城市生活垃圾处理全过程的低碳模式优化研究

书书书第３２卷第２期２０１２年２月环　境　科　学　学　报　ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅＶｏｌ．３２，Ｎｏ．２Ｆｅｂ．，２０１２基金项目：国家科技支撑计划项目（Ｎｏ．２００７ＢＡＣ２８Ｂ０３）；国家自然科学基金（Ｎｏ．４０８７１２６２）ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＫｅｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓＲ＆ＤＰｒｏｇｒａｍ（Ｎｏ．２００７ＢＡＣ２８Ｂ０３）ａｎｄｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ（Ｎｏ．４０８７１２６２）作者简介：周晓萃（１９８５—），女，Ｅｍａｉｌ：[e-mail]；通讯作者（责任作者），Ｅｍａｉｌ：[e-mail]：ＺＨＯＵＸｉａｏｃｕｉ（１９８５—），ｆｅｍａｌｅ，Ｅｍａｉｌ：[e-mail]；Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ，Ｅｍａｉｌ：[e-mail]周晓萃，徐琳瑜，杨志峰．２０１２．城市生活垃圾处理全过程的低碳模式优化研究［Ｊ］．环境科学学报，３２（２）：４９８５０５ＺｈｏｕＸＣ，ＸｕＬＹ，ＹａｎｇＺＦ．２０１２．Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｌｏｗｃａｒｂｏｎｍｕｎｉｃｉｐａｌｓｏｌｉｄｗａｓｔｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍｏｄｅｌ［Ｊ］．ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅ，３２（２）：４９８５０５城市生活垃圾处理全过程的低碳模式优化研究周晓萃，徐琳瑜，杨志峰环境模拟与污染控制国家重点实验室，北京师范大学环境学院，北京１００８７５收稿日期：２０１１０３１９　　　修回日期：２０１１０５１３　　　录用日期：２０１１０５１６摘要：生活垃圾处理过程中的温室气体排放是重要的人为碳排放源．本文提出一种基于城市生活垃圾处理全过程的低碳模式制定方法，通过对不同垃圾末端处理工艺的资源与能源消耗，温室气体排放潜值与资源化率的评价，进行处理情景设计与分析，识别出生活垃圾处理低碳发展的调控措施，并结合约束条件下的定量优化，得到生活垃圾低碳优化处理模式．最后，以北京市为案例点，针对主要调控因子设计不同无害化处理比例的３种情景并开展以上３方面评价．结果表明，垃圾低碳优化处理的措施为降低填埋比例，同时提高堆肥和焚烧比例；垃圾低碳优化处理模式为填埋、焚烧与堆肥的利用比例是２３％∶２５％∶５２％．关键词：温室气体；生活垃圾处理模式；资源化率；优化；北京文章编号：０２５３２４６８（２０１２）０２４９８０８　　　中图分类号：Ｘ３２，Ｘ１７１　　　文献标识码：ＡＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｌｏｗｃａｒｂｏｎｍｕｎｉｃｉｐａｌｓｏｌｉｄｗａｓｔｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍｏｄｅｌＺＨＯＵＸｉａｏｃｕｉ，ＸＵＬｉｎｙｕ，ＹＡＮＧＺｈｉｆｅｎｇＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄＰｏｌｌｕｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌ，ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ＢｅｉｊｉｎｇＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００８７５Ｒｅｃｅｉｖｅｄ１９Ｍａｒｃｈ２０１１；　　　ｒｅｃｅｉｖｅｄｉｎｒｅｖｉｓｅｄｆｏｒｍ１３Ｍａｙ２０１１；　　　ａｃｃｅｐｔｅｄ１６Ｍａｙ２０１１Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＣａｒｂｏｎｅｍｉｓｓｉｏｎｆｒｏｍＭｕｎｉｃｉｐａｌｓｏｌｉｄｗａｓｔｅ（ＭＳＷ）ｔｒｅａｔｍｅｎｔｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｍａｊｏｒａｎｔｈｒｏｐｏｇｅｎｉｃｓｏｕｒｃｅｓｔｏｃａｕｓｅｃｌｉｍａｔｅｃｈａｎｇｅ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｗｅｐｒｏｐｏｓｅｄａｎｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｆｏｒＭＳＷｌｏｗｃａｒｂｏｎｍｏｄｅｉｎｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｏｆＭＳＷｔｈｒｏｕｇｈｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｎｒｅｓｏｕｒｃｅａｎｄｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ＧｒｅｅｎＨｏｕｓｅＧａｓ（ＧＨＧ）ｅｍｉｓｓｉｏｎｐｏｔｅｎｔｉａｌａｎｄｒｅｃｏｖｅｒｙｒａｔｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｃｅｎａｒｉｏｓ．Ｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄｔｈｅｍａｉｎｒｅｇｕｌａｔｏｒｙｍｅａｓｕｒｅｓａｎｄｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｌｙｓｅｔｌｏｗｃａｒｂｏｎｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍｏｄｅｕｎｄｅｒｃｅｒｔａｉｎｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ．ＴｈｅｍｅｔｈｏｄｗａｓｔｈｅｎａｐｐｌｉｅｄｔｏＢｅｉｊｉｎｇＭＳＷｔｒｅａｔｍｅｎｔ．Ｗｅｄｅｓｉｇｎｅｄｔｈｒｅｅｓｃｅｎａｒｉｏｓａｎｄｃｏｎｄｕｃｔｅｄｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｎｒｅｓｏｕｒｃｅａｎｄｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ＧＨＧｅｍｉｓｓｉｏｎｐｏｔｅｎｔｉａｌａｎｄｒｅｃｏｖｅｒｙｒａｔｅｏｆｔｈｅｔｈｒｅｅｓｃｅｎａｒｉｏｓ．Ａｆｔｅｒｅｖａｌｕａｔｉｎｇｒｅｓｏｕｒｃｅａｎｄｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ＧＨＧｅｍｉｓｓｉｏｎｐｏｔｅｎｔｉａｌａｎｄｒｅｃｏｖｅｒｙｒａｔｅｏｆｅａｃｈｓｃｅｎａｒｉｏ，ｌｏｗｃａｒｂｏｎｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｔｒａｔｅｇｉｅｓｆｏｒＭＳＷｍａｎａｇｅｍｅｎｔｗｅｒｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｍｏｓｔｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓｔｒａｔｅｇｙａｔｐｒｅｓｅｎｔｗａｓｔｏｄｅｃｒｅａｓｅｌａｎｄｆｉｌｌｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ，ｉｎｐａｒａｌｌｅｌｔｏｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｃｏｍｐｏｓｔｉｎｇａｎｄｉｎｃｉｎｅｒａｔｉｏｎｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ．Ｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｌｏｗｃａｒｂｏｎｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍｏｄｅｗａｓｔｏｓｅｔｌａｎｄｆｉｌｌｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｏｆ２３％，ｉｎｃｉｎｅｒａｔｉｏｎｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｏｆ２５％，ａｎｄｃｏｍｐｏｓｔｉｎｇｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｏｆ５２％．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅｇａｓ；ｍｕｎｉｃｉｐａｌｓｏｌｉｄｗａｓｔｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍｏｄｅ；ｒｅｃｏｖｅｒｙｒａｔｅ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；Ｂｅｉｊｉｎｇ１　引言（Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ）人类活动引起的气候变化是当前国际社会普遍关注的重大全球性问题．人类通过化石燃料燃烧、能源开采、工农业及畜牧业的生产活动，以及垃圾处理和土地利用开发等向大气排放了大量的ＣＯ２和ＣＨ４等温室气体，从而导致全球气温上升，并使一系列环境、社会问题日益显现，因此，控制人为温室气体排放已经成为亟待解决的问题．生活垃圾在收集转运过程中也会导致能源消耗和ＣＯ２排放，在处理过程中垃圾经过多种物理、化学和生物反应产生的各种气体中，ＣＯ２、ＣＨ４和Ｎ２Ｏ等温室气体占了绝大部分．根据ＩＰＣＣ（２００６）估算，来自垃圾系统的温室气体排放占全球温室气体排放总量的５％．