中國廢棄物溫室氣體排放及其峰值測算效果
一、引言
隨著人口增長、城市化進程加快以及經濟發展水平提高，我國廢棄物產生量日益增多。廢棄物處置不僅影響居民的生活環境質量，而且還關系到溫室氣體排放。作為溫室氣體的主要排放源之一，廢棄物在處置過程中，會產生甲烷、二氧化碳、氧化亞氮等溫室氣體①。目前，我國對廢棄物處理通常采取填埋、焚燒和堆肥三種方式。根據《IPCC2006年國家溫室氣體清單修訂指南》(以下簡稱《IPCC2006年指南》)有關國家溫室氣體清單的分類，廢棄物產生的溫室氣體主要有4個來源：固體廢棄物填埋處理、固體廢棄物生物處理、廢棄物的焚化與露天燃燒、廢水處理與排放。其中，固體廢棄物填埋處理(SWDS)是廢棄物溫室氣體最大的排放來源。固體廢棄物填埋處理時，甲烷菌使其含有的有機物質發生厭氧分解，產生甲烷。甲烷是《京都議定書》提出控制的6種溫室氣體之一，是僅次于二氧化碳的具有較強溫室效應的氣體，而且其增溫潛能較高，相當于同等質量二氧化碳的21倍(高慶先等，2006)。據IPCC估算，在每年全球溫室氣體排放中，由固體廢棄物填埋產生的甲烷約占3%—4%(IPCC，2001)。同時，固體廢棄物填埋處理還產生二氧化碳、非甲烷揮發性有機化合物(NMVOC)以及較少量的氧化亞氮、氮氧化合物和一氧化碳。其中，包含化石碳(如塑料)在內的廢棄物焚化和露天燃燒是廢棄物主要的二氧化碳排放來源。另外，廢水處理也會造成甲烷和二氧化碳的排放。
目前，中國已超過美國成為全球最大的城市固體廢棄物(MSW)和工業固體廢棄物生成地。2009年，我國城市固體廢棄物和工業固體廢棄物的產生量分別達到1.57億噸和20.3億噸。分析廢棄物的溫室氣體排放趨勢，計算其所占排放總量的比重，對我國掌握各類排放源的排放態勢，設計相關領域的減排路徑具有重要意義。然而，關于我國廢棄物溫室氣體排放的相關研究成果很少。其中，杜吳鵬(2006)、高慶先等(2006)利用《IPCC1996年指南》給出的質量平衡法，測算出1994-2004年我國城市固體廢棄物填埋處理所產生的甲烷排放量。但最新的《IPCC2006年指南》卻建議在計算廢棄物的甲烷排放時，盡量不要采用質量平衡方法，而鼓勵使用一階衰減法(FOD)。相比質量平衡法，一階衰減法估算的年度排放數值更加精確。本文根據《IPCC2006年指南》提供的參考方法，對我國廢棄物的溫室氣體排放進行系統的定量分析，并對2010-2050年的排放趨勢做出預測，估算廢棄物溫室氣體排放峰值及其出現時間。在此基礎之上，通過國際比較，提出減少廢棄物溫室氣體排放的政策建議，為我國制定廢棄物部門的減排路徑提供依據。②
二、計算方法及依據
《IPCC2006年指南》推薦使用一階衰減法計算固體廢棄物填埋處理產生的甲烷。此方法假設，在甲烷和二氧化碳形成的數十年里，廢棄物中的可降解有機成分——可降解有機碳(DOC)衰減較慢。如果條件恒定，甲烷產生率完全取決于廢棄物的含碳量。因此，在填埋之后的最初若干年內，處置場沉積的廢棄物所產生的甲烷排放量最高，隨著廢棄物中可降解有機碳逐漸被細菌消耗，其排放量將趨于下降。一階衰減法要求先計算被填埋處理的廢棄物中可分解可降解有機碳(DDOCm)的數量。作為有機碳的一部分，DDOCm是指在厭氧條件下填埋處理時降解的那部分碳。源自廢棄物填埋處置的DDOCm為：
三、固體廢棄物生成量：相關數據處理
