北京市废弃物处理温室气体排放特征

王 安，赵天忠

北京林业大学信息学院，北京 100083

北京市废弃物处理温室气体排放特征

王 安，赵天忠

北京林业大学信息学院，北京 100083

基于《2006年IPCC国家温室气体清单指南》推荐的方法，结合《省级温室气体清单编制指南(试行)》和《城市温室气体核算工具指南》的部分数据与核算范围，针对固体废弃物填埋、焚烧和废水处理等过程，核算了北京市2005—2014年废弃物处理过程中温室气体总排放量。结果表明：2005—2014年北京市废弃物处理过程温室气体总排放量呈逐渐上升趋势，2014年温室气体总排放量比2005年增长98%。10年间，固体废弃物填埋过程一直是最主要的温室气体排放源，到2014年排放量达到最大，为416.3×104t二氧化碳当量(CO2e)。废弃物填埋、废水处理和废弃物焚烧过程占总排放量的比例分别为78.5%(CO2e质量分数，下同)、13.5%和8%。结合已有研究，系统优化国内7个典型城市废弃物处理温室气体排放因子，核算7个城市排放情况，并对比分析了北京市排放情况。

废弃物处理；温室气体；排放清单；生活垃圾；废水处理

近年来，全球气候变化问题已经引起了广泛关注。2007年联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第四次评估报告[1]指出，自20世纪中期以来，全球气候变暖有90%的可能是由于人类活动导致的大气中二氧化碳(CO2)等温室气体增加造成的。城市被认为是全球温室气体排放的最主要来源，城市集中了全球50%以上的人口，消耗了占全球总量60%～80%的能源，产生的温室气体排放量高达人类总排放量的70%[2]。为应对全球气候变化带来的压力，世界各国积极采取行动，中国于2015年6月确定了到2030年的行动目标[3]，即CO2排放 2030 年左右达到峰值并争取尽早达峰，单位国内生产总值CO2排放比 2005 年下降 60% ～ 65%。同时要健全温室气体排放统计核算体系，加强应对气候变化统计工作。

城市废弃物处理所释放的CH4、CO2和N2O是温室气体排放的重要人为来源[4]。美国2014年废弃物处理产生的温室气体总排放量为1.71亿t二氧化碳当量(CO2e)，是美国总排放量的2.5%，其中废弃物处理产生的CH4排放量占人为CH4排放总量的22.5%，是人为CH4排放的第二大来源[5]。中国城市废弃物处理温室气体排放量同样不容乐观，中国气候变化第二次国家信息通报表明[6]，2005年中国废弃物处理过程产生的温室气体排放量占所有活动总排放量的1.50%，其中CH4排放量占CH4总排放量的8.6%。目前在城市层面[7-9]中国进行了许多温室气体核算研究，主要关注工业领域[10-11]和能源消费部门[12-13]的温室气体排放，对废弃物处理部门的温室气体核算研究相对较少[14-16]。研究在已有研究的基础上，综合《2006年IPCC国家温室气体清单指南》(以下简称《IPCC指南》)[17]和《省级温室气体清单编制指南(试行)》(以下简称《省级指南》)[18]的核算方法与默认参数，并按照《城市温室气体核算工具指南》(以下简称《城市指南》)[19]的核算范围与报告形式，结合北京市废弃物的特点，估算北京市2005—2014年废弃物处理过程中温室气体的排放量，为北京市碳减排规划提供数据支持，并为城市清单核算研究提供借鉴和参考。

