日本食品废物不同资源化技术下的碳排放比较研究

姜晓群 ,谭灵芝 ,孙月阳 (.中国人民大学环境学院,北京 00872；2.重庆工商,大学人口发展与政策研究中心,重庆400672；.安徽省发展改革委,安徽 合肥 2000)

根据IPCC 估算,废弃物作为温室气体的六大排放源之一[1],在每年全球温室气体排放中,固体废弃物填埋产生的甲烷约占3%～4%[2].随着城市化进程的加快,固体废物产生量逐渐增多,其碳排放预计将于2024 年达到峰值,约为3323.6 万t[3].食品废物是固体废弃物尤其是城市生活垃圾的重要组成部分,约占其含量的40%～50%,主要以淀粉类、食品纤维类、动物脂肪类等物质为主,具有高BOD、易腐败、易发臭等特点,若处置不当,就会造成温室气体过度排放[4-5].因生活垃圾的处理技术亦可部分用于食品废物的处理.从广义上讲,各国食品废物资源化处理技术主要是填埋、焚烧、堆肥、固化等;狭义上又有不同的细分[6]:食品废物堆肥[7-8];食品废物产生物柴油[9-11];食品废物产沼气[12-14];食品弃物产氢[15-16];食品废物产乙醇[17-18]和食品废物产乳酸[19-20]6 种研究方向.已有研究侧重于少部分处理技术在国家、省、市、区、垃圾处理厂等不同层面碳排放的评估,对于回收过程和能源化过程的量化研究较少,且未对技术的优劣性进行全生命的周期的比较.食品废物处置的全生命周期,都涉及碳排放,不同的食品废物资源化处理技术,对减缓气候变暖有着差异.在当前已经进入垃圾分类的时代背景下,废弃物资源化管理也逐渐精细化.那么,哪一种技术手段/体系碳排放量最小?换言之,垃圾分类是高效率资源化的前提,资源化是垃圾分类的最终出路,我国的垃圾分类处置应该选择怎样的技术手段,才能有助于碳减排,进而达到垃圾分类管理、资源化技术发展和气候减缓三者的均衡?

日本垃圾分类以其分类精细[21]、管理到位[21]、人人参与[23]、循环利用[24]到近乎严苛的程度著称,食品废物作为城市生活垃圾的主要组成部分,更是建立了收集、清运、转运、处理、处置、排放、回收物利用等各环节的量化管理体系[25],实现了全生命周期过程的计量、统计调查[26].鉴于此,本文将以日本食品废物为例,运用全生命周期评价法(Life Cycle Assessment,简称LCA),评估10 种资源化处理技术:①肥料化②饲料化(额外干燥)③饲料化(液化)④甲烷化(单纯)⑤甲烷化(与地下水混合)⑥甲烷化(循环消化液)⑦甲烷化(混合焚烧)⑧废物固形燃料⑨碳化⑩乙醇化相对于3 种非资源化处理技术○11无发电焚烧○12 焚烧(有发电)○13 焚烧可燃垃圾(无发电)共13 类技术体系的碳排量(以CO2e 为最终计量单位).

图1 LCA 评价的实施步骤Fig.1 Steps to perform life cycle assessment

1 评估方法与数据收集

本文采用株式会社三菱综合研究所发布的《有关食品再利用进展状况调查委托事业报告书》[27]中讨论的框架作为参考,按照LCA评价的实施步骤和评价方法,对食品废物(非)资源化的13 类技术体系全生命周期及各阶段的碳排放进行比较.其中,对LCA 相关环节进行假设条件的设定,其主要目的是对垃圾分类处理过程的相关参数进行统一,便于评价结果的可比性;设定评估对象的范围,包含过程和情景的设定;确定相应的评估指标,即全生命周期各个阶段和总碳排放量;基于调查、问卷、访谈、统计年鉴收集整理数据;进行环境负荷(温室气体排放量)的定量评估和情景之间的比较,进而对评估的结果进行解释,评价资源化技术对碳减排的效果.详见图1.

