我国城乡生活垃圾处理温室气体排放清单研究

来源《CE碳科技》

作者郭含文、徐海云、聂小琴、童琳、马占云、刘建国、李旭、白彬杰、舒天楚、姚远、马星宇

自然变化和人类活动直接或间接地改变全球大气组成，且已在全球范围内造成规模空前的影响。工业化以来，由于煤炭、石油等化石能源的大量使用，排放的CO2等温室气体的温室效应导致气候变暖。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告第一工作组报告《气候变化2021自然科学基础》中明确指出，人类活动是导致温室气体浓度变化的主要原因。

自20世纪50年代以来，我国升温速率明显高于同期全球平均水平，是全球气候变化的敏感区和影响显著区。1992年，《联合国气候变化框架公约》要求世界各国按照经济发展水平承担相当责任与义务以实现二氧化碳减排。截至目前，已有54个国家实现二氧化碳达峰。2021年“碳达峰、碳中和”目标先后被写入《政府工作报告》和《国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》，成为国策。目前我国碳排放量大且还在持续增长中，中国尚未出现碳达峰拐点。

《2006年IPCC国家温室气体清单指南》（简称《2006年指南》）以及2019年修订版是应《联合国气候变化框架公约》邀请编制的。它们提供了国际认可的方法学，可供各国用来估算温室气体清单，以向《联合国气候变化框架公约》报告。《2006年指南》中包含的主要温室气体有二氧化碳、甲烷、氧化亚氮等。

根据IPCC国家温室气体清单指南编制要求，国家温室气体清单主要领域包括能源活动、工业生产过程、农业活动、土地利用、土地利用变化和林业、废弃物领域以及其他等。按照处理方式将废弃物领域划分为4个类别5.A填埋处置、5.B生物处理、5.C小焚烧和露天焚烧、5.D废水处理和排放。需要特别说明的是，含有余热利用的垃圾焚烧如垃圾焚烧发电温室气体排放统计在能源领域，对于没有余热利用的焚烧以及露天焚烧排放的CO2统计在废弃物领域。

IPCC发布的一系列评估报告表明，生活垃圾处理过程中产生的CO2和CH4排放等已成为人为温室气体排放的重要来源。因此，减少生活垃圾处理的温室气体排放量是实现国家减排目标的有效途径之一。

清楚全面地了解我国重点领域温室气体排放现状，摸清家底，是制定科学合理的减排措施及路径的关键。本研究将以我国城乡生活垃圾为对象，从国家层面，综合IPCC、美国和德国等温室气体排放方法，结合我国实际工程技术标准，创新性地提出一种生活垃圾填埋处置温室气体排放核算方法，同时定量化阐述包括填埋处置、生物处理以及无余热利用小型焚烧处理等的温室气体排放清单，并为我国城乡生活垃圾碳减排提出建议路径。

一、研究对象及研究方法

01、我国城乡生活垃圾清运量及处理处置系统

1、城乡生活垃圾清运量

根据中华人民共和国住房和城乡建设部统计年鉴，2006—2020年，我国城乡生活垃圾清运量如图1所示。2006年，我国城乡生活垃圾清运量为2.11亿t，其中城市和县城清运量分别为1.48亿，0.63亿t。2020年我国城乡生活垃圾清运量为3.03亿t，城市和县城生活垃圾清运量分别为2.35亿，0.68亿t。在过去的10余年间，城市生活垃圾清运量增长了59%，一方面是由于我国城镇化速率加快，农村人口不断向城市转移；另一方面是由于我国环卫体系的发展及完善，清运面积已基本全面涵盖。县城生活垃圾清运量基本维持在7000万t左右。

图1 2006—2020年我国城乡生活垃圾清运量

2、城乡生活垃圾处理处置技术选择

清运的城乡生活垃圾，部分可实现无害化处理。无害化处理技术一般选择卫生填埋、焚烧及其他（生物处理，以好氧堆肥、厌氧消化为主），未能实现无害化处理的生活垃圾一般采用露天堆放，即简易填埋。

由于无害化处理水平的不断提升，简易填埋量呈逐年减少趋势。城市生活垃圾简易填埋量已从2006年的7007万t降低至2020年的59万t。县城生活垃圾简易填埋量也降低至2020年的118万t。

城乡生活垃圾卫生填埋量由2006年的6770万t持续增长至2017年的1.71亿t，达到峰值，随后呈现下降趋势，降至2020年的1.26亿t。城乡生活垃圾简易填埋量也从2006年的1.39亿t降低至2020年的178万t。

