城市生活垃圾處理行業溫室氣體減排機會分析

何偉煜

（上海環境衛生工程設計院有限公司，上海 200237）

0 引言

隨著全球垃圾產生量的快速增長，城市生活垃圾處理處置過程產生的溫室氣體排放逐漸成為城鄉建設領域溫室氣體排放的重要人為來源之一［1］。截至2017 年，中國已成為城市生活垃圾產生量最大的國家，約占全球垃圾產生量的13%［2］。根據數字資料顯示，2013 年我國城市生活垃圾處理行業的溫室氣體排放量（72.4 MtCO2eq）約為1949 年（0.36 MtCO2eq）的200 倍［1，3］。因此，亟需探索城市生活垃圾處理行業的溫室氣體減排路徑，為城市生活垃圾處理處置行業的綠色化、低碳化發展提供支撐和保障。

本研究旨在梳理相關文獻，探討城市生活垃圾處理行業中減排溫室氣體的機會，并探究這些機會在推動可持續發展和低碳經濟過程中的作用。Von Malmborg［4］研究指出，垃圾焚燒發電是一種重要的機會，可以將垃圾轉化為能源，并有效減少溫室氣體排放。這種方法不僅可以處理垃圾，還能提供清潔和可再生的能源。Yoshida 等［5］研究發現，在垃圾填埋過程中產生的甲烷是一種強效溫室氣體。通過在填埋場上設置甲烷收集系統，可以有效捕捉和利用這些甲烷氣體，從而減少溫室氣體排放。Cox 等［6］研究表明，通過將有機廢物進行堆肥處理，可以減少垃圾處理過程中的溫室氣體排放。有機廢物堆肥過程中產生的CO2可以在農業領域中用作肥料，同時也可作為生物質燃料，進一步減少碳排放。Lazarevic 等［7］的研究指出，回收和再利用可回收物是減少垃圾處理過程中溫室氣體排放的重要途徑。通過建立廢物分類和回收制度，并推動可回收物回收產業的發展，可以有效減少資源消耗和溫室氣體排放。從上述研究中可以看出，城市生活垃圾處理行業中存在多種減排溫室氣體的機會，如垃圾焚燒發電、垃圾填埋后甲烷捕捉、有機廢物堆肥和可回收物回收。這些機會在推動可持續發展和低碳經濟轉型中起到重要作用。然而，實現溫室氣體減排需要綜合考慮技術、經濟、政策和社會因素的影響，并促進各個環節的協同與整合，為城市生活垃圾處理行業的可持續發展提供全面支持。

1 城市生活垃圾處理溫室氣體核算方法

目前，國際通行的溫室氣體核算方法有IPCC指南及算法［8］、清潔發展機制（Clean Development Mechanism， CDM）方法［9］、物料衡算法［10］和全生命周期評價法（Life Cycle Assessment，LCA）［11-12］等。我國城市生活垃圾具有可快速降解成分高、水分高和熱值低等特征［13］，且溫室氣體排放核算過程存在邊界不清晰、相關數據庫和參數不完善等問題［14-15］。因此，我國城市生活垃圾處理行業溫室氣體核算方法亟待進一步調查研究和討論。

1.1 IPCC 指南及算法

2006 年，聯合國政府間氣候變化委員會（IPCC）發布了《IPCC 2006 年國家溫室氣體清單指南》（簡稱“IPCC 2006”）［8，16］，其中第2 章第5 卷《廢物產生、成分和管理數據》提出了固體廢物處置、生物處理以及焚化和露天焚燒［8］等處理方式的排放因子計算方法，也是目前國際上被廣泛使用的溫室氣體（CO2、CH4、N2O）核算方法。指南中具體列出了處理過程中溫室氣體的計算模型和不同地區或國家的缺省參數，可以通過在模型中帶入固體廢物的基本參數得出相應溫室氣體排放量。該方法對數據的要求較低，可廣泛適用于填埋、焚燒、生物處理等處理過程。但由于核算范圍為區域和國家的溫室氣體直接排放，未能在第5 卷中考慮設施運營過程中外購電力、化石燃料使用等產生的排放、廢水處理等產生的排放，以及發電替代電網供電產生的減排，因此使用IPCC 2006 提供的缺省值獨立計算城市生活垃圾處理行業溫室氣體排放量存在一定的局限性。

