生活垃圾填埋場開采再利用碳排放模型及其應用

俞金靈 彭明清 徐輝 劉文莉

摘 要： 采用碳排放因子法建立了生活垃圾填埋場開采再利用的全生命周期碳排放模型，核算了單位質量填埋垃圾在保持原狀、開采-材料再回收和開采-能源回收三種場景的碳排放量，分析了開采再利用場景下碳減排主要驅動因素與碳減排量的影響規律，探究了填埋場開采再利用相對于保持原狀的碳減排潛力。結果表明：開采-材料再回收場景的碳排放量少于開采-能源回收場景；開采-材料再回收場景的碳減排量隨塑料回收率的提高而增大，開采-能源回收場景的碳減排量隨垃圾衍生燃料熱處理量的增加而增大；簡易填埋場在開采-材料再回收場景的碳減排潛力最大，達-495 kgCO2eq/t。該研究可為我國垃圾填埋場開采再利用的碳減排潛力評估提供一定的參考依據。

關鍵詞： 城市生活垃圾；單位質量填埋垃圾；填埋場開采再利用；材料和能源回收；碳排放模型；碳減排量

中圖分類號： X705

文獻標志碼： A

文章編號： 1673-3851 （2024） 03-0245-10

A carbon emission model for domestic waste landfill mining and reuse and its applications

Abstract： ??A carbon emission model for the full life cycle of domestic waste landfills was constructed by using the carbon emission factor method. The carbon emissions of unit mass waste were calculated under three scenarios： ′keep do-nothing′ scenario， ′waste to material′ scenario and ′waste to energy′ scenario. This model explored the primary factors driving carbon emission reduction and the influence of carbon emission reduction in mining and reuse scenarios， and investigated the potential for carbon emission reduction through landfill mining and reuse as compared to the preservation of the landfill in ′keep do-nothing′ scenario. The above results show that the carbon emission of the ′waste to material′ scenario is less than the ′waste to energy′ scenario; the carbon emission reduction in the ′waste to material′ scenario increases with the increase of the plastic recovery rate， and the carbon emission reduction in the ′waste to energy′ scenario increases with the increase of the heat treatment amount of refuse derived fuel; the carbon emission reduction potential in the ′waste to material′ scenario of the simple landfill is the best， up to -495 kgCO2eq/t. These conclusions can provide certain reference for the assessment of carbon emission reduction potential of landfill mining and reuse in China.

Key words： municipal solid waste; per unit mass of landfill waste; landfill mining and reuse; material and energy recovery; carbon emission model; carbon emission reduction

0 引 言

我國城市生活垃圾（Municipal solid waste，MSW）的處置方式以填埋為主［1］。截至2020年，在役生活垃圾填埋場數量約6900座，填埋垃圾存量超80億t［2］。城市生活垃圾填埋產生的溫室氣體是垃圾處理領域碳排放的主要來源［3-4］。垃圾填埋場開采再利用是指從填埋場挖掘礦化垃圾并進行資源回收和生態修復［5］，具有降碳減排的潛力。碳排放模型是用于評估填埋場開采再利用相對于持續填埋情況下的碳減排潛力的重要方式，可定量計算碳排放量并優選填埋場開采再利用路徑［6］。因此，構建垃圾填埋場開采再利用碳排放模型并以此進行碳減排核算具有重要的科學意義和工程價值。

