城市生活垃圾循環(huán)利用系統(tǒng)物質(zhì)代謝框架的構(gòu)建

高會苗，戴鐵軍

（北京工業(yè)大學循環(huán)經(jīng)濟研究院，北京 100124）

城市生活垃圾循環(huán)利用系統(tǒng)物質(zhì)代謝框架的構(gòu)建

高會苗，戴鐵軍

（北京工業(yè)大學循環(huán)經(jīng)濟研究院，北京 100124）

討論了傳統(tǒng)的物質(zhì)流分析（MFA）方法用于城市生活垃圾代謝分析的適用性及不足之處，在此基礎(chǔ)上結(jié)合城市生活垃圾的處理流程，對傳統(tǒng)的MFA框架進行了改進，構(gòu)建了適合城市生活垃圾代謝分析的框架，并對新框架的3個模塊進行了詳細的說明，建立了相應(yīng)的評價指標體系并給出了應(yīng)用實例。城市生活垃圾循環(huán)利用系統(tǒng)物質(zhì)代謝分析框架能夠清楚地描述生活垃圾進入經(jīng)濟系統(tǒng)后的具體流向和流量，為描述城市生活垃圾的代謝情況提供了定性及定量化的分析工具。

城市生活垃圾；物質(zhì)代謝分析；物質(zhì)流分析；框架；指標

近年來，我國城市化進程加速發(fā)展，人口數(shù)量迅猛增長，隨之而來的是廢棄物的大量增加。國家統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，1990年我國城市生活垃圾清運量為0.67億t，2000年為1.18億t，2010年則增長到1.58億t，垃圾產(chǎn)量增長迅速。目前我國城市生活垃圾累積堆存量已經(jīng)達到70億t[1]，占地面積5.33 hm2，且以平均每年4.8%的速度持續(xù)擴大。預(yù)計，到2030年我國城市生活垃圾產(chǎn)量將達到4.09億t，2050年達到5.28億t[2]。隨著可利用資源的日趨減少以及環(huán)境問題的加劇，人們的環(huán)保意識逐漸增強，各大中城市開始重視生活垃圾處理問題，在垃圾的分類回收和處理處置方面制定了一系列減量化措施，但實施效果并不樂觀。

在對城市生活垃圾問題研究的理論和方法上，國內(nèi)學者主要從垃圾處置方式的選擇與評價、垃圾收費制度的設(shè)計、垃圾收費模式的選擇、垃圾的產(chǎn)量預(yù)測、垃圾中轉(zhuǎn)站選址優(yōu)化，以及對國外生活垃圾管理現(xiàn)狀[3-5]、處置方式[6-9]的介紹等方面進行了廣泛的研究，并取得了一定的成果。但從循環(huán)經(jīng)濟的視角和系統(tǒng)論的觀點來看，這些成果還顯得思路狹窄、研究方法過于單一，缺少對城市生活垃圾處置系統(tǒng)的整體規(guī)劃與評價研究。物質(zhì)代謝思想為系統(tǒng)地研究城市生活垃圾的具體流向和流量提供了理論指導，而物質(zhì)流分析作為其主要的分析工具，為研究工作提供了方法上的有力支持。以城市生活垃圾循環(huán)利用系統(tǒng)為研究對象，采用改進的物質(zhì)流分析模型對城市生活垃圾的產(chǎn)生、排放、回收、再循環(huán)、再利用、最終處置等一系列流動過程進行分析，定性及定量化地描述廢棄資源的再利用水平，可用于分析如何選擇廢棄物循環(huán)利用路徑以實現(xiàn)經(jīng)濟效益和環(huán)境效益的雙贏，為生活垃圾的管理者提供決策依據(jù)。

1 物質(zhì)代謝分析方法

從生態(tài)學的角度來看，城市發(fā)展的資源環(huán)境問題可以歸結(jié)為城市物質(zhì)代謝在時間或者空間上的錯位或缺失[10]。因此，對于城市生活垃圾（Municipal Solid Waste，MSW）循環(huán)利用系統(tǒng)中垃圾回收、利用及處理處置的研究，可以從物質(zhì)代謝的角度入手，深入的探討城市生態(tài)環(huán)境與垃圾的產(chǎn)生、垃圾的管理及垃圾處理處置等相互間的作用關(guān)系。

