天津市生活垃圾處理碳排放時間變化特征及影響因素

摘要：控制生活垃圾處理產(chǎn)生的溫室氣體已成為碳減排的重點方向之一。參考《省級溫室氣體清單編制指南（試行）》推薦方法核算了天津市 2009—2018 年生活垃圾處理碳排放量，分析碳排放時間變化特征，并采用改進 Kaya 恒等式和 LMDI 加和分解法的碳排放影響因素分解恒等式，分析天津市生活垃圾處理碳排放的影響因素。結果表明：2009—2018 年天津市生活垃圾處理碳排放量呈現(xiàn)先降后增的趨勢，碳排放量主要來自填埋處理；影響碳排放的因素中，經(jīng)濟產(chǎn)出效應（ΔY）對生活垃圾處理碳排放的驅動作用最大，碳排放強度效應（ΔCF）次之，生活垃圾排放強度效應（ΔWI）和生活垃圾處理結構強度（ΔWS）對碳排放具有負向作用?？刂粕罾a(chǎn)生量、增加垃圾焚燒處理占比以及提高填埋場甲烷回收率是未來主要的減排方向。

關鍵詞 生活垃圾處理；碳排放；時間變化特征；Kaya-LMDI 方法

全球氣候變暖關系到生物的生存和發(fā)展，目前 已經(jīng)成為全球廣泛關注的焦點問題之一。大量研究發(fā)現(xiàn)，氣候變暖的主要原因是溫室氣體的排放[1-2]。

近年來，生活垃圾作為人為溫室氣體的主要來源之一，引起了各國政府和廣大學者的關注[3-4]。2006 年美國生活垃圾填埋場產(chǎn)生的 CH4 成為美國溫室氣體的第二大人為排放源[5]。我國溫室氣體排放量從1990 年到 2014 年增加了 784 949.6 萬 t[6]。在 2020年第七十五屆聯(lián)合國大會上，習近平總書記宣布中國力爭在2030年前CO2 排放量達到峰值，爭取2060 年前實現(xiàn)碳中和的戰(zhàn)略目標。目前在國際定義上，實現(xiàn)碳中和、碳達峰的目標并不僅僅是狹義上二氧化碳的中和及達峰，而是指廣義上溫室氣體的中和及達峰[7-9]。作為世界第二大經(jīng)濟體，我國城市化的發(fā)展已導致生活垃圾產(chǎn)生量的劇增[10-11]，減少生活垃圾處理過程中的溫室氣體排放量成為有效減少我國碳排放量的重要途徑之一。

天津市人口眾多，經(jīng)濟和城市化發(fā)展迅速。目前，天津市城市化率達到 84.70%[12]，由此帶來的生活垃圾產(chǎn)生量也在不斷增大。2018 年，天津市生活垃圾產(chǎn)生量占全國的 1.3[13]。大量生活垃圾的處理處置方式對溫室氣體排放具有重要影響，事實上，對垃圾填埋場填埋氣的收集是最直接、有效的減排措施，經(jīng)濟發(fā)展、城市化率、人口增長等對城市生活垃圾處理碳排放也具有間接的減排效果[14-15]。因此，開展地區(qū)生活垃圾處理方式及各因素對生活垃圾處理碳排放量影響的研究，對當?shù)貜U物處置及碳減排政策的制定具有理論支撐意義。但目前，針對天津市生活垃圾處理過程所排放溫室氣體的核算方法研究尚不成熟，影響因素尚不清晰。為實現(xiàn)我國“雙碳”目標，開展相關的基礎理論研究極其重要。

