雙碳背景下城市生活垃圾處理過程

作者簡介：宋俊成（1995.07-），男，漢族，河北唐山人，碩士，科研員，研究方向：城市固廢處理。

摘 要：隨著全球垃圾產生量的快速增長，城市生活垃圾處理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。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行業的綠色化、低碳化發展提供支撐和保障。本文在分析生活垃圾資源化利用過程中甲烷產生情況的基礎上，對甲烷控制和處理技術進行了綜述，為降低生活垃圾處理過程中的甲烷排放，提高生活垃圾資源化利用率提供參考。

關鍵詞：碳減排；生活垃圾；甲烷；資源化利用

1 前言

伴隨著城市化發展步伐的快速推進和居民生活質量的持續提高，我國城市生活垃圾的產生量穩步增長，生活垃圾處理過程中甲烷氣體排放量也逐步增加。為進一步落實我國“雙碳”任務目標，需要更加重視生活垃圾處理過程中甲烷氣體的資源化利用，保證利用效率最大化，真正達到保護社會環境以及構建綠色城市的目標。

2我國生活垃圾處理甲烷排放情況

2.1我國生活垃圾產生與處理現狀

目前我國垃圾無害化處理的主要手段有衛生填埋、焚燒及生化處理方式。根據《中國統計年鑒2023》統計數據顯示，2022年我國的城市生活垃圾無害化處理總量約2.44億噸，包括衛生填埋0.3億噸，焚燒處理1.95億噸，生化處理0.19億噸，生活垃圾無害化處理率約99.9％[1]。

2.2生活垃圾處理過程中的甲烷產生情況

甲烷是最簡單的碳氫化合有機物，是天然氣、沼氣和垃圾填埋氣的主要成分。除自然產生外，人類活動是甲烷產生的最大來源，其中固廢處理是繼農業生產、能源生產之后主要甲烷產生領域之一。近年來，伴隨中國國民生活水平的日益提升，以及城市生活垃圾處理量的快速增長，城市生活垃圾產生的甲烷如不通過合理途徑回收處置，無序排放，將會對環境和人民生命安全造成極大危害。甲烷減排成功與否已經直接影響到大氣溫升速度控制，對改善地區環境質量有重要的協同作用。

2.2.1填埋處理的甲烷產生情況

生活垃圾填埋處理過程是甲烷排放的重要渠道，大約占人類活動甲烷總排放量的12％，是全球第三大的CH4排放源[2]。在填埋處置的初始階段，產氣主要為CO2，隨著填埋時間的增加，CH4產氣量也逐漸上升，通常在1至3年后達到較高水平，并在填埋場封場后逐漸隨著封場年數的增加而減少[3]。王敏等[4]研究發現，垃圾組分、有機質比例、含水率、氣候條件和PH等因素是影響甲烷產生的重要因素；聶發輝等[5]、王曉琳等[6]針對甲烷好氧氧化和厭氧發酵機理進行了深入研究，研究表明垃圾填埋場表面覆土具有甲烷氧化能力，使得甲烷的排放量大幅下降。

2.2.2焚燒處理的甲烷產生情況

在生活垃圾焚燒廠的生產過程中，甲烷產生量較低，主要來自垃圾滲瀝液處理過程。目前，我國生活垃圾焚燒廠滲瀝液處理工藝組合通常采用厭氧+好氧+膜法工藝組合，在厭氧發酵階段，滲瀝液在厭氧環境下，通過厭氧微生物的作用，使有機物經歷水解、酸化、產氣等步驟，生成甲烷氣體。生活垃圾焚燒廠產生的甲烷氣體主要被用于其他工藝生產階段，以實現資源化利用和環保達標排放。

2.2.3生化處理的甲烷產生情況

生化處理主要分為好氧堆肥和厭氧發酵兩種工藝路線，其中好氧堆肥處理過程中甲烷氣體產生主要集中在微生物分解有機物環節，但產生量較低。而厭氧發酵時則會產生大量的甲烷氣體。廚余垃圾漿料中的有機物

