厨余垃圾处理新技术相继出现并得到应用，其碳排放研究仍较为缺乏。为核算厨余垃圾处理的碳排放，本研究依据我国首个相关地方标准DB4403/T 468—2024厨余垃圾处理项目碳排放核算指南，对直接混合焚烧、三相分离协同焚烧、厌氧消化、喂养黑水虻、发酵产酸5种处理方式的典型项目进行碳排放分析，涵盖了3个范围和碳补偿部分。
结果表明，5个项目的净碳排放量（转化为CO2当量，以厨余垃圾计）由低到高依次为厌氧消化（-90.82kg/t）、发酵产酸（-81.04kg/t）、三相分离协同焚烧（-80.96kg/t）、喂养黑水虻（-41.78kg/t）、直接混合焚烧（-3.01kg/t）。范围一碳排放在0~52.43kg/t，主要源于厨余及废水、废渣处理的直接排放。范围二碳排放在19.32~67.17kg/t，主要源于厨余及废水处理的电耗。范围三碳排放在2.23~7.21kg/t，主要源于药剂消耗。碳补偿在-185.75~-81.08kg/t，源于输出电力（-123.75~-81.08kg/t）、生物柴油（-62.00kg/t）、生物碳源（-40.59kg/t）、有机肥料（-34.56kg/t）、饲料原料（-19.80kg/t）。可通过提高气体控制水平、优化能源结构、提高资源化产物产率等措施实现技术的低碳发展。
我国厨余垃圾产生量巨大，联合国环境署发布的报告显示2021年我国厨余垃圾产生量超过9.0×107t。近年来，我国各地深入推进生活垃圾分类工作，厨余垃圾分出量不断增加，资源化处理设施加快落地，北京市、上海市、深圳市2023年厨余垃圾资源化量分别为1.92×106、2.45×106、2.25×106t，其碳排放也成为关注热点。研究表明，全球8%~10%的碳排放源于被浪费的食物，其中末端处理环节占比为6%~14%，对其妥善处理和资源化利用可产生碳减排效益。 中国建筑节能协会建筑能耗与碳排放数据专委会、陈倩倩、陈思勤、Dong等、周玉龙等、郭含文等采用《IPCC国家温室气体排放清单指南》中的方法和参数计算了生活垃圾（含厨余垃圾）填埋的净碳排放强度（转化为CO2当量，以厨余垃圾计，下同），范围在430~1630kg/t，结果差异主要源于甲烷修正因子（MCF）和甲烷回收率（R）的取值不同。 何品晶等、王龙等、孙雨清等、张炳康等、郁倩倩采用生命周期评价（LCA）法、上游-操作-下游表格（UOD）法和《IPCC国家温室气体排放清单指南》中的方法和参数计算了生活垃圾（含厨余垃圾）焚烧的净碳排放强度，范围在105~456kg/t，排放主要源于塑料组分和辅助化石燃料的燃烧，减排主要源于焚烧发电。 郁倩倩、陈文昊等、陈海滨等、边潇等、李欢等采用排放因子法计算了厨余垃圾厌氧消化的净碳排放强度，范围在-127~-88kg/t，排放主要源于处理过程温室气体逸散、运行电耗，减排主要源于输出电能、热能、有机肥料、生物碳源等。 陈文昊等、边潇等、李欢等采用排放因子法计算了厨余垃圾好氧堆肥的净碳排放强度，范围在222~276kg/t，排放主要源于处理过程温室气体逸散、运行电耗，减排主要源于有机肥料。 杨帆、乔如陆等、陈文旭等、李丹等采用实测法研究厨余垃圾好氧堆肥过程的温室气体排放，范围在34~615kg/t，影响因素包括物料理化性质、工艺、添加剂等。Mertenat等、Zhang等采用LCA法研究喂养黑水虻的净碳排放强度，范围在-13~35kg/t。 