赵胜男 崔胜辉 吝 涛 李新虎 张雅京

(中国科学院城市环境研究所 城市环境与健康重点实验室,福建厦门361021)

福建省有机废弃物资源化利用碳减排潜力研究3

赵胜男 崔胜辉 吝 涛 李新虎 张雅京

(中国科学院城市环境研究所 城市环境与健康重点实验室,福建厦门361021)

有机废弃物是一种潜在的资源,其资源化利用不但能解决自身对环境的污染问题,而且对减少碳排放、应对气候变化也发挥着重要作用。本文选取农作物秸秆、禽畜粪便和城市生活垃圾等作为典型的有机废弃物,使用IPCC及CDM EB推荐方法学,结合文献及统计数据,估算了2003-2008年福建省有机废弃物资源量,并在此基础上针对不同有机废弃物资源化利用方式估算其碳减排潜力。结果表明:2003-2008年福建省有机废弃物资源量年平均3 875.56×104t,其中农作物秸秆704.06×104t,禽畜粪便2 846.06×104t,城市生活垃圾325.45×104t;有机废弃物资源化利用的碳减排潜力年平均140.18×104tCO2e,其中农作物秸秆贡献36.69%,禽畜粪便贡献43.23%,城市生活垃圾贡献20.07%。为便于有机废弃物资源化利用碳减排潜力的实现,福建省在今后的工作中,应加快发展规模化养殖或建设户用沼气池;避免露天焚烧农作物秸秆并推广秸秆综合利用技术;加快垃圾处理从卫生填埋向焚烧发电的转化。

有机废弃物;资源化利用;碳减排潜力;福建省

气候变化是当前国际社会普遍关注的热点问题,遏制全球变暖、削减碳排放量,已经成为21世纪世界各国的共识[1-3]。有机废弃物在堆放或处理过程中排放大量的温室气体,是一种不可忽略的温室气体排放源。资源化利用有机废弃物既能回收其潜在的能源又可避免产生温室气体[4-6]。而明确有机废弃物资源量及其资源化利用的碳减排潜力是合理利用有机废弃物实现碳减排的基础。目前国内外学者对有机废弃物的研究主要侧重于资源量、资源化利用途径和潜力、碳排放量的研究,如谭祖琴等[7]概算了新疆农村有机废弃物资源量,夏朝凤[8-9]等探讨了城市固体垃圾及农作物秸秆的能源潜力,Luo等[10]估算了河北省生物质碳排放量等;而对有机废弃物资源化利用的碳减排潜力研究较少。福建省近年来不断加大节能减排工作力度,但其主要针对工业、企业的节能减排,对以资源化利用有机废弃物的方式实现碳减排关注较少。本文选取农作物秸秆、禽畜粪便、城市生活垃圾等作为典型的有机废弃物,使用政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)及清洁发展机制执行理事会(Clean Development Mechanism Executive Board,CDM EB)推荐方法学,结合相关文献和统计数据,估算了福建省有机废弃物资源量,并对其资源化利用的碳减排潜力进行研究,希望能够为福建省资源化利用有机废弃物实现碳减排相关政策与管理措施的制定提供科学依据,同时能够推动我国有机废弃物资源化利用和碳减排相关研究的开展。

1 研究方法和数据来源

1.1 有机废弃物资源量估算模型

1.1.1 农作物秸秆资源量

农作物秸秆是世界上最为丰富的物质之一,是粮食作物和经济作物生产中的副产物,其中含有丰富的氮、磷、钾微量元素等成分,是一种可供开发与综合利用的资源。农作物秸秆资源量一般根据农作物产量和相应的草谷比进行估算[11-13],计算公式为:

式中:AS为农作物秸秆资源量;AP为农作物年产量;i为秸秆种类;SPR为农作物的草谷比,本文搜集整理相关文献,结合实际情况从中选取适合福建省农作物秸秆的草谷比参数[14-15]。

1.1.2 禽畜粪便资源量

禽畜粪便的资源量取决于禽畜种类、日均排泄量以及

式中:AM为禽畜粪便的资源量;i为禽畜种类;RQ为禽畜饲养量;FP为饲养期;DE为禽畜日均排泄量,我国目前尚没有相应的国家标准,本文参照王方浩等[16]人的研究确定各种禽畜粪便的日均排泄量。