物質(zhì)代謝分析需借助一定的方法才得以開展，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，物質(zhì)流分析（Material Flow Analysis,MFA）能夠?qū)μ囟〞r間和空間下系統(tǒng)中物質(zhì)的流動及儲存予以評價，揭示物質(zhì)在特定區(qū)域內(nèi)的流動特性和轉(zhuǎn)換率[11]，這種特征促使其在物質(zhì)代謝分析中得以廣泛應(yīng)用，它為物質(zhì)代謝研究的開展提供了有力的方法支持。

2 M FA方法用于MSW代謝分析的適用性

MFA的主要任務(wù)是理清進入經(jīng)濟系統(tǒng)的物質(zhì)流的變化以及它們之間的相互關(guān)系，分析物質(zhì)的使用總量和使用強度，控制有毒有害物質(zhì)的投入和流向。目的是從中找到節(jié)省自然資源、改善環(huán)境的途徑，以推動系統(tǒng)向可持續(xù)發(fā)展的方向轉(zhuǎn)化，物質(zhì)流分析遵循物質(zhì)守恒定律。與之類似，MSW循環(huán)利用系統(tǒng)物質(zhì)代謝分析的任務(wù)是弄清各種垃圾在產(chǎn)生、回收、再利用、處理處置環(huán)節(jié)流向和流量的變化以及它們之間的相互影響，分析垃圾的資源化水平。目的是從中發(fā)現(xiàn)垃圾管理和處置方式的不合理之處并有針對性地對其進行改善，以提高垃圾的回收及資源化利用率，減少填埋量，從而節(jié)約自然資源和能源，減少環(huán)境污染。

總體看來，二者的研究思路以及所遵循的原則是相同的。但由于具體的研究對象及研究目的不一樣，將傳統(tǒng)的MFA框架用于垃圾代謝的分析還存在一些不適用的地方，其差異主要體現(xiàn)在以下兩個方面。

2.1 研究的側(cè)重點不同

傳統(tǒng)的MFA偏重于研究系統(tǒng)邊界上物質(zhì)的輸入、輸出及其背后的隱藏流，關(guān)注的是原料的開采量、轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)品的輸出量以及系統(tǒng)內(nèi)的經(jīng)濟活動帶來的環(huán)境污染。試圖通過分析發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟活動存在的不合理之處，并針對不足，采用改變原料、改進工藝流程、使用先進的技術(shù)和設(shè)備及改善管理等方法，達到提高資源和能源的利用效率，減少污染物的產(chǎn)生和排放的目的。但是對于城市生活垃圾代謝的研究，若僅單純討論垃圾的輸入與輸出總量的問題顯得意義不大。原因在于城市生活垃圾的產(chǎn)量為不可控因素，不是希望減少系統(tǒng)內(nèi)垃圾的投入量就能減少的，隨著城市化進程加快，城市人口的增加以及人們生活水平的提高，城市生活垃圾的產(chǎn)生總量必然增加。相對于自然資源，它是目前唯一增長的資源，且成分復雜，成分不同的垃圾其再利用的方式也會有很大差別，因此，除了關(guān)注垃圾的產(chǎn)生量，更應(yīng)該關(guān)注它的組成，對系統(tǒng)投入端垃圾的種類及量應(yīng)有更加細致的描述。垃圾是放錯地方的資源，若垃圾的分類、回收處理方法得當，可憑借先進的技術(shù)和設(shè)備將其轉(zhuǎn)變成產(chǎn)品，繼續(xù)為人們服務(wù)或創(chuàng)造價值，在一定程度上可以減少自然資源和能源開采，這對社會的可持續(xù)發(fā)展具有重意義。從資源化的結(jié)果來看，大部分紙、塑料、金屬及玻璃類廢棄物均可回收再利用，餐廚垃圾可做堆肥處置，再利用難度較大的可燃垃圾可做焚燒處理，產(chǎn)生的能量可用于發(fā)電，最后沒有任何價值利用的垃圾只能選擇填埋處置。垃圾代謝研究的最終目的就是要提高垃圾的資源化水平，減少垃圾的最終填埋量，將對環(huán)境的不利影響降到最小，因此，對生活垃圾代謝的研究應(yīng)更側(cè)重于垃圾產(chǎn)生后的回收、循環(huán)、再利用、資源化處理的過程，故循環(huán)利用系統(tǒng)部分還需要進一步細化。相應(yīng)的，用于表征其回收、循環(huán)、再利用及資源化效率的分析指標及計算也需重新設(shè)定。

