物質流分析方法在固體廢物管理領域的應用綜述

張莉，張彬，李麗平，趙嘉

(生態(tài)環(huán)境部環(huán)境與經濟政策研究中心，北京 100029)

現(xiàn)代的固體廢物管理包含多重目標，包括保護健康和環(huán)境、保障資源、無害化處理等[1]。近年來，在不同的目標指引下，我國固體廢物以及循環(huán)經濟相關管理政策密集出臺，如審議通過新修訂的《中華人民共和國固體廢物污染環(huán)境防治法》，進一步明確了“固體廢物污染環(huán)境防治堅持減量化、資源化和無害化的原則”，開展“無廢城市”建設試點、城市礦產示范基地建設，推行生活垃圾分類制度等。管理環(huán)節(jié)覆蓋固體廢物全周期，體現(xiàn)了對于固體廢物管理系統(tǒng)性和科學性的更高要求。

1 物質流分析方法

物質流分析是一種以物質守恒為基本原理，定量評估具有時空邊界的經濟—環(huán)境系統(tǒng)中物質的存量與流量，從而追蹤物質在該系統(tǒng)中流動的源、路徑和匯的研究方法[1]，它可以有效地刻畫物質代謝系統(tǒng)反饋，支持資源循環(huán)利用和再生相關政策的制定[2]。

廣義的物質流分析主要有兩種形式：一種是針對既定系統(tǒng)內的綜合流，關注物質的總量與結構，稱為宏觀經濟系統(tǒng)物質流分析(EW-MFA)，主要框架如圖1所示，物質對象可包含生物質、化石能源、金屬礦、非金屬礦等；另一種物質流分析則是針對既定系統(tǒng)內的某一特定物質流(如有機物、金屬元素和營養(yǎng)元素等)，稱為元素流分析(SFA)，實際應用中不僅限于元素流，也可以是特定的產品流、物質流等[2-5]。產品層面的物質流研究有助于理解固廢管理系統(tǒng)的運行情況，便于構建利益相關方、政府、固廢處理企業(yè)之間的聯(lián)系，從而服務于處置產能規(guī)劃、技術選擇、資源回收潛力等相關決策；而物質層面的物質流研究可以更直觀展示有價值或有害物質在轉化、運輸、儲存等過程中的相關信息，幫助決策者識別出廢棄物的資源潛力或健康、環(huán)境風險[6]。

圖1 宏觀經濟系統(tǒng)物質流賬戶范圍(轉譯自文獻[7])

從系統(tǒng)范圍來說，固體廢物領域的物質流分析可分為企業(yè)廢棄物、部門廢棄物、區(qū)域廢棄物、國家廢棄物、全球廢棄物等層次[4]。園區(qū)層面的廢物流分析強調不同工業(yè)企業(yè)之間的廢物交換與利用，區(qū)域層面的廢物流分析偏向于研究系統(tǒng)內各主體的協(xié)同，國家、全球層面的廢物流分析則可以從宏觀的視角分析區(qū)域間的資源、廢棄物流動情況。

世界資源研究所(WRI)在其報告《物質流賬戶：制定環(huán)境政策的一個工具》中提出，物質流不僅可用于政府設定戰(zhàn)略目標，還能追蹤環(huán)境政策執(zhí)行的有效性。在固體廢物管理領域，部分發(fā)達國家和地區(qū)已將物質流分析作為政策制定的基礎工具，比如，過去30年，歐洲固體廢物管理政策的工作重點從城區(qū)廢物清除向物質流的綜合管理方面轉變，目的是最大限度地減少廢物的產生，以及盡可能提高廢物再利用的潛力[8]。美國環(huán)保局也基于物質流方法分析城市固體廢棄物的管理情況，并每年發(fā)布評估報告，以提升物質可持續(xù)管理水平[9]。日本為構建循環(huán)型社會采取的3R政策框架也是建立在物質流分析的基礎上，3R即減量化(reduce)，再利用(reuse)和再循環(huán)(recycle)[10]。由此可見，物質流分析已在實踐中作為固廢管理的有效工具，可以推動固體廢物綜合管理體系的建立與完善。

