郝 漢 馬文林# 李思航

(1.北京建筑大學(xué)北京應(yīng)對氣候變化研究和人才培養(yǎng)基地,北京 100044;2.北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院,北京 100044)

近年來,學(xué)者們廣泛認(rèn)為人為源溫室氣體是造成全球氣候變暖的主要因素之一。溫室氣體排放量不斷增加,已經(jīng)嚴(yán)重影響人類的正常生產(chǎn)生活并威脅到了地球生態(tài)系統(tǒng)[1]。CO2、CH4和N2O是主要的溫室氣體,分別占溫室氣體排放總量的72%、19%和6%[2]。廢棄物是重要的人為溫室氣體排放源[3],據(jù)有關(guān)研究統(tǒng)計,我國廢棄物溫室氣體排放量從1949年的36萬t(以CO2為當(dāng)量,下同)增加到2013年的7 240萬t[4],在2017年進(jìn)一步達(dá)到7 660萬t[5]。盡管廢棄物處理產(chǎn)生的溫室氣體排放占比不高,但廢棄物同時也是一種可再生資源,如果對其加以回收利用,既能夠?qū)崿F(xiàn)溫室氣體減排目標(biāo),又具有良好的環(huán)境和社會效益[6]。目前在廢棄物處理過程中產(chǎn)生的CO2、CH4和N2O等溫室氣體受到國內(nèi)學(xué)者們的廣泛關(guān)注[7]。

于洋等[8]針對廈門市廢棄物處理的溫室氣體排放情況建立計算模型并進(jìn)行核算;張成[9]對重慶市城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)溫室氣體排放進(jìn)行核算,并預(yù)測當(dāng)?shù)販厥覛怏w排放潛勢;郭宇杰等[10]、謝鵬程等[11]從生活垃圾處理溫室氣體排放方面開展了相關(guān)研究;曾燦等[12]核算并分析了寧波市廢棄物處理溫室氣體排放特征;王安等[13]核算了北京市廢棄物處理過程中溫室氣體排放總量,并與國內(nèi)典型城市進(jìn)行對比分析。近年來,河北省經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展,工業(yè)化進(jìn)程不斷加快,人們物質(zhì)消費(fèi)水平顯著提高,廢棄物產(chǎn)生和處理量也不斷增加。目前鮮有河北省廢棄物處理溫室氣體核算的研究報道,因此在已有研究的基礎(chǔ)上,以河北省為研究區(qū)域,參考《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》(以下簡稱《IPCC 2006指南》)[14]和《省級溫室氣體清單編制指南(試行)》(以下簡稱《省級指南》)[15]的核算方法及相關(guān)參數(shù),核算了河北省2006—2020年廢棄物處理的溫室氣體排放量,并分析了溫室氣體排放特征,以期為河北省實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)的全面發(fā)展及開展廢棄物領(lǐng)域的溫室氣體減排提供數(shù)據(jù)支持和理論參考。

1 研究區(qū)域概況

河北省地處我國華北地區(qū),位于113°4′E～119°53′E,36°1′N～42°37′N,東至渤海,內(nèi)環(huán)京津,南接山東、河南二省,西為太行山地區(qū),北為燕山山地,全省面積18.88萬km2,2020年全省戶籍人口7 463.84萬。2006年河北省共有污水處理廠38座,處理能力為316.1萬m3/d,污水處理總量為77 169萬m3;至2020年污水處理廠增加至93座,處理能力達(dá)680.1萬m3/d,污水處理總量為171 325萬m3。近年來,河北省垃圾處理能力也不斷增強(qiáng),2020年河北省垃圾無害化處理量為786.19萬t,比2006年增加了146%,垃圾處理能力達(dá)到32 173 t/d。2006年全省無害化垃圾處理廠17座,至2020年已增加至59座,其中,垃圾焚燒廠數(shù)量顯著增加,2006年全省垃圾焚燒廠共兩座,焚燒處理能力為1 200 t/d;至2020年已經(jīng)增加至15座,焚燒處理能力達(dá)到18 460 t/d。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 核算方法

2.1.1 生活垃圾填埋處理CH4排放

采用《省級指南》中的質(zhì)量平衡法對河北省城市生活垃圾填埋處理排放的CH4進(jìn)行核算,由于這種方法假設(shè)在填埋處理當(dāng)年就將所有潛在的CH4全部排放出,所以相比于實(shí)際的CH4排放量數(shù)值偏高[16]87,計算方法見式(1)至式(3)。

ECH4,L=(AMSW,T×ηMSW,L×L0-RL)×(1-FOX)

