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2021年9月13日，同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院何品晶教授，在2021(第九屆)上海固廢熱點(diǎn)論壇上以“固體廢物處理技術(shù)碳排放核算方法研究與思考”為題，介紹了碳排放核算方法，及其在固體廢物處理領(lǐng)域的應(yīng)用研究成果，并對固廢領(lǐng)域未來碳排放研究發(fā)展進(jìn)行前瞻。
同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師
固體廢物處理與資源化研究所所長 何品晶
2021年9月13日，同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院何品晶教授，在2021(第九屆)上海固廢熱點(diǎn)論壇上以“固體廢物處理技術(shù)碳排放核算方法研究與思考”為題，介紹了碳排放核算方法，及其在固體廢物處理領(lǐng)域的應(yīng)用研究成果，并對固廢領(lǐng)域未來碳排放研究發(fā)展進(jìn)行前瞻。
在9月13日的2021(第九屆)上海固廢熱點(diǎn)論壇上，何品晶以“固體廢物處理技術(shù)碳排放核算方法研究與思考”為題，與參會嘉賓一起探討當(dāng)下最“時髦”的話題之——碳排放，重點(diǎn)討論了碳排放核算方法相關(guān)內(nèi)容。
背景討論
何品晶認(rèn)為，討論碳達(dá)峰、碳中和的前提是需要知道到底有多少碳排放了，如何核算，這些問題是目前科研人員最關(guān)注的。關(guān)于碳排放，學(xué)術(shù)界目前已經(jīng)達(dá)成一些共識，認(rèn)為人類活動排放的二氧化碳是導(dǎo)致氣候變化、極端化的主要因素之一，同時人類活動排放的二氧化碳也是全球變暖的主因。國際層面就此開展了一些標(biāo)志性的工作，比如《京都議定書》、《巴黎氣候協(xié)定》等。在1997年，《京都議定書》就提出“碳減排是各國普遍但有區(qū)分的責(zé)任，發(fā)達(dá)國家應(yīng)承擔(dān)主要責(zé)任”，并提出了碳排放的額度可以進(jìn)行買賣的碳交易機(jī)制雛形。但是，到目前為止，《京都議定書》發(fā)揮的作用十分有限。因此，2015年開始有了《巴黎協(xié)定》，《巴黎協(xié)定》提出的目標(biāo)是“保證全球升溫小于2度，爭取達(dá)到1.5度。使全球碳排放盡快達(dá)峰”。
從國內(nèi)來看，眾所周知，2020年9月22號，習(xí)近平主席在第75屆聯(lián)合國大會提出“3060”的目標(biāo)。同年12月12號，在聯(lián)合國氣候雄心峰會又進(jìn)一步提出2030年不單要碳達(dá)峰，碳排放強(qiáng)度要較2005年下降65%，非化石能源占一次能源消費(fèi)比重將達(dá)到25%左右。十三屆全國人大四次會議提出，“十四五”期間單位GDP二氧化碳排放降低18%。今年3月15號，中央財(cái)經(jīng)委員會第九次會議指出，碳達(dá)峰、碳中和是一場廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)性變革。今年5月份，國家發(fā)改委提出了《投資專項(xiàng)管理辦法》，7月30號，中央政治局提出要以問題為導(dǎo)向，實(shí)事求是、尊重規(guī)律、循序漸進(jìn)、先立后破，穩(wěn)中求進(jìn)地采取相關(guān)措施。這些構(gòu)成了我國這一階段碳達(dá)峰、碳中和工作的背景。
碳排放核算方法
何品晶介紹，目前碳排放的核算方法主要有以下四種：
國家溫室氣體清單(IPCC)指南
首先，是政府間氣候變化專門委員會(IPCC)在2006年提出了國家溫室氣體清單指南，根據(jù)不同層次的數(shù)據(jù)來源，核算、評估某一個具體過程的碳排放。比如，針對垃圾填埋過程、垃圾焚燒過程，都提出了核算評估的層次選擇決策樹，核算程序相對清晰。
以填埋場的碳排放核算為例，有一些基本的共識。比如，主要的碳排放來源為甲烷(二氧化碳當(dāng)量25)，通過一階動力學(xué)模型計(jì)算可以核算生活垃圾填埋過程中形成的碳排放量。上述是具體的計(jì)算公式。何品晶強(qiáng)調(diào)，核算過程中的一些數(shù)據(jù)是非常個性化的，包括可降解有機(jī)碳含量、厭氧條件下可降解的有機(jī)碳含量等。若直接采用發(fā)達(dá)國家(如美國、歐盟等)的數(shù)據(jù)并不能準(zhǔn)確說明我國的實(shí)際情況。