1.1 前提条件的设定

运输部分用于计算碳排放的条件作如下假设.食品废物的收集和清运部分,运输距离设定为75km,运输工具是装载率50%的4t 卡车;再生品的运输,运输距离设定为75km,运输工具是装载率50%的4t 卡车;废弃物的运输,运输距离设定为75km,运输工具是装载率50%的2t 卡车.其他部分,参考实际情况,另做假设.

技术处理部分用于计算碳排放的条件作如下假设.假定食品废物N 成分为5%,化成肥料后N 成分按10%来计算替代效果;再生品的蛋白质含量与玉米含量相等;饲料碳排放量按每种类产品的排出量计算,以其营养成分的50%来计算;饲料化(液体饲料)的再生品运输距离为75km,运输工具是20kL 装载率50%的油罐车,其含水量按88%换算为干物;甲烷化(与下水处理混合)生物气体的热量假定为2996MJ/d[28];碳化产物的低热值假定为25.8GJ/t[29],其替代效果用“一般炭锅炉燃烧”的碳排放量进行计算;焚烧的前提条件是,可燃垃圾的组成如表1 所示,按1000kg 计量,目的是为与同等重量的食品废物进行比较.焚烧产生的发电量按发热比率换算,公式为:低热值H＝4500V-600W(V为占湿重量的可燃分量,W 为水分的重量比例),具体来说,可燃垃圾:8323kJ/kg、生垃圾:2035kJ/kg.燃烧后的残渣率假定为15%.燃料和产品的排放因子数据见表2.

表1 可燃垃圾的组分Table 1 Components of combustible waste

表2 用于计算碳排放的排放因子数据Table 2 emission factor of different kinds of fuel and product

1.2 评估对象范围的设定

本评价中的食品废物,包含食品制造业、食品批发业、食品零售业、食品服务业在食品加工制造过程中,不能用以食用的副产物及剩余物、不能再用于加工的食品;宾馆/酒店、餐饮机构的食品垃圾以及家庭厨余食品垃圾.其中18%来自食品加工业,30%来自食品销售渠道和酒店,52%来自于家庭.参与实施评价的食品废物均按照每1000kg 计量.其平均含水率为23%,各成分含量(以干物质计),粗蛋白占15%～23%,脂肪占17%～24%,灰分占3%～6%,Ca 含量为0.54%,P 含量为0.43%,NaCl 含量为3%～4%[30].

本LCA 评价进行了食品废物再利用和焚烧情况的对比.评价的边界范围为:收集&运输,处理(再利用/焚烧/填埋)、处置、再利用、运输.同时,再生品功能替代碳排放的计算,采用间接评价,如表3 所示.为了最终结果可以用于相互比较,本评价中的功能单位一律为“单位处理量”.图2 表示本LCA 评价中的评价对象范围.

1.2.1 评估对象过程的设定 对于13 种食品废物(非)资源化技术碳排放比较的评价中,评估对象的全生命周期过程及各环节设定如图3 所示.

1.2.2 评估对象情景的设定 进行了10 种食品废物再利用情景和3 种焚烧处理情况的比较,基准的3种情景为,生垃圾直接焚烧,不用于发电(无发电焚烧);生垃圾焚烧,用于发电(发电焚烧)以及仅焚烧可燃垃圾,不用于发电(焚烧可燃垃圾(无发电)).

表3 关于再生品碳排放的功能替代品间接评价Table 3 carbon emissions of alternatives for products replacement

图2 评估对象范围Fig.2 Assessment objects and procedures

图3 评估对象过程的设定Fig.3 All links in life cycle assessment

1.3 评估指标的确定

不同食品废物资源化碳排放比较分析的评估指标,主要是分析上述13 种固废资源化处理处置技术的预处理+处理阶段、处置阶段、替代/回收阶段和总体的碳排放量.

1.4 数据来源和数据收集

10 种资源化处理技术所需数据,主要对垃圾处理机构进行问卷调查和访谈、对经营者进行访谈.部分来源于食品废物年产生量和食品循环资源再生利用状况年度统计调查[31],农林水产省食品废物年度产生量年度统计调查,对食品行业废物和家庭食品废物的总产生量、资源化、可再生利用量进行汇总统计[32].3 种非资源化技术主要是利用环境省废弃物生物质再利用规定中的焚烧设施数据.家庭产生的食品废物,主要来源于日本家庭食品废物状况年度调查[33].家庭食品废物调查是全国范围内抽样调查,餐饮行业食品废物是札幌市、仙台市、东京都、横滨市、名古屋市、京都市等10 个大城市范围的抽样调查.

