中国废弃物温室气体排放及其峰值测算效果

一、引言
随着人口增长、城市化进程加快以及经济发展水平提高，我国废弃物产生量日益增多。废弃物处置不仅影响居民的生活环境质量，而且还关系到温室气体排放。作为温室气体的主要排放源之一，废弃物在处置过程中，会产生甲烷、二氧化碳、氧化亚氮等温室气体①。目前，我国对废弃物处理通常采取填埋、焚烧和堆肥三种方式。根据《IPCC2006年国家温室气体清单修订指南》(以下简称《IPCC2006年指南》)有关国家温室气体清单的分类，废弃物产生的温室气体主要有4个来源：固体废弃物填埋处理、固体废弃物生物处理、废弃物的焚化与露天燃烧、废水处理与排放。其中，固体废弃物填埋处理(SWDS)是废弃物温室气体最大的排放来源。固体废弃物填埋处理时，甲烷菌使其含有的有机物质发生厌氧分解，产生甲烷。甲烷是《京都议定书》提出控制的6种温室气体之一，是仅次于二氧化碳的具有较强温室效应的气体，而且其增温潜能较高，相当于同等质量二氧化碳的21倍(高庆先等，2006)。据IPCC估算，在每年全球温室气体排放中，由固体废弃物填埋产生的甲烷约占3%—4%(IPCC，2001)。同时，固体废弃物填埋处理还产生二氧化碳、非甲烷挥发性有机化合物(NMVOC)以及较少量的氧化亚氮、氮氧化合物和一氧化碳。其中，包含化石碳(如塑料)在内的废弃物焚化和露天燃烧是废弃物主要的二氧化碳排放来源。另外，废水处理也会造成甲烷和二氧化碳的排放。
目前，中国已超过美国成为全球最大的城市固体废弃物(MSW)和工业固体废弃物生成地。2009年，我国城市固体废弃物和工业固体废弃物的产生量分别达到1.57亿吨和20.3亿吨。分析废弃物的温室气体排放趋势，计算其所占排放总量的比重，对我国掌握各类排放源的排放态势，设计相关领域的减排路径具有重要意义。然而，关于我国废弃物温室气体排放的相关研究成果很少。其中，杜吴鹏(2006)、高庆先等(2006)利用《IPCC1996年指南》给出的质量平衡法，测算出1994-2004年我国城市固体废弃物填埋处理所产生的甲烷排放量。但最新的《IPCC2006年指南》却建议在计算废弃物的甲烷排放时，尽量不要采用质量平衡方法，而鼓励使用一阶衰减法(FOD)。相比质量平衡法，一阶衰减法估算的年度排放数值更加精确。本文根据《IPCC2006年指南》提供的参考方法，对我国废弃物的温室气体排放进行系统的定量分析，并对2010-2050年的排放趋势做出预测，估算废弃物温室气体排放峰值及其出现时间。在此基础之上，通过国际比较，提出减少废弃物温室气体排放的政策建议，为我国制定废弃物部门的减排路径提供依据。②
二、计算方法及依据
《IPCC2006年指南》推荐使用一阶衰减法计算固体废弃物填埋处理产生的甲烷。此方法假设，在甲烷和二氧化碳形成的数十年里，废弃物中的可降解有机成分——可降解有机碳(DOC)衰减较慢。如果条件恒定，甲烷产生率完全取决于废弃物的含碳量。因此，在填埋之后的最初若干年内，处置场沉积的废弃物所产生的甲烷排放量最高，随着废弃物中可降解有机碳逐渐被细菌消耗，其排放量将趋于下降。一阶衰减法要求先计算被填埋处理的废弃物中可分解可降解有机碳(DDOCm)的数量。作为有机碳的一部分，DDOCm是指在厌氧条件下填埋处理时降解的那部分碳。源自废弃物填埋处置的DDOCm为：


