垃圾分类后不同生活垃圾处理方式引起的碳排放：以中国上海试点社区为例外文翻译资料

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垃圾分类后不同生活垃圾处理方式引起的碳排放：以中国上海试点社区为例

Sisi Chen^a,1，Jialiang Huang^b,1，Tingting Xiao^a，Jun Gao^a，Jianfeng Bai^c，Wei Luo^d，Bin Dong^a,*

^a同济大学环境科学与工程学院，污染控制与资源化利用国家重点实验室，上海200092；

^b上海科技大学环境与建筑学院，上海200093；

^c上海第二工业大学WEEE研究中心，上海201209；

^d北京京华智能环保科技有限公司有限公司，北京100101

摘要：在垃圾分类引发的不同模式下，研究了中国上海市试点社区（包含2365个家庭）的家庭餐厨垃圾和其他垃圾在处理过程中的温室气体排放（以碳排放量计）。研究发现，在目前上海垃圾分类的条件下，最终可以分离出51.8％的餐厨垃圾。通过垃圾分类，垃圾填埋量分别减少了17.3％（模式2）和16.5％（模式3），焚烧垃圾的水分减少了13.6％，垃圾的低位热值（LHV）增加了16.2％。将生命周期评估（LCA）方法和生命周期清单（LCI）与物料流一起应用，发现垃圾处理过程中的净碳排放量按以下顺序排列：模式3（1.60times;10^-3kg CE/kg垃圾）lt;模式2（4.85times;10^minus;3kg CE/kg垃圾）lt;模式1（4.94times;10^minus;3kg CE/kg垃圾）lt;垃圾填埋场（1.49times;10^minus;2kg CE/kg垃圾）。模式2和模式3是模式1的可替换模式，厌氧消化是从餐厨垃圾中回收能量的推荐策略。特别是在以下处理过程中，将餐厨垃圾的分离比例提高到60％（或更高）对减少碳排放没有明显的好处。

关键词：垃圾分类；碳排放；生活垃圾；厌氧消化；堆肥；焚烧

1.背景

随着经济社会的发展和消费的大量增长，中国生活垃圾的产生量迅速增长。2017年，中国的生活垃圾量已达21305万吨（MOHURD，2019)，预计将继续增加，到2020年将达到3亿吨（FBICL，2019）。大量的生活垃圾造成的环境危害日益突出，对这些垃圾的安全处理迫在眉睫。在主要处置措施仍为混合填埋（53.0％）和混合焚烧（43.8％）的条件下（MOHURD，2019），促进垃圾分类和减少垃圾量是解决垃圾问题的根源，因为它们可以减少环境污染，节省土地，促进资源的回收利用并提高公共价值。

目前，垃圾分类的政策和实施在日本、德国和美国等发达国家已经相当成熟。自1970年以来，日本开始进行垃圾分类和处理的立法工作，此后立法逐步得到补充和完善（Hong and Xiaoling，2007）。自1990年初以来，德国一直在进行将垃圾管理转变为资源管理系统的工作，2018年，家庭垃圾、生产和商业垃圾以及建筑和拆除垃圾的回收率分别达到67％，70％和90％（Ministry et al.，2018）。在美国，垃圾管理是在1976年初制定的《资源保护和回收法》（RCRA）的控制下进行的，建议采用包括堆肥，燃烧和垃圾填埋在内的主要处理方法进行处置2009年相应分类的生活垃圾（USEPA，2009）。与上述发达国家不同，中国近年来才开始大力推动垃圾分类，并且仍在发展中。国务院办公厅于2017年发布了《生活垃圾分类制度实施方案》。此后，上海市根据国家政策，于1月31日发布了《上海市生活垃圾管理条例》（以下简称《条例》）。并于2019年7月1日起率先在中国对垃圾进行强制分类。根据住房和城乡建设部发布于2019年11月15日的《生活垃圾分类标志》，将城市生活垃圾统一分为可回收垃圾，有害垃圾，餐厨垃圾和其他垃圾(MOHURD，2019)。

相应地，生活垃圾的处理迫切需要从传统的混合处理向垃圾分类后的分离处理转变。餐厨垃圾（约60％）和其他垃圾（约20％）是中国生活垃圾的主要成分，是垃圾分类后进行处理的主要目标（FBICL，2019）。其中，餐厨垃圾的特点是有机物含量高（尤其是油脂），水含量高（80-90％），热值低，易发臭和产生有害物质，如寄生虫，卵和病原微生物，处理难度大。在垃圾填埋场不易被焚烧并造成严重二次污染（Zhang et al.，2015;Guo and Dai，2017）。因此，有效处理餐厨垃圾是亟待解决的问题。当前有关垃圾分类的研究大多集中在政策实施、垃圾收集和垃圾运输上（Guo et al.，2017;Wang and Zhou，2018;Chung et al.，2019）。然而，在垃圾分类后如何选择后续处理措施（尤其是餐厨垃圾）及其对环境的影响就很少受到关注。

