（环境科学专业论文）天津市垃圾填埋场甲烷气电联产的环境价值及采用清洁发展机制（cdm）的潜力研究.pdf

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1 0 % 的 速度增加，这些城市生活垃圾是重要的城市污染源，对 城市环境和人群健康造成严重的影响。目 前，中国约有 2 / 3的城市陷入垃圾围 城的困境，这些城市垃圾绝大部分是露天堆放，它不仅影响城市景观，同时污 染了大气、水和土壤， 对城镇居民的健康构成威胁，垃圾已成为城市发展中的 棘手问题。由 于受 经济水平的制约，我国在2 0 世纪8 0 年代才开始建设真正意 义上的垃圾卫生填埋场， 而相关设施的建立起步更晚. 但是经过几十年的努力， 到目前为止，我国的城市垃圾处理已经取得了一定的成果。 1 9 9 8 年我国城市 垃圾清运量约 1 . 1 x 1 0 8 吨， 清运率达7 8 .6 %，但无害化处 理率很低， 只 有5 % 左 右。 到2 0 0 2 年， 全国 城市生活垃 圾年清运量约为1 .4 x 1 0 8 吨，建立各类垃圾 处 理 场 ( 厂) 6 6 0 座， 全年生活垃 圾无害化处理量约为7 8 4 0 万 吨，简易处理约3 0 9 8 万吨，无害化处理率( 统计数据) 为5 8 .2 %，但由 于已建垃 圾处理场大多没有按建设程序设计或建设达不到标准要求，据专家估算，我国 垃圾真正达到无害化处理的比例尚不足2 0 %。 到2 0 0 4 年， 我国年清运的生活垃 圾量己达1 5 5 0 9 .3 万吨。 表1 .3 是我国2 0 0 3 年和2 0 0 4 年的城市生活垃圾处理情 况 。 表1 .3 2 0 0 3 及2 0 0 4 年 全国 城市 垃圾 清 运 及处 理 情况 4 13 年份 2 佣 3 2 0 0 4 生活垃圾清运量无害化处理厂数i无害化处理能力 i 无害化处理2 坡埋处理t 1 4 8 5 6 . 5 1 5 5 0 9 . 3 5 7 5 座2 1 9 6 0 7吨i 日i 7 5 4 4 .7万吨i 6 4 0 4 .0万吨 5 5 9座2 3 8 5 1 9吨护 日i 8 0 8 8 .7万吨i 6 8 8 8 . 9万吨 由表1 .2 和表1 .3 可以看到， 我国的生活垃圾清运量逐年增加， 无害化处理 量也随之增加。2 0 0 3 年的无害化处理率为5 0 . 8 %，填埋处理占无害化处理量的 8 4 . 8 %;到了2 0 0 4 年，在部分省市精简了无害化处理厂数目的前提下，无害化 处理能力反而有所提升，无害化处理率达到了 5 2 .2 %,填埋处理占无害化处理 第一章我国城市垃圾现状及处理方法 量的8 5 .2 %a 第二节我国城市垃圾处理处1方法 目 前国内的城市垃圾处理手段大概有以下几种: 1 .2 . 1 填埋 垃圾填埋是国内城市垃圾处理的最主要的方式， 以2 0 0 4 年的卫生填埋量计 算， 占国内 城市垃圾无害化处理方式的8 5 . 1 6 %。 垃圾填埋又分为( 1 ) 厌氧性填埋 ( 2 ) 每日 覆土的 厌氧性卫生填埋( 3 ) 底部设渗滤液集排水管的改良 性卫生填埋( 4 ) 设有通气、 集排水装置的半好氧性填埋( 5 ) 强制通入空气的好氧性填埋。目 前国 内主要以 ( 3 ) ( 4 ) 的填埋方式为主。 填埋处理方式的优势在于成本相对较低，适用范围广，无二次污染，有明 显的环保效果，处理比较彻底。目 前国家也将填埋法定为垃圾处理的首选推广 方法。 填埋法的缺点则在于:占用土地量太大;渗滤液处理难而且费用高;垃圾 填埋场产生大量的垃圾填埋气体， 包括初期大量的c 仇和产气阶段的大量c 场, 这些都是重要的温室气体，除杭州、广州和深圳已在利用填埋场气体发电外， 国内其余填埋场都将填埋气体在燃烧后排放或直接排放，对大气造成污染;封 场后维护监管周期长，费用高，而且限制了填埋场土地的复用。 1 . 2 .2 堆肥 堆肥技术是利用微生物活动将富含有机质的城市垃圾经过分解，形成性质 稳定的， 无毒害作用的堆肥产品的技术。占全国垃圾无害化处理量的9 .0 2 %. 此种方法的优势在于，将城市垃圾资源化，变废为宝。但是堆肥方法同样 需要占 用土地， 而且处理量较小， 垃圾的堆放降解过程产生大量的c 0 2和c h 4 等温室气体，同时，对堆肥产品的毒性作用很难加以控制。 1 .2 . 3 焚烧 第一章我国城市垃圾现状及处理方法 第三节我国垃圾处理存在的问题 由于垃圾污染己 成为制约城市发展的重要因素之一。 因此， 消除垃圾污染， 为城市可持续发展扫清障碍，是当前一项迫在眉睫的任务。