上海生活垃圾處理碳排放現狀與預測研究＊

畢珠潔，邰 俊，王 川

（1.上海環境衛生工程設計院有限公司，上海 200232；2.上海市環境工程設計科學研究院有限公司，上海 200232）

0 引言

2020 年，我國生活垃圾處理碳排放總量為9.404 5×107tCO2e［1］。雖然與能源、工業生產過程相比，生活垃圾處理領域碳排放量較小，但仍然是非常重要的碳排放源。我國碳達峰行動方案（國發〔2021〕23 號）中將“大力推進生活垃圾減量化資源化”作為一項重要工作，明確“到2030 年，城市生活垃圾分類實現全覆蓋，生活垃圾資源化利用比例提升至65%”［2］。上海作為我國生活垃圾分類的典型城市，2019 年立法強制分類以來成效顯著，研究其生活垃圾處理碳排放對我國其他城市具有參考意義，但目前針對性的碳排放現狀及預測研究較少。本研究基于《省級溫室氣體清單編制指南（試行）》（以下簡稱“省級清單指南方法”）和《2006年IPCC 國家溫室氣體清單指南》（以下簡稱“IPCC2006 方法”）給出的碳核算方法，結合上海市統計年鑒和環衛規劃等相關數據，對上海市2008—2035 年的生活垃圾直接碳排放量進行核算。

1 研究對象、方法與數據來源

1.1 研究對象

鑒于上海早期統計年鑒中的生活垃圾僅涵蓋目前的干垃圾（即其他垃圾）、濕垃圾（即餐廚垃圾和廚余垃圾），不包括可回收物，因此本研究中所指生活垃圾，僅包括干垃圾和濕垃圾。

1.2 碳排放核算方法

碳排放核算有多種目的，也因此有多種計算方法，例如：

1）區域層面，以掌握一個區域的總體碳排放量和重點排放行業為目的，核算時在區域內分不同專業領域進行，各領域僅核算自身最直接的、獨有的碳排放（避免重復計算）。典型方法如IPCC2006 方法［3］、國家發改委2011 年給出的省級清單指南方法［4］。

2）企業層面，以掌握排放主體直接（燃燒或工藝生產過程直接釋放）、間接（外購電力和熱量+產業鏈上下游相關等）碳排放為目的，用于企業碳足跡認證、社會責任報告發布、雙碳戰略規劃摸家底等。典型方法如GHG protocol《溫室氣體核算體系企業核算與報告標準》等。

3）產品及工藝層面，以掌握產品或工藝從原材料生產到廢棄物處理處置的全過程碳排放量為目的，用于系統性提出主要環節的節能降耗、提質增效的優化方案。典型方法如生命周期評價（LCA）方法。

4）碳交易層面，以估算項目按規定需要履約的碳排放量、或者可交易的碳減排量為目的，核算與基準線相比的相對減排量。典型方法如國外清潔發展機制（CDM）、國內國家核證自愿減排（CCER）的系列方法。

本研究主要參考省級清單指南方法［4］，其中生活垃圾處理碳排放量包括生活垃圾填埋處理產生的甲烷排放量，焚燒處理產生的二氧化碳排放量，以及滲濾液等污水處理產生的甲烷和氧化亞氮排放量。另外，生化處理時產生的溫室氣體參照IPCC2006 方法［3］，主要包括堆肥處理和厭氧處理（含污水處理）排放的甲烷和氧化亞氮，甲烷的增溫潛勢取25，氧化亞氮的增溫潛勢取298。核算得出的碳排放量，也可被稱為直接碳排放量。

1.2.1 焚燒

根據省級清單指南方法［4］推薦的估算廢棄物焚化和露天燃燒產生的二氧化碳排放量的估算如式（1）所示。

式中：ΕCO2指廢棄物焚燒處理的二氧化碳排放量（104t/a）；i表示垃圾類型；IWi指第i種類型廢棄物的焚燒量（104t/a）；CCWi指第i種類型廢棄物中的碳含量比例，城市生活垃圾取值范圍為33%～35%；FCFi指第i種類型廢棄物中礦物碳在碳總量中的比例，城市生活垃圾取值范圍為30%～50%；EFi指第i種類型廢棄物焚燒爐的燃燒效率，城市生活垃圾取值范圍為95%～99%；44/12 指碳轉換成二氧化碳的轉換系數。

