趙勝男 崔勝輝 吝 濤 李新虎 張雅京

(中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所 城市環(huán)境與健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建廈門361021)

福建省有機(jī)廢棄物資源化利用碳減排潛力研究3

趙勝男 崔勝輝 吝 濤 李新虎 張雅京

(中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所 城市環(huán)境與健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建廈門361021)

有機(jī)廢棄物是一種潛在的資源,其資源化利用不但能解決自身對(duì)環(huán)境的污染問題,而且對(duì)減少碳排放、應(yīng)對(duì)氣候變化也發(fā)揮著重要作用。本文選取農(nóng)作物秸稈、禽畜糞便和城市生活垃圾等作為典型的有機(jī)廢棄物,使用IPCC及CDM EB推薦方法學(xué),結(jié)合文獻(xiàn)及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),估算了2003-2008年福建省有機(jī)廢棄物資源量,并在此基礎(chǔ)上針對(duì)不同有機(jī)廢棄物資源化利用方式估算其碳減排潛力。結(jié)果表明:2003-2008年福建省有機(jī)廢棄物資源量年平均3 875.56×104t,其中農(nóng)作物秸稈704.06×104t,禽畜糞便2 846.06×104t,城市生活垃圾325.45×104t;有機(jī)廢棄物資源化利用的碳減排潛力年平均140.18×104tCO2e,其中農(nóng)作物秸稈貢獻(xiàn)36.69%,禽畜糞便貢獻(xiàn)43.23%,城市生活垃圾貢獻(xiàn)20.07%。為便于有機(jī)廢棄物資源化利用碳減排潛力的實(shí)現(xiàn),福建省在今后的工作中,應(yīng)加快發(fā)展規(guī)?；B(yǎng)殖或建設(shè)戶用沼氣池;避免露天焚燒農(nóng)作物秸稈并推廣秸稈綜合利用技術(shù);加快垃圾處理從衛(wèi)生填埋向焚燒發(fā)電的轉(zhuǎn)化。

有機(jī)廢棄物;資源化利用;碳減排潛力;福建省

氣候變化是當(dāng)前國(guó)際社會(huì)普遍關(guān)注的熱點(diǎn)問題,遏制全球變暖、削減碳排放量,已經(jīng)成為21世紀(jì)世界各國(guó)的共識(shí)[1-3]。有機(jī)廢棄物在堆放或處理過程中排放大量的溫室氣體,是一種不可忽略的溫室氣體排放源。資源化利用有機(jī)廢棄物既能回收其潛在的能源又可避免產(chǎn)生溫室氣體[4-6]。而明確有機(jī)廢棄物資源量及其資源化利用的碳減排潛力是合理利用有機(jī)廢棄物實(shí)現(xiàn)碳減排的基礎(chǔ)。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)有機(jī)廢棄物的研究主要側(cè)重于資源量、資源化利用途徑和潛力、碳排放量的研究,如譚祖琴等[7]概算了新疆農(nóng)村有機(jī)廢棄物資源量,夏朝鳳[8-9]等探討了城市固體垃圾及農(nóng)作物秸稈的能源潛力,Luo等[10]估算了河北省生物質(zhì)碳排放量等;而對(duì)有機(jī)廢棄物資源化利用的碳減排潛力研究較少。福建省近年來不斷加大節(jié)能減排工作力度,但其主要針對(duì)工業(yè)、企業(yè)的節(jié)能減排,對(duì)以資源化利用有機(jī)廢棄物的方式實(shí)現(xiàn)碳減排關(guān)注較少。本文選取農(nóng)作物秸稈、禽畜糞便、城市生活垃圾等作為典型的有機(jī)廢棄物,使用政府間氣候變化專門委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)及清潔發(fā)展機(jī)制執(zhí)行理事會(huì)(Clean Development Mechanism Executive Board,CDM EB)推薦方法學(xué),結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),估算了福建省有機(jī)廢棄物資源量,并對(duì)其資源化利用的碳減排潛力進(jìn)行研究,希望能夠?yàn)楦＝ㄊ≠Y源化利用有機(jī)廢棄物實(shí)現(xiàn)碳減排相關(guān)政策與管理措施的制定提供科學(xué)依據(jù),同時(shí)能夠推動(dòng)我國(guó)有機(jī)廢棄物資源化利用和碳減排相關(guān)研究的開展。

