土壤修复产业碳达峰碳中和路径研究.doc

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1、土壤修复产业碳达峰碳中和路径研究研究背景碳达峰(peak carbon dioxide emissions)是指碳排放进入平台期后，进入平稳下降阶段，实现二氧化碳的收支平衡。碳中和(carbon neutrality)，主要是指企业、团体或个人测算在一定时间内，直接或间接产生的温室气体排放总量，通过植树造林、节能减排等形式，抵消自身产生的二氧化碳排放，实现二氧化碳的“零排放”。我国长久以来坚持减少碳排放，支持低碳生活，控制温室气体。中国城市温室气体工作组已经建立中国全口径城市2005,2010,2015,2018年CO2排放清单，包括工业、交通、间接排放、服务业、农业、城镇生活和农村生活等部门

2、。20世纪以来，我国参与的部分改善世界气候、减排路线的相关文件见表1。表1 我国碳排放重要事件一览表根据BP数据，2019年我国二氧化碳排放量为98.26亿吨，占世界的28.8%。从我国与欧盟、美国等历史碳排放量和预期增长趋势看（图1），欧盟、美国、日本在1979年、2007年、2008年已实现碳达峰。我国十八大报告指出，要大力推进生态文明建设，坚持节约资源和保护环境的基本国策，坚持节约优先、保护优先、自然恢复为主的方针，着力推进绿色发展、循环发展、低碳发展，形成节约资源和保护环境的空间格局、产业结构、生产方式，从源头上扭转生态环境恶化趋势，为人民创造良好生产生活环境，为全球生态安全作出贡献。

3、图1 世界碳排放量及增长趋势示意图生态文明与碳中和、碳达峰的意义相同，就是要保护环境，恢复自然生态。土壤是自然生态的重要部分，是人类活动的主要场所，是连接大气圈、水圈、生物圈的重要途径，是地球大气碳库、海洋碳库、岩石圈碳库、陆地生态系统碳库的主要组成之一。土壤碳库和植被碳库是陆地生态系统碳库的主要组成，土壤碳库占90%以上，是大气碳库的23倍。这要求我们加大自然生态系统和环境保护力度，具体到土壤修复产业中，体现为恢复土壤碳库容量，减少土壤修复过程中的能源消耗、碳排放等。可预见的，土壤修复可以恢复破坏土壤原有的容碳能力，植被恢复后提高土壤碳容量。2020年9月，习近平总书记在第七十五届联合国大会

4、上首次宣布，我国二氧化碳排放在2030年前力争达到峰值，2060年前努力争取实现碳中和。土壤碳汇是削减碳排放、缓解全球气候变化的重要途径。聚焦土地可持续利用和管理，对土壤修复产业的碳排放进行分析，对土壤修复产业碳达峰碳中和路径分析，对实现土壤修复提高土壤容碳能力、降低修复工程等过程中的碳排放具有重要意义。摘 要土壤修复产业迎来爆发式增长，未来即将突破万亿市场，是环保产业中最具发展潜力的行业。二氧化碳排放影响世界气候变化，关乎人类生存。我国提出在2030年实现碳排放达到峰值，2060年达到碳中和这一目标，旨在优化能源结构，维护全球二氧化碳平衡，保护地球家园。土壤修复产业中碳排放量随土壤修复市场发

5、展逐渐增加，若不采取碳减排措施，势必会增加实现“双碳”目标的压力。土壤修复产业碳达峰碳中和路径研究对土壤修复产业中“双碳”时间节点进行了预测，分析了土壤修复产业中的碳排放量，并提出土壤修复产业中实现“双碳”目标的路径。1土壤修复产业碳排放分析1.我国二氧化碳排放近年来，国家战略层面的生态文明建设，城市的发展扩张使土地资源变得尤为紧缺，用地污染问题逐渐暴露。为实现污染地块的安全利用，土壤修复产业迅猛发展。尤其是2016年土壤污染防治行动计划的发布，拉开了土壤修复产业飞跃式发展的序幕。2018年土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准（试行）与2019年中华人民共和国土壤污染防治法的实施，标志行业

