日本食品廢物不同資源化技術下的碳排放比較研究

姜曉群 ,譚靈芝 ,孫月陽 (.中國人民大學環境學院,北京 00872；2.重慶工商,大學人口發展與政策研究中心,重慶400672；.安徽省發展改革委,安徽 合肥 2000)

根據IPCC 估算,廢棄物作為溫室氣體的六大排放源之一[1],在每年全球溫室氣體排放中,固體廢棄物填埋產生的甲烷約占3%～4%[2].隨著城市化進程的加快,固體廢物產生量逐漸增多,其碳排放預計將于2024 年達到峰值,約為3323.6 萬t[3].食品廢物是固體廢棄物尤其是城市生活垃圾的重要組成部分,約占其含量的40%～50%,主要以淀粉類、食品纖維類、動物脂肪類等物質為主,具有高BOD、易腐敗、易發臭等特點,若處置不當,就會造成溫室氣體過度排放[4-5].因生活垃圾的處理技術亦可部分用于食品廢物的處理.從廣義上講,各國食品廢物資源化處理技術主要是填埋、焚燒、堆肥、固化等;狹義上又有不同的細分[6]:食品廢物堆肥[7-8];食品廢物產生物柴油[9-11];食品廢物產沼氣[12-14];食品棄物產氫[15-16];食品廢物產乙醇[17-18]和食品廢物產乳酸[19-20]6 種研究方向.已有研究側重于少部分處理技術在國家、省、市、區、垃圾處理廠等不同層面碳排放的評估,對于回收過程和能源化過程的量化研究較少,且未對技術的優劣性進行全生命的周期的比較.食品廢物處置的全生命周期,都涉及碳排放,不同的食品廢物資源化處理技術,對減緩氣候變暖有著差異.在當前已經進入垃圾分類的時代背景下,廢棄物資源化管理也逐漸精細化.那么,哪一種技術手段/體系碳排放量最小?換言之,垃圾分類是高效率資源化的前提,資源化是垃圾分類的最終出路,我國的垃圾分類處置應該選擇怎樣的技術手段,才能有助于碳減排,進而達到垃圾分類管理、資源化技術發展和氣候減緩三者的均衡?

日本垃圾分類以其分類精細[21]、管理到位[21]、人人參與[23]、循環利用[24]到近乎嚴苛的程度著稱,食品廢物作為城市生活垃圾的主要組成部分,更是建立了收集、清運、轉運、處理、處置、排放、回收物利用等各環節的量化管理體系[25],實現了全生命周期過程的計量、統計調查[26].鑒于此,本文將以日本食品廢物為例,運用全生命周期評價法(Life Cycle Assessment,簡稱LCA),評估10 種資源化處理技術:①肥料化②飼料化(額外干燥)③飼料化(液化)④甲烷化(單純)⑤甲烷化(與地下水混合)⑥甲烷化(循環消化液)⑦甲烷化(混合焚燒)⑧廢物固形燃料⑨碳化⑩乙醇化相對于3 種非資源化處理技術○11無發電焚燒○12 焚燒(有發電)○13 焚燒可燃垃圾(無發電)共13 類技術體系的碳排量(以CO2e 為最終計量單位).

圖1 LCA 評價的實施步驟Fig.1 Steps to perform life cycle assessment

1 評估方法與數據收集

本文采用株式會社三菱綜合研究所發布的《有關食品再利用進展狀況調查委托事業報告書》[27]中討論的框架作為參考,按照LCA評價的實施步驟和評價方法,對食品廢物(非)資源化的13 類技術體系全生命周期及各階段的碳排放進行比較.其中,對LCA 相關環節進行假設條件的設定,其主要目的是對垃圾分類處理過程的相關參數進行統一,便于評價結果的可比性;設定評估對象的范圍,包含過程和情景的設定;確定相應的評估指標,即全生命周期各個階段和總碳排放量;基于調查、問卷、訪談、統計年鑒收集整理數據;進行環境負荷(溫室氣體排放量)的定量評估和情景之間的比較,進而對評估的結果進行解釋,評價資源化技術對碳減排的效果.詳見圖1.

1.1 前提條件的設定

運輸部分用于計算碳排放的條件作如下假設.食品廢物的收集和清運部分,運輸距離設定為75km,運輸工具是裝載率50%的4t 卡車;再生品的運輸,運輸距離設定為75km,運輸工具是裝載率50%的4t 卡車;廢棄物的運輸,運輸距離設定為75km,運輸工具是裝載率50%的2t 卡車.其他部分,參考實際情況,另做假設.