但是我国在城市垃 圾的处理方面，仍然存在很多问题。 ( 1 ) 未能在源头 上实 现垃圾的减量化 我国城市垃圾产生量连年剧增以未能在源头上实现垃圾的减量化有极大关 系。近年来，我国商品包装物的种类和数量增加很快，垃圾中的废纸、废塑料 中很大一部分是使用后废弃的包装物，包装物约占 城市生活垃圾的2 0 %以上， 其体积超过5 0 %以 上。 社会上大量使用一次性拖鞋， 一次性水杯， 一次性牙刷， 一次性相机，这些一次性物品在给人们带来方便的同时，多消耗了资源，增加 了垃圾的产生量。 ( 2 ) 垃圾混合收 集， 增大了 后续处理的 难度 我国 城市垃圾目 前仍以混合收集为主，采用容器定点收集，收集后运至中 转站，再转运至处理场。许多可利用的物资和有毒有害物一起混入垃圾中，加 大了垃圾中废品的回收难度，使得垃圾具有高有机物含量、高水分、低热值、 成分复杂等特点，造成焚烧处理热值低，堆肥处理产品质量差，填埋处理污染 大等问题。 我国的垃圾分类收集运输和处理尚未形成合理的系统。我国曾在一些城市 推行垃圾分类收集的 试点工作， 例如北京的垃圾源头分类收集工作早在1 9 %年 就已开始， 主要街道设置了分类垃圾箱， 但是由于分类收运和处理系统未配套， 使得分类收集系统最终流于形式。 ( 3 ) 废品回收量少 我国 城市垃圾中 可回收废品的含量随着人民生活水平的提高也不断增加， 但是我国原有的国 有废旧物资回收利用系统己难以适应形势发展的需要，回收 网点不断减少，回收量逐年下降。目 前，产生的废品主要由个体收购者进行有 价回收。从事废品回收的部门比较侧重于回收废纸、废旧金属等利润较高物资 的回收，而对利润较低的玻璃和废电池等的回收则不感兴趣。由于废品收购价 格越来越低，许多市民 对卖废品己不再热心，在有些经济发达地区人们甚至已 经开始丢弃大家电。而且从事废品回收的企业少，技术落后，回收垃圾再利用 难以找到出路，使分类收集缺乏市场动力。 第一章我国 城市垃圾现状及处理方法 ( 4 ) 垃圾处理技术水平低，很多引进的 技术不适合国 情 我国 城市垃圾的处理还处于起步阶段，只有少数城市建有完全符合标准的 卫生填埋场，其余的大多数是简易填埋场和未能完全符合标准的填埋场，这些 填埋场由 于建设标准低，缺乏污控措施，有些成为了二次污染源，对周围 环境 造成威胁。 此外， 垃圾堆肥厂与焚烧厂所处理的垃圾量少尚不到垃圾总处理量的1 0 %, 而且也存在着技术水平低的问题。目 前我国已建成的堆肥场将近3 0 座， 但大部 分技术落后，简易高温堆肥技术仍占 有一定的比例。现阶段我国垃圾仍然以混 合收集为主，由于存在大量不可降解的成分，因此增加了堆肥成本，降低了肥 料质量。 近些年来，我国垃圾的焚烧规模有一定量的增加，但设备和技术尚比 较落 后。我国目 前很多小规模的垃圾焚烧厂采用的焚烧设备大多是国产设备，在运 行的可靠性，焚烧温度控制，自动化程度等与国外水平相比有一定差距。近些 年我国新建的垃圾焚烧场引进了许多国外先进设备，但这些先进设备在国内使 用时往往出现水土不服的情况，花了很多钱购买的设备不适应我国国情，不能 发挥其本身的作用。 国外的垃圾堆肥技术是根据本国垃圾灰分少， 水分含量低， 采用分类收集等特点而研制的，但是这些设备难以适应我国垃圾热值低，含水 量高的特点， 燃烧不完全。 深圳市政环卫综合处理厂在 1 9 8 5 年引进日 本三菱的 焚烧设备，就遇到了垃圾难以燃烧的情况，需要向焚烧炉内喷入燃油助然，才 能使垃圾燃烧，运行费用偏高。 第三章垃圾填埋气体的产生、 特点及减排措施 第三章垃圾填埋气体的产生、特点及减排措施 第一节垃圾填埋气的产生 垃圾填埋后，由于微生物的活动，垃圾中的可降解有机成份被逐渐分解， 这一过程可大致分为五个阶段: 水解/ 好氧降解阶段: 在垃圾填埋的初期， 好氧微生物起主导作用， 好氧微 生物将垃圾堆体中的氧和部分有机物转化为简单的碳水化合物、c 0 2 和水，并 放出热量。 放出的热量可以使垃圾堆体的温度达到7 0 - 9 0 0c， 但通常由于垃圾堆 体中没有足够的氧气，垃圾堆体的温度要低于这一数值。这一阶段的主要产物 是c 0 2 和h 2 o ，由 于c 0 2 易溶于水而生成碳酸， 因 此这一阶段的渗滤液呈弱酸 性。 水解/ 发酵阶段:随着氧的消耗，垃圾堆体转变为厌氧环境，厌氧微生物起 主导作用。 碳水化合物、蛋白 质、脂肪水解为糖，并进一步分解为c 0 2 , 玩、 氨和有机酸。在这一阶段，垃圾堆体的温度降为3 0 - 5 0 0c 。该阶段主要的气体 产物为c 0 2 和线，其浓度组成可达到8 0 %的c 0 2 和2 0 %的珑。 