國立中興水土保持學系碩士在職專班 專題討論(四)-第二次報告

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1 國立中興水土保持學系碩士在職專班 專題討論(四)-第二次報告
不同廚餘處理方式產生 溫室氣體排放量之研究 授課老師：陳文福 教授 指導教授：陳鴻烈 教授 學 生：廖英洲 學 號： 簡報日期： 2013年4月13日

2 大綱 一、前言 二、文獻回顧 三、研究方法 四、結果與討論 五、結論

3 一、前言 研究動機 研究目的

4 研究動機(一) 日常生活飲食過程中皆會產生廚餘，過去處理方法大部分為飼育豬隻或採用焚化法燃燒，目前亦有應用堆肥或厭氧消化方式來處理。
上述處理方法各有其因地制宜性與優缺點，且處理過程皆會產生溫室氣體(Green House Gas，GHGs)排放，而本研究為瞭解不同處理方式GHGs排放量多寡。 剩菜、剩飯、蔬菜、果皮及茶葉渣等之有機廢棄物

5 研究動機(二) 第一部分為廚餘以焚化處理，估算廚餘直接投入焚化爐焚化產生CO2之GHGs排放量
第二部分為廚餘以養豬處理，估算養豬腸道發酵CH4及糞便處理CH4、N2O之GHGs排放量；另比較廚餘養豬及飼料養豬GHGs排放量及成本。 第三部分為廚餘以堆肥處理，估算堆肥處理產生N2O之GHGs排放量。 第四部分為廚餘以厭氧消化處理，估算厭氧消化處理產生CH4之GHGs排放量；另進行CH4回收及不回收GHGs排放量比較。

6 研究目的 本研究以1Gg(千噸)廚餘為計算單位，計算及評估比較並評估各種處理廚餘的方法的過程中，所產生溫室氣體的排放量，並採用IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)國家溫室氣體清單指南中的方法來計算，希望估算出來的數值可以作為未來政府或民間單位選擇廚餘處理政策之參考依據。

7 二、文獻回顧 樣區概述 臺中市歷年廚餘回收量及回收率 溫室氣體 全球暖化潛勢

8 樣區概述 29行政區計625里 人口約為265萬 總土地面積約為2,215平方公里

9 樣區概述 1995 文山焚化爐 2000 后里焚化爐 推動廚餘回收再利用 2002 公告廚餘為應回收項目 2003 廚餘飼料化試驗
2004 烏日焚化爐 禁止生垃圾掩埋 推動螞蟻雄兵廚餘堆肥運動 2008 提供以資源回收物兌換“就是肥” 2009“餘樂園”廚餘展示館開幕 2010 有機資材販售及認證(商標註冊:就是肥)與農會合作 販售 2012 試辦垃圾隨袋徵收及辦理厭氧消化處理評估

10 樣區概述

11 臺中市歷年廚餘回收量及回收率 項目 年度 廚餘回收量（Gg） 廚餘回收率（％） 2003 4.5734 6.68 2004 5.8144
8.12 2005 6.8248 9.42 2006 6.6586 9.31 2007 6.6138 9.07 2008 7.7388 10.43 2009 7.6649 10.03 2010 7.4930 9.56 2011 6.9374 8.88 1、自2003年起計。 2、含原臺中縣。 資料來源：行政院環保署統計資料庫。

12 溫室氣體 自然溫室氣體包括水氣（H2O），水氣所產生的溫室效應大約佔整體溫室效應的60-70%，其次是二氧化碳（CO2）大約佔26%，其他還有臭氧（O3）、甲烷（CH4）、氧化亞氮（又稱笑氣，N2O）、 以及人造溫室氣體氯氟 碳化物（CFCs）、 全氟碳化物（PFCs）、 氫氟碳化物（HFCs）， 含氯氟烴（HCFCs）及 六氟化硫（SF6）等

13 特定的時間跨度的全球變暖潛能值（GWP）
全球暖化潛勢 氣體名稱 化學式 壽命(年) 特定的時間跨度的全球變暖潛能值（GWP） 20年 100年 500年 二氧化碳 CO2 1 甲烷 CH4 12 72 25 7.6 氧化亞氮 N2O 114 289 298 153 二氯二氟 CCl2F2 100 11,000 10,900 5,200 二氟一氯 CHClF2 5,160 1,810 549 四氟化碳 CF4 50,000 5,210 7,390 11,200 六氟乙烷 C2F6 10,000 8,630 12,200 18,200 六氟化硫 SF6 3,200 16,300 22,800 32,600 三氟化氮 NF3 740 12,300 17,200 20,700 IPCC, 2007

