廚余垃圾和農(nóng)林廢棄物好氧堆肥協(xié)同處理碳排放核算
——以某鎮(zhèn)處理設(shè)施為例

朱遠(yuǎn)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(guān)注，并成為了眾多學(xué)者探討的焦點。人類活動導(dǎo)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(yè)和服務(wù)業(yè)占比較大，但是固體廢物收運處置行業(yè)也不容忽視。為了更好地踐行綠色發(fā)展戰(zhàn)略，加快推進(jìn)“無廢城市”的建設(shè)［1］，厘清垃圾運輸處置的碳排放現(xiàn)狀，是實現(xiàn)這一目標(biāo)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(xué)者針對不同城市對生活垃圾處理碳排放進(jìn)行了預(yù)測研究［4-5］，隨著研究的逐步深入和垃圾分類進(jìn)程不斷深化，越來越多的學(xué)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(zhì)的理化特性［7］，適用好氧堆肥和厭氧發(fā)酵［8］等工藝進(jìn)行處理，與園林廢棄物協(xié)同好氧處置，不但可以有效加速發(fā)酵進(jìn)程［9］，而且有機質(zhì)去除率可以達(dá)到90% 以上［10］。從現(xiàn)有文獻(xiàn)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(xié)同處理具體案例設(shè)施的碳排放核算。本研究以某鎮(zhèn)廚余垃圾和農(nóng)林廢棄物協(xié)同好氧堆肥處理設(shè)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(lǐng)域的低碳管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究對象

某鎮(zhèn)為華北區(qū)域某市農(nóng)業(yè)大鎮(zhèn)，鎮(zhèn)域面積約75 km2，下轄21 個行政村，常住人口3.3×104余人。該鎮(zhèn)廚余垃圾處置主體工藝為“農(nóng)林廢棄物破碎預(yù)處理+廚余垃圾協(xié)同靜態(tài)好氧堆肥+制備土壤調(diào)理劑”，處置規(guī)模為8 t/d 廚余垃圾+6 t/d 農(nóng)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(nóng)林廢棄物由收集車定時收集運輸，主要來自該鎮(zhèn)的草莓秧和園林修剪垃圾。

1.2 堆肥工藝及產(chǎn)物指標(biāo)

好氧堆肥初級發(fā)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(shè)厚度約為20～30 cm 經(jīng)破碎預(yù)處理的農(nóng)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(nóng)林廢棄物，摻混質(zhì)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(yīng)的進(jìn)程與效果。初級發(fā)酵周期為7～14 d，定期由鏟車進(jìn)行翻堆，經(jīng)多次測量，堆體溫度在55～65 ℃波動。后進(jìn)入次級發(fā)酵階段，次級發(fā)酵周期為45～60 d，于10 月中旬對該設(shè)施不同階段取樣檢測，其結(jié)果如表1 所示。

表1 初級發(fā)酵及次級發(fā)酵產(chǎn)物檢測結(jié)果Table 1 Detection results of primary fermentation product and secondary fermentation product

檢測結(jié)果表明，初級發(fā)酵和次級發(fā)酵產(chǎn)物中有機質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、酸堿度（pH）、含水率、種子發(fā)芽率指數(shù)、含雜率、鈉離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、總砷、總汞、總鉛、總鎘、總鉻等堆肥產(chǎn)品無害化指標(biāo)檢測結(jié)果均符合DB11/T 2011—2022 廚余有機廢棄物制備土壤調(diào)理劑技術(shù)規(guī)范的限值要求。

工藝參數(shù)、初級發(fā)酵產(chǎn)物和次級發(fā)酵產(chǎn)物的檢測指標(biāo)顯示，取樣當(dāng)日，該設(shè)施廚余垃圾和農(nóng)林廢棄物協(xié)同好氧堆肥工藝運行較為穩(wěn)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(zhì)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(gòu)造活動數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)（AD）×排放因子（EF） （1）

式中：AD 是導(dǎo)致溫室氣體排放的生產(chǎn)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(shù)據(jù)對應(yīng)的系數(shù)，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(chǎn)或消費活動量的溫室氣體排放系數(shù)。EF 既可以直接采用IPCC、美國環(huán)境保護(hù)署、歐洲環(huán)境機構(gòu)等提供的已知數(shù)據(jù)，也可以基于代表性的測量數(shù)據(jù)來推算。

