城市廢棄物處理碳排放時(shí)空分布特征及影響因素研究
——以杭州市為例

鄭思偉，唐 偉，徐海嵐，閆蘭玲，谷 雨

(杭州市生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院/杭州市城區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，浙江 杭州 310014)

1 引言

美國(guó)國(guó)家溫室氣體清單(1990～2014年)顯示，廢棄物處理CH4排放量占人類活動(dòng)CH4排放量的20%以上，是僅次于能源活動(dòng)和農(nóng)業(yè)的第三大CH4排放源[1]。氣候變化第二次國(guó)家信息通報(bào)和第二次兩年更新報(bào)告顯示，全國(guó)廢棄物處理碳排放總量2005年和2014年分別為1.11和1.95億t CO2e，呈逐年增加趨勢(shì)，年均增長(zhǎng)6.46%[2,3]。隨著城市化進(jìn)程加快，人民生活水平提高，廢棄物產(chǎn)生量不斷增大，處置過(guò)程中產(chǎn)生的碳排放量也在不斷增長(zhǎng)，減少?gòu)U棄物處理碳排放量成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

目前，杭州市城鎮(zhèn)化率已達(dá)78.5%[4]，快速增長(zhǎng)的城鎮(zhèn)化驅(qū)動(dòng)了社會(huì)生產(chǎn)和居民消費(fèi)能力的增長(zhǎng)，同時(shí)增加了廢棄物的產(chǎn)出，城市廢棄物處理過(guò)程中的碳排放量也越來(lái)越大，2017年，杭州市城市生活垃圾產(chǎn)生量已位居全國(guó)前十位[5]，形勢(shì)十分嚴(yán)峻。城市廢棄物是一種重要的可再生能源資源，CH4氣體回收利用也具有較大的減排潛力，通過(guò)填埋場(chǎng)氣體和廢水處理沼氣回收等一系列措施開(kāi)發(fā)這種資源，對(duì)于生態(tài)環(huán)境保護(hù)和溫室氣體減排均具有十分重要的意義。同時(shí)，地區(qū)碳排放時(shí)間和空間分布特征、影響因素的分析，也有助于提高制定廢棄物處理碳減排政策的科學(xué)性和可操作性。

目前，國(guó)外學(xué)者對(duì)溫室氣體排放影響因素分解研究較早，應(yīng)用較為廣泛的是Kaya模型，其通過(guò)分解因式的方法把人口、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等多種碳排放因素與溫室氣體排放建立相應(yīng)關(guān)系[6]。本研究擬以杭州市為例，采用《浙江省溫室氣體清單編制指南(2017年修訂版)》(以下簡(jiǎn)稱《浙江省指南》)和《IPCC國(guó)家溫室氣體清單指南》核算方法，核算2005～2017年杭州市廢棄物處理碳排放量，分析廢棄物處理碳排放時(shí)空變化趨勢(shì)，采用GIS方法直觀呈現(xiàn)排放區(qū)域分布特征，并借鑒王育寶[7]提出的改進(jìn)的Kaya恒等式對(duì)廢棄物處理碳排放的影響因素開(kāi)展分析，為掌握廢棄物處理碳排放量變化特征及影響因素、針對(duì)性地制定控制措施提供有效支撐。

2 杭州市廢棄物處置設(shè)施概況

杭州市目前采用衛(wèi)生填埋和焚燒兩種處理技術(shù)相結(jié)合的垃圾處理技術(shù)格局，垃圾填埋和焚燒的比例大約是6∶4，處置現(xiàn)狀仍是“填埋為主、焚燒為輔”。2017年，全市進(jìn)行垃圾填埋處理的生活垃圾填埋場(chǎng)共計(jì)3座，衛(wèi)生填埋處理能力2700 t/d；城市生活垃圾焚燒廠8座，焚燒處理能力6600t/d；危險(xiǎn)廢棄物焚燒廠2座，處理能力72 t/dt。全市共建有污水處理廠54座，污水處理能力320萬(wàn)t/d，其中處理生活污水占比為63.81%，處理工業(yè)廢水占比為36.79%。