2019 年5 月12 日，IPCC 通過了《IPCC 2006年國家溫室氣體清單2019 修訂版》（簡稱“IPCC 2019”）［16-17］，進一步改進了溫室氣體排放量的估算方法。方法中補充考慮了不同固體廢物成分的可降解有機碳值（Degradable Organic Carbon，DOC）。此外，在填埋場溫室氣體排放量的計算過程中，補充考慮了垃圾填埋場CH4排放的一階衰減方法（First Order Decay，FOD），并提供了相應的排放因子［17］。相比IPCC 2006，IPCC 2019 可以更加精確地計算填埋場溫室氣體排放量。但是由于我國經濟發展的地域性差異以及各地垃圾性質差異等原因，IPCC 2019 仍無法準確估算我國的碳排放水平。

1.2 CDM 方法

清潔發展機制是《京都議定書》中引入的靈活履約機制之一。CDM 方法［9］是為確保CDM 項目的環境效益，確保CDM 項目能帶來長期的、實際可測量的、額外的溫室氣體減排量，建立的一套有效的、透明的和可操作的項目減排量計算方法。廢棄物處置屬于CDM 項目中重要的一類，因此也建立了一批針對垃圾處理減排量核算的CDM方法，主要通過基準排放量去除項目排放和泄露排放即為減排量［18］，其主要計算公式見式（1）：

式中：ERy為y年研究項目的碳減排量（tCO2eq）；BEy為y年基準線碳排放量（tCO2eq）；PEy為y年研究項目的碳排放量（tCO2eq）；Ly為y年研究項目的碳泄露排放量（tCO2eq）。

此方法同樣適用于固體廢物的填埋、焚燒和生物處理等過程中溫室氣體減排量的計算。但由于其重點在于基準情況和實際情況下的減排量，以對比為主。因此只能為城市生活垃圾處理行業溫室氣體減排量核算提供指導，并不能客觀核算和評價處理設施在核算周期內的溫室氣體排放量。此外，CDM 方法也需要用缺省值代替缺少的地區數據，在實際應用過程中仍存在計算精度的問題［19］。

1.3 物料衡算法

物料衡算法［10］根據進入和離開系統的物質量守恒這一規律，計算指定邊界范圍內的溫室氣體排放量，可以用以下公式表示：

式中：ΣGin為系統中投入物料總質量（t）；ΣGpro為系統中所得產品的總質量（t）；ΣGout為系統中物料和產品的流失量總質量（t）。

相較于IPCC 方法和CDM 方法，物料衡算法需要提供固體廢物元素組成、設施運行等實際數據，目前已有的計算工具也需要使用者輸入特定模型和參數［20］，因此計算工作量較大，但計算的精確度相對較高。

1.4 全生命周期評價方法（LCA 方法）

全生命周期評價（Life Cycle Assessment，LCA）指的是對某個工藝、某類產品或某種服務從源頭到末端的全方位評價［21］。放到固體廢物處理行業，需要在劃分系統邊界后，對固體廢物從收集、轉運、處理、處置、資源化等過程中產生的溫室氣體排放量進行量化和核算，計算公式如下：

式中：C為全生命周期碳排放的總量；Ci為全生命周期中各個階段溫室氣體排放量。

通過全生命周期評價，可以精確地分析固體廢物從收集到最終處置之間的所有直接和間接碳排放及其環境影響，并且可以全方位地針對不同范圍制定對應的碳減排方案。因此，筆者將基于全生命周期的視角對城市生活垃圾碳減排的路徑進行調研，綜合分析采用不同處理處置方式的碳減排效能。

