云南省城市生活垃圾處理溫室氣體排放特征

鄒 瓊，付君哲，楊麗瓊，李 穎

（云南省生態(tài)環(huán)境科學研究院，云南 昆明650034）

當前，全球氣候變暖已毋庸置疑，其中人類活動對氣候系統(tǒng)的影響最為明顯，許多觀測到的變化在以前的幾十年至幾千年期間前所未有，如大氣和海洋升溫、雪量和冰量下降、海平面上升［1］。1901—2018年，我國地表年平均氣溫呈顯著上升趨勢，地表年平均氣溫上升了1.24℃/10a，高于全球平均值，近20 年是20 世 紀 初 以 來 的 最 暖 時 期［2，3］。固 體 廢棄物處理特別是城鎮(zhèn)生活垃圾的處理是溫室氣體排放的重要源，其排放的溫室氣體根據(jù)處理方式的不同主要有CH4和CO2，這兩種氣體是影響地球輻射平衡的長壽命溫室氣體，在全部長壽命溫室氣體濃度升高所產(chǎn)生的總輻射強迫中的貢獻率分別為66%和17%［4］。有研究表明，CH4是形成臭氧污染物的重要前驅體，貢獻約占13%［5］。迄今為止，云南省共開展了省級層面2005 年、2010 年、2012 年、2014 年、2016 年和2018 年6 個年度跨14 年的溫室氣體排放清單核算。清單結果顯示，云南省城鎮(zhèn)生活垃圾處理排放從2005 年的183 萬t CO2當量增加到2018 年的536 萬t CO2當量，占廢棄物處理總排放量的66%—78%。云南省共有16 個州（市），各州（市）社會經(jīng)濟發(fā)展存在較大的差異，研究和評估云南省城市生活垃圾處理的溫室氣體排放量、空間分布、時間變化規(guī)律和影響因素是掌握云南省城市生活垃圾處理場（廠）（“場”指垃圾填埋場，“廠”指垃圾焚燒發(fā)電廠及其他）排放清單，制定相關排控政策和規(guī)劃行業(yè)發(fā)展的重要依據(jù)［6］?？茖W核算和評估生活垃圾處理產(chǎn)生的溫室氣體排放量，對開展污染物與溫室氣體協(xié)同減排也有著重要意義［7，8］。

本研究在2018 年云南省各州（市）的生活垃圾處理量數(shù)據(jù)和處理方式基礎之上，通過IPCC推薦的方法核算了CO2和CH4的排放清單，分析了兩種溫室氣體排放的時空分布和影響因素，并提出了針對性的減排對策建議。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域與對象

本研究的時間范圍為2005—2018 年，區(qū)域范圍為云南省16 個州（市），研究對象為區(qū)域內(nèi)城鎮(zhèn)生活垃圾處理場（廠）運行過程中釋放的兩種溫室氣體CO2和CH4。

1.2 溫室氣體排放清單估算方法

編制地方溫室氣體排放清單時參考的指南主要有《IPCC 國家溫室氣體清單》（1996 年修訂版）《IPCC2000 國家溫室氣體清單優(yōu)良做法指南和不確定性管理》《IPCC2006 年國家溫室氣體清單指南》。目前，《IPCC1996 指南》和《IPCC優(yōu)良做法指南》依然是氣候變化框架公約（UNFCCC）非附件一國家的法定指南［9］，我國為非附件一國家之一。為了開展省級層面的清單核算，2011 年國家發(fā)展改革委員會牽頭編寫了《省級溫室氣體清單編制指南（試行）》。《IPCC1996 指南》《IPCC 優(yōu)良做法指南》是本研究的主要參考方法。生活垃圾處理的方法主要分為填埋和焚燒，其中填埋產(chǎn)生的溫室氣體主要為CH4，焚燒產(chǎn)生的溫室氣體則為CO2。