另外，以垃圾焚燒碳排放核算為例，目前學(xué)術(shù)界的共識認(rèn)為，化石碳的燃燒氧化過程是垃圾焚燒廠碳排放的直接途徑。與垃圾填埋過程碳排放核算類似的是，核算過程中同樣存在大量個性化數(shù)據(jù)的使用，包括垃圾組分、干物質(zhì)含量、干物質(zhì)中的碳含量、總碳中的化石碳含量等。這些高度個性化的數(shù)據(jù)，在不同的國家，甚至同一國家的不同地區(qū)都是不一樣的，相應(yīng)的碳排放核算結(jié)果也會有較大差異。
同樣，在有機(jī)質(zhì)處理過程的碳排放核算中也存在個性化數(shù)據(jù)的需要。
清潔發(fā)展機(jī)制(CDM)
第二種核算方法是清潔發(fā)展機(jī)制。
CDM方法中的核心公式是：
碳排量=基準(zhǔn)排放-項(xiàng)目排放-泄露排放
詳細(xì)的計(jì)算過程和方法可參見圖中公式。它實(shí)際上可以認(rèn)為是IPCC指南方法的繼承與發(fā)展。
平衡法(BM)
第三種常見核算方法是平衡法，該方法是由奧地利Fellner團(tuán)隊(duì)開發(fā)建立的適合焚燒廠碳排放核算的方法，在歐洲一些國家的焚燒廠中有廣泛的應(yīng)用。平衡法中，將化石源組分對應(yīng)的碳排放視為直接的碳排放，主要通過聯(lián)立元素、質(zhì)量、能量等平衡方程組求解的方式進(jìn)行核算。具體的過程和方法可以參見上圖中的公式。
生命周期評價
第四種碳排放核算方法是基于生命周期評價的方法。該方法基于生命周期思考(Life Cycle Thinking, LCT)，過程包括“從搖籃到墳?zāi)?rdquo;，內(nèi)容涵蓋包括環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會三方面的影響;目的是減少資源消耗、削減污染排放、提高社會經(jīng)濟(jì)效益。
生命周期評價方法不僅可以核算固廢處理過程的碳排放情況，還能定量評價多種環(huán)境影響類別。以首個綜合性的生命周期影響評價(Life Cycle Impact Assessment, LCIA)模型ReCiPe為例，其中的影響類別不僅包含全球變暖潛勢(Global Warming Potential, GWP;與碳排放直接相關(guān)的指標(biāo))，還包含顆粒物排放、對流層臭氧生成、平流層臭氧層破壞和化石燃料耗竭等。
將上述四種核算方法進(jìn)行比較后可以發(fā)現(xiàn)，這些核算方法分別可以適應(yīng)不同的過程。一般來說，這些方法對于固體廢物處理的典型工藝過程都是比較適用的。但是，核算的工作量是有所區(qū)別的：有一些方法是比較簡單的，相應(yīng)的，它的過程、結(jié)果可能也有疑問，爭議比較多;有一些方法比較復(fù)雜，需要很多數(shù)據(jù)，需要模型，結(jié)果也更加符合實(shí)際?？傮w來看，全生命周期的方法需要所有環(huán)節(jié)的參數(shù)和可靠的數(shù)據(jù)庫支持。
固廢處理碳排放研究
何品晶介紹，近十年來何品晶帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在碳排放研究方面進(jìn)行了一些探索研究，這些研究針對不同的主題。比如，針對填埋場覆蓋土，研究了填埋場覆蓋土是否可對甲烷有氧化作用，并嘗試計(jì)算這一過程中溫室氣體排放的規(guī)律;再比如，針對垃圾焚燒過程，研究了垃圾組分對垃圾焚燒碳排放的影響等。
其中，2012年何品晶團(tuán)隊(duì)發(fā)表的一篇文章中，依據(jù)所收集的當(dāng)時中國6個城市垃圾焚燒廠的運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過生命周期的方法核算了各廠的碳排放情況。結(jié)果顯示，當(dāng)時我國的垃圾焚燒廠是碳源;而同一時期，歐洲發(fā)達(dá)國家的研究顯示垃圾焚燒廠是碳匯，得到了截然不同的結(jié)論。研究發(fā)現(xiàn)，垃圾的組分和發(fā)電的效率是造成當(dāng)時我國垃圾焚燒的碳排放和歐洲國家碳排放差異的主要關(guān)鍵因素。另外，根據(jù)情景分析結(jié)果，如果當(dāng)時入廠垃圾中的廚余垃圾減半，即含水率下降，可以明顯減少碳的排放。
2013年的一篇文章中，何品晶團(tuán)隊(duì)研究了填埋過程中的碳排放。文中設(shè)定了4個填埋場景，包括簡易填埋、衛(wèi)生填埋無填埋氣收集系統(tǒng)、衛(wèi)生填埋配備填埋氣收集系統(tǒng)且氣體用火炬焚燒處理、衛(wèi)生填埋配備填埋氣收集系統(tǒng)且氣體發(fā)電利用。研究結(jié)果顯示：對于中國來說，填埋氣主要源于易腐垃圾;且填埋氣如何處理、是否利用，對于碳排放的影響非常大。
次年，何品晶團(tuán)隊(duì)針對填埋場的建設(shè)和運(yùn)行過程的碳排放做了單獨(dú)的系統(tǒng)研究。研究內(nèi)容包括填埋場場地的準(zhǔn)備、填埋主體的建設(shè)過程，其他設(shè)施的建設(shè)以及運(yùn)行過程(不含滲濾液和填埋氣體處理)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，主體建設(shè)、其他設(shè)施建設(shè)和運(yùn)行過程當(dāng)中主要是碳源，主要貢獻(xiàn)來源是柴油和水泥的消耗。