2.2 研究的基礎(chǔ)條件不同

MFA的基本觀點是人類活動所產(chǎn)生的環(huán)境影響某種程度上取決于進入經(jīng)濟系統(tǒng)的物質(zhì)數(shù)量以及從經(jīng)濟系統(tǒng)排入環(huán)境的廢棄物的數(shù)量[12]，因此多偏重于研究國家、區(qū)域或企業(yè)層面上原料的開采及轉(zhuǎn)化效率，以及廢棄物的排放情況。研究對象的起點通常是從自然界開采或者進口的物質(zhì)，由于這類物質(zhì)經(jīng)濟價值比較高，人們對其具體的流量和流向有較為完善的統(tǒng)計，且已形成比較成熟的分析框架和指標體系，對于某一種物質(zhì)、元素或某一經(jīng)濟系統(tǒng)的研究都比較適用。而城市生活垃圾的處理及利用過程屬于逆向物流過程，對城市生活垃圾循環(huán)利用系統(tǒng)研究的起點是被使用后廢棄的物質(zhì)。由于廢棄物產(chǎn)生源廣，種類繁多，流通渠道混亂，加之我國對廢棄物再生利用的重視程度不夠，導致對廢棄物的產(chǎn)生量以及資源化利用量等方面的數(shù)據(jù)缺乏權(quán)威而詳實的統(tǒng)計，傳統(tǒng)的MFA框架和分析指標已不能滿足對其代謝過程的分析，因此，需對其進行改進，以適應(yīng)垃圾代謝分析的需要。

3 MSW循環(huán)利用系統(tǒng)物質(zhì)代謝模型的建立

3.1 研究范圍界定

進行MFA時，首先應(yīng)界定研究系統(tǒng)的系統(tǒng)邊界，一般來說物質(zhì)流分析的系統(tǒng)邊界由地理邊界和邏輯邊界兩部分組成[13]。

地理邊界的界定。國家層面的MFA研究一般選擇國界線作為地理邊界，而對于城市層面的研究，由于研究目的不同而存在多種選擇方案，如以市級行政邊界為依據(jù)或只考慮市區(qū)范圍，或是選擇并不連續(xù)的地區(qū)。但無論采用何種地理邊界，均需給出明確的說明，本研究的系統(tǒng)邊界是指人們進行生活活動的城市市區(qū)。

邏輯邊界的界定。對本研究來說，根據(jù)研究目的，僅考慮對研究結(jié)果產(chǎn)生影響的物質(zhì)——城市生活垃圾。按照《城市垃圾產(chǎn)生源分類及垃圾排放》CJ/ T3033—1996標準，城市垃圾按產(chǎn)生源可以分為九類：居民生活垃圾、清掃垃圾、商業(yè)垃圾、工業(yè)單位垃圾、事業(yè)單位垃圾、交通運輸垃圾、建筑垃圾、醫(yī)療衛(wèi)生垃圾和其他垃圾 本研究所指的城市生活垃圾既不局限于居民生活垃圾，也不是泛指城市垃圾，具體包括城市垃圾中七類，即居民生活垃圾、清掃垃圾、商業(yè)垃圾、工業(yè)單位垃圾、事業(yè)單位垃圾和交通運輸垃圾，建筑垃圾和醫(yī)療衛(wèi)生垃圾不包括在城市生活垃圾范圍內(nèi)。