CH4：CH4排放主要針對垃圾填埋場。《IPCC1996 指南》推薦的填埋垃圾處理CH4排放計算方法主要包括FOD（一階衰減法）方法和質(zhì)量平衡法（缺省方法）。一階衰減方法提出，隨時間變化的CH4排放可較好反映廢棄物隨時間的降解過程，但該方法需要近幾十年廢棄物產(chǎn)量、成分和處置情況等歷史數(shù)據(jù)，較適用于單獨的填埋場或一組特殊的填埋場；質(zhì)量平衡法假設當年填埋的生活垃圾潛在的甲烷在處理當年就全部排放完［10，11］，較適合區(qū)域層面溫室氣體的估算，是省級層面清單普遍采用的方法。本研究采用質(zhì)量平衡法進行核算，計算公式為：

式中，CH4Emissions表示甲烷排放量，單位為萬t/a；MSW表示城市生活垃圾填埋處理量，單位為萬t/a；L0表示不同管理類型垃圾填埋場的甲烷產(chǎn)生潛力，本研究中主要分為規(guī)范填埋和簡易填埋兩大類，單位為萬tCH4/萬t 廢棄物；R 表示甲烷回收量，單位為萬t/a；OX表示氧化因子；MCF表示不同管理類型垃圾填埋場的甲烷修正因子；DOC 表示生活垃圾中可降解有機碳，單位為kgC/kg 廢棄物；DOCF 表示可分解的DOC 比例，單位為%；F 表示垃圾填埋氣體中的甲烷比例，單位為%；16/12 為碳轉為成甲烷的轉換系數(shù)。

CO2：指固體廢棄物在可控的焚化設施中焚燒產(chǎn)生的二氧化碳排放。本研究焚燒的廢棄物類型僅指生活垃圾，不含醫(yī)療廢物等危險廢物。

式中，CO2Emissions表示廢棄物焚燒處理的CO2排放量，單位為萬t/a；IW 表示生活垃圾焚燒量，單位為萬t/a；CCW 表示生活垃圾中碳含量比例，單位為%；FCF表示生活垃圾中礦物碳在碳總量中的比例，單位為%；EF表示生活垃圾焚燒爐的燃燒效率，單位為%；44/12 為碳轉換成CO2的轉換系數(shù)。

1.3 排放因子

排放因子是估算溫室氣體排放量的重要參數(shù)，本研究對生活垃圾處理排放因子采用指南推薦值與地區(qū)特征值結合的方法，其中DOC、CCW、FCF 3 項主要的排放因子均在各核算年本地調(diào)研基礎上采用了地方特征因子。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本研究開展了核算年份的水平數(shù)據(jù)采用當年官方口徑數(shù)據(jù)，中間未開展核算年份的排放數(shù)據(jù)采用相近年份內(nèi)插獲得（如2011 年溫室氣體排放量采用2010 年和2012 年的內(nèi)插值），用于分析的各年GDP、人口等數(shù)據(jù)則采用2006—2019 年《云南省統(tǒng)計年鑒》數(shù)據(jù)，CH4和CO2的百年全球增溫潛勢分別采用21 和1。

2 結果及分析

2.1 2018 年溫室氣體排放空間分布

2018年云南省16 個州（市）垃圾處理場（廠）數(shù)量和CH4、CO2排放情況見圖1，城市生活垃圾處理場（廠）溫室氣體對云南省排放總量的貢獻率見圖2。從圖1 與圖2 可見，2018 年云南省16 個州（市）城市生活垃圾溫室氣體排放總量為536 萬t CO2當量，其中排放量最高的地區(qū)為昆明市，達到79.1 萬t CO2當量，排放量最低的地區(qū)為怒江傈僳族自治州，為5.6 萬t CO2當量。各州（市）城市生活垃圾處理場（廠）數(shù)量和溫室氣體排放量總體呈現(xiàn)正相關關系，且各州（市）分布極不平衡，差異顯著。排放量較多的州（市）主要集中在經(jīng)濟較發(fā)達的滇中地區(qū)和人口分布密度大的滇東北地區(qū)，其中昆明、紅河和昭通位列前三名，3 個州（市）的排放量占云南省總排放量的34.58%；而滇西北的怒江州、迪慶州溫室氣體排放量最低，僅占排放量的2.89%，呈現(xiàn)出經(jīng)濟水平較高和人口較多的地區(qū)明顯高于經(jīng)濟不發(fā)達、人口分布少的西北部偏遠和高寒地區(qū)。

