2023, Vol. 44
, GAO Shu-dan , TENG Xiao , JIANG Xu-tong , CHEN Ji-hong , GAO Chen-qi , BIAN Rong-xing
, SUN Ying-jie , LI Wei-hua , WANG Ya-nan , WANG Hua-wei
控制全球变暖已成为世界各国共识, IPCC第六次评估报告[1]显示2010~2019年全球温室气体(greenhouse gas, GHG)的年均排放量处于人类历史的最高水平, GHG净排放量(以CO2-eq计, 下同)于2019年达到59Gt, 较2010年跃升了12%, 年均增长1.3%.同时, 报告明确指出应对气候变化的紧迫性和对于全球1.5℃和2℃温升控制前景的严峻性.
中国作为最大的发展中国家及最大的温室气体排放国, 面临着非常严峻的温室气体减排压力[1].国家“十四五”和2035年远景目标纲要提出“加快推动绿色低碳发展, 降低碳排放强度, 支持有条件的地方率先达到碳排放峰值”; 《中共中央国务院关于深入打好污染防治攻坚战的意见》明确提出“加强甲烷等非二氧化碳温室气体排放管控”; 生态环境部《黄河流域生态环境保护规划》明确提出“加强污水处理厂和垃圾填埋场CH4排放控制和回收利用”.这些政策的推出表明了我国温室气体减排的决心.废物处理处置单元是重要的GHG排放源, 如填埋场作为仅次于湿地和稻田的第三大人为CH4释放源, 全球填埋场CH4年排放量达6.1×107 t[2], 约占全球CH4总排放量的13%[3].我国2013年垃圾处置单元温室气体排放量高达72.4 Mt[4].因此, 垃圾处理处置单元成为我国GHG减排不容忽视的一个方面.
准确评估我国垃圾处置过程GHG排放特征是制定减排措施的前提.本研究采用IPCC所推荐的清单模型, 估算了2010~2020年中国城市固体废物处置单元(包括垃圾填埋、焚烧和生物处理)的GHG排放量.从国家、区域和省(市、自治区)这3个层次分析了城市生活垃圾(municipal solid waste, MSW)的GHG排放量的变化趋势和差异.本研究成果有助于我国城市垃圾单元温室气体减排政策制定, 助力我国实现“双碳”目标.
1 材料与方法 1.1 数据来源与研究区域垃圾清运及处置数据来源于国家统计年鉴[5].各地区垃圾组分如表 1所示[6].
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表 1 我国不同区域生活垃圾物理组成/% Table 1 MSW physical composition of different regions of China/% |
研究区域包括全国31个省(市、自治区, 香港、澳门和中国台湾资料暂缺), 以及对应的七大地理区域(华北、华东、华南、华中、西北、西南和东北).
1.2 研究方法 1.2.1 垃圾填埋CH4排放量IPCC一阶衰减模型(FOD)是国际普遍认可的填埋场CH4产生和释放模型[7, 8], 其计算方法如下：
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(1) |
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(2) |
式中, ECH4为年CH4排放量, t; MSWLF为年生活垃圾填埋量, t; MSWi为第i种垃圾的填埋比例, %; k为CH4产生速率常数; L0i为产CH4潜能, m3·t-1(以CH4/MSW计); MCF为CH4修正因子; DOCi为第i种垃圾的可降解有机碳分数; DOCf为可降解有机碳实际转化成CH4和CO2的百分比, %; F为填埋气体中CH4的体积分数, %; 16/12为碳转化为CH4的系数; R 为CH4回收效率, %; OX为氧化因子.其中, 除了个别参数如MCF和R选取全国平均水平数值0.96[9]和0.3[10, 11], 其余参数由于数据缺乏, 故选取IPCC[8]提供的缺省值, DOCf、F和OX取值分别为0.5、0.5和0.1, 其余参数取值如表 2.
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表 2 模型参数取值 Table 2 Model input parameters |
1.2.2 垃圾焚烧CO2与氧化亚氮(N2O)排放量
(1) 生活垃圾焚烧CO2排放量 生活垃圾焚烧CO2排放量计算见式(3)：
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(3) |
式中, ECO2为年CO2排放量, Gg; MSWINC为年生活垃圾焚烧量, Gg; WFj为MSW第j种组分的占比, %; dmj为第j种焚烧的MSW的干物质含量, 无量纲; CFj为成分j的干物质中的碳占比, 无量纲; FCFj为生活垃圾成分j的碳总含量中矿物碳的占比; OFj为氧化因子, 无量纲; 44/12是从C到CO2的转换因子.各参数取值见表 3[8].
