城市廢棄物處理碳排放時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

(杭州市生態環境科學研究院/杭州市城區生態環境監測站，浙江 杭州 310014)

1 引言

美國國家溫室氣體清單(1990～2014年)顯示，廢棄物處理CH4排放量占人類活動CH4排放量的20%以上，是僅次于能源活動和農業的第三大CH4排放源[1]。氣候變化第二次國家信息通報和第二次兩年更新報告顯示，全國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，年均增長6.46%[2,3]。隨著城市化進程加快，人民生活水平提高，廢棄物產生量不斷增大，處置過程中產生的碳排放量也在不斷增長，減少廢棄物處理碳排放量成為一個亟待解決的問題。

目前，杭州市城鎮化率已達78.5%[4]，快速增長的城鎮化驅動了社會生產和居民消費能力的增長，同時增加了廢棄物的產出，城市廢棄物處理過程中的碳排放量也越來越大，2017年，杭州市城市生活垃圾產生量已位居全國前十位[5]，形勢十分嚴峻。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，通過填埋場氣體和廢水處理沼氣回收等一系列措施開發這種資源，對于生態環境保護和溫室氣體減排均具有十分重要的意義。同時，地區碳排放時間和空間分布特征、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性和可操作性。

目前，國外學者對溫室氣體排放影響因素分解研究較早，應用較為廣泛的是Kaya模型，其通過分解因式的方法把人口、經濟發展等多種碳排放因素與溫室氣體排放建立相應關系[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)》(以下簡稱《浙江省指南》)和《IPCC國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空變化趨勢，采用GIS方法直觀呈現排放區域分布特征，并借鑒王育寶[7]提出的改進的Kaya恒等式對廢棄物處理碳排放的影響因素開展分析，為掌握廢棄物處理碳排放量變化特征及影響因素、針對性地制定控制措施提供有效支撐。

2 杭州市廢棄物處置設施概況

杭州市目前采用衛生填埋和焚燒兩種處理技術相結合的垃圾處理技術格局，垃圾填埋和焚燒的比例大約是6∶4，處置現狀仍是“填埋為主、焚燒為輔”。2017年，全市進行垃圾填埋處理的生活垃圾填埋場共計3座，衛生填埋處理能力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t/d，其中處理生活污水占比為63.81%，處理工業廢水占比為36.79%。

3 數據與方法

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》中的質量平衡法進行估算，假設所有潛在的CH4在處理當年全部排放完，這種方法會高估CH4的排放。

ECH4=(MSWT×MSWF×L0-R)×(1-OX)

(1)

式(1)中：ECH4表示CH4排放總量,萬t/a；MSWT表示城市固體廢棄物產生量，萬t/a；MSWF表示廢棄物填埋處理率；L0表示CH4產生潛力，萬t/萬t；R表示CH4回收量，萬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t/a；i表示城市固體廢棄物、危險廢棄物等；IWi表示第i種類型廢棄物的焚燒量，萬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表示轉換系數。

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t/a；TOW表示生活污水中有機物總量，kg/a；Bo表示CH4最大產生能力；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；Pr表示每年人均蛋白質消耗量,kg/(人·a)；FNPR表示蛋白質中的氮含量；44/28表示轉化系數。

工業廢水處理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表示不同的工業行業；TOWi表示工業廢水中可降解有機物的總量，kg/a；Si表示以污泥方式清除掉的有機物總量，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濟、政策和人口之間的聯系，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、能源消費量和人口量。

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

(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為總人口量。

式(7)可進一步表示為：

(8)

式(8)給出了廢棄物處理結構強度(WSt)、單位GDP廢棄物排放強度(WIt)、廢棄物處理碳排放強度(CFt)、人口城市化率(Ut)、人均GDP產出(Yt)及人口規模(Pt)等城市廢棄物處理碳排放的6大影響因素。

在跨度時間段[t-1,t]內，設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ΔGHGwaste的貢獻值，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 數據來源

城市廢棄物處理碳排放核算的關鍵是廢棄物處理量、構成和管理的活動水平數據的獲得，活動水平數據的來源主要參考現有統計數據，具體見表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據來源

4 結果與討論

4.1 核算結果

本研究采用IPCC第二次評估報告值作為取值對甲烷(全球變暖潛勢值為21)和氧化亞氮(全球變暖潛勢值為310)進行二氧化碳當量換算[9]，估算結果具體見表2。

從不同排放源來看，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 時間變化特征分析

估算結果顯示， 2005～2017年，全市城市廢棄物處理溫室氣體排放量呈兩個變化區間，2005～2011年，碳排放量呈波動且逐漸上升趨勢，增長幅度逐年減小。由于人民生活水平的提高導致的垃圾產生量的增加，以及早期工業的迅速發展導致工業廢水處理量的增加，2011年全市廢棄物處理碳排放量比2005年增長122%；2011～2017年，隨著垃圾分類、無害化處理的推進，以及環保部門連年開展的區域和行業整治工作，碳排放量在2011年出現最高值后，呈波動且逐年下降趨勢，排放量下降的幅度逐年增長，2017年全市廢棄物處理碳排放量比2011年減少38%。