國內(nèi)外學者對溫室氣體排放影響已開展了大量研究，研究方法主要分為結構分解分析（SDA）和指數(shù)分解分析（IDA）[16-17]。Ehrlich 等[18] 在 IDA 的基礎上構建了 IPAT 方程，分析了人口、人均 GDP 和技術之間的關系。之后，有學者對 IPAT 方程進行改進。Waggoner 等[19] 將技術分解為人均 GDP 能耗和單位能源碳排放，構建了 ImPACT 模型。Kaya[20] 在IPAT 方程的基礎上提出了 Kaya 恒等式，研究了能源消耗量、GDP 和人口對溫室氣體排放的影響。為了克服IDA存在殘差 、 數(shù)據(jù)零值計算等問題 ，Ang等[21] 提出了LMDI分解法。Leontief 等[22] 首次采用 SDA 方法研究美國能源消耗與環(huán)境污染的關聯(lián)，之后該方法被廣泛應用到能源與環(huán)境問題研究之中。與 SDA 相比，IDA 具有所需數(shù)據(jù)量少、數(shù)據(jù)易收集、可用于時間序列分析等優(yōu)點，因而應用更為廣泛[23]。

筆者以天津市為研究對象，采用《省級溫室氣體清單編制指南（ 試 行 ） 》推薦的方法核算天津市2009—2018 年生活垃圾處理碳排放量，分析其時間變化特征，并采用結合改進 Kaya 恒等式和 LMDI 加和分解法的城市生活垃圾處理溫室氣體排放影響因素分解恒等式，分析天津市生活垃圾處理溫室氣體排放特征及其影響因素，以期為天津市生活垃圾管理、溫室氣體排放管控和決策提供理論依據(jù)。

1 試驗方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 城市生活垃圾處理碳排放核算方法

1.1.1 焚燒處理碳排放核算方法

城市生活垃圾焚燒處理排放的溫室氣體主要是CO2 及少量的 CH4 和 N2O。按照《IPCC國家溫室氣體排放清單指南》規(guī)定，在統(tǒng)計生活垃圾焚燒處理排放的溫室氣體時，化石成因（即生活垃圾中塑料、紡織類、橡膠類等）焚燒排放的溫室氣體，被納入溫室氣體排放總量的估算，而生物成因（即生活垃圾中食品、紙質類等）焚燒排放的溫室氣體，僅作為信息項記錄，不做統(tǒng)計[24-26]。因此，僅估算焚燒處理中化石成因排放的溫室氣體。城市生活垃圾焚燒處理的CO2排放量采用《省級溫室氣體清單編制指南（試行）》推薦的估算公式進行測算，CH4 和 N2O 排放量采用《2006 年 IPCC 國家溫室氣體清單指南》推薦的估算公式進行測算，其中 CH4 和 N2O 排放量根據(jù)《IPCC 第二次評估報告》中的 CH4 和 N2O 增溫趨勢分別是 CO2 的 21 倍和 310 倍折算成 CO2 當量。計算公式如下：

式中 ： CO2 排放量 ，萬t/a； CH4/N2O排放量，萬t/a；IW為垃圾焚燒量，萬t/a；CCW為廢物中的碳含量；FCF為廢物中礦物碳占碳總量的比例；EF為燃燒效率。

1.1.2 填埋處理碳排放核算方法

生活垃圾填埋是 CH4 排放的主要來源之一，填埋 氣中 CH4 占 比 可達 55%～60%， 但 填 埋 產(chǎn) 生的CH4 可用于資源化利用，因此最終排放量和產(chǎn)生量有所差距[27-29]。 城市生活垃圾填埋處理排放的CH4量參考《省級溫室氣體清單編制指南（試行）》中的質量平衡法進行測算，該方法假設所有潛在的CH4 均在處理當年就全部排放完，產(chǎn)生的 CH4 量折算成CO2 當量，計算公式如下：

式中： CH4排放量，萬t/a；MSWT為固體廢物產(chǎn)生量，萬t/a；MSWF 為填埋處理率；L0為CH4產(chǎn)生潛力，指CH4產(chǎn)生量占固體廢物的比例；R為CH4回收量，萬t/a；OX為氧化因子；MCF為CH4修正因子；DOC為可降解有機碳產(chǎn)生量占固體廢物的比例；DOCF為可分解的DOC占比；f為垃圾填埋氣中的CH4占比。

1.2 城市生活垃圾處理碳排放影響因素分析方法

為了揭示社會、經(jīng)濟、能源、排放等宏觀因子之間的關系，考察國家層面溫室氣體排放量影響因素，Kaya于1989 年在聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會上提出了Kaya恒等式[30-31]，其公式如下：