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表 3 生活垃圾焚烧输入参数表 Table 3 Input parameters for MSW incineration |
(2) 焚烧N2O排放量 根据IPCC[8]的建议, 生活垃圾焚烧N2O排放量(以N2O/MSW计)设定为50 g·t-1.
1.2.3 堆肥处理CH4与N2O排放量堆肥过程产生的温室气体主要是CH4和N2O, 根据IPCC推荐值, 生活垃圾堆肥处理CH4和N2O释放因子分别为4g·kg-1(以CH4/MSW计)和0.3g·kg-1(以N2O/MSW计)[8].
1.3 城市固体废物处理单元的GHG总排放量废物处理单元的GHG总排放量是生活垃圾填埋、焚烧和生化处理的GHG排放总和(标准化为CO2当量).CH4和N2O的全球增温潜能(global warming potential, GWP)分别是CO2的27倍和273倍[1].
2 结果与讨论 2.1 我国生活垃圾产生及处置变化趋势2020年中国城市生活垃圾无害化处理厂共计1 287座, 其中运行垃圾填埋厂644座, 焚烧厂463座, 生化及其他处理厂180座.近10年, 生活垃圾处置方式产生了显著性变化.如图 1(a)所示, 我国生活垃圾清运量和无害化处理量自2010~2019年一直保持上升的趋势, 但于2020年有所下降, 清运量从2010年的158 Mt上升到2019年242 Mt, 年均增长4.4%, 这与日益增长的人口数量和城镇化有关.同时垃圾无害化率也在不断提升, 从2010年的77.9%上升到2020年的99.7%.
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图 1 2010~2020我国城市生活垃圾填埋、焚烧、生化无害化处理量和占比变化 Fig. 1 Changes in the quantity and ratio of MSW landfill, incineration and biochemical disposal from 2010 to 2020 in China |
填埋、焚烧和生化处理处置是我国生活垃圾无害化处置的主要方式, 其中填埋由于占地面积大, 产生渗滤液和恶臭污染等原因, 所占比例逐年降低[图 1(b)], 占无害化处置的比例已从2010年的77.9%降低到2020年的33.1%.相反焚烧占比逐渐提升, 已从2010年的18.8%上升到2020年的62.3%.生化处置所占比例较低, 不足5%.随着我国无废城市的建设和“双碳”规划的实施, 可以预见我国垃圾填埋的比例将会进一步降低, 而生活垃圾焚烧和生化处置所占的比例将会进一步提升.
2.2 全国生活垃圾处理GHG排放趋势2010~2020年中国城市生活垃圾单元的温室气体排放量如图 2(a)所示.全国生活垃圾处置单元GHG排放量从2010年的42.5 Mt增长到2019年的76.3 Mt, 年均增长率约为6.7%, 随后在2020年下降到72.1 Mt.生活垃圾处置单元GHG排放已在2019年达到峰值, 2020年GHG排放量下降, 这是由于随着生活垃圾分类的实施, 生活垃圾清运量有了明显下降.有研究表明, 单位垃圾焚烧CO2排放量要显著低于生活垃圾填埋[12], 因此近些年生活垃圾处置方式从填埋为主向焚烧为主转变, 也降低了生活垃圾处置过程中GHG的排放.
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图 2 2010~2020我国城市生活垃圾处置单元GHG排放趋势和3种GHG排放变化趋势 Fig. 2 Changes in GHG emissions from MSW landfilling, incineration and compost, and proportions of different GHG emissions from MSW disposal units in China from 2010 to 2020 |
CH4、CO2和N2O是生活垃圾处置单元排放的主要温室气体, 其中由于CH4的强增温潜能和低收集效率, 其在2019年以前一直是我国生活垃圾处置单元排放量(当量)最多的温室气体, 但由于垃圾焚烧所占比例逐年增加(图 1), 垃圾焚烧过程产生的CO2量逐年增加[图 2(b)], 且在2020年首次超过填埋场CH4的排放量, 占比57.3%, 成为我国垃圾处置单元排放的主要温室气体.焚烧和生化处置产生的N2O对生活垃圾处置单元总GHG排放贡献率较小, 低于5%.