垃圾填埋場開采再利用作為一種將填埋資源重新引入材料循環并減少環境負擔的技術措施，以往研究主要集中于填埋垃圾的資源化利用技術［7-8］。隨著人們對溫室效應和氣候變化的日益關注，研究者們逐漸關注垃圾填埋場開采再利用產生的碳減排潛力。Cappucci等［9］構建了填埋場礦化塑料回收再利用的碳排放模型，對塑料再利用全生命周期的碳排放進行了核算，發現原材料生產塑料的碳排放量是礦化塑料回收再利用的4.5倍。Huang等［10］基于生命周期評價（Life cycle assessment，LCA），構建了填埋垃圾可燃材料制備垃圾衍生燃料（Refuse derived fuel，RDF）的碳排放模型，發現填埋垃圾僅采用能源回收是增加碳排放的過程。以上研究均局限于單一材料回收利用的碳排放量核算，如塑料再生利用、可燃材料熱處理等，未對填埋場內全部礦化垃圾的回收處置展開碳排放研究。Jones等［11］首次提出了強化填埋垃圾開采路徑的理念，強調通過優化材料和能源的回收路徑來實現填埋場開采再利用項目的最大碳減排。Sankar等［12］采用LCA構建了填埋場材料和能源回收再利用的碳排放模型，核算發現，在生活填埋垃圾場中的1 t垃圾，通過金屬回收和可燃材料焚燒發電，可實現0.6 tCO2eq的碳減排。Danthurebandara等［13］構建了適用于比利時丹頓垃圾填埋場開采再利用項目的碳排放模型，核算了建筑材料二次利用和可燃材料熱處理的碳減排量，研究表明填埋場開采再利用存在碳減排潛力。以上研究者通過建立垃圾填埋場開采再利用的碳排放模型，核算了垃圾填埋場可回收材料和可燃材料綜合利用的碳減排潛力。但目前在相關研究中，選擇的材料和能源綜合利用的方式仍較為單一，塑料和紙張一般歸為可燃材料用于能源回收，缺乏對材料與能源多路徑利用技術下的碳排放研究。

本文采用碳排放因子法構建了生活垃圾填埋場開采再利用的全生命周期碳排放模型，通過該模型核算填埋場單位填埋垃圾在保持原狀場景（'Keep do-nothing' scenario，KDNS）、開采-材料再回收（Waste to material，WtM）場景和開采-能源回收（Waste to energy，WtE）場景的碳排放量，以分析生活垃圾填埋場開采再利用場景（Landfill mining and reuse scenario，LMRS）主要碳減排影響因素與其碳減排量的影響關系，得到填埋場相對于KDNS場景，采用WtM場景和WtE場景的碳減排量。本文建立的碳排放模型可用于核算生活垃圾填埋場低碳化利用技術路徑的碳排放量，研究結論可為我國生活垃圾填埋場開采再利用的碳減排路徑優選和碳減排潛力評估提供初步參考依據。

1 全生命周期碳排放模型

1.1 垃圾填埋場場景設立與技術流程概述

垃圾填埋場場景設立與技術流程如圖1所示。根據本文的研究目標和技術實用性，設立了垃圾填埋場KDNS場景和LMRS場景，KDNS場景和LMRS場景皆以填埋垃圾穩定化完成為開始節點。

1.1.1 KDNS場景

生活垃圾填埋場KDNS場景中，填埋垃圾中的有機質通過厭氧食物鏈的協同作用持續產生CH4、CO2等填埋氣和滲濾液，填埋氣回收發電或排放至大自然，滲濾液采用無害化處理后排放。KDNS場景用于評估生活垃圾填埋場LMRS場景的碳減排潛力。

1.1.2 LMRS場景

生活垃圾填埋場LMRS場景主要包括滲濾液處理、垃圾挖掘粗篩和細篩回收、材料加工處理、RDF生產與熱處理、危廢物質處置、土地回填等過程。填埋場垃圾組分主要取決于填埋場類型、儲存時間、降解程度和地理來源［14］，按利用途徑分為3大類：建筑組分、可燃組分和細粒組分［15］。衛生填??埋場（Sanitary landfill，SaL）和簡易填埋場（Simple landfill，SiL）礦化垃圾組分占比見表1。根據紙張和塑料的最終處置方式，LMRS場景細分為WtM場景和WtE場景。WtM場景以材料再回收為主，塑料和紙張加工處理為再生塑料和再生紙張，聯合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）的第四次評估報告［16］（AR4）指出塑料和紙張的回收利用率缺省值為80%～90%。WtE場景以能源回收為主，塑料和紙張用于生產RDF。