(1)

L0=FMCF×CDOC×ηDOC,F×ηCH4×16/12

(2)

(3)

式中:ECH4,L為生活垃圾填埋處理的CH4排放量,萬t/a;AMSW,T為生活垃圾的產(chǎn)生總量,萬t/a;ηMSW,L為城市生活垃圾填埋處理率,%;L0為生活垃圾填埋的CH4產(chǎn)生潛力,萬t/萬t;RL為填埋處理CH4回收量,萬t/a;FOX為氧化因子;FMCF為生活垃圾填埋場的CH4修正因子;CDOC為可降解有機(jī)碳質(zhì)量濃度,kg/kg,基于生活垃圾計算;ηDOC,F為可分解的可降解有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;ηCH4為生活垃圾填埋氣中CH4質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;16/12為碳轉(zhuǎn)化為CH4的系數(shù);i為生活垃圾類型;CDOC,i為第i類生活垃圾可降解有機(jī)碳質(zhì)量濃度,kg/kg;Wi為第i類生活垃圾在生活垃圾總量中的質(zhì)量占比,%。

2.1.2 垃圾焚燒處理CO2排放

根據(jù)《省級指南》的核算范圍,本研究按照式(4)計算垃圾焚燒處理的CO2排放量:

(4)

式中:ECO2,I為垃圾焚燒處理的CO2排放量,萬t/a;k為待焚燒的垃圾類型;AIW,k為第k類垃圾的焚燒量,萬t/a;ηCCW,k為第k類垃圾中的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;ηFCF,k為第k類垃圾中礦物碳占碳總量的質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;ηEF,k為第k類垃圾焚燒的完全燃燒效率,%;44/12為碳轉(zhuǎn)化為CO2的系數(shù)。

2.1.3 生活污水處理CH4排放

生活污水包括城鎮(zhèn)居民住宅、機(jī)關(guān)單位、學(xué)校等場所在日常生活中產(chǎn)生并排放的廢水,本研究按照式(5)和式(6)計算生活污水處理CH4排放量。

ECH4,DW=ATOW×FDW-RDW

(5)

FDW=B0,DW×FMC,DW

(6)

式中:ECH4,DW為生活污水處理CH4排放量,kg/a;ATOW為生活污水中有機(jī)物總量(以BOD計),kg/a;FDW為生活污水CH4排放因子,kg/kg;RDW為生活污水CH4回收量,kg/a;B0,DW為生活污水CH4最大產(chǎn)生能力(基于BOD計算),kg/kg;FMC,DW為生活污水CH4修正因子。

2.1.4 工業(yè)廢水處理CH4排放

工業(yè)廢水源于工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生并排放的廢水廢液,按照式(7)和式(8)計算工業(yè)廢水處理CH4排放量。

(7)

FIW=B0,IW×FMC,IW

(8)

式中:ECH4,IW為工業(yè)廢水處理CH4排放量,kg/a;j為工業(yè)部門;ATOW,j為工業(yè)部門j的工業(yè)廢水中可降解有機(jī)物的總量(以COD計),kg/a;Sj為工業(yè)部門j以污泥方式清除的有機(jī)物總量(以COD計),kg/a;FIW為工業(yè)廢水CH4排放因子;RIW,j為工業(yè)部門j的CH4回收量,kg/a;B0,IW為工業(yè)廢水CH4最大產(chǎn)生能力(基于COD計算),kg/kg;FMC,IW為工業(yè)廢水CH4修正因子。

2.1.5 廢水處理N2O排放

生活、工業(yè)、商業(yè)廢水的處理產(chǎn)生并排放的N2O是廢水處理過程中N2O的主要來源,按照式(9)和式(10)計算廢水處理N2O排放量。

EN2O=NE×FN2O×44/28

(9)

NE=P×Pr×FNPR×FNON-CON×FIND-COM-NS

(10)

式中:EN2O為廢水處理N2O排放量,kg/a;NE為廢水中含氮量,kg/a;FN2O為廢水N2O排放因子(基于含氮量計算),kg/kg;44/28為氮轉(zhuǎn)化為N2O的系數(shù);P為人口,人;Pr為人均蛋白質(zhì)消耗量,kg/(人·a);FNPR為蛋白質(zhì)中含氮量,kg/kg;FNON-CON為廢水中的非消耗蛋白質(zhì)因子,%;FIND-COM為工業(yè)和商業(yè)的蛋白質(zhì)排放因子,%;NS為隨污泥清除的氮,kg/a。

2.2 活動水平數(shù)據(jù)