另外，以總碳含量扣除礦物碳含量作為生物碳含量，乘以44/12 的系數折算生物碳二氧化碳排放。

1.2.2 填埋

根據省級清單指南方法［4］提供的質量平衡法，估算方法如式（2）所示。該方法假設所有潛在的甲烷均在處理當年就全部提取完，核算過程相對簡單；一階釋放法更符合填埋氣逐年釋放的規律，但核算過程更為復雜。

式中：ΕCH4指甲烷排放量（104t/a）；MSWT指總的城市固體廢物產生量（104t/a）；MSWF指城市固體廢物填埋處理率（%）；L0指各管理類型垃圾填埋場的甲烷產生潛力（104t/104t）；R指甲烷回收量（104t/a）；OX 指氧化因子。

其中，L0的計算如式（3）所示。

式中：MCF 指各管理類型垃圾填埋場的甲烷修正因子（比例），有管理的填埋場MCF 缺省值為1.0；DOC 指可降解有機碳比例（kg/kg），垃圾成分按推薦值計算；DOCF指可分解的DOC 比例，推薦值為0.5；F指垃圾填埋氣體中的甲烷比例，推薦值為0.5；16/12 指甲烷/碳分子量比率。

1.2.3 污水處理

包括滲濾液處理、沼液處理等。省級清單指南方法［4］推薦的估算生活污水處理甲烷排放如式（4）所示。

式中：ΕCH4指清單年份的生活污水處理甲烷排放總量（104t/a）；TOW 指清單年份的生活污水中有機物總量（kg/a）；EF 指排放因子（kg/kg）；R指清單年份的甲烷回收量（kg/a）。

其中排放因子（EF）的估算公式見式（5）。

式中：B0指甲烷最大產生能力，推薦值為每千克BOD 可產生0.6 kg 甲烷；MCF 指甲烷修正因子。厭氧反應MCF 推薦值為0.8，集中耗氧處理廠，管理不完善情況下取0.3、管理完善情況下取0。

1.2.4 堆肥處理

參考IPCC2006 方法［3］中機械-生物（MB）處理工藝的缺省值，噸廢棄物堆肥處理排放甲烷0.004 t、氧化亞氮0.000 3 t，合計排放0.189 tCO2e。本研究中就地就近處理參照堆肥處理取值。

1.2.5 厭氧

參考IPCC2006 方法［3］中MB 工藝的缺省值（等效為厭氧處理工藝的物料預處理環節），噸廢棄物厭氧處理排放甲烷0.001 t、氧化亞氮可忽略不計，合計排放0.025 tCO2e。

1.3 數據來源

1.3.1 垃圾產生量

1）歷史數據。

根據2008—2021 年《上海市綠化市容統計年鑒》，整理相關數據如表1 所示，期間上海市生活垃圾產生量的年均復合增長率為2.27%。

表1 2008—2021 年上海市生活垃圾主要處理工藝處理量Table 1 Treatment capacity of main domestic waste treatment processes in Shanghai from 2008 to 2021

2）未來預測。

根據《上海市環境衛生設施專項規劃（2022—2035）》，2025 年上海市預計干垃圾、濕垃圾總量可達27 500 t/d，2035 年約為33 000 t/d，其規劃數值見表2。參考規劃中關鍵節點的垃圾量數值，以及上海市2022 年原生生活垃圾零填埋的要求，根據筆者對上海相關設施建設進度的分析，拆分各類處理工藝處理量預測值如表3 所示。

表2 上海市生活垃圾處理量規劃數值Table 2 Planned value of domestic waste treatment capacity in Shanghai

表3 2022—2035 年上海市生活垃圾各類工藝處理量拆分Table 3 Domestic waste treatment capacity split by various processes in Shanghai from 2022 to 2035