編制固體廢棄物生成的數據是估算其排放溫室氣體的起點。在編制過程中，由于經濟發展水平、產業結構、廢棄物管理法規以及生活方式不同，各國固體廢棄物的產生率和成分也不盡相同。《IPCC2006年指南》將填埋處置的固體廢棄物分為三類：城市固體廢棄物(MSW)、污泥和工業廢棄物。然而，在我國，由于處置方式相對單一落后，農村廢棄物排放也不可忽視。同時，鑒于污泥占填埋處置廢棄物的比重較小，且我國可查污泥的統計數據較短，在此不做估算。因此，本文重點測算城市固體廢棄物、農村固體廢棄物與工業固體廢物三項指標。
如前所述，給定一期固體廢棄物在填埋后，甲烷會隨著有機物質的分解陸續排放，其排放過程將是長期的。假定值為1的廢棄物在第0期被填埋，通過對其一階衰減過程進行數值模擬可發現，第二期時廢棄物的甲烷排放量最高，此后逐漸減少，至第50期時甲烷排放量已基本為零。相比固體廢棄物填埋量，廢棄物產生的溫室氣體排放量(折合為碳排放)存在一定的滯后。當廢棄物填埋量達到峰值時，其產生的碳排放量將會延后若干年才能達到峰值。因此，為使計算結果更加準確可信，一階衰減法需要收集或估算廢棄物的歷史處置數據，采用至少50年的處置數據為佳(見圖1)。
圖1 廢棄物每期排放的甲烷趨勢模擬
1.城市固體廢棄物生成分析
本文使用我國歷年城市生活垃圾清運量代表城市固體廢棄物生成量。由于該指標自1980年才有可查數據，為了獲得50年以上的數據，需對未來一段時期城市生活垃圾清運量進行預測。城市垃圾生成(清運量)主要受人口、城市化率、經濟發展水平以及垃圾處理技術等因素的影響，因此，選取城市人口、城市化率、人均GDP、生活垃圾排放強度(生活垃圾清運量/GDP)作為相應的自變量，預測采用多元線性回歸方法，計量回歸結果如下：
為預測2010-2050年城市生活垃圾清運(排放)量，需設定方程(5)中各變量2010-2050年的變化情景(見表1)。
據上述對各變量的情景設定進行預測，結果顯示，到2050年，我國城市生活垃圾清運(排放量)仍不會出現峰值(見圖2)。這表明，城市化進程加快，城市人口增多及居民生活水平提高將導致城市生活垃圾生成量不斷上升。
2.農村固體廢棄物產生趨勢
采用歷年糧食產量數據替代秸稈類農作物產量數據，即可計算出1980-2009年農村固體廢棄物排放量。
為了預估2010-2050年農村固體廢棄物排放，需要對未來我國糧食產量進行預測。劉江(2000)參照中等發達國家的消費結構預測出我國未來50年的人均糧食需求。在劉江給出的整數年節點預測基礎上，利用matlab對其進行樣條函數插值模擬，可得出其他年份人均糧食需求量。結果顯示，2050年，我國人均糧食需求量將達到430公斤，比2005年增長9.4%。由此，利用前文對未來人口的預測結果，則可估算出2010-2050年我國糧食需求量。假定未來我國能保持糧食基本自給，則可近似將糧食需求量等于糧食生產量。④在此基礎上，測算我國農村固體廢棄物的產生量。從圖3可以看出，未來我
國農業的固體廢棄物產生量將呈上升趨勢，但上升速度趨緩。一方面，居民生活水平提升將推高糧食需求量;另一方面，由于我國總人口增速下降，并較有可能在2050年之前迎來人口拐點(UN，2009;杜鵬等，2005;陳衛，2006)，這在一定程度上抑制糧食總需求量。
3.工業固體廢物生成量測算