3 數(shù)據(jù)與方法

3.1 碳排放量核算方法

3.1.1 固體廢棄物處理碳排放量核算方法

固體廢棄物填埋處理CH4排放量采用《浙江省指南》中的質(zhì)量平衡法進(jìn)行估算，假設(shè)所有潛在的CH4在處理當(dāng)年全部排放完，這種方法會(huì)高估CH4的排放。

ECH4=(MSWT×MSWF×L0-R)×(1-OX)

(1)

式(1)中：ECH4表示CH4排放總量,萬(wàn)t/a；MSWT表示城市固體廢棄物產(chǎn)生量，萬(wàn)t/a；MSWF表示廢棄物填埋處理率；L0表示CH4產(chǎn)生潛力，萬(wàn)t/萬(wàn)t；R表示CH4回收量，萬(wàn)t/a；OX表示氧化因子。

焚燒處理CO2排放量的估算公式為：

ECO2=∑i(IWi×CCWi×FCFi×EFi×44/12)

(2)

式(2)中：ECO2表示CO2排放總量，萬(wàn)t/a；i表示城市固體廢棄物、危險(xiǎn)廢棄物等；IWi表示第i種類型廢棄物的焚燒量，萬(wàn)t/a；CCWi表示廢棄物中碳含量比例；FCFi表示礦物碳在碳總量中比例；EFi表示焚燒爐的燃燒效率；44/12表示轉(zhuǎn)換系數(shù)。

3.1.2 廢水處理碳排放量核算方法

生活污水處理CH4排放量的估算公式為：

ECH4=(TOW×Bo×MCF)-R

(3)

式(3)中：ECH4表示生活污水處理CH4排放總量，萬(wàn)t/a；TOW表示生活污水中有機(jī)物總量，kg/a；Bo表示CH4最大產(chǎn)生能力；MCF表示CH4修正因子；R表示CH4回收量，kg/a。

廢水處理N2O排放量的估算公式為：

EN2O=[(P×Pr×FNPR×FNON-CON×FIND-CON)-N]×EFi×44/28

(4)

式(4)中：EN2O表示氧化亞氮的排放總量，kg/a；P表示人口數(shù)；Pr表示每年人均蛋白質(zhì)消耗量,kg/(人·a)；FNPR表示蛋白質(zhì)中的氮含量；44/28表示轉(zhuǎn)化系數(shù)。

工業(yè)廢水處理CH4排放量的估算公式為：

ECH4=∑i[(TOWi-Si)×EFi-Ri]

(5)

式(5)中：ECH4表示CH4排放總量，kg/a；i表示不同的工業(yè)行業(yè)；TOWi表示工業(yè)廢水中可降解有機(jī)物的總量，kg/a；Si表示以污泥方式清除掉的有機(jī)物總量，kg/a；EFi表示排放因子，kg/kg；Ri表示CH4回收量, kg/a。

3.2 影響因素分析方法

為了揭示碳排放與經(jīng)濟(jì)、政策和人口之間的聯(lián)系，Kaya[7]曾于1989年提出了Kaya恒等式：

(6)

式(6)中，C、NENG、POP為碳排放量、能源消費(fèi)量和人口量。

本研究采用王育寶[7]在Kaya恒等式的基礎(chǔ)上利用LDMI加和分解法構(gòu)建了城市廢棄物處理碳排放影響因素分解恒等式進(jìn)行影響因素分析，表達(dá)式為：

(7)

式(7)中，i為城市廢棄物處理和污水處理；GHGwaste為城市廢棄物處理碳排放量；Git為t年第i種處理方式的廢棄物處理量；Gt為廢棄物處理量；POPt為城市人口量；Pt為總?cè)丝诹俊?/p>

式(7)可進(jìn)一步表示為：

(8)