6、有法可依、有标准限制的阶段。通过这几年的政策导向，近一年土壤修复企业增加了近16%。同时，碳排放将会更加严格控制，碳交易也将成为重要的二氧化碳控制手段。由于我国碳交易市场刚刚建立起来，土壤修复企业的碳排放基本没有进行过碳核算、碳排放校核，但从国外相关行业可以由经验分析其碳排放量。何长全等人在人口、国内生产总值、人均能耗、第二产业占GDP比重、第三产业占GDP比重、城镇居民人均可支配收入、城镇新建住宅面积、能源强度8个指标与碳排放的关系，发现GDP与碳排放的相关性指数在0.815以上。李国志认为碳排放随经济增长呈现出先增加后降低的变化趋势，当经济增长到达一定水平后，将有利于实现碳减排，中国碳排放

7、与经济增长之间的关系可以分为2个明显阶段：1989年以前为U型曲线关系，而1990年后则表现出典型的倒U型EKC关系。根据近年来我国GDP的变化，可以粗略算出单位产值所产生的二氧化碳。美国2019年GDP为21.43万亿美元，二氧化碳排放量为4964.69亿吨，折合二氧化碳排放系数为3.5887 kg/万元GDP。预测未来我国的二氧化碳排放系数会下降至3 kg/万元GDP左右，2030年前后保持在9 kg/万元GDP左右，2060年会下降到0.2 kg/万元GDP左右（图2）。鉴于目前土壤修复主要为政府引导的政策导向性产业，土壤修复产业的资金来源主要为政府拨款，而二氧化碳排放与资金投入有直接关

8、系，资金投入又与政府的GDP息息相关，因此土壤修复行业的二氧化碳在目前没有较好的数学模型预测情况下，我们可以根据单位GDP产值排放二氧化碳数预测土壤修复产业的二氧化碳排放量。图2 我国二氧化碳排放量与二氧化碳排放系数2.土壤修复技术碳排放分析土壤修复包括建设用地修复、农田修复以及矿山修复，其中农田修复与矿山修复主要恢复土地植被，对污染土壤的修复产生的二氧化碳，在修复后的植被光合作用下中和，因此土壤修复中碳排放主要考虑建设用地的碳排放。建设用地土壤污染主体为焦化、石化、医药、金属冶炼等企业，污染物主要为多环芳烃、卤代烃、石油烃、镉、砷等重金属。建设用地土壤修复中常用的技术有热脱附技术、气相抽提技

9、术、固化/稳定化技术、化学淋洗技术、化学氧化/还原技术、水泥窑协同处置技术等物理化学方法。通过对环境修复工程企业调研，针对有机物污染土壤的修复常用技术为热脱附、化学氧化/还原、水泥窑协同处置、化学淋洗等，对重金属污染土壤的修复技术主要有固化/稳定化、植物修复等。根据各修复工程的修复费用或能源消耗，可以计算出所产生的二氧化碳排放量。热脱附技术通过直接或间接加热土壤，使土壤中有机污染物受热从土壤介质中挥发或分离后，进入气体处理系统的过程。热脱附技术由于要加热受污染的土壤，其带来的能源消耗必然是巨大的。由国内某焦化厂土壤修复案例分析，热脱附每吨土壤消耗天然气4548 m3，电34.140.8 kWh

10、，由此可大致估算每吨土壤修复排放了124.1136.8 kg二氧化碳。但热脱附修复土壤总工程量还包括土壤挖掘、运输、回填等其他方面的能源消耗，其最终产生的二氧化碳排放可能超过200 kg/t土。气相抽提技术是利用负压风机形成负压，在污染土壤区域的抽气井将有机污染物抽提后，经过活性炭或催化氧化后降低土壤中污染物浓度的方法。国内某地块被苯和C10C12脂肪烃污染约200 m3，采用气相抽提技术实现了87.4%的修复率。项目历时7个月，使用了55 kw风机和总功率为72 kw的催化燃烧室，还包括离心式引风机、泵、尾气处理装置等。按每天8小时工作，每月20个修复工作日核算，该修复工程耗电量约为14万k

11、Wh。按中国电网电力（各种电力混合后的平均值）1度电的CO2排放是960 g左右，该修复工程折合碳排放量约136吨，平均修复每吨污染土壤排放二氧化碳约500 kg。通常气相抽提会与热处理相结合，产生的碳排放进一步增加。水泥窑协同处置是进行危险废物处置的一种方法，可以处置污泥、重污染土壤等，可以完全消除有害气体，最终转化为水泥熟料，无废弃物遗留。根据某地水泥窑协同处置建设项目环评报告，该项目总装机容量约1000 kw，计算负荷900 kw，处理能力约1530 t/d。核算后平均处理每吨重污染土壤约耗电240480 kWh，折合排放二氧化碳230460 kg。此二氧化碳排放不包含加热过程中有机物燃