圖1 2018 年云南省16 個州（市）垃圾處理溫室氣體排放清單

圖2 2018 年云南省16 個州（市）垃圾處理溫室氣體排放占比

云南省16 個州（市）城鎮(zhèn)人均溫室氣體排放量分布情況見圖3。從圖3 可見，2018 年云南省城鎮(zhèn)人均碳排放強度為232kg/人·a，但由于地區(qū)差異極大，各州（市）人均碳排放量差異明顯：滇中地區(qū)盡管排放量較大，但由于人口數(shù)較大，碳強度相對較低，其中昆明、曲靖、楚雄和大理均低于200kg/人·a，而滇西北地區(qū)盡管排放量較低，但由于人口數(shù)量較少，碳強度相對較高，其中迪慶州則高達667kg/人·a 以上，是滇中地區(qū)的3 倍以上。從生活垃圾處理的方式來看，2018 年云南省16 個州（市）共有11 座垃圾焚燒發(fā)電廠，其中昆明市有6 座，均占全省總數(shù)的54.5%，6 座垃圾焚燒廠處理的生活垃圾量約占全省垃圾焚燒處理總量的50.6%，約占昆明市垃圾處理總量的87.7%，而填埋處理僅占了12.3%，是16個州（市）中唯一一個以焚燒處理方式為主的地區(qū)。

圖3 2018 年云南省16 個州（市）垃圾處理溫室氣體人均排放分布

2.2 生活垃圾處理溫室氣體排放時間變化特征

2005—2018 年云南省城市生活垃圾溫室氣體排放的變化情況見圖4。從圖4 可見，云南省各州（市）生活垃圾處理場（廠）數(shù)量總體呈現(xiàn)增長的態(tài)勢，由2005 年的36 座增加到2018 年的116 座；生活垃圾處理排放總量呈現(xiàn)穩(wěn)定增長，由2005 年的183萬t CO2當量增加到2018 年的536 萬t CO2當量。在生活垃圾處理排放的兩種溫室氣體中，CH4的排放量最大，其次是CO2，說明云南省各市（州）生活垃圾處理目前仍是以衛(wèi)生填埋為主，但焚燒處理的比重在逐漸增加，CH4、CO2兩種氣體的比重2005 年分別為99.6%和0.4%，2018 年分別為87%和13%，CO2排放量增加了12.6%。由于填埋處理的排放因子大于焚燒處理，且CH4的增溫潛勢高于CO2，處理同樣質(zhì)量的城市生活垃圾填埋產(chǎn)生的溫室氣體排放量約為焚燒處理的17 倍左右［12］，因此焚燒是更有利于溫室氣體減排的處理方式。根據(jù)《云南省生活垃圾焚燒發(fā)電中長期專項規(guī)劃（2019—2030 年）》，到2030年底，云南省生活垃圾焚燒處理能力占無害化處理總能力要達到60%，設市城市生活垃圾焚燒處理能力占無害化處理總能力達到70%以上，同時實現(xiàn)設市城市生活垃圾焚燒處理能力全覆蓋［13］，未來焚燒處理的比例會有顯著的提升，CO2所占的比例將快速增長。

圖4 2005—2018 年云南省生活垃圾處理溫室氣體排放變化

本文根據(jù)2005—2018 年云南省各州（市）各年份填埋處理量和焚燒處理量對應排放的溫室氣體量，核算出處理單位生活垃圾的溫室氣體產(chǎn)率分別為填埋處理0.44—1.13kgCO2/kg 廢棄物，焚燒產(chǎn)率為0.24—0.33kgCO2/kg廢棄物，與表1 中相關研究的數(shù)據(jù)進行對比，結果在相近的范圍內(nèi)。