2 城市生活垃圾處理碳減排途徑

城市生活垃圾產生量的不斷增加和原生生活垃圾“零填埋”目標都表明固體廢物行業存在較大溫室氣體減排空間。當煤炭、鋼鐵、水泥等重點行業碳排放明顯削減后，固體廢物行業的溫室氣體排放比例將顯著增加，控制這部分碳排放將會成為“碳中和”不可忽視的部分。

垃圾中的化學成分與溫室氣體排放量息息相關［13］，推行垃圾分類制度將對城市生活垃圾處理過程的溫室氣體排放帶來較大影響。陳紀宏等［22］用生命周期評價方法（即LCA 法），分別設置“收集+填埋”和“分類收集+厭氧發酵+垃圾焚燒”兩種系統核算邊界對青島市垃圾分類前后，不同生活垃圾處理方式的溫室氣體排放情況進行了研究，得到垃圾分類可以有效降低后續處理處置過程帶來的溫室氣體排放。研究得到每提高10% 的可回收物回收效率，相比垃圾全填埋模式將降低26.6%的凈碳排放（16.5 kgCO2eq/t）。劉軼男［23］以深圳市生活垃圾處理現狀對垃圾分類的積極影響提出展望，指出通過垃圾分類可有效減少填埋量、減少轉運成本和有毒物質的泄露風險。因此，隨著垃圾分類的不斷推進，通過有效分離廚余垃圾、回收利用金屬［24］、綜合利用可回收物和大件垃圾［25］，將有效降低城市生活垃圾處理過程的溫室氣體排放［26］。因此，本研究將基于LCA 法，針對分類后的垃圾從優化創新焚燒技術、高效利用填埋氣、厭氧消化廚余垃圾、回收利用可回收物和構建生活垃圾處理產業園區等方面，分別提出城市生活垃圾碳減排的具體路徑。然而，為了實現更大的碳減排效益，這些路徑需要在技術、經濟、政策和社會層面上進行綜合考慮和協同推進。

2.1 焚燒技術性能的優化創新

近年來，焚燒處理逐漸成為我國生活垃圾處理的主流技術，高效分離廚余垃圾［27］、提高焚燒發電效率、回收利用焚燒余熱和綜合利用爐渣灰分等方式都可以在一定程度上減少垃圾焚燒過程的溫室氣體總排放［28］。楊娜等［29］發現我國食品廢物在生活垃圾中的占比較高，而紙類、紡織物等組分含量較低，這極大地降低了垃圾焚燒的發電效率。此外，楊衛華等［30］利用LCA 對垃圾焚燒發電過程中的碳減排進行計算，將焚燒發電過程產生的碳排放考慮在內，得到1 t 垃圾采用焚燒發電方式的碳減排量約為1.8 tCO2eq。Anshassi 等［31］通過LCA 法核算了全球不同經濟水平、垃圾組成和能源結構的地區分別采用焚燒或填埋處理垃圾產生的碳排放量。研究表明，回收利用焚燒余熱相較回收利用填埋氣有更高的碳減排潛力（約提高6%～20%），焚燒熱能的回收率高達80%［32］。目前在日本、新加坡、歐洲［33-34］等地區垃圾焚燒余熱已在公共場所供熱和城市集中供暖領域有較成熟的應用。張偉捷等［35］基于垃圾焚燒熱電聯產工藝，對利用城市生活垃圾焚燒熱能為我國北方縣城進行集中供暖的可行性進行分析，得出通過熱電聯產供暖可以達到較高供暖滿足率，減少縣城冬季燃煤2.1×104～7.5×104t。安宏宇［36］研究發現垃圾焚燒產生的爐渣和灰分，經綜合處理后可作為建筑材料供市容環衛行業應用，既提高了固體廢物的利用率，也達到了碳減排的目的。

