城市生活垃圾处理行业温室气体减排机会分析

何伟煜

（上海环境卫生工程设计院有限公司，上海 200237）

0 引言

随着全球垃圾产生量的快速增长，城市生活垃圾处理处置过程产生的温室气体排放逐渐成为城乡建设领域温室气体排放的重要人为来源之一［1］。截至2017 年，中国已成为城市生活垃圾产生量最大的国家，约占全球垃圾产生量的13%［2］。根据数字资料显示，2013 年我国城市生活垃圾处理行业的温室气体排放量（72.4 MtCO2eq）约为1949 年（0.36 MtCO2eq）的200 倍［1，3］。因此，亟需探索城市生活垃圾处理行业的温室气体减排路径，为城市生活垃圾处理处置行业的绿色化、低碳化发展提供支撑和保障。

本研究旨在梳理相关文献，探讨城市生活垃圾处理行业中减排温室气体的机会，并探究这些机会在推动可持续发展和低碳经济过程中的作用。Von Malmborg［4］研究指出，垃圾焚烧发电是一种重要的机会，可以将垃圾转化为能源，并有效减少温室气体排放。这种方法不仅可以处理垃圾，还能提供清洁和可再生的能源。Yoshida 等［5］研究发现，在垃圾填埋过程中产生的甲烷是一种强效温室气体。通过在填埋场上设置甲烷收集系统，可以有效捕捉和利用这些甲烷气体，从而减少温室气体排放。Cox 等［6］研究表明，通过将有机废物进行堆肥处理，可以减少垃圾处理过程中的温室气体排放。有机废物堆肥过程中产生的CO2可以在农业领域中用作肥料，同时也可作为生物质燃料，进一步减少碳排放。Lazarevic 等［7］的研究指出，回收和再利用可回收物是减少垃圾处理过程中温室气体排放的重要途径。通过建立废物分类和回收制度，并推动可回收物回收产业的发展，可以有效减少资源消耗和温室气体排放。从上述研究中可以看出，城市生活垃圾处理行业中存在多种减排温室气体的机会，如垃圾焚烧发电、垃圾填埋后甲烷捕捉、有机废物堆肥和可回收物回收。这些机会在推动可持续发展和低碳经济转型中起到重要作用。然而，实现温室气体减排需要综合考虑技术、经济、政策和社会因素的影响，并促进各个环节的协同与整合，为城市生活垃圾处理行业的可持续发展提供全面支持。

1 城市生活垃圾处理温室气体核算方法

目前，国际通行的温室气体核算方法有IPCC指南及算法［8］、清洁发展机制（Clean Development Mechanism， CDM）方法［9］、物料衡算法［10］和全生命周期评价法（Life Cycle Assessment，LCA）［11-12］等。我国城市生活垃圾具有可快速降解成分高、水分高和热值低等特征［13］，且温室气体排放核算过程存在边界不清晰、相关数据库和参数不完善等问题［14-15］。因此，我国城市生活垃圾处理行业温室气体核算方法亟待进一步调查研究和讨论。

1.1 IPCC 指南及算法

2006 年，联合国政府间气候变化委员会（IPCC）发布了《IPCC 2006 年国家温室气体清单指南》（简称“IPCC 2006”）［8，16］，其中第2 章第5 卷《废物产生、成分和管理数据》提出了固体废物处置、生物处理以及焚化和露天焚烧［8］等处理方式的排放因子计算方法，也是目前国际上被广泛使用的温室气体（CO2、CH4、N2O）核算方法。指南中具体列出了处理过程中温室气体的计算模型和不同地区或国家的缺省参数，可以通过在模型中带入固体废物的基本参数得出相应温室气体排放量。该方法对数据的要求较低，可广泛适用于填埋、焚烧、生物处理等处理过程。但由于核算范围为区域和国家的温室气体直接排放，未能在第5 卷中考虑设施运营过程中外购电力、化石燃料使用等产生的排放、废水处理等产生的排放，以及发电替代电网供电产生的减排，因此使用IPCC 2006 提供的缺省值独立计算城市生活垃圾处理行业温室气体排放量存在一定的局限性。

2019 年5 月12 日，IPCC 通过了《IPCC 2006年国家温室气体清单2019 修订版》（简称“IPCC 2019”）［16-17］，进一步改进了温室气体排放量的估算方法。方法中补充考虑了不同固体废物成分的可降解有机碳值（Degradable Organic Carbon，DOC）。此外，在填埋场温室气体排放量的计算过程中，补充考虑了垃圾填埋场CH4排放的一阶衰减方法（First Order Decay，FOD），并提供了相应的排放因子［17］。相比IPCC 2006，IPCC 2019 可以更加精确地计算填埋场温室气体排放量。但是由于我国经济发展的地域性差异以及各地垃圾性质差异等原因，IPCC 2019 仍无法准确估算我国的碳排放水平。