1 研究区概况

随着社会、经济的快速发展，北京市废弃物总量日趋增长，对环境的影响也越来越大。2005年北京市生活垃圾产生量为536.93×104t，2014年达到733.84×104t。目前北京市主要采用填埋、生化处理和焚烧3种方式对固体废弃物进行处理。北京市共有28处垃圾处理设施，其中采用卫生填埋的有11处，采用焚烧处理的有11处，采用堆肥处理的有4处，进行综合处理的有2处。北京市废水排放量快速增长，2005年全市废水排放总量为10.1亿t，2014年增至15.1亿 t，增幅达到 49.2%。研究以北京市行政边界为核算边界，核算范围包括2005—2014年北京市固体废弃物处理、生活污水处理和工业废水处理过程产生的温室气体排放。北京市工业废弃物处置方式较多且缺少分类统计数据，并且其中可降解有机材料含量较低，故不予考虑；其他废弃物(医疗废弃物、危险废弃物)产生量以及处理量均较少，亦不予考虑；北京市污泥处置率较低且缺少相关的统计与研究数据，也不予考虑。研究主要分析城市生活垃圾填埋和焚烧处理以及废水处理产生的温室气体排放。根据《城市指南》，由于北京市没有废弃物在城市边界外进行处理，即没有范围三排放量，因此研究仅考虑废弃物处理范围一温室气体排放情况。并且依据《城市指南》报告形式要求，笔者主要估算城市固体废弃物填埋产生的CH4排放量、废弃物焚烧产生的CO2排放量以及生活污水和工业废水处置产生的CH4和N2O排放量等几方面的温室气体排放。

2 数据与方法

2.1 数据来源

固体废弃物填埋温室气体排放量核算所需数据主要包括废弃物填埋量、固体废弃物中可降解有机碳含量和CH4回收量；废弃物焚烧温室气体排放量核算所需数据为废弃物焚烧量；废弃物填埋量与焚烧量数据通过《中国环境统计年鉴》[20]与《北京市统计年鉴》[21]获得，其中2000年以前的垃圾清运量为修正之后的数据，修正系数为35%[22]。可降解有机碳含量通过废弃物中物理成分比例和各类废弃物成分的DOC含量比例计算得到，研究直接采用文献[22]中DOC含量、DOCf含量和修正因子(MCF)等值作为默认值，CH4的MCF以2000年为界分别取值0.65和0.85，废弃物中可降解DOC含量取值为0.11，DOCf取值为0.7，CH4回收量取默认值0。废水处理温室气体CH4排放量的计算所需数据包括排入环境中的COD和污水处理系统中去除的COD 2部分，数据来自《中国环境年鉴》[23]；N2O气体排放量计算所需数据包括人口数及年人均蛋白质消耗量，人口数据参考《北京市统计年鉴》，年人均蛋白质消耗量来源于联合国粮食及农业组织[24]，取中国平均值，具体取值见表1。废弃物焚烧和污水处理温室气体排放模型中的参数以及其他所需参数均来自《省级指南》。

表1 2005—2014年中国人均蛋白质消耗量Table 1 Dietary protein consumption per capita in China during 2005-2014 g/人/d

注：“*”表示缺少2014年值，2014年取2013年相同值。

2.2 核算方法

2.2.1 固体废弃物填埋CH4排放

目前许多学者对国内多个省市进行了废弃物处理温室气体核算研究，其中关于废弃物填埋CH4排放量的估算大多采用质量平衡法[14,16]。但是最新的《IPCC指南》建议在计算废弃物的CH4排放时，尽量不要采用质量平衡方法，而鼓励使用一阶衰减法(FOD)。相比于质量平衡法会使排放量估算值偏高的情况，使用FOD法会得到更加准确的结果。FOD方法考虑了历史填埋垃圾对填埋气体的贡献，而北京市1991年之前的垃圾基本是采用简易堆放的方式进行处理[22]，排放CH4量较少。因此，基于1991年以来的历史填埋垃圾数据进行核算，计算公式为

(1)

DDOCm=W×DOC×DOCf×MCF

(2)

DDOCmaT=DDOCmdT+(DDOCmaT-1×e-k)

(3)

DDOCmdecompT=DDOCmaT-1×(1-e-k)

(4)

CH4PT=DDOCmdecompT×F×16/12

(5)

(6)