城市生活垃圾无害化处理以焚烧为主，2020年城市生活垃圾焚烧处理占比62%，卫生填埋处置占比33%，生物处理占比5%。县城生活垃圾无害化处理以填埋为主，2020年县城生活垃圾卫生填埋占比71%，焚烧占比25%，生物处理仅占不足2%。

3、城乡生活垃圾碳含量

根据国际一般经验，生活垃圾中的碳占比约15%，化石碳在生活垃圾碳含量中的占比为1/3~1/2，因此设定1t生活垃圾含有100kg生物质碳，50kg化石碳，且仅有化石源的CO2具有温室效应，生物源的CO2不具有温室效应。

02、生活垃圾处理温室气体排放系数

生活垃圾处理温室气体排放清单来源及影响因子如表1所示。一般来说，填埋场甲烷排放是生活垃圾处理过程最大的温室气体排放来源。此外，来自化石碳（如塑料）的垃圾焚烧排放的CO2、堆肥与厌氧消化过程中产生的CH4以及氮氧化物是温室气体的主要来源，需要统计估算并报告。

表1 温室气体排放来源及其影响因子

03、填埋产气规律研究

1. 卫生填埋产气规律

根据我国实际情况，卫生填埋处置的生活垃圾填埋产气会持续十几年。某年份卫生填埋处置的生活垃圾填埋气产生潜势，会在随后的十几年内逐渐减少。计算我国城乡生活垃圾卫生填埋产气时，有机碳含量取值10%，有机碳降解率取值90%，垃圾产气速率取值0.3，则1t生活垃圾填埋气产量为150m3。

本研究结合我国实际工程经验，创新性地提出一种填埋产气规律计算方法。结合实际工程经验，卫生填埋1t生活垃圾时，大量产气时间约为10a，产气高峰期以第3~4年为计。为简化计算，将1t生活垃圾卫生填埋10年内的总产气量（150m3）分配至各年份，填埋气实际产气规律如图2所示，与国际上常用的Scholl Canyon模型相比，填埋产气整体趋势相似，但产气高峰由填埋第1年修正为更符合我国实际情况的第4年。通常情况下，填埋气中CH4体积分数为45%~50%，本研究假设CH4与CO2体积各占1/2，因此CH4产生量约为54kg/t生活垃圾。

图2 卫生填埋场填埋1t生活垃圾实际产气规律

2. 简易填埋产气规律

根据IPCC指南，生活垃圾填埋处置在废弃物控制、放置和场所的管理方面略有不同。简易填埋，即未管理的填埋处置场中一定量生活垃圾产生的CH4少于正规管理卫生填埋产生的CH4。这是由于在简易填埋场中，有相当大比例的生活垃圾是在上层进行的有氧分解。因此根据国际经验，结合我国卫生填埋场及简易填埋场的管理情况，建议简易填埋场CH4产气量根据当年简易填埋量计算，且简易填埋场CH4产气量是卫生填埋场产CH4量的0.4倍。则简易填埋1t生活垃圾，总产气量为60m3/t生活垃圾，CH4产生量约为22kg/t生活垃圾。

04、生物处理技术产气特征

无害化处理可分为卫生填埋、焚烧及其他。其他无害化处理技术一般指好氧堆肥和厌氧发酵处理，但并未对这2种技术处理量进行单独报道。

根据德国国家温室气体排放清单报告，堆肥处理过程CH4的排放因子为1.4千克甲烷/吨有机垃圾，N2O的排放因子为7.4⊆10-2千克氧化亚氮/吨有机垃圾。因此，好氧堆肥处理1t有机垃圾排放的温室气体约57千克二氧化碳当量。厌氧消化过程CH4排放因子为2.8千克甲烷/吨有机垃圾，N2O排放因子为7.4⊆10-2千克氧化亚氮/吨有机垃圾，厌氧消化处理1t有机垃圾排放的温室气体约92千克二氧化碳当量。

在我国好氧堆肥及厌氧消化处理量统计数据及各自CH4、N2O排放因子缺失的情况下，本研究依据德国生物处理情况，粗略地设定生物处理1t有机垃圾排放75千克二氧化碳当量。

05、无余热利用的小型焚烧产气特征

根据IPCC推荐的公式估算生活垃圾焚烧过程CO2排放。生活垃圾组成中，仅化石碳焚烧产生的CO2具有温室效应。据调研，实际工程中化石碳的转化率约95%，因此，根据我国城乡生活垃圾化石碳元素含量、转化率以及碳与二氧化碳间的转化系数，焚烧一t生活垃圾直接排放的温室效应为174千克二氧化碳当量。