在隔絕空氣并保持一定的水分、溫度、酸堿度等環境溫度的條件下，經過多種微生物的分解能夠產生大量沼氣，其中的甲烷含量能夠達到40％，如果厭氧發酵產氣穩定并將其進行資源化利用，則具有顯著的碳減排效益。

3生活垃圾處理過程甲烷排放核算方法

3.1IPCC指南

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”）。指南第二章第五卷《廢物產生、成分和管理數據》專門探討了生活垃圾不同處理工藝過程中的排放因子計算方法，這套計算方法是目前國際上使用最為廣泛的CH4排放核算方法。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”），此次修訂對溫室氣體排放量的估算方法進行了進一步優化。方法中補充考慮了不同固體廢物成分的可降解有機碳值。同時在填埋過程溫室氣體排放量的計算過程中，另外增加了垃圾填埋場CH4排放的一階衰減方法，并提供了相對應的排放因子。其主要計算公式見下式：

CH4排放=■CH■產生■-R■·（1-OX■）

其中：CH4排放為T年排放的CH4，單位為Gg;T為清單年份;x為廢棄物類別或類型/材料;RT為T年回收的CH4，單位為Gg;OXT為T年的氧化因子。

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仍無法準確計算出我國的生活垃圾處理過程碳排放水平。

3.2 LCA模型

全生命周期評估模型（LCA模型）能夠計算垃圾處理全過程中的碳排放，或用于估算某個項目（企業）、一個地區或者一個國家尺度的碳排放。但由于原始數據的缺失、缺省值與實際情況的差異、系統邊界條件的不一致性或不確定性，都可能導致核算結果的不同。因此，LCA法并不適合權威的核算方法，通常需要結合IPCC國家清單數據和城市生活垃圾管理行業數據庫等進行使用。

3.3CMD法

CDM法是指《<氣候變化公約>京都議定書》框架下的一種靈活履約機制之一，該機制通過審核CDM項目的執行情況以追蹤溫室氣體的實際排放數據，在此基礎上對基準排放線相對降低的排放進行計算，并在扣除可能的泄漏情況后，得到“核證減排量”（CERs）。廢棄物處置屬于CDM項目中重要的一類，對于垃圾處理項目，CDM執行委員會提供了許多適用的操作指南，如ACM0001（填埋氣體回收利用項目）、ACM0022（替代廢物處理工藝）等。主要計算公式見下式：

ERy=BEy-PEy-Ly

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年研究項目的碳泄漏排放量（tCO2eq）。

此方法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。

4生活垃圾處理過程中的甲烷控制與利用技術

4.1火炬燃燒技術

沼氣火炬燃燒技術即將生活垃圾處理設施生產過程中產生的沼氣通過管道輸送至火炬進行直接燃燒。這種處理方式雖然能滿足安全處理及環保排放的要求，但沼氣未經過資源化利用，經濟效益較低，因此沼氣火炬燃燒技術一般應用于沼氣產生不穩定、產量較低的小型生活垃圾處理設施，或者作為沼氣應急處理設施，在產氣量過大或者設備檢修等情況時應急使用。

4.2沼氣鍋爐利用技術

部分生活垃圾處理設施配備了沼氣鍋爐，生活垃圾處理過程中產生的沼氣經管道輸送至沼氣鍋爐中燃燒，將生物質能轉化為熱能。通過此種方式產生的熱水和蒸汽可用于生活垃圾處理過程中的加熱加溫環境，或者廠區冬季供暖，降低能源消耗。

4.3沼氣發電技術

沼氣發電是生物質能源發電的主要方式之一，此項技術在生活垃圾處理領域已經有較為成熟的工藝流程和成套設備。主要工藝流程為生活垃圾填埋及生化處理項目產生的沼氣，首先經過預處理，脫除其中的硫化物、水分以及其他雜質，進入儲存氣柜穩壓后，送入沼氣發電機組進行發電作業，將生物質能先轉化為熱能再轉化為電能，后端通過設置余熱鍋爐系統回收余熱，供廠內其他生產活動使用，實現能源的梯次利用。