式(8)給出了廢棄物處理結(jié)構(gòu)強(qiáng)度(WSt)、單位GDP廢棄物排放強(qiáng)度(WIt)、廢棄物處理碳排放強(qiáng)度(CFt)、人口城市化率(Ut)、人均GDP產(chǎn)出(Yt)及人口規(guī)模(Pt)等城市廢棄物處理碳排放的6大影響因素。

在跨度時(shí)間段[t-1,t]內(nèi)，設(shè)ΔGHGwaste為城市廢棄物處理碳排放變化總量，ΔWS、ΔWI、ΔCF、ΔU、ΔY、ΔP即分別代表WSt、WIt、CFt、U、Y、Pt對(duì)ΔGHGwaste的貢獻(xiàn)值，然后采用LMDI加和分解法求得城市廢棄物處理碳排放因素分解修正恒等式：

(9)

3.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

城市廢棄物處理碳排放核算的關(guān)鍵是廢棄物處理量、構(gòu)成和管理的活動(dòng)水平數(shù)據(jù)的獲得，活動(dòng)水平數(shù)據(jù)的來(lái)源主要參考現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，具體見(jiàn)表1。

碳排放量核算中的排放因子均采用《浙江省指南》中的推薦值。

表1 廢棄物處理碳排放量核算數(shù)據(jù)來(lái)源

4 結(jié)果與討論

4.1 核算結(jié)果

本研究采用IPCC第二次評(píng)估報(bào)告值作為取值對(duì)甲烷(全球變暖潛勢(shì)值為21)和氧化亞氮(全球變暖潛勢(shì)值為310)進(jìn)行二氧化碳當(dāng)量換算[9]，估算結(jié)果具體見(jiàn)表2。

從不同排放源來(lái)看，2005～2017年，杭州市廢棄物處理碳排放量占比最大的排放源為工業(yè)廢水處理和填埋處理，兩者共占總排放量75%～88%。從不同溫室氣體種類來(lái)看，2005～2017年，杭州市廢棄物處理碳排放量占比最大的溫室氣體為甲烷，占了總排放量的78%～90%。

表2 2005～2017年杭州市廢棄物處理碳排放量

4.2 時(shí)間變化特征分析

估算結(jié)果顯示， 2005～2017年，全市城市廢棄物處理溫室氣體排放量呈兩個(gè)變化區(qū)間，2005～2011年，碳排放量呈波動(dòng)且逐漸上升趨勢(shì)，增長(zhǎng)幅度逐年減小。由于人民生活水平的提高導(dǎo)致的垃圾產(chǎn)生量的增加，以及早期工業(yè)的迅速發(fā)展導(dǎo)致工業(yè)廢水處理量的增加，2011年全市廢棄物處理碳排放量比2005年增長(zhǎng)122%；2011～2017年，隨著垃圾分類、無(wú)害化處理的推進(jìn)，以及環(huán)保部門連年開(kāi)展的區(qū)域和行業(yè)整治工作，碳排放量在2011年出現(xiàn)最高值后，呈波動(dòng)且逐年下降趨勢(shì)，排放量下降的幅度逐年增長(zhǎng)，2017年全市廢棄物處理碳排放量比2011年減少38%。

同時(shí)，全市城市廢棄物處理碳排放量和全市碳排放總量呈相似變化趨勢(shì)，均在2013年小幅回升后一直呈逐年下降趨勢(shì)，2017年全市碳排放總量比2011年減少31%。具體見(jiàn)圖1。

圖1 2005～2017年杭州市城市廢棄物處理碳排放量變化

4.3 空間變化特征分析

由于2010年之前各區(qū)(縣、市)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)難以獲得，本研究?jī)H對(duì)2011～2017年杭州市各地區(qū)廢棄物處理碳排放量進(jìn)行核算。結(jié)果顯示，2011～2017年全市城市廢棄物處理碳排放量最大的區(qū)域?yàn)楣笆麉^(qū)、富陽(yáng)區(qū)和蕭山區(qū)，3個(gè)地區(qū)碳排放量之和占全市總排放量80%左右。其中，隨著環(huán)保部門對(duì)污水治理工作的連年推進(jìn)，2011年富陽(yáng)區(qū)城市廢棄物處理碳排放量從全市最高呈逐年下降趨勢(shì)，2017比2011年下降83.82%。由于生活垃圾的迅速增長(zhǎng)，天子嶺垃圾填埋場(chǎng)處理量逐年上升，拱墅區(qū)廢棄物處理碳排放量在2011年起呈逐年上升趨勢(shì)，在2017年已成為全市碳排放量最大地區(qū)。具體見(jiàn)圖2。