酸化阶段: 在厌氧条件下， 水解产生的有机酸在微生物作用下转化为乙酸及 其衍生物、 c 0 2 和场。 c 0 2 ,珑和碳水化合物在微生物作用下可直接转化为乙 酸，因 此， 这一阶段中， c 0 2 和h 2 的 含量开始下降， 较低的h 2 水平将有利于 甲 烷菌的 生 长。由 于有 机酸的大量产生， 该阶 段渗滤液的 p h 值可达4 甚至更 低，且其中溶解了 大量的金属离子。 产甲烷阶段:这一阶段是填埋气产生的主要阶段，持续时间最长，可达数 十年甚至上百年。 有机酸及其衍生物在甲 烷菌的作用下， 转化为c h 4 和c 0 2 - 典型的填埋气组成为6 0 %的c h 4 和4 0 % 的c 0 2 。 在这一阶段有两种甲 烷菌非常 活跃，一种是中温甲 烷菌，其活跃的适宜温度为3 0 -3 5 ，另一种为嗜热 甲 烷菌， 其活跃的适宜温度为4 5 65 。因此，在30 一6 5 的温度范 围内， 均可产生填埋气。随着有机酸的不断转变为c h 4 和c o 2 , p h 值上升到 7 8 。另外，玩和c 0 2 在微生物作用下亦可直接转化为c h 4 和玩o 。因此， 在这一阶段h 2 的浓度降到很低的水平。 第三章垃圾填埋气体的产生、特点及减排措施 氧化阶段:随着垃圾堆体内 各种有机酸在产生甲烷和c o z 的过程被耗尽， 垃圾降解进入氧化阶段，新的好氧微生物取代厌氧微生物并建立起好氧环境， 好氧微生 物将残余的c 场氧化为c o z 和h 2 0 - 表3 . 1 列出了一般情况下，填埋垃圾分解产生的填埋气体的典型组成. 表3 . 1 城市垃圾填埋场垃圾填埋气体的典型组成门 成分体积百分比 ( 干基) 甲烷 4 5 - 6 0 二氧化碳 4 0 - 6 0 氮气 2 - 5 氧气 0 . 1 - 1 . 0 硫化氢 0 - 1 . 0 氨气 0 . 1 - 1 . 0 氢气 0 - 0 . 2 一氧化碳 0 - 0 . 2 痕量气体 0 . 0 0 1 - 0 . 0 0 6 第二节 垃圾填埋气的特点 填埋气是一种温室气体，其中的主要成分 c 场和 c 0 2 能导致温室效应， 特 别c 1 1 4 气体， 它的温室效应是c o z 的2 1 倍。 垃圾填埋气对于全球变暖所做的贡 献为 3 % 0 ) ， 仅次于稻田的贡献。 因此垃圾填埋气直接排放到大气中， 会严重加 剧温室效应，加速全球气温的升高，进而改变气候，加速沙漠化进程，引起生 态系统分配的改变等等全球性的环境问题。 填埋气是爆炸性的气体。当空气中的c h a 浓度在5 % - -1 5 % 时， 有爆炸的可能 第三章垃圾填埋气体的产生、特点及减排措施 性。甲 烷比空气轻， 它的密度约为空气的0 . 5 5 倍， 在填埋场中会向上运动， 并 在不渗透的封闭空间积聚， 容易造成爆炸事故。 填埋气中含有大量的痕量气体， 这些气体大多是非甲烷有机物。它们总量虽然很小，但是对环境和人体健康却 具有很大的危害性， 而且很多 还是三致有机物叫。 邹世春(12 1 等通过对广州填埋 场的研究发现了包括苯、甲苯、抓乙烯、抓仿等被美国国家环保局u . s . e p a列 为 优先控制物的痕量气体。 y o u n g 等11 3 7 人测定了 英国3 个不同的垃圾填埋场周 围空气中微量挥发性有机物， 共检测出1 5 4 种化合物， 其中 1 1 6 种在各个填埋 场中均可检验出来。 填埋气是一种可回收利用的能源。 一般成熟的垃圾填埋场中， c h 4 的体积含 量在 5 5 % 左右，c 0 3 的体积含量在 4 5 % 左右 14 ) 填埋气的高位热值在 1 5 6 3 0 - 1 9 5 3 7 k j / m 7 ， 经过一定的 处 理后， 是一种很好的能 源。 据调查， 到1 9 9 0 年，世界上有4 8 1 家填埋场进行了 填埋气的回收利用。大约有多于5 x 1 0 9 m 的 填埋气得到了开发利用， 这些能源相当于2 . 4 x1 0 “ 吨石油， 足可以 供一个容量 为1 x 1 0 0 w 的电厂进行发电 ， ， 。 在美国， 1 9 9 0 年利用的填埋气约为4 . 3 x 1 0 9 m 7 , 到1 9 9 9 年， 利用填埋气的填埋场数量达到了2 7 0 个。 可见， 填埋气是一种较好 的能源，具有很好的利用价值。 第三节垃圾填埋气体的减排措施 垃圾填埋气体减排根据方式可分为两大类，即自 然减排与人工减排 7 1 1 。 ( 1 ) 自 然减排 生活垃圾含有一定的土质组份， 在卫生填埋中是一层垃圾一层土交替进行， 生长在覆盖土中的甲 烷氧化菌能氧化有机物降解过程中产生的c i -1 4 ，这种氧化 作 用主 要 发 生 在表 土 层 。 