1.5 实施LCA 评价

碳排放量的计算 食品废物生命周期碳排放量计算公式如下:

式中:TE 代表碳排放总量;ADp 代表p 阶段中第P 类能源活动水平;EFe 代表相应能源排放因子;DEi 代表回收利用阶段中第j 类回收物引起的排放,计算结果归一化到单位排放量,即每t 食品废物碳排放,单位为kgCO2e.计算结果见表4.

表4 13 种技术体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 计算结果

2.1 预处理阶段+处理阶段

根据食品废物组分、含水率等特征,考虑后续处理技术的选择,预处理技术分为干燥、额外干燥、RDF 固定化、分类、脱盐,其碳排放量分别为65CO2e kg/t、195CO2e kg/t、270CO2e kg/t、14CO2e kg/t、19CO2e kg/t.处理阶段,技术的优劣性为:甲烷化(单纯)、饲料化(液化)、甲烷化(循环消化液)、碳化、肥料化、无发电焚烧、发电焚烧、甲烷化(混合焚烧)、甲烷化(与地下水混合)、乙醇化、焚烧可燃垃圾(无发电).碳排放量从小到大分别为: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.食品废物生命周期阶段中产生温室气体最多的阶段也是这两个阶段,约占总量的85%左右.

2.2 处置阶段

该阶段的填埋,主要是指每种技术体系处理产生的剩余物残渣,计算其带来的碳排放量.剩余物残渣的最终处置方式大多是填埋,它是垃圾分类减量化的内在要求之一.各类技术的优劣性为:乙醇化、甲烷化(单纯)、肥料化、无发电焚烧=发电焚烧=焚烧可燃垃圾(无发电)、甲烷化(与地下水处理混合)=甲烷化(循环消化液)=甲烷化(混合焚烧处理)=废物固形燃料、饲料化(额外干燥)=碳化、饲料化(液化).

2.3 运输阶段

该阶段分为废物处理各个环节的过程运输和再生品的异地或异处运输.从表4 可以看出,异地或者异处进行再生品的处置,会产生一定的碳排放.由于不涉及技术优劣性的评估,在此不多做描述,主要是启发再生品和废弃物产业链的集中整合,鼓励再生品就地使用,实现循环经济和低碳经济.

2.4 替代/回收阶段

该阶段是实现碳减排的重要阶段,主要是各类技术的处理产物即再生品本身消解的碳排放量.各类技术的优劣性为:甲烷化(循环消化液)、废物固形燃料、甲烷化(与地下水混合)、肥料化、乙醇化、甲烷化(单纯)、发电焚烧、碳化、甲烷化(混合焚烧)、饲料化(液化)、饲料化(额外干燥).碳减排量从小到大分别为:-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 讨论

3.1 10 种资源化处理技术体系与3 种焚烧技术体系总排放的比较

将13 类技术手段及技术体系的碳排放归类为两个部分:处理过程和回收/替代过程.处理过程包含预处理、处理、处置、输送及填埋阶段.替代/回收过程指的是处理产物用于堆肥、发电、材料制造所吸收的碳排放,也是资源化技术实现碳减排的关键.本部分除了讨论13 类技术手段及体系的优劣性(表5),还将以肥料化为例与3 类焚烧情景进行细致比较(图4).