Zhang等、Lee等、Gadkari等采用LCA法计算了厨余垃圾发酵产酸的净碳排放（转化为CO2当量，分别以厨余垃圾、干垃圾、琥珀酸计），结果分别为69、-2120、1300kg/t。 目前，针对填埋、焚烧、厌氧消化、好氧堆肥等技术的碳排放研究相对较多，但因边界不同、参数缺乏、环节遗漏等而存在结果差异。针对喂养黑水虻和发酵产酸的碳排放研究较少，有待补充。 随着厨余垃圾资源化体系的逐步构建，上下游产业链逐步形成。目前，排放因子法是各国家、地区碳排放报告和研究普遍采用的方法，其重点在于活动数据和排放因子的获取。为全面评估厨余垃圾处理系统的碳排放结果，学者常采用LCA法和UOD法等，核算直接排放、间接排放和产物减排。众多碳排放核算方法提供了国家、地区或组织的厨余垃圾处理的碳排放核算框架和部分参数缺省值，不能完全覆盖多种厨余垃圾处理技术的生命周期碳排放核算，已有碳排放研究结果差异较大。深圳市于2024年7月25日发布了我国首个有关厨余垃圾碳排放计算的地方标准DB4403/T 468—2024厨余垃圾处理项目碳排放核算指南，本研究依据该标准，以5种处理方式的典型项目为例，全面详细核算其生命周期碳排放（统一转换为CO2当量，以厨余垃圾计算），涵盖范围一、范围二、范围三、碳补偿4个部分，以期为厨余垃圾处理过程的碳排放提供数据参考，为厨余垃圾处理行业的技术比选和减排策略提供科学依据。 1. 核算边界 该标准采用排放因子法进行碳排放核算，量化计算CO2、CH4、N2O的温室效应，3种气体全球变暖潜势分别取1、27、273，生物源CO2不计入总排放。厨余垃圾处理企业很多时候不能覆盖全链条，因此该标准核算边界为厨余垃圾处理项目，包括厨余垃圾及“三废”（废水、废渣、废气）的处理、运输过程，如图1所示。净碳排放分为范围一、范围二、范围三和碳补偿。范围一，即边界内物质转化直接排放CO2、CH4、N2O导致的碳排放，如物料处理过程中生成并逸散的温室气体、燃料燃烧生成并逸散的温室气体等导致的碳排放；范围二，即边界内外购并消耗的能源隐含的碳排放，如外购电、热等生产导致的碳排放；范围三，即边界内外购并消耗的材料隐含的碳排放，如外购水、药剂等生产导致的碳排放等。碳补偿，即输出边界的能源化/资源化产物可替代市场上类似产品，其生产制造的碳排放被避免，这部分被避免的碳排放即碳补偿，如输出的热、电力、生物天然气、生物柴油、有机肥料、饲料原料、生物碳源等。
2. 核算公式
1）净碳排放，见式（1）。
式中：E为净碳排放，t；Ea为范围一的碳排放，t；Eb为范围二的碳排放，t；Ec为范围三的碳排放，t；Er为碳补偿，t。
2）排放源的碳排放。范围一、范围二、范围三的碳排放核算采用排放因子法，见式（2）。
式中：i为排放源编号；Ei为排放源i的碳排放，t；ADi为排放源i的活动数据，例如厨余垃圾处理量、外购并消耗的电量、某外购并消耗的药剂量等；EFi为排放源i的排放因子，例如某厨余垃圾处理过程的直接排放因子、电力排放因子、某药剂排放因子等；GWPi为排放源i排放气体对应的全球变暖潜势。
3）碳补偿。碳补偿的核算采用改进的排放因子法，见式（3）。
式中：j为输出的能源化/资源化产物编号；BCj为输出的能源化/资源化产物j的量，t；Φj为能源化/资源化产物j替代市场上相应产品的系数；EFj为被替代产品的碳排放因子，t/t。
在深圳市选取直接混合焚烧、三相分离协同焚烧、厌氧消化、喂养黑水虻、发酵产酸5个典型技术项目，各项目核算边界如图2所示。
