宁波市废弃物处理温室气体排放特征研究

曾 灿 俞永浩 包薇红

(宁波市环境保护科学研究设计院政策研究所，浙江 宁波 315012)

随着社会经济的发展和城市化进程的加快，人类社会活动产生的废水和固体废弃物增长迅速，与此同时废弃物(包括废水和固体废弃物)在处理和排放过程中产生的CO2、CH4和N2O等温室气体也受到更多的关注。固体废弃物处理是温室气体排放重要的人为来源之一，墨西哥在1998—2012年因废弃物处理产生的温室气体增长了180%(质量分数，下同)[1]，西安市废弃物处理温室气体排放在1995—2011年快速上升，年均增加率达到8.77%，占温室气体总排放量的7.52%～16.38%[2]1987。此外，随着城市化进程的加快，城镇用水量不断增加，随之而来的大量废水处理和排放过程中产生的CH4等温室气体也不断增加。从全国范围来看，华东沿海地区废弃物处理产生的温室气体高于全国其他地区，固体废弃物处理产生的CH4占全国总量的31.1%，CO2占55.1%[3]，且这一区域废水处理产生的CH4也居全国首位[4]。

温室气体排放清单编制目前广泛采用的方法有以下几种：一是政府间气候变化专门委员会(IPCC)分别于1996年和2006年出版的“国家温室气体清单指南”[5-6]；二是加拿大地方环境行动国际委员会(ICLEI)提供的方法，加入城市气候保护(CCP)行动的部分城市采用ICLEI方法对城市温室气体排放量进行核算[7]，如纽约[8]、多伦多[9]等；三是KENNEDY等[10]提出了将全生命周期引入IPCC核算的方法，并对国际城市以及北京市、上海市和天津市3个中国大型城市[11-12]做了详细的案例研究。温室气体排放清单编制主要有国家、城市、园区、企业等几个尺度，近年来城市尺度的温室气体排放清单研究已经成为温室气体研究的热点，除以上城市案例外，国内学者也纷纷结合IPCC和ICLEI方法在南京市[13]、上海市[14]、深圳市[15]、西安市[2]1982、重庆市[16]等开展城市温室气体排放清单研究。对城市尺度温室气体排放的研究，前期多集中在能源领域[17-20]。近年来随着对废弃物领域的不断重视，该领域温室气体的研究也不断增多，但多集中在固体废弃物处理的单一排放源，如MOHAREB等[21]对加拿大多伦多地区的固体废弃物处理产生的温室气体排放运用了4种方法进行分析对比，PARDO等[22]不仅结合IPCC推荐的方法计算了有机固体废弃物多种处理方法对温室气体排放的影响，而且研究证明了通过加入膨胀剂改变有机固体废弃物堆肥结构能明显减少CH4和N2O的排放。但目前对城市尺度废弃物处理全过程的温室气体排放清单研究相对较少。

宁波市作为华东地区重要的先进制造业基地，2013年被列入第2批国家低碳试点城市，本研究在以往研究的基础上，以宁波市为研究对象，参考《2006年IPCC国家温室气体清单指南》和《浙江省市县温室气体清单编制指南》中的方法，建立了宁波市固体废弃物处理和废水处理的温室气体排放计算模型，全面核算城市尺度上废弃物处理领域所产生的温室气体，并对温室气体排放源、排放强度和变化特征进行分析，为宁波市创建低碳城市以及开展废弃物领域的温室气体减排提供理论基础。

1 宁波市废弃物处理概况

宁波市位于东经120°55′～122°16′，北纬28°51′～30°33′，地处长江三角洲南翼。东临舟山群岛，北濒杭州湾，西接绍兴市，南临三门湾。宁波市下辖6个区，2个县，3个县级市，2013年全市户籍人口580万[23]。2013年宁波市垃圾处理量共计244万t，比2005年增长了1倍，2006年之前宁波市所有垃圾均采用填埋方式进行处理，随着城乡垃圾产生量的不断增加，垃圾填埋方式受土地限制日趋饱和，开始向焚烧方式转变。至2013年，宁波市垃圾填埋处理能力达到3 331 t/d，其中慈溪西三垃圾填埋场和余姚桐张岙垃圾填埋场分别于2009年和2011年停用，2006年宁波市第1家垃圾焚烧厂开始运行，到2013年全市垃圾焚烧厂已增加至4家，焚烧处理能力达到4 750 t/d。近年来，宁波市废水处理能力不断增强，2005年共有废水处理设施8座，废水处理能力共计37.5万t/d，其中生活污水处理厂6座，工业废水处理厂2座；至2013年，废水处理设施增至36座，处理能力已达170.36万t/d，其中生活污水处理厂12座，工业废水处理厂(站)24座。