式中：DOC为沉积年份的可降解DOC比例；DOCi为废弃物中各组分中可降解DOC含量比例；Wi为废弃物中各组分所占的百分比；DDOCm为填埋场所沉积的可分解DOC质量；W为填埋场沉积的废弃物质量；DOCf为可分解的DOC比例；MCF为CH4修正因子；T为计算当年；DDOCmaT为T年末填埋场累积的DDOCm；DDOCmaT-1为T-1年年终时填埋场累积的DDOCm；DDOCmdT为T年沉积到填埋场累积的DDOCm；DDOCm decompT为T年填埋场分解的DDOCm；k为CH4产生率常数，计算公式为k=ln(2)/t1/2；t1/2为半衰期时间；CH4 PT为可分解DDOCm产生的CH4量；F为产生的垃圾填埋气体中的CH4比例；16/12为CH4与C的分子量比率；CH4 E为T年的CH4排放量；RT为T年的CH4回收量；OXT为T年的氧化因子。

2.2.2 固体废弃物焚烧CO2排放

垃圾焚烧过程中主要产生CO2排放和少量N2O、CH4排放，根据城市指南的核算范围，仅核算CO2的排放量。废弃物焚烧产生CO2排放量计算公式

(7)

式中：ECO2为废弃物焚烧处理的CO2排放量；i为废弃物类别，可以是城市固体废弃物、工业废弃物、危险废弃物、医疗废弃物和污泥等；IWi为第i种类型废弃物的焚烧量；CCWi为第i种类型废弃物中的碳含量比例；FCFi为第i种类型废弃物中矿物碳含量比例；EFi为第i种类型废弃物焚烧炉的完全燃烧效率；44/12为从C到CO2的转换因子。

2.2.3 生活污水CH4排放

生活污水指源自人们日常生活产生的废水，生活污水及其淤渣成分经过无氧处理或处置，便会产生CH4排放，还会造成N2O排放。根据《IPCC指南》，生活污水处理产生的CH4排放量计算公式为

ECH4=(TOW×EF)-R

(8)

EF=B0×MCF

(9)

TOW=(Ec+Ed)×n

(10)

式中：ECH4为清单年份的生活污水处理CH4排放总量；TOW为清单年份的生活污水中有机物总量；EF为排放因子；R为计算年份的CH4回收量；B0为CH4最大产生能力；MCF为CH4修正因子；Ec为直接排入环境的COD；Ed为污水处理厂的COD排放量；n为转换系数，是BOD与COD的比值。

2.2.4 工业废水CH4排放

工业废水仅源于工业活动，其中的有机污染物经处理后，剩余部分直接进入环境，将活动水平数据分为2部分：废水处理系统去除的COD和直接排入环境的COD。则工业废水处理产生的CH4排放量计算公式为

(11)

EF=B0×MCF

(12)

式中：ECH4为CH4排放量，i表示不同的工业行业，TOWi为工业废水中可降解有机物的总量，Si为以污泥方式清除掉的有机物总量，EFi为排放因子，Ri为CH4回收量，B0为CH4最大产生能力，MCF为CH4修正因子。

2.2.5 生活污水和工业废水N2O排放

废水处理产生的N2O排放量计算公式为

EN2O=NE×EFE×44/28

(13)

式中：EN2O为清单年份N2O的年排放量，NE为污水中氮含量，EFE为废水的N2O排放因子，44/28为转化系数。其中排放到废水中的氮含量的计算公式为

NE=(P×Pr×FNPR×FNON-CON×FIND-COM)-NS

(14)

式中：P为人口数；Pr为每年人均蛋白质消耗量，FNPR为蛋白质中的氮含量，FNON-CON为废水中的非消耗蛋白质因子，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。

3 结果分析

3.1 废弃物处理温室气体排放特征

根据相关方法进行计算，并将计算结果按照CH4和N2O的增温潜势(GWP)分别为CO2的25倍和298倍进行折算[1]，得到北京市2005—2014年废弃物处理温室气体排放量，如图1所示。

图1 2005—2014年北京市废弃物处理温室气体排放情况Fig.1 Greenhouse gas emissions from waste disposal of Beijing during 2005-2014