式中 GHG、TOE、GDP、POP 分別為溫室氣體排放量、能源消耗量、經(jīng)濟生產(chǎn)總值和總人口。因其具有結構簡單、通俗易懂等優(yōu)點而被廣泛應用于溫室氣體影響因素研究[32]，但 Kaya 恒等式具有一定局限性，存在未計入非能源利用活動產(chǎn)生的溫室氣體排放、對碳排放量基數(shù)大而變化量小的國家解釋力較弱等問題[33]。

為了更全面、準確地考察社會、經(jīng)濟、人口等因素與溫室氣體排放的關系，研究生活垃圾處理碳排放驅動因素的貢獻，參考王育寶等[34] 提出的城市生活垃圾處理溫室氣體排放影響分解恒等式，將改進的 Kaya 恒等式應用到 LMDI 加和分解法中，對碳排放驅動因素進行分解，討論其貢獻，計算公式如下：

式中：i 為城市生活垃圾處置方式；t 為年份；G 為生活垃圾處理量，萬t； 生活垃圾處理碳排放強度（以 CO2 計），t/(t ? a)； 生活垃圾處理結構強度；單位 GDP 生活垃圾排放強度，t/萬元； 人均 GDP 產(chǎn)出，萬元/人； 人口城市化率；Pt 為人口規(guī)模，萬人。

在時間跨度段 [t-1,t] 內(nèi)，設 ΔGHGwaste 為溫室氣體排放變化量，ΔCF、ΔWS、ΔWI、ΔY、ΔU、ΔP 分別為 CFt、WSt、WIt、Yt、Ut、Pt 對 ΔGHGwaste 的貢獻 ，利用LMDI 加和分解法得到計算公式如下：

以上6個影響因素分別定義為：1）碳排放強度效應（ΔCF）。ΔCF表示溫室氣體排放量對生活垃圾處理碳排放量的影響，提高溫室氣體中CH4的回收量有助于降低生活垃圾處理碳排放量。2）生活垃圾處置結構效應（ΔWS）。ΔWS表示生活垃圾處置方式對生活垃圾處理碳排放量的影響，生活垃圾不同的處置方式，產(chǎn)生和排放的溫室氣體量不同。3）生活垃圾排放強度效應（ΔWI）。ΔWI表示生活垃圾產(chǎn)生量對生活垃圾處理碳排放量的影響，生活垃圾產(chǎn)生量與生活垃圾處理碳排放量直接相關，產(chǎn)生量越大，產(chǎn)生的溫室氣體量也越多。4）經(jīng)濟產(chǎn)出效應（ΔY）。ΔY表示經(jīng)濟發(fā)展對生活垃圾處理碳排放量的影響，隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，居民生活水平也在提高，生活垃圾成分與生活水平息息相關。5）城市化水平效應（ΔU）。ΔU表示城市化水平對生活垃圾處理碳排放量的影響，城市化水平不僅影響生活垃圾產(chǎn)生量，對生活垃圾的成分也會造成影響。6）人口規(guī)模效應（ΔP）。ΔP表示人口規(guī)模變化對生活垃圾處理碳排放量的影響，人口增長導致生活垃圾增加，而生活垃圾處理碳排放量與生活垃圾產(chǎn)生量直接相關。

綜上，可得城市生活垃圾處理溫室氣體排放因素分解修正恒等式：

各因素對城市生活垃圾溫室氣體排放變化量

1.3 數(shù)據(jù)來源

選取2009—2018年天津市生活垃圾處理碳排放量核算所需的生活垃圾處理量、成分構成等數(shù)據(jù)，具體來源見表1和表2，碳排放核算中所需的排放因子采用《省級溫室氣體清單編制指南（試行）》中的推薦值，同時參考實地調查和專家判斷的數(shù)據(jù)。