1 研究方法和數(shù)據(jù)來源

1.1 有機(jī)廢棄物資源量估算模型

1.1.1 農(nóng)作物秸稈資源量

農(nóng)作物秸稈是世界上最為豐富的物質(zhì)之一,是糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)中的副產(chǎn)物,其中含有豐富的氮、磷、鉀微量元素等成分,是一種可供開發(fā)與綜合利用的資源。農(nóng)作物秸稈資源量一般根據(jù)農(nóng)作物產(chǎn)量和相應(yīng)的草谷比進(jìn)行估算[11-13],計(jì)算公式為:

式中:AS為農(nóng)作物秸稈資源量;AP為農(nóng)作物年產(chǎn)量;i為秸稈種類;SPR為農(nóng)作物的草谷比,本文搜集整理相關(guān)文獻(xiàn),結(jié)合實(shí)際情況從中選取適合福建省農(nóng)作物秸稈的草谷比參數(shù)[14-15]。

1.1.2 禽畜糞便資源量

禽畜糞便的資源量取決于禽畜種類、日均排泄量以及

式中:AM為禽畜糞便的資源量;i為禽畜種類;RQ為禽畜飼養(yǎng)量;FP為飼養(yǎng)期;DE為禽畜日均排泄量,我國(guó)目前尚沒有相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),本文參照王方浩等[16]人的研究確定各種禽畜糞便的日均排泄量。

1.1.3 城市生活垃圾資源量

城市生活垃圾清運(yùn)量可從福建省統(tǒng)計(jì)年鑒獲得[19]。目前,福建省尚無有關(guān)全省城市生活垃圾組成成分的官方數(shù)據(jù),本文計(jì)算時(shí)所用的城市生活垃圾組成成分為參考杜吳鵬等人的研究結(jié)果[20],并假設(shè)2003-2008年福建省城市生活垃圾的組成成分穩(wěn)定。

1.2 有機(jī)廢棄物資源化利用碳減排潛力估算模型

1.2.1 農(nóng)作物秸稈碳減排潛力

我國(guó)農(nóng)作物秸稈的利用方式主要有用作飼料、肥料、燃料、工業(yè)原料以及露天焚燒等,其中露天焚燒既浪費(fèi)秸稈資源,又排放大量的溫室氣體。如果將這部分秸稈使用氣化技術(shù)資源化利用,不但能回收秸稈中潛在的能源,同時(shí)還具有可觀的碳減排潛力。農(nóng)作物秸稈氣化利用產(chǎn)生的碳減排來源于:①避免秸稈露天焚燒產(chǎn)生的碳排放量;②氣化后所得燃?xì)馓娲剂袭a(chǎn)生的碳減排量;計(jì)算公式為:

式中:CMPs為秸稈資源化利用的碳減排潛力;CEsb為避免秸稈露天焚燒產(chǎn)生的碳排放量;ERsg為氣化后所得燃?xì)馓娲剂袭a(chǎn)生的碳減排量。

秸稈露天焚燒產(chǎn)生的碳排放量根據(jù)秸稈露天焚燒比例及排放因子確定[21],計(jì)算公式為:

式中:EFMsb為秸稈露天焚燒CH4排放因子;EFNsb為秸稈露天焚燒N2O排放因子;Rsb為秸稈露天焚燒率;GWPCH4和 GWPN2O分別為CH4和N2O的全球增溫潛勢(shì)值。