2.3 我国生活垃圾处置单元GHG排放时空变化趋势对比分析了我国七大区域2010、2015和2020年垃圾处置单元温室气体的排放情况.如图 3和图 4(a)所示, 2010年GHG排放量大小依次为：华东＞华南＞华北＞华中＞西南＞东北＞西北, 而2020年排放量大小顺序则依次为：华东>华南>西南>华中>华北>东北>西北.经济发达, 城镇化率高的华东、华南地区是我国生活垃圾处置单元GHG排放量最多的地区, 而城镇化率低, 人口较少的东北、西北地区GHG排放量较低.10a内, 西南地区垃圾处置单元GHG排放量显著增加, 这与该地区不断增加的城镇人口数量、垃圾产生量和垃圾处置方式密切相关.七大区域垃圾处置单元GHG排放量总体呈增加趋势(2020年小幅下降), 相较于2010年, 2020年华南、西南地区GHG增长超过100%, 华南地区增长最快, 为114.7%; 华北地区增长率最低, 为32.4%, 其余地区增长在50%~80%之间.华东地区排放量稳居第一, 这与沿海地区城市发展水平和庞大的人口数量相关, 但其增长率低于华南、西南地区.这主要是由于生活垃圾处置方式的差异导致的, 华东地区2020年生活垃圾处置主要以焚烧为主(达到80.8%, 占全国焚烧量43.8%), 华南、西南地区焚烧占比仅为65.3%和62.1%, 而单位垃圾焚烧产生的GHG要显著低于垃圾填埋[12].
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图 3 2010、2015和2020年中国不同区域垃圾处置单元GHG排放量占比 Fig. 3 Proportion of GHG emissions in seven regions of China's waste sectors in 2010, 2015, and 2020 |
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中国香港、澳门和台湾数据暂缺 图 4 中国不同区域和各省(市、自治区)在2010、2015和2020年垃圾处置单元的GHG排放空间分布 Fig. 4 GHG emissions of seven regions and provinces of China's waste sectors in 2010, 2015, and 2020 |
另外, 如图 3(b)所示, 各区域在这10a的GHG排放占比(占总排放量的比例)发生了变化, 华北和华东地区占比逐年下降, 东北、西北和华中地区先增大后减少, 其中华东地区占比从2010年的37.6%下降到2020年的34.1%, 这与沿海地区垃圾处置方式变化有关; 华南和西南地区占比逐年上升, 其中华南地区占比上升最大, 从2010年的15.9%上升到2020年的20.1%.
从省级规模上看, 人口数量多, 城市化水平高、经济发达的山东、浙江、江苏和广东等东部沿海省份垃圾处置过程GHG排放量大, 而城镇化水平低、经济欠发达的新疆、西藏、青海和甘肃等地区GHG排放量小(图 4).广东是生活垃圾处置单元GHG排放量最多的省份, 其占比从2010的13.2%上升到2020年的16.0%, 这与城镇化人口的快速增加密切相关, 相关性分析也表明各省GHG排放量与各省人口和GDP呈现显著正相关性(图 5).生活垃圾处置单元GHG排放与生活垃圾处置方式密切相关, 以焚烧为主的东部沿海省份如上海、江苏、浙江和山东所占比例降低, 而填埋占比较高的广西、海南、重庆、云南和四川等的GHG排放则呈增加趋势.
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图 5 2010~2020年中国固废处置单元GHG排放量与各省(市、自治区)GDP和城镇人口的回归曲线 Fig. 5 Regression curves for GHGs emissions by waste sector, population, and GDP in China from 2010 to 2020 |
不同地区生活垃圾处置单元排放峰值所属年是制定地区碳减排的重要参考, 各地区和省(市、自治区)的生活垃圾处置单元碳排放峰值年如表 4所示.东北、华东、华北和华南地区碳达峰年份与国家垃圾处置单元碳达峰一致, 均在2019年, 而西北地区则在2018年实现了垃圾处置单元碳达峰.
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表 4 各区域/省(市、自治区)GHG排放达峰年份 Table 4 Peak years of GHG emissions in different regions/provinces |
地区人口增长率和垃圾处置方式是影响地区生活垃圾处置单元碳达峰的关键因素.在省级水平上, 吉林2016年生活垃圾处置单元碳达峰, 是最先实现垃圾处置单元碳达峰的省份, 这是与该地区人口外流, 垃圾焚烧处置为主密不可分.2017年天津、浙江和安徽等也在该领域实现了碳达峰.而地广人稀相对欠发达的云南和青海等地区在2020年尚未实现碳达峰.