2. 結果與討論

2.1 碳排放量時間變化特征

2009—2018年天津市生活垃圾處理碳排放量如表3所示。由表3可知，2009—2018年天津市生活垃圾處理總碳排放量變化可分為2個階段：2009—2012年，總碳排放量呈波動減少趨勢，2012年大幅減少，相比2009年和2011年分別減少38%和30%，這可能與2012年天津市生活垃圾焚燒處理量占比增大且紙類和橡塑類成分相對減少有關（圖1和表2）。林成淼等[35]研究了生活垃圾分類對溫室氣體減排的影響，發(fā)現(xiàn)通過對塑料、織物、金屬等礦物碳成分占比較大的固體廢物進行回收，可減少24%的溫室氣體排放。2013—2018年，天津市生活垃圾處理總碳排放量呈波動增加趨勢，2017年之前增幅為10%~30%，2017年出現(xiàn)驟增，增幅達51%，這與2017年天津市迎全國運動會加強城市固體廢物管理政策實施有關，到2018年天津市生活垃圾處理總碳排放量相比2017年減少了7%。

從生活垃圾的不同處置方式上看，焚燒處理碳排放量整體上呈大幅增加趨勢，除2015—2018年增長率低于20%外，其他年份增長率為30%左右。填埋處理碳排放量呈先逐年減少，2012年達到最低值后再逐年大幅增加的趨勢，2012年同比2009年減少41%，2017年相比2012年增加196%，除2017年大幅增長（54%）、2018年略有降低外，其他年份增長率為20%左右。天津市生活垃圾處理排放的溫室氣體主要來自填埋，占生活垃圾處理總排放量的92%~97%，填埋處理碳排放量變化趨勢與生活垃圾處理總碳排放量變化趨勢具有相似性，這說明填埋方式對生活垃圾處理碳排放量影響較大，這與張婷婷等[36-37]關于不同策略下溫室氣體排放的研究結論相一致。

2.2 碳排放量影響因素

運用Kaya恒等式和LMDI加和分解法對天津市2009—2018年生活垃圾處理碳排放進行分解，以相鄰年份區(qū)間為變化樣本，得到6個影響因素的貢獻值和貢獻率，其中正值表示對碳排放具有驅動作用，負值表示對碳排放具有抑制作用。由于2009—2018年天津市生活垃圾處理碳排放量呈先波動遞減再遞增的趨勢，故以2012年為時間節(jié)點將其分為2個時間段分別計算碳排放分解因素貢獻值和貢獻率，結果如圖2、表4所示。由圖2和表4可知，2009—2012年，ΔY、ΔU及ΔP對天津市生活垃圾處理碳排放存在促進效應，ΔWS、ΔWI和ΔCF則呈抑制效應。2012—2018年，ΔCF、ΔY、ΔP、ΔU和ΔWS有促進碳排放的作用，ΔWI對碳排放起到抑制作用。

2.2.1 碳排放強度效應

2009—2018年，ΔCF貢獻值除個別時間段為負值外均為正值，總體上對天津市生活垃圾處理碳排放具有驅動作用，在促進碳排放的因素中排第2位。其中，2009—2012年，天津市生活垃圾處理碳排放變化量基本為負值，ΔCF的貢獻值在貢獻值為負值的影響因素中處于中間位置，生活垃圾處理碳排放量減少了23.90萬t。這一階段，天津市生活垃圾產(chǎn)生量由188.4萬t增加到213.19萬t，年均增長率約4.2%，從2010年后天津市生活垃圾填埋場甲烷回收利用率增加，在一定程度上減緩了單位溫室氣體排放量，這與Calabrò等[38-41]的研究結論一致。

2012—2018年，ΔCF作為正指數(shù)貢獻值最大，貢獻值占2012—2018年總貢獻值的66.41%，這一時期的ΔCF對天津市生活垃圾處理碳排放起到促進作用。2012年后天津市嚴格控制生活垃圾污染，加強生活垃圾的收集和運輸，生活垃圾產(chǎn)生量年均增長率升至5.7%，最大達14.1%，與此同時垃圾填埋場減少，在有限的填埋氣回收率之下，CH4排放量增加。