圖2 杭州市各地區(qū)城市廢棄物處理碳排放量分布情況

2011～2017年，杭州市城市廢棄物處理人均碳排放強(qiáng)度最大的地區(qū)為富陽(yáng)區(qū)和拱墅區(qū)。其中，2011年全市人均碳排放強(qiáng)度最大的地區(qū)為富陽(yáng)區(qū)，該區(qū)2011年人均碳排放強(qiáng)度為8.2054 t CO2e/人，隨后呈逐年下降趨勢(shì)。而拱墅區(qū)則從2011年人均排放強(qiáng)度第二地區(qū)逐年上升，至2017年成為全市人均排放強(qiáng)度最大地區(qū)，2017年人均碳排放強(qiáng)度為3.8275 t CO2e/人。具體見(jiàn)圖3。

圖3 杭州市各地區(qū)城市廢棄物處理人均碳排放強(qiáng)度分布情況

4.4 影響因素分析

鑒于前文3.2影響因素分析方法，本研究采用改進(jìn)的Kaya恒等式和LMDI加和分解方法進(jìn)行影響因素?cái)?shù)據(jù)處理，采用相鄰年份區(qū)間作為變化樣本，計(jì)算得到2005～2017年期間杭州市城市廢棄物處理溫室氣體排放各分解因素貢獻(xiàn)值，由于2005～2017年杭州市城市廢棄物處理溫室氣體排放量呈先升后降兩個(gè)變化區(qū)間，因此本研究分別對(duì)兩個(gè)時(shí)段進(jìn)行影響因素貢獻(xiàn)值計(jì)算。具體見(jiàn)表3。

結(jié)果顯示，杭州市城市廢棄物處理碳排放中不同的影響因素對(duì)碳排放量的影響程度和機(jī)理不完全相同。2005～2017年杭州市城市廢棄物處理碳排放變化量有正值和負(fù)值，排放量累計(jì)增加84.52萬(wàn)t，總體呈小幅增長(zhǎng)趨勢(shì)，即在諸多影響因素中，導(dǎo)致杭州市城市廢棄物處理碳排放量增加的因素多于導(dǎo)致其減少的因素。2005～2011年，排放量累計(jì)增加273.26萬(wàn)t，總體呈顯著增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，即導(dǎo)致城市廢物處理碳排放量增加因素多于導(dǎo)致其減少因素；2011～2017年，碳排放量累計(jì)減少188.73萬(wàn)t，即導(dǎo)致城市廢棄物處理碳排放量減少因素多于導(dǎo)致其增加因素。具體表現(xiàn)為：

表3 2005～2017年杭州市城市廢棄物處理溫室氣體排放各分解因素貢獻(xiàn)值 萬(wàn)t

(1)2005～2011年全市城市廢棄物處理碳排放變化量呈正值期間，經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出效應(yīng)(ΔY)、人口規(guī)模效應(yīng)(ΔP)和城市化水平效應(yīng)(ΔU)始終對(duì)杭州市城市廢棄物處理碳排放量起到促進(jìn)作用，其中貢獻(xiàn)最大的是經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出效應(yīng)(ΔY)。結(jié)果表明人均經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出和城市人口數(shù)量增加對(duì)城市廢棄物處理碳排放量增大產(chǎn)生了重要的驅(qū)動(dòng)作用，主要是因?yàn)槿丝跀?shù)量和人均產(chǎn)出的增加驅(qū)動(dòng)了社會(huì)生產(chǎn)水平和居民消費(fèi)能力的增長(zhǎng)。排放結(jié)構(gòu)效應(yīng)(ΔWSt)和碳排放強(qiáng)度效應(yīng)(ΔCFt)在2005～2011年間存在波動(dòng)性，但總體對(duì)碳排放起到促進(jìn)作用。