2 宁波市废弃物温室气体排放核算

2.1 核算方法

2.1.1 固体废弃物填埋产生CH4

采用质量平衡法核算填埋处理产生的温室气体，只考虑垃圾填埋产生CH4。该方法假设填埋处理当年就排放出所有潜在的CH4，会相对高估CH4的排放量，计算公式如下：

ECH4=(MSW×MCF×DOC×FDOC×FCH4×16/12-R)×(1-OX)

(1)

式中：ECH4为固体废弃物填埋处理的CH4排放量，万t/a；MSW为城市固体废弃物填埋处理量，万t/a；MCF为垃圾填埋场的CH4修正因子；DOC为可降解有机碳，以单位质量固体废弃物所含的有机碳质量表示，kg/kg，通过固体废弃物的成分和各类成分中可降解有机碳比例计算得到；FDOC为可分解的可降解有机碳质量分数，%；FCH4指垃圾填埋气体中的CH4体积分数，%；16/12为碳转换成CH4的转换系数；R为固体废弃物填埋处理的CH4回收量，万t/a；OX为氧化因子。

2.1.2 固体废弃物焚烧产生CO2

固体废弃物焚烧(包括固体废弃物焚化和露天燃烧)，主要考虑CO2排放，计算公式如下：

ECO2=∑(IWi×CCWi×FCFi×EFi×44/12)

(2)

式中：ECO2为固体废弃物焚烧处理的CO2排放量，万t/a；IWi为固体废弃物i的焚烧量，万t/a；CCWi为固体废弃物i中碳的质量分数，%；FCFi为固体废弃物i中矿物碳占碳总量的质量分数，%；EFi为固体废弃物i的燃烧效率，%；i为固体废弃物种类，包括城市生活垃圾、危险废弃物和污泥等；44/12为碳转换成CO2的转换系数。

2.1.3 废水处理

(1) 生活污水处理产生CH4

本研究采用的生活污水处理CH4排放的估算公式为：

ECH4,d=TOW×B0×MCFd-Rd

(3)

式中：ECH4,d为生活污水处理的CH4排放量，kg/a；TOW为生活污水中有机物总量，以BOD表示，kg/a；B0为CH4最大产生能力系数；MCFd为生活污水处理的CH4修正因子；Rd为生活污水处理的CH4回收量，kg/a。

(2) 工业废水处理产生CH4

本研究采用的工业废水处理CH4排放的估算公式为：

ECH4,w=∑((TOWj-Sj)×B0×MCFw,j-Rj)

(4)

式中：ECH4,w为工业废水处理的CH4排放量，kg/a；TOWj为工业行业j的工业废水中可降解有机物的总量，以COD表示，kg/a；Sj为以污泥方式清除的有机物总量，以COD表示，kg/a；MCFw，j为工业行业j的CH4修正因子；Rj为工业行业j的CH4回收量，kg/a；j为工业行业类型。

(3) 废水处理产生N2O

本研究采用的废水(包括生活污水和工业废水)处理产生N2O的估算公式为：

EN2O=(P×Pr×FNPR×FNON-CON×FIND-COM-NS)×EF×44/28

(5)

式中：EN2O为废水处理的N2O排放量，kg/a；P为人口数；Pr为每年的人均蛋白质消耗量，kg/a；FNPR为蛋白质中氮的质量分数，%；FNON-CON为废水中的非消耗蛋白质因子，取1.4(参考文献[6])；FIND-COM为工业和商业的蛋白质排放因子；NS为随污泥清除的氮，kg/a；EF为废水的N2O排放因子；44/28为氮转换成N2O的转换系数。

2.2 数据来源

2.2.1 活动水平

固体废弃物填埋处理CH4排放估算所需数据包括：城市固体废弃物填埋量和城市固体废弃物成分。其中，宁波市生活垃圾填埋量来自《浙江城市建设统计年鉴》，宁波市生活垃圾成分采用《宁波市城镇生活废弃物收集循环利用示范项目可行性研究报告》的采样数据，取转运站采样点的数据作为宁波市生活垃圾成分平均值，CH4回收量通过对垃圾填埋场调研获得。

固体废弃物焚烧处理CO2排放估算所需数据包括：城市生活垃圾焚烧量和危险废弃物焚烧量。其中，宁波市生活垃圾焚烧量来自《浙江城市建设统计年鉴》，危险废弃物焚烧量来自宁波市环境统计数据。因污水污泥焚烧产生的温室气体是生物成因排放，不计入清单，故无需采集污泥焚烧量数据。