4.4沼氣入爐摻燒技術

隨著近年來對沼氣入爐摻燒技術的不斷進步與優化，其技術上的安全性和穩定性已經基本成熟。生活垃圾焚燒廠產生的沼氣先經歷脫水、過濾等預處理工序，然后通過羅茨風機增壓并輸送至沼氣燃燒裝置，最終噴至生活垃圾焚燒爐進行燃燒，用作生活垃圾焚燒過程中的輔助燃料提升焚燒熱值，從而降低焚燒爐所需輔助燃料的用量。沼氣入爐摻燒具有資源化程度高、改善爐膛燃燒、系統穩定、維護成本低等優勢。

4.5甲烷重整制氫技術

甲烷重整技術在國外已經有百年發展歷史，工藝方法相對成熟，通過將餐廚垃圾與其他有機固廢合并處置產生沼氣，經管路輸送至除沫分離器，脫除沼氣中的凝結水。沼氣經脫水輸送進入吸收塔，用MEA配方溶液在吸收塔內同時進行化學吸收脫硫脫碳，再經過提純壓縮以后存儲作為制備氫氣的原料氣。原料氣甲烷在催化裂解爐里發生裂解反應，生成氫氣和固態碳，這一過程既實現了綠色氫能的生產，也完成了脫碳固碳，其副產物可用于生產炭黑、石墨、石墨烯等高新材料，能夠提供較高的經濟效益。

5結論與建議

5.1有效垃圾分類，用垃圾源頭減量化實現甲烷排放減量化

甲烷是伴隨垃圾處置過程產生的，而垃圾分類系統的建立是垃圾處理的基礎，積極完善垃圾分類系統，加強相關宣傳工作，將垃圾分類的相關知識普及到每個居民意識中就變得非常重要；同時還需要制定相關法律，對于公民需承擔的相關責任和義務進行明確，規范民眾行為，使得垃圾分類的相關措施可以得到很好地落實。政府相關部門應強化經濟手段的應用，對垃圾處理采取必要的收費措施，利用收費來限制垃圾產生；且費用收取還可有效完善城市生活垃圾處理體系的建設，為生活垃圾的減量化、無害化、資源化處理提供資金支持。

5.2探索垃圾無害化、減量化、資源化利用先進技術，提高甲烷回收水平

減少生活垃圾甲烷排放是國家實施溫室氣體排放控制的目標之一。與垃圾填埋和堆肥不同，焚燒可節約土地，減少對地表水和地下水污染，回收的甲烷還能代替其他傳統化石能源發電，具有“甲烷控排+替代發電”的雙重碳減排效果，對國家實現碳達峰、碳中和目標起著重要的作用。在城市化加速推進、建設用地指標接近極限的情況下，垃圾焚燒已經成為一種現實選擇。

5.3加強生活垃圾處理項目規劃，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生活垃圾綜合利用和高效處理的重要舉措，將生活垃圾焚燒、生化處理設施集中建設在同一區域內，園區內廚余垃圾和滲瀝液厭氧發酵產生的沼氣進入焚燒設施進行輔助燃燒，發揮協同處理優勢，提高生活垃圾處理過程中的沼氣收集利用效率。焚燒產生的余熱能夠為生化設施厭氧發酵提供余熱，同時配套建設生物柴油生產等資源化企業對外輸出再生資源，可以實現最大化的資源協同利用，具有很大的減排潛力。

6結論

總而言之，隨著生活垃圾處理過程甲烷釋放量的不斷增加，對甲烷進行資源化利用，不僅符合我國的“雙碳”發展目標，更符合我國可持續發展的戰略要求。這就需要積極引進更加先進的理念、技術及設備，提高甲烷資源化利用效率，從而降低生活垃圾處理過程中的碳排放。

參考文獻

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