1.2 碳排放模型構建

生命周期碳排放核算（Life cycle carbon accounting， LCCA）是量化碳排放變化趨勢、研究碳排放影響因素和設計減排路徑的基礎。全生命周期碳排放模型包括碳排放核算范圍和核算方法。通過相關文獻調研確定KDNS場景和LMRS場景各階段碳排放源范圍，并繪制碳排放系統邊界圖。本文構建的碳排放模型采用《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》［17］推薦的碳排放因子法來計算KDNS場景和LMRS場景全生命周期各階段的碳排放量。

1.2.1 KDNS場景碳排放模型構建

垃圾填埋場KDNS場景的碳排放系統邊界如圖2所示。SaL配備較完善的頂部覆蓋系統和填埋氣收集利用系統［18］，一部分填埋氣收集發電，減少傳統燃料的使用，另一部分泄漏至大氣中。SiL一般情況下不配備填埋氣收集系統，導致填埋氣直接向大氣排放。此外，SaL相較SiL具備更完善的滲濾液處理設備，能最大限度地減少滲濾液的排放。由于生活垃圾填埋場達到穩定化后方可開挖，因此KDNS場景計算填埋垃圾達到穩定化后保持填埋產生的碳排放量。即KDNS場景的總碳排放量等于填埋氣排空、滲濾液處理和填埋氣發電3個階段的碳排放之和。

a）填埋氣排空碳排放。填埋氣中的CH4是生活垃圾填埋場最主要的碳排放來源。IPCC在2019 Refinement to the 2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories［19］推薦使用一級衰減動力學模型（First-order kinetic， FOD）估??算垃圾填埋場CH4排放量。因此本文結合FOD模型和甲烷全球變暖潛勢建立生活垃圾填埋場填埋氣排空的碳排放量計算公式，參數取值來源于中國環境規劃研究院、Cai等［20］。填埋氣排空碳排放量可用式（1）計算：

其中：CCH4為填埋垃圾填埋氣排空碳排放量，tCO2eq；t為垃圾填埋時間，年；H為CH4的修正因子；fi為不同垃圾成分比例，%；i為不同種類垃圾，i=1表示廚余垃圾，i=2表示紙張，i=3表示織物，i=4表示竹木；Di為i類垃圾可降解有機碳比例，%；Df為分解的Di比例，%；ki為CH4產生速率常數；F為填埋氣體中CH4比例，50%；R為CH4收集率，%；O為CH4氧化系數；EFg為甲烷全球變暖潛勢值，28 tCO2eq/t。

b）滲濾液處理碳排放。滲濾液的排放和處理過程會產生溫室氣體。滲濾液處理碳排放計算公式為Cl=Tl×EFf，其中：Cl為滲濾液處理排放的碳排放量，tCO2eq；Tl為垃圾滲濾液產量，t；EFf為滲濾液處理的碳排放因子，tCO2eq/t。

c）填埋氣發電碳排放。填埋氣發電可替代傳統燃料的使用，從而間接產生碳減排。通過能源熱值轉換公式得到單位質量填埋氣的發電量，再使用碳排放因子法計算得到填埋氣發電基于傳統能源發電的碳減排量。填埋氣發電的碳排放量可用式（2）計算：

其中：Cr為填埋垃圾收集的甲烷發電的碳減排量，tCO2eq；TCH4為填埋垃圾甲烷產量，t；JCH4為甲烷熱值，MJ/m3；K為甲烷發電效率，%；ρ為甲烷密度，0.72 kg/m3；a為能源轉換系數，3.6 MJ/MWh；EFe1為甲烷發電的碳排放因子，tCO2eq/MWh；EFe2為燃煤發電的碳排放因子，tCO2eq/MWh。