3.2 城市生活垃圾的處理流程

對城市生活垃圾代謝情況進行分析，應(yīng)對垃圾的處理流程有全面的了解，掌握垃圾的具體流向。一般來說，商品在完成它的使用價值之后便成為廢棄物，這些廢棄物中部分經(jīng)濟價值較高的會被當成廢品出售，進入到回收環(huán)節(jié)，而其他經(jīng)濟價值較低或不具有經(jīng)濟價值的則被人們丟棄成為垃圾。垃圾是放錯了地方的資源，也是目前總量唯一增長的資源，對不同性質(zhì)的垃圾若采取適當?shù)奶幹梅绞?，對社會來說是一種彌足珍貴的財富。然而，由于生活垃圾的來源廣泛、成分復雜，且不同性質(zhì)的垃圾往往混合在一起，給后續(xù)的處置過程帶來了極大的困難，不利于資源化處理。從處理流程來看，垃圾分類越早，對其進行再利用的步驟就越少，其再利用價值越高，對環(huán)境造成的污染也越小，圖1是對城市生活垃圾處理流程的概括。

3.3 MSW循環(huán)利用系統(tǒng)代謝框架的建立

根據(jù)研究對象構(gòu)建合理的分析框架和指標體系，是采用物質(zhì)流分析方法進行物質(zhì)代謝研究的重要前提，傳統(tǒng)的物質(zhì)流分析框架包括物質(zhì)投入端、經(jīng)濟系統(tǒng)和物質(zhì)輸出端三大部分。

其中，物質(zhì)投入端包含了輸入系統(tǒng)的所有物質(zhì)，包括由本國自然環(huán)境中開采的各種原料，國內(nèi)隱藏流，以及從其他國家和地區(qū)進口的成品、半成品和原料；經(jīng)濟系統(tǒng)連接著物質(zhì)投入端和物質(zhì)輸出端，是影響兩端物質(zhì)流量的重要樞紐，它是物質(zhì)流分析框架的核心部分；物質(zhì)輸出端則主要包括國內(nèi)加工產(chǎn)出物質(zhì)、出口物質(zhì)和國內(nèi)隱藏流。根據(jù)研究對象的變化，結(jié)合上述城市生活垃圾的處理流程，對傳統(tǒng)的MFA框架進行改進，得到垃圾循環(huán)利用系統(tǒng)的物質(zhì)代謝框架，如圖2。

圖2 城市生活垃圾循環(huán)利用系統(tǒng)物質(zhì)代謝框架

城市生活垃圾循環(huán)利用系統(tǒng)的物質(zhì)代謝框架由三大模塊構(gòu)成，分別為系統(tǒng)投入端、循環(huán)利用系統(tǒng)和系統(tǒng)輸出端。系統(tǒng)投入端描述的是城市生活垃圾產(chǎn)生總量，由廚余垃圾、廢紙、廢塑料、廢玻璃、廢金屬及其他（廢織物、木質(zhì)廢棄物、渣土）組成。再生利用系統(tǒng)描述生活垃圾的具體流量和流向，包括生活垃圾的一次分揀回收量、分選回收量、堆肥量、再利用量、再循環(huán)量等。一次分揀回收量是指垃圾進入垃圾桶之前，被有償回收的量；清運量是指被環(huán)衛(wèi)人員收集的垃圾量；無害化處理量包括在垃圾中轉(zhuǎn)站分選出來的可回收利用量、用于堆肥的垃圾量、最終處置的垃圾量；再利用量是指基本不改變舊制品的原貌，僅對其進行適當清潔或修整等簡單工序后經(jīng)過性能檢測合格，直接回用的量；再循環(huán)量是指經(jīng)過破碎、回爐等專門工藝加工形成再生原材料，用于替代傳統(tǒng)形式的原生材料的量。系統(tǒng)輸出端則記錄了再生產(chǎn)品和再生能量的輸出流量和流向。按城市生活垃圾的原料來看，城市生活垃圾主要由廚余垃圾、廢紙、廢玻璃、廢金屬等組成，因此，系統(tǒng)輸出端主要表征再生紙、再生玻璃、再生金屬、再生能量、肥料的輸出量。