河北省廢棄物處理溫室氣體排放核算所需的活動水平數(shù)據(jù)分為固體廢物處理及廢水處理兩部分。

固體廢物處理部分所需的活動數(shù)據(jù)包括城市生活垃圾填埋量、城市生活垃圾焚燒量、危險廢物焚燒量和城市生活垃圾有機(jī)成分含量,由于污泥焚燒產(chǎn)生的CO2屬于生物成因排放,不計入排放總量中,因此未統(tǒng)計污泥焚燒處理量[16]191。

廢水處理部分所需的活動數(shù)據(jù)包括生活污水及工業(yè)廢水的COD產(chǎn)生量、經(jīng)過處理設(shè)施削減的COD去除量和排入環(huán)境的COD排放量,河北省工業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)量和河北省常住總?cè)丝凇?/p>

數(shù)據(jù)主要來源于2006—2020年中國城市建設(shè)年鑒、2006—2020年中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒、2006—2020年中國環(huán)境年鑒、2020—2021年河北省統(tǒng)計年鑒、2008—2019年河北省經(jīng)濟(jì)年鑒。參考文獻(xiàn)[17]獲得我國主要城市的生活垃圾組分情況并取華北地區(qū)平均值,用以表征城市生活垃圾有機(jī)成分含量(食品廢物、紙類、竹木和織物占比(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計)分別為60.60%、12.47%、1.97%和2.70%);因環(huán)境統(tǒng)計方式發(fā)生變化,2015年以后的生活污水中COD去除量采用國內(nèi)COD產(chǎn)生系數(shù)[18]進(jìn)行估算,2015年以前污水中的COD去除量來自相應(yīng)年份的中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒及中國環(huán)境年鑒。河北省人均蛋白質(zhì)消耗量的數(shù)據(jù)來源于聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織[19],取中國平均值(見表1)。

表1 2006—2020年中國人均蛋白質(zhì)消耗量Table 1 Annual per capita protein consumption in China during 2006-2020 g/(人·d)

2.3 排放因子數(shù)據(jù)

固體廢物處理以及廢水處理的CH4排放因子和N2O排放因子,基本采用《省級清單》中的推薦值,部分參數(shù)取值參考文獻(xiàn)[20],廢棄物溫室氣體排放關(guān)鍵因子匯總于表2。

表2 河北省各廢棄物溫室氣體關(guān)鍵排放因子Table 2 Key greenhouse gas emission factors by waste sector in Hebei Province

3 結(jié)果與分析

根據(jù)2.1節(jié)的計算方法,并將結(jié)果均折算為CO2當(dāng)量,不同溫室氣體折合為CO2當(dāng)量的系數(shù)為:1 t CH4相當(dāng)于21 t CO2帶來的增溫潛勢;1 t N2O相當(dāng)于310 t CO2帶來的增溫潛勢[21]。

3.1 固體廢物處理溫室氣體排放特征

由圖1可以看出,生活垃圾填埋處理CH4排放量分別在2006—2011年和2011—2020年呈先升后降的趨勢,其占固體廢物處理產(chǎn)生溫室氣體總量的比例在2006—2015年總體呈緩慢下降趨勢,并在2016—2020年明顯下降。生活垃圾填埋處理CH4排放量最大值為2016年的401.34萬t,最小值為2006年的227.42萬t,2020年比2006年增長76.48%。生活垃圾填埋處理CH4排放量增長幅度最大的年份為2007年,比前一年增長20.10%;排放量下降幅度最大的年份為2020年,比前一年下降19.97%。在2006—2009年生活垃圾填埋處理CH4排放量呈快速增長的趨勢,年均增長率為14.64%,原因是河北省這一時期固體廢物收集技術(shù)水平的提高及垃圾填埋場建設(shè)數(shù)量的不斷增加,導(dǎo)致了垃圾無害化處理量的顯著提升。

圖1 2006—2020年河北省固體廢物處理溫室氣體排放情況Fig.1 Greenhouse gas emissions from solid waste treatment in Hebei Province during 2006-2020

垃圾焚燒處理CO2排放量除在2008、2014年稍有下降外,總體上呈穩(wěn)定上升趨勢,且在2016—2020年增速明顯加快,其占固體廢物處理產(chǎn)生溫室氣體總量的比例變化趨勢與排放量變化趨勢基本相同。其中,垃圾焚燒處理CO2排放量最小值為2006的6.42萬t,最大值為2020年的130.93萬t,2020年比2006年增加了19.39倍。垃圾焚燒處理CO2排放量最大增長幅度在2017年,相比前一年增加了92.07%。