1.2.2 LMRS場景碳排放模型構建

垃圾填埋場LMRS場景的碳排放系統邊界如圖3所示。垃圾填埋場通過挖掘篩分將填埋垃圾回收處理成再生產品與RDF，再生產品生產可減少原材料的開采。RDF熱處理可替代傳統燃料的使用，本文根據我國熱處理廠建設現狀和實際需求，將RDF產品以3∶2∶5的質量比投放至氣化發電廠、垃圾焚燒廠和水泥廠。LMRS場景的總碳排放量等于設備運行、物料運輸、材料再利用、能源回收和土壤堆肥5個階段的碳排放之和。

a）設備運行碳排放。設備運行過程中消耗柴油和電力，產生碳排放。設備運行主要包括填埋場滲濾液處理、挖掘粗篩、細篩回收、危廢物質處置、土地回填、RDF生產過程。設備運行的碳排放量可用式（3）計算：

Cm=Tm×（y×EFe3+h×EFd）（3）

其中：Cm為設備處理物料產生的碳排放量，tCO2eq；Tm為物料處理量，t；y為設備處理物料的耗電量，MWh；EFe3為中國國家電網電能碳排放因子，tCO2eq/MWh；h為設備處理單位質量物料的柴油耗量，t；EFd為柴油使用的碳排放因子，tCO2eq/t。

b）物料運輸碳排放。物料運送過程中柴油消耗產生CO2排放。由于物料運輸為單程運輸，故在運輸過程中，需考慮運輸車輛空載對碳排放的影響，空載時的環境負荷是滿載時的0.67倍［21］。本文忽略由材料狀態（如土體松散狀態）變化引起的物料質量改變。物料運輸的碳排放量可用式（4）計算：

其中：Ch為物料運輸導致的碳排放量，tCO2eq；Th為物料運輸質量，t；Lh為物料運輸距離，km；EFh為柴油貨運每千米每噸物料的碳排放因子，kgCO2eq/（t·km）；k為空載返回系數，1.67。

c）材料再利用碳排放。礦化垃圾經篩分處理后可生產再生產品，減少原材料的開采，從而減少碳排放。材料再利用的碳排放量可用式（5）計算：

Cr=Tr×（EFm-EFn）（5）

其中：Cr為二次材料利用產生的碳排放量，tCO2eq；Tr為二次材料質量，t；EFm為二次材料再利用的碳排放因子，tCO2eq/t；EFn為原材料初次開采的碳排放因子，tCO2eq/t。

d）能源回收碳排放。填埋垃圾中的高熱值可燃物為RDF原料，RDF熱處理產生的能源可減少傳統燃料的使用，從而減少碳排放。RDF氣化和焚燒發電路徑的碳排放量計算公式為Cs1=-Ts×EFe2+Tr×EFr，其中：Cs1為RDF發電產生的碳排放量，tCO2eq；Ts為RDF投入質量，t；Tr為底物處理量，t；EFr為底物處理的碳排放因子，tCO2eq/t。RDF在水泥窯路徑的碳排放量計算公式為Cs2=-Ts×EFe2×JRDF/Jc，其中Cs2為RDF產熱產生的碳排放量，tCO2eq；JRDF為RDF熱值，20 MJ/m3；Jc為煤炭熱值，25 MJ/m3。

e）土壤堆肥碳排放。研究表明土壤類材料堆肥時通過微生物作用，可將有機廢棄物轉化為穩定的腐殖質，同時固定有機碳［13］。土壤堆肥的碳排放量計算公式為Cn=-Tn×EFp，其中：Cn為土壤堆肥產生的碳排放量，tCO2eq；Tn為土壤堆肥的質量，t；EFp為單位質量土壤堆肥的固碳因子，tCO2eq/t。