同時，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，均在2013年小幅回升后一直呈逐年下降趨勢，2017年全市碳排放總量比2011年減少31%。具體見圖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(縣、市)統計數據難以獲得，本研究僅對2011～2017年杭州市各地區廢棄物處理碳排放量進行核算。結果顯示，2011～2017年全市城市廢棄物處理碳排放量最大的區域為拱墅區、富陽區和蕭山區，3個地區碳排放量之和占全市總排放量80%左右。其中，隨著環保部門對污水治理工作的連年推進，2011年富陽區城市廢棄物處理碳排放量從全市最高呈逐年下降趨勢，2017比2011年下降83.82%。由于生活垃圾的迅速增長，天子嶺垃圾填埋場處理量逐年上升，拱墅區廢棄物處理碳排放量在2011年起呈逐年上升趨勢，在2017年已成為全市碳排放量最大地區。具體見圖2。

圖2 杭州市各地區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度最大的地區為富陽區和拱墅區。其中，2011年全市人均碳排放強度最大的地區為富陽區，該區2011年人均碳排放強度為8.2054 t CO2e/人，隨后呈逐年下降趨勢。而拱墅區則從2011年人均排放強度第二地區逐年上升，至2017年成為全市人均排放強度最大地區，2017年人均碳排放強度為3.8275 t CO2e/人。具體見圖3。

圖3 杭州市各地區城市廢棄物處理人均碳排放強度分布情況

4.4 影響因素分析

鑒于前文3.2影響因素分析方法，本研究采用改進的Kaya恒等式和LMDI加和分解方法進行影響因素數據處理，采用相鄰年份區間作為變化樣本，計算得到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變化區間，因此本研究分別對兩個時段進行影響因素貢獻值計算。具體見表3。

結果顯示，杭州市城市廢棄物處理碳排放中不同的影響因素對碳排放量的影響程度和機理不完全相同。2005～2017年杭州市城市廢棄物處理碳排放變化量有正值和負值，排放量累計增加84.52萬t，總體呈小幅增長趨勢，即在諸多影響因素中，導致杭州市城市廢棄物處理碳排放量增加的因素多于導致其減少的因素。2005～2011年，排放量累計增加273.26萬t，總體呈顯著增長態勢，即導致城市廢物處理碳排放量增加因素多于導致其減少因素；2011～2017年，碳排放量累計減少188.73萬t，即導致城市廢棄物處理碳排放量減少因素多于導致其增加因素。具體表現為：

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值 萬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，經濟產出效應(ΔY)、人口規模效應(ΔP)和城市化水平效應(ΔU)始終對杭州市城市廢棄物處理碳排放量起到促進作用，其中貢獻最大的是經濟產出效應(ΔY)。結果表明人均經濟產出和城市人口數量增加對城市廢棄物處理碳排放量增大產生了重要的驅動作用，主要是因為人口數量和人均產出的增加驅動了社會生產水平和居民消費能力的增長。排放結構效應(ΔWSt)和碳排放強度效應(ΔCFt)在2005～2011年間存在波動性，但總體對碳排放起到促進作用。

廢棄物排放強度效應(ΔWIt)在杭州市城市廢棄物處理碳減排中發揮著重要的作用，主要在政府相關政策出臺以及管理部門環境治理的影響下，單位GDP城市廢棄物產生量及處理量在波動中總體呈下降趨勢，對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值期間，經濟產出效應(ΔY)對杭州市城市廢棄物處理碳排放量增加貢獻最大，其次是人口規模效應(ΔP)，再者是城市化水平效應(ΔU)。說明人均經濟產出、城市人口數量以及城市化率的增加對城市廢棄物處理碳排放量增大產生了顯著的驅動作用。

在杭州市城市廢棄物處理碳減排中，廢棄物排放強度效應(ΔWIt)和排放結構效應(ΔWSt)發揮重要作用。從分解結果看，廢棄物排放強度效應(ΔWIt)雖然存在小幅波動性，但其減排作用最大，主要和環保部門連年開展的區域整治和行業整治密不可分，單位GDP城市廢棄物產生量及處理量的增長率趨于減緩，此外，2011～2017年，排放結構效應(ΔWSt)對碳減排始終起到促進作用，碳排放強度效應(ΔCFt)對碳減排效果存在波動性，但廢棄物處理碳排放量與碳排放強度呈負向變化，總體對碳排放起到抑制作用。

5 結論與建議

通過研究，可得出以下結論：

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

(2)2011～2017年，杭州市城市廢棄物處理碳排放量最大的區域為拱墅區和富陽區。隨著人民生活水平的提高和環境整治工作的推進，兩地排放量分別呈上升和下降趨勢。

(3)2005～2017年，經濟產出效應(ΔY)、城市化水平效應(ΔU)、人口規模效應(ΔP)對廢棄物處理碳排放具有正向驅動效應。廢棄物排放強度效應(ΔWIt)對廢棄物處理碳排放具有負向驅動效應。

(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：開展除天子嶺填埋場以外的填埋場甲烷回收工程，增加廢水處理沼氣回收利用示范項目，深入推進垃圾分類工作，逐步實現原生垃圾零填埋，進一步推動垃圾處理的轉型升級。