生活污水处理CH4排放估算所需数据为污水中有机物总量，包括排入海洋、河流或湖泊等环境中的BOD和在污水处理厂处理系统中去除的BOD两部分。采用BOD/COD(质量比，下同)的推荐值(0.43)将COD换算成BOD。COD去除量和排放量均来自宁波市环境统计数据。

工业废水处理CH4排放估算所需数据为每个工业行业的可降解有机物总量，包括处理系统去除的COD和直接排入环境的COD。因环境统计数据的统计方式发生变化，2011年后(包括2011年)的各工业行业COD去除量和COD直接排放量来自宁波市环境统计数据，2011年前COD去除量和COD直接排放量需通过各工业行业排入环境的废水量和各工业行业COD排放标准间接计算。

废水处理N2O排放估算所需数据包括人口数、每年的人均蛋白质消耗量、蛋白质中氮的质量分数、废水中的非消耗蛋白质因子、工业和商业的蛋白质排放因子、随污泥清除的氮。人口数采用宁波市统计部门提供的城镇常住人口，每年的人均蛋白质消耗量根据浙江省人均蛋白质摄入量(82 g/d)[24]计算，其余数据均采用《浙江省市县温室气体清单编制指南》中的推荐值。

2.2.2 排放因子

固体废弃物填埋处理CH4排放估算的排放因子包括CH4修正因子、可降解有机碳、可分解的可降解有机碳质量分数、填埋气体中的CH4体积分数、CH4回收量、氧化因子。CH4修正因子根据垃圾处理厂的管理类型确定；可降解有机碳根据宁波市生活垃圾成分计算，含可降解有机碳的垃圾成分为纸类、布类、厨余和果皮类；CH4回收量来自有CH4回收的垃圾填埋场对填埋气中CH4回收用于发电和燃烧的统计数据；氧化因子对于比较合格的管理型垃圾填埋场的取值为0.1，对于未管理和未分类的垃圾填埋场应取值为0[25]96；可分解的可降解有机碳质量分数和填埋气体中的CH4体积分数采用《浙江省市县温室气体清单编制指南》中的推荐值。

固体废弃物焚烧处理CH4排放估算的排放因子除矿物碳占碳总量的质量分数根据宁波市生活垃圾成分计算外，其余均采用《浙江省市县温室气体清单编制指南》中的推荐值。

生活污水和工业废水处理CH4排放估算的排放因子中生活污水处理的CH4修正因子取全国平均值(0.165)[25]195，其余排放因子均采用《浙江省市县温室气体清单编制指南》中的推荐值。

废水处理N2O排放估算的排放因子均采用《浙江省市县温室气体清单编制指南》中的推荐值。

2.3 排放结果分析

根据2.1节所述方法进行计算，并将结果折算为CO2当量(不同温室气体折算CO2当量系数为：1 t CH4相当于21 t CO2带来的增温潜势，1 t N2O相当于310 t CO2带来的增温潜势)，得到宁波市2005—2013年废弃物处理温室气体排放量(见图1)。由图1可以看出，2005—2011年温室气体排放总量呈上升趋势，2013年比2005年增长了约78%，而2011年后开始出现回落。其中，CO2和N2O排放量均缓慢上升，CH4排放量变化趋势与温室气体排放总量变化情况基本一致。从构成来看，宁波市废弃物处理排放的温室气体中，CH4所占比例最大，约占80%(质量分数，下同)左右，其次是CO2，最少的为N2O(见图2)。2005—2013年各处理过程温室气体排放量和排放量比例变化情况见图3和图4，排放强度变化情况见图5。从温室气体排放来源来看，固体废弃物填埋所产生的温室气体比例最大，与此同时，固体废弃物焚烧产生的温室气体所占比例逐渐上升(见图4)。2013年固体废弃物填埋处理、固体废弃物焚烧处理和工业废水处理产生的温室气体排放比例分别为40.12%、26.00%、22.53%。

注：图中的温室气体排放量折算为CO2当量，图3和图5同。图1 2005—2013年宁波市废弃物处理温室气体排放量变化Fig.1 Greenhouse gases emission of municipal waste management in Ningbo City from 2005 to 2013

图2 2005—2013年宁波市各类温室气体排放量比例变化Fig.2 Proportions of greenhouse gases emission in Ningbo City from 2005 to 2013