12、烧后排放的二氧化碳。化学淋洗技术通过表面活性剂的加入，使铜、铅、镉等重金属或与表面活性剂性质相近的有机污染物迁移到化学溶剂中，并进一步分离、处理的技术。该过程的能源消耗远低于热脱附技术、气相抽提、水泥窑协同处置等需要高温的高能耗技术。化学淋洗中主要应用设备淋洗筛分机、搅拌反应泵、清水输送泵等低能耗设备。上海市某修复项目修复总工程土方量为36768.4 m3，清水输送泵功率3 kw，淋洗液搅拌机功率1.5 kw，两台淋洗液输送泵1 kw，筛分设备13 kw，总工程设备计算负荷约153.8 kw。最终淋洗修复108.6 m3重金属污染土壤，消耗9500 kWh，折合修复每吨土壤排放64.5 kg二

13、氧化碳。固化/稳定化技术利用添加剂，通过添加剂与土壤中的有害成分结合使其转化为其他物理或化学形式，消除或减小其危险性质。固化/稳定化工程中主要用到的设备包括挖机、破碎筛分机、搅拌机等。国内某化工厂汞污染土壤经固化/稳定化处理后，土壤中重金属汞硫酸硝酸浸出浓度未检出。该工程修复约4000 kg汞污染土壤，采用了PC 60挖机、Allu破碎筛分设备等。PC 60挖机功率约为40.7 kw，Allu破碎筛分设备可以连接在挖机上，没有额外能源消耗，搅拌机功率约5.5 kw。修复每吨污染土壤耗能约46.8 kWh，折合修复每吨土壤排放44.9 kg二氧化碳。化学氧化/还原技术是指向污染土壤添加氧化剂或还

14、原剂，通过氧化或还原作用使土壤中的污染物转化为无毒或相对毒性较小物质的过程。根据处置地点不同，化学氧化/还原技术可分为原位和异位两种工艺。原位化学氧化/还原系统主要包括注射井、氧化剂/还原剂输送管道和监测井三部分。化学氧化/还原中用到的设备以挖掘机，搅拌机为主，其修复土壤能耗与固化/稳定化技术相似，估算其修复每吨土壤排放50 kg二氧化碳左右。生物修复技术主要分为：植物修复技术、动物修复技术、微生物修复技术三大类。但目前实现技术应用的有植物修复和微生物修复技术，其中植物修复技术通过特定植物的生物富集作用，将土壤中重金属元素富集到植株体内，再对收获植株进行处理，降低二次污染。整个修复过程包括植物

15、幼苗的培育、植株移栽养护、植株回收、植株遗体处置（焚烧）。植物本身可以固炭养地，因此基本可以中和修复过程中的二氧化碳排放，估算其修复每吨土壤排放-1030 kg二氧化碳左右。表2土壤修复部分技术案例碳排放对比3.土壤修复产业碳排放随着土壤法的落地，目前全国建设用地土壤修复市场迎来爆发增长，建设用地土壤修复地块达到2.5万块，修复面积达到1000万亩，如果采用热脱附、水泥窑协同处置、气相抽提等技术，势必会对碳达峰碳中和的目标形成一定压力。2016年我国土壤修复市场规模为42.09亿元，2017年增长至151.45亿元，涨幅高达259.98%，20182020年土壤修复市场规模总计超千亿，同时20

16、212024年我国土壤修复市场规模将会超过2500亿元。若不采取任何碳减排措施，土壤修复产业中碳排放会随土壤修复市场规模持续增加，在2030年达到113152.2吨，在2060年达到483856.5吨。在巨大的土壤修复市场，使用碳排放量高的修复技术，大大增加了碳中和压力。固化/稳定化技术、化学淋洗技术、化学氧化/还原技术等虽然修复效率略低，但是其碳排放量少，投入小。选用此类技术可以有效降低土壤修复产业中碳排放量，使得更多的土壤得到修复，同时提高了土壤碳库容量。采取了必要的碳减排方式后其二氧化碳排放会在2030年前后达到顶峰，在2060年之后达到碳中和。图3 国内土壤修复产业订单及二氧化碳排放量测算从当前主流场地土壤修复工程对比，热脱附技术、气相抽提技术、水泥窑协同处置技术等技术是高能耗、高效率、高投入的修复技术，同时也是高碳排放技术。国内土壤修复产业订单（图3），显示我国土壤修复行业近年来异