(guò)多種微生物的分解能夠產(chǎn)生大量沼氣，其中的甲烷含量能夠達(dá)到40％，如果厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣穩(wěn)定并將其進(jìn)行資源化利用，則具有顯著的碳減排效益。

3生活垃圾處理過(guò)程甲烷排放核算方法

3.1IPCC指南

2006年，聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化委員會(huì)（IPCC）發(fā)布了《IPCC 2006年國(guó)家溫室氣體清單指南》（簡(jiǎn)稱(chēng)“IPCC 2006”）。指南第二章第五卷《廢物產(chǎn)生、成分和管理數(shù)據(jù)》專(zhuān)門(mén)探討了生活垃圾不同處理工藝過(guò)程中的排放因子計(jì)算方法，這套計(jì)算方法是目前國(guó)際上使用最為廣泛的CH4排放核算方法。2019年5月12日，IPCC通過(guò)了《IPCC 2006年國(guó)家溫室氣體清單2019修訂版》（簡(jiǎn)稱(chēng)“IPCC 2019”），此次修訂對(duì)溫室氣體排放量的估算方法進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化。方法中補(bǔ)充考慮了不同固體廢物成分的可降解有機(jī)碳值。同時(shí)在填埋過(guò)程溫室氣體排放量的計(jì)算過(guò)程中，另外增加了垃圾填埋場(chǎng)CH4排放的一階衰減方法，并提供了相對(duì)應(yīng)的排放因子。其主要計(jì)算公式見(jiàn)下式：

CH4排放=■CH■產(chǎn)生■-R■·（1-OX■）

其中：CH4排放為T(mén)年排放的CH4，單位為Gg;T為清單年份;x為廢棄物類(lèi)別或類(lèi)型/材料;RT為T(mén)年回收的CH4，單位為Gg;OXT為T(mén)年的氧化因子。

相比IPCC 2006，IPCC 2019可以更加精確地計(jì)算填埋場(chǎng)溫室氣體排放量。但是由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的地域性差異以及各地垃圾性質(zhì)差異等原因，IPCC 2019仍無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算出我國(guó)的生活垃圾處理過(guò)程碳排放水平。

3.2 LCA模型

全生命周期評(píng)估模型（LCA模型）能夠計(jì)算垃圾處理全過(guò)程中的碳排放，或用于估算某個(gè)項(xiàng)目（企業(yè)）、一個(gè)地區(qū)或者一個(gè)國(guó)家尺度的碳排放。但由于原始數(shù)據(jù)的缺失、缺省值與實(shí)際情況的差異、系統(tǒng)邊界條件的不一致性或不確定性，都可能導(dǎo)致核算結(jié)果的不同。因此，LCA法并不適合權(quán)威的核算方法，通常需要結(jié)合IPCC國(guó)家清單數(shù)據(jù)和城市生活垃圾管理行業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)等進(jìn)行使用。

3.3CMD法

CDM法是指《<氣候變化公約>京都議定書(shū)》框架下的一種靈活履約機(jī)制之一，該機(jī)制通過(guò)審核CDM項(xiàng)目的執(zhí)行情況以追蹤溫室氣體的實(shí)際排放數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上對(duì)基準(zhǔn)排放線(xiàn)相對(duì)降低的排放進(jìn)行計(jì)算，并在扣除可能的泄漏情況后，得到“核證減排量”（CERs）。廢棄物處置屬于CDM項(xiàng)目中重要的一類(lèi)，對(duì)于垃圾處理項(xiàng)目，CDM執(zhí)行委員會(huì)提供了許多適用的操作指南，如ACM0001（填埋氣體回收利用項(xiàng)目）、ACM0022（替代廢物處理工藝）等。主要計(jì)算公式見(jiàn)下式：

ERy=BEy-PEy-Ly

式中：ERy為y年研究項(xiàng)目的碳減排量（tCO2eq）；BEy為y年基準(zhǔn)線(xiàn)碳排放量（tCO2eq）；PEy為y年研究項(xiàng)目的碳排放量（tCO2eq）；Ly為y年研究項(xiàng)目的碳泄漏排放量（tCO2eq）。