据国 外 有 关 资 料 表明 ， 其 氧 化 速 率 最 高 可 达4 5 g / m 2 d , 氧化量有时 可达产量的5 0 %，而且对浓度小于l m g / l到大于 1 0 4 m g / l的c h 4 都能快速氧化。因此， 在填埋场覆土可以阻止由 于大气中c h 4 浓度增加而导致 的温室效应。 ( 2 )人工减排 人工减排主要是采取人为措施， 减少甲烷气体的产生或回收利用 c h 4 ，主 要有以下几个措施:降低生活垃圾的产生量，通过回收利用和城市净菜上市等 措施来实现;降低垃圾中有机物和水份的含量，生活垃圾中营养成份和含水量 第三 章 垃圾填埋气体的产生、 特点及减排措施 是影响甲 烷产生的 两大 重要因素，可通过有机物的综合利用( 如堆肥等) 措施来 实现，填埋场封顶后，可覆盖一层防水材料，防降水淋失;收集利用填埋场产 生的c i -i 4 气体，用于发电 或民用。 目 前， 填埋场气体的收集系统已逐渐成熟。垃圾填埋气经过净化，基本上 除去惰性组分和有害污染物质后， 其主要成分甲 烷是一种清洁能源。 世界上2 0 多个国家的填埋气利用实践表明， 每年从垃圾填埋气中回收的能量约相当于2 0 0 万 t的原煤资源，在广泛利用垃圾填埋气的国家，如美国、英国、德国中，垃 圾填埋气回收用于发电占5 5 %，锅炉占2 3 %,熔炉和烧窑占1 3 %，管道供气占 9 %，目 前， 较新的 垃圾填埋气利用技术还包括用作汽车的替代燃料， 生产甲醇 或燃料电池等。 美国的填埋气体利用发展较快。1 9 8 2 - 1 9 9 9年，利用填埋气体的填埋场由 1 6 发展到2 7 0 个。 美国 对填埋气体的利用主要集中 在发电，也有部分将填埋气 体转化为管道天然气的 工作。 美国全国约有 1 0 0 0 个填埋场适合开展填埋气体的 利用， 每年可产生5 7 0 亿时的沼气，约等于4 - v 5 亿美元的 价值。 欧洲对填埋气体的利用以将其转换为热能和发电为主。欧洲第一个完全使 用填埋气体连续发电的 工厂建于 1 9 8 7 年。 至 1 9 9 5 年底， 英国共有3 3 个商业性 填埋气体利用项目， 另有加 多个项目正在规划和建设中， 据估计， 英国可利用 的填埋气体总能源价值相当于5 0 0 - 6 0 0 mw。 德国填埋气体的主要利用方式是通 过内燃机发电和直接燃烧供热，至 1 9 9 1 年，2 9 5 个正在运行的城市垃圾填埋场 有 3 2 %拥有气体利用设备。 而我国对垃圾填埋气体的利用起步较晚，目 前仅有很少的地区开展了垃圾 填埋气体回收利用的项目 。我国杭州天子岭垃圾发电厂为我国第一个利用填埋 垃圾堆场废气甲 烷等作为发电燃料的环保、节能工程。整个填埋气发电系 统可分为气体收集系统、净化加压系统、燃气机发电及电气并网系统。整个系 统由电脑控制， 可根据填埋气量多少来调节输出功率， 一旦发生故障，当火光、 烟雾、环境中甲 烷浓度等三者中任一值达到限定值时，控制中心的电脑会切断 所有的电源和气源。它的发电成功，为我国城市环境卫生、垃圾综合利用创造 了新途径，标志着我国环境公用工程的一大迈进. 第四章温室气体及温室效应 第四章温室气体及温室效应 第一节何为温室效应 温室效应是由太阳大气地球系的物理学相互作用造成的，包含以 下关键因素: ( 1 ) 太阳 就像一个 温度大约为5 8 0 0 k的“ 黑体” 向外辐射电 磁波， 产生一个 连续的太阳光谱， 光谱范围从紫外线到红外线， 其中可见光部分的光通量最大， 其光通量在5 5 0 l m左右。 ( 2 ) 太阳光的大部分 通过大气传到地面， 其中 一部分被陆地或海洋表面吸 收。 ( 3 ) 任何温度大于o k的物体都会发射辐射， 所以 地球表面也发射辐射， 地 球辐射的波长范围从接近红外线区域到远离红外线区域，峰值大约为 l o l m, 比太阳光的波长长得多。 如果没有大气存在， 这个通量将与太阳入射通量平衡， 产生大约2 5 0 k的稳定温度状态。 ( 4 ) 如果大气对太阳 光和地球辐射都是完全透明的， 地球表面的温度将保持 在大约2 5 0 k . 而无云的大气层对太阳光是相当透明的， 但对于地球的红外辐射 的透明程度则小得多，因此，大气被加热了，随后地球表面也显著增暖。 ( 5 ) 大气中 含有吸收红外辐射的所谓 “ 温室气体” ，包括水汽、二氧化碳、 甲烷、氧化氮、臭氧和一些浓度更低但仍强烈吸引红外辐射的气体，如氯氟烃 类。所有这些温室气体都在一个或多个狭窄的波长范围内吸收红外辐射，形成 红外吸收带。由于含有自 然吸收红外辐射气体的大气造成了大气的整个较低部 分变暖，升温幅度超过 3 0 k，这一现象常常被称为自 然温室效应。