早在2018年7月上旬，上海市普陀区社区就开始呼吁对垃圾分类。同时，垃圾的收集和处理方法需要从“混合收集-运输处理”（概念1）转变为“分离式收集-运输处理”（概念2）。因此，自2019年3月起，社区率先将传统的混合焚烧（模式1，概念1的替代方法之一）改为分离处理，提出了两种典型模式来处理分类后的餐厨垃圾和其他垃圾：“垃圾分类 原地减少餐厨垃圾”（模式2，概念2的替代方法之一）和“垃圾分类 厌氧消化餐厨垃圾”（模式3，概念2的替代方法之一），其详细说明在第2.1节中提供。根据处理城市有机固体垃圾的技术路线选择了模式2和模式3（Yang et al.，2015），其中餐厨垃圾的厌氧消化和堆肥处理的降解率、沼气产生率或发酵效率得到了广泛的研究（Seo et al.，2004;Guo and Dai，2017）。但是，由于垃圾处理过程中产生的人为温室气体（GHGs），包括二氧化碳（CO₂），甲烷（CH₄），一氧化二氮（N₂O）在全球变暖中发挥了重要作用，因此除了安全处理外，控制温室气体的排放也是重要原则。（Seo et al.，2004；Chen and Lin，2008）。

为减少垃圾处理的温室气体排放，中华人民共和国生态与环境部发布了《中国应对气候变化的政策与行动》（2018）（MEE，2018a）。其中强调指出，垃圾处理不仅应考虑稳定性、可靠性、经济性和环境因素，还应关注温室气体的排放，以减少空气和环境污染。此外，据报道，垃圾处理中的温室气体排放受许多因素的影响，包括垃圾的数量和组成以及处理措施（Chen and Lin，2008）。因此可以推断出，温室气体排放量会随着从模式1到模式2/3的变化而变化。评估其温室气体排放对于了解垃圾分类的有效性以及上海（年生活垃圾产量超过6000万吨）甚至中国的减少温室气体排放的后续处理措施也很重要。此外，参照调查温室气体排放的方法，生命周期评估（LCA）方法和带有物质流的生命周期清单（LCI）已被广泛用于评估垃圾管理中的温室气体贡献（Saheri et al.，2012；Shan et al.，2016），排放的碳当量（碳排放量）通常被用作温室气体的计数（Eriksson et al.，2002；Chen and Lin，2008）。

因此，本研究的目的是评估和比较分别采用模式1、模式2和模式3来处理中国上海市试点社区（包含2365个家庭）的生活垃圾中的餐厨垃圾和其他垃圾中的温室气体贡献（按碳排放量计），利用LCA和LCI方法进行调查和计算，实现了以上三种模式的碳排放量的比较。模式1将逐步被垃圾分类所取代，模式2和模式3是中国的潜在替代方案，其减少温室气体的好处尚不明确。因此，本研究有助于填补当前的研究空白，对垃圾分类后选择生活垃圾的处置方式具有指导意义。该结果还可以为中国减少温室气体以及全球低碳发展提供实际意义。

2.材料和方法

2.1垃圾源调查

收集了来自上海市普陀区的三个试点社区共2365个家庭的餐厨垃圾和其他垃圾，其总量保持在1185.5plusmn;15.7kg/d（0.5kg/d/家），餐厨垃圾647.2plusmn;9.0kg/d（54.6％）和其他垃圾538.3plusmn;12.9kg/d（45.4％）。试点社区的生活垃圾产生量远低于中国城市生活垃圾产生量的统计数据（1.09-1.17kg/（人均/天）（Wei et al.，2018），这是因为不包括可回收垃圾，有害垃圾以及公共场所产生的垃圾。根据我们的调查，在垃圾分类倡导者（2019年1月起）的推动下，垃圾桶中的垃圾成分（分别用于其他垃圾和餐厨垃圾，图S1）从2018年7月到2019年6月发生了显著变化（图1）。显然，从2018年7月到2019年6月，用于餐厨垃圾的垃圾桶（GC-FW）中的餐厨垃圾比例从79.5plusmn;2.0％显着增加到88.3plusmn;1.5％，而用于其他垃圾的垃圾桶（GC-RW）中的餐厨垃圾比例从42.9plusmn;0.5％降至36.2plusmn;1.2％，体现了提倡垃圾分类的有效性。此外，在上海目前的垃圾分类条件下，最终只能分离出51.8％的餐厨垃圾，GC-RW中餐厨垃圾的比例仍然很高（36.2plusmn;1.2％），这是因为居民难以将餐厨垃圾与其他垃圾分开的生活习惯所致。