技術處理部分用于計算碳排放的條件作如下假設.假定食品廢物N 成分為5%,化成肥料后N 成分按10%來計算替代效果;再生品的蛋白質含量與玉米含量相等;飼料碳排放量按每種類產品的排出量計算,以其營養成分的50%來計算;飼料化(液體飼料)的再生品運輸距離為75km,運輸工具是20kL 裝載率50%的油罐車,其含水量按88%換算為干物;甲烷化(與下水處理混合)生物氣體的熱量假定為2996MJ/d[28];碳化產物的低熱值假定為25.8GJ/t[29],其替代效果用“一般炭鍋爐燃燒”的碳排放量進行計算;焚燒的前提條件是,可燃垃圾的組成如表1 所示,按1000kg 計量,目的是為與同等重量的食品廢物進行比較.焚燒產生的發電量按發熱比率換算,公式為:低熱值H＝4500V-600W(V為占濕重量的可燃分量,W 為水分的重量比例),具體來說,可燃垃圾:8323kJ/kg、生垃圾:2035kJ/kg.燃燒后的殘渣率假定為15%.燃料和產品的排放因子數據見表2.

表1 可燃垃圾的組分Table 1 Components of combustible waste

表2 用于計算碳排放的排放因子數據Table 2 emission factor of different kinds of fuel and product

1.2 評估對象范圍的設定

本評價中的食品廢物,包含食品制造業、食品批發業、食品零售業、食品服務業在食品加工制造過程中,不能用以食用的副產物及剩余物、不能再用于加工的食品;賓館/酒店、餐飲機構的食品垃圾以及家庭廚余食品垃圾.其中18%來自食品加工業,30%來自食品銷售渠道和酒店,52%來自于家庭.參與實施評價的食品廢物均按照每1000kg 計量.其平均含水率為23%,各成分含量(以干物質計),粗蛋白占15%～23%,脂肪占17%～24%,灰分占3%～6%,Ca 含量為0.54%,P 含量為0.43%,NaCl 含量為3%～4%[30].

本LCA 評價進行了食品廢物再利用和焚燒情況的對比.評價的邊界范圍為:收集&運輸,處理(再利用/焚燒/填埋)、處置、再利用、運輸.同時,再生品功能替代碳排放的計算,采用間接評價,如表3 所示.為了最終結果可以用于相互比較,本評價中的功能單位一律為“單位處理量”.圖2 表示本LCA 評價中的評價對象范圍.

1.2.1 評估對象過程的設定 對于13 種食品廢物(非)資源化技術碳排放比較的評價中,評估對象的全生命周期過程及各環節設定如圖3 所示.

1.2.2 評估對象情景的設定 進行了10 種食品廢物再利用情景和3 種焚燒處理情況的比較,基準的3種情景為,生垃圾直接焚燒,不用于發電(無發電焚燒);生垃圾焚燒,用于發電(發電焚燒)以及僅焚燒可燃垃圾,不用于發電(焚燒可燃垃圾(無發電)).

表3 關于再生品碳排放的功能替代品間接評價Table 3 carbon emissions of alternatives for products replacement

圖2 評估對象范圍Fig.2 Assessment objects and procedures

圖3 評估對象過程的設定Fig.3 All links in life cycle assessment

1.3 評估指標的確定

不同食品廢物資源化碳排放比較分析的評估指標,主要是分析上述13 種固廢資源化處理處置技術的預處理+處理階段、處置階段、替代/回收階段和總體的碳排放量.

1.4 數據來源和數據收集

10 種資源化處理技術所需數據,主要對垃圾處理機構進行問卷調查和訪談、對經營者進行訪談.部分來源于食品廢物年產生量和食品循環資源再生利用狀況年度統計調查[31],農林水產省食品廢物年度產生量年度統計調查,對食品行業廢物和家庭食品廢物的總產生量、資源化、可再生利用量進行匯總統計[32].3 種非資源化技術主要是利用環境省廢棄物生物質再利用規定中的焚燒設施數據.家庭產生的食品廢物,主要來源于日本家庭食品廢物狀況年度調查[33].家庭食品廢物調查是全國范圍內抽樣調查,餐飲行業食品廢物是札幌市、仙臺市、東京都、橫濱市、名古屋市、京都市等10 個大城市范圍的抽樣調查.

