城市废弃物处理碳排放时空分布特征及影响因素研究——以杭州市为例

郑思伟，唐 伟，徐海岚，闫兰玲，谷 雨

(杭州市生态环境科学研究院/杭州市城区生态环境监测站，浙江 杭州 310014)

1 引言

美国国家温室气体清单(1990～2014年)显示，废弃物处理CH4排放量占人类活动CH4排放量的20%以上，是仅次于能源活动和农业的第三大CH4排放源[1]。气候变化第二次国家信息通报和第二次两年更新报告显示，全国废弃物处理碳排放总量2005年和2014年分别为1.11和1.95亿t CO2e，呈逐年增加趋势，年均增长6.46%[2,3]。随着城市化进程加快，人民生活水平提高，废弃物产生量不断增大，处置过程中产生的碳排放量也在不断增长，减少废弃物处理碳排放量成为一个亟待解决的问题。

目前，杭州市城镇化率已达78.5%[4]，快速增长的城镇化驱动了社会生产和居民消费能力的增长，同时增加了废弃物的产出，城市废弃物处理过程中的碳排放量也越来越大，2017年，杭州市城市生活垃圾产生量已位居全国前十位[5]，形势十分严峻。城市废弃物是一种重要的可再生能源资源，CH4气体回收利用也具有较大的减排潜力，通过填埋场气体和废水处理沼气回收等一系列措施开发这种资源，对于生态环境保护和温室气体减排均具有十分重要的意义。同时，地区碳排放时间和空间分布特征、影响因素的分析，也有助于提高制定废弃物处理碳减排政策的科学性和可操作性。

目前，国外学者对温室气体排放影响因素分解研究较早，应用较为广泛的是Kaya模型，其通过分解因式的方法把人口、经济发展等多种碳排放因素与温室气体排放建立相应关系[6]。本研究拟以杭州市为例，采用《浙江省温室气体清单编制指南(2017年修订版)》(以下简称《浙江省指南》)和《IPCC国家温室气体清单指南》核算方法，核算2005～2017年杭州市废弃物处理碳排放量，分析废弃物处理碳排放时空变化趋势，采用GIS方法直观呈现排放区域分布特征，并借鉴王育宝[7]提出的改进的Kaya恒等式对废弃物处理碳排放的影响因素开展分析，为掌握废弃物处理碳排放量变化特征及影响因素、针对性地制定控制措施提供有效支撑。

2 杭州市废弃物处置设施概况

杭州市目前采用卫生填埋和焚烧两种处理技术相结合的垃圾处理技术格局，垃圾填埋和焚烧的比例大约是6∶4，处置现状仍是“填埋为主、焚烧为辅”。2017年，全市进行垃圾填埋处理的生活垃圾填埋场共计3座，卫生填埋处理能力2700 t/d；城市生活垃圾焚烧厂8座，焚烧处理能力6600t/d；危险废弃物焚烧厂2座，处理能力72 t/dt。全市共建有污水处理厂54座，污水处理能力320万t/d，其中处理生活污水占比为63.81%，处理工业废水占比为36.79%。

3 数据与方法

3.1 碳排放量核算方法

3.1.1 固体废弃物处理碳排放量核算方法

固体废弃物填埋处理CH4排放量采用《浙江省指南》中的质量平衡法进行估算，假设所有潜在的CH4在处理当年全部排放完，这种方法会高估CH4的排放。

ECH4=(MSWT×MSWF×L0-R)×(1-OX)

(1)

式(1)中：ECH4表示CH4排放总量,万t/a；MSWT表示城市固体废弃物产生量，万t/a；MSWF表示废弃物填埋处理率；L0表示CH4产生潜力，万t/万t；R表示CH4回收量，万t/a；OX表示氧化因子。

焚烧处理CO2排放量的估算公式为：

ECO2=∑i(IWi×CCWi×FCFi×EFi×44/12)

(2)

式(2)中：ECO2表示CO2排放总量，万t/a；i表示城市固体废弃物、危险废弃物等；IWi表示第i种类型废弃物的焚烧量，万t/a；CCWi表示废弃物中碳含量比例；FCFi表示矿物碳在碳总量中比例；EFi表示焚烧炉的燃烧效率；44/12表示转换系数。

3.1.2 废水处理碳排放量核算方法

生活污水处理CH4排放量的估算公式为：

ECH4=(TOW×Bo×MCF)-R

(3)

式(3)中：ECH4表示生活污水处理CH4排放总量，万t/a；TOW表示生活污水中有机物总量，kg/a；Bo表示CH4最大产生能力；MCF表示CH4修正因子；R表示CH4回收量，kg/a。

废水处理N2O排放量的估算公式为：

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

(4)

式(4)中：EN2O表示氧化亚氮的排放总量，kg/a；P表示人口数；Pr表示每年人均蛋白质消耗量,kg/(人·a)；FNPR表示蛋白质中的氮含量；44/28表示转化系数。