自1980年以來，工業固體廢物一直是我國固體廢棄物的最大來源。2009年，我國工業固廢產生量達到203943萬噸，而城市生活垃圾清運量僅為15734萬噸，前者約為后者的12倍。該指標的統計同樣也始于1980年，因此，為獲得50年以上的數據，需對未來工業固體廢物產生量進行預測。預測同樣采用多元線性回歸的方法，選取總人口、人均GDP、工業固體廢物產生強度(工業總體廢物產生量/工業總產值指數)等影響工業固體廢物生成的主要因素作為自變量，計量回歸結果如下：
利用回歸方程，通過設立各自變量2010-2050年增長情景模式(設定依據參照上文)(見表2)，即可對2010-2050年工業固體廢物產生量進行預測。預測結果顯示，我國工業固體廢物產生量將在2025年達到峰值，峰值額約為22億噸，隨后將逐步下降(見圖4)。
圖4 1980-2050年我國工業固體廢物產生量(單位：萬噸)
目前，各國僅對無法回收再利用的廢棄物采取填埋等處置手段，而且只有這部分的工業固廢才會排放甲烷等溫室氣體。隨著回收利用技術推廣應用，工業固廢回收利用比重不斷提高，美國、日本、德國等發達國家工業固體廢物利用率均已接近100%，促使工業固廢溫室氣體排放顯著下降。為緩解日益增大的環境和資源壓力，近年來我國工業固體廢物再利用力度加大，工業固廢綜合利用率已由1990年的29.3%上升至2010年的69%.其中“十一五”時期工業固廢綜合利用率提高13.2個百分點。但與發達國家相比，我國固體廢物處理技術和綜合利用水平仍存在一定差距，減量化、無害化、穩定化、資源化程度偏低，尚有較大的提升空間。與“十一五規劃”不同，“十二五規劃”中并未設置工業固廢綜合利用率目標，但2011年工業與信息化部發布了《關于開展工業固體廢物綜合利用基地建設試點工作的通知》，要求到“十二五”期末，試點地區工業固廢綜合利用率在2010年基礎上提高10—12個百分點。假定“十二五”期末，試點地區如期完成該任務，則屆時試點地區工業固廢綜合利用率將達到79%—81%。由此，假設2015年全國工業固廢綜合利用率為75%，2050年工業固廢綜合利用率接近發達工業國的水平，為95%，同樣采用matlab對其進行樣條函數插值模擬，可得出2010-2050年我國工業固廢綜合利用率數值(見圖5)。在此基礎上，計算出1980-2050年未被利用的工業固體廢物(即按填埋處理的工業固體廢物)數量(見圖6)⑤。結果顯示，2010-2050年我國按填埋處理的工業固體廢物數量明顯下降。這一趨勢符合加快轉變發展方式的目標方向，也是隨著產業轉型升級工業固體綜合利用率逐步提高的結果。
圖5 2010-2050年中國工業固廢綜合利用率
圖6 1980-2050年中國工業固廢填埋量(單位：萬噸)
四、廢棄物碳排放及其峰值：基于FOD的測算
在獲得1980-2050年城市固體廢棄物、農村固體廢棄物與工業固體廢物填埋處置相關數據后，即可使用一階衰減法分別計算出其排放的甲烷。計算步驟如下：①利用T年排放的固體廢棄物數據，計算出當年產生出的可降解有機碳(DDOCm)。②計算T年年終時固體廢棄物處置中所累積的DDOCm。③計算T年固體廢棄物處置中所分解的DDOCm。④計算可分解材料所產生的甲烷。