不同固體廢物處理溫室氣體排放量占比變化趨勢主要受處理方式改變的影響。隨著河北省城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快,人民生活水平日益提高,生活垃圾的產(chǎn)生量處理量不斷增加,填埋處理方式受到土地限制逐漸趨于飽和,與垃圾填埋場相比垃圾焚燒廠的占地面積更小,土地利用效率更高,由于環(huán)境污染和土地資源的制約,河北省正逐步推進(jìn)將垃圾填埋場取代為垃圾焚燒廠。

3.2 廢水處理溫室氣體排放特征

由圖2可以看出,生活污水處理CH4排放量在2006—2020年間,除2012、2020年有小幅下降外,其余年份均呈穩(wěn)定上升趨勢;2020年比2006年增長138.48%;其中,在2019年排放量達(dá)到最大,為99.23萬t,在2006年排放量最小,為40.02萬t。2006—2011年生活污水CH4排放量增速較快,年均增長率達(dá)到了13.86%,這可能與這一時期河北省城鎮(zhèn)污水處理廠的快速建設(shè)及污水處理能力的顯著提高有關(guān),污水處理廠的數(shù)量從2006年的38座增長到2011年的73座,生活污水COD去除量也隨之顯著提高,由2006年的22.79萬t增加到2011年的66.94萬t。

圖2 2006—2020年河北省廢水處理溫室氣體排放情況Fig.2 Greenhouse gas emissions from wastewater treatment in Hebei Province during 2006-2020

工業(yè)廢水處理CH4排放量在2006—2020年總體呈先升后降的趨勢,但波動幅度較大,其排放量變化與各工業(yè)行業(yè)COD去除量及排放量變化有關(guān)。工業(yè)廢水處理CH4排放量在2020年比2006年增長27.93%;排放量最大值在2012年,為321.11萬t,最小值在2008年,為144.67萬t;增長幅度最大的為2011年,相比前一年增加84.35%,分析其主要原因可能是2011年環(huán)保部門統(tǒng)計方式發(fā)生改變,導(dǎo)致工業(yè)廢水COD去除量的數(shù)據(jù)連續(xù)性受到影響。

廢水處理N2O排放量在2006—2020年間呈緩慢上升趨勢,從2006年的160.29萬t增加到2020年的205.23萬t,年均增長率僅1.78%,這與這一時期內(nèi)河北省人口增速及人均蛋白質(zhì)消耗量增速都比較低有關(guān)。

3.3 總體排放特征分析

由圖3可以看出,河北省2006—2020年廢棄物處理溫室氣體排放總量呈總體上升趨勢,2020年(926.06 萬t)比2006年(582.74萬t)增長了58.92%;其中,2006—2011年間,排放總量除在2010年小幅下降2.09%外,一直處于穩(wěn)定增長趨勢;2011—2019年排放總量除2015年存在小幅下降外,整體呈小幅增長趨勢,并在2019年達(dá)到最大值(967.23萬t)后于2020年下降。廢棄物處理溫室氣體排放總量在2011年上升幅度最大,相比前一年增長18.39%,主要由于2011年工業(yè)廢水處理CH4排放量增幅較大;在2020年下降幅度最大,相比前一年下降4.26%。

圖3 2006—2020年河北省廢棄物處理溫室氣體排放情況Fig.3 Greenhouse gas emissions by waste treatment in Hebei Province during 2006-2020

由圖4可以看出,廢水處理在河北省廢棄物處理溫室氣體排放總量中占比最高,但總體呈波動下降趨勢,廢水處理在2006—2020年平均排放占比為55.78%。生活垃圾填埋處理溫室氣體排放占比居次,平均為39.42%,分別在2006—2011年和2011—2020年呈先升后降的趨勢;垃圾焚燒處理溫室氣體排放占比居于末位,平均為4.79%,但2020年相比2006年增長11.85倍。在2016—2020年間,隨著河北省垃圾填埋場逐漸關(guān)停封場以及垃圾焚燒廠的快速建設(shè),衛(wèi)生填埋無害化處理量已經(jīng)從408.36萬t減少到309.70萬t,垃圾焚燒無害化處理量由288.63萬t增加到447.24萬t,所以在2016—2020年間垃圾焚燒處理溫室氣體排放占比顯著上升。2020年河北省生活垃圾填埋處理、垃圾焚燒處理和廢水處理產(chǎn)生的溫室氣體排放占比分別為32.87%、14.14%、52.99%。