2 物質流分析方法在固體廢物管理領域的應用綜述

結合我國已出臺的各類固體廢物管理相關政策文件要求，可以將我國的固體廢物管理目標大致概括為：源頭減量、資源化利用和環(huán)境影響最小化。

2.1 回溯固體廢物產生源頭，精準推動綠色生產和生活方式

物質流分析涉及物質從開采、制造、消費到廢物處理處置等全過程的流動情況[11]，基于廢物回收利用與處置的逆向流分析可以為上游制造和消費過程的管理決策提供方向，有助于產品設計向更易于回收利用或處理處置的方向發(fā)展(如產品的再生設計、無害化設計、綠色設計、生態(tài)設計等)，還有助于識別出消費環(huán)節(jié)的重點產廢單位，采取有針對性的減量化消費措施。

尤其值得注意的是，王鉆清在進行追問時，直接關注的是我們人類的生存和卑鄙墮落的人性，以至創(chuàng)世的存在。他的詩歌上至天空、宇宙、下至大地和海洋，其開闊的思維和宏大的想象空間，在當代詩壇上可說是獨樹一幟，極具辨識度的。但無論怎樣海闊天空，精騖八極，心游萬仞，王鉆清的“大時空詩”，卻始終能夠巧妙地處理好詩歌寫作的宏大與細微的關系。其最終的落腳點，依然要回到人類的生存現(xiàn)狀和對時間未來的思考：

從生產環(huán)節(jié)來看，歐洲的固體廢物管理制度經歷了從市政部門、立法者或行政區(qū)單方面主導，發(fā)展為國家層面、商品生產者、零售業(yè)多方共同參與的體系，其中最重要的制度內容就是生產者責任延伸，徹底改變其固體廢物管理的經濟本質[8]。物質流分析常被用于電子廢物、廢電池等生產者責任延伸制的研究中[12-13]。Kim Hyunhee等基于韓國不同類型廢電池的物質流，發(fā)現(xiàn)生產者責任延伸制(EPR)僅對于主要種類廢電池回收利用具有促進作用，因此提出應擴大EPR中強制包含的廢電池種類范圍，同時，基于廢電池物質流中回收環(huán)節(jié)存在的短板，提出應從零售商、經銷商角度拓展回收渠道[13]。

從消費環(huán)節(jié)來看，物質流分析通過追蹤城市消費環(huán)節(jié)的環(huán)境影響可以確定減量消費的具體方向。A．Lavers Westin等利用物質流分析與生命周期評價方法，基于44類71種典型產品的消費數(shù)據，分析發(fā)現(xiàn)電子產品是環(huán)境影響最顯著的產品類別，應優(yōu)先采取措施控制其環(huán)境影響[14]。

此外，針對特定行業(yè)的元素流分析，可以從生產消費系統(tǒng)整體出發(fā)，尋求元素最合理的管理方式。比如Huijun Wu等通過刻畫農作物生產—消費系統(tǒng)中的磷元素流動情況，發(fā)現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖業(yè)的磷元素流失最顯著，且城市消費與農作物種植系統(tǒng)的磷使用效率較低，因而提出平衡化學肥料與有機肥料使用、調整牲畜飲食結構、加強牲畜糞便處置設施建設等措施建議，以促進磷元素可持續(xù)管理。

2.2 衡量固廢回收利用水平，保障重要資源可持續(xù)供給

不同的固體廢物具有不同的再生資源利用價值，比如廢金屬、廢玻璃等可以重新恢復其使用價值，廢紙、廢塑料等可以在一定程度上替代原生資源，還有些固體廢物可以經過處理后變?yōu)槿剂嫌突蚴蜌?、直接燃燒發(fā)電、用于建材領域等[15]。

固體廢物“變廢為寶”可以發(fā)揮巨大的資源和能源利用價值，緩解資源和能源供給壓力，而當前我國固體廢物資源利用效率還有待提升。比如，當前我國包裝類廢棄物消耗量快速上升，但由于分布廣、重量輕、附加值低、利用成本高等原因，難以形成完整的再生資源回收利用產業(yè)鏈。此外，大量低值再生資源混入生活垃圾，加大了后端回收分揀難度，能進入回收利用環(huán)節(jié)的只是少量，多數(shù)作為普通垃圾進行焚燒或填埋處置，以廢玻璃為例，我國居民端廢玻璃的回收率不足10%[16]。