1）直接混合焚烧。厨余垃圾在储坑暂存数天后，储料进入焚烧炉进行焚烧发电，渗滤液进行处理净化。设备运行电耗和发电减排是净碳排放的主要来源，排放量主要取决于设备水平和物料性质等。
2）三相分离协同焚烧。厨余垃圾经预处理和三相分离后，油脂用于制取生物柴油，固渣用于焚烧发电，污水处理达标后排放。设备运行电耗、油脂利用和发电减排是净碳排放的主要来源，排放量主要取决于设备水平和物料性质等。
3）厌氧消化。厨余垃圾经预处理和三相分离后，油脂用于制取生物柴油，浆液用于厌氧消化，污水处理达标后排放。设备运行电耗、油脂利用和沼气利用减排是净碳排放的主要来源，排放量主要取决于所用工艺、运行情况和物料性质等。
4）喂养黑水虻。厨余垃圾经预处理和三相分离后，油脂用于制取生物柴油，固渣用于喂养黑水虻，收获虫体可作为优良的高蛋白饲料、虫粪作为有机肥料，分离液用于发酵产酸或处理达标后排放。设备运行电耗、油脂利用、饲料和肥料的减排是净碳排放的主要来源，排放量主要取决于运行情况和物料性质等。
5）发酵产酸。厨余垃圾经预处理后，油脂用于制取生物柴油，分离液用于发酵产酸，酸化液作为生物碳源用于污水处理。设备运行电耗、油脂利用和生物碳源减排是净碳排放的主要来源，排放量主要取决于运行情况和物料性质等。
典型厨余垃圾处理项目碳排放计算参数如表1~表5所示（除表4范围三中废气处理药耗以水计外，其余活动数据均以厨余垃圾计，排放因子均转化为CO2当量）。参数主要来源于项目实际调研结果，缺少的用文献数据代替。运输距离碳排放主要取决于区域面积、项目选址和车辆能源类型，与技术本身无关，根据实地调研数据，设置同种运输车（载质量8.9t，纯电动车）运输相同距离（单程30km）。油脂提取制取生物柴油的碳补偿主要取决于厨余垃圾物料的含油率，与技术本身无关，根据项目运行情况，设置2%的生物柴油产率。
采用建立的碳排放核算方法学，输入项目运行参数，缺少的数据用文献调研结果替代，废水BOD取60000mg/L，TN取3000mg/L。计算的各项目净碳排放情况如图3所示。
图3 典型厨余垃圾处理技术项目的碳排放
可以看出各技术项目的净碳排放强度均为负值，说明本研究涉及的项目均具有碳减排效应。根据表1~表5数据，各项目的收运碳排放均为3.38kg/t；除直接混合焚烧项目外，其余项目的生物柴油碳减排均为62.00kg/t。
厌氧消化项目的净碳排放强度（-90.82kg/t）最低。范围一碳排放为52.43kg/t，主要源于厨余垃圾厌氧消化的CH4排放（27.00kg/t）和废水处理的N2O排放（17.68kg/t）。范围二碳排放为36.74kg/t，主要源于厨余垃圾及废水处理电耗（33.37kg/t）。范围三碳排放为5.76kg/t，主要源于废水处理药耗（2.58kg/t）和沼气利用药耗（2.50kg/t）。碳补偿为-185.75kg/t，主要源于沼气发电（-123.75kg/t）和生物柴油（-62.00kg/t）。相关研究人员计算的厨余垃圾厌氧消化净碳排放强度在-129.20~-88.20kg/t，与本研究结果较为一致。张栋计算的厌氧消化净碳排放为-35.80kg/t，高于本研究结果，分析原因是其并未考虑生物柴油的碳补偿。