由图1可以看出，2005—2014年温室气体排放总量呈逐渐上升趋势，2014年比2005年增长约103%(CO2e 质量分数，下同)，2005—2010年增速较快，2010年后继续增长但速度明显放缓。其中焚烧处理产生的温室气体排放量增幅最大，增长了20倍，填埋产生的温室气体排放量变化趋势与温室气体排放总量变化情况基本一致。北京市废弃物处理过程中，CH4排放量占温室气体排放总量比重最大，约为92%，其次是CO2，排放量最小的为N2O。此外，固体废弃物填埋处理为最主要的温室气体排放源，固体废弃物焚烧排放的温室气体占比逐年上升。2014年废弃物填埋处理、废水处理和废弃物焚烧处理产生的温室气体排放比例分别为78.5%、13.5%和8%。

3.2 固体废弃物处理温室气体排放

北京市2005—2014年固体废弃物处理温室气体排放情况如图2所示。

图2 2005—2014年北京市固体废弃物处理情况与温室气体排放情况Fig.2 Municipal solid waste disposal treatment and Greenhouse gas emissions in Beijing during 2005-2014

由图2可以看出，填埋是北京市固体废弃物处理的主要方式，也是固体废弃物处理温室气体最主要的排放源，2005年北京市固体废弃物填埋量占无害化处理量的93.7%，产生温室气体排放量为216.45×104t(CO2e)，占固体废弃物处理总排放量的99.1%。固体废弃物填埋量在2005—2008年间逐渐增加，在2008年后迅速降低，直到2012年才开始缓慢增加，但在2005—2014年间填埋产生的温室气体排放量持续上升，并且随着废弃物焚烧处理比例的提高，填埋产生的温室气体排放量所占比例逐渐下降，直到2014年下降到90.7%，固体废弃物焚烧排放量比例则从2005年的0.9%增长到2014年的9%。这是因为填埋处理的温室气体排放因子大于焚烧处理，并且CH4的全球变暖潜势大于CO2，所以处理同样质量的固体废弃物，填埋处理过程排放的温室气体量大于焚烧处理过程。综合来看，推进废弃物的焚烧处理总体上更有利于温室气体的减排。

3.3 废水处理温室气体排放

北京市2005—2014年废水处理的温室气体排放量逐年增加，如图3所示。

图3 2005—2014年北京市废水处理温室气体排放量Fig.3 Greenhouse gas emissions from wastewater disposal of Beijing during 2005-2014

10年间，北京生活污水总排放量由88 196×104t增加至141 374×104t，增长超过60%。源自生活污水处理的CH4排放量从2005年的1.54×104t增长到2014年的2.64×104t，增长率达到71.4%，其主要原因是城市污水处理厂的数量和处理量在2005—2014年期间以较大幅度增长，从2005年的19座，7.02亿t增长至2014年的146座，13.9亿t。源自工业废水处理的CH4排放增长较为缓慢，远低于生活污水处理排放量，并且波动较大。工业废水处理CH4排放量从2005年的0.175×104t增长至2014年的0.217×104t，但工业废水排放量从 2005年的 1.28亿t减少到2014年的0.92亿t，这可能是由于污水处理工艺的提高，有机物的去除率增加所致。源自污水处理N2O排放量从 2005 年的 0.12t 增加到 2014年的 0.18t，年平均增长速率仅为4.6%，主要是因为2005—2014年北京市人口增速和同期人均蛋白质消耗量增速都比较低。