三、固体废弃物生成量：相关数据处理
编制固体废弃物生成的数据是估算其排放温室气体的起点。在编制过程中，由于经济发展水平、产业结构、废弃物管理法规以及生活方式不同，各国固体废弃物的产生率和成分也不尽相同。《IPCC2006年指南》将填埋处置的固体废弃物分为三类：城市固体废弃物(MSW)、污泥和工业废弃物。然而，在我国，由于处置方式相对单一落后，农村废弃物排放也不可忽视。同时，鉴于污泥占填埋处置废弃物的比重较小，且我国可查污泥的统计数据较短，在此不做估算。因此，本文重点测算城市固体废弃物、农村固体废弃物与工业固体废物三项指标。
如前所述，给定一期固体废弃物在填埋后，甲烷会随着有机物质的分解陆续排放，其排放过程将是长期的。假定值为1的废弃物在第0期被填埋，通过对其一阶衰减过程进行数值模拟可发现，第二期时废弃物的甲烷排放量最高，此后逐渐减少，至第50期时甲烷排放量已基本为零。相比固体废弃物填埋量，废弃物产生的温室气体排放量(折合为碳排放)存在一定的滞后。当废弃物填埋量达到峰值时，其产生的碳排放量将会延后若干年才能达到峰值。因此，为使计算结果更加准确可信，一阶衰减法需要收集或估算废弃物的历史处置数据，采用至少50年的处置数据为佳(见图1)。

图1　废弃物每期排放的甲烷趋势模拟
1.城市固体废弃物生成分析
本文使用我国历年城市生活垃圾清运量代表城市固体废弃物生成量。由于该指标自1980年才有可查数据，为了获得50年以上的数据，需对未来一段时期城市生活垃圾清运量进行预测。城市垃圾生成(清运量)主要受人口、城市化率、经济发展水平以及垃圾处理技术等因素的影响，因此，选取城市人口、城市化率、人均GDP、生活垃圾排放强度(生活垃圾清运量/GDP)作为相应的自变量，预测采用多元线性回归方法，计量回归结果如下：

为预测2010-2050年城市生活垃圾清运(排放)量，需设定方程(5)中各变量2010-2050年的变化情景(见表1)。
据上述对各变量的情景设定进行预测，结果显示，到2050年，我国城市生活垃圾清运(排放量)仍不会出现峰值(见图2)。这表明，城市化进程加快，城市人口增多及居民生活水平提高将导致城市生活垃圾生成量不断上升。

2.农村固体废弃物产生趋势

采用历年粮食产量数据替代秸秆类农作物产量数据，即可计算出1980-2009年农村固体废弃物排放量。
为了预估2010-2050年农村固体废弃物排放，需要对未来我国粮食产量进行预测。刘江(2000)参照中等发达国家的消费结构预测出我国未来50年的人均粮食需求。在刘江给出的整数年节点预测基础上，利用matlab对其进行样条函数插值模拟，可得出其他年份人均粮食需求量。结果显示，2050年，我国人均粮食需求量将达到430公斤，比2005年增长9.4%。由此，利用前文对未来人口的预测结果，则可估算出2010-2050年我国粮食需求量。假定未来我国能保持粮食基本自给，则可近似将粮食需求量等于粮食生产量。④在此基础上，测算我国农村固体废弃物的产生量。从图3可以看出，未来我 国农业的固体废弃物产生量将呈上升趋势，但上升速度趋缓。一方面，居民生活水平提升将推高粮食需求量；另一方面，由于我国总人口增速下降，并较有可能在2050年之前迎来人口拐点(UN，2009；杜鹏等，2005；陈卫，2006)，这在一定程度上抑制粮食总需求量。

3.工业固体废物生成量测算
自1980年以来，工业固体废物一直是我国固体废弃物的最大来源。2009年，我国工业固废产生量达到203943万吨，而城市生活垃圾清运量仅为15734万吨，前者约为后者的12倍。该指标的统计同样也始于1980年，因此，为获得50年以上的数据，需对未来工业固体废物产生量进行预测。预测同样采用多元线性回归的方法，选取总人口、人均GDP、工业固体废物产生强度(工业总体废物产生量/工业总产值指数)等影响工业固体废物生成的主要因素作为自变量，计量回归结果如下：

利用回归方程，通过设立各自变量2010-2050年增长情景模式(设定依据参照上文)(见表2)，即可对2010-2050年工业固体废物产生量进行预测。预测结果显示，我国工业固体废物产生量将在2025年达到峰值，峰值额约为22亿吨，随后将逐步下降(见图4)。