2.2方法

三种模式的说明如下：

模式1（概念1的替代方法之一）：传统混合处理，焚烧。该模式在垃圾分类之前被广泛应用。

模式2（概念2的替代方法之一）：垃圾分类 原地减少餐厨垃圾。将来自GC-RW的所有垃圾和与GC-FW二次分离的少量其他垃圾焚烧，GC-FW产生的食物残渣被粉碎处理器（SS100，in sink erator，USA）破碎，然后将破碎的残余物压榨并进行好氧堆肥，然后将压碎和压榨的液体排入废水处理厂（WWTPs）。垃圾分类后，该模式已尝试了三个月。

模式3（概念2的替代方法之一）：垃圾分类 餐厨垃圾的厌氧消化。将GC-RW产生的所有垃圾和与GC-FW二次分离出的少量其他垃圾进行焚烧，GC-FW产生的餐厨垃圾进行厌氧处理消化处理。垃圾分类后，尝试了该模式三个月。

应用LCA方法，模式1、2和3的系统边界如图2、3、4所示。该系统从在转运站收集的混合垃圾开始，包括垃圾处理过程（1/2/3模式）以及相关的上游和下游过程。表1列出了对CO₂排放清单的详细描述，根据垃圾物料流的LCI方法将其分为三类（Shan et al.，2016;Guo and Dai，2017）：直接温室气体排放（最终处理过程中的碳排放，包括焚烧、垃圾填埋和污水处理厂），间接温室气体排放（化学加药，化石燃料和中间过程中的能耗造成的碳排放）和碳储存（通过发电和有价值的生物产品进行碳补偿）。由于每种温室气体的集热势强度不同，因此建议使用CO₂的集热势（GWP）来代表每种气体对全球变暖的贡献（IPCC，2007）。结果用碳当量（CE）表示，另外将测量数据的平均值用于计算。

2.3直接温室气体排放评估

2.3.1焚烧产生的碳排放

焚烧过程中产生的碳排放主要是N₂O和CO₂（Chen and Lin，2008）。用于计算的垃圾焚烧过程中的碳排放包括：（1）垃圾大量燃烧产生的排放；（2）大量辅助燃料燃烧产生的排放。碳排放量的计算如下（NDFC，2011；IPCC，2006）：

(1)

图1.倡导垃圾分类前后垃圾桶中垃圾成分的变化：（a）餐厨垃圾桶中垃圾的重量；（b）其他垃圾桶中垃圾的重量；（c）餐厨垃圾在不同垃圾桶中所占的比例

=垃圾焚烧产生的GHG碳当量（kg CE/d）;

W_i=物料的重量i（kg/d）；

CCW_i=以材料i的干重的百分比表示的总碳含量；

FCF_i=矿物i中化石碳分数占总碳的百分比；

EF₁=燃烧效率；

图2.模式1（传统混合处理）的系统边界和碳排放清单

（2）

=辅助燃料焚烧产生的GHG碳当量（kg CE/d）；

F_ic=消耗的燃料i的量（L/d，燃料类型，例如柴油或汽油）;

H_i=燃料i的燃料热值（GJ/L）；

C_ig=温室气体排放系数（g/MJ，g：温室气体类型，例如N₂O，CO₂和NH₄）；

GWP_g=温室气体g的GWP值。

表S1显示了垃圾中材料的CCW_i，FCF_i和EF₁的默认值。表S2显示了H_i和C_ig的默认值。N₂O的GWP值为298，CH₄的GWP值为25（IPCC，2006）。在焚烧过程中，中国普遍使用柴油，其用量约为1.19kg/t垃圾（Gong et al.，2008）。

2.3.2污水处理厂废水处理产生的碳排放

废水处理过程中产生的碳排放主要为CH₄和N₂O。碳排放量的计算如下（NDFC，2011；IPCC，2006）：

(3)

E_WWTP-CH4=污水处理厂产生的CH₄的GHG碳当量（kg CE/d）；

TOW=有机物总量（kg BOD/d）；

EF₂=排放因子（kg CH₄/kg BOD）

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