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(duì)固廢領(lǐng)域未來(lái)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(zhǎng)

何品晶

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(huì)嘉賓一起探討當(dāng)下最“時(shí)髦”的話(huà)題之一--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(wèn)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(shí)，認(rèn)為人類(lèi)活動(dòng)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(shí)人類(lèi)活動(dòng)排放的二氧化碳也是全球變暖的主因。國(guó)際層面就此開(kāi)展了一些標(biāo)志性的工作，比如《京都議定書(shū)》、《巴黎氣候協(xié)定》等。在1997年，《京都議定書(shū)》就提出“碳減排是各國(guó)普遍但有區(qū)分的責(zé)任，發(fā)達(dá)國(guó)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(mǎi)賣(mài)的碳交易機(jī)制雛形。但是，到目前為止，《京都議定書(shū)》發(fā)揮的作用十分有限。因此，2015年開(kāi)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(zhēng)取達(dá)到1.5度。使全球碳排放盡快達(dá)峰”。

從國(guó)內(nèi)來(lái)看，眾所周知，2020年9月22號(hào)，習(xí)近平主席在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)提出“3060”的目標(biāo)。同年12月12號(hào)，在聯(lián)合國(guó)氣候雄心峰會(huì)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(guó)人大四次會(huì)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(hào)，中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議指出，碳達(dá)峰、碳中和是一場(chǎng)廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)性變革。今年5月份，國(guó)家發(fā)改委提出了《投資專(zhuān)項(xiàng)管理辦法》，7月30號(hào)，中央政治局提出要以問(wèn)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(guó)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(guó)家溫室氣體清單(IPCC)指南

首先，是政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)(IPCC)在2006年提出了國(guó)家溫室氣體清單指南，根據(jù)不同層次的數(shù)據(jù)來(lái)源，核算、評(píng)估某一個(gè)具體過(guò)程的碳排放。比如，針對(duì)垃圾填埋過(guò)程、垃圾焚燒過(guò)程，都提出了核算評(píng)估的層次選擇決策樹(shù)，核算程序相對(duì)清晰。

以填埋場(chǎng)的碳排放核算為例，有一些基本的共識(shí)。比如，主要的碳排放來(lái)源為甲烷(二氧化碳當(dāng)量25)，通過(guò)一階動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算可以核算生活垃圾填埋過(guò)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(guò)程中的一些數(shù)據(jù)是非常個(gè)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(guó)家(如美國(guó)、歐盟等)的數(shù)據(jù)并不能準(zhǔn)確說(shuō)明我國(guó)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(shí)認(rèn)為，化石碳的燃燒氧化過(guò)程是垃圾焚燒廠(chǎng)碳排放的直接途徑。與垃圾填埋過(guò)程碳排放核算類(lèi)似的是，核算過(guò)程中同樣存在大量個(gè)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(gè)性化的數(shù)據(jù)，在不同的國(guó)家，甚至同一國(guó)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(huì)有較大差異。

同樣，在有機(jī)質(zhì)處理過(guò)程的碳排放核算中也存在個(gè)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(guò)程和方法可參見(jiàn)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(jiàn)核算方法是平衡法，該方法是由奧地利Fellner團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)建立的適合焚燒廠(chǎng)碳排放核算的方法，在歐洲一些國(guó)家的焚燒廠(chǎng)中有廣泛的應(yīng)用。平衡法中，將化石源組分對(duì)應(yīng)的碳排放視為直接的碳排放，主要通過(guò)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(guò)程和方法可以參見(jiàn)上圖中的公式。

生命周期評(píng)價(jià)

第四種碳排放核算方法是基于生命周期評(píng)價(jià)的方法。該方法基于生命周期思考(Life Cycle Thinking, LCT)，過(guò)程包括“從搖籃到墳?zāi)埂保瑑?nèi)容涵蓋包括環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)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(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

生命周期評(píng)價(jià)方法不僅可以核算固廢處理過(guò)程的碳排放情況，還能定量評(píng)價(jià)多種環(huán)境影響類(lèi)別。以首個(gè)綜合性的生命周期影響評(píng)價(jià)(Life Cycle Impact Assessment, LCIA)模型ReCiPe為例，其中的影響類(lèi)別不僅包含全球變暖潛勢(shì)(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(duì)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(guò)程。一般來(lái)說(shuō)，這些方法對(duì)于固體廢物處理的典型工藝過(guò)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(jiǎn)單的，相應(yīng)的，它的過(guò)程、結(jié)果可能也有疑問(wèn)，爭(zhēng)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(lái)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(kù)支持。

