错失的温室气体减排机遇——被低估的生活垃圾填埋场甲烷排放量

工程（英文） ›› 2024, Vol. 36 ›› Issue (5) : 13 -17. DOI: 10.1016/j.eng.2023.12.011

观点述评

王曜 ^a ,
周传斌 ^b ,
楼紫阳 ^c ,
张后虎 ^d ,
Abid Hussain ^e ,
詹良通 ^f ,
殷柯 ^g ,
方明亮 ^h ,
费璕瑺 ^a

作者信息 +

^a. School of Civil and Environmental Engineering, Nanyang Technological University, Singapore 639798, Singapore

^b. State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China

^c. Department of Environmental Science and Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China

^d. Nanjing Institute of Environmental Sciences, Ministry of Ecology and Environment, Nanjing 210042, China

^e. Department of Civil and Environmental Engineering, Carleton University, Ottawa, ON K1S 5B6, Canada

^f. Ministry of Education (MOE) Key Laboratory of Soft Soils and Geoenvironmental Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China

^g. Department of Environmental Engineering, School of Biology and the Environment, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China

^h. Department of Environmental Science and Engineering, Fudan University, Shanghai 200433, China

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Underestimated Methane Emissions from Solid Waste Disposal Sites Reveal Missed Greenhouse Gas Mitigation Opportunities

Author information +

^a School of Civil and Environmental Engineering, Nanyang

² Technological University, Singapore 639798, Singapore

^b State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China

^c Department of Environmental Science and Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China

^d Nanjing Institute of Environmental Sciences, Ministry of Ecology and Environment, Nanjing 210042, China

^e Department of Civil and Environmental Engineering, Carleton University, Ottawa, ON K1S 5B6, Canada

^f Ministry of Education (MOE) Key Laboratory of Soft Soils and Geoenvironmental Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China

^g Department of Environmental Engineering, School of Biology and the Environment, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China

^h Department of Environmental Science and Engineering, Fudan University, Shanghai 200433, China

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王曜,周传斌,楼紫阳,张后虎,Abid Hussain,詹良通,殷柯,方明亮,费璕瑺. 错失的温室气体减排机遇——被低估的生活垃圾填埋场甲烷排放量[J]. 工程（英文）, 2024, 36(5): 13-17 DOI:10.1016/j.eng.2023.12.011

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1 引言

城市的人为温室气体排放量约占全球温室气体排放总量的70%，人为甲烷（CH₄）排放量约占全球CH₄排放总量的60% [1‒2]。生活垃圾填埋场（包括卫生填埋场和非正规的垃圾倾倒场）排放的CH₄来自城市生活垃圾的厌氧生物降解，在全球各城市中普遍存在。尤其是在一些特大城市中，填埋场排放的CH₄占城市总CH₄排放量的比例超过50% [3]。CH₄具有很高的全球增温潜势（GWP），其温室效应在100 年时间跨度上比二氧化碳（CO₂）强28倍，在20年时间跨度上比CO₂强80倍[4]。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）的最新报告强调，目前的温室气体减排政策及措施不足以在21世纪内将全球气温升幅控制在1.5 °C以内。因此，正确估算和降低填埋场的CH₄排放量就显得尤为重要[4]。在格拉斯哥举行的联合国气候变化大会（COP26）上，150多个国家签署了《全球甲烷承诺》，其目标是到2030年将全球CH₄年排放量较 2020 年减少30% [5]。

鉴于推进生活垃圾源头分类处理（以进行堆肥、焚烧、厌氧降解）的进展缓慢，在不久的将来，填埋仍将是主要的生活垃圾处理方法。全世界约有300 000~500 000个正在运行或关闭的填埋场，每年接收生活垃圾约1.5 × 10⁹ t，累计储存生活垃圾约1 × 10¹¹ t [6]。近年来，全球填埋场每年排放的CH₄可达30~50 Tg [2]。由于垃圾产生量随着城市化进程的加快、人口的增长和经济的发展不断激增，未来填埋场的排放量可能会呈现持续上升的趋势[6]。在本文中，我们着重强调了与填埋场CH₄排放相关的两个最关键问题。首先，排放量具有高度不确定性且往往被低估，这将导致减排策略产生偏差。其次，与其他排放水平相近、减排成本更高的排放源[7]——如化石燃料生产、畜牧业和交通运输 [8]——相比，填埋场减排在温室气体减排方案中受到的关注和优先程度都异常低。