排放因子法的優(yōu)點是簡單明確、易于理解，有成熟的公式、活動數(shù)據(jù)和排放因子數(shù)據(jù)庫。本研究從數(shù)據(jù)可獲得性角度出發(fā)，選取排放因子法對廚余垃圾協(xié)同農(nóng)林廢棄物好氧堆肥進(jìn)行碳排放核算。

1.4 核算邊界及排放清單

某鎮(zhèn)廚余垃圾協(xié)同農(nóng)林廢棄物處理的碳排放主要來源包括廚余垃圾和農(nóng)林廢棄物的收集運輸車輛、農(nóng)林廢棄物預(yù)處理破碎設(shè)備、翻堆作業(yè)鏟車及好氧堆肥工藝過程等；碳補償主要為堆肥產(chǎn)品的碳固定效應(yīng)。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(chǎn)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(zhèn)級好氧堆肥點；二是采用輕型貨車將農(nóng)林廢棄物運輸至鎮(zhèn)級好氧堆肥點。根據(jù)車輛運輸距離、車輛類型、車輛燃油類型及相應(yīng)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(nóng)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(nóng)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(nóng)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(huán)境下利用微生物的分解作用，使廚余垃圾中的有機質(zhì)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的腐殖質(zhì)的過程。好氧堆肥產(chǎn)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(nèi)部局部厭氧產(chǎn)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(shè)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(nóng)林廢棄物用破碎機進(jìn)行破碎預(yù)處理所消耗的電力；二是使用鏟車對堆體進(jìn)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(yè)過程中的柴油消耗量；CEFp為柴油的碳排放因子；En為破碎預(yù)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(jìn)行處置，協(xié)同農(nóng)林廢棄物的堆肥制品可作為土壤調(diào)理劑，將有機物中的碳儲存于肥料中，最終與土壤結(jié)合從而實現(xiàn)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(shù)如表3 所示。

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

2 結(jié)果與討論

2.1 碳排放量

該設(shè)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(nóng)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(shè)施收運范圍為鎮(zhèn)域內(nèi)各個村，不需要中轉(zhuǎn)站進(jìn)行轉(zhuǎn)運，因此運輸距離遠(yuǎn)低于送至大型集中處理設(shè)施。

邊瀟等［15］在研究中核算的餐廚垃圾設(shè)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(shè)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(tài)好氧堆肥工藝，不需要使用加熱及氧氣補充等輔助設(shè)備，僅使用預(yù)處理破碎機和翻堆作業(yè)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(huán)節(jié)納入，可能是由于堆肥物料中協(xié)同處理了農(nóng)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(dá)97.38%。意味著在該鎮(zhèn)級農(nóng)林廢棄物協(xié)同廚余垃圾好氧堆肥設(shè)施中，垃圾的收集運輸、破碎預(yù)處理及翻堆作業(yè)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(fā)酵和次級發(fā)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(tài)露天好氧堆肥工藝中，堆體內(nèi)部難免出現(xiàn)厭氧環(huán)境，由于缺少密閉輔助設(shè)施，翻堆作業(yè)會造成CH4、N2O 的無組織逸散。因此協(xié)同好氧堆肥除應(yīng)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(shù)外，還應(yīng)增加外部密閉設(shè)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(yè)以降低堆體內(nèi)部厭氧環(huán)境的產(chǎn)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(chǎn)品對于碳的固定效應(yīng)明顯，占比達(dá)碳凈排放量的38.41%。據(jù)調(diào)研，該設(shè)施堆肥產(chǎn)品由附近村民按需免費領(lǐng)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(jié)論

1）廚余垃圾和農(nóng)林廢棄物協(xié)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(zhèn)域內(nèi)收運處置的方式，由于減少了轉(zhuǎn)運環(huán)節(jié)，具有運輸距離短的優(yōu)勢，運輸階段的碳排放量低于經(jīng)過轉(zhuǎn)運運輸至集中大型處理設(shè)施；同時協(xié)同靜態(tài)好氧工藝，設(shè)備能耗碳排放量也低于使用加熱及氧氣補充設(shè)備能耗的碳排放量。

3）好氧堆肥階段產(chǎn)生的CH4和N2O 無組織逸散，是影響其碳排放水平的關(guān)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(shè)施、定期翻堆作業(yè)和保證足夠的堆肥時間等。

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