固廢處理碳排放研究

何品晶介紹，近十年來(lái)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(duì)不同的主題。比如，針對(duì)填埋場(chǎng)覆蓋土，研究了填埋場(chǎng)覆蓋土是否可對(duì)甲烷有氧化作用，并嘗試計(jì)算這一過(guò)程中溫室氣體排放的規(guī)律;再比如，針對(duì)垃圾焚燒過(guò)程，研究了垃圾組分對(duì)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(shí)中國(guó)6個(gè)城市垃圾焚燒廠(chǎng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)生命周期的方法核算了各廠(chǎng)的碳排放情況。結(jié)果顯示，當(dāng)時(shí)我國(guó)的垃圾焚燒廠(chǎng)是碳源;而同一時(shí)期，歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家的研究顯示垃圾焚燒廠(chǎng)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(shí)我國(guó)垃圾焚燒的碳排放和歐洲國(guó)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(shí)入廠(chǎng)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(guò)程中的碳排放。文中設(shè)定了4個(gè)填埋場(chǎng)景，包括簡(jiǎn)易填埋、衛(wèi)生填埋無(wú)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(duì)于中國(guó)來(lái)說(shuō)，填埋氣主要源于易腐垃圾;且填埋氣如何處理、是否利用，對(duì)于碳排放的影響非常大。

次年，何品晶團(tuán)隊(duì)針對(duì)填埋場(chǎng)的建設(shè)和運(yùn)行過(guò)程的碳排放做了單獨(dú)的系統(tǒng)研究。研究?jī)?nèi)容包括填埋場(chǎng)場(chǎng)地的準(zhǔn)備、填埋主體的建設(shè)過(guò)程，其他設(shè)施的建設(shè)以及運(yùn)行過(guò)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(guò)程當(dāng)中主要是碳源，主要貢獻(xiàn)來(lái)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(duì)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(guó)家的垃圾成分和歐洲國(guó)家的垃圾成分差異，初步建立了我國(guó)生活垃圾性質(zhì)數(shù)據(jù)集。

對(duì)于填埋過(guò)程來(lái)說(shuō)，噸垃圾滲濾液產(chǎn)生量對(duì)填埋過(guò)程的碳排放影響較大，所以，團(tuán)隊(duì)也對(duì)全國(guó)各地(西北、北方和南方)填埋場(chǎng)的滲濾液產(chǎn)量建立了預(yù)測(cè)模型。

近年來(lái)，垃圾分類(lèi)成為新時(shí)尚。從碳排放的角度看，垃圾分類(lèi)對(duì)某一個(gè)特定的場(chǎng)景或者城市到底有沒(méi)有影響?這是一個(gè)很有趣也很重要的問(wèn)題。因此，何品晶團(tuán)隊(duì)以上海市的垃圾分類(lèi)為對(duì)象，設(shè)定不同的場(chǎng)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(shuō)比十年前容易很多)。同時(shí)，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(lèi)可以大大減少碳排放。為什么會(huì)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(guò)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(dòng)力。另外，針對(duì)垃圾分類(lèi)后的焚燒過(guò)程進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，干垃圾中的塑料織物類(lèi)成分比例提升，提高了垃圾熱值量，但同時(shí)化石碳含量也提升了，這兩個(gè)因素對(duì)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(lèi)組分的比例提高對(duì)焚燒發(fā)電廠(chǎng)而言反而使得碳排放增加了。但是，對(duì)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(shì)。另外，研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在的計(jì)算場(chǎng)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(gè)垃圾分類(lèi)過(guò)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(wèn)題值得進(jìn)一步討論。以生命周期評(píng)價(jià)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(wèn)題。比如說(shuō)，追溯上游可以是無(wú)限的、設(shè)定的系統(tǒng)邊界帶有研究者本身的主觀(guān)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(gè)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(wèn)題，相對(duì)來(lái)說(shuō)，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(wèn)題。

因此，我覺(jué)得今后的研究方向有以下幾個(gè)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(guān)的系統(tǒng)邊界，需要建立客觀(guān)、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(guò)程本土數(shù)據(jù)，需要形成能夠支撐碳排放核算評(píng)估的中國(guó)特色的地方數(shù)據(jù)。

第四，需要擴(kuò)大研究對(duì)象至危險(xiǎn)廢物、工業(yè)固廢、建筑垃圾等，需要提升這些對(duì)象的方法適應(yīng)性。

第五，豐富應(yīng)用場(chǎng)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(gè)倒置的三角形，這個(gè)順序和強(qiáng)調(diào)邏輯與碳減排實(shí)際是完全一致的。同時(shí)，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。

編輯：陳偉浩