发酵产酸的净碳排放强度（-81.04kg/t）处于次低水平。范围一碳排放为0，主要因为发酵过程被控制在产酸步骤，无气体产生，且无废水、废渣产生，相关的直接排放均被避免。范围二碳排放为19.32kg/t，主要源于厨余产酸电耗（15.95kg/t）。范围三碳排放为2.23kg/t，主要源于NaClO、NaOH等消耗。碳补偿为-102.59kg/t，主要源于生物碳源（-40.59kg/t）和生物柴油（-62.00kg/t）。Zhang等计算的深圳市厨余垃圾发酵产酸集中处理设施的碳足迹为-6.86kg/t，主要因为其较高的电耗（39kWh/t）、较低的生物柴油产率（0.014t/t）和较低的甲醇（生物碳源替代产品）排放因子（0.279kg/kg）。
三相分离协同焚烧项目的净碳排放强度（-80.96kg/t）接近于厌氧消化和发酵产酸，处于中间水平。范围一碳排放为23.59kg/t，主要源于厨余焚烧和废水处理的N2O排放（18.75kg/t）。范围二碳排放为67.17kg/t，主要源于焚烧厂（含焚烧和“三废”处理设施）的运行电耗（63.79kg/t）。范围三碳排放为7.21kg/t，主要源于熟石灰、NaOH、活性炭、水等消耗。碳补偿为-178.93kg/t，主要源于焚烧发电（-116.93kg/t）和生物柴油（-62.00kg/t）。Zhang等计算的厨余垃圾焚烧净碳排放为-11.02kg/t，与本研究结果一致。张栋计算的厨余垃圾干化焚烧净碳排放为46.90kg/t，其中焚烧发电的碳补偿为-133.40kg/t，但其并未考虑生物柴油的碳减排，故碳排放结果较高。
喂养黑水虻项目的碳排放强度（-41.78kg/t）高于厌氧消化、三相分离协同焚烧和发酵产酸项目，处于次高水平。范围一为37.66kg/t，主要源于废水处理N2O排放、废渣处理（处理工艺为好氧堆肥）的CH4、N2O排放。范围二碳排放为33.58kg/t，主要源于厨余垃圾及废水处理电耗（30.20kg/t）。范围三碳排放为3.34kg/t，主要源于废水和废气处理药耗（3.30kg/t）。碳补偿为-116.36kg/t，有机肥料、饲料原料和生物柴油分别为-34.56、-19.80、-62.00kg/t。Mertenat等研究得出喂养黑水虻净碳排放强度为34.59kg/t，高于本研究结果较多，因为其计算的碳补偿为-15.14kg/t，未考虑有机肥料和生物柴油的减排量。Zhang等计算的厨余垃圾喂养黑水虻碳足迹为-12.86kg/t，低于本研究较多，主要因为其较低的生物柴油产率（0.0015t/t）。张栋计算的黑水虻养殖净碳排放为-55.69kg/t，与本研究结果接近，其设施现代化程度高，计算的电耗碳排放（160.00kg/t）很高，相应的碳补偿（-274.10kg/t）很低。
直接混合焚烧的净碳排放强度为-3.01kg/t，处于最高水平。范围一碳排放为16.09kg/t，主要源于厨余焚烧和废水处理的N2O排放（13.96kg/t）。范围二碳排放为54.77kg/t，主要源于焚烧厂（含焚烧和“三废”处理设施）的运行电耗（51.40kg/t）。范围三碳排放为7.21kg/t，主要源于熟石灰、NaOH、水等消耗。碳补偿为-81.08kg/t，源于焚烧发电。与三相分离协同焚烧相比，厨余垃圾直接混合焚烧的碳排放很高，主要因为其未输出生物柴油且物料热值较低。
1. 范围一
范围一碳排放在各部分中处于最高或次高水平，占比在0~55%，是重要的排放源。焚烧的范围一碳排放主要源于焚烧炉的N2O排放，可通过提高焚烧炉的烟气排放控制技术和污染物浓度监测水平控制此项排放。厨余垃圾厌氧消化、喂养黑水虻及废水处理的CH4和N2O排放，可通过优化运行参数、完善设施的气体收集处理系统和提高污染物浓度监测水平来控制排放。由于反应条件和无废水产生，发酵产酸的范围一碳排放为0，但也应加强对温室气体产生的监测和控制。