2.2.2 生活垃圾處置結構效應

2009—2018年，ΔWS貢獻值大部分為負值，占總碳排放貢獻值的?58.46%，在抑制碳排放的因素中排第2位。其中，2009—2012年，ΔWS是貢獻率為負值的影響因素中最小的，對天津市生活垃圾處理碳排放起到抑制作用，對碳排放的減少具有61.73%的貢獻率。天津市生活垃圾處理主要依靠填埋和焚燒，2009—2012年，填埋處理依然是主導方式，占比為58%，焚燒處理量占比為32%。為推進生活垃圾減量化、資源化，天津市在2012年開始增加了生活垃圾焚燒處理的占比。與2009年相比，天津市2012年生活垃圾焚燒處理量增加了60.7%，相應的填埋量減少了18.4%，這一措施使得CH4排放量大幅減少，達41%。說明廢物處置結構的改變（減少填埋占比）有利于溫室氣體的減少，這與Wang等[42]的研究結果一致。

2012—2018年，ΔWS貢獻值變?yōu)檎?，在貢獻值為正值的影響因素中排第5位，對天津市生活垃圾處理碳排放增加貢獻率為0.78%，驅動效應較弱。這是因為生活垃圾處理碳排放量在受到處置結構影響的同時，也受到生活垃圾處理量的影響，2012—2018年，天津市生活垃圾填埋處理量和焚燒處理量相差不大，占比分別為47%和44%，填埋處理量的減少在一定程度上降低了溫室氣體的排放，但在此時間段生活垃圾產(chǎn)生量大幅增長，同2012年相比，2018年生活垃圾產(chǎn)生量增加了93.10萬t，增長率為50.2%，由生活垃圾增加量帶來的溫室氣體排放削弱了廢物處置結構變化產(chǎn)生的抑制作用。

2.2.3 生活垃圾排放強度效應

2009—2018年，ΔWI貢獻值在負值的指數(shù)中排第1位，且在各時間段內(nèi)大部分為負值，對天津市生活垃圾處理碳排放起到抑制作用，ΔWI抑制排放了59.72萬t的溫室氣體。

2009—2012年，ΔWI貢獻值均為負值，對天津市生活垃圾處理碳排放的抑制作用貢獻最大。由圖3可知，2009—2012年天津市單位GDP廢物產(chǎn)生量呈大幅下降趨勢，降低了33.9%；碳排放量呈波動下降趨勢。雖然天津市生活垃圾產(chǎn)生量不斷增長，但其增長速度遠小于GDP。

2012—2018年，ΔWI貢獻值具有波動性，總體上呈現(xiàn)抑制效應，是貢獻值唯一為負值的影響因素，為?5.61%。2012—2018年，天津市生活垃圾產(chǎn)生量增幅加大，為38.2%，而GDP增幅有所下降，為46.0%，造成單位GDP生活垃圾產(chǎn)生量下降趨勢變緩。此時，碳排放量大幅增加，由此可以看出單位GDP生活垃圾排放強度對生活垃圾處理碳排放量具有負向作用。

2.2.4 經(jīng)濟產(chǎn)出效應

2009—2018年，ΔY貢獻值在正值的指數(shù)中排第1位，且在各時間段內(nèi)均為正值，ΔY對天津市生活垃圾處理碳排放的影響一直具有正向作用，即對碳排放具有驅動作用，貢獻率達121.07%。其中，2009—2012年，天津市人均GDP一直在快速增長，年均增長率達12.5%；2013年之后隨著經(jīng)濟增長的放緩，人均GDP增長也逐漸放緩，年均增長率為5.1%。人均GDP的升高說明了人民生活水平的提高，消費模式逐漸向高碳消費模式轉變，由此帶來了高碳含量生活垃圾的產(chǎn)出。Andreoni等[43]研究發(fā)現(xiàn)，影響世界上33個國家碳排放的主要因素是人均GDP，郭運功等[44-45]也得出相同的結論。