1.3.2 垃圾組分特性

1）歷史數據。

筆者所在單位已持續多年對上海市開展生活垃圾特性數據大調研，生活垃圾組分數據監測歷年均值如圖1 所示。近幾年由于垃圾中紙類、橡塑類含量逐年增加，碳含量也出現了增高的趨勢。垃圾分類后，干垃圾中橡塑類高達40% 以上。2020 年疫情以來，由于口罩等的使用，干垃圾中的橡塑類含量進一步增加。

圖1 2008—2021 年上海市生活垃圾組分特性變化Figure 1 Changes on components of domestic waste in Shanghai from 2008 to 2021

另外，根據筆者單位的監測數值，居住區生活垃圾中各組分的平均含水率如下：廚余垃圾取72.03%、紙類取16.49%、橡塑類取32.93%、紡織類取25.32%、木竹取38.16%。本研究采用該數據作為上海市源頭生活垃圾各組分的平均含水率（不區分居住區、商業區等）。

2）未來預測。

筆者所在單位與上海大學趙軍團隊在2020 年基于上海市1990—2019 年垃圾特性大調查、垃圾分類前后垃圾產生量數據、上海市社會經濟指標做了一項研究，通過灰色預測模型和神經網絡模型，對上海市生活垃圾特性進行了預測，其中預測的2022—2035 年干垃圾特性如表4 所示。另外，根據《上海市環境衛生設施專項規劃（2022—2035）》中設定情景，2025—2035 年人均生活垃圾產生量不發生變化，因此本研究按照2025—2035 年垃圾特性不發生變化預判，在表4 中不再列出。

表4 2022—2035 年上海市干垃圾特性預測值Table 4 Prediction of dry waste characteristics in Shanghai from 2022 to 2035

2 生活垃圾處理碳排放現狀

2.1 單位垃圾處理碳排放現狀

2.1.1 焚燒

省級清單指南方法［4］對垃圾組分的分類較為簡單，故同時參考了IPCC2006 方法［3］中對FCFi的計算方法和其不同生活垃圾成分中缺省的總碳和化石碳比例（IPCC2006 方法第五章表2.4），并兼顧考慮了各組分的含水率。EFi垃圾燃燒效率按97% 計。根據CJ/T 313—2009 生活垃圾采樣和分析方法進行垃圾組分檢測時不會區分橡膠和塑料，但生活垃圾中橡膠類組分含量很小，因此測算時將橡塑類統一按照塑料類計算。由此根據公式（1）計算得到上海市噸生活垃圾焚燒碳排放量如圖2 所示。

圖2 2008—2021 年上海市噸生活垃圾焚燒碳排放量Figure 2 Carbon emissions from incineration of domestic waste per ton in Shanghai from 2008 to 2021

2.1.2 填埋

計算期內，上海市所有填埋場均默認有管理填埋場、填埋氣，其回收利用/焚燒率按2008—2013 年35%、2014—2020 年50%粗略計算（綜合考慮老港填埋場一～四期、綜合填埋場、崇明填埋場等填埋氣收集情況），噸生活垃圾填埋碳排放量如圖3 所示。

圖3 2008—2021 年上海市噸生活垃圾填埋碳排放量Figure 3 Carbon emissions from landfill of domestic waste per ton in Shanghai from 2008 to 2021