3.4 不确定性分析

废弃物处理温室气体排放量的估算主要有来自方法和数据2个方面的不确定性。在估算固体废弃物填埋CH4排放量时，采用FOD法相对于其他方法能获得较为准确的估算值，但该方法对历史数据要求较高，并且增加了由半衰期和历史废弃物储量等参数引起的不确定性；另一方面，固体废弃物填埋的不确定性还来自于活动数据与模型参数获取的不确定性，IPCC清单或省级清单提供的缺省值可能与北京市的实际参数值不完全相符，从文献获取的北京市数据也并不是每年实际测量得到的数据，会造成一定的不确定性。此外，研究仅计算了生活垃圾填埋的温室气体排放，存在低估固体废弃物填埋CH4排放的可能。废弃物焚烧处理和废水处理温室气体排放量的估算采用的是排放因子法，主要的不确定性来自于排放因子的选取，由于目前国内大多数城市尚未开展确定排放因子的研究，故笔者采用《IPCC指南》和《省级指南》推荐的排放因子进行计算。在计算废水处理N2O排放量时，采用的是中国国家水平的人均蛋白质消耗量，而不是北京市人均蛋白质消耗量进行计算，造成了N2O估算值的不确定性。另外，统计数据的不确定性主要由统计部门的统计口径、调查程度的精确性决定。为了降低计算结果的不确定性，研究采用北京市本地数据或中国国内平均值数据，并结合《省级指南》选取合适的参数值进行计算。

4 与国内典型城市的对比分析

由于采用IPCC推荐方法进行固体废弃物处理温室气体排放核算的排放因子(如CH4修正因子、CH4氧化系数和半衰期等)容易受城市垃圾组分、气候条件以及填埋场管理水平的影响。因此，考虑中国各区域各城市的经济发展状况、地理位置、气候条件等因素，结合已有研究文献数据[25]，选择武汉、重庆、广州、南宁、上海、杭州和长春等7个典型城市，详细分析其废弃物填埋温室气体排放情况。

图4为这7个城市2007—2014年固体废弃物处理以及填埋处理情况。

图4 2007—2014年7个城市固体废弃物处理及填埋处理情况Fig.4 Disposal and landfill of municipal solid waste in 7 cities during 2007-2014

由图4可知，这7个城市在2007—2014年废弃物处理量呈上升趋势，除武汉市外，其余6个城市的废弃物主要处理方式均为填埋。南宁市填埋处理所占比例逐年增加，2009年之后接近100%，其余6个城市填埋处理率呈波动性下降趋势。武汉市变化最为显著，2007—2009年填埋处理率接近100%，2009年之后填埋处理率逐年减小，直到2014年达到最小，为9%。

选取符合各城市实际的排放因子，并结合IPCC推荐方法计算得到7个城市2007—2014年固体废弃物填埋的温室气体排放结果，如图5所示。

由图5可见 ，广州、重庆、南宁和杭州填埋处理温室气体排放呈逐年上升趋势，武汉和长春温室气体排放量呈逐渐减少趋势，上海市温室气体排放量呈波动变化趋势，主要原因是武汉和长春逐年减少废弃物填埋量和填埋处理比例并且加大废弃物焚烧处理率，而上海市虽然废弃物产生量逐年增加，但进行填埋与焚烧处理的废弃物量呈波动变化，此外，上海市还有部分废弃物使用堆肥或其他方式进行处理。

图5 2007—2014年7个城市固体废弃物填埋处理温室气体排放量Fig.5 Greenhouse gas emissions from municipal solid waste in 7 cities during 2007-2014

利用IPCC方法计算各城市固体废弃物填埋与焚烧处理温室气体排放，并就人均CO2排放量与单位GDP CO2排放量2个指标对比分析2007—2014年北京市与其他城市的CO2排放水平，结果见表2。除2007年外，北京市人均CO2排放量均大于其他城市，并且北京、上海和广州人均CO2排放量和单位GDP CO2排放量差距较小，变化趋势也较接近，而南宁市人均CO2排放量逐年增加，单位GDP CO2排放量逐年减少，且在5个城市中均为最小，长春市单位GDP CO2排放量减少最明显(减少72%)。主要原因是北京、上海和广州经济发展水平相似，人均废弃物产生量接近，而南宁和长春经济发展水平不高，随着GDP逐年增加，南宁市废弃物填埋量逐年增加，长春市废弃物填埋量逐年减少。