1.2 CDM 方法

清洁发展机制是《京都议定书》中引入的灵活履约机制之一。CDM 方法［9］是为确保CDM 项目的环境效益，确保CDM 项目能带来长期的、实际可测量的、额外的温室气体减排量，建立的一套有效的、透明的和可操作的项目减排量计算方法。废弃物处置属于CDM 项目中重要的一类，因此也建立了一批针对垃圾处理减排量核算的CDM方法，主要通过基准排放量去除项目排放和泄露排放即为减排量［18］，其主要计算公式见式（1）：

式中：ERy为y年研究项目的碳减排量（tCO2eq）；BEy为y年基准线碳排放量（tCO2eq）；PEy为y年研究项目的碳排放量（tCO2eq）；Ly为y年研究项目的碳泄露排放量（tCO2eq）。

此方法同样适用于固体废物的填埋、焚烧和生物处理等过程中温室气体减排量的计算。但由于其重点在于基准情况和实际情况下的减排量，以对比为主。因此只能为城市生活垃圾处理行业温室气体减排量核算提供指导，并不能客观核算和评价处理设施在核算周期内的温室气体排放量。此外，CDM 方法也需要用缺省值代替缺少的地区数据，在实际应用过程中仍存在计算精度的问题［19］。

1.3 物料衡算法

物料衡算法［10］根据进入和离开系统的物质量守恒这一规律，计算指定边界范围内的温室气体排放量，可以用以下公式表示：

式中：ΣGin为系统中投入物料总质量（t）；ΣGpro为系统中所得产品的总质量（t）；ΣGout为系统中物料和产品的流失量总质量（t）。

相较于IPCC 方法和CDM 方法，物料衡算法需要提供固体废物元素组成、设施运行等实际数据，目前已有的计算工具也需要使用者输入特定模型和参数［20］，因此计算工作量较大，但计算的精确度相对较高。

1.4 全生命周期评价方法（LCA 方法）

全生命周期评价（Life Cycle Assessment，LCA）指的是对某个工艺、某类产品或某种服务从源头到末端的全方位评价［21］。放到固体废物处理行业，需要在划分系统边界后，对固体废物从收集、转运、处理、处置、资源化等过程中产生的温室气体排放量进行量化和核算，计算公式如下：

式中：C为全生命周期碳排放的总量；Ci为全生命周期中各个阶段温室气体排放量。

通过全生命周期评价，可以精确地分析固体废物从收集到最终处置之间的所有直接和间接碳排放及其环境影响，并且可以全方位地针对不同范围制定对应的碳减排方案。因此，笔者将基于全生命周期的视角对城市生活垃圾碳减排的路径进行调研，综合分析采用不同处理处置方式的碳减排效能。

2 城市生活垃圾处理碳减排途径

城市生活垃圾产生量的不断增加和原生生活垃圾“零填埋”目标都表明固体废物行业存在较大温室气体减排空间。当煤炭、钢铁、水泥等重点行业碳排放明显削减后，固体废物行业的温室气体排放比例将显著增加，控制这部分碳排放将会成为“碳中和”不可忽视的部分。

垃圾中的化学成分与温室气体排放量息息相关［13］，推行垃圾分类制度将对城市生活垃圾处理过程的温室气体排放带来较大影响。陈纪宏等［22］用生命周期评价方法（即LCA 法），分别设置“收集+填埋”和“分类收集+厌氧发酵+垃圾焚烧”两种系统核算边界对青岛市垃圾分类前后，不同生活垃圾处理方式的温室气体排放情况进行了研究，得到垃圾分类可以有效降低后续处理处置过程带来的温室气体排放。研究得到每提高10% 的可回收物回收效率，相比垃圾全填埋模式将降低26.6%的净碳排放（16.5 kgCO2eq/t）。刘轶男［23］以深圳市生活垃圾处理现状对垃圾分类的积极影响提出展望，指出通过垃圾分类可有效减少填埋量、减少转运成本和有毒物质的泄露风险。因此，随着垃圾分类的不断推进，通过有效分离厨余垃圾、回收利用金属［24］、综合利用可回收物和大件垃圾［25］，将有效降低城市生活垃圾处理过程的温室气体排放［26］。因此，本研究将基于LCA 法，针对分类后的垃圾从优化创新焚烧技术、高效利用填埋气、厌氧消化厨余垃圾、回收利用可回收物和构建生活垃圾处理产业园区等方面，分别提出城市生活垃圾碳减排的具体路径。然而，为了实现更大的碳减排效益，这些路径需要在技术、经济、政策和社会层面上进行综合考虑和协同推进。