此方法適用于固體廢物的填埋、焚燒和生物處理等過(guò)程中溫室氣體減排量的計(jì)算。但由于其重點(diǎn)在于基準(zhǔn)情況和實(shí)際情況下的減排量，以對(duì)比為主。因此只能為城市生活垃圾處理行業(yè)溫室氣體減排量核算提供指導(dǎo)，并不能客觀核算和評(píng)價(jià)處理設(shè)施在核算周期內(nèi)的溫室氣體排放量。

4生活垃圾處理過(guò)程中的甲烷控制與利用技術(shù)

4.1火炬燃燒技術(shù)

沼氣火炬燃燒技術(shù)即將生活垃圾處理設(shè)施生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的沼氣通過(guò)管道輸送至火炬進(jìn)行直接燃燒。這種處理方式雖然能滿(mǎn)足安全處理及環(huán)保排放的要求，但沼氣未經(jīng)過(guò)資源化利用，經(jīng)濟(jì)效益較低，因此沼氣火炬燃燒技術(shù)一般應(yīng)用于沼氣產(chǎn)生不穩(wěn)定、產(chǎn)量較低的小型生活垃圾處理設(shè)施，或者作為沼氣應(yīng)急處理設(shè)施，在產(chǎn)氣量過(guò)大或者設(shè)備檢修等情況時(shí)應(yīng)急使用。

4.2沼氣鍋爐利用技術(shù)

部分生活垃圾處理設(shè)施配備了沼氣鍋爐，生活垃圾處理過(guò)程中產(chǎn)生的沼氣經(jīng)管道輸送至沼氣鍋爐中燃燒，將生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為熱能。通過(guò)此種方式產(chǎn)生的熱水和蒸汽可用于生活垃圾處理過(guò)程中的加熱加溫環(huán)境，或者廠區(qū)冬季供暖，降低能源消耗。

4.3沼氣發(fā)電技術(shù)

沼氣發(fā)電是生物質(zhì)能源發(fā)電的主要方式之一，此項(xiàng)技術(shù)在生活垃圾處理領(lǐng)域已經(jīng)有較為成熟的工藝流程和成套設(shè)備。主要工藝流程為生活垃圾填埋及生化處理項(xiàng)目產(chǎn)生的沼氣，首先經(jīng)過(guò)預(yù)處理，脫除其中的硫化物、水分以及其他雜質(zhì)，進(jìn)入儲(chǔ)存氣柜穩(wěn)壓后，送入沼氣發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電作業(yè)，將生物質(zhì)能先轉(zhuǎn)化為熱能再轉(zhuǎn)化為電能，后端通過(guò)設(shè)置余熱鍋爐系統(tǒng)回收余熱，供廠內(nèi)其他生產(chǎn)活動(dòng)使用，實(shí)現(xiàn)能源的梯次利用。

4.4沼氣入爐摻燒技術(shù)

隨著近年來(lái)對(duì)沼氣入爐摻燒技術(shù)的不斷進(jìn)步與優(yōu)化，其技術(shù)上的安全性和穩(wěn)定性已經(jīng)基本成熟。生活垃圾焚燒廠產(chǎn)生的沼氣先經(jīng)歷脫水、過(guò)濾等預(yù)處理工序，然后通過(guò)羅茨風(fēng)機(jī)增壓并輸送至沼氣燃燒裝置，最終噴至生活垃圾焚燒爐進(jìn)行燃燒，用作生活垃圾焚燒過(guò)程中的輔助燃料提升焚燒熱值，從而降低焚燒爐所需輔助燃料的用量。沼氣入爐摻燒具有資源化程度高、改善爐膛燃燒、系統(tǒng)穩(wěn)定、維護(hù)成本低等優(yōu)勢(shì)。

4.5甲烷重整制氫技術(shù)