2.1.3 污水處理

資料顯示，混合垃圾填埋場的滲濾液產率一般為35%～50%、焚燒廠的滲濾液產率一般為25%～35%［5］，其中，填埋場滲濾液BOD 一般為264～18 000 mg/L［6］，與填埋場年齡、位置等有關；焚燒廠滲濾液BOD 一般為10 000～45 000 mg/L［7］。濕垃圾濕式厭氧沼液產生量為處理量的80%～90%、BOD 一般為3 000～5 000 mg/L［8］。為簡化計算，參考上述取值范圍，結合工程項目實際運行情況，按照以下取值計算碳排放：混合垃圾填埋場滲濾液產率為35%，未處理前滲濾液的BOD 為5 000 mg/L；混合垃圾焚燒廠滲濾液產率為25%、干垃圾焚燒廠滲濾液產率為8%，未處理前滲濾液的BOD 為20 000 mg/L；濕垃圾堆肥/就地就近壓榨脫水滲濾液產率為35%，未處理前滲濾液的BOD 為30 000 mg/L；濕垃圾厭氧后沼液產率為90%，未處理前沼液BOD 為3 000 mg/L。另外，焚燒廠滲濾液等處理有單獨的厭氧預處理，一般厭氧預處理均有沼氣焚燒或利用環節，參考CCER《多選垃圾處理方式》（CM-072-V01）等核算方法、按5% 泄漏量保守計算厭氧處理過程碳排放。其他處理工藝一般不對厭氧過程產生的沼氣進行回收。根據公式（5）計算得表5 數據。

表5 不同垃圾處理工藝下的滲濾液處理碳排放Table 5 Carbon emissions from leachate treatment under different waste treatment processes

2.2 生活垃圾處理碳排放總量

基于上述分析，計算出上海市生活垃圾處理碳排放量如圖4 所示。本研究中干垃圾中生物碳焚燒和濕垃圾焚燒產生的碳排放由于不計入溫室氣體排放清單，均未計入噸垃圾處理清單氣體排放量。在后續相關工藝排放占比分析、考慮限塑令等情景分析時，也并未考慮生物碳排放量。

圖4 2008—2021 年上海市生活垃圾處理碳排放量Figure 4 Carbon emissions from domestic waste treatment in Shanghai from 2008 to 2021

由圖4 可知：①由于采用焚燒工藝替代了填埋、同時加強了填埋氣收集，因此，雖然垃圾處理量并未顯著減少，甚至逐年增加，但2010—2014 年碳排放量反而出現了下降趨勢。2017 年以來，由于垃圾中橡塑類含量逐年增高，碳排放總量、噸垃圾處理碳排放量又開始逐年升高。2021年出現了研究周期內新的碳排放高值，為4.62×106tCO2e；②2021 年干垃圾焚燒碳排放占比84%、填埋碳排放占比13%、濕垃圾處理碳排放占比3%，干垃圾焚燒已成為上海市生活垃圾處理中主要的碳排放源。

3 生活垃圾處理碳排放預測分析

3.1 單位垃圾處理碳排放預測

1）假定濕垃圾特性不發生變化，故單位濕垃圾處理（堆肥、厭氧等）的碳排放量不發生變化。

2）干垃圾特性發生變化，故單位垃圾焚燒產生的碳排放量發生變化，如圖5 所示。

圖5 2022—2035 年上海市噸干垃圾焚燒碳排放量Figure 5 Carbon emissions of dry waste incinerated per ton in Shanghai from 2022 to 2035

3）目前上海市垃圾分類情況良好，干垃圾、濕垃圾純度相對較高，預計未來污水產率變化較小。故假定未來單位干垃圾焚燒、濕垃圾處理的污水處理碳排放量不發生變化。

3.2 生活垃圾處理碳排放基準情景預測

2022—2035 年上海市生活垃圾處理碳排放量預測如圖6 所示。2025 年，垃圾焚燒及其污水處理產生的碳排放約占97%；濕垃圾就地就近處理及其污水處理產生的碳排放約占3%。2035 年時，垃圾焚燒及其污水處理產生的碳排放約占98%；濕垃圾集中厭氧及其污水處理產生的碳排放約占2%。

3.3 考慮限塑令等政策干預的碳排放量預測

基于以下兩點考慮，本研究對塑料減量做了單獨的情景分析：①隨著限塑令的出臺、低碳理念的深入人心，以及低值可回收物回收量的提升，生活垃圾中橡塑類含量有可能下降；②塑料是生活垃圾焚燒處理的重要礦物碳排放源，一般貢獻率在90%以上，盡可能地減少橡塑類物質的焚燒，是理論上減少垃圾焚燒廠碳排放的直接舉措。