3.4 分析指標設(shè)定

根據(jù)研究目的設(shè)置合適的指標體系，是進行物質(zhì)流分析的重要任務(wù)。從已有的研究成果可以看出，物質(zhì)流分析中常用的指標主要有三大類：投入指標、消耗指標和產(chǎn)出指標[15]。投入指標反映的是物質(zhì)投入端國內(nèi)資源的開采及進口情況，主要包括直接物質(zhì)投入量、物質(zhì)總需求量和國內(nèi)物質(zhì)消耗量；消耗指標反映了經(jīng)濟系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)的消耗及庫存情況，主要包括物質(zhì)總消耗量、庫存凈增加量；產(chǎn)出指標則反映了物質(zhì)輸出端產(chǎn)品的輸出及廢棄物的排放情況，主要包括國內(nèi)制造產(chǎn)出量、國內(nèi)物質(zhì)總產(chǎn)出量。此外，還有一些表征經(jīng)濟或人口增長與資源、能源消耗的關(guān)系的指標以及環(huán)境效率的指標。

根據(jù)本文研究目的，城市生活垃圾循環(huán)利用系統(tǒng)物質(zhì)代謝的研究重點關(guān)注的是輸入系統(tǒng)的垃圾回收、循環(huán)利用、資源化的能力及潛力。相對于前端垃圾的輸入與終端再生產(chǎn)品輸出，此部分具有很強的可操作性。結(jié)合現(xiàn)有城市生活垃圾統(tǒng)計體系建立合適的測算指標，以表征城市生活垃圾資源化潛力的變化，為評價城市生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展能力提供參考。表1列出了用于城市生活垃圾代謝分析所設(shè)定的指標。

表1 垃圾代謝指標

3.5 應(yīng)用舉例

根據(jù)構(gòu)建的MSW代謝框架及分析指標，對北京市2006年的城市生活垃圾各個流向的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和測算，繪制出北京市2006年城市生活垃圾循環(huán)利用系統(tǒng)物質(zhì)代謝分析圖，如圖3。

圖3 2006年北京市城市生活垃圾循環(huán)利用系統(tǒng)物質(zhì)代謝分析

如圖3所示，2006年北京市城市生活垃圾產(chǎn)量為748.9萬t，其中一次回收量為163.8萬t，占垃圾產(chǎn)生總量的21.9%，其余將近80%的垃圾被丟棄，由環(huán)衛(wèi)部門清運。被清運垃圾中餐廚垃圾量為395.5萬t，所占比重最大，為67.6%，但是卻僅有19.6萬t的餐廚垃圾用于堆肥處理，剩余的375.9萬t則與其他垃圾混合收集，最后被填埋處置。從成分上來看，廚余垃圾主要為有機物質(zhì)，堆肥潛力大，如果從一開始就將廚余垃圾與其他生活垃分開收集，單獨處理，堆肥率將大大提高，同時避免了與其他垃圾的交叉污染，有利于其他垃圾的分揀處置，有助于其他垃圾的資源化再利用，從而減少垃圾的最終填埋處理量。

廢玻璃、廢金屬由于回收價值比較高，大部分未被混合丟棄，而是直接進入回收渠道，因此在清運的垃圾中所占比例很小，分別為1.76%和0.27%；部分塑料類和紙類的生活垃圾由于經(jīng)濟價值比較低，大部分被混合丟棄，所占比重分別達到12.7%和11.1%；另外還有6.57%的廢織物、渣土等其他垃圾。從圖3中可以看出，被清運的垃圾中，用于無害化處理（包括焚燒、堆肥和填埋）的垃圾量占85%，另有15%的垃圾被二次回收，在進行無害化處理的垃圾中，被焚燒處理的不到2%，作為堆肥原料的也僅為3.94%，近94%的垃圾被填埋處置，填埋量為468.3萬t。