这种增温还 可以被认为是由 于发 射红外辐射的有效高度增加而产生的。大气低层对于红外 辐射不再是透明的， 所以地球向外辐射就从更高的高度上发射，结果使得地球 表面变得更暖。人为增加的温室气体进一步提高了红外辐射的有效高度并使地 球表面变得更暖 1 8 1 第四章温室气体及温室效应 第二节 温室气体 温室气体指的是具有温室效应的气体 c 0 2 引起的; 其余约 1 0 %贝 u 是由c h 4 . n 2 0 温室效应大约有 9 0 %是由h 2 o和 c f c s 等温室气体引 起。 表 4 . 1 各种温室气体温暖化潜势及产生原因 温室气体温暖化潜势产生原因 二氧化碳 1煤、石油、天然气等化石燃料嫩烧 甲烷 2 1 人类活动和农业活动 氧化亚氮 3 1 0物质经由燃烧及使用尿素肥料 氟氢碳化物 h f c - 2 3 h f c -1 2 5 h f c - 1 3 4 a h f c - 1 4 3 a h f c - 1 5 2 a h f c - 2 2 7 e a h f c - 2 3 6 f a h f c - 4 3 1 0 m e e 1 1 7 0 0 工业化产物，人类活动排放 2 8 0 0 1 3 0 0 3 8 0 0 1 4 0 2 9 0 0 6 3 0 0 1 3 0 0 全氟碳化物c f , 公 c , f w qf u 6 5 0 0 工业化产物，人类活动排放 9 2 0 0 7 0 0 0 7 4 0 0 六氟化硫 2 3 9 0 0 工业化产物，人类活动排放 注: 以 上数字为以c 0 2 温室效应强度为1 所计算出的数字; 资料来源: 美国环保氰引用自 i n t e r g o v e rn m e n t a l p a n e l o n c l i m a t e c h a n g e 1 9 9 6 报 告 ) . 这些气体象玻璃温室一样，能使地表温度升高。由大气中自 然存在的温室 气体所引起的温室效应被称为 “ 自 然” 温室效应。自从工业革命以来，由于人 类活动( 如工业排放、 化石燃料燃烧、 森林破坏和土地利用与管理措施的 变化等) 导致了大气中温室气体含量的增加，由 这些温室气体所引起的全球地表变暖效 应称之为 “ 增强”温室效应。正是这种增强温室效应产生的全球变暖，才引起 了人们对它的关注。 近几十年的观测研究表明，大气中的主要温室气体的浓度正在不断增加， 其中c 0 2 在大气中的浓 度已由 工 业化前 的2 8 8 p p m上升到了1 9 9 2 年的3 5 6 p p m , 第四章温室气体及温室效应 年增长率大约为 0 .5 %，它对全球变暖的贡献是5 5 %。研究证明， 大气中c 0 2 含量增加的2 5 %左右是由于人类大量使用化石燃料和砍伐森林造成的。 大气中的痕量气体氧化亚氮( n 2 0 ) 是一种公认的温室气体。 n 2 0在大气中的 存留时间长， 并可输送到平流层， 同时，n 2 0也是导致臭氧层损耗的物质之一。 研究表明，自 工业革命以 来， 大气中n 2 0的浓度急剧增加， 到 1 9 9 2年就已经 达到了3 1 1 p p b ， 而且还以 每年0 .2 % - 0 . 3 % 的速度增加。 n 2 0与c h 4 相似， 北半 球的平均浓度一直比南半球高。模式计算还表明，如果大气中n 2 0浓度增倍， 则会使全球地表气温平均上升0 .4 0c ， 并且使大气层中不同高度的臭氧浓度减少 1 0 %- 1 6 %a n 2 0对全球温室效应的贡献为5 %0 而另一种重要的 温室气体一 一 一 c 场，在过去的 1 5 0 0 0年中，其浓度一直保 持在 7 5 0 - 5 0 0 p p b v ， 到了 近 二百年也出 现了大幅度的 上升。目 前， 全球大气中 c h 4 的 平均浓度为1 . 7 2 p p m ， 每年以1 . 1 % 的比 率增长 ( i p c c , 1 9 9 6 ) ; c h 4 对地球 增温效应的贡献约为巧%。 模式计算表明， 如果大气对流中c h 4 浓度增长一倍， 那么全球地表温度将增加0 .2 - 0 .3 %。此外， c h 4 增加还将在大气化学中起着重 要的作用。大气中c h 4 主要由o h所氧化，c h 4 的氧化过程会产生一系列化学 物质，如c 0 2 , h z , h c h o , 伪等;这些产物将进一步对大气对流层中的化学 组成产生影响。大气平流层中c h 4 的增加，对人类活动产生的c l , c 1 0起着一 种消耗作用，这将减少氯氟烃对大气臭氧的影响。 