图4　1980-2050年我国工业固体废物产生量(单位：万吨)
目前，各国仅对无法回收再利用的废弃物采取填埋等处置手段，而且只有这部分的工业固废才会排放甲烷等温室气体。随着回收利用技术推广应用，工业固废回收利用比重不断提高，美国、日本、德国等发达国家工业固体废物利用率均已接近100%，促使工业固废温室气体排放显著下降。为缓解日益增大的环境和资源压力，近年来我国工业固体废物再利用力度加大，工业固废综合利用率已由1990年的29.3%上升至2010年的69%.其中“十一五”时期工业固废综合利用率提高13.2个百分点。但与发达国家相比，我国固体废物处理技术和综合利用水平仍存在一定差距，减量化、无害化、稳定化、资源化程度偏低，尚有较大的提升空间。与“十一五规划”不同，“十二五规划”中并未设置工业固废综合利用率目标，但2011年工业与信息化部发布了《关于开展工业固体废物综合利用基地建设试点工作的通知》，要求到“十二五”期末，试点地区工业固废综合利用率在2010年基础上提高10—12个百分点。假定“十二五”期末，试点地区如期完成该任务，则届时试点地区工业固废综合利用率将达到79%—81%。由此，假设2015年全国工业固废综合利用率为75%，2050年工业固废综合利用率接近发达工业国的水平，为95%，同样采用matlab对其进行样条函数插值模拟，可得出2010-2050年我国工业固废综合利用率数值(见图5)。在此基础上，计算出1980-2050年未被利用的工业固体废物(即按填埋处理的工业固体废物)数量(见图6)⑤。结果显示，2010-2050年我国按填埋处理的工业固体废物数量明显下降。这一趋势符合加快转变发展方式的目标方向，也是随着产业转型升级工业固体综合利用率逐步提高的结果。

图5　2010-2050年中国工业固废综合利用率

图6　1980-2050年中国工业固废填埋量(单位：万吨)
四、废弃物碳排放及其峰值：基于FOD的测算
在获得1980-2050年城市固体废弃物、农村固体废弃物与工业固体废物填埋处置相关数据后，即可使用一阶衰减法分别计算出其排放的甲烷。计算步骤如下：①利用T年排放的固体废弃物数据，计算出当年产生出的可降解有机碳(DDOCm)。②计算T年年终时固体废弃物处置中所累积的DDOCm。③计算T年固体废弃物处置中所分解的DDOCm。④计算可分解材料所产生的甲烷。
使用一阶衰减法时，需要对相关参数进行校准。《IPCC2006年指南》鼓励通过开展废弃物产生研究、SWDS场所抽样调查及结合国内可降解有机碳分析，获取特定国家参数值。然而，由于调研条件限制，中国特定参数值尚难以获得。在这种情况下，本文借鉴《IPCC2006年指南》中给出的缺省参数值，测算甲烷排放量。其中，城市和农村固体废弃物的可降解有机碳(DOC)值为0.14，可降解有机碳的比重()值为0.5，甲烷修正因子(MCF)为0.71，产生的垃圾填埋气体中甲烷的比重(F)值为0.5，氧化因子(OX)值为0。而对于工业固体废物，DOC值为0.15，值为0.5，MCF值为0.72，F值为0.5，OX值为0。
由于半衰期的反应常量(k)值受气候影响较大，该数值在降雨量少的干地区与雨量丰沛的湿地区之间存在较大差异，而我国幅员辽阔、各地区气候和降雨量差别较大，直接影响反应常量的取值。因此，本文以年均降水量800毫米作为划分标准，将我国31个省市区划分为干地区与湿地区，从而对参数k进行校准，以改进预测结果(见表3)。同时，依据1980-2009年各省市区的GDP水平，测算各年干地区与湿地区参数权重，由此分别加权计算出我国城市、工业固体废弃物在半衰期中的反应常量k值。同样，利用1980-2009年各省市粮食年产量，加权测算出我国农业固体废弃物在半衰期中的反应常量k值。
利用校准后的参数，分别求出各年城市、农村、工业固体废弃物甲烷排放量，加总得出废弃物甲烷排放总量，进而换算成废弃物碳排放总量(见表4)⑥。结果显示，1981-2009年，我国固体废弃物碳排放处于快速上升态势，2009年碳排放量达2788.27万吨。但固体废弃物排放占全国碳排放总量比重在达到2001年2.34%的高点之后，下降较快，2009年这一比值降至1.4%。主要原因在于：一方面，20世纪头10年这一轮工业和经济高增长导致能源、工业生产过程等主要排放源的排放增长相对更快，占排放总量的比重上升幅度更大；另一方面，这也是我国废弃物处置水平提高的结果。继续推算未来固体废弃物的碳排放量发现，我国固体废弃物产生的碳排放将于2024年达到峰值，峰值量为3323.6万吨，随后排放量将呈下降趋势，所占全国碳排放总量比重进一步下降，届时为1.1%(见图7)⑦。