二、结果与分析

01、城乡生活垃圾填埋处置过程温室气体排放

据欧盟报道，填埋场甲烷回收率不高，1990年甲烷收集率仅为甲烷总产量的4%，其中，仅2.6%用于填埋气发电。2019年CH4的收集率提升至35%，甲烷发电率为31.6%。根据我国相关研究，不同规模填埋场甲烷收集率为5%、24%和40%，本研究设定我国城乡生活垃圾填埋场填埋气收集率为25%，以此推测填埋气排放量。

综合考虑我国城乡生活垃圾填埋量（包括卫生填埋及简易填埋）、大量产气期间填埋气产气规律、沼气收集率及甲烷温室潜力等因素，绘制我国近年来城乡生活垃圾填埋处置温室气体排放变化清单（表2）。其中，2021—2024年填埋量为预测数据。2017年之前，我国城乡生活垃圾卫生填埋量逐年升高，2017年之后，我国城乡生活垃圾卫生填埋量呈持续下降趋势。2017年卫生填埋量为1.71亿t，2020年降为1.26亿t，且无害化水平已达到99%，简易填埋量可忽略不计。因此预测2021—2024年卫生填埋量仍呈继续下降趋势，分别为1.2亿t，1.1亿t，1.0亿t，0.9亿t。

表2 历年填埋处置温室气体排放

2020年填埋处置温室气体排放量最大，即达到排放峰值，之后随着填埋量减少，温室气体排放量逐年下降。达峰时，卫生填埋温室气体排放量为1.64亿吨二氧化碳当量，简易填埋温室气体排放量为96万吨二氧化碳当量。

02、城乡生活垃圾生物处理温室气体排放

我国部分城乡生活垃圾会采取生物处理技术（好氧堆肥及厌氧消化）开展无害化处理。同时，卫生填埋和焚烧处理过程产生的渗滤液也需要进行生物处理。由于生活垃圾填埋场渗滤液的产生受多种因素的影响，且无法准确获知渗滤液年产生量，因此根据实际工程，卫生填埋和焚烧处理渗滤液产生量为所处理垃圾的20%。

根据住建部统计年鉴，2020年生活垃圾生物处理量为1197万t，焚烧及卫生填埋渗滤液处理规模分别为3265万，2525万t。2020年由于生物处理造成的温室气体年排放量为623万t。

03、城乡生活垃圾小型焚烧温室气体排放

生活垃圾焚烧发电的温室气体排放在能源领域统计，没有余热利用的小型垃圾焚烧以及露天垃圾焚烧CO2排放统计在废弃物领域。由于我国并未公布城乡小型焚烧处理量相关统计数据，因此本研究根据统计年鉴中各省焚烧厂个数以及焚烧日处理量，粗略地判断2020年我国城乡小型焚烧处理量为200万t，则此部分CO2排放量约为35万吨二氧化碳当量。

04、城乡生活垃圾处理温室气体排放量

本研究仅关注废弃物领域中与生活垃圾处理相关的前3个类别（填埋处置、生物处理、无能源利用的小型焚烧）的温室气体排放清单。

我国城乡生活垃圾处理温室气体排放趋势如图3所示。卫生填埋处置温室气体排放量大，是我国城乡生活垃圾处理温室气体排放的主要贡献部分，生物处理、无余热利用的小型焚烧及简易填埋等排放的温室气体可忽略不计。随着我国环卫体系的完善，城乡生活垃圾卫生填埋量已于2017年达到峰值，随后呈逐年下降趋势。

图3 城乡生活垃圾处理温室气体排放趋势

我国城乡生活垃圾处理温室气体排放于2020年实现达峰，峰值为1.72亿吨二氧化碳当量（表3）。其中，卫生填埋处置1.64亿吨二氧化碳当量，简易填埋排放96万吨二氧化碳当量，生物处理排放623万吨二氧化碳当量，无余热利用的小型焚烧35万吨二氧化碳当量，填埋处置温室气体排放量占96%。

表3 2020年达峰时温室气体排放清单

我国于2018年12月发布的《中华人民共和国气候变化第二次两年更新报告》，是国家2014年废弃物处理温室气体清单报告，废弃物领域温室气体排放总量为1.95亿t，其中1.04亿t来自固体废弃物处理，0.91亿t来自废水处理。该报告响应联合国框架公约秘书处针对发展中国家统计数据的要求，因此仅采用《中国城市建设统计年鉴—2014》中城市生活垃圾处理量，而未关注县城及以下生活垃圾活动水平，因此排放量偏小，与本研究结果相差较大。