表2 2007—2014年北京市废弃物处理与其他典型城市排放水平对比Table 2 Comparison of waste disposal between Beijing and other typical cities during 2007-2014

2007—2014年5个城市废弃物处理单位GDP CO2排放量均有明显下降，表明中国各大城市在关注经济发展的同时也在逐步加强温室气体排放控制，在为中国温室气体减排的行动目标[3]努力。

5 结论

针对城市废弃物处理温室气体排放核算问题，应用《2006年IPCC国家温室气体清单指南》和《省级温室气体编制指南》推荐的方法，核算了北京市2005—2014年废弃物处理温室气体总排放量，并进行了动态分析。结果表明：2005—2014年北京市温室气体总排放量呈逐渐上升趋势，2014年温室气体总排放量比2005年增长了98%。2014年北京市废弃物处理过程中，CH4排放量占温室气体排放总量比重最大，约占93%，其次是CO2，排放量最小的为N2O。此外，固体废弃物填埋处理为最主要的温室气体排放源，固体废弃物焚烧排放的温室气体占比逐年上升。2014年废弃物填埋处理、废水处理和废弃物焚烧处理产生的温室气体排放比例分别为78.5%、13.5%和8%。结合已有研究，从城市经济发展水平、地理位置和气候条件等方面，选取国内7个典型城市，优化了其废弃物处理温室气体排放因子，核算了其温室气体排放，并对比分析了北京市排放情况。结果表明，北京市废弃物处理温室气体排放水平较高，人均CO2排放量和单位GDP CO2排放量均处于领先地位。随着经济的不断发展，废弃物处理方式的转变与处理技术的进步，各城市单位GDP CO2排放量均有很大程度的下降，表明中国各大城市在关注经济发展的同时也在积极响应碳减排行动。

废弃物处理产生大量温室气体如果毫无控制直排大气，不仅会加剧温室效应，更会造成能源资源的浪费，因此无论从环境保护角度，还是从能源回收利用角度考虑，废弃物处理温室气体减排都迫在眉睫。根据北京市填埋场CH4排放情况，综合技术和经济层面的考虑，减少北京市废弃物处理温室气体的主要途径有①加快实施生活垃圾分类、合理推进废弃物回收利用行业发展，提高废弃物回收利用率，减少废弃物处置量。②加大废弃物焚烧比例，发展焚烧发电技术，提高废弃物填埋气体回收利用率。此外，节约水资源、推行中水回用、改进污水处理工艺、加强污泥堆肥利用，有利于减少废水处置和温室气体排放。

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Greenhouse Gas Emission Characteristics of Municipal Waste Management in Beijing

WANG An，ZHAO Tianzhong

School of Information Science and Technology,Beijing Forestry University,Beijing 100083,China

The total emissions of greenhouse gas (GHG) from waste disposal in Beijing from 2005 to 2014, especailly for the sectors of solid waste landfill, incineration and wastewater treatment, were estimated on the basis ofThe2006IPCCGuidelinesforNationalGreenhouseGasInventories,GuidelinesforProvincialGreenhouseGasInventoriesandGreenhouseGasAccountingToolforChineseCities. The results showed that there was an uprising trend of total GHG emissions due to waste management from 2005 to 2014. The total GHG emissions of municipal waste management in 2014 increased 98% than in 2005. Landfill accounted for the main fraction of GHG emissions in Beijing in the past ten years, and the total CO2(CO2equivalent) emissions from waste disposal were 416.3×104t in 2014. Landfill, wastewater treatment and incineration, covered 78.5%, 13.5% and 8% in 2014, respectively. Combining with the existing research, the greenhouse gas emission factors of 7 typical cities in China were optimized, the emission of 7 cities was calculated, and the emission of Beijing was compared.

waste disposal;greenhouse gas;emission inventory;municipal solid waste;wastewater disposal

2016-12-26;

2017-01-25

王 安(1992-)，男，湖北云梦人，在读硕士研究生。

赵天忠

X825

A

1002-6002(2017)02- 0068- 08

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.02.11