使用一階衰減法時，需要對相關參數進行校準。《IPCC2006年指南》鼓勵通過開展廢棄物產生研究、SWDS場所抽樣調查及結合國內可降解有機碳分析，獲取特定國家參數值。然而，由于調研條件限制，中國特定參數值尚難以獲得。在這種情況下，本文借鑒《IPCC2006年指南》中給出的缺省參數值，測算甲烷排放量。其中，城市和農村固體廢棄物的可降解有機碳(DOC)值為0.14，可降解有機碳的比重()值為0.5，甲烷修正因子(MCF)為0.71，產生的垃圾填埋氣體中甲烷的比重(F)值為0.5，氧化因子(OX)值為0。而對于工業固體廢物，DOC值為0.15，值為0.5，MCF值為0.72，F值為0.5，OX值為0。
由于半衰期的反應常量(k)值受氣候影響較大，該數值在降雨量少的干地區與雨量豐沛的濕地區之間存在較大差異，而我國幅員遼闊、各地區氣候和降雨量差別較大，直接影響反應常量的取值。因此，本文以年均降水量800毫米作為劃分標準，將我國31個省市區劃分為干地區與濕地區，從而對參數k進行校準，以改進預測結果(見表3)。同時，依據1980-2009年各省市區的GDP水平，測算各年干地區與濕地區參數權重，由此分別加權計算出我國城市、工業固體廢棄物在半衰期中的反應常量k值。同樣，利用1980-2009年各省市糧食年產量，加權測算出我國農業固體廢棄物在半衰期中的反應常量k值。
利用校準后的參數，分別求出各年城市、農村、工業固體廢棄物甲烷排放量，加總得出廢棄物甲烷排放總量，進而換算成廢棄物碳排放總量(見表4)⑥。結果顯示，1981-2009年，我國固體廢棄物碳排放處于快速上升態勢，2009年碳排放量達2788.27萬噸。但固體廢棄物排放占全國碳排放總量比重在達到2001年2.34%的高點之后，下降較快，2009年這一比值降至1.4%。主要原因在于：一方面，20世紀頭10年這一輪工業和經濟高增長導致能源、工業生產過程等主要排放源的排放增長相對更快，占排放總量的比重上升幅度更大;另一方面，這也是我國廢棄物處置水平提高的結果。繼續推算未來固體廢棄物的碳排放量發現，我國固體廢棄物產生的碳排放將于2024年達到峰值，峰值量為3323.6萬噸，隨后排放量將呈下降趨勢，所占全國碳排放總量比重進一步下降，屆時為1.1%(見圖7)⑦。
五、結論：國際比較與政策建議
過去20年中，主要發達國家廢棄物溫室氣體排放占其排放總量的比重均有較大幅度下降。1990-2009年，美國、澳大利亞、日本在碳排放總量出現不同程度增長的情況下，其廢棄物的碳排放仍有明顯下降，而同期歐盟(15國)廢棄物碳排放下降也遠遠超過其排放總量的下降幅度(見表5)。產業升級轉移、廢棄物處理技術進步、工業清潔生產和循環經濟的推廣以及居民生活垃圾規范化管理是導致發達國家廢棄物溫室氣體排放下降的主要原因。目前，歐美國家廢棄物收集、
回收、處理、加工及銷售的規模化、產業化水平不斷提高，并已形成較為成熟的商業模式。固體廢棄物處理公司一般包括廢棄物回收中心、垃圾填埋場、有機廢棄物堆肥場等在內的一整套處理設施，而居民和商業機構交納的廢棄物處理費以及回收產品和副產品銷售則是其收益的主要來源。回收率提高減少了溫室氣體排放，緩解水體污染，降低對填埋場和焚燒爐的需求，并提供工業原材料，節約能源，增加就業機會。目前，發達國家不僅廢棄物處置技術領先，而且還建立了較為科學完善的廢棄物管理體系，其核心內容在于設置合理的廢棄物管理分級制度。處置廢棄物時首先在生產過程中減少廢棄物排放，其次為廢棄物回用及循環利用，再次為廢棄物再生處理(如堆肥和厭氧消化)，最后才為填埋處理。通過在源頭對可循環利用物質進行分離，可減少廢棄物產生量，提高廢棄物回用量。