因此，对城市生活垃圾的低碳处理模式进行研究，减少这一过程的ＣＯ２、ＣＨ４等温室气体的排放，无论是对于２期周晓萃等：城市生活垃圾处理全过程的低碳模式优化研究生态环境保护、低碳城市发展，还是对于生活垃圾处理技术本身的改进，均具有十分重要的意义．国内外许多学者对废物管理中的温室气体排放问题进行了广泛研究，有些学者以不同垃圾成分处理过程中温室气体的减排为研究对象，如厨余、草木、金属、纸类等（Ｆｒｉｔｓｃｈｅｅｔａｌ．，２００７；Ｍａｒｈｅｉｎｅｋｅｅｔａｌ．，２０００；Ｃｈｅｎｅｔａｌ．，２００７；Ａｍｌｉｎｇｅｒｅｔａｌ．，２００８；Ｌｏｕ，２００８）；有些学者则针对不同处理工艺（如回收、焚烧、填埋等工艺中温室气体减排）开展研究（赵磊等，２０１０；Ｌｉａｍｓａｎｇｕａｎｅｔａｌ．，２００８；Ｂａｔｏｏｌｅｔａｌ．，２００９；Ｐａｐａｇｅｏｒｇｉｏｕｅｔａｌ．，２００９；Ｌｏｕｅｔａｌ．，２００９；Ａｄｒｉａｎｅｔａｌ．，２００８）；有些学者对垃圾处理相关环节的碳排放，包括收集、运输、处理环节，进行评价和减排潜力分析，并提出系统优化措施（Ｂａｎｉｅｔａｌ．，２０１０；Ｌｏｍｂａｒｄｉｅｔａｌ．，２００６；Ｐａｏｌｏｅｔａｌ．，２００９；Ｃｈｅｎｅｔａｌ．，２００８）．但由于各个地方发展水平、生活方式的差异，城市生活垃圾的组分和处理工艺不一样，导致这些研究成果很难被运用和推广（Ｚｈａｏｅｔａｌ．，２００９）．由于各种垃圾处理工艺各具优势和局限性，每种工艺处理垃圾过程中的温室气体排放量、能源消耗与资源化效果各有差别，没有一种工艺能完全独立实现垃圾处理资源化、减量化、无害化的总目标，因此，垃圾的综合处理被认为是较合理、经济的方法．但目前有关垃圾综合处理低碳模式的优化研究还不多见．因此，文本将针对垃圾处理全过程，通过调整各处理工艺利用比例，探索垃圾综合处理的低碳模式．生活垃圾作为城市代谢的一个组成部分，在其处理过程中，一方面通过卫生填埋、堆肥和焚烧等工艺将组分中的碳或氮转化成温室气体排放；另一方面由于处理厂自身运行会消耗资源和能源，造成另一部分温室气体排放．但垃圾处理工艺各不相同，有的可以对温室气体进行有效收集、处理，并进行资源化利用，作为替代燃料或替代原料，直接减少处理过程中的温室气体排放，同时还能减少煤炭、石油、天然气等一次能源的消耗．垃圾作为放错位置的资源，具有很大的回收利用价值，应在垃圾的无害化处理过程中考虑回收和利用，生产新的能源和资源（李萌等，２００４）．李纪月等（２０１０）研究认为，为促进低碳城市的发展，垃圾处理应该减少资源的消耗，增加资源的重复使用和循环再利用．聂永丰（２０１０）研究认为，低碳经济下，垃圾处理的技术路线应该是能源高效利用，采取合适的处理工艺对垃圾产生的温室气体进行有效收集、处理和资源化利用．综上所述，笔者认为垃圾低碳处理模式应该是资源、能源高效利用，处理过程中温室气体排放少，垃圾资源化率高的处理模式．同时，能够通过调控各种垃圾无害化处理工艺的利用比例，使整个垃圾综合处理系统的资源、能源得到高效利用，提高资源化率，并减少温室气体排放，从而对整个城市的低碳发展起到促进作用．因此，本文通过对垃圾处理全过程的资源、源能消耗量、温室气体排放量进行核算，结合资源化率分析及不同处理模式的设计与评价，找到垃圾处理模式低碳发展的优化路径，并进行约束条件下的定量优化，得出满足低碳处理要求的无害化处理工艺利用比例，以期为有效地进行城市垃圾低碳管理提供决策参考．２　生活垃圾低碳处理模式优化方法（Ｍｅｔｈｏｄｆｏｒｍｕｎｉｃｉｐａｌｓｏｌｉｄｗａｓｔｅｌｏｗｃａｒｂｏｎｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ）图１　城市生活垃圾处理全过程的低碳模式优化流程Ｆｉｇ．１　Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｍｕｎｉｃｉｐａｌｓｏｌｉｄｗａｓｔｅｌｏｗｃａｒｂｏｎｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ本文设计了城市生活垃圾低碳处理模式的优化程序，具体如图１所示．根据垃圾产生情况及收集与处理处置现状调查分析，对垃圾末端处理工艺———填埋、焚烧、堆肥的温室气体排放潜值进行评价，并对资源、能源的消耗进行核算，然后结合城市实际垃圾处理各工艺的利用情况，得到垃圾综合处理的温室气体排放潜值与资源、能源消耗量和资源化率．在此基础上，进行垃圾处理模式的设计与资源、能源消耗、温室气体排放、资源化率评价，找９９４环　　境　　科　　学　　学　　报３２卷到减少温室气体排放的突破口．最后进行约束条件下的优化，研究满足垃圾处理过程中温室气体排放最少、资源化效果最好、资源和能源投入最少的处理模式．２．１　垃圾处理全过程中温室气体排放潜值核算方法在确定研究系统的基础上，对垃圾处理过程中的资源、能源消耗，产生的温室气体类型、排放量及排放环节进行分析，得到资源、能源投入和温室气体排放清单，并以ＣＯ２为参照物将温室气体进行特征化处理，最后叠加为１个总指标得到温室气体排放潜值，计算过程见式（１）．同时，结合垃圾不同处理工艺的利用比例，单位垃圾综合处理的温室气体排放潜值由式（２）进行计算．ＥＩ＝∑ｎｉ＝１ＥＩｉ＝∑ｎｉ＝１（Ｑｉ·ＥＦｉ）（１）ＥＩＴ＝∑ｎｋ＝１（Ｐｋ·ＥＩｋ）（２）式中，ＥＩ为处理工艺单位垃圾温室气体排放对自然温室效应增强的贡献，即温