工业废水处理CH4排放量的估算公式为：

ECH4=∑i[(TOWi-Si)×EFi-Ri]

(5)

式(5)中：ECH4表示CH4排放总量，kg/a；i表示不同的工业行业；TOWi表示工业废水中可降解有机物的总量，kg/a；Si表示以污泥方式清除掉的有机物总量，kg/a；EFi表示排放因子，kg/kg；Ri表示CH4回收量, kg/a。

3.2 影响因素分析方法

为了揭示碳排放与经济、政策和人口之间的联系，Kaya[7]曾于1989年提出了Kaya恒等式：

(6)

式(6)中，C、NENG、POP为碳排放量、能源消费量和人口量。

本研究采用王育宝[7]在Kaya恒等式的基础上利用LDMI加和分解法构建了城市废弃物处理碳排放影响因素分解恒等式进行影响因素分析，表达式为：

(7)

式(7)中，i为城市废弃物处理和污水处理；GHGwaste为城市废弃物处理碳排放量；Git为t年第i种处理方式的废弃物处理量；Gt为废弃物处理量；POPt为城市人口量；Pt为总人口量。

式(7)可进一步表示为：

(8)

式(8)给出了废弃物处理结构强度(WSt)、单位GDP废弃物排放强度(WIt)、废弃物处理碳排放强度(CFt)、人口城市化率(Ut)、人均GDP产出(Yt)及人口规模(Pt)等城市废弃物处理碳排放的6大影响因素。

在跨度时间段[t-1,t]内，设ΔGHGwaste为城市废弃物处理碳排放变化总量，ΔWS、ΔWI、ΔCF、ΔU、ΔY、ΔP即分别代表WSt、WIt、CFt、U、Y、Pt对ΔGHGwaste的贡献值，然后采用LMDI加和分解法求得城市废弃物处理碳排放因素分解修正恒等式：

(9)

3.3 数据来源

城市废弃物处理碳排放核算的关键是废弃物处理量、构成和管理的活动水平数据的获得，活动水平数据的来源主要参考现有统计数据，具体见表1。

碳排放量核算中的排放因子均采用《浙江省指南》中的推荐值。

表1 废弃物处理碳排放量核算数据来源

4 结果与讨论

4.1 核算结果

本研究采用IPCC第二次评估报告值作为取值对甲烷(全球变暖潜势值为21)和氧化亚氮(全球变暖潜势值为310)进行二氧化碳当量换算[9]，估算结果具体见表2。

从不同排放源来看，2005～2017年，杭州市废弃物处理碳排放量占比最大的排放源为工业废水处理和填埋处理，两者共占总排放量75%～88%。从不同温室气体种类来看，2005～2017年，杭州市废弃物处理碳排放量占比最大的温室气体为甲烷，占了总排放量的78%～90%。

表2 2005～2017年杭州市废弃物处理碳排放量

4.2 时间变化特征分析

估算结果显示， 2005～2017年，全市城市废弃物处理温室气体排放量呈两个变化区间，2005～2011年，碳排放量呈波动且逐渐上升趋势，增长幅度逐年减小。由于人民生活水平的提高导致的垃圾产生量的增加，以及早期工业的迅速发展导致工业废水处理量的增加，2011年全市废弃物处理碳排放量比2005年增长122%；2011～2017年，随着垃圾分类、无害化处理的推进，以及环保部门连年开展的区域和行业整治工作，碳排放量在2011年出现最高值后，呈波动且逐年下降趋势，排放量下降的幅度逐年增长，2017年全市废弃物处理碳排放量比2011年减少38%。

同时，全市城市废弃物处理碳排放量和全市碳排放总量呈相似变化趋势，均在2013年小幅回升后一直呈逐年下降趋势，2017年全市碳排放总量比2011年减少31%。具体见图1。

图1 2005～2017年杭州市城市废弃物处理碳排放量变化

4.3 空间变化特征分析

由于2010年之前各区(县、市)统计数据难以获得，本研究仅对2011～2017年杭州市各地区废弃物处理碳排放量进行核算。结果显示，2011～2017年全市城市废弃物处理碳排放量最大的区域为拱墅区、富阳区和萧山区，3个地区碳排放量之和占全市总排放量80%左右。其中，随着环保部门对污水治理工作的连年推进，2011年富阳区城市废弃物处理碳排放量从全市最高呈逐年下降趋势，2017比2011年下降83.82%。由于生活垃圾的迅速增长，天子岭垃圾填埋场处理量逐年上升，拱墅区废弃物处理碳排放量在2011年起呈逐年上升趋势，在2017年已成为全市碳排放量最大地区。具体见图2。