几种主要温室气体的浓度变 化及引起的未来气候变化见表4 .4 0 表 4 .2 大气中几种主要温室气体的浓度变化、 增温潜势对全球变暖的贡献( i p c c , 1 9 9 6 6 ) 温室气体 c o ,c h ,n z 0 工业化前浓度( p p m v ) 2 8 80 . 8 4 80 . 2 8 5 1 9 9 2 浓度( p p m v ) 3 5 61 . 70 . 3 1 1 年增长率 0 . 5 %1 . 1 %0 . 2 - 0 . 3 % 增温潜势 1213 1 0 对全球气候变暖的贡献 5 5 %1 5 %6 % 在大气中的滞留时间( 年) 1 2 01 21 2 0 由表4 .2可知，目 前大气中的温室气体中，以c 0 2 浓度最高，温室效应最 为明显。但是，位于其次、占对全球气候变暖贡献 1 5 %的c h q 气体，保持着远 超c 0 2 气体的年增长率，如果不加以 控制，将会造成更为严重的影响。 而c i -1 4 全球总排放量依然存在很大的不确定性。 就目 前排放量而言， 全球 排放量为5 .3 5 x 1 0 6 a q / 年， 其中7 0 % 是人为源排放。厌氧环境的生态系统是大 第四章温室气体及温室效应 气中甲 烷的主要来源， 其排放的c i -1 4 气体占 大气总量的8 0 %。 化石燃料等非生 物过程也是大气中c h 4 的一个来源。 大气c h 4 源按照是否为人类直接参与分为 天然源和人为源。 前者主要包括湿地、 白 蚁、 海洋等， 一般占总源的3 0 0/ o - 5 0 % ; 后者主要包括能源利用、垃圾填埋、反当动物、稻田和生物体燃烧等，大约占 总源的5 0 0/ o - 7 0 0/ o . 天然源部分， 湿地作为甲 烷主要的天然源， 在全球面积高达5 .3 - 5 . 7 x 1 0 9 m 2 , 其 绝 对 源 强 为1 1 5 t g / a ( 1 t g /a = 1 0 1 2 克 库) 。 科 学 家 们 通 过 大 量的 野外 观 测 和实 验 室研究， 考察了各种湿地生态系统甲烷排放量及其控制因子， 如温度、 含水量、 有机质含量等，并研究了甲烷的产生和输送机制，研究发现，气候变化也会影 响甲 烷的 排放， c h a p p e l l a z ( 1 9 9 0 ) 发现湿 地甲 烷的 排 放与 气候变暖存在正反 馈关 系。另外，生长在热带草原和热带森林的白蚁也是甲 烷的一个较小的天然源， 其源强约为1 5 - 2 0 t g / a 。 而存在于大陆 架沉积物和永久冻土带的甲 烷水合 物， 由 于储量大( 约为 1 0 0 0 t g c h 4 ) ，被认为可能成为一个较大的甲 烷潜在来源。朱仁 斌( 2 0 0 1 ) 首次系统地 研究了 南极苔原 近地面c 0 2 , c h 4 , n 2 。浓度及通量的 相互 关系，结果表明天气条件对三种温室气体浓度日 变化影响较大:南极苔原土壤 是c h 4 的 汇和n 2 0的 源。大气 c h 4 的 汇主要是c h 4 在大气对流层与o h自由 基发生化学反应( 占 大气c h 4 去除的9 0 % ) ， 其次是水分未饱和土壤的吸收和少 量的向平流层输送。 氧化c h 4 的细菌广泛散布于土壤、 沉积和水环境， 对热带、 温带以及北极地区的许多土壤的研究中证实了 c 氏 氧化的存在( m o s i e r , 1 9 9 1 ; s e i l e r , 1 9 8 4 ; w h a le n , 1 9 9 0 ) . p h i l l i p s ( 2 0 0 1 ) 等研究7 c o z 浓度升高( 5 6 0 u 1 l - i) 对 温带 森 林 土 壤 吸收 大气c h 4 的 影响， 结 果 表 明 土壤吸收c h 4 减少了 3 0 %，而且这种影响将随着气候的变暖而加强。 i p c 侧1 9 9 1 ) 公布的全球土壤吸 收c h 4 的 估 计 值为3 0 x 1 0 6 t a 7 l ( 吨 / 年 ) 。 在 大 气 对 流 层 与o h自 由 基发 生 化学 反应，c i -1 4 的 消耗速 率为4 2 0 x 1 0 6 t a l . 人为源部分，稻田生态系统甲烷的排放被认为是过去 1 0 0多年里大气甲烷 浓度增加的重要原因之一，由于稻田c 场排放的影响因子之间相互作用的复杂 性以及区域气候的差异性，使得稻田c 场的排放时空变化很大。对稻田生态系 统甲烷的研究，除现场观测外，更多的是借助数值模式估算甲烷排放量。