生物与园林废弃物厌氧和好氧处理过程中的温室气体排放特征与减排策略研究

本研究针对德国生物与园林废弃物处理过程中温室气体排放问题，系统评估了不同处理工艺（好氧堆肥与厌氧消化）的排放特征。通过现场动态测量技术，量化了CH4、N2O和NH3等关键温室气体的排放因子，发现堆肥过程贡献了主要排放（平均占比66.4%），且消化料堆肥排放显著高于原生生物废弃物（p<0.05）。研究为优化废弃物处理工艺、降低碳排放提供了重要数据支撑，对实现循环经济与碳中和目标具有实践意义。

　　

随着循环经济理念的深入推进，生物废弃物和园林废弃物的资源化处理已成为欧洲废弃物管理体系的重点环节。根据欧盟《废弃物框架指令》（2008/98/EC）和德国《循环经济法》的要求，各成员国必须对生物废弃物进行单独收集，并通过好氧堆肥或厌氧消化等工艺实现高效处理与资源回收。据统计，2022年德国共有818座堆肥设施和286座厌氧消化（AD）厂处理了1410万吨绿色废弃物和生物废弃物。然而，这些处理过程却可能成为温室气体（GHG）的“隐形”排放源——当堆肥条件控制不当时，不仅会导致甲烷（CH₄）、氧化亚氮（N₂O）等直接温室气体的大量释放，还会通过氨（NH₃）的间接转化加剧气候变暖效应。

在这一背景下，德国生物质研究中心（DBFZ）的Julian Matlach等人开展了一项系统研究，旨在量化不同类型生物废弃物处理设施中的温室气体排放，并识别关键排放源与影响因素。该研究近期发表于环境管理领域权威期刊《Waste Management》。

为全面评估排放特征，研究团队在2019年6月至2022年10月期间，对德国的12座处理设施（包括7座堆肥厂和5座厌氧消化厂）开展了四次测量活动。研究采用开放动态隧道测量系统（Open Dynamic Tunnel）对堆体排放进行原位监测，并结合气相色谱（GC）、火焰离子化检测器（FID）和化学吸收法分别分析CH₄、N₂O和NH₃的浓度。此外，还使用红外气体成像仪（OGI）和激光甲烷检测仪识别设备泄漏点，并通过孔隙气体分析仪监测堆体内部O₂、CO₂和残余气体的分布。排放因子（EF）的计算基于IPCC第五次评估报告推荐的GWP100值（CH₄为28，N₂O为265，NH₃按间接排放系数2.65折算）。

3.1. 全厂排放特征分析

研究显示，12座处理设施的总排放因子差异极大，范围在22.9–574.0 kg CO₂-eq Mg^?1湿重（ww）之间。其中，封闭式堆肥厂P8因通风系统堵塞形成局部厌氧环境，排放高达574.0 kg CO₂-eq Mg^?1 ww；而采用半透膜覆盖（SPM）的开放堆肥系统P5排放最低，仅22.9 kg CO₂-eq Mg^?1 ww。厌氧消化厂的整体排放（245.6±71.5 kg CO₂-eq Mg^?1 ww）显著高于纯堆肥厂（158.0±206.2 kg CO₂-eq Mg^?1 ww），且其下游堆肥环节贡献了全厂55±28%的排放。

3.2. 堆肥过程排放规律

堆肥过程的排放贡献占主导地位，其中CH₄平均占比66.4%（71.2±14.5 kg CO₂-eq Mg^?1 ww），N₂O占31.6%（34.5±14.5 kg CO₂-eq Mg^?1 ww），NH₃仅占2.0%。值得注意的是，消化料堆肥的排放显著高于原生生物废弃物（p<0.05），而堆体高度、结构调整剂比例和翻堆频率等因素的影响并不显著（p>0.05）。低温季节的堆肥（如P9厂在7°C环境下）因水分滞留和氧气扩散受限，N₂O排放占比高达79.4%。

3.3. 废气处理系统排放

对六套废气处理系统的监测发现，生物过滤器（Biofilter）的排放差异显著：封闭式堆肥厂P8因前端堆肥不充分，导致生物过滤器排放占比高达64%；而其他厂的生物过滤器排放中位数仅为58.2 kg CO₂-eq Mg^?1 ww。采用酸洗涤塔（AS）或空气洗涤器（AW）预处理的系统能有效降低NH₃浓度，但对CH₄和N₂O的去除效果有限。

3.4. 其他排放源识别

研究还识别了多处扩散排放源，其中非气密性的消化料储存池（如P10厂）排放高达168.6 kg CO₂-eq Mg^?1 ww，占该厂总排放的81%。此外，发酵罐（Fermenter）密封点泄漏也导致了3.0–62.0 g CH₄ Mg^?1 ww的排放。

4. 讨论与结论

该研究首次通过多厂区、多阶段的现场实测数据，揭示了生物废弃物处理过程中温室气体排放的复杂性和不确定性。结果表明，堆肥过程的排放主导地位凸显了工艺优化的重要性——尤其是对厌氧消化厂的下游堆肥环节，需通过强化通风、水分控制和结构剂添加等手段抑制厌氧热点形成。此外，针对非气密储存设备和生物过滤系统的排放漏洞，建议采用覆盖膜密封和高效预处理技术。

从气候效益角度看，尽管厌氧消化厂因 biogas 能源回收具有一定的碳补偿效应，但其高排放特征仍不可忽视。研究建议在生命周期评估（LCA）中统筹考虑直接排放与能源替代效益，以客观评价不同处理路线的净气候影响。

总之，这项研究为废弃物处理行业的碳排放核算提供了扎实的数据基础，也为工艺优化和减排技术选择指明了方向。未来研究需结合长期监测和模型模拟，进一步揭示环境参数与微生物活动的互作机制，从而推动废弃物处理行业向低碳化、资源化深度转型。