2. 范围二
范围二碳排放在各部分中处于最高或次高水平，占比在39%~90%，是重要的排放源，其中绝大部分源于处理设施运行电耗，收运电耗（3.38kg/t）对碳排放贡献较小。对本研究所选的5种技术来说，处理电耗碳排放虽占比较大，但降低电耗的可行性不高，未来的处理设施将逐步实现自动化、信息化、智能化，较难将电耗控制在非常低的水平，可通过利用废热、绿电等降低此项排放，参与城市系统的能源优化配置。
3. 范围三
范围三碳排放在各部分中处于最低水平，占比在4%~10%，贡献较小。可通过精准运行控制、精确监测计量等提高资源利用效率和数据准确程度，实现企业的低碳化、集约化发展，为地方、行业碳排放数据库提供优质数据。
4. 碳补偿
碳补偿是减排的主要贡献者，主要源于替代性产品的输出，包括电力、生物柴油、有机肥料、饲料原料、生物碳源等。输出生物柴油的碳补偿可观，其为厨余垃圾的能源化利用方式，响应当前国家能源战略需求，可通过提高产率和降低能耗、药耗等进一步发挥减排潜力。对于焚烧处理，可通过完善压榨提油等预处理设施提高热产生效率和制取生物柴油以降低碳排放。此外，还可通过热电联产技术提高热利用效率，进一步降低碳排放。发酵产酸技术可将高浓度污染物废水转化为生物碳源利用，可将发酵产酸技术与厌氧消化技术、喂养黑水虻技术结合，将高浓度有机废水用于产酸，进一步降低碳排放。
5. 不确定性分析
对于三相分离协同焚烧、厌氧消化、喂养黑水虻技术，三相分离后的物质流分配，即固相、油相和水相的产率及理化指标，对结果影响很大。例如，不同产率、不同含水率的固相作为焚烧进料，其释放热值和发电量存在差异，处理不同TN含量的废水时，其释放的N2O存在差异。焚烧进料及热值的采样分析结果，受到居民饮食习惯、季节影响，相对偏高。废水TN含量采用项目实测数据，与已有研究结果相近。对于处理电耗的高低，设施完善度和现代化水平是决定性因素，本研究选取的直接混合焚烧、三相分离协同焚烧为较高水平，厌氧消化项目和喂养黑水虻为中间水平，发酵产酸项目为较低水平。处理药耗在净碳排放中占比和影响较小。对于资源化产物的碳补偿，产物的产率是关键影响因素，例如发电量、生物柴油、有机肥料、饲料原料等。生物柴油产率采用项目实测情况，略高于已有研究结果，有机肥料和饲料原料的产率略低于已有研究结果。
厨余垃圾处理技术项目的净碳排放强度从低到高为厌氧消化（-90.82kg/t）<发酵产酸（-81.04kg/t）<三相分离协同焚烧（-80.96kg/t）<喂养黑水虻（-41.78kg/t）<直接混合焚烧（-3.01kg/t）。不论采取何种技术，压榨提油处理可制取生物柴油、改善物料性质、提高资源利用率、降低项目碳排放。发酵产酸技术可利用高浓度有机废水制取生物碳源，将碳排放变为碳补偿，可将此技术与厌氧消化、喂养黑水虻等技术结合，用厨余处理的废水发酵制取生物碳源，进一步降低碳排放。项目可利用废热、绿电等降低范围二的碳排放，优化城市系统的能源配置。厨余垃圾处理行业碳排放核算的数据还相当缺乏，尤其是处理过程的直接排放因子、碳补偿产品的排放因子等，相关企业应加强数据采集、监测等工作，为城市“双碳”工作提供数据支撑。政府部门应持续推进生活垃圾分类工作，不断完善碳减排相关支持政策、制度。
来源丨环境卫生工程 作者丨刘荣杰、金红、肖丽祺、尹寒冰、张蕾
客服1