廢棄物排放強(qiáng)度效應(yīng)(ΔWIt)在杭州市城市廢棄物處理碳減排中發(fā)揮著重要的作用，主要在政府相關(guān)政策出臺(tái)以及管理部門環(huán)境治理的影響下，單位GDP城市廢棄物產(chǎn)生量及處理量在波動(dòng)中總體呈下降趨勢(shì)，對(duì)碳排放起到抑制作用。

(2)2011～2017年全市城市廢棄物處理碳排放變化量呈負(fù)值期間，經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出效應(yīng)(ΔY)對(duì)杭州市城市廢棄物處理碳排放量增加貢獻(xiàn)最大，其次是人口規(guī)模效應(yīng)(ΔP)，再者是城市化水平效應(yīng)(ΔU)。說(shuō)明人均經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出、城市人口數(shù)量以及城市化率的增加對(duì)城市廢棄物處理碳排放量增大產(chǎn)生了顯著的驅(qū)動(dòng)作用。

在杭州市城市廢棄物處理碳減排中，廢棄物排放強(qiáng)度效應(yīng)(ΔWIt)和排放結(jié)構(gòu)效應(yīng)(ΔWSt)發(fā)揮重要作用。從分解結(jié)果看，廢棄物排放強(qiáng)度效應(yīng)(ΔWIt)雖然存在小幅波動(dòng)性，但其減排作用最大，主要和環(huán)保部門連年開(kāi)展的區(qū)域整治和行業(yè)整治密不可分，單位GDP城市廢棄物產(chǎn)生量及處理量的增長(zhǎng)率趨于減緩，此外，2011～2017年，排放結(jié)構(gòu)效應(yīng)(ΔWSt)對(duì)碳減排始終起到促進(jìn)作用，碳排放強(qiáng)度效應(yīng)(ΔCFt)對(duì)碳減排效果存在波動(dòng)性，但廢棄物處理碳排放量與碳排放強(qiáng)度呈負(fù)向變化，總體對(duì)碳排放起到抑制作用。

5 結(jié)論與建議

通過(guò)研究，可得出以下結(jié)論：

(1)2005～2017年，杭州市城市廢棄物處理溫室氣體排放量呈兩個(gè)變化區(qū)間，2005～2011年，碳排放量呈波動(dòng)且逐漸上升趨勢(shì)；2011～2017年，碳排放量在2011年達(dá)到峰值后，呈波動(dòng)且逐年下降趨勢(shì)。

(2)2011～2017年，杭州市城市廢棄物處理碳排放量最大的區(qū)域?yàn)楣笆麉^(qū)和富陽(yáng)區(qū)。隨著人民生活水平的提高和環(huán)境整治工作的推進(jìn)，兩地排放量分別呈上升和下降趨勢(shì)。

(3)2005～2017年，經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出效應(yīng)(ΔY)、城市化水平效應(yīng)(ΔU)、人口規(guī)模效應(yīng)(ΔP)對(duì)廢棄物處理碳排放具有正向驅(qū)動(dòng)效應(yīng)。廢棄物排放強(qiáng)度效應(yīng)(ΔWIt)對(duì)廢棄物處理碳排放具有負(fù)向驅(qū)動(dòng)效應(yīng)。

(4)建議杭州市減少城市廢棄物處理碳排放量可采取以下措施：開(kāi)展除天子嶺填埋場(chǎng)以外的填埋場(chǎng)甲烷回收工程，增加廢水處理沼氣回收利用示范項(xiàng)目，深入推進(jìn)垃圾分類工作，逐步實(shí)現(xiàn)原生垃圾零填埋，進(jìn)一步推動(dòng)垃圾處理的轉(zhuǎn)型升級(jí)。