中国 稻田c i -1 4 的 年 排 放 估 算 值 介 于6 .7 9 ( b a c h e l e t d , 1 9 9 5 ) - 4 . 1 4 t g ( 1 t g = l o l 2 g ) ( m u d g e f e t . , 1 9 9 5 ) 。 石油和天 然气工业也是重要的甲 烷人为排放源， 在生产、使用石 油和天然气的过程中，大多数环节都要向大气中排放甲 烷，其中天然气的输送 第四章 温室气体及温室效应 和利用占 了 此种人为源的7 3 %0采煤业也是一大的甲烷人为排放源，在地下采 掘的过程中，7 0 %的煤层气在通风过程中被矿井通风系统排入大气。此外，固 体废弃物的处理也是非常重要的甲烷认为排放源，固体废弃物在填埋过程中厌 氧分解， 产生大量的甲 烷排放，固体废弃物中可降解成分越高，甲 烷产生量就 越大。 表4 .3 列出了甲烷的主要人为排放源。 表 4 . 3 排放甲 烷的人为源7 2 主要人为源排 放量 1 0 6 t a l 当前不加控制合理控制 石油4 77 8 ( 2 0 5 0 年)9 .4 ( 2 0 1 0 年) 煤 2 2 2 8 ( 2 0 1 0 年) 固体废弃物处理 3 2 6 2 ( 2 0 2 5 年) 污水处理3 55 8 ( 2 0 2 0 年)3 2 ( 2 0 2 0 年) 水稻栽培 6 56 5 3 9 ( 2 0 2 0 年) 家畜胃肠发酵 4 9 2 3 ( 2 0 2 0 年) 生物量燃烧 3 0 3 7 ( 2 0 2 0 年)2 4 .7 ( 2 0 2 0 年) 由表4 .3 可以看到，目前全球因固体废弃物处理所导致的甲烷排放达到3 2 x 1 0 6 t a ， 如果不加以 控制，到2 0 2 5 年，这一数字将增加到6 2 x 1 0 6 t a 7 , 将会对大气环境造成严重影响。而如果得到了合理的控制，这部分甲 烷排放是 完全可以避免的。 第三节温室气体对环境的影晌 由于温室气体的排放逐年上升，导致了一系列的全球性环境问题。这其中 包括: 4 .3 . 1 全球温度的改变 由于人类燃烧化石燃料及其它活动释放的温室气体，导致全球平均气温比 工业前期升高了1 .5 4 . 5 0c，以最好的估计，到2 1 0 0 年，气温也会增长2 . 5 c e 第四章温室气体及温室效应 尽管大气浮质的增加在某种程度上会对气温升高起到抑制作用，但其抑制程度 到目前为止还不很确定。 4 . 3 . 2 海平面上升、洪水泛滥 随着气温的升高， 海水表面开始膨胀，体积变大，两极冰山和冰川开始融 化，海平面上升。估计到2 0 5 0 和2 1 0 0 年，海平面将分别上升2 0 c m和4 9 c mo 沿海地区的洪水泛滥是海平面上升的直接后果，海平面上升几十厘米就可能导 致几百到几千米沿海地区的洪水泛滥。在我国的辽河和珍珠河下游、东海和北 海海岸， 只要海平面上 升0 .0 1 m , 就会有9 2 0 0 0 k m 2 的面积遭受洪水， 受灾地区 涉及6 5 个城市、6 7 亿人口。 4 .3 . 3 引起暴风雨和洪水的发生频率和严重程度的变化 受气候变化影响， 降雨量也会发生变化。 由于大气中c 0 2 浓度的成倍增加， 东亚沿海地区的夏季和冬季的降水量将增加0 20 %， 其他地区可能有更大的变 化。估计中国夏季和冬季的降水量将分别升高9 .3 %和1 2 . 7 %e暴风雨和洪水的 发生频率和严重程度的变化，对沿海和沿河地区的生态系统及人口 密度具有致 命的影响。对一些岛国来说，其影响包括咫风和台风发生的次数的增加，影响 面积的增大。 4 .3 .4 引起生态系统分配的改变 气候变化会改变植物生长条件，从而改变生态系统的分配。森林生态系统 对气候的变化非常敏感，生长期和成熟期又较长，更易受气候变化的影响。由 于温度、降雨量及气候等的变化，也会引起动植物病虫害的流行趋势及分布的 改变，引起动植物对流行病易感性的改变。 4 . 3 . 5 影响人类生存的其他问题 气候的变化会引起农业资源的短缺和沙漠化的加速，增加了跨国移民和战 争发生的频度;高温夭气增加了空调设备的使用量，增加了电力生产的燃料的 燃烧量，也增加了温室气体及其他大气污染物的排放量;河口的盐碱化将影响 第四章 温室气体及温室效应 水产品的产量，同时加剧了争夺海洋资源的冲突;增加了人类应付自然灾难的 成本等等。 为应对日 益严重的温室效应，避免全球性灾难性气候的发生，国际上提出 了很多减少温室气体排放的建议和措施，其中，以 京都议定书为基本框架 的清洁发展机制( c d n o ，是重要的一种减排机制。 