圖4 2006—2020年河北省廢棄物處理溫室氣體排放占比趨勢Fig.4 Trends in the precentage of greenhouse gas emissions by sector for waste treatment in Hebei Province during 2006-2020

4 不確定性分析

本次關(guān)于河北省廢棄物處理溫室氣體排放量核算的研究主要有兩個方面的不確定性,即方法和數(shù)據(jù)的不確定性。方法的不確定性主要為,在計算生活垃圾填埋處理溫室氣體排放量的過程中所采用的方法為質(zhì)量平衡法,這種方法假設(shè)所有潛在的CH4全部在處理當(dāng)年排放完,因此會導(dǎo)致排放量估算值偏高,最終產(chǎn)生一定偏差。

數(shù)據(jù)的不確定性包括活動數(shù)據(jù)和排放因子的不確定性。為降低估算數(shù)據(jù)的不確定性,本研究活動數(shù)據(jù)采用統(tǒng)計年鑒中河北省本地數(shù)據(jù)或中國國內(nèi)平均值并選取《省級清單》中合適的參數(shù)值進(jìn)行計算。因此,活動數(shù)據(jù)的不確定性除了來自統(tǒng)計部門的統(tǒng)計口徑以及調(diào)查的精確程度外,也有以下幾方面的影響:生活垃圾填埋處理產(chǎn)生的CH4排放量計算,涉及到河北省城市生活垃圾組分,而目前收集到的相關(guān)數(shù)據(jù)有限,本研究通過查閱文獻(xiàn),獲得了我國華北地區(qū)3個城市生活垃圾組分情況數(shù)據(jù)并取平均值;河北省生活垃圾填埋處理產(chǎn)生的CH4回收量極小,本次研究忽略不計;在計算生活污水處理溫室氣體排放量時,未獲取到各個污水處理廠BOD/COD的數(shù)據(jù),因此該數(shù)值采用省級清單中的推薦值;在估算廢水處理N2O排放量時,人均蛋白質(zhì)消耗量采用聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織提供的中國平均值。此外,本研究采用排放因子法估算廢棄物溫室氣體排放量,所選取的排放因子中有一些不是河北省特征值,這也一定程度上造成核算結(jié)果的不確定性。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié) 論

(1) 2006—2020年河北省廢棄物處理產(chǎn)生的溫室氣體排放總量整體呈穩(wěn)定上升的趨勢,但2011—2019年排放總量變化幅度較小。

(2) 廢水處理為河北省廢棄物處理溫室氣體排放的主要來源,但其溫室氣體排放量占比總體呈波動下降趨勢。

(3) 垃圾焚燒處理溫室氣體排放的變化最為明顯,2020年相較于2006年垃圾焚燒處理溫室氣體排放量增長近20倍,在廢棄物處理溫室氣體排放總量的占比增長近12倍。

5.2 建 議

(1) 河北省垃圾焚燒相較于填埋處理,1萬t垃圾平均可減少0.77萬t的溫室氣體排放。建議河北省加快垃圾焚燒處理設(shè)施建設(shè),逐步關(guān)停并科學(xué)治理生活垃圾填埋場,推動生活垃圾處理從“填埋”到“綠色焚燒”的變革,通過采用高參數(shù)中間再熱技術(shù)、熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)及提高焚燒爐單爐的處理規(guī)模等方式建設(shè)高效低碳的垃圾焚燒發(fā)電廠。

(2) 食品廢物約占河北省生活垃圾的有機(jī)組分的60.60%,在進(jìn)行填埋處理時,其中豐富的營養(yǎng)物質(zhì)極易被生物降解,不僅有大量的溫室氣體排放,還會產(chǎn)生垃圾滲濾液污染地下水環(huán)境。建議河北省繼續(xù)推進(jìn)垃圾分類資源回收,單獨(dú)對餐廚垃圾進(jìn)行厭氧消化處理,回收產(chǎn)生的H2、CH4等可燃?xì)怏w,在減少溫室氣體排放的同時回收大量生物能源。

(3) 廢水處理產(chǎn)生的碳排放主要分為直接碳排放和間接碳排放,受到工藝選型等影響,污水處理廠在運(yùn)行中對間接碳排放部分控制更多,包括生產(chǎn)過程中電力消耗、藥劑消耗等。建議河北省在污水處理廠的運(yùn)營管理中注重減少污水處理系統(tǒng)厭氧環(huán)境,如逐步取消化糞池、減少管道淤積等,并將N2O納入生物處理控制體系,同時提高精細(xì)化管理水平,降低能源和物料消耗,從而減少間接碳排放。