14 三、研究方法 研究方法 研究流程圖 焚化GHGs排放量 養豬GHGs排放量 堆肥GHGs排放量 厭氧消化GHGs排放量

15 研究方法 採用2006版IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)國家溫室氣體清單指南(Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories)(IPCC，2006)。

16 研究流程圖 廚餘 焚化 養豬 堆肥 厭氧消化 CO2 CH4 N2O N2O CH4 飼料 廚餘 回收 不回收 成本 廚餘處理GHGs排放

17 焚化GHGs排放量

18 GHGs Emissions =K×(1-KW)×C×(44/12)
本研究假設廚餘直接焚化，並進行GHGs排放量計算，將廚餘量乘廚餘乾基及C到CO2轉換因子求得 碳原子含量(%) GHGs Emissions =K×(1-KW)×C×(44/12) 廚餘量(Gg) 含水量(%) C轉CO2 =1×( %)×10.84%×(44/12) = Gg

19 臺中地區廚餘基本性質組成分析表 74.98 10.84 檢驗項目 養豬廚餘 平均值 正負偏差值 含水率 ％ 9.65 灰份 1.62
0.23 乾基有機物 23.46 － pH 4.83 0.13 EC 6.87 0.09 磷 NA 熱值分析 （kcal/kg） 高位發熱能 8.29 低位發熱能 612.01 乾基發熱能 33.12 元素分析（％） 碳 10.84 0.1 氫 1.73 0.07 氧 9.99 氮 0.54 0.05 硫 0.36 0.02 氯 0.01 重金屬分析 （mg/kg-dry） 鈣 鉀 392.83 127.67 鎂 324.19 101.66 鈉 479.33 資料來源：李立德等，2006。

20 養豬GHGs排放量 依據IPCC 2006排放指南第4卷第10章牲畜及其糞便處理排放，飼養牲畜GHGs排放源的估算，其項目分為CH4及N2O兩種GHGs。 CH4部分為牲畜腸內發酵（enteric fermentation）及糞便處理（manure management）兩者所產生。 N2O部分則為糞便處理中的排放。 但CO2排放量並不估算，因為IPCC排放指南假設CO2經植物行光合作用，將會循環回大氣，故年淨排放為零。

21 養豬GHGs排放量

22 養豬數量 依據IPCC 2006排放指南欲估算牲畜腸道發酵及糞便處理GHGs排放量，需先定義出牲畜物種及數量，前者因為每種牲畜腸道發酵及糞便處理的排放因子（Emission Factor，EF）皆不同，需進行各別計算，後者因牲畜數量的多寡亦影響著GHGs排放結果。 本研究以廚餘量可飼養豬的頭數，來計算GHGs排放量。

23 養豬量(頭)=廚餘量(Gg)/廚餘攝食量(Gg/頭)
養豬數量 養豬量(頭)=廚餘量(Gg)/廚餘攝食量(Gg/頭) 2.704x10-3 Gg =1(Gg)/2.704x10-3(Gg/頭) 閹公豬出生至 屠宰日均飼養量 =370 頭 沙拉，2007

24 腸道發酵CH4 GHGs排放量 在腸道消化過程中，碳水化合物被微生物分解產生CH4。反芻類（牛、羊）與非反芻類動物（豬、雞）腸道發酵均會產生CH4，而CH4產生量以反芻動物最多，CH4產生量亦與動物年齡、體重、環境、飼料的質與量有關。

25 GHGs Emissions=EF×(N/106)×GWP
腸道發酵CH4 GHGs排放量 豬隻數 GHGs Emissions=EF×(N/106)×GWP 排放因子 Kg轉換Gg =1× (370頭/106)×25 = Gg

26 腸道發酵排放因子 EF 牲畜種類 kg CH4/頭/年 活體體重 已開發國家 開發中國家 水牛 55 300 kg 綿羊 8
山羊 5 40 kg 駱駝 46 570 kg 馬 18 550 kg 驢和騾 10 245 kg 鹿 20 125 kg 羊駝 豬 1.5 1.0 估算誤差值為±30～50％。