图3 2005—2013年宁波市各处理过程温室气体排放量变化Fig.3 Greenhouse gases emission from various treatment options in Ningbo City from 2005 to 2013

图4 2005—2013年宁波市各处理过程温室气体排放量比例变化Fig.4 Proportions of greenhouse gases emission from various treatment options in Ningbo City from 2005 to 2013

图5 2005—2013年宁波市各处理过程温室气体排放强度变化Fig.5 Intensity of greenhouse gases emission from various treatment options in Ningbo City from 2005 to 2013

(1) 固体废弃物填埋处理产生CH4过程

由图3可以看出，固体废弃物填埋处理温室气体排放在2005—2011年持续上升，到2012年显著下降。2012年余姚市垃圾填埋场关闭，启用垃圾焚烧发电厂，生活垃圾填埋量显著减少；与此同时，鄞州区生活垃圾卫生填埋场回收填埋气CH4发电项目于2012年正式投入运营，枫林大岙生活垃圾填埋场的CH4回收量也在2012年显著增加，当年总CH4回收量显著升高，因此固体废弃物填埋处理CH4排放量从2012年起呈现明显降低。从排放强度来看，2009年固体废弃物填埋温室气体排放强度上升，且2009—2011年维持较高的排放强度(见图5)，主要原因是2009年生活垃圾填埋量比2008年有了显著上升，且2009—2011年逐年增加，同时，CH4回收量增加幅度不大；从2012年开始，宁波市部分生活垃圾由填埋变为焚烧，使生活垃圾填埋量显著下降，且CH4回收量显著升高(见表1)。因此，减少垃圾产生量、提高CH4回收量是减少固体废弃物填埋温室气体排放的有效途径。

表1 2005—2013年宁波市生活垃圾处理量和CH4回收量

(2) 生活污水处理产生CH4过程

由图3可以看出，生活污水处理温室气体排放量呈缓慢上升趋势，从2010年开始增幅加大，原因分析如下：COD产生量根据人口估算得到，2011年开始人口数统计口径发生变化，人口基数增长将近1倍，2012年人均COD产生系数发生变化，因此2011、2012年COD产生量与2010年相比发生较大变化；COD去除量是根据污水处理厂水量乘以COD进出口浓度差计算，2011年与2010年相比污水处理能力由124.28万t/d增加到148.48万t/d，增长了约19%，污水处理量由3.18亿t增加到3.98亿t，增长了约25%；另外考虑到2011年之后部分污水处理厂实施了提标改造工程，COD去除效率提高，因此2011年后COD去除量显著升高。

(3) 工业废水处理产生CH4过程

工业废水处理过程温室气体排放大体上缓慢上升(见图3)；从排放强度来看，工业废水处理过程的温室气体排放强度相比于其他几个过程波动程度最大(见图5)，主要原因是工业废水处理过程涉及各行业COD去除量和排放量，活动水平数据变量较多，各年度各工业行业的处理水平和排放水平都在不断变化；另外，环境统计数据的统计指标发生变化导致COD去除量和排放量计算方法发生改变，影响了数据连续性。虽然有较大波动，但工业废水处理过程的温室气体排放强度整体呈上升趋势，主要原因之一是农副食品加工业、纺织业、造纸及纸制品业、化学原料及化学制品制造业等重点工业行业的温室气体(以CH4为主)排放量较大(见图6)，2005—2013年这4个重点工业行业的温室气体排放量占所有工业行业排放量的65%～90%；此外，这4个重点工业行业的排放因子较高(农副食品加工业、纺织业、造纸及纸制品业、化学原料及化学制品制造业的排放因子分别为0.175、0.075、0.125、0.125，而所有工业行业的排放因子为0.025～0.175)。造纸及纸制品业、化学原料及化学制品制造业的COD去除量上升较为明显；另一方面，工业COD排放量呈下降趋势，这与近几年宁波市工业行业整治提升力度不断加大，排放标准不断严格有关。

图6 2005—2013年宁波市重点工业行业废水CH4排放变化Fig.6 Wasterwater CH4 emissions from key industries in Ningbo City from 2005 to 2013

(4) 固体废弃物焚烧处理产生CO2和废水处理产生N2O过程

2005—2013年固体废弃物焚烧处理产生CO2和废水处理产生N2O过程的温室气体排放均呈上升趋势(见图3)；从各处理过程排放强度变化情况来看，这两个处理过程排放强度均未发生变化(见图5)：因此温室气体排放量上升只是受到活动水平数据即废弃物焚烧量和城镇常住人口增长的影响。