氣化后所得燃?xì)馓娲剂?本文僅以液化石油氣為例)用于供熱時(shí)產(chǎn)生的碳減排量的計(jì)算公式為:飼養(yǎng)期[16-18],計(jì)算公式為:

式中:P為秸稈氣化產(chǎn)氣率;CVg為秸稈氣化所得燃?xì)獾臒嶂?ηg為燃?xì)鉄嵝?ηl為液化石油氣熱效率;EFl為液化石油氣的碳排放因子;Ro為液化石油氣的氧化率;44/12為C和CO2的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

1.2.2 禽畜糞便碳減排潛力

禽畜糞便中含有大量的有機(jī)物和水,是沼氣發(fā)酵的理想原料,通過這種方式產(chǎn)生的碳減排來源于:1)避免糞便管理系統(tǒng)產(chǎn)生的碳排放量;2)沼氣替代化石燃料產(chǎn)生的碳減排量;計(jì)算公式為:

式中:CMPm為禽畜糞便資源化利用的碳減排潛力;CEMm為避免糞便管理系統(tǒng)產(chǎn)生的CH4量;CENm為避免糞便管理系統(tǒng)產(chǎn)生的N2O量;ERmf為沼氣替代化石燃料產(chǎn)生的碳減排量。

糞便管理系統(tǒng)排放的CH4計(jì)算公式為[22]:

式中:EFMmm為糞便管理系統(tǒng)的CH4排放因子。

糞便管理系統(tǒng)排放的N2O計(jì)算公式為[22]:

式中:EFNmm為糞便管理系統(tǒng)的N2O排放因子;DN為禽畜日均排氮量;GW為禽畜平均體重;44/28為N2O與N的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

沼氣替代化石燃料(本文以液化石油氣為例)產(chǎn)生的碳減排量的計(jì)算公式為:

式中:CVm為沼氣熱值;ηm為沼氣熱效率。

1.2.3 城市生活垃圾碳減排潛力

我國(guó)城市生活垃圾的處理方式主要有堆肥、填埋以及焚燒等。隨著人們對(duì)垃圾資源化利用的重視,垃圾焚燒發(fā)電成為了城市垃圾處理的主要趨勢(shì)。垃圾焚燒發(fā)電不但可以避免填埋處理過程中排放的溫室氣體;而且還可以替代部份化石燃料發(fā)電,從而相應(yīng)地減少碳排放,具有雙重的減排效果。垃圾焚燒發(fā)電的碳減排潛力計(jì)算公式為:

式中:CMPw為垃圾焚燒發(fā)電的碳減排潛力;CEwl為垃圾填埋產(chǎn)生碳排放量;ERwff為替代化石燃料產(chǎn)生的碳減排量;CEff為垃圾焚燒發(fā)電時(shí)使用輔助化石燃料產(chǎn)生的碳排放量。

垃圾填埋過程產(chǎn)生的碳排放量計(jì)算公式[23]為:

式中:ψ為模型不確定性修正因子;f為垃圾處理場(chǎng)通過燃燒、點(diǎn)天燈或其他方式破壞的甲烷量占甲烷總產(chǎn)量的比例;OX為氧化因子;F為垃圾填埋氣中甲烷比例;DOCf為可降解有機(jī)碳分解指數(shù)(DOC);MCF為甲烷修正因子;Wx為第x年垃圾處理場(chǎng)填埋的垃圾量;wj為j類有機(jī)物在垃圾中的比例;DOCj為垃圾處理場(chǎng)中j類有機(jī)物可降解量;kj為j類有機(jī)物腐爛率;j為有機(jī)物種類;x為計(jì)算起始年;y為計(jì)算終止年。

垃圾替代化石燃料產(chǎn)生的碳減排量計(jì)算公式為:

ERwff=AE×EFe(12)

式中:AE為垃圾焚燒發(fā)電量;EFe為電網(wǎng)排放因子。

垃圾焚燒發(fā)電使用輔助化石燃料(本文以煤為例)產(chǎn)生的碳排放量計(jì)算公式為:

CEff=AF×EFcoal(13)

式中:AF為使用的輔助燃料量;EFcoal輔助燃料的排放因子。

1.3 數(shù)據(jù)來源

本文計(jì)算所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于福建省統(tǒng)計(jì)年鑒;計(jì)算參數(shù)來源于:①年鑒,如中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒;②網(wǎng)絡(luò)信息,如中國(guó)清潔發(fā)展機(jī)制網(wǎng)、UNFCCC網(wǎng)站;③文獻(xiàn)或方法學(xué)推薦值。表1-3為本文根據(jù)福建省實(shí)際情況選取的計(jì)算參數(shù)。

2 結(jié)果和討論

2.1 有機(jī)廢棄物資源量

2003-2008年福建省有機(jī)廢棄物年平均資源量3 875.56×104t,其中農(nóng)作物秸稈704.06×104t,禽畜糞便2 846.06×104t,城市生活垃圾325.45×104t。圖1顯示了2003-2008年福建省有機(jī)廢棄物資源量概況。從圖1可以看出,福建省有機(jī)廢棄物資源總量于2004年達(dá)到最大值4 367.79×104t,隨后逐年下降,2007年達(dá)到最小值后略有回升。三種有機(jī)廢棄物在總量中所占的比例不斷變化。

2003-2008年福建省農(nóng)作物秸稈資源量緩慢下降,這可能與播種面積逐年減少有關(guān)。稻谷是福建省作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的重要生產(chǎn)者,因而稻草產(chǎn)量在農(nóng)作物秸稈總量中占有極大比例73.74%(歷年平均);其次是薯類,約占秸稈總量的9.38%;油料作物秸稈、豆類秸稈、雜糧秸稈、煙葉、糖類作物秸稈及麥類的產(chǎn)量相對(duì)較少,分別約占總量5.82%,4.95%,3.12%,1.73%,1.17%,0.36%。

表1 農(nóng)作物秸稈碳減排潛力計(jì)算參數(shù)Tab.1 Calculation parameters for straw carbon mitigation potential

表2 禽畜糞便碳減排潛力計(jì)算參數(shù)Tab.2 Calculation parameters for livestock manure carbon mitigation potential

禽畜糞便的資源量在福建省有機(jī)廢棄物資源總量中所占比例最大,分別是農(nóng)作物秸稈、城市生活垃圾的4和8.7倍。豬和肉牛是福建省禽畜糞便的主要提供者,2003-2008年兩者糞便資源量之和在禽畜糞便資源總量中所占比例88.7%(歷年平均),說明兩種糞便是今后禽畜糞便污染防治以及資源化利用的重點(diǎn)。

表3 城市生活垃圾碳減排潛力計(jì)算參數(shù)Tab.3 Calculation parameters for municipal solid waste carbon mitigation potential

與農(nóng)作物秸稈和禽畜糞便相比,城市生活垃圾的資源量相對(duì)較小,但其隨著人們生活水平的提高逐年增加,因此也是有機(jī)廢棄物的重要組成部分。2003-2008年福建省城市生活垃圾清運(yùn)量325.45×104t(歷年平均),垃圾無害化處理率78.58%,衛(wèi)生填埋、焚燒和堆肥法處理的垃圾量在垃圾無害化處理總量中所占比例分別為70.4%,17.6%和4%[19]。

圖1 2003-2008年福建省有機(jī)廢棄物資源量Fig11 Amount of organic wastes in Fujian Province from 2003 to 2008