在我国“碳达峰、碳中和”目标下，需要全面考虑城乡生活垃圾处理情况，特别是对填埋、厌氧消化、好氧堆肥、小型焚烧等的处理量、处理技术参数以及过程造成的温室气体排放情况（化石源CO2、甲烷、N2O等）等基础数据的获取与整理，因此国家温室气体排放清单有待进一步完善。

05、典型发达国家废弃物领域温室气体排放启示

在对欧盟、德国和美国等国家温室气体排放清单进行研读后，发现填埋场排放的温室气体包括2个部分，即正规填埋场和非正规填埋场。我国自2017年起，无害化处理率达到95%以上，在此之前，每年有千万吨级的生活垃圾不能得到无害化处理，只能露天堆放或进行简易填埋。但由于部分有氧反应，简易填埋处置场中生活垃圾产生的甲烷少于正规管理的卫生填埋产生的甲烷。填埋处置是废弃物领域温室气体排放的主要贡献单元。

本研究还将欧盟1990—2019年温室气体排放量的绝对变化进行分析。总体而言，废弃物领域在温室气体排放方面实现了44%的降幅，主要是由于填埋场甲烷排放大幅减少造成的。就填埋处置而言，2019年与1990年相比，填埋处置温室气体排放降低了48%。就生物处理温室气体排放而言，2019年与1990年相比，增加了774%，但生物处理温室气体排放量不大，仅占2019年废弃物领域温室气体排放总量的6%。欧盟废弃物领域温室气体减排原因主要是多数欧盟国家颁布法令限制生活垃圾的填埋总量，减少非正规填埋场数量，以及加大对填埋气体的回收利用。

德国生活垃圾管理部门自1990年以来采取大量生活垃圾分类回收与处理的管控措施，以减少德国城市生活垃圾的填埋量。自2005年以来，德国已全面禁止倾倒有机垃圾，垃圾填埋时必须通过机械、生物或热工艺进行预处理，从源头限制了填埋场大量甲烷的形成。德国生活垃圾管理部门获得的经验表明，减少有机垃圾的填埋处置量比回收和处理垃圾填埋气体在减排效益上作用更加显著。

美国城市生活垃圾的产生总量持续增加，其中回收利用、堆肥的处理份额逐渐上升，填埋和焚烧的份额在波动中缓慢下降。总体而言，随着美国城市生活垃圾管理方式中回收利用及堆肥处理的占比不断提高，有机垃圾的填埋数量减少，垃圾填埋场的甲烷产生潜力和排放潜力随之降低。

三、结论

01、我国城乡生活垃圾处理处置技术选择变化

本研究对我国2006年至今的城乡生活垃圾清运量、处理处置技术选择等进行了深入研究，发现城乡生活垃圾清运量及无害化处理率呈逐年上升趋势，截至2020年，城乡生活垃圾无害化处理率已分别达到99.75%和98.26%。城乡生活垃圾主要无害化处理技术也已由卫生填埋处置转变为焚烧处理，卫生填埋量于2017年达到峰值，随后呈下降趋势，焚烧处理技术逐步占主导地位，生物处理有所提升，但占比不大。

02、我国城乡生活垃圾处理温室气体排放情况

本研究以IPCC框架下废弃物领域城乡生活垃圾处理（填埋处置、生物处理、小型焚烧）为对象，从国家层面，综合IPCC、美国和德国等温室气体排放核算方法，结合我国实际工程经验，采用一种理论与实际相结合，且更加接近我国实际情况的方法，计算得到我国城乡生活垃圾处理温室气体排放已于2020年实现达峰，达峰量为1.72亿吨二氧化碳当量，其中卫生填埋处置1.64亿t，简易填埋处置96万t，生物处理623万t，小型焚烧35万t，填埋处置贡献96%的温室气体。

03、城乡生活垃圾处理温室气体减排建议

1. 加强源头减量，减少城乡生活垃圾处理量。

2. 促进原生垃圾零填埋，减少甲烷排放。

3. 加强旧填埋场管理，提高甲烷收集利用率。

4. 开展旧垃圾填埋场的开挖筛分，减少甲烷排放。

5. 控制没有余热利用的小型垃圾焚烧，适度发展生物处理。

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原文标题:我国城乡生活垃圾处理温室气体排放清单研究