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Science Advances:垃圾填埋场甲烷减排协同效益

时间:2018-08-10 10:15     作者:admin      点击:

   生态环境部环境规划院气候与环境政策研究中心联合清华大学、中国环境科学研究院、上海交通大学、上海污染控制与生态安全研究院和美国Worcester Polytechnic Institute,在垃圾填埋场甲烷排放和环境健康影响领域开展了近6年研究工作,最终成果《中国垃圾填埋场甲烷减排潜力和环境健康协同效益研究》发表在Science Advances期刊上(2018年第4卷,第7期)。

   垃圾填埋场是中国重要的甲烷人为排放源,而其恶臭气体的环境影响则是公众关注的焦点。中国生活垃圾总体呈现含水率高(40%~60%)、易降解有机物含量大(50%~70%)等特征,在厌氧填埋过程中,将产生大量甲烷,并伴随恶臭气体排放。文章采用了“自下而上”的研究方法,全面分析垃圾填埋场甲烷减排潜力及不同减排情景下的受恶臭影响人口。结论认为:中国垃圾填埋场实施低碳情景可减排 54%的甲烷,同时可使近1000万人免受填埋场恶臭影响,温室气体减排与环境健康协同效益显著。

 

图 1  中国垃圾填埋场CH4减排潜力及环境健康协同效益研究技术路线

注:BAU——基准情景;NP——新政策情景;LC——低碳情景

 

   研究基于2012年垃圾填埋场的数据,以2012年为垃圾填埋场现状年,设定3种2030年垃圾填埋场CH4的排放情景:(1)基准情景(business as usual,BAU)。指中央或地方政府以及每一个填埋场根据2012年实施的政策和技术运行。通过设定这个基准情景,可以获知2030年在无任何政策增加情况下中国填埋场的CH4排放情况。(2)新政策情景(new policies scenario,NP)。指在2012年已规划的垃圾填埋场相关政策和技术进步与发展的作用下,比如实施的减少原生垃圾的直接填埋率的设定,增加渗滤液的处理率和严格排放标准等,2030年中国填埋场的CH4排放情况。(3)低碳情景(low carbon scenario,LC)。指在政策积极推动下,减排收益(碳价格)足够高,达到IPCC设定的实现全球温室气体浓度在本世纪末控制在430~480 ppm(实现控制2 ℃升温的条件)目标所需要的碳价格(取IPCC各种模型模拟情景的中值89美元(2010年价格)/t CO2左右,以CH4的增温潜势为21计算,相当于CH4价格达到1869美元/t CH4,12503人民币/t CH4(以美元兑人民币6.69计))(IPCC,2014)所能产生的市场激励作用,同时结合中国更加严格的标准和法规,2030年中国填埋场的CH4排放情景。(图1)

图 2  中国各省典型大型垃圾填埋场

 

   将2012年的垃圾填埋场作为已有垃圾填埋场(1955个填埋场的原始数据),其数据作为本次研究的基础数据,包括地理位置行政归属、具体地址、年填埋量以及管理水平,大型垃圾填埋场在中国各省都有分布,图2显示了各省典型大型垃圾填埋场。

图 3   垃圾填埋场关键减排技术减排成本曲线

 

   文章对垃圾填埋场甲烷减排关键技术进行了甄别并确定了9种关键减排技术。CH4减排技术是指对填埋产生的CH4和恶臭进行捕捉和氧化去除的一系列技术,既包括对填埋气的直接捕集氧化去除,也包括通过源头的有机物分流处理和替代填埋方法等来降低有机垃圾的直接填埋量。减排技术的成本、效益和减排潜力的综合评估,是减排技术推广和应用的基础性工作和关键环节,也是全球和区域制定减排计划和排放分配的重要技术支撑,更是城市、部门选择不同低碳发展战略和路线图的重要依据和参考。

   基于全国垃圾填埋场基础数据,采用“自下而上”的方法,针对中国每个垃圾填埋场逐一评估减排技术的适用性。利用环境基础统计表进行统计分析,掌握不同技术的应用情况,通过多次专家研讨和评估,结合典型垃圾填埋场调研,最终确定9种关键减排技术(EPA,2013;蔡博峰等,2015)。通过以下步骤建立了CH4产生全过程减排成本曲线:(1)计算出所有技术的总成本和减排潜力,确定各种技术组合的兼容性。(2)处理和标准化数据。(3)绘制减排成本曲线。所收集的数据包括每一个填埋场和场景下的数据,包括现有减排技术和未来可应用的减排技术。(图3)