1.5 實施LCA 評價

碳排放量的計算 食品廢物生命周期碳排放量計算公式如下:

式中:TE 代表碳排放總量;ADp 代表p 階段中第P 類能源活動水平;EFe 代表相應能源排放因子;DEi 代表回收利用階段中第j 類回收物引起的排放,計算結果歸一化到單位排放量,即每t 食品廢物碳排放,單位為kgCO2e.計算結果見表4.

表4 13 種技術體系全生命周期碳排放量Table 4 Greenhouse gas emission inventory of life cycle in 13 kinds of food waste treatment systems

2 計算結果

2.1 預處理階段+處理階段

根據食品廢物組分、含水率等特征,考慮后續處理技術的選擇,預處理技術分為干燥、額外干燥、RDF 固定化、分類、脫鹽,其碳排放量分別為65CO2e kg/t、195CO2e kg/t、270CO2e kg/t、14CO2e kg/t、19CO2e kg/t.處理階段,技術的優劣性為:甲烷化(單純)、飼料化(液化)、甲烷化(循環消化液)、碳化、肥料化、無發電焚燒、發電焚燒、甲烷化(混合焚燒)、甲烷化(與地下水混合)、乙醇化、焚燒可燃垃圾(無發電).碳排放量從小到大分別為:0CO2e kg/t、5CO2e kg/t、16CO2e kg/t、63CO2e kg/t、65CO2e kg/t、73CO2e kg/t、73CO2e kg/t、135.6CO2e kg/t、147CO2e kg/t、181CO2e kg/t、260CO2e kg/t.食品廢物生命周期階段中產生溫室氣體最多的階段也是這兩個階段,約占總量的85%左右.

2.2 處置階段

該階段的填埋,主要是指每種技術體系處理產生的剩余物殘渣,計算其帶來的碳排放量.剩余物殘渣的最終處置方式大多是填埋,它是垃圾分類減量化的內在要求之一.各類技術的優劣性為:乙醇化、甲烷化(單純)、肥料化、無發電焚燒=發電焚燒=焚燒可燃垃圾(無發電)、甲烷化(與地下水處理混合)=甲烷化(循環消化液)=甲烷化(混合焚燒處理)=廢物固形燃料、飼料化(額外干燥)=碳化、飼料化(液化).

2.3 運輸階段

該階段分為廢物處理各個環節的過程運輸和再生品的異地或異處運輸.從表4 可以看出,異地或者異處進行再生品的處置,會產生一定的碳排放.由于不涉及技術優劣性的評估,在此不多做描述,主要是啟發再生品和廢棄物產業鏈的集中整合,鼓勵再生品就地使用,實現循環經濟和低碳經濟.

2.4 替代/回收階段

該階段是實現碳減排的重要階段,主要是各類技術的處理產物即再生品本身消解的碳排放量.各類技術的優劣性為:甲烷化(循環消化液)、廢物固形燃料、甲烷化(與地下水混合)、肥料化、乙醇化、甲烷化(單純)、發電焚燒、碳化、甲烷化(混合焚燒)、飼料化(液化)、飼料化(額外干燥).碳減排量從小到大分別為:-422CO2e kg/t、-297.3CO2e kg/t、-140CO2e kg/t、-118.2CO2e kg/t、-78CO2e kg/t、-75CO2e kg/t、-47.9CO2e kg/t、-47.6CO2e kg/t、-44CO2e kg/t、-9.9CO2e kg/t、21.8CO2e kg/t.

3 討論

3.1 10 種資源化處理技術體系與3 種焚燒技術體系總排放的比較

將13 類技術手段及技術體系的碳排放歸類為兩個部分:處理過程和回收/替代過程.處理過程包含預處理、處理、處置、輸送及填埋階段.替代/回收過程指的是處理產物用于堆肥、發電、材料制造所吸收的碳排放,也是資源化技術實現碳減排的關鍵.本部分除了討論13 類技術手段及體系的優劣性(表5),還將以肥料化為例與3 類焚燒情景進行細致比較(圖4).