表1 類似研究結果對照

2.3 溫室氣體排放量影響因素分析

影響生活垃圾處理溫室氣體排放的因素較多，圖5—7 分別顯示了2005 年、2010 年、2012 年、2014年、2016 年、2018 年云南省各州（市）生活垃圾處理年溫室氣體排放量和區(qū)域GDP、城鎮(zhèn)人口數(shù)、處理垃圾量的相關性。分析來看，云南省各州（市）溫室氣體排放與GDP、人口、垃圾處理量具有線性關系，在P ＜0.01 水平上顯著相關，相關系數(shù)分別為0.78、0.83和0.79，其中與人口數(shù)量關系最為密切，而地區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展水平又往往決定了垃圾處理場（廠）的管理和運行水平，管理越規(guī)范的垃圾處理場（廠）越有利于提高溫室氣體的處理效率。事實上，影響溫室氣體排放量的因素除以上幾項重要因素外，生活垃圾的組成、顆粒大小、含水率、溫度和PH 值等都有著密切的關系［19］。從各核算年對生活垃圾成分的調(diào)研統(tǒng)計來看，隨著人們生活水平的提高，垃圾中有機碳的成分從2005 年的0.106 提高到2018 年的0.206，增長了近1 倍，而垃圾中有機碳的成分直接導致單位質(zhì)量的生活垃圾溫室氣體排放量的增加。

圖5 2005—2018 年云南省溫室氣體排放與GDP變化關系

圖6 2005—2018 年云南省溫室氣體排放與人口變化關系

圖7 2005—2018 年云南省溫室氣體排放與垃圾處理量變化關系

3 結論和建議

根據(jù)IPCC國家溫室氣體清單指南和省級溫室氣體清單指南方法建立了2018 年云南省16 個州（市）城市生活垃圾處理溫室氣體排放清單，包括生活垃圾填埋和焚燒處理過程，分析了溫室氣體排放的時間分布、空間分布和影響因素等，得出以下主要結論：①本研究建立了2018 年云南省城市生活垃圾處理場（廠）的溫室氣體排放清單，溫室氣體排放總量為536 萬t CO2當量，CH4、CO2排放量分別為466萬t CO2當量和70 萬t CO2當量，排放的地區(qū)差異明顯，滇中經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)和滇東北人口密度較高地區(qū)排放量較高，滇西北等排放量較低。但人均排放強度卻與之相反，經(jīng)濟越不發(fā)達、人口密度越低的地區(qū)排放強度遠遠超過經(jīng)濟發(fā)達的滇中地區(qū)。②2005—2018 年云南省城市垃圾處理溫室氣體排放總量從183 萬tCO2當量增加到536 萬t CO2當量，兩種氣體所占排放比重發(fā)生變化，CH4比重從99.6%下降到87%，CO2從0.4%提高到13%。其中，昆明市變化最為明顯，2010 年焚燒處理的垃圾量已經(jīng)超過填埋處理量，焚燒溫室氣體排放超過填埋溫室氣體排放量。③影響因素中，地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平、人口數(shù)量和垃圾處理量與垃圾處理溫室氣體排放量具有顯著相關性，其中人口數(shù)量增長最為明顯。

伴隨人口增長和城市發(fā)展，城市生活垃圾處理產(chǎn)生的溫室氣體排放量呈現(xiàn)剛性增長，應從資源循環(huán)利用的角度，加大生活垃圾的資源化利用，加快開展垃圾分類和回收利用，從根本上減少垃圾的產(chǎn)生和處理量。生活垃圾處理的兩種主要方式為焚燒和填埋，同等量同成分的生活垃圾焚燒處理產(chǎn)生的溫室氣體排放量顯著低于填埋產(chǎn)生的排放量，因此應更多鼓勵垃圾焚燒發(fā)電，在實現(xiàn)資源化利用同時減少碳排放。在云南省16 個州（市）中，僅昆明市有規(guī)范的垃圾焚燒廠，其他15 個州（市）均以填埋為主，但填埋場收集的甲烷氣體基本沒有回收利用或火炬燃燒處理而是直接排放，應進一步加強管理，完善排放氣的利用和處置，實現(xiàn)生活垃圾處理溫室氣體減排。以臭氧污染為主要特征的空氣質(zhì)量污染是云南省各地當前空氣質(zhì)量保護面臨的共性難題，作為形成臭氧污染物的重要前驅體，今后應加強CH4排放與臭氧形成方面的理論研究。