物質流分析可以在系統(tǒng)資源利用效率評估、重要資源替代潛力預判、資源化利用路徑選擇等方面加以應用，為科學有效促進固體廢物資源化利用提供方向。

2.2.1 系統(tǒng)資源利用效率評估

基于物質流分析方法，以整個系統(tǒng)內的物質通量作為研究對象，根據實際需要設定固體廢物管理相關指標和目標，可以從宏觀角度分析固體廢物管理系統(tǒng)的有效性及改進方向。比如，Stanisavljevic等(2015)為比較和評估小城市不同固體廢物管理情景的成效，設定了溫室氣體排放、回收利用率、填埋量、質量流量、可生物降解的廢物填埋量、水體氮排放量、能源消耗量和生產量、投資和運營成本8個指標開展評估[17]。Muchangos等(2017)通過追蹤固體廢物的未知去向流，判斷當前固體廢物管理系統(tǒng)中的非法傾倒情況并提出改進方向[18]。

近年來，基于物質流分析方法探索循環(huán)經濟評價體系的研究越來越多，出現(xiàn)了一系列有關廢棄物循環(huán)利用效率的指標，常見的如循環(huán)利用率指標、最終處置量指標等[19]。部分中國學者基于物質流分析提出我國循環(huán)經濟評價指標體系。平衛(wèi)英(2011)選取物質平均使用周期、再生利用物質總量、工業(yè)固體廢棄物處置利用率、“三廢”綜合利用產值占國內生產總值比重等指標來評估經濟系統(tǒng)的物質循環(huán)利用情況，作為循環(huán)經濟評價體系的一個重要組成部分[20]。徐福軍等(2011)從區(qū)域角度提出包含廢棄物排放減量化、資源回收與循環(huán)再利用、廢棄物無害化處理與處置等指標的框架，并下設廢棄物排放強度、農村秸稈/工業(yè)廢棄物/畜禽養(yǎng)殖糞便/農用地膜/農業(yè)秸稈等綜合利用率、城鎮(zhèn)生活垃圾無害化處理率、農用塑料薄膜回收率等具體分指標，對于不同類別固體廢物管理的不同環(huán)節(jié)均予以考慮[21]。

2.2.2 重要資源替代潛力預判

當前的存量可以反映未來的廢物產生量[22]，物質流分析利用該思路可分析未來固體廢物的資源替代潛力。Müller(2006)提出的動態(tài)模型如今常被用來預測資源需求和廢物產生情況，其基本假設是，人口和生活方式通過改變存量來影響未來的資源需求和廢物產生情況[23]。

近年來基于物質流的存量預測研究越來越多，尤其是針對戰(zhàn)略性材料(如金屬元素)[24]，包括廢舊汽車中鋁、銅、鐵等金屬資源[25-26]，廢棄電子電器產品中二次資源等[27-28]。戰(zhàn)略性資源的存量研究對于我國極為重要，比如多年積累的鋁消費在報廢后形成的廢鋁資源在未來鋁供應中發(fā)揮怎樣的作用，是否需要大量進口鋁土礦和氧化鋁來彌補等問題，都需要基于國家層面的鋁物質流分析和大跨度的存量研究來深入探索[29]。

除金屬元素外，工業(yè)固體廢物的資源化利用也是學者關注的重點。王紅(2015)將中國的大宗工業(yè)廢棄物如尾礦、煤矸石等作為資源綜合利用的重點，替代砂石、石灰石等一次非金屬礦產資源，研究發(fā)現(xiàn)中國的資源綜合利用總量增加但綜合利用率仍很低，面臨嚴峻的資源與環(huán)境壓力[30]。Sanabria等(2018)基于全球廢物和廢水流的情況，預測了全球廢物和廢水行業(yè)到2050年的最大能源回收量，提出廢物和廢水管理機制的改進方向[31]。此外，隨著不可再生資源的枯竭，許多“新”元素的未來供給情況引發(fā)關注。比如，磷元素是農作物生長發(fā)育的基本營養(yǎng)元素之一，磷礦的枯竭將威脅農業(yè)生產，而當前的廢物流中含有大量可以利用的磷元素，比如污水廠污泥、焚燒飛灰等[32-33]。利用物質流分析預判新興資源化利用方式的資源替代潛力，并提前利用好當前的固體廢物，對于減輕未來的資源供給壓力意義重大。