2.2.5 城市化水平效應

2009—2018年，ΔU貢獻率在貢獻值為正值的指數(shù)中排第4位，各時間段內(nèi)均為正值，對天津市生活垃圾處理碳排放起到驅動作用，但驅動效果最弱，僅為12.59%。ΔU對碳排放的驅動效應可能是隨著天津市城市化水平的提高，城市居民生活習慣和消費結構都會產(chǎn)生改變，相應的需求導致城市生活垃圾產(chǎn)量的增加，以及生活垃圾成分和特性的改變[46]。

由圖4可知，隨著天津市城市化率的提高，生活垃圾產(chǎn)生量大幅增長，與此同時，生活垃圾中高碳含量垃圾占比也在不斷增加，2009—2018年，高碳含量垃圾占比增加了6.9%，這說明在加快城市化率進程的同時，也要注重生活垃圾分類和可回收組分的回收，以降低生活垃圾中高碳含量垃圾的占比。

2.2.6 人口規(guī)模效應

2009—2018年，ΔP貢獻值在貢獻值為正值的指數(shù)中排第3位，除個別時間段是負值外均為正值，總體上對天津市生活垃圾碳排放起到驅動作用，在人口規(guī)模效應的作用下，驅動產(chǎn)生了30.42萬t的碳排放量。

2009—2012年，人口規(guī)模變化趨勢與天津市生活垃圾處理碳排放量變化出現(xiàn)相反趨勢（圖5）。這可能是因為該時間段天津市人口數(shù)雖不斷增長，但城市化水平偏低、環(huán)保基礎設施較不完善。2012—2018年，隨著天津市人口規(guī)模的不斷擴大，生活垃圾處理碳排放量逐年增加，二者變化趨勢具有相似性。一般而言，碳排放量與人口增長具有相關性[47]，從居民需求的方面反映了生活垃圾的排放，城市人口越多，生活垃圾產(chǎn)生量越多[48]，對生活垃圾處理碳排放具有直接驅動作用。

3. 結論與建議

（1）2009—2018年，天津市生活垃圾處理碳排放量變化趨勢分為2個區(qū)間，總碳排放量在2009—2012年呈波動減少趨勢，2012—2018年呈波動增加趨勢。填埋處理碳排放量在2009—2018年與總碳排放量變化趨勢表現(xiàn)出相似的規(guī)律，焚燒處理碳排放量呈逐年增加的趨勢。這說明生活垃圾填埋處理對天津市生活垃圾處理碳排放量具有更大的貢獻。

（2）2009—2018年，天津市生活垃圾處理碳排放量有波動增長的趨勢，碳排放強度效應（ΔCF）、經(jīng)濟產(chǎn)出效應（ΔY）、人口規(guī)模效應（ΔP）及城市化水平效應（ΔU）對碳排放存在促進效應，其中ΔY貢獻最大，其次是ΔCF；生活垃圾處理結構強度（ΔWS）和生活垃圾排放強度效應（ΔWI）在天津市生活垃圾處理碳排放量減少方面發(fā)揮了重要的作用，其中ΔWI減排作用最大。

根據(jù)以上分析，提出如下建議：繼續(xù)推動生活垃圾分類工作，加強對生活垃圾中紙類、橡塑類、紡織類等組分的分離和回收，減少進入終處置環(huán)節(jié)的生活垃圾量及高碳含量垃圾的占比；加強環(huán)保宣傳和教育，提高全民節(jié)能減排意識，樹立綠色低碳價值觀和消費觀，鼓勵居民使用可循環(huán)利用物品，從源頭上減少高碳含量生活垃圾的產(chǎn)生；改變經(jīng)濟發(fā)展模式，降低單位GDP廢物產(chǎn)生量，鼓勵各行業(yè)改變管理模式，減少非必須物品的使用，如變更紙質信息傳遞模式為電子信息傳遞模式，減少紙張的使用；優(yōu)化生活垃圾處置結構，增加生活垃圾焚燒處理占比，降低填埋處理占比，或根據(jù)城市規(guī)劃政策和環(huán)保政策，逐步推動生活垃圾焚燒處理替代填埋處理，在末端治理工序上減少溫室氣體的排放；采用更為高效的垃圾填埋場CH4回收利用技術，提高現(xiàn)有垃圾填埋場CH4回收利用率，減少CH4的溢散量。