從整體來看，投入再生利用系統(tǒng)的垃圾總量為251.2萬t，垃圾循環(huán)利用率為33%。這主要是因為我國歷來就有收舊利廢的傳統(tǒng)，受廢品回收市場和拾荒者的影響，絕大部分廢舊物資在進入清運渠道之前已經(jīng)得到了回收，使部分價值高的廢品得以回收利用。與國外一些垃圾回收率較高國家和地區(qū)相比，北京市垃圾回收水平不是太低，可以說，絕大多數(shù)價值稍高的廢舊物資得到了回收，只有一些價值很低、回收成本高的廢品才真正進入排放渠道。因此，在制定所謂的回收率目標時，不能僅把注意力放在排放清運的那部分垃圾上，對清運的垃圾采取合理的無害化處置方式才是需要關(guān)注的重點。目前，國外發(fā)達國家的生活垃圾除了被回收利用外，大部分以焚燒和堆肥的形式得以資源化利用，其中，德國、瑞典、新加坡、丹麥等國家的垃圾填埋率均在5%以下，相比之下，北京垃圾的填埋量占垃圾清運量的近94%，垃圾無害化處理方式不合理才是造成北京市垃圾圍城問題的直接原因，而其根源則是垃圾源頭分類不當，導致大量混合收集的垃圾達不到焚燒和堆肥處置的要求，最終只能填埋處置。

由于本研究重點關(guān)注的是生活垃圾的源頭及處理過程減量化問題，反映到分析指標上則主要為生活垃圾的產(chǎn)生量、回收量及回收率、循環(huán)再利用量及再利用率，以及垃圾的堆肥、焚燒、填埋的量及比例。而對于再生產(chǎn)品輸出量，對研究垃圾減量化問題意義不大，加之統(tǒng)計數(shù)據(jù)的缺失，因此對系統(tǒng)輸出端產(chǎn)品的輸出量未作詳細說明。

4 結(jié)論

根據(jù)物質(zhì)流分析的基本思路和原則，介紹了MFA方法用于MSW代謝分析的適用性，并指出傳統(tǒng)MFA分析用于城市生活代謝分析的不足。結(jié)合城市生活垃圾的處理流程及研究目的，對傳統(tǒng)的MFA框架及指標體系進行改進，構(gòu)建了適用于城市生活垃圾代謝分析的框架及分析指標，并給出應(yīng)用實例。所建立的城市生活垃圾代謝分析框架和指標體系可用于評價城市生活垃圾的回收、再利用水平及其資源化潛力，可為生活垃圾的管理決策者在進行垃圾管理系統(tǒng)的規(guī)劃、管理方面提供決策依據(jù)。

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M etabolism framework on recycling system construction ofmunicipal solid waste

GAO Huimiao，DAITiejun
（Institute of Recycling Economy,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China）

The paper discussed the shortages of traditional M aterial Flow Analysis w hen it is used to analyze the M unicipal Solid W aste (MSW)m etabolism.Com bined w ith the MSW disposal process,the fram e and indexes of the traditional MFA w ere im proved,and a new fram ew ork w as built w hich w as suitable for the MSW m etabolism analysis. The three parts of the new fram ew ork w ere described in detail,and the new index system w as also given.Lastly,an application exam ple w as given.The MSW m etabolism fram ew ork can show the flow directions and flow quantities of MSW clearly in the econom ic system,and provide qualitative and quantitative analysis tools for describing the m etabolism of MSW.

m unicipal solid w aste;m aterialm etabolic analysis;m aterial flow analysis;fram ew ork,index

2014－03－17）

X799.3

A

1674-0912（2014）04-0009-06

北京市重點學科“資源、環(huán)境及循環(huán)經(jīng)濟”（033000541213004）

高會苗（1987-），女，河北保定人，碩士，研究方向：廢物管理與廢物經(jīng)濟。