2.2.3 固體廢物資源化利用路徑選擇

固體廢物處理處置的技術水平及經濟性是影響其回收利用的重要因素，利用物質流分析比較不同固廢利用情景下的經濟成本(如基礎設施建設、人員保障)、技術可行性以及環(huán)境風險等，對于進行回收利用或處理的最佳技術選擇以及規(guī)劃新的廢物處理設施具有重要作用。

Stanisavljevic等(2015)通過比較在達到環(huán)境目標的前提下，不同固體廢物管理模式的經濟可行性，為小規(guī)模城市固體廢物相關基礎設施建設、產能布局等提出方向建議[17]。欒曉玉等(2020)通過構建聚乙烯、聚丙烯等主要類別塑料的物質流框架，核算不同類型廢塑料的產生來源及利用處置情況，為不同類型塑料的管理路徑選擇提供方向[36]。物質流分析常用于技術的環(huán)境與經濟效益比較分析中，如通過比較環(huán)境影響來選擇焚燒爐或機械生物處理設施；將可燃廢棄物作為可替代能源，通過能量回收用于水泥旋窯，大大減少水泥行業(yè)生產成本[1]。劉滿芝等(2020)通過物質流分析構建我國廢紙回收系統(tǒng)，并建立經濟效益、環(huán)境效益以及綜合效益函數(shù)，對影響廢紙回收的規(guī)范回收率、非規(guī)范回收廢紙接受率、分配率等參數(shù)進行靈敏度分析，為有針對性地提升廢紙回收效益提供方向[37]。

物質流分析可以描繪出不同經濟部門的物質流動情況，因而可以與經濟模型相結合，評估固廢管理政策的經濟影響[34]，如將實物型投入產出分析與物質流分析相結合，構建輪胎產業(yè)尺度的物質流，分析不同的廢舊輪胎回收利用情景下的產業(yè)影響[35]。

2.3 追蹤固體廢物環(huán)境風險因子，促進環(huán)境政策協(xié)同增效

我國是世界上人口最多、產生固體廢物量最大的國家，每年新增固體廢物100億噸左右，歷史堆存總量高達600億噸～700億噸。固體廢物產生強度高、利用不充分，部分城市“垃圾圍城”問題十分突出，與人民日益增長的優(yōu)美生態(tài)環(huán)境需要還有較大差距(1)http：//www．mee．gov．cn/home/ztbd/2020/wfcsjssdgz/dcsj/wfcszcwj/201903/t20190329＿697832．shtml。因此需要明確固體廢物對環(huán)境與健康的影響，引導全社會減少固體廢物產生，采取有效的技術手段處理處置固體廢物。

部分國內外學者從產業(yè)尺度和空間尺度出發(fā)，應用物質流分析追蹤固體廢物沿生命周期和國際貿易流動的環(huán)境影響。Turner等(2016)從城市尺度模擬提升餐廚垃圾收集、垃圾焚燒、回收利用等不同政策情景下，廢物流對于溫室氣體排放的影響[39]。Yano等(2014)基于報廢汽車的物質流分析有毒物質鉛的動態(tài)流動情況[40]。在國際貿易層面，部分研究利用物質流方法追蹤二手電子產品國際貿易對進口國的負面環(huán)境影響[41]，分析中國的“洋垃圾”禁令對固體廢物的新進口地區(qū)東南亞的環(huán)境影響[42]，等等。

此外，在利用物質流分析評估環(huán)境影響的研究中，物質流分析常與生命周期評價(LCA，Life Cycle Assessment)相結合，或與生態(tài)及人類健康影響評估等方法相結合，通過引入環(huán)境影響指標，進行固體廢物全鏈條管理的環(huán)境影響評估，從而使各類物質流動的環(huán)境影響指標化，為物質減量化相關的環(huán)境政策提供決策支持[43-45]。

3 結論與展望

3.1 結論

受日益增長的廢物量、新的技術手段、不同利益相關方等因素驅動，先進的廢物管理成為經濟發(fā)展的一個新興分支[46]。發(fā)達國家在固體廢物管理方面早已融入物質流分析的理念，有效識別出固體廢物管理體系的不足，選取最具成本效益的管理體系來滿足既定目標，并且不斷評估和優(yōu)化管理體系。20世紀90年代起，國內外學者廣泛應用物質流分析方法開展固體廢物管理領域的相關研究，為我國提升固體廢物管理水平帶來借鑒意義：