基于橡塑類含量降低帶來的特性變化和垃圾末端處理量的變化，自2022 年起研究預測了當干垃圾中橡塑類含量較基準情景中的預測值減少10%、20%、30%、40% 情景下的碳排放量（計算過程為：根據預測值按比例扣減橡塑類含量，然后對各類垃圾組分含量進行歸一化調整，并對應調整最終的垃圾處理量），繪制2022—2035 年段等效線。

4 碳達峰情景分析

4.1 達峰年與達峰水平

多年來，上海市不斷優化生活垃圾處理工藝技術。2016 年及之前，上海市生活垃圾主要采用填埋處理方式。2017 年開始，焚燒處理量超過填埋量，成為上海最主要的處理方式。未來將依托垃圾分類，完善干垃圾焚燒、濕垃圾資源化利用的處理體系，2022 年開始實現原生生活垃圾零填埋。

基于省級清單指南方法［4］、在不考慮生物碳排放的情況下，上海市2008—2035 年生活垃圾產生量及碳排放量計算結果如圖7 所示。

1）就歷史數據來看，上海通過焚燒替代填埋、完善填埋場管理的處理方式，大幅降低了垃圾處理領域的碳排放，碳排放增量小于生活垃圾處理量增量。歷史數據中，谷底年份為2014 年，碳排放量約為2.59×106tCO2e。

2）按照當前垃圾特性衍變趨勢（橡塑類含量日益增高）、規劃設計量（垃圾產生量日益增高）和規劃處理工藝，在不考慮限塑令和低碳生活等政策引導的情況下，未來上海市生活垃圾處理領域的碳排放量將伴隨垃圾產生量的增加、垃圾特性的變化而持續走高，2025 年碳排放量將達到5.83×106tCO2e，2035 年預計達到7.62×106tCO2e。

3）若能通過政策引導或末端利用等方式，降低垃圾焚燒量或者焚燒的橡塑類含量，則上海市垃圾處理碳排放量增速將放緩。根據等效線和相關計算公式推算，從減塑的角度分析，若要2025 年為達峰年（峰值量5.83×106tCO2e），與同期垃圾量和垃圾特性的原始預測值相比，后續年份應至少做到：2026—2027 年，減塑10%、干垃圾總量減少4%（人均生活垃圾產生量為1.09 kg·人-1·d-1），干垃圾中塑料占比不超過40%～41%；2032 年前后，減塑20%、干垃圾總量減少8%（人均生活垃圾產生量為1.05 kg·人-1·d-1），干垃圾中塑料占比至少回落至36%～37%；2035 年，減塑25%、干垃圾總量減少10%（人均生活垃圾產生量為1.03 kg·人-1·d-1），干垃圾中塑料占比至少回落至33%～34%。

4.2 碳減排建議

國內外固體廢物處理的減碳措施包括降低垃圾處理直接碳排放、增加垃圾處理隱性碳貢獻（如垃圾處理發電的替代效益）兩種類型，相關措施主要包括：①基于無廢城市等理念，普遍強調“避免產生”與“源頭減量”；②特別強調塑料、紡織品、包裝物乃至生物質等的循環利用，如歐盟《廢物框架指令》中規定2030 年城市生活垃圾循環利用率將達到65%；③減少填埋量，強調能源高效利用，如日本在《2050 年碳中和綠色增長戰略》中提出改進遠距離蓄熱、儲熱輸送技術。

本研究碳排放核算僅分析垃圾處理直接碳排放、不考慮垃圾處理隱性碳貢獻，因此，在上海市生活垃圾以焚燒處理為主、垃圾產生和處理量穩定增長，且碳捕捉、利用與封存（CCUS）等技術未能在焚燒廠規?；瘧玫那闆r下，若要降低生活垃圾處理的直接碳排放量，需要推進減塑降碳措施：

1）在源頭減量和資源化方面，加強政策引導。政府應制定明確的塑料減量計劃，推廣、落實針對一次性塑料制品的限塑令。面向居民，依托垃圾分類宣傳，在全社會推廣低碳生活理念、減少浪費。面向廠商，逐步推行生產者責任延伸制，提升塑料的回收利用率。