2.1 焚烧技术性能的优化创新

近年来，焚烧处理逐渐成为我国生活垃圾处理的主流技术，高效分离厨余垃圾［27］、提高焚烧发电效率、回收利用焚烧余热和综合利用炉渣灰分等方式都可以在一定程度上减少垃圾焚烧过程的温室气体总排放［28］。杨娜等［29］发现我国食品废物在生活垃圾中的占比较高，而纸类、纺织物等组分含量较低，这极大地降低了垃圾焚烧的发电效率。此外，杨卫华等［30］利用LCA 对垃圾焚烧发电过程中的碳减排进行计算，将焚烧发电过程产生的碳排放考虑在内，得到1 t 垃圾采用焚烧发电方式的碳减排量约为1.8 tCO2eq。Anshassi 等［31］通过LCA 法核算了全球不同经济水平、垃圾组成和能源结构的地区分别采用焚烧或填埋处理垃圾产生的碳排放量。研究表明，回收利用焚烧余热相较回收利用填埋气有更高的碳减排潜力（约提高6%～20%），焚烧热能的回收率高达80%［32］。目前在日本、新加坡、欧洲［33-34］等地区垃圾焚烧余热已在公共场所供热和城市集中供暖领域有较成熟的应用。张伟捷等［35］基于垃圾焚烧热电联产工艺，对利用城市生活垃圾焚烧热能为我国北方县城进行集中供暖的可行性进行分析，得出通过热电联产供暖可以达到较高供暖满足率，减少县城冬季燃煤2.1×104～7.5×104t。安宏宇［36］研究发现垃圾焚烧产生的炉渣和灰分，经综合处理后可作为建筑材料供市容环卫行业应用，既提高了固体废物的利用率，也达到了碳减排的目的。

双碳背景下，对生活垃圾焚烧处理提出了更高的要求。垃圾焚烧行业在优化焚烧工艺设施［37］如研发高参数大型炉排［38］、提高电厂热能利用和发电效率［39］、综合利用焚烧炉渣［40-41］、解决焚烧过程中“三废”问题［42-43］等方面，面临着新的机遇和挑战。

2.2 高效回收利用填埋气

我国约有1.2×108t［44］城市生活垃圾（约占80%）采用卫生填埋方式进行处置［45］。填埋处理主要分为4 类，即无覆盖露天填埋、无填埋气收集的卫生填埋、有填埋气收集和火炬系统的卫生填埋以及有填埋气收集利用的填埋场。填埋场中有机物通过微生物降解和反应后会生成填埋气，其主要成分是CH4和CO2，而CH4所产生的温室效应是CO2的20 倍以上［46］。因此，回收利用填埋气既能防止填埋气对周边环境产生污染，又能通过降低化石燃料的消耗量［47-48］减少温室气体的排放。Yang 等［13］运用LCA 方法对垃圾填埋各阶段进行碳核算，其核算生命周期流程包括垃圾的收集和运输、填埋场管理、渗滤液处理、直接温室气体排放和能源回用，得到回收利用填埋气将产生约234 kgCO2eq/t 的碳减排量。回收利用填埋气所带来的温室气体减排效益受到填埋垃圾的性质［49-50］、填埋气收集效率［51］、填埋气利用设施效能［52］以及填埋场覆盖层效能［13］等因素的影响。我国填埋垃圾中的厨余垃圾含量（占湿质量50% 以上）远高于发达国家，且水分含量较高（45%～60%）［13，53］，具有产气快、易泄露的特点。目前，我国垃圾填埋场仍存在47%的无组织泄露［33］，因此研发高效率集气设施和提纯技术，是适应我国国情的有效碳减排路径［54］。