第一，物質流分析有助于推動形成固體廢物綜合管理的“閉環(huán)”模式。物質流分析可以刻畫從上游產品生產到固體廢物產生、回收、利用、處置等環(huán)節(jié)的流向和流量變化，以及不同“流”之間的交互影響，識別出固體廢物代謝過程中不合理的過程與節(jié)點，從政策、技術、配套設施等方面有針對性地對其進行改善，有效實現(xiàn)固體廢物源頭減量、資源化利用、無害化處置等。其中，物質流賬戶是固體廢物領域物質流分析方法應用和發(fā)展的基礎，需加快完善固體廢物的認定標準與統(tǒng)計方法。

第二，物質流分析可以為綠色生產和消費相關政策制定提供指引。采用固體廢物導向的逆向流分析，追溯上游生產和消費環(huán)節(jié)與廢物流的關聯(lián)情況，精準識別固體廢物產生量較高的行業(yè)和消費品，尤其是不易回收利用的廢棄產品，有針對性地優(yōu)先采取清潔生產、可回收設計、減量化消費等措施。

第三，物質流分析有助于充分發(fā)掘固體廢物的資源替代潛力?；诠腆w廢物流量與存量的動態(tài)評估，分析固體廢物再生利用的發(fā)展?jié)摿Σ⑴袛嗝媾R的瓶頸要素，有針對性地采取政策激勵、技術研發(fā)、配套設施建設、信息化服務等方面措施，可以提升固體廢物資源化利用率，緩解當前或未來的資源供給壓力。

第四，物質流分析可以作為環(huán)境政策制定的工具，識別出最有效的政策干預手段。通過物質流分析追溯環(huán)境問題的源頭，從而針對同源問題采取協(xié)同增效的措施，針對重點環(huán)節(jié)采取成本有效的管理手段。固體廢物物質流賬戶的信息公開一定程度上還能促進公眾支持綠色消費、設施新建等，減少政策實施的公眾阻力。

3.2 物質流分析在固體廢物管理領域的應用展望

物質流分析從實物角度構建社會經濟系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的量化評估體系，為固體廢物管理提供了系統(tǒng)、科學的手段。盡管如此，物質流分析在固體廢物管理領域尚有一些技術與應用問題需要突破，主要在于以下方面：

第一，物質流分析與其他方法工具結合的問題。單一的物質流分析方法側重系統(tǒng)中物質輸入、輸出量的分析，而缺乏對于物質流隱含的直接環(huán)境影響，以及系統(tǒng)內部經濟活動中間接的物質流動與環(huán)境影響等要素的刻畫。為了使物質流分析能夠體現(xiàn)固體廢物管理系統(tǒng)的綜合影響和效益，物質流分析方法還應進一步結合投入產出分析、生命周期評價、環(huán)境風險評價等方法工具，結合我國環(huán)境影響、生產投入等相關系數(shù)，形成符合我國實際的混合應用模型，服務于我國固體廢物管理決策。

第二，驅動因素識別與動態(tài)預測問題。從時間跨度來說，物質流分析側重歷史和現(xiàn)狀的描述，雖已有一些構建動態(tài)模型進行趨勢預測方面的探索，但其對于物質存量驅動因素的判別較為單一。對于我國來說，需要加強對物質流動驅動因素的識別與機理分析，如產業(yè)政策、資源稟賦、消費需求等，提升預判研究的精準性。

第三，數(shù)據可獲得性與應用范圍問題。從系統(tǒng)層次來說，目前受地區(qū)物質進出統(tǒng)計不完善或企業(yè)數(shù)據保密特性等因素制約，中小尺度物質流研究往往受限于數(shù)據可獲得性。因此，結合我國園區(qū)循環(huán)化發(fā)展的實際應用需求，應加快完善產業(yè)園區(qū)企業(yè)內、企業(yè)間和區(qū)域內等中小尺度的固體廢物數(shù)據收集與監(jiān)測系統(tǒng)，為中小尺度經濟系統(tǒng)內固體廢物的物質流分析提供基礎。