上述幾篇研究論文證實(shí)垃圾成分對碳排放的影響非常大，因此，2018年何品晶團(tuán)隊(duì)和丹麥技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊(duì)在《Journal of Environmental Science》上發(fā)表了一篇封面文章，比較了我們國家的垃圾成分和歐洲國家的垃圾成分差異，初步建立了我國生活垃圾性質(zhì)數(shù)據(jù)集。
對于填埋過程來說，噸垃圾滲濾液產(chǎn)生量對填埋過程的碳排放影響較大，所以，團(tuán)隊(duì)也對全國各地(西北、北方和南方)填埋場的滲濾液產(chǎn)量建立了預(yù)測模型。
近年來，垃圾分類成為新時尚。從碳排放的角度看，垃圾分類對某一個特定的場景或者城市到底有沒有影響?這是一個很有趣也很重要的問題。因此，何品晶團(tuán)隊(duì)以上海市的垃圾分類為對象，設(shè)定不同的場景進(jìn)行碳排放分析。此次研究中用到的數(shù)據(jù)都是最新收集的，包括焚燒發(fā)電、衛(wèi)生填埋(現(xiàn)在獲得這些實(shí)際的運(yùn)行數(shù)據(jù)應(yīng)該說比十年前容易很多)。同時，我們也做了不確定性和敏感性的分析。
研究發(fā)現(xiàn)，垃圾分類可以大大減少碳排放。為什么會有這樣的結(jié)果呢?在上海，現(xiàn)在要求原生垃圾零填埋，前文研究中發(fā)現(xiàn)了填埋過程的碳排放非常強(qiáng)烈，因此，原生垃圾的零填埋是碳減排最大的驅(qū)動力。另外，針對垃圾分類后的焚燒過程進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，干垃圾中的塑料織物類成分比例提升，提高了垃圾熱值量，但同時化石碳含量也提升了，這兩個因素對碳排放起著相反的作用。然而，由于上海電力背景排放值較低，塑料織物類組分的比例提高對焚燒發(fā)電廠而言反而使得碳排放增加了。但是，對比前面的案例，焚燒發(fā)電的碳排放較2009年和2010年的碳排放值仍然呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。另外，研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在的計(jì)算場景設(shè)定沼渣未進(jìn)一步利用，若沼渣能夠土地利用，那么整個垃圾分類過程的碳排放將有望進(jìn)一步降低。
碳排放研究發(fā)展前瞻
這些研究結(jié)果給我們很多啟示，有一些問題值得進(jìn)一步討論。以生命周期評價為例，該方法在研究論文中廣泛使用，但這些方法也存在一系列問題。比如說，追溯上游可以是無限的、設(shè)定的系統(tǒng)邊界帶有研究者本身的主觀性、不同的廢物處理工藝或者廢物處理系統(tǒng)需要本土的數(shù)據(jù)，即前文中多次提到的個性化的數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)實(shí)際上是缺失的或者不成體系的。
另外還有很多問題，相對來說，生活垃圾研究比較多，但是除了生活垃圾之外，其他固體廢物碳排放的研究基礎(chǔ)很不足，這也是我們以后工作主要面臨的問題。
因此，我覺得今后的研究方向有以下幾個方面：
第一，需要統(tǒng)一向上追溯邊界，邊界需要統(tǒng)一。
第二，需要數(shù)據(jù)上嚴(yán)謹(jǐn)、客觀的系統(tǒng)邊界，需要建立客觀、嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)的系統(tǒng)邊界設(shè)定方法。
第三，需要數(shù)據(jù)，需要系統(tǒng)化的固廢處理過程本土數(shù)據(jù)，需要形成能夠支撐碳排放核算評估的中國特色的地方數(shù)據(jù)。
第四，需要擴(kuò)大研究對象至危險(xiǎn)廢物、工業(yè)固廢、建筑垃圾等，需要提升這些對象的方法適應(yīng)性。
第五，豐富應(yīng)用場景，這些都需要數(shù)據(jù)支撐。
從我們上述初步的研究探索發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上減量化和資源化是實(shí)現(xiàn)碳減排的根本途徑。固廢管理有“三化”，是一個倒置的三角形，這個順序和強(qiáng)調(diào)邏輯與碳減排實(shí)際是完全一致的。同時，低碳不等于低污染，污染控制指標(biāo)和碳排放指標(biāo)應(yīng)該同樣引起重視。
原標(biāo)題：何品晶：固體廢物處理技術(shù)碳排放核算方法研究與思考