当前的研究显示，横向集气井具有最高的填埋气收集效率（接近90%）［55］，而膜下收集则由于其高密闭性可有效提高收集效率而在未来有较大的发展潜力［56-57］。此外，提纯处理填埋气能够大幅 提 高 填 埋 气 的 燃 料 利 用 价 值［58-59］，Brigagão等［60］基于LCA 方法，针对填埋气收集发电过程进行模拟计算，得到利用碳捕获与封存技术（Carbon Capture and Storage， CCS）和CO2捕捉与利用技 术（Carbon Dioxide Capture and Utilization，CCU）提纯填埋气可产生碳减排潜力。填埋场覆盖层是拦截CH4无组织排放的有效措施［61］，实验室中通过驯化甲烷氧化菌（Methane Oxidation Bacteria， MOB） 可将覆盖层的效能提高至85.2% ～90.6%［62］。未来，通过学习发达国家填埋气收集利用先进技术［63-64］，持续优化填埋场覆盖层效能，创新高效收集、提纯填埋气等技术，将为城市生活垃圾填埋过程带来较大的碳减排效益和经济效益。同时，需要政府、企业和社会共同努力，加强技术创新和推广应用，以推动填埋气回收利用领域的发展，为可持续发展作出贡献。

2.3 厨余垃圾厌氧消化处理

厨余垃圾是城市生活垃圾的重要组成部分，通过垃圾分类有效收集厨余垃圾进行厌氧消化进而高效资源化是迈向“无废城市”的重要一步［65］。厨余垃圾厌氧消化处理技术目前已经在许多国家得到成功应用，并已成为城市垃圾处理的重要手段之一。在美国、英国、瑞典等国家［66］，政府已经制定了相关政策，对厨余垃圾的厌氧消化处理予以支持和鼓励。预计在未来几年，厌氧消化处理技术将得到进一步发展和推广，成为城市垃圾处理行业的重要组成部分。

2022 年，我国厨余垃圾产生量约为1.25×108t［67］，具有含水量高、有机物含量高［68］等特性。我国厨余垃圾的处理方式包括填埋、焚烧、厌氧消化和堆肥等，目前城市厨余垃圾的资源化利用率不足10%［67］。厌氧消化工艺可以在厌氧菌的作用下将厨余垃圾中的有机质转化为甲烷，从而实现资源化利用［69］，且该过程二次污染小，可以同时实现减量化、资源化和无害化目标。采用厌氧消化处理厨余垃圾的甲烷产量约占沼气的60%［70］。Smith 等［71］通过实验检测得出，与不处置的厨余垃圾相比，进行厌氧消化将带来27%的碳减排量。Yue 等［72］采用LCA 与区间线性规划模型相结合的方法分别计算了我国珠江三角洲地区厨余垃圾在填埋、焚烧、厌氧消化和堆肥处理方法下的碳减排潜力，其中厌氧消化厨余垃圾的碳排放量（95.77 kgCO2eq/t） 低于其他3 种处理方法。Ezz等［73］研究指出利用水力空化预处理和秸秆联合消化等方式可以将厌氧消化的甲烷产气量提高约1倍。但是，目前的厌氧消化工艺仍存在沼渣处理和高浓度氨氮沼液的问题亟待解决［74］。因此，探索厨余垃圾协同处理技术［66］，如与好氧堆肥［75］或热碱后处理［76］等工艺协同、研究沼渣处理方式等［77］，是提升厨余垃圾资源化利用率的突破点。

2.4 可回收物回收利用

具有回收利用价值但是由于回收成本较高，且在传统市场机制中往往不会得到回收的废物，被称做低值可回收物（如废弃塑料包装物、泡沫填充物、废玻璃等）［78］，其具有垃圾和资源的双重属性。可回收物尤其是其中废纸和废塑料的回收利用，是降低生活垃圾处理处置行业温室气体排放的一条有效途径。目前我国可回收物回收利用率较低，建立低值可回收物高值化产业链条具有巨大的减排潜能［22］。Wang 等［79］研究发现提高分类后的纯可回收物利用率，能最大限度地减少污染并节约能源，对于降低我国资源消耗和经济社会可持续发展都具有重要意义。Cudjoe 等［80］分析了2005—2017 年我国垃圾回收潜在的节能和环境效益，得出回收钢铁、有色金属、纸张和废塑料可以减少2.59×1011kWh 的电量消耗，其中回收塑料垃圾的节电效果最好（高达1.48×1010kWh/a）。Liu 等［81］结合2017 年的相关数据，通过LCA 方法分析得到回收纸张将给我国带来巨大的经济效益和碳减排潜能。Xiao 等［82］分析了中国共289 个城市2006—2019 年MSW 相关数据，利用多元线性回归模型分析各类减排措施的碳减排潜力，指出在大中型以上城市，每回收利用1 t 废纸可带来3.93 tCO2eq 的碳减排量，约为其焚烧处理最大碳减排量的10 倍。但是，由于不同复合方法的塑料存在物理化学性质不统一［83］、回收有破损和杂质［84］、再生产品销路不通［85］等问题，使得目前低值可回收物的价值链未能闭环。将低值可回收物高值化是提升可回收物资源利用率的有效路径，如利用废弃塑料增强钢筋混凝土的抗剪切性能［86］。