五、结论：国际比较与政策建议
过去20年中，主要发达国家废弃物温室气体排放占其排放总量的比重均有较大幅度下降。1990-2009年，美国、澳大利亚、日本在碳排放总量出现不同程度增长的情况下，其废弃物的碳排放仍有明显下降，而同期欧盟(15国)废弃物碳排放下降也远远超过其排放总量的下降幅度(见表5)。产业升级转移、废弃物处理技术进步、工业清洁生产和循环经济的推广以及居民生活垃圾规范化管理是导致发达国家废弃物温室气体排放下降的主要原因。目前，欧美国家废弃物收集、 回收、处理、加工及销售的规模化、产业化水平不断提高，并已形成较为成熟的商业模式。固体废弃物处理公司一般包括废弃物回收中心、垃圾填埋场、有机废弃物堆肥场等在内的一整套处理设施，而居民和商业机构交纳的废弃物处理费以及回收产品和副产品销售则是其收益的主要来源。回收率提高减少了温室气体排放，缓解水体污染，降低对填埋场和焚烧炉的需求，并提供工业原材料，节约能源，增加就业机会。目前，发达国家不仅废弃物处置技术领先，而且还建立了较为科学完善的废弃物管理体系，其核心内容在于设置合理的废弃物管理分级制度。处置废弃物时首先在生产过程中减少废弃物排放，其次为废弃物回用及循环利用，再次为废弃物再生处理(如堆肥和厌氧消化)，最后才为填埋处理。通过在源头对可循环利用物质进行分离，可减少废弃物产生量，提高废弃物回用量。
与发达国家相比，我国人均GDP和城市化率较低，人均固体废弃物日产量约为0.75公斤/人/天，仍处于较低水平，而日本、卢森堡、美国等发达国家人均固体废弃物日产量分别达到1.2、1.75、2.1公斤/人/天(世界银行，2005)。然而，由于人口基数大，我国废弃物生成总量仍较大，而且随着人均收入不断提高，工业化和城市化进程加快，我国废弃物生成量特别是城市固体废弃物产量呈快速上升趋势，废弃物的温室气体排放增加，环境影响增大。与发达国家废弃物温室气体排放已出现下降的趋势不同，我国废弃物碳排放到2024年才能达到峰值。到2050年，我国废弃物碳排放与峰值时水平相比下降约10%，与美国、日本1990-2005年变化情况相近，这是由我国经济发展和工业化的阶段性特征决定的。相对于城市固体废弃物，由于我国粮食需求逐步稳定，农村固体废弃物生成量增速趋缓，而在经历了21世纪头10年这一轮工业高增长中生成规模快速扩大后，工业固体废弃物将随着综合利用率逐步提高，处置量会明显下降。同时，本文的预测结果显示，我国废弃物碳排放峰值出现时间要早于碳排放总量的达峰时间，这主要是由于废弃物的碳排放占排放总量的比重相对较小，而能源、工业生产工程、交通等温室气体排放的主要部门面临的减排压力更为突出。⑧
近年来，随着节能减排力度不断加大，我国废弃物处理技术取得显著进步。多数大型城市积极推进垃圾卫生填埋，并以此作为废弃物的主要处理方法。尽管如此，与国外先进的废弃物处置产业化体系相比，我国相关领域在规模、技术和管理体制等方面仍存在较大差距。目前，我国废弃物管理缺少系统、可靠的废弃物产量和处理成本数据，导致政策制定依据不足。同时，居民废弃物处置仍以市政市容管理部门为主导，回收处理效率低，收费难以弥补成本，主要依靠财政支持。而相关部门职责划分不清，建设部和环境保护部均有管理职权，重复监管问题突出。另外，由于废弃物处置市场化经营的商业参与规则不健全，私营部门参与度较低，难以通过市场竞争提高废弃物处置的运营效率。从发达国家的经验来看，废弃物处置技术已比较成熟，并能够产生温室气体减排和减少环境损害的双重效应。在加速工业化和城市化条件下，我国固体废弃物处理有较大的改善潜力。为此，应借鉴发达国家的经验和方式，结合我国废弃物产生及其温室气体排放趋势，加快发展废弃物处置及相关行业，减少废弃物温室气体排放。