2.2 資源化利用的碳減排潛力

2003-2008年福建省有機(jī)廢棄物資源化利用的碳減排潛力年均140.18×104tCO2e,其中農(nóng)作物秸稈碳減排潛力51.43×104tCO2e,禽畜糞便碳減排潛力60.61×104tCO2e,城市生活垃圾碳減排潛力28.14×104tCO2e。圖2為2003-2008年福建省有機(jī)廢棄物資源化利用的碳減排潛力概況。從圖2可以看出,有機(jī)廢棄物碳減排潛力總量的變化趨勢(shì)與其資源總量的變化趨勢(shì)一致,但三種有機(jī)廢棄物在碳減排潛力總量中所占比例與在資源總量中所占比例相比有很大不同,主要是因?yàn)槿N有機(jī)廢棄物各自的特性(如含水率)以及資源化利用方式不同。

本文在計(jì)算農(nóng)作物秸稈資源化利用的碳減排潛力時(shí),僅考慮被露天焚燒的農(nóng)作物秸稈,查閱并對(duì)比相關(guān)文獻(xiàn)確定福建省農(nóng)作物秸稈露天焚燒的比例為31.9%[26-27]。這部分農(nóng)作物秸稈資源化利用的碳減排潛力年均51.43×104tCO2e,其中99%來自替代化石燃料產(chǎn)生的碳減排,1%來自避免露天焚燒產(chǎn)生的碳排放。

福建省禽畜養(yǎng)殖業(yè)中散戶養(yǎng)殖所占比例達(dá)90%以上[28],由于農(nóng)民對(duì)禽畜糞便資源認(rèn)識(shí)不足,大量禽畜糞便未加處理直接排放。本文在計(jì)算禽畜糞便資源化利用的碳減排潛力時(shí),僅考慮未加利用的禽畜糞便,參考上海市郊禽畜糞便污染物流失率30%-40%[29],取流失率40%。這部分禽畜糞便資源化利用的碳減排潛力年均60.61×104tCO2e,其中約95.5%來自避免糞便管理系統(tǒng)產(chǎn)生的碳排放,4.5%來自沼氣替代化石燃料產(chǎn)生的碳減排。

衛(wèi)生填埋法是福建省城市生活垃圾處理的主要方式,大多數(shù)垃圾填埋場(chǎng)在垃圾填埋時(shí)并未進(jìn)行填埋氣的收集利用,極大地浪費(fèi)了垃圾中潛在的能源。本文在計(jì)算城市生活垃圾資源化利用的碳減排潛力時(shí),僅考慮每年使用衛(wèi)生填埋法處理的垃圾,并且計(jì)算時(shí)假設(shè)每噸垃圾的發(fā)電量為300 kWh[30],輔助燃料(煤)與垃圾的比例為1∶5.41[31]。這部分城市生活垃圾資源化利用的碳減排潛力年均28.14×104tCO2e,其中55.9%來自替代化石燃料產(chǎn)生的碳減排,44.1%來自避免垃圾填埋產(chǎn)生的碳排放。

圖2 2003-2008年福建省有機(jī)廢棄物資源化利用的碳減排潛力Fig12 Carbon mitigation potential of organic wastes in Fujian Province from 2003 to 2008

3 結(jié)論與建議

福建省有機(jī)廢棄物資源豐富,資源總量年均3 875.56×104t,其中農(nóng)作物秸稈704.06×104t,禽畜糞便2 846.06×104t,城市生活垃圾325.45×104t;各種有機(jī)廢棄物可資源化利用的比例及方式不同,資源化利用的碳減排潛力總量為140.18×104tCO2e(歷年平均),禽畜糞便、農(nóng)作物秸稈及城市生活垃圾對(duì)碳減排潛力的貢獻(xiàn)率分別為43.23%、36.69%和20.07%。