2 填埋场被低估的CH₄排放量

建立精确的分场地、分城市的CH₄排放清单是降低填埋场CH₄排放的先决条件。然而，通过使用目前的地基技术（包括通量室法[9]和移动分析平台[10‒11]）进行自下而上的实地测量需要相当的经济和人力成本。目前，IPCC采用的主流估算方法是一阶衰减（FOD）模型，该模型已在《联合国气候变化框架公约》（UNFCCC）下的196个国家和地区得到广泛使用。FOD模型包含了两个关键的参数：垃圾衰变率（k，时间^‒1）和CH₄产生潜力（L ₀，单位质量生活垃圾产生的CH₄量），各填埋场根据现场条件从参数的默认值中进行选择以计算相应的年排放量。

虽然基于FOD模型的清单法排放量估算简单易用且已被广泛应用，但其准确性往往不足[12]。在其官方文档中，IPCC承认默认k值的不确定性范围在-40%~+300%之间[13]，并建议根据本地情况进行调整。即使使用相同的清单法进行估算，由不同机构估算的美国全国年排放量也相差约150% [14]。同样，多家研究机构报告了中国21世纪第一个十年和第二个十年的全国年排放量，其中最高和最低估算值相差170% [15‒20]。我们不必穷举不同国家清单法排放量估算的差异就足以得出结论：IPCC当前模型为了追求适用性而牺牲了其准确性。

实际上，传统的清单式自下而上的方法正面临着一种使用大气反演建模的自上而下的方法的挑战。这种新方法利用高分辨率卫星[21]和无人机[22]测量大气中的CH₄浓度，并反向计算特定场地的CH₄排放量，这有望为我们提供比清单法[23]更为准确及时的排放量估算。当前报告的大气反演结果已经揭示了清单法的估值（4个国家31个场地中的30个）存在不同程度的低估，其范围从+4%到+737%不等[3,24‒26]，如图1（a）所示。将图1（a）中低估百分比的10分位数（+17%）和90分位数（+377%）外推到全球填埋场，其结果显示在全球范围内被低估的排放量可能达到10~150 Tg∙a^-1。

前五大排放国的排放量约占所有被低估的排放总量的50% [图1（b）[27]]。作为生活垃圾产生的两个最主要国家，美国和中国也是填埋场CH₄排放量最大的两个国家。美国的填埋场通常具备良好的管理。针对填埋气排放，美国有一项名为Landfill Methane Outreach Program（LMOP）的综合报告机制。同时，美国环保署（EPA）也在改进清单法的弊端，并尝试与遥感技术进行结合[28]。2023年11月，中国生态环境部也首次系统性地提出了加强对垃圾填埋场CH₄排放的监测和管理[29]。值得注意的是，尽管印度是世界上人口最多的国家，但无论是在EDGAR数据库（印度排名第7位）[27]还是在EPA非二氧化碳温室气体数据库（印度排名第9位）[30]中，印度均不在前五大排放国之列。从印度的垃圾产生量仅次于美国和中国方面来看，这似乎有悖常理。一个潜在的原因是印度的城市生活垃圾中食品垃圾所占比例较高，因为此类垃圾的可降解有机碳含量较低（食品垃圾DOC = 0.15）。此外，由于印度的相当一部分垃圾不是集中填埋处理的，其没有被纳入填埋场排放量估算。未来我们还需要更多的原位测量数据和严格的评估来验证印度目前的排放量估算。

由于自下而上和自上而下的估算之间存在巨大差异，因此，我们有必要对IPCC的模型进行重新评估[31]，并在可能的情况下对其进行改进。首先，IPCC的模型参数需要改进，其推荐的k值和L ₀值需要进行本地化。事实证明，k值和L ₀值会随着具体地点的温度、降水、垃圾组分、场地设施、运营和垃圾管理政策变化而发生显著变化，其超出了IPCC建议的范围[32]。美国的研究人员建立了加利福尼亚州垃圾填埋场甲烷清单模型（CALMIM）[12]，这是一个尝试改进模型的范例。其次，IPCC模型的使用往往会因不准确、不完整或过时的场地信息而受阻。因此，为了对每个场地随时间变化的环境和运行状况进行记录，我们建议建立城市和国家级数据库，如LMOP数据库。第三，鉴于目前的技术可用性和经济条件限制，只有将自下而上和自上而下的方法结合起来才是可行的，而非仅仅侧重于其中一种方法。自下而上的方法可以根据自上而下的结果加以改进[33]，反之亦然。尽管新兴的卫星遥感技术为确定“超级排放源”[34]的排放量提供了高效的方法，但主流的地基测量[35‒36]也应得到加强并作为一项重要的参考。因此，未来的工作重点应放在建立一个自上而下与自下而上结合且协调的估算方法。