雙碳背景下，對生活垃圾焚燒處理提出了更高的要求。垃圾焚燒行業在優化焚燒工藝設施［37］如研發高參數大型爐排［38］、提高電廠熱能利用和發電效率［39］、綜合利用焚燒爐渣［40-41］、解決焚燒過程中“三廢”問題［42-43］等方面，面臨著新的機遇和挑戰。

2.2 高效回收利用填埋氣

我國約有1.2×108t［44］城市生活垃圾（約占80%）采用衛生填埋方式進行處置［45］。填埋處理主要分為4 類，即無覆蓋露天填埋、無填埋氣收集的衛生填埋、有填埋氣收集和火炬系統的衛生填埋以及有填埋氣收集利用的填埋場。填埋場中有機物通過微生物降解和反應后會生成填埋氣，其主要成分是CH4和CO2，而CH4所產生的溫室效應是CO2的20 倍以上［46］。因此，回收利用填埋氣既能防止填埋氣對周邊環境產生污染，又能通過降低化石燃料的消耗量［47-48］減少溫室氣體的排放。Yang 等［13］運用LCA 方法對垃圾填埋各階段進行碳核算，其核算生命周期流程包括垃圾的收集和運輸、填埋場管理、滲濾液處理、直接溫室氣體排放和能源回用，得到回收利用填埋氣將產生約234 kgCO2eq/t 的碳減排量?；厥绽锰盥駳馑鶐淼臏厥覛怏w減排效益受到填埋垃圾的性質［49-50］、填埋氣收集效率［51］、填埋氣利用設施效能［52］以及填埋場覆蓋層效能［13］等因素的影響。我國填埋垃圾中的廚余垃圾含量（占濕質量50% 以上）遠高于發達國家，且水分含量較高（45%～60%）［13，53］，具有產氣快、易泄露的特點。目前，我國垃圾填埋場仍存在47%的無組織泄露［33］，因此研發高效率集氣設施和提純技術，是適應我國國情的有效碳減排路徑［54］。

當前的研究顯示，橫向集氣井具有最高的填埋氣收集效率（接近90%）［55］，而膜下收集則由于其高密閉性可有效提高收集效率而在未來有較大的發展潛力［56-57］。此外，提純處理填埋氣能夠大幅 提 高 填 埋 氣 的 燃 料 利 用 價 值［58-59］，Brigag?o等［60］基于LCA 方法，針對填埋氣收集發電過程進行模擬計算，得到利用碳捕獲與封存技術（Carbon Capture and Storage， CCS）和CO2捕捉與利用技 術（Carbon Dioxide Capture and Utilization，CCU）提純填埋氣可產生碳減排潛力。填埋場覆蓋層是攔截CH4無組織排放的有效措施［61］，實驗室中通過馴化甲烷氧化菌（Methane Oxidation Bacteria， MOB） 可將覆蓋層的效能提高至85.2% ～90.6%［62］。未來，通過學習發達國家填埋氣收集利用先進技術［63-64］，持續優化填埋場覆蓋層效能，創新高效收集、提純填埋氣等技術，將為城市生活垃圾填埋過程帶來較大的碳減排效益和經濟效益。同時，需要政府、企業和社會共同努力，加強技術創新和推廣應用，以推動填埋氣回收利用領域的發展，為可持續發展作出貢獻。

2.3 廚余垃圾厭氧消化處理

廚余垃圾是城市生活垃圾的重要組成部分，通過垃圾分類有效收集廚余垃圾進行厭氧消化進而高效資源化是邁向“無廢城市”的重要一步［65］。廚余垃圾厭氧消化處理技術目前已經在許多國家得到成功應用，并已成為城市垃圾處理的重要手段之一。在美國、英國、瑞典等國家［66］，政府已經制定了相關政策，對廚余垃圾的厭氧消化處理予以支持和鼓勵。預計在未來幾年，厭氧消化處理技術將得到進一步發展和推廣，成為城市垃圾處理行業的重要組成部分。