一是作为废弃物的主要排放来源，我国工业固废减排潜力较大，工业是废弃物减排的重点领域。因此，应加快传统产业技术改造，淘汰落后产能，大力发展战略性新兴产业，积极推进清洁生产和循环经济，配合资源税改革和环境税试点，加大废弃物处置技术研发投入和推广应用，提高工业生产效率和资源利用率，通过产业升级，从源头上减少工业固废排放。上文的预测结果显示，2010-2030年，我国工业固废综合利用率提高相对较快，应在这一时期加大工业固废综合利用的投入力度，缩减工业固废填埋处置的规模，力争提前达到废弃物碳排放峰值。二是目前我国农村废弃物管理制度建设滞后，投入严重不足，处置方式单一，回收利用率较低。农民收入水平提高和消费升级将改变未来农村废弃物的构成，使得这部分废弃物的处置压力进一步加大。今后，要高度重视农村废弃物处理，结合新农村建设，加强农村废弃物回收以及村镇垃圾收集、污水处理等废弃物处置的基础设施建设，引导农民转变观念，改善生产生活方式，提高秸秆类农副产品以及农村生活垃圾的综合利用率，在为农民创造一定收益的同时，减少环境损害，降低农村温室气体排放。三是现阶段我国废弃物处理仍以简单填埋为主，尚缺乏科学的废弃物分类层级和处置模式。如何建立适合中国产业结构和居民生活方式的分级管理制度是改善废弃物处置效果的关键。废弃物分级管理制度设计应由末端处置转向源头管理，减少转运和处置量，延长填埋场使用时间，通过技术和制度创新降低废弃物处置成本。在分级制度中，对于不能减量或重复使用的二级原料(如纸和金属)应进行重点循环利用，而对无法循环利用的废弃物则需加强再生处理，如采取微生物分解(堆肥或厌氧消化)等方式处置。同时，我国固体废弃物管理法规尚不完善，致使各地政府部门缺少可参照的统一标准，废弃物管理较为混乱。为此，应加快立法进程，明确各部门职责，加强区域间合作和跨部门协调，充分发挥市场机制，鼓励民营企业参与废弃物商业化综合利用，建立可持续的废弃物管理政策法规体系。此外，由于垃圾填埋过程中处置不当，致使填埋场周边土地污染严重，“棕地”现象日益增多。据世界银行统计，中国目前至少有5000块“棕地”，清理这些“棕地”的成本远高于废弃物填埋的收益。另一个值得注意的现象是，近年来焚烧处理废弃物方式在我国发展较快，但由于焚烧温度较低，废弃物焚烧过程中会产生二恶英等有害物质。因此，应加强废弃物处置技术创新投入力度，开发多元化处置技术和模式。如对大中城市周边水泥厂进行技术改造，将城市污水处理厂的淤泥等部分废弃物直接作为水泥厂原料进行高温处置。实现温室气体减排的同时，减少废弃物处置的环境影响。
注释：
①按照IPCC分类，温室气体排放源主要有六个部门，分别为：能源生产利用、农业、工业生产过程、废弃物、溶剂使用及其他。
②由于经济发展水平、生活习惯和自然地理条件不同，各个国家和地区废弃物的处置 方式存在较大差异。美国、意大利、英国等以卫生填埋为主，日本、丹麦、荷兰、瑞士则以焚烧为主，而芬兰、比利时堆肥处理所占比重较大。目前，中国固体废弃物处理主要采取填埋方式，而且是以简易填埋处理为主(杜吴鹏等，2006)。据IPCC估计，我国约97%的城市固体废弃物按填埋处理，焚烧和堆肥处理分别约占2%和1%。因此，在测算我国废弃物部门碳排放时，本文主要测算固体废弃物填埋处理所产生的排放。
③由于我国农作物主要由秸秆类作物构成，非秸秆类作物所占比重较小，为便于预测未来农业副产物的产量，本文暂不考虑非秸秆类作物的排放。另外，受数据来源限制，本文未将农村生活垃圾计入农村固体废弃物之中，但可以预见，随着农民收入水平提高和消费结构变化，我国农村生活垃圾生成量也将逐步增加。
④2004年以来，我国粮食连续6年增产，2009年粮食总产量达到10616亿斤，比2003年增产2002亿斤，粮食自给率保持在95%以上。尽管近两年来粮食进口量不断增加，但所占比重仍较小。同时，政府一直高度重视粮食安全问题，因此，可预计今后粮食生产与消费仍将基本处于平衡状态。
⑤由于1980-1989年工业固废综合利用率没用统计数据，这一时期的数据按年均利用率25%估算。
⑥根据《IPCC2006年指南》，。
⑦2010-2050年中国碳排放的预测数据参见渠慎宁等(2010)。
⑧目前，国内对中国碳排放总量峰值预测大都得出了总量达峰时间在2030-2040年的结果，本项目课题组关于排放总量的研究也支持这一判断。