27 糞便處理CH4 GHGs排放量 在糞便處理過程中，圈養飼育環境（如乳牛場、肉牛場、豬圈及雞舍），糞便於厭氧環境下進行儲存和處理過程易產生CH4。 影響CH4排放主要為糞便量和厭氧環境下分解速率。前者取決於牲畜的廢物產生率和數量，後者取決於糞便處理系統。當糞便在厭氧條件下液態儲存或處理時（如化糞池、池塘、糞池或糞坑），CH4排放量受儲存環境溫度和滯留時間有極大影響。當糞便為固態處理（如堆積、堆放）或在牧場和草地堆放，好氧環境下進行分解將產生較少的CH4排放。

28 GHGs Emissions=EF×(N/106)×GWP
糞便處理CH4 GHGs排放量 GHGs Emissions=EF×(N/106)×GWP =5× (370頭/106)×25 = Gg

29 臺中1981～2010年月均溫度 單位：℃ 月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 溫度 16.6 17.3 19.6 23.1 26.0 27.6 28.6 28.3 27.4 25.2 21.9 18.1 均溫 23.3 資料來源：交通部中央氣象局，2012

30 糞便處理豬隻CH4排放因子 區域 特徵 牲畜 品種 依年均溫度劃分CH4排放因子（℃） 冷 適中 熱 亞洲 乳牛 其牠牛 豬 水牛
≦10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 ≧28 亞洲 乳牛 9 10 28 31 其牠牛 1 豬 2 3 4 5 6 7 水牛 排放因子誤差值為±30。

31 糞便處理N2O GHGs排放量 糞便中所含的氮在硝化和脫硝作用下產生N2O排放，而排放多寡取決於所含的氮及碳含量，除此之外儲存時間及處理方式亦有影響。

32 GHGs Emissions={[(N×Nex×MS)×EF]×(44/28)×
糞便處理N2O GHGs排放量 氮排泄量(kg/頭/年) GHGs Emissions={[(N×Nex×MS)×EF]×(44/28)× 10-6}×GWP 氮排泄率 臺灣養豬糞便處理系統為排入化糞池採厭氧消化，其建議排放因子依據IPCC為0，故本研究將不估算糞便處理N2O排放量。

33 氮排泄量(Nex) 氮排泄率 Nex = Nrate×(TAM/103)×365 每頭豬質量(kg)

34 N2O直接排放建議值的排放因子 系統 定義 EF[kg N2O-N（kg 排氮量）] 資料來源 無覆蓋厭氧池
厭氧池設計和運作可穩定並儲存廢棄物。化糞池上層液清除至厭氧池。厭氧池設計與不同的儲存時間（1年以以上），為根據當地氣候、揮發性氣體負載率及其他操作因素。厭氧池的水可循環利用於沖洗糞便或用於灌溉田地及施肥。 IPCC組織專家結合以下研究判定：Harper et al., 2000、Lague et al., 2004、Monteny et al., 2001和Wagner-Riddle and Marinier, 2003。系統內硝化及脫硝過程中N2O產生量極低，可忽略不計。 厭氧消化 厭氧消化穩定的設計和操作，可將複雜有機化合物還原為CH4及CO2，並收集作為燃料使用。 牲畜場畜糞池 在封閉圈養動物設施中，通常於小量或不加水的濕縫地板收集及儲存糞便。 0.002 IPCC組織專家結合以下研究判定：Amon et al., 2001、Kulling, 2003及Sneath et al., 1997。

35 海運GHGs排放量計算 Emissions ＝ （Fuel Consumedab × Emission Factorab
× Diesel Thermal × Diesel Volume） / Ship Load a ： Diesel Oil b ： Solid Bulk IPCC Days Fuel Consumed Emission Factor Diesel Thermal Volume Ship Load GHGs Emission 24 day 33.8 (Gg/day) 0.0741 (CO2 Gg/TJ) x10-5 (TJ/L) 1,129,944 (L/Gg) Gg Gg