圖4 10 種資源化處理技術體系與3 種焚燒技術體系的比較Fig.4 Comparison between recycling treatments and incineration treatments

3.1.1 總碳排放技術優劣性的比較 不考慮再生品的運輸情況,甲烷化(循環消化液)減少380.6kg/t碳排放,甲烷化(單純)32.7kg/t,肥料化4.3kg/t;廢物固化燃料增加5.2kg/t 碳排放,甲烷化(與地下水混合)32.4kg/t,飼料化(液化)32.1kg/t,發電焚燒59.1kg/t,無發電焚燒107kg/t 的,甲烷化(混合焚燒)118.4kg/t,碳化 159.8kg/t,乙醇化 168kg/t,飼料化(額外干燥)207.1kg/t,焚燒可燃垃圾(無發電)293.8kg/t.13 種(非)資源化處理處置技術的優先序為:甲烷化(循環消化液)＞甲烷化(單純)＞肥料化＞廢物固形燃料＞甲烷化(與地下水混合)＞飼料化(液化)＞發電焚燒＞無發電焚燒＞甲烷化(混合焚燒)＞碳化＞乙醇化＞飼料化(額外干燥)＞焚燒可燃垃圾(無發電).

考慮再生品的運輸情況,甲烷化(循環消化液)減少380.6kg/t 碳減排,甲烷化32.7kg/t,肥料化12.4kg/t;廢物固化燃料增加 5.2kg/t 碳排放,飼料化(液化)26kg/t,甲烷化(與地下水混合)32.4kg/t,發電焚燒59.1kg/t,無發電焚燒 107kg/t,甲烷化(混合焚燒)118.4kg/t,碳化151.7kg/t,乙醇化159.8kg/t,飼料化(干燥)198.9kg/t,焚燒可燃垃圾(無發電)293.8kg/t.13 種(非)資源化處理處置技術優先序為:甲烷化(循環消化液)＞甲烷化＞肥料化＞廢物固化燃料＞飼料化(液化)＞甲烷化(污水處理混合)＞發電焚燒＞無發電焚燒＞甲烷化(混合焚燒)＞碳化＞乙醇化＞飼料化(干燥)＞焚燒可燃垃圾(無發電).13 種(非)資源化技術碳排放如表5 所示.

表5 13 種(非)資源化技術碳排放Table 5 Greenhouse gas emission of 13kinds of recycling technology

3.1.2 以肥料化為例與焚燒的比較 在日處理量30t 的情況下,肥料化處理過程碳排放量為113.9kg/t,再生品替代過程為-118.2kg/t,總排放合計-4.3kg/t;無發電焚燒處理過程的碳排放量排放量為107.0kg/t,再生品替代過程為0kg/t,總排放合計107.0kg/t;發電焚燒處理過程的排放量為107.0kg/t,再生品替代過程為-47.9kg/t,總排放合計59.1kg/t;焚燒可燃垃圾(無發電)處理過程的排放量為293.8kg/t,再生品替代過程排放量為0kg/t,總排放合計293.8kg/t;對比可知,肥料化總排放量最小,如圖4 所示.其他12 類技術手段與3 類焚燒情景的對比也如此進行.

3.2 本研究的不足之處

由于篇幅限制,僅評估了溫室氣體的排放量,并未考慮其他環境影響及綜合影響.若考慮綜合效應,技術的優劣性可能會有不一致的情況出現.在實施垃圾分類以后,可根據現實的需求,利用現有數據,進行技術優劣性綜合效應的比較.

4 結論

4.1 垃圾分類和資源化利用有利于緩解以溫室氣體減排為代表的氣候變暖問題.

4.2 食品廢物生命周期階段中產生碳排放最多的階段是預處理+處理階段,約占總排放的85%左右,最少的階段是回收階段,可抵消部分排放.

4.3 甲烷化(循環消化液)、甲烷化(單純)、肥料化這3 種城市生活垃圾資源化處理技術相對于傳統的焚燒方式,可以實現一定量的碳減排.甲烷化(循環消化液)是最有利于碳減排的技術,將帶來380.6kg CO2e/t 減排.

4.4 13 種城市生活垃圾(非)資源化處理技術的優劣排序為:甲烷化(循環消化液)＞甲烷化(單純)＞肥料化＞廢物固形燃料＞甲烷化(與地下水混合)＜＞飼料化(液化)＞發電焚燒＞無發電焚燒＞甲烷化(混合焚燒)＞碳化＞乙醇化＞飼料化(額外干燥)＞焚燒可燃垃圾(無發電).(＜＞表示考慮再生品的運輸與否,若考慮,則為＞,若為否,則為＜).

4.5 再生品就地循環使用,能減少部分碳排放,應鼓勵循環經濟產業鏈的整合.