1.1.3 城市生活垃圾资源量

城市生活垃圾清运量可从福建省统计年鉴获得[19]。目前,福建省尚无有关全省城市生活垃圾组成成分的官方数据,本文计算时所用的城市生活垃圾组成成分为参考杜吴鹏等人的研究结果[20],并假设2003-2008年福建省城市生活垃圾的组成成分稳定。

1.2 有机废弃物资源化利用碳减排潜力估算模型

1.2.1 农作物秸秆碳减排潜力

我国农作物秸秆的利用方式主要有用作饲料、肥料、燃料、工业原料以及露天焚烧等,其中露天焚烧既浪费秸秆资源,又排放大量的温室气体。如果将这部分秸秆使用气化技术资源化利用,不但能回收秸秆中潜在的能源,同时还具有可观的碳减排潜力。农作物秸秆气化利用产生的碳减排来源于:①避免秸秆露天焚烧产生的碳排放量;②气化后所得燃气替代化石燃料产生的碳减排量;计算公式为:

式中:CMPs为秸秆资源化利用的碳减排潜力;CEsb为避免秸秆露天焚烧产生的碳排放量;ERsg为气化后所得燃气替代化石燃料产生的碳减排量。

秸秆露天焚烧产生的碳排放量根据秸秆露天焚烧比例及排放因子确定[21],计算公式为:

式中:EFMsb为秸秆露天焚烧CH4排放因子;EFNsb为秸秆露天焚烧N2O排放因子;Rsb为秸秆露天焚烧率;GWPCH4和 GWPN2O分别为CH4和N2O的全球增温潜势值。

气化后所得燃气替代化石燃料(本文仅以液化石油气为例)用于供热时产生的碳减排量的计算公式为:饲养期[16-18],计算公式为:

式中:P为秸秆气化产气率;CVg为秸秆气化所得燃气的热值;ηg为燃气热效率;ηl为液化石油气热效率;EFl为液化石油气的碳排放因子;Ro为液化石油气的氧化率;44/12为C和CO2的转换系数。

1.2.2 禽畜粪便碳减排潜力

禽畜粪便中含有大量的有机物和水,是沼气发酵的理想原料,通过这种方式产生的碳减排来源于:1)避免粪便管理系统产生的碳排放量;2)沼气替代化石燃料产生的碳减排量;计算公式为:

式中:CMPm为禽畜粪便资源化利用的碳减排潜力;CEMm为避免粪便管理系统产生的CH4量;CENm为避免粪便管理系统产生的N2O量;ERmf为沼气替代化石燃料产生的碳减排量。

粪便管理系统排放的CH4计算公式为[22]:

式中:EFMmm为粪便管理系统的CH4排放因子。

粪便管理系统排放的N2O计算公式为[22]:

式中:EFNmm为粪便管理系统的N2O排放因子;DN为禽畜日均排氮量;GW为禽畜平均体重;44/28为N2O与N的转换系数。

沼气替代化石燃料(本文以液化石油气为例)产生的碳减排量的计算公式为:

式中:CVm为沼气热值;ηm为沼气热效率。

1.2.3 城市生活垃圾碳减排潜力

我国城市生活垃圾的处理方式主要有堆肥、填埋以及焚烧等。随着人们对垃圾资源化利用的重视,垃圾焚烧发电成为了城市垃圾处理的主要趋势。垃圾焚烧发电不但可以避免填埋处理过程中排放的温室气体;而且还可以替代部份化石燃料发电,从而相应地减少碳排放,具有双重的减排效果。垃圾焚烧发电的碳减排潜力计算公式为:

式中:CMPw为垃圾焚烧发电的碳减排潜力;CEwl为垃圾填埋产生碳排放量;ERwff为替代化石燃料产生的碳减排量;CEff为垃圾焚烧发电时使用辅助化石燃料产生的碳排放量。

垃圾填埋过程产生的碳排放量计算公式[23]为:

式中:ψ为模型不确定性修正因子;f为垃圾处理场通过燃烧、点天灯或其他方式破坏的甲烷量占甲烷总产量的比例;OX为氧化因子;F为垃圾填埋气中甲烷比例;DOCf为可降解有机碳分解指数(DOC);MCF为甲烷修正因子;Wx为第x年垃圾处理场填埋的垃圾量;wj为j类有机物在垃圾中的比例;DOCj为垃圾处理场中j类有机物可降解量;kj为j类有机物腐烂率;j为有机物种类;x为计算起始年;y为计算终止年。

垃圾替代化石燃料产生的碳减排量计算公式为:

ERwff=AE×EFe(12)

式中:AE为垃圾焚烧发电量;EFe为电网排放因子。

垃圾焚烧发电使用辅助化石燃料(本文以煤为例)产生的碳排放量计算公式为:

CEff=AF×EFcoal(13)

式中:AF为使用的辅助燃料量;EFcoal辅助燃料的排放因子。

1.3 数据来源

本文计算所需基础数据来源于福建省统计年鉴;计算参数来源于:①年鉴,如中国能源统计年鉴;②网络信息,如中国清洁发展机制网、UNFCCC网站;③文献或方法学推荐值。表1-3为本文根据福建省实际情况选取的计算参数。

2 结果和讨论

2.1 有机废弃物资源量

2003-2008年福建省有机废弃物年平均资源量3 875.56×104t,其中农作物秸秆704.06×104t,禽畜粪便2 846.06×104t,城市生活垃圾325.45×104t。图1显示了2003-2008年福建省有机废弃物资源量概况。从图1可以看出,福建省有机废弃物资源总量于2004年达到最大值4 367.79×104t,随后逐年下降,2007年达到最小值后略有回升。三种有机废弃物在总量中所占的比例不断变化。

2003-2008年福建省农作物秸秆资源量缓慢下降,这可能与播种面积逐年减少有关。稻谷是福建省作物经济产量的重要生产者,因而稻草产量在农作物秸秆总量中占有极大比例73.74%(历年平均);其次是薯类,约占秸秆总量的9.38%;油料作物秸秆、豆类秸秆、杂粮秸秆、烟叶、糖类作物秸秆及麦类的产量相对较少,分别约占总量5.82%,4.95%,3.12%,1.73%,1.17%,0.36%。

表1 农作物秸秆碳减排潜力计算参数Tab.1 Calculation parameters for straw carbon mitigation potential

表2 禽畜粪便碳减排潜力计算参数Tab.2 Calculation parameters for livestock manure carbon mitigation potential

禽畜粪便的资源量在福建省有机废弃物资源总量中所占比例最大,分别是农作物秸秆、城市生活垃圾的4和8.7倍。猪和肉牛是福建省禽畜粪便的主要提供者,2003-2008年两者粪便资源量之和在禽畜粪便资源总量中所占比例88.7%(历年平均),说明两种粪便是今后禽畜粪便污染防治以及资源化利用的重点。

表3 城市生活垃圾碳减排潜力计算参数Tab.3 Calculation parameters for municipal solid waste carbon mitigation potential

与农作物秸秆和禽畜粪便相比,城市生活垃圾的资源量相对较小,但其随着人们生活水平的提高逐年增加,因此也是有机废弃物的重要组成部分。2003-2008年福建省城市生活垃圾清运量325.45×104t(历年平均),垃圾无害化处理率78.58%,卫生填埋、焚烧和堆肥法处理的垃圾量在垃圾无害化处理总量中所占比例分别为70.4%,17.6%和4%[19]。

图1 2003-2008年福建省有机废弃物资源量Fig11 Amount of organic wastes in Fujian Province from 2003 to 2008

2.2 资源化利用的碳减排潜力

2003-2008年福建省有机废弃物资源化利用的碳减排潜力年均140.18×104tCO2e,其中农作物秸秆碳减排潜力51.43×104tCO2e,禽畜粪便碳减排潜力60.61×104tCO2e,城市生活垃圾碳减排潜力28.14×104tCO2e。图2为2003-2008年福建省有机废弃物资源化利用的碳减排潜力概况。从图2可以看出,有机废弃物碳减排潜力总量的变化趋势与其资源总量的变化趋势一致,但三种有机废弃物在碳减排潜力总量中所占比例与在资源总量中所占比例相比有很大不同,主要是因为三种有机废弃物各自的特性(如含水率)以及资源化利用方式不同。