2.5 建设生活垃圾处理产业园区

建设生活垃圾处理产业园区是综合利用和高效处理生活垃圾的一种重要举措。通过将垃圾处理设施集中布局在一个区域内，可以实现资源的协同利用、能源回收和环境保护的目标，是实现“零碳”“负碳”目标的最终途径，具有巨大的碳减排潜力。生活垃圾处理产业园区强调通过物质和能量的循环和梯级利用，形成垃圾和资源的闭环循环流动链条［87］。Munir 等［88］对生活垃圾处理产业园区进行碳排放夹点分析（Carbon Emission Pinch Analysis， CEPA），得到园区内碳减排率可达276.6 tCO2eq/h。日本、美国、法国等国家都有许多生活垃圾处理产业园区的先进案例，近年来中国在香港、广东、上海［89］等地区也进行了一系列的尝试与探索并积累了一定的经验。生活垃圾处理产业园区大多以垃圾焚烧厂或填埋场为主，将分类后的生活垃圾、建筑垃圾送往园区内不同处理设施进行处理处置。此外，大多数园区会利用垃圾焚烧发电作为园区甚至周边区域的电力供应中心，利用焚烧产生的余热为污泥干化和厨余垃圾厌氧发酵供能［90］。园区内厨余垃圾厌氧发酵产生的沼气和填埋场收集提纯的填埋气将进入焚烧厂进行辅助发电，同时配套一系列如生物柴油厂、堆肥厂等资源化企业对外输出再生资源［91］。

但是，我国生活垃圾处理产业园区的发展仍面临以下难题：①园区内存在多个排污和治理主体，排污责任难厘清［92］；②相关国家标准不完善［93］，政府管理监管难运行［94-95］；③保证全产业闭环管理的生活垃圾供应链不稳定［96］、资源循环利用技术瓶颈有待解决［97］。所以，如何进一步加强对园区的管理、提高园区自动化程度、形成产学研一体发展局面和统一相关温室气体排放核算标准，将成为未来生活垃圾处理产业园区实现双碳管理的重点和难点。

3 结论与建议

1）目前我国生活垃圾回收利用企业普遍存在“小、散、乱”且回收水平低的情况。可回收物的有效分类是高效回收利用的前提，这一定程度上取决于公众对可回收物的分类意识和理解水平。因此，建议政府主管部门加强对垃圾分类相关知识的宣传力度，必要时投入资金以提升相关知识的普及率。

2）我国生活垃圾焚烧技术已较为成熟，但垃圾焚烧市场尚未饱和，在双碳目标和其他资源化方式的冲击下，生活垃圾焚烧行业应继续学习欧美国家先进技术，优化焚烧工艺与设施的同时解决“三废”问题。在此基础上，根据中国国情修改、完善相应的排放因子数值，可以促进焚烧发电行业实现绿色减排。

3）长期利用垃圾填埋处理过程中产生的填埋气，并探究提升填埋气利用效率的新技术和新产品，从而降低垃圾处理过程中的温室气体排放总量，美国、英国、德国等发达国家已经采用了该方法进行降碳，但在中国仍比较少见，因此可以作为未来的发展方向。

4）厨余垃圾的厌氧消化处理有非常大的发展空间，应学习美国、英国、瑞典等国家先进经验，逐步用资源化利用取代现有的填埋方式。另外将厌氧消化与机械堆肥、好氧堆肥、热碱后处理等工艺协同，可以有效解决厌氧消化沼渣处理问题。此外，可探索在企业与居民生活区之间构建资源回收与就地利用的“双循环”模式。

5）提升低值可回收物的利用率和质量效益可以从企业和政府两个主体进行考虑：一方面企业应研究提高再生利用的技术，降低废弃物门槛；另一方面政府可以通过补贴和扶持完成市场调控，将再生产品的市场扩大以完成价值链闭环。

6）在综合优化各类生活垃圾处理工艺的基础上，建设生活垃圾处理产业园区，进行生活垃圾协同处理和资源化利用。一方面建立健全园区温室气体核算方法并利用智能化、数字化手段提高垃圾分拣、方案决策和运行管理效率，克服园区“技术难”的问题；另一方面，加强政府监管力度，建立完善的标准体系和建设规范，从而切实解决园区“落地难”的困境。