36 24天 以長榮海運3條由美國至臺灣航線為例 航行天數 起 訖 平均天數 21 TACOMA KAOHSIUNG 32 NEW YORK
TAIPEI 18 LOS ANGELES 24天 以長榮海運3條由美國至臺灣航線為例

37 TABLE 3.5.6 FUEL CONSUMPTION FACTORS, FULL POWER
Ship type Average Consumption(tonne/day) Consumption at full power(tonne/day) as a function of gross tonnage(GRT) Bulk Carriers Solid Bulk 33.8 *GRT Liquid Bulk 41.8 *GRT General Cargo 21.3 *GRT Container 65.9 *GRT Passenger/Ro-Ro/Cargo 32.3 *GRT Passenger 70.2 *GRT High Speed Ferry 80.4 *GRT Inland Cargo Sail Ships 3.4 *GRT Tugs 14.4 *GRT Fishing 5.5 *GRT Other Ships 26.4 *GRT All Ships 32.8 *GRT Source: Techne (1997)

38 TABLE 3.5.2 CO2 EMISSION FACTORS
kg/TJ Fuel Default Lower Upper Gasoline 69,300 67,500 73,000 Other Kerosene 71,900 70,800 73,600 Gas/Diesel Oil 74,100 72,600 74,800 Residual Fuel Oil 77,400 75,500 78,800 Liquefied Petroleum Gases 63,100 61,600 65,600 Other Oil Refinery Gas 57,600 48,200 69,000 Paraffin Waxes 73,300 72,200 74,400 White Spirit & SBP Other Petroleum Products Natural Gas 56,100 54,300 58,300

39 飼料養豬及廚餘養豬成本比較 臺中市環保局2011年標售均價 行政院農業委員會農糧署，2012 1x106元/Gg
Kg/元 1 小豬 中豬 大豬 19.06 16.71 15.70 8週 10週 臺中市環保局2011年標售均價 行政院農業委員會農糧署，2012 1x106元/Gg x106元/Gg

40 飼料養豬及廚餘養豬GHGs排放比較 0.0556 0.0556＋ 0.0113＝ 海運 0.0689 廚餘養豬(Gg) 飼料養豬(Gg)

41 堆肥N2O GHGs排放量 好氧堆肥經好氧性微生物發酵作用，將有機質廢棄物轉化成無臭、暗棕色、類似腐植質的固體。堆肥發酵所累積的發酵熱會使溫度上升至70~80℃，如此可殺死大部份病原菌及寄生蟲卵，避免施用於農田時污染環境。堆肥產生的GHGs以N2O為主，其反應機制與豬糞便處理產生機制相同。

42 堆肥N2O GHGs排放量

43 GHGs Emissions=(M×EF)×10-6×GWP 有機廢棄物生物處理量，本研究以生廚餘扣除含水量（%）及灰份（%）
堆肥N2O GHGs排放量 GHGs Emissions=(M×EF)×10-6×GWP 有機廢棄物生物處理量，本研究以生廚餘扣除含水量（%）及灰份（%） =(0.234× 0.6) ×10-6×298 = Gg

44 （g N2O/kg waste treated）
生物處 理類型 N2O排放因子 （g N2O/kg waste treated） 備註 乾基 濕基 堆肥 0.6 （ ） 0.3 （ ） 廢棄物處理假設條件：DOC（degradable organic carbon）乾基含量25-50％，N乾基含量25-50％，含水率60％。 假設廢棄物濕基60％，估算廢棄物乾基排放因子。

45 GHGs Emissions=(M×EF)×10-6×GWP－R 有機廢棄物生物處理量，本研究以生廚餘扣除含水量（%）及灰份（%）
堆肥CH4 GHGs排放量 GHGs Emissions=(M×EF)×10-6×GWP－R 有機廢棄物生物處理量，本研究以生廚餘扣除含水量（%）及灰份（%） =(0.234× 2) ×10-6×298 = Gg

46 （g CH4/kg waste treated）
生物處 理類型 CH4排放因子 （g CH4/kg waste treated） 備註 乾基 濕基 厭氧消化沼氣設備 2 （0-20） 1 （0-8） 廢棄物處理假設條件：DOC（degradable organic carbon）乾基含量25-50％，N乾基含量25-50％，含水率60％。 假設廢棄物濕基60％，估算廢棄物乾基排放因子。