3 不确定性分析

本研究主要存在两方面的不确定性，方法的不确定性和数据的不确定性。方法的不确定性主要表现为：在计算固体废弃物填埋处理产生的温室气体时，计算方法采用质量平衡法，假设所有潜在的CH4均在处理当年就全部排放完，未将历史填埋产生的贡献纳入计算范围，结果会有一定的偏差。数据方面的不确定性主要有：固体废弃物填埋时的可降解有机碳和固体废弃物焚烧时矿物碳在碳总量中的质量分数均涉及城市生活垃圾成分，而目前只收集到单次采样的数据；关于CH4在垃圾填埋气中的体积分数，目前宁波市只有两家开展了填埋气回收的垃圾填埋场有监测数据，因此仍采用《浙江省市县温室气体清单编制指南》中的推荐值；生活污水处理温室气体排放计算中，无法获得每个污水处理厂的BOD/COD数据，仍采用《浙江省市县温室气体清单编制指南》中的推荐值；在计算废水处理产生的N2O时，人均蛋白质消耗量数据目前无法获取宁波市本地值，采用浙江省平均值。

为降低计算结果的不确定性，本研究在计算时尽量采用本地数据和排放因子。调研固体废弃物填埋量和焚烧量数据时，通过比对不同部门提供的数据，最终确定《浙江城市建设统计年鉴》中的数据较为符合本研究城镇范围的统计口径。开展全市垃圾填埋场情况调查，对各家垃圾填埋场运行时间、管理类型、无害化评定等级、填埋气回收的现状和历史情况进行了详细的调研。城市生活垃圾成分数据采用宁波市本地数据，从单次采样抽检结果中选取了垃圾组分相对混合均匀的转运站的样本数据，以减少小区、菜场等单一采样点的垃圾成分特征较为明显的问题。并未直接采用2011年后环境统计数据中生活污水COD去除量，而是通过污水处理厂处理生活污水量间接计算，有效地避免了工业废水进入集中式污水处理厂COD去除量的重复计算。

4 结论与展望

4.1 结 论

2005—2013年宁波市温室气体排放总量总体呈上升趋势，2011年后有所下降，2013年比2005年增长了约78%。从温室气体构成来看，宁波市废弃物处理温室气体排放中，CH4所占比例最大，约占80%左右，其次是CO2，最少的为N2O。从温室气体排放来源来看，占比例最大的是固体废弃物填埋。固体废弃物焚烧处理产生的温室气体所占比例逐年升高。 2013年固体废弃物填埋处理、固体废弃物焚烧处理和工业废水处理产生的温室气体排放比例分别为40.12%、26.00%、22.53%。

4.2 展 望

2005年固体废弃物填埋处理占有绝对优势，温室气体排放量比例为62.95%，随着慈溪市和余姚市的两座垃圾填埋场分别于2009年和2011年关闭，垃圾焚烧厂投入使用，生活垃圾填埋量已由峰值年份2008年的141.92万t减少至2013年的102.83万t，减少了27.54%，生活垃圾焚烧量由2005年的30.1万t增加至2013年的138万t，增加了3.5倍，同时垃圾填埋场CH4回收量不断增加，从最初的633 t增加至2013年的9 426 t，因此固体废弃物填埋所产生的温室气体不断下降，到2013年其排放量占比已降低至40.12%。

生活垃圾填埋处理的排放强度高于生活垃圾焚烧处理的排放强度，填埋处理1万t生活垃圾产生0.7万～0.9万t温室气体(折算为CO2当量)，而焚烧处理1万t生活垃圾只产生0.15万t温室气体(折算为CO2当量)；另外，尽管垃圾填埋场CH4回收量逐年升高，但回收率仍不到20%。因此，从减少温室气体排放的角度来看，对生活垃圾进行焚烧处理的方式比填埋处理更为有利。

在工业废水处理排放方面，宁波市废水产生量较大的工业行业——农副食品加工业、纺织业、造纸及纸制品业、化学原料及化学制品制造业的温室气体排放因子较高，分别为0.175、0.075、0.125、0.125，控制这些重点工业行业发展规模能在一定程度上减少工业废水处理的温室气体排放。

综上所述，宁波市减少废弃物处理过程温室气体排放的主要途径如下：在前期试点工作的基础上，全社会全面推进垃圾分类回收，从源头上减少垃圾产生量；减少垃圾填埋量，鼓励采用焚烧发电的方式处理生活垃圾；加大垃圾处理厂垃圾填埋气回收利用；适度控制农副食品加工业、纺织业、造纸及纸制品业、化学原料及化学制品制造业等高排放行业的发展规模。参考文献:

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