图4 10 种资源化处理技术体系与3 种焚烧技术体系的比较Fig.4 Comparison between recycling treatments and incineration treatments

3.1.1 总碳排放技术优劣性的比较 不考虑再生品的运输情况,甲烷化(循环消化液)减少380.6kg/t碳排放,甲烷化(单纯)32.7kg/t,肥料化4.3kg/t;废物固化燃料增加5.2kg/t 碳排放,甲烷化(与地下水混合)32.4kg/t,饲料化(液化)32.1kg/t,发电焚烧59.1kg/t,无发电焚烧107kg/t 的,甲烷化(混合焚烧)118.4kg/t,碳化 159.8kg/t,乙醇化 168kg/t,饲料化(额外干燥)207.1kg/t,焚烧可燃垃圾(无发电)293.8kg/t.13 种(非)资源化处理处置技术的优先序为:甲烷化(循环消化液)＞甲烷化(单纯)＞肥料化＞废物固形燃料＞甲烷化(与地下水混合)＞饲料化(液化)＞发电焚烧＞无发电焚烧＞甲烷化(混合焚烧)＞碳化＞乙醇化＞饲料化(额外干燥)＞焚烧可燃垃圾(无发电).

考虑再生品的运输情况,甲烷化(循环消化液)减少380.6kg/t 碳减排,甲烷化32.7kg/t,肥料化12.4kg/t;废物固化燃料增加 5.2kg/t 碳排放,饲料化(液化)26kg/t,甲烷化(与地下水混合)32.4kg/t,发电焚烧59.1kg/t,无发电焚烧 107kg/t,甲烷化(混合焚烧)118.4kg/t,碳化151.7kg/t,乙醇化159.8kg/t,饲料化(干燥)198.9kg/t,焚烧可燃垃圾(无发电)293.8kg/t.13 种(非)资源化处理处置技术优先序为:甲烷化(循环消化液)＞甲烷化＞肥料化＞废物固化燃料＞饲料化(液化)＞甲烷化(污水处理混合)＞发电焚烧＞无发电焚烧＞甲烷化(混合焚烧)＞碳化＞乙醇化＞饲料化(干燥)＞焚烧可燃垃圾(无发电).13 种(非)资源化技术碳排放如表5 所示.

表5 13 种(非)资源化技术碳排放Table 5 Greenhouse gas emission of 13kinds of recycling technology

3.1.2 以肥料化为例与焚烧的比较 在日处理量30t 的情况下,肥料化处理过程碳排放量为113.9kg/t,再生品替代过程为-118.2kg/t,总排放合计-4.3kg/t;无发电焚烧处理过程的碳排放量排放量为107.0kg/t,再生品替代过程为0kg/t,总排放合计107.0kg/t;发电焚烧处理过程的排放量为107.0kg/t,再生品替代过程为-47.9kg/t,总排放合计59.1kg/t;焚烧可燃垃圾(无发电)处理过程的排放量为293.8kg/t,再生品替代过程排放量为0kg/t,总排放合计293.8kg/t;对比可知,肥料化总排放量最小,如图4 所示.其他12 类技术手段与3 类焚烧情景的对比也如此进行.

3.2 本研究的不足之处

由于篇幅限制,仅评估了温室气体的排放量,并未考虑其他环境影响及综合影响.若考虑综合效应,技术的优劣性可能会有不一致的情况出现.在实施垃圾分类以后,可根据现实的需求,利用现有数据,进行技术优劣性综合效应的比较.

4 结论

4.1 垃圾分类和资源化利用有利于缓解以温室气体减排为代表的气候变暖问题.

4.2 食品废物生命周期阶段中产生碳排放最多的阶段是预处理+处理阶段,约占总排放的85%左右,最少的阶段是回收阶段,可抵消部分排放.

4.3 甲烷化(循环消化液)、甲烷化(单纯)、肥料化这3 种城市生活垃圾资源化处理技术相对于传统的焚烧方式,可以实现一定量的碳减排.甲烷化(循环消化液)是最有利于碳减排的技术,将带来380.6kg CO2e/t 减排.

4.4 13 种城市生活垃圾(非)资源化处理技术的优劣排序为:甲烷化(循环消化液)＞甲烷化(单纯)＞肥料化＞废物固形燃料＞甲烷化(与地下水混合)＜＞饲料化(液化)＞发电焚烧＞无发电焚烧＞甲烷化(混合焚烧)＞碳化＞乙醇化＞饲料化(额外干燥)＞焚烧可燃垃圾(无发电).(＜＞表示考虑再生品的运输与否,若考虑,则为＞,若为否,则为＜).

4.5 再生品就地循环使用,能减少部分碳排放,应鼓励循环经济产业链的整合.