與發達國家相比，我國人均GDP和城市化率較低，人均固體廢棄物日產量約為0.75公斤/人/天，仍處于較低水平，而日本、盧森堡、美國等發達國家人均固體廢棄物日產量分別達到1.2、1.75、2.1公斤/人/天(世界銀行，2005)。然而，由于人口基數大，我國廢棄物生成總量仍較大，而且隨著人均收入不斷提高，工業化和城市化進程加快，我國廢棄物生成量特別是城市固體廢棄物產量呈快速上升趨勢，廢棄物的溫室氣體排放增加，環境影響增大。與發達國家廢棄物溫室氣體排放已出現下降的趨勢不同，我國廢棄物碳排放到2024年才能達到峰值。到2050年，我國廢棄物碳排放與峰值時水平相比下降約10%，與美國、日本1990-2005年變化情況相近，這是由我國經濟發展和工業化的階段性特征決定的。相對于城市固體廢棄物，由于我國糧食需求逐步穩定，農村固體廢棄物生成量增速趨緩，而在經歷了21世紀頭10年這一輪工業高增長中生成規模快速擴大后，工業固體廢棄物將隨著綜合利用率逐步提高，處置量會明顯下降。同時，本文的預測結果顯示，我國廢棄物碳排放峰值出現時間要早于碳排放總量的達峰時間，這主要是由于廢棄物的碳排放占排放總量的比重相對較小，而能源、工業生產工程、交通等溫室氣體排放的主要部門面臨的減排壓力更為突出。⑧
近年來，隨著節能減排力度不斷加大，我國廢棄物處理技術取得顯著進步。多數大型城市積極推進垃圾衛生填埋，并以此作為廢棄物的主要處理方法。盡管如此，與國外先進的廢棄物處置產業化體系相比，我國相關領域在規模、技術和管理體制等方面仍存在較大差距。目前，我國廢棄物管理缺少系統、可靠的廢棄物產量和處理成本數據，導致政策制定依據不足。同時，居民廢棄物處置仍以市政市容管理部門為主導，回收處理效率低，收費難以彌補成本，主要依靠財政支持。而相關部門職責劃分不清，建設部和環境保護部均有管理職權，重復監管問題突出。另外，由于廢棄物處置市場化經營的商業參與規則不健全，私營部門參與度較低，難以通過市場競爭提高廢棄物處置的運營效率。從發達國家的經驗來看，廢棄物處置技術已比較成熟，并能夠產生溫室氣體減排和減少環境損害的雙重效應。在加速工業化和城市化條件下，我國固體廢棄物處理有較大的改善潛力。為此，應借鑒發達國家的經驗和方式，結合我國廢棄物產生及其溫室氣體排放趨勢，加快發展廢棄物處置及相關行業，減少廢棄物溫室氣體排放。
一是作為廢棄物的主要排放來源，我國工業固廢減排潛力較大，工業是廢棄物減排的重點領域。因此，應加快傳統產業技術改造，淘汰落后產能，大力發展戰略性新興產業，積極推進清潔生產和循環經濟，配合資源稅改革和環境稅試點，加大廢棄物處置技術研發投入和推廣應用，提高工業生產效率和資源利用率，通過產業升級，從源頭上減少工業固廢排放。上文的預測結果顯示，2010-2030年，我國工業固廢綜合利用率提高相對較快，應在這一時期加大工業固廢綜合利用的投入力度，縮減工業固廢填埋處置的規模，力爭提前達到廢棄物碳排放峰值。二是目前我國農村廢棄物管理制度建設滯后，投入嚴重不足，處置方式單一，回收利用率較低。農民收入水平提高和消費升級將改變未來農村廢棄物的構成，使得這部分廢棄物的處置壓力進一步加大。今后，要高度重視農村廢棄物處理，結合新農村建設，加強農村廢棄物回收以及村鎮垃圾收集、污水處理等廢棄物處置的基礎設施建設，引導農民轉變觀念，改善生產生活方式，提高秸稈類農副產品以及農村生活垃圾的綜合利用率，在為農民創造一定收益的同時，減少環境損害，降低農村溫室氣體排放。