2.5 不确定性分析如图 6所示, 本研究所估算的我国生活垃圾处理单元温室气体排放值低于已发表研究[4, 9, 13, 14], 经对比发现, 差距主要发生在填埋CH4排放的估算上.尽管多数研究都使用IPCC推荐的FOD模型, CH4排放量的差异主要有以下3种原因：①固体废物成分存在差异, 尤其是厨余垃圾的成分含量, 本研究所采用的七大区域的厨余垃圾占比(2010~2017年)[6]普遍低于其他研究[6, 15]; ②参数选择的不一致导致CH4排放量的不同(表 5), 尤其是在收集效率R的选择上, 一部分研究是根据填埋场类型来选择MCF与R值[4, 15~17], 另一部分研究认为中国填埋场CH4收集缺失, 取R值为0来计算[16~18], 而本研究所采用的30%[10, 11]高于绝大多数研究; ③本研究采用CH4的GWP是最新IPCC[1]提供的27倍, 而与本研究差距较大的数据结果采用的是28倍[14, 17, 18].
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图 6 2010~2020年全国城市固废处置单元GHG排放量的不同数据对比 Fig. 6 Comparison of different research data on GHG emissions from MSW disposal sectors in China from 2010 to 2020 |
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表 5 已有研究主要参数对比 Table 5 Comparison of main parameters from previous studies |
2.6 我国垃圾处置单元温室气体减排策略
填埋气收集效率是影响填埋场CH4释放的重要因素, 我国生活垃圾填埋场CH4收集效率普遍低于国外, 如丹麦(50%)、瑞典(58%)、英国(64%)和美国(63%)等[19~21], 而报导的我国生活垃圾填埋场填埋气收集效率仅有25%~40%[10].因此, 提高我国生活垃圾填埋场CH4收集效率是降低我国生活垃圾处置单元GHG排放的重要途径.此外, 在技术和经济可行的条件下, 填埋气收集火炬燃烧和发电也是降低填埋场CH4排放的重要措施.
填埋场覆盖层CH4氧化是降低CH4无序释放的最后的屏障, 传统的生活垃圾覆盖土CH4氧化效率低, 近年来以矿化垃圾、堆肥、生物炭添加的新型生物强化功能覆盖材料其覆盖层CH4氧化效率显著提高[22~25].因此, 采用新型生物覆盖材料也是降低填埋场CH4排放的一个重要途径.
转变生活垃圾处置方式也是生活垃圾处置单元温室气体减排的重要措施.在生活垃圾分类和无废城市建设大背景下, 提高垃圾分类效率, 提高可回收垃圾的资源化利用效率, 实现原生垃圾零填埋等措施可有助于我国垃圾处置过程温室气体减排.另外由于单位垃圾焚烧GHG排放量显著低于生活垃圾填埋[12], 提高垃圾焚烧比例也有助于温室气体减排.
当然不同的减排措施要和当地的经济、环境承受力相适应.例如经济发展较为落后的西北和西南地区, 比较可行的减排措施是采用生物功能覆盖材料强化覆盖层CH4氧化效率或者填埋气收集后火炬燃烧.而对于东部较发达的省份, 提高填埋气收集利用效率, 加大垃圾焚烧处置比例是合理的温室气体减排措施.
3 结论(1) 中国城市生活垃圾GHG排放量从2010年的42.5 Mt增加到2019年的75.3 Mt, 而后于2020年减少到72.1 Mt.
(2) 2019年生活垃圾填埋场排放的CH4是生活垃圾处置单元排放当量最多的温室气体, 焚烧排放的温室气体占比逐年增加, 在2020年首次超过填埋, 达60.1%.
(3) 从空间分布上, 固废处置单元GHG排放量在2020年依次为：华东＞华南＞西南＞华中＞华北＞东北＞西北; 华东地区是固废处置单元GHG排放量最高的区域, 但其排放量占比在逐年下降, 从2010年的37.6%下降到2020年的34.1%; 华南和西南地区的排放占比逐年上升, 其中华南地区排放比例从2010年的15.9%上升到2020年的20.1%.在省级水平上, 东部沿海广东、江苏、山东和浙江等省份的城市生活垃圾处置GHG排放量最大, 而重庆、天津、青海和西藏等地区排放量较低.
(4) 提高生活垃圾填埋场填埋气收集效率, 采用生物功能覆盖材料提高覆盖层CH4氧化效率, 实现垃圾分类, 转变垃圾处置方式等是可行的生活垃圾处置单元温室气体减排措施.
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