47 厭氧消化CH4 GHGs排放量 生成主要分為三步驟： 水解(hydrolytic)：微生物在水解過程中將有機物分解成小分子。
酸化(acidogenesis)：經由嫌氣性及厭氧性(facultative and anaerobic)微生物利用而產生有機酸、CO2及代謝過程中產氫反應(metabolic hydrogen)。 甲烷化階段(methanogenic)：最後再由甲烷菌在厭氧狀態下產生CH4。

48 厭氧消化CH4 GHGs排放量

49 厭氧消化CH4 GHGs排放量 理想氣體方程式 GHGs ＝ （pV ＝ nRT）×GWP CH4 ＝ 6.52×10-3 Gg
L/L 0.082atm·L/mole。K 理想氣體方程式 GHGs ＝ （pV ＝ nRT）×GWP CH4 1 atm 2.61×10-4Gg 298 。K ＝ 6.52×10-3 Gg

50 四、結果與討論

51 結果與討論 焚化 養豬 堆肥 厭氧消化 GHGs排放量 (Gg) 0.0994 0.0556 0.0351 6.52×10-3 排放量比較
100% % % % 廚餘養豬(Gg) 飼料養豬(Gg) GHGs排放 0.0556 0.0669 成本 1x106元/Gg x106元/Gg 飼料養豬GHGs排放為廚餘養豬1.2倍 飼料養豬成本為廚餘養豬 倍

52 五、結論

53 結論 廚餘處理過程皆會產生GHGs排放，由分析結果中可發現GHGs排放量大小分別是：焚化法＞養豬法＞堆肥法＞厭氧法，其GHGs排放的比例約為100％、56％、35％及0.07％，由此可知，厭氧消化是最佳的方法，但目前全國僅於新北市八里設有唯一1座示範廠，故未來國內廚餘之處理方式應朝向以厭氧消化方式來做努力。

54 結論 比較飼料養豬、廚餘養豬GHGs排放及成本分別為1.2倍和17.0446倍，有顯著結果表示採廚餘養豬為最佳方式。
由環保觀點來看，將豬做為有機資源物初級消化者為最簡易處理方式，廚餘因含有高濃度油脂為一般環工生物處理程序不易分解者，且氮含量高、C/N偏低須添加資材以利堆肥醱酵。 但現今因無法有效掌控廚餘的來源，相關農業單位雖不鼓勵廚餘拿來飼育豬隻，但也難以禁止。

55 參考文獻 中華民國全國工業總會(2012)， 中華民國養豬協會(2012)， swineroc.com.tw/Industrial/Industrial.aspx 行政院農業委員會農糧署(2012)， 行政院農業委會(2012)， gov.tw/view.php?catid=4276 行政院環境保護署(2009)，「98年全國廚餘回收再利用實務操作觀摩會」 行政院環境保護署統計資料庫(2012)， /epa/stmain.jsp?sys=10 沙拉(2007)，「飼糧之蛋白質及限制飼養管理會影響豬隻的代償性成長」，飼料營養雜誌，第四期，第73-77頁 臺中市政府環境保護局(2011)，「臺中市推動廚餘回收再利用專區營運管理及操作維護計畫」 臺北市政府環境保護局(2003)，「台北市廚餘產源調查及廚餘特性分析」 Hubert Heitman, Jr., C. A. Perry and L. K. Gamboa(1956),“Swine Feeding Experiments with Cooked Residential Garbage,”Journal of Animal Science, 15(4): IPCC (2006),2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories, Japan. IPCC (2007), Climate Change 2007: The Physical Science Basis, Cambridge University Press, N.Y. MacGregor, S.T., F.C. Miller, K.M. Psarianos and M.S. Finstein(1981),“Composting Process Control Based on Interaction Between Microbial Heat Output and Temperature,”Applied and environmental microbiology, 41(6): Mata-Alvarez, J., S. Macé, and P. Llabrés (2000), “Anaerobic digestion of organic solid wastes. An overview of research achievements and perspectives,” Bioresource Technology, 74(1): 3-16. Tsao-Chou Chen, Cheng-Fang Lin(2008),“ Greenhouse gases emissions from waste management practices using Life Cycle Inventory model,”Journal of Hazardous Materials, 155: 23–31.

56 簡報完畢 敬請指教