三是現階段我國廢棄物處理仍以簡單填埋為主，尚缺乏科學的廢棄物分類層級和處置模式。如何建立適合中國產業結構和居民生活方式的分級管理制度是改善廢棄物處置效果的關鍵。廢棄物分級管理制度設計應由末端處置轉向源頭管理，減少轉運和處置量，延長填埋場使用時間，通過技術和制度創新降低廢棄物處置成本。在分級制度中，對于不能減量或重復使用的二級原料(如紙和金屬)應進行重點循環利用，而對無法循環利用的廢棄物則需加強再生處理，如采取微生物分解(堆肥或厭氧消化)等方式處置。同時，我國固體廢棄物管理法規尚不完善，致使各地政府部門缺少可參照的統一標準，廢棄物管理較為混亂。為此，應加快立法進程，明確各部門職責，加強區域間合作和跨部門協調，充分發揮市場機制，鼓勵民營企業參與廢棄物商業化綜合利用，建立可持續的廢棄物管理政策法規體系。此外，由于垃圾填埋過程中處置不當，致使填埋場周邊土地污染嚴重，“棕地”現象日益增多。據世界銀行統計，中國目前至少有5000塊“棕地”，清理這些“棕地”的成本遠高于廢棄物填埋的收益。另一個值得注意的現象是，近年來焚燒處理廢棄物方式在我國發展較快，但由于焚燒溫度較低，廢棄物焚燒過程中會產生二惡英等有害物質。因此，應加強廢棄物處置技術創新投入力度，開發多元化處置技術和模式。如對大中城市周邊水泥廠進行技術改造，將城市污水處理廠的淤泥等部分廢棄物直接作為水泥廠原料進行高溫處置。實現溫室氣體減排的同時，減少廢棄物處置的環境影響。
注釋：
①按照IPCC分類，溫室氣體排放源主要有六個部門，分別為：能源生產利用、農業、工業生產過程、廢棄物、溶劑使用及其他。
②由于經濟發展水平、生活習慣和自然地理條件不同，各個國家和地區廢棄物的處置
方式存在較大差異。美國、意大利、英國等以衛生填埋為主，日本、丹麥、荷蘭、瑞士則以焚燒為主，而芬蘭、比利時堆肥處理所占比重較大。目前，中國固體廢棄物處理主要采取填埋方式，而且是以簡易填埋處理為主(杜吳鵬等，2006)。據IPCC估計，我國約97%的城市固體廢棄物按填埋處理，焚燒和堆肥處理分別約占2%和1%。因此，在測算我國廢棄物部門碳排放時，本文主要測算固體廢棄物填埋處理所產生的排放。
③由于我國農作物主要由秸稈類作物構成，非秸稈類作物所占比重較小，為便于預測未來農業副產物的產量，本文暫不考慮非秸稈類作物的排放。另外，受數據來源限制，本文未將農村生活垃圾計入農村固體廢棄物之中，但可以預見，隨著農民收入水平提高和消費結構變化，我國農村生活垃圾生成量也將逐步增加。
④2004年以來，我國糧食連續6年增產，2009年糧食總產量達到10616億斤，比2003年增產2002億斤，糧食自給率保持在95%以上。盡管近兩年來糧食進口量不斷增加，但所占比重仍較小。同時，政府一直高度重視糧食安全問題，因此，可預計今后糧食生產與消費仍將基本處于平衡狀態。
⑤由于1980-1989年工業固廢綜合利用率沒用統計數據，這一時期的數據按年均利用率25%估算。
⑥根據《IPCC2006年指南》，。
⑦2010-2050年中國碳排放的預測數據參見渠慎寧等(2010)。
⑧目前，國內對中國碳排放總量峰值預測大都得出了總量達峰時間在2030-2040年的結果，本項目課題組關于排放總量的研究也支持這一判斷。
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環保網”