本文在计算农作物秸秆资源化利用的碳减排潜力时,仅考虑被露天焚烧的农作物秸秆,查阅并对比相关文献确定福建省农作物秸秆露天焚烧的比例为31.9%[26-27]。这部分农作物秸秆资源化利用的碳减排潜力年均51.43×104tCO2e,其中99%来自替代化石燃料产生的碳减排,1%来自避免露天焚烧产生的碳排放。

福建省禽畜养殖业中散户养殖所占比例达90%以上[28],由于农民对禽畜粪便资源认识不足,大量禽畜粪便未加处理直接排放。本文在计算禽畜粪便资源化利用的碳减排潜力时,仅考虑未加利用的禽畜粪便,参考上海市郊禽畜粪便污染物流失率30%-40%[29],取流失率40%。这部分禽畜粪便资源化利用的碳减排潜力年均60.61×104tCO2e,其中约95.5%来自避免粪便管理系统产生的碳排放,4.5%来自沼气替代化石燃料产生的碳减排。

卫生填埋法是福建省城市生活垃圾处理的主要方式,大多数垃圾填埋场在垃圾填埋时并未进行填埋气的收集利用,极大地浪费了垃圾中潜在的能源。本文在计算城市生活垃圾资源化利用的碳减排潜力时,仅考虑每年使用卫生填埋法处理的垃圾,并且计算时假设每吨垃圾的发电量为300 kWh[30],辅助燃料(煤)与垃圾的比例为1∶5.41[31]。这部分城市生活垃圾资源化利用的碳减排潜力年均28.14×104tCO2e,其中55.9%来自替代化石燃料产生的碳减排,44.1%来自避免垃圾填埋产生的碳排放。

图2 2003-2008年福建省有机废弃物资源化利用的碳减排潜力Fig12 Carbon mitigation potential of organic wastes in Fujian Province from 2003 to 2008

3 结论与建议

福建省有机废弃物资源丰富,资源总量年均3 875.56×104t,其中农作物秸秆704.06×104t,禽畜粪便2 846.06×104t,城市生活垃圾325.45×104t;各种有机废弃物可资源化利用的比例及方式不同,资源化利用的碳减排潜力总量为140.18×104tCO2e(历年平均),禽畜粪便、农作物秸秆及城市生活垃圾对碳减排潜力的贡献率分别为43.23%、36.69%和20.07%。

禽畜粪便资源量大、分布范围广,难于收集,因此福建省今后应加快规模化养殖的发展或建设户用沼气池以便于禽畜粪便的资源化利用;随着经济的发展,农村使用商品能源的比例逐渐增加,剩余农作物秸秆的数量随之增多,福建省今后应避免露天焚烧农作物秸秆并推广秸秆综合利用技术以实现秸秆资源回收和碳减排;随着人们生活水平的提高,城市生活垃圾的数量随之增加,同时随着城市化进程的加快,可用于填埋垃圾的土地越来越少,因此福建省今后应加快垃圾处理从卫生填埋向焚烧发电的转化,以此节约土地资源并实现垃圾中的能源回收和碳减排。

由于方法学的适用性及数据可获性等原因,本文只估算了有机废弃物最终处置过程资源化利用的碳减排潜力,并且对于每种有机废弃物只选取了一种资源化利用方式进行估算。进一步的研究工作可以针对每种有机废弃物整个生命周期、不同资源化利用方式的碳减排潜力进行估算。同时,计算中所用参数均取自文献或方法学推荐值,计算结果跟福建省实际情况可能有些差距,在今后工作中可以对农作物草谷比等参数进行研究、计算,并及时更新,以提高有机废弃物资源量估算的精度,为其资源化利用和实现碳减排打下更坚实的基础。

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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

赵胜男,博士生,主要研究方向为低碳经济与低碳城市。

崔胜辉,博士,副研究员,主要研究方向为城市生态结构-过程-功能、城市生态调控方法、数字城市。

3科技部国际合作项目(No.2009DFB90120),厦门市科技计划项目(No.3502Z20081070)

(编辑:温武军)