2022 年，我國廚余垃圾產生量約為1.25×108t［67］，具有含水量高、有機物含量高［68］等特性。我國廚余垃圾的處理方式包括填埋、焚燒、厭氧消化和堆肥等，目前城市廚余垃圾的資源化利用率不足10%［67］。厭氧消化工藝可以在厭氧菌的作用下將廚余垃圾中的有機質轉化為甲烷，從而實現資源化利用［69］，且該過程二次污染小，可以同時實現減量化、資源化和無害化目標。采用厭氧消化處理廚余垃圾的甲烷產量約占沼氣的60%［70］。Smith 等［71］通過實驗檢測得出，與不處置的廚余垃圾相比，進行厭氧消化將帶來27%的碳減排量。Yue 等［72］采用LCA 與區間線性規劃模型相結合的方法分別計算了我國珠江三角洲地區廚余垃圾在填埋、焚燒、厭氧消化和堆肥處理方法下的碳減排潛力，其中厭氧消化廚余垃圾的碳排放量（95.77 kgCO2eq/t） 低于其他3 種處理方法。Ezz等［73］研究指出利用水力空化預處理和秸稈聯合消化等方式可以將厭氧消化的甲烷產氣量提高約1倍。但是，目前的厭氧消化工藝仍存在沼渣處理和高濃度氨氮沼液的問題亟待解決［74］。因此，探索廚余垃圾協同處理技術［66］，如與好氧堆肥［75］或熱堿后處理［76］等工藝協同、研究沼渣處理方式等［77］，是提升廚余垃圾資源化利用率的突破點。

2.4 可回收物回收利用

具有回收利用價值但是由于回收成本較高，且在傳統市場機制中往往不會得到回收的廢物，被稱做低值可回收物（如廢棄塑料包裝物、泡沫填充物、廢玻璃等）［78］，其具有垃圾和資源的雙重屬性?？苫厥瘴镉绕涫瞧渲袕U紙和廢塑料的回收利用，是降低生活垃圾處理處置行業溫室氣體排放的一條有效途徑。目前我國可回收物回收利用率較低，建立低值可回收物高值化產業鏈條具有巨大的減排潛能［22］。Wang 等［79］研究發現提高分類后的純可回收物利用率，能最大限度地減少污染并節約能源，對于降低我國資源消耗和經濟社會可持續發展都具有重要意義。Cudjoe 等［80］分析了2005—2017 年我國垃圾回收潛在的節能和環境效益，得出回收鋼鐵、有色金屬、紙張和廢塑料可以減少2.59×1011kWh 的電量消耗，其中回收塑料垃圾的節電效果最好（高達1.48×1010kWh/a）。Liu 等［81］結合2017 年的相關數據，通過LCA 方法分析得到回收紙張將給我國帶來巨大的經濟效益和碳減排潛能。Xiao 等［82］分析了中國共289 個城市2006—2019 年MSW 相關數據，利用多元線性回歸模型分析各類減排措施的碳減排潛力，指出在大中型以上城市，每回收利用1 t 廢紙可帶來3.93 tCO2eq 的碳減排量，約為其焚燒處理最大碳減排量的10 倍。但是，由于不同復合方法的塑料存在物理化學性質不統一［83］、回收有破損和雜質［84］、再生產品銷路不通［85］等問題，使得目前低值可回收物的價值鏈未能閉環。將低值可回收物高值化是提升可回收物資源利用率的有效路徑，如利用廢棄塑料增強鋼筋混凝土的抗剪切性能［86］。