甲烷重整技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)有百年發(fā)展歷史，工藝方法相對(duì)成熟，通過(guò)將餐廚垃圾與其他有機(jī)固廢合并處置產(chǎn)生沼氣，經(jīng)管路輸送至除沫分離器，脫除沼氣中的凝結(jié)水。沼氣經(jīng)脫水輸送進(jìn)入吸收塔，用MEA配方溶液在吸收塔內(nèi)同時(shí)進(jìn)行化學(xué)吸收脫硫脫碳，再經(jīng)過(guò)提純壓縮以后存儲(chǔ)作為制備氫氣的原料氣。原料氣甲烷在催化裂解爐里發(fā)生裂解反應(yīng)，生成氫氣和固態(tài)碳，這一過(guò)程既實(shí)現(xiàn)了綠色氫能的生產(chǎn)，也完成了脫碳固碳，其副產(chǎn)物可用于生產(chǎn)炭黑、石墨、石墨烯等高新材料，能夠提供較高的經(jīng)濟(jì)效益。

5結(jié)論與建議

5.1有效垃圾分類(lèi)，用垃圾源頭減量化實(shí)現(xiàn)甲烷排放減量化

甲烷是伴隨垃圾處置過(guò)程產(chǎn)生的，而垃圾分類(lèi)系統(tǒng)的建立是垃圾處理的基礎(chǔ)，積極完善垃圾分類(lèi)系統(tǒng)，加強(qiáng)相關(guān)宣傳工作，將垃圾分類(lèi)的相關(guān)知識(shí)普及到每個(gè)居民意識(shí)中就變得非常重要；同時(shí)還需要制定相關(guān)法律，對(duì)于公民需承擔(dān)的相關(guān)責(zé)任和義務(wù)進(jìn)行明確，規(guī)范民眾行為，使得垃圾分類(lèi)的相關(guān)措施可以得到很好地落實(shí)。政府相關(guān)部門(mén)應(yīng)強(qiáng)化經(jīng)濟(jì)手段的應(yīng)用，對(duì)垃圾處理采取必要的收費(fèi)措施，利用收費(fèi)來(lái)限制垃圾產(chǎn)生；且費(fèi)用收取還可有效完善城市生活垃圾處理體系的建設(shè)，為生活垃圾的減量化、無(wú)害化、資源化處理提供資金支持。

5.2探索垃圾無(wú)害化、減量化、資源化利用先進(jìn)技術(shù)，提高甲烷回收水平

減少生活垃圾甲烷排放是國(guó)家實(shí)施溫室氣體排放控制的目標(biāo)之一。與垃圾填埋和堆肥不同，焚燒可節(jié)約土地，減少對(duì)地表水和地下水污染，回收的甲烷還能代替其他傳統(tǒng)化石能源發(fā)電，具有“甲烷控排+替代發(fā)電”的雙重碳減排效果，對(duì)國(guó)家實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)起著重要的作用。在城市化加速推進(jìn)、建設(shè)用地指標(biāo)接近極限的情況下，垃圾焚燒已經(jīng)成為一種現(xiàn)實(shí)選擇。

5.3加強(qiáng)生活垃圾處理項(xiàng)目規(guī)劃，建設(shè)生活垃圾處理產(chǎn)業(yè)園區(qū)

建設(shè)生活垃圾處理產(chǎn)業(yè)園區(qū)是生活垃圾綜合利用和高效處理的重要舉措，將生活垃圾焚燒、生化處理設(shè)施集中建設(shè)在同一區(qū)域內(nèi)，園區(qū)內(nèi)廚余垃圾和滲瀝液厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣進(jìn)入焚燒設(shè)施進(jìn)行輔助燃燒，發(fā)揮協(xié)同處理優(yōu)勢(shì)，提高生活垃圾處理過(guò)程中的沼氣收集利用效率。焚燒產(chǎn)生的余熱能夠?yàn)樯O(shè)施厭氧發(fā)酵提供余熱，同時(shí)配套建設(shè)生物柴油生產(chǎn)等資源化企業(yè)對(duì)外輸出再生資源，可以實(shí)現(xiàn)最大化的資源協(xié)同利用，具有很大的減排潛力。

6結(jié)論

總而言之，隨著生活垃圾處理過(guò)程甲烷釋放量的不斷增加，對(duì)甲烷進(jìn)行資源化利用，不僅符合我國(guó)的“雙碳”發(fā)展目標(biāo)，更符合我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求。這就需要積極引進(jìn)更加先進(jìn)的理念、技術(shù)及設(shè)備，提高甲烷資源化利用效率，從而降低生活垃圾處理過(guò)程中的碳排放。

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