图2 杭州市各地区城市废弃物处理碳排放量分布情况

2011～2017年，杭州市城市废弃物处理人均碳排放强度最大的地区为富阳区和拱墅区。其中，2011年全市人均碳排放强度最大的地区为富阳区，该区2011年人均碳排放强度为8.2054 t CO2e/人，随后呈逐年下降趋势。而拱墅区则从2011年人均排放强度第二地区逐年上升，至2017年成为全市人均排放强度最大地区，2017年人均碳排放强度为3.8275 t CO2e/人。具体见图3。

图3 杭州市各地区城市废弃物处理人均碳排放强度分布情况

4.4 影响因素分析

鉴于前文3.2影响因素分析方法，本研究采用改进的Kaya恒等式和LMDI加和分解方法进行影响因素数据处理，采用相邻年份区间作为变化样本，计算得到2005～2017年期间杭州市城市废弃物处理温室气体排放各分解因素贡献值，由于2005～2017年杭州市城市废弃物处理温室气体排放量呈先升后降两个变化区间，因此本研究分别对两个时段进行影响因素贡献值计算。具体见表3。

结果显示，杭州市城市废弃物处理碳排放中不同的影响因素对碳排放量的影响程度和机理不完全相同。2005～2017年杭州市城市废弃物处理碳排放变化量有正值和负值，排放量累计增加84.52万t，总体呈小幅增长趋势，即在诸多影响因素中，导致杭州市城市废弃物处理碳排放量增加的因素多于导致其减少的因素。2005～2011年，排放量累计增加273.26万t，总体呈显著增长态势，即导致城市废物处理碳排放量增加因素多于导致其减少因素；2011～2017年，碳排放量累计减少188.73万t，即导致城市废弃物处理碳排放量减少因素多于导致其增加因素。具体表现为：

表3 2005～2017年杭州市城市废弃物处理温室气体排放各分解因素贡献值 万t

(1)2005～2011年全市城市废弃物处理碳排放变化量呈正值期间，经济产出效应(ΔY)、人口规模效应(ΔP)和城市化水平效应(ΔU)始终对杭州市城市废弃物处理碳排放量起到促进作用，其中贡献最大的是经济产出效应(ΔY)。结果表明人均经济产出和城市人口数量增加对城市废弃物处理碳排放量增大产生了重要的驱动作用，主要是因为人口数量和人均产出的增加驱动了社会生产水平和居民消费能力的增长。排放结构效应(ΔWSt)和碳排放强度效应(ΔCFt)在2005～2011年间存在波动性，但总体对碳排放起到促进作用。

废弃物排放强度效应(ΔWIt)在杭州市城市废弃物处理碳减排中发挥着重要的作用，主要在政府相关政策出台以及管理部门环境治理的影响下，单位GDP城市废弃物产生量及处理量在波动中总体呈下降趋势，对碳排放起到抑制作用。

(2)2011～2017年全市城市废弃物处理碳排放变化量呈负值期间，经济产出效应(ΔY)对杭州市城市废弃物处理碳排放量增加贡献最大，其次是人口规模效应(ΔP)，再者是城市化水平效应(ΔU)。说明人均经济产出、城市人口数量以及城市化率的增加对城市废弃物处理碳排放量增大产生了显著的驱动作用。

在杭州市城市废弃物处理碳减排中，废弃物排放强度效应(ΔWIt)和排放结构效应(ΔWSt)发挥重要作用。从分解结果看，废弃物排放强度效应(ΔWIt)虽然存在小幅波动性，但其减排作用最大，主要和环保部门连年开展的区域整治和行业整治密不可分，单位GDP城市废弃物产生量及处理量的增长率趋于减缓，此外，2011～2017年，排放结构效应(ΔWSt)对碳减排始终起到促进作用，碳排放强度效应(ΔCFt)对碳减排效果存在波动性，但废弃物处理碳排放量与碳排放强度呈负向变化，总体对碳排放起到抑制作用。

5 结论与建议

通过研究，可得出以下结论：

(1)2005～2017年，杭州市城市废弃物处理温室气体排放量呈两个变化区间，2005～2011年，碳排放量呈波动且逐渐上升趋势；2011～2017年，碳排放量在2011年达到峰值后，呈波动且逐年下降趋势。

(2)2011～2017年，杭州市城市废弃物处理碳排放量最大的区域为拱墅区和富阳区。随着人民生活水平的提高和环境整治工作的推进，两地排放量分别呈上升和下降趋势。

(3)2005～2017年，经济产出效应(ΔY)、城市化水平效应(ΔU)、人口规模效应(ΔP)对废弃物处理碳排放具有正向驱动效应。废弃物排放强度效应(ΔWIt)对废弃物处理碳排放具有负向驱动效应。

(4)建议杭州市减少城市废弃物处理碳排放量可采取以下措施：开展除天子岭填埋场以外的填埋场甲烷回收工程，增加废水处理沼气回收利用示范项目，深入推进垃圾分类工作，逐步实现原生垃圾零填埋，进一步推动垃圾处理的转型升级。