2 垃圾填埋場場景的碳排放核算及其碳減排分析

2.1 垃圾填埋場碳排放核算過程

根據相關文獻和統計資料繪制碳排放因子表，如表2所示。將碳排放因子和其他參數值代入生活垃圾填埋場KDNS場景和LMRS場景生命周期碳排放模型，對單位質量填埋垃圾在KDNS場景、WtM場景和WtE場景各個階段以及整個生命周期的碳排放進行計算，并根據計算結果分析WtM場景和WtE場景的主要碳排放和碳減排路徑，探究其主要碳減排驅動因素與碳減排量的影響規律，最終確定單位質量填埋垃圾基于KDNS場景時，其在WtM場景和WtE場景的碳減排量。

2.2 垃圾填埋場碳排放量分析

本節討論了我國單位質量填埋垃圾在KDNS場景、WtM場景和WtE場景的總碳排放量、主要碳排放和碳減排路徑?？偺寂欧帕渴钦当硎驹搱鼍盀樘寂欧胚^程，總碳排放量是負值表示該場景為碳減排過程。單位質量MSW在KDNS場景的碳排放量如圖4（a）所示。SiL和SaL單位質量填埋垃圾在KDNS場景的總碳排放量分別為185 kgCO2eq/t和105 kgCO2eq/t，表明生活垃圾填埋場在KDNS場景會增加碳排放。單位質量MSW在WtM場景??和WtE場景的碳排放量如圖4（b）所示。SiL和SaL單位質量填埋垃圾在WtM場景的總碳排放量分別為-310 kgCO2eq/t和-354 kgCO2eq/t，其在WtE場景的總碳排放量分別為-194 kgCO2eq/t和-220 kgCO2eq/t，表明垃圾填埋場在WtM場景和WtE場景均可實現碳減排，其中WtM場景的碳減排潛力是WtE場景的1.6倍。單位質量MSW在填埋場LMRS場景的碳排放路徑的碳排放量如表3所示。從表3可以發現：LMRS場景的碳排放路徑的碳排放量與WtM場景或WtE場景的選擇影響關系較小，其碳排放量主要取決于填埋場類型。SiL單位質量垃圾在LMRS場景的碳排放總量高于SaL，前者是后者的1.2倍；SiL的主要碳排放為大宗設備的運輸，SaL的主要碳排放為垃圾細篩回收過程。單位質量MSW在填埋場LMRS場景的碳減排路徑的碳減排量如表4所示。從表4可以發現：LMRS場景的碳減排路徑的碳減排量與填埋場類型影響關系較小，其碳減排量主要取決于WtM場景或WtE場景的選擇。WtM場景主要的碳減排方式為塑料再生利用，其碳減排量在碳減排總量中的占比為50%；WtE場景主要的碳減排方式為RDF在水泥窯與煤混燃，其碳減排量在碳減排總量中的占比為46%。

2.3 LMRS場景碳減排影響因素分析

從垃圾填埋場碳排放量的分析可知，WtM場景和WtE場景的最大碳減排影響因素分別為塑料再生和RDF熱處理，因此本文對塑料利用率、RDF熱值、RDF利用率等影響因素進行分析。SiL和SaL中再生塑料、RDF熱處理的碳減排量占總碳排放量的比例相近，故本文以SaL作為研究對象，其碳排放量隨碳減排影響因素的變化規律同樣適用于SiL。

單位質量MSW采用WtM場景時碳排放量隨塑料回收率的變化關系如圖5所示，其中R1表示再生塑料碳減排量占WtM場景總碳排放量的比例。在SaL中，當塑料利用率從80%提高至90%，WtM場景的再生塑料碳減排量在總碳排放量中的占比將從55%變化至71%；當塑料利用率從80%降低至70%，再生塑料碳減排量在總碳排放量中的占比將從55%變化至34%。這表明生活垃圾填埋場在WtM場景時，其碳減排量隨塑料利用率增大而增大。