3 对减排策略的影响

被低估的CH₄排放量对决策者制定经济有效的策略以减少温室气体排放具有深远影响。对于发达国家（主要是经济合作与发展组织国家），传统观点认为，在减排成本低于约100美元∙t^-1 CO₂-eq（美元每吨CH₄排放量的CO₂当量，基于GWP）时，填埋场技术上可行的CH₄减排量是有限的[37]。这主要是由于假定发达国家的填埋场具备良好的设计和管理条件，约有50%的被视为“残余”的CH₄排放量很难消除。然而，一旦我们将被低估的CH₄排放量——其可能不是“残余”——考虑在内，这些场地的减排潜力就会显著增加。例如，某垃圾填埋场估计每年排放4 Gg的CH₄，其中有50%的“残余”排放量，现有更精确的测定结果显示其实际排放量为6 Gg。如果我们可以通过灵活的气体收集计划、改进的气体收集系统、有效的排放监测和日常基础设施维护等措施以低减排成本或净零减排成本将这被低估的2 Gg排放量消除，则技术上可行的减排潜力将从总排放量的50%增加至67%。在这种情况下，边际减排成本曲线将发生变化[图1（c）]，这表明我们可以在不增加边际成本的情况下提高CH₄减排量。

一般来说，发展中国家的填埋场基础设施欠佳，因此，与发达国家相比，其具有更高的减排潜力，即当前的减排量较低[图1（c）]。假定减排措施的效率保持不变，若将被低估的CH₄排放量纳入考虑，这会使发展中国家的边际减排成本曲线向右移动。曲线向右移动表明，在成本相同的情况下，我们可以减少比目前预期更多的CH₄排放量。因此，为了缩小当前排放量与减排目标之间的差距，存在各种经济和技术条件限制的发展中国家有理由提高填埋场减排的优先级，并将其作为一项经济有效的策略。填埋场采气并资源化利用的项目预期投资回收期一般在十年以内[38‒39]。发展中国家还需要考虑碳排放的整个生命周期。除了在填埋场范围内进行改进外，改进当地的垃圾管理措施，如引入垃圾分类和“无废城市”等策略，也可有效减少填埋场的温室气体排放量[40]。

在确定情况复杂的填埋场的CH₄减排措施时，我们应对技术可行性和经济效益做进一步考量。我们有必要根据填埋场的整个生命周期内可实现的累积CH₄减排量来推导出更为精确的边际减排成本曲线，并对可能使用的CH₄减排技术进行识别和分析[41]。此评估过程应由以下步骤组成：①计算减排技术的总成本和全生命周期减排潜力；②确定可能的减排技术组合和不兼容的组合；③对数据进行处理并对其标准化；④推导出相应的减排成本曲线。

至关重要的是，我们必须认识到填埋场是一个巨大的碳库，而CH₄排放只是碳转化和运输的一个途径。填埋场中的碳还存在于固相（固体垃圾）和液相（渗沥液），从长期来看，这两种状态还存在多种运输和转化途径[42]。例如，固体垃圾会（通过风、地表水、填埋场塌方、拾荒者和垃圾开采）泄露出场地并（通过燃烧、浸出、侵蚀和生物降解）发生转化；而渗沥液则会经历物理、化学和生物降解、泄露、泵出及后续处理[43]。我们有必要将关注的边界从垃圾-大气界面扩大到整个填埋场及其附近地区，从计算填埋场气体碳排放的概念逐步发展为对场地的总碳预算的管理。

4 结论

在本文中，我们呼吁对当前垃圾填埋场CH₄排放量估算方法进行重新评估和改进。我们建议根据具体填埋场信息更新广泛使用的IPCC模型中的排放参数，这需要结合卫星遥感和地面测量的结果来对不准确的排放量估算进行改进。其次，我们强调若将被低估的CH₄纳入考量，可能改变目前填埋场的温室气体边际减排成本，从而揭示了新的减排机遇。在发达国家，改进垃圾填埋场管理可以较低成本降低CH₄泄漏。在发展中国家，由于本身便具有很高的减排潜力和规模经济效益，优先减少填埋场的CH₄排放可有助于实现未来的减排目标。对于政策制定者和管理者，应采取因地制宜的具体措施来缓解与废弃物相关的温室气体排放。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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