2.5 建設生活垃圾處理產業園區

建設生活垃圾處理產業園區是綜合利用和高效處理生活垃圾的一種重要舉措。通過將垃圾處理設施集中布局在一個區域內，可以實現資源的協同利用、能源回收和環境保護的目標，是實現“零碳”“負碳”目標的最終途徑，具有巨大的碳減排潛力。生活垃圾處理產業園區強調通過物質和能量的循環和梯級利用，形成垃圾和資源的閉環循環流動鏈條［87］。Munir 等［88］對生活垃圾處理產業園區進行碳排放夾點分析（Carbon Emission Pinch Analysis， CEPA），得到園區內碳減排率可達276.6 tCO2eq/h。日本、美國、法國等國家都有許多生活垃圾處理產業園區的先進案例，近年來中國在香港、廣東、上海［89］等地區也進行了一系列的嘗試與探索并積累了一定的經驗。生活垃圾處理產業園區大多以垃圾焚燒廠或填埋場為主，將分類后的生活垃圾、建筑垃圾送往園區內不同處理設施進行處理處置。此外，大多數園區會利用垃圾焚燒發電作為園區甚至周邊區域的電力供應中心，利用焚燒產生的余熱為污泥干化和廚余垃圾厭氧發酵供能［90］。園區內廚余垃圾厭氧發酵產生的沼氣和填埋場收集提純的填埋氣將進入焚燒廠進行輔助發電，同時配套一系列如生物柴油廠、堆肥廠等資源化企業對外輸出再生資源［91］。

但是，我國生活垃圾處理產業園區的發展仍面臨以下難題：①園區內存在多個排污和治理主體，排污責任難厘清［92］；②相關國家標準不完善［93］，政府管理監管難運行［94-95］；③保證全產業閉環管理的生活垃圾供應鏈不穩定［96］、資源循環利用技術瓶頸有待解決［97］。所以，如何進一步加強對園區的管理、提高園區自動化程度、形成產學研一體發展局面和統一相關溫室氣體排放核算標準，將成為未來生活垃圾處理產業園區實現雙碳管理的重點和難點。

3 結論與建議

1）目前我國生活垃圾回收利用企業普遍存在“小、散、亂”且回收水平低的情況?？苫厥瘴锏挠行Х诸愂歉咝Щ厥绽玫那疤?，這一定程度上取決于公眾對可回收物的分類意識和理解水平。因此，建議政府主管部門加強對垃圾分類相關知識的宣傳力度，必要時投入資金以提升相關知識的普及率。

2）我國生活垃圾焚燒技術已較為成熟，但垃圾焚燒市場尚未飽和，在雙碳目標和其他資源化方式的沖擊下，生活垃圾焚燒行業應繼續學習歐美國家先進技術，優化焚燒工藝與設施的同時解決“三廢”問題。在此基礎上，根據中國國情修改、完善相應的排放因子數值，可以促進焚燒發電行業實現綠色減排。

3）長期利用垃圾填埋處理過程中產生的填埋氣，并探究提升填埋氣利用效率的新技術和新產品，從而降低垃圾處理過程中的溫室氣體排放總量，美國、英國、德國等發達國家已經采用了該方法進行降碳，但在中國仍比較少見，因此可以作為未來的發展方向。

4）廚余垃圾的厭氧消化處理有非常大的發展空間，應學習美國、英國、瑞典等國家先進經驗，逐步用資源化利用取代現有的填埋方式。另外將厭氧消化與機械堆肥、好氧堆肥、熱堿后處理等工藝協同，可以有效解決厭氧消化沼渣處理問題。此外，可探索在企業與居民生活區之間構建資源回收與就地利用的“雙循環”模式。

5）提升低值可回收物的利用率和質量效益可以從企業和政府兩個主體進行考慮：一方面企業應研究提高再生利用的技術，降低廢棄物門檻；另一方面政府可以通過補貼和扶持完成市場調控，將再生產品的市場擴大以完成價值鏈閉環。

6）在綜合優化各類生活垃圾處理工藝的基礎上，建設生活垃圾處理產業園區，進行生活垃圾協同處理和資源化利用。一方面建立健全園區溫室氣體核算方法并利用智能化、數字化手段提高垃圾分揀、方案決策和運行管理效率，克服園區“技術難”的問題；另一方面，加強政府監管力度，建立完善的標準體系和建設規范，從而切實解決園區“落地難”的困境。