禽畜糞便資源量大、分布范圍廣,難于收集,因此福建省今后應(yīng)加快規(guī)模化養(yǎng)殖的發(fā)展或建設(shè)戶用沼氣池以便于禽畜糞便的資源化利用;隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,農(nóng)村使用商品能源的比例逐漸增加,剩余農(nóng)作物秸稈的數(shù)量隨之增多,福建省今后應(yīng)避免露天焚燒農(nóng)作物秸稈并推廣秸稈綜合利用技術(shù)以實(shí)現(xiàn)秸稈資源回收和碳減排;隨著人們生活水平的提高,城市生活垃圾的數(shù)量隨之增加,同時(shí)隨著城市化進(jìn)程的加快,可用于填埋垃圾的土地越來越少,因此福建省今后應(yīng)加快垃圾處理從衛(wèi)生填埋向焚燒發(fā)電的轉(zhuǎn)化,以此節(jié)約土地資源并實(shí)現(xiàn)垃圾中的能源回收和碳減排。

由于方法學(xué)的適用性及數(shù)據(jù)可獲性等原因,本文只估算了有機(jī)廢棄物最終處置過程資源化利用的碳減排潛力,并且對(duì)于每種有機(jī)廢棄物只選取了一種資源化利用方式進(jìn)行估算。進(jìn)一步的研究工作可以針對(duì)每種有機(jī)廢棄物整個(gè)生命周期、不同資源化利用方式的碳減排潛力進(jìn)行估算。同時(shí),計(jì)算中所用參數(shù)均取自文獻(xiàn)或方法學(xué)推薦值,計(jì)算結(jié)果跟福建省實(shí)際情況可能有些差距,在今后工作中可以對(duì)農(nóng)作物草谷比等參數(shù)進(jìn)行研究、計(jì)算,并及時(shí)更新,以提高有機(jī)廢棄物資源量估算的精度,為其資源化利用和實(shí)現(xiàn)碳減排打下更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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Research on Carbon Mitigation Potential of Organic Waste Reutilization in Fujian Province

ZHAO Sheng2nan CUI Sheng2hui LIN Tao LI Xin2hu ZHANG Ya2jing
(Key Lab of Urban Environment and Health,Institute of Urban Environment,Chinese Academy of Sciences,Xiamen Fujian 361021,China)

Organic waste is a potential resource.Its reutilization can not only effectively reduce the environment pollution caused by itself,but also mitigate carbon emissions and cope with the climate change.In this paper,crop straw,livestock manure and MSW are selected as representativeorganic wastes;the amount of organic wastes in Fujian Province is estimated for the period from 2003 to 2008,using the methodology recommended by the Intergovernmental Panel on Climate Change and Clean Development Mechanism Executive Board as well as the relevant literature and statistical data.Based on this,the carbon mitigation potential is estimated for different organic waste reutilization.The results showed that there were annual average 3875.56×104t of organic waste resources in Fujian Province during 2003-2008,including 704.06×104t of crop straw,2846.06×104t of livestock manure,and 325.45×104t of MSW.The rational use of organic wastes can bring about carbon emission reduction effects.It was estimated that the potential of carbon emission reduction from the utilization of those organic wastes was about 140.18×104tCO2e,to which crop straw contributes 36.69%,livestock manure contributes 43.23%and MSW contributes 20.07%.T o facilitate the achievement of carbon mitigation potential by reutilizing organic wastes,Fujian Province should speed up the development of large2scale farming or construction of household biogas digesters,avoid open burning of crop straw stalks,promote comprehensive utilization technologies,and speed up the conversion of MSW diaposal from sanitary landfill to incineration power in the future.

organic waste;reutilization;carbon mitigation potential;Fujian Province

X22

A

1002-2104(2010)09-0030-06

10.3969/j.issn.1002-2104.2010.09.006

2010-03-29

趙勝男,博士生,主要研究方向?yàn)榈吞冀?jīng)濟(jì)與低碳城市。

崔勝輝,博士,副研究員,主要研究方向?yàn)槌鞘猩鷳B(tài)結(jié)構(gòu)-過程-功能、城市生態(tài)調(diào)控方法、數(shù)字城市。

3科技部國(guó)際合作項(xiàng)目(No.2009DFB90120),廈門市科技計(jì)劃項(xiàng)目(No.3502Z20081070)

(編輯:溫武軍)