第五章 清洁发展机制( c d w 第五章清洁发展机制 ( c d m ) 第一节 什么是c d m c d m ( c l e a n d e v e l o p m e n t m e c h a n is m ) .清洁发展机制，是 京都议定书 规定的 跨国 界进行温室 气体减排的 三种机制之一19 1 . 1 9 9 7 年联合国 气 候变化框 架公 约第三次缔约国会议( c o p 3 ) 己 经通过了 京都议定书 ， 但是一直没有生效。 为了防止温室气体对地球温度升高的影响， 京都议定书 中规定了发达国家温 室气体的量化减排指标，凡是超过了所规定的额度，就要用经济进行补偿。所 规定的温室气体共6 种: 二氧化碳( c o 2 ) 、甲 烷( c h 4 ) 、氧化亚氮( n 2 0 ) , 氢氟碳 化物 ( h f c s ) 、 全氟化碳 ( p f c s ) 和六氟 化 硫( s f 6 ) -发达国 家 温室 气体的 量化减排 指标是: h f c s , p f c s , s 凡以1 9 9 5 年排放量为基准，其他以1 9 9 0 年排放量为 基准， 到第一约定期间 ( 2 0 0 8 - 2 0 1 2 年) 的5 年间发达国家的 排放量要比 基准年排 放量平均要减排5 .2 %; 其中， 欧盟要减排8 %， 美国要减排7 %，日 本、 匈牙利、 波兰要减排6 %，发展中国家可以不减排。因为发达国家人口虽占 世界的2 2 %, 但其温室气体排放量却占世界6 6 %。 另外会议还规定， 京都议定书 最终生效 的条件是: 必须有 5 5 个国家正式缔约，同时正式缔约国家地区温室气体的排放 总量达到和超过 5 5 %0 2 0 0 4 年虽已 有1 1 0 个国家正式缔约，但由于美国、加拿 大未参加，缔约方排放总量仅为4 3 . 9 %，未达到全世界排放总量 5 5 %的条件， 所以未能使 京都议定书得以生效。自 俄罗斯于2 0 0 5 年底签字参与缔约，缔 约方的温室气体排放总量指标已 达到要求，根据 京都议定书生效的有关条 款规定， 京都议定书于2 0 0 5 年2 月1 6日 生效。 c d m是 京都议定书 所规定的附件 1 国家在境外实现部分减排承诺的一 种履约机制，目的是为了防止温室气体对地球温度升高的影响。京都议定书中 规定了一部分发达国家( 附件 1国 家 ) 的温室气体的量化减排指标， 凡是超过了 所规定的额度，就要用经济进行补偿。而实际上，发达国家在本土实施温室气 体的减排非常困难。 以日 本为例， 1 9 9 0 年二氧化碳排放量为1 2 .3 6 9 亿吨， 按 条 约规定日 本2 0 0 8 年其排放量应减为1 1 .6 2 7 亿吨， 但实际2 0 0 2 年的排放量已 达1 3 . 3 0 8 亿吨， 不仅没有减少， 与基准年相比反倒增加了7 .6 %。 为了有效控制 第五章 清洁发展机制( c d lv t ) 温室气体不再增加， 京都议定书 提出了可在境外减排的机制清洁发展机 制( c l e a n d e v e l o p m e n t m e c h a n i s m ) . 清洁发展机制( c d m ) 是实施减排指标的国际 合作机制， 是发达国家提供资 金和技术在发展中国家进行减少温室气体排放项目 合作，因为发达国家本身的 温室气体控制水平较高，从而实现规定的减排量成本就很高，因此，清洁发展 机制允许附件 1国家通过向发展中国家提供资金和技术，帮助发展中国家实现 可持续发展，同时附件 1国家通过从发展中国家购买 “ 可核证的排放削减量 ( c e r ) ，以履行 京都议定书所规定的减排义务， 从而实 现全球温室气体减 排成本最小化。这样使发达国家本土可增加等量的排放权，同时对项目 所在的 发展中国家给以经济补偿。 第二节为什么要参与c d m项目 清洁发展机制的根本目的是在全球范围内实现减排成本的最小化，而为达 到自己的减排目标，发达国家可以通过资金或技术的援助来帮助发展中国家发 展以实现温室气体的减排，这就给发展中国家提供了一个良 好的机会。 我国一直在认真履行“ 气候变化框架公约” ， 积极促进 京都议定书的生 效，并于2 0 0 2年批准了 京都议定书 。环境保护是我国的基本国策，借鉴国 外的经验教训，引进和吸收国外的先进技术和资金，走新型工业化道路，实现 经济、社会和环境的协调和可持续发展，是我国政府长期坚持的战略目标。而 实施 c d m项目，在帮助附 件 1 缔约方以较低的成本实现其减排温室气体的承 诺时，中国作为发展中国家，可以作为 c 仇、c 玩 的净卖方参与国际碳市场交 易，从中获利:此外，开展 c d m 项目在减少大气污染的同时又可以引进和吸 收国外先进的技术和资金，建