图 4  2012年和2030年已有和新增垃圾填埋场的CH4排放分布情况

 

   在上述研究基础上,研究人员对比分析了中国2012年和2030年的甲烷排放水平,建立了中国2012年和2030年3种情景下的CH4排放空间格局。京津冀、长三角、珠三角这些发达地区,由于城市化的进程较为成熟,生活垃圾排放量相对较大且集中,是填埋场CH4排放较集中的区域,且很大一部分来源于Ⅰ类填埋场,其他地区的CH4则多来自于Ⅱ类和Ⅲ类填埋场,其中西南、华中、西北地区尤为显著。

图 5  中国2012年和2030年3种情景下不同区域的垃圾填埋场CH4排放统计分析

注:华东(EC)、东北(NE)、西北(NW)、华北(NC)、华中(MC)、西南(SW)、华南(SC);图中锥形的宽度代表垃圾填埋场CH4排放的概率密度分布,中间为箱线图,箱子的上下横线表示样本的25%和75%的分位数;箱子中间的粗横线表示样本的中位数;括号中的数值表示该类型垃圾填埋场的个数。

 

   通过对2012年和2030年3种情景下的不同区域的CH4排放量进行统计分析(图5),可以看出各地区填埋场中释放的CH4数量分布范围非常广。2012年,约45.88%的CH4排放来自于Ⅰ类填埋场,而Ⅱ类和Ⅲ类填埋场分别贡献了25.77%和28.35%。7个区域内,除西北地区外,CH4排放量的中位值大约在100 t左右。东北地区有75%的填埋场年排放量大于100 t,其平均值最高,达到594 t。华中和华北地区填埋场的CH4产量较为平均,大多在100~1000 t范围内。华南和华东地区的CH4排放量最高,个别填埋场的CH4排放量超过10000 t。西南和西北地区的填埋场CH4排放量则最为分散,主要是因为填埋场的规模差异引发。

   2030年基准情景下,华东、华中、华南和东北地区的一些填埋场其CH4排放量超过10000 t,而西南地区填埋场排放量最低。与2012年的基准对比,东北、西北和华南地区的填埋场CH4排放量,其统计的中位数更高,主要是因为这些地区新建的垃圾填埋场和垃圾填埋量较多。在一些欠发达地区,例如西北和西南地区,填埋场的CH4排放量也有所上升,主要在于这些地区的垃圾主要以填埋方式进行处理,再加上随着经济和消费结构的改变,直接导致固体废弃物产量急剧升高。在华中地区,大多数填埋场的CH4年排放量超过1000 t,而华东地区,年排放量在100~1000 t的填埋场数量有所减少。填埋场规模和CH4排放模式受经济水平影响最为显著。2030年的LC情景下,CH4排放量的中位数较基准情景有显著下降,其中下降幅度最明显的是东北、华东和西北地区。其他四个区的最大值较2012年也均有所下降,但中位数相差不多。中等规模的填埋场CH4减排效果最为显著

图 6 中国2012年和2030年3种情景下的垃圾填埋场恶臭影响人口数

 

   恶臭影响人口数是表征垃圾填埋场恶臭环境影响的核心指标之一。根据GIS空间数据计算出各地区人口密度和填埋场地点,借助于人口空间分布和各填埋场的恶臭排放计算分析出受恶臭影响人口数(图6)。结果显示:2012年,垃圾填埋场恶臭人口为1228万。2030年基准情景下,受恶臭影响人口将达到1555万,新政策情景下,受恶臭影响人口为957万,低碳情景下,受恶臭影响人口降至557万。因此,大幅度减排CH4,其环境健康协同效益非常显著,受恶臭影响人口相比2012年现状下降了多半(671万),相对2030年的基准情景下降了64.18%,使得998万人免于受垃圾填埋场恶臭的影响。

   文章链接:http://advances.sciencemag.org/content/4/7/eaar8400