單位質量MSW采用WtE場景時碳排放量隨RDF熱值的變化關系如圖6（a）所示。R2表示RDF水泥窯熱處理產生的碳減排量占WtE場景總排放量的比例。當RDF熱值從20 MJ提高至25 MJ，RDF水泥窯熱處理的碳減排量在WtE場景總碳排放量中的占比從50%變化至78%；當RDF熱值從20 MJ降低至15 MJ，RDF水泥窯熱處理的碳減排量在總碳排放量中的占比從50%變化至18%。結果表明提高RDF的熱值增大了RDF在水泥窯產熱的碳減排量。單位質量MSW采用WtE場景時碳排放量隨RDF利用率的變化關系如圖6（b）所示。R3表示再生能源回收的碳減排量占WtE場景總碳排放量的比例。當RDF利用率從80%提高至90%，RDF熱處理產生的碳減排量在WtE場景總碳排放量中的占比從55%變化至71%；當RDF利用率從80%降低至70%，RDF熱處理產生的碳減排量在總碳排放量中的占比從55%變化至38%。這表明RDF熱處理技術產生的碳減排量隨RDF利用率的增加而增大。

2.4 LMRS場景的碳減排量分析

本文采用WtM場景和WtE場景的碳減排量，核算了我國生活垃圾填埋場相對于KDNS場景。單位質量MSW采用WtM場景或WtE場景的碳減排量如圖7所示，圖中計算公式用于核算WtM場景和WtE場景的碳減排量，其中：C為垃圾填埋場在WtM場景或WtE場景的碳減排量，P為填埋垃圾采用KDNS場景的量在填埋垃圾總量的比例，1-P為填埋垃圾采用WtM場景或WtE場景的量在填埋垃圾總量的比例，CE為填埋垃圾在WtM場景或WtE場景的總碳排放量，CK為填埋垃圾KDNS場景的總碳排放量。由圖7可知，當填埋場單位質量垃圾全部采用WtM場景時，其碳減排量達到最大，為-459～-495 kgCO2eq/t。垃圾填埋場碳中和表現為其在WtM場景或WtE場景的碳減排恰好抵消其在KDNS場景的碳排放，即填埋垃圾采用WtM場景的量占填埋垃圾總量中的比例為19%～27%，或其采用WtE場景的量占填埋垃圾總量中的比例為24%～33%，此時垃圾填埋場處于碳中和狀態。

3 結 論

本文采用碳排放因子法構建了生活垃圾填埋場開采再利用的全生命周期碳排放模型，通過該模型核算和對比了單位質量生活填埋垃圾在KDNS場景、WtM場景和WtE場景的碳排放量，分析了WtM場景和WtE場景碳排放的主要驅動因素與碳排放量的變化規律，評估了單位質量生活填埋垃圾在WtM場景和WtE場景的碳減排潛力。所得主要結論如下：

a）生活垃圾填埋場單位質量垃圾采用WtM場景的碳排放量低于WtE場景，前者的碳減排潛力是后者的1.6倍。

b）提高塑料回收率將顯著提升WtM場景的碳減排總量，提高RDF熱處理量（RDF熱值和利用率）有助于增加WtE場景的碳減排總量，其中RDF熱值變化對WtE場景的碳減排影響大于RDF利用率變化對其碳減排影響。

c）在填埋場KDNS場景基準下，WtM場景或WtE場景將直接影響生活垃圾填埋場LMRS場景的總碳減排量，另外垃圾填埋場類型也會影響總碳減排量。僅從碳減排潛力考慮，SiL單位質量垃圾在WtM場景的碳減排潛力最佳。

d）減少垃圾填埋場生命周期碳排放的有效措施包括：加快垃圾穩定化，提前開展垃圾填埋場的開采；提高垃圾填埋場甲烷收集利用率，減少填埋氣泄漏；提高垃圾再生利用技術和RDF熱處理技術，降低處理過程中二氧化碳等溫室氣體排放。

本文構建了生活垃圾填埋場開采再利用的全生命周期碳排放模型，可用于定量核算填埋場材料與能源多路徑利用技術下的碳排放量。本文可為填埋場開采再利用路徑的優選提供思路，也可為我國生活垃圾填埋場開采再利用的碳減排潛力評估提供參考。

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