2）在末端綜合利用方面，加快技術儲備。探索干垃圾篩分制作RDF 的應用場景，獲取更高的能量利用效率。推進干垃圾塑料分選、提質、熱解利用等資源化技術研發和應用。在目前焚燒處理設施大量建成的情況下，減少塑料等焚燒量將造成焚燒廠能力富余，可協同處理農林垃圾、市政污泥等生物質。

5 不確定性分析

1）對未來碳排放量的預測，采用了《上海市環境衛生設施專項規劃（2022—2035）》中的垃圾量。由于設施規劃中一般會考慮一定的垃圾量冗余（一般在15%～20%），因此基于規劃垃圾產生量數據核算的碳排放量預測值可能偏高。但若不引用規劃數值，目前尚未見更可靠的垃圾量預測數據。

2）由于基礎數據缺失，在對生活垃圾各組分含水率取值時，全市統一采用了居住區檢測數據，但商業區實際垃圾含水率可能更低，可能造成碳排放量預測值偏低。

3）對比可知，表4 中對未來的橡塑類占比的預測值比圖1 中2020—2021 年的實測值還低。這是因為2020—2021 年受疫情影響垃圾組分中口罩等的含量明顯增加，而表4 的預測是基于疫情前多年的數據得出。研究假定疫情對垃圾組分的影響不具有長期性，因此仍采取了表4 中的相關數據繪制長期的趨勢線。

4）干濕分類后對干垃圾產生量和組分特性的預測存在不確定性。由于缺少與環衛規劃相匹配的組分特性預測數據支撐，研究只能基于環衛規劃中2025 年后人均垃圾產生和處理量不變的設定、作出假定2025 年后垃圾組分也不變的簡化處理，實際上是人為限制了塑料等組分含量的進一步變化（無干擾條件下極有可能是呈現增加態勢），有可能造成預測值比實際值偏低的情況。但是，考慮到目前政策層面對一次性塑料制品的控制，未來塑料組分的增加態勢應該是受抑制的。

5） 研究濕垃圾處理碳排放時主要采用了IPCC2006［3］方法中的推薦值，該數值取值時借鑒了國外MB 工藝。目前上海市濕垃圾厭氧處理項目的實際逸散量可能遠小于該推薦值，但鑒于濕垃圾處理碳排放較總排放量的占比只有2%～3%，對最終結論（尤其是碳排放總體趨勢和控制措施部分）的影響較小。

6）研究污水處理碳排放時對污水產率和BOD濃度的取值可能存在一定偏差。主要偏差可能來自于BOD 濃度取值，不利工況下實際值可能較本研究取值高1～2 倍左右。但由于垃圾填埋和焚燒時污水處理碳排放的量級在主工藝的1%水平，濕垃圾處理時污水處理碳排放的量級在主工藝的1/10水平、且濕垃圾碳排放占比只有2%～3%，相關取值對最終結果的影響較小。

6 結論與展望

本研究主要基于省級清單指南方法，結合上海市統計年鑒和環衛規劃等相關數據，對上海市2008—2035 年的生活垃圾碳排放量進行了核算。研究發現，2021 年上海生活垃圾處理碳排放量為歷史最高點，碳排放量約4.62×106tCO2e；根據生活垃圾規劃產生量和既往組分特性發展趨勢，未來碳排放量將持續增加。在未能考慮CCUS 等技術應用的情況下，若能通過限塑令、低碳生活、生產者責任延伸、塑料回收等政策引導和場景優化等措施，使更少的塑料被焚燒，也可以實現直接碳排放量的達峰，例如：若2026—2027 年生活垃圾產生量不超過1.09 kg/（人·d）、干垃圾中塑料占比約為40%～41%，2032 年前后生活垃圾產生量不超過1.05 kg/（人·d）、干垃圾中塑料占比約為36%～37%，2035 年生活垃圾產生量不超過1.03 kg/（人·d）、干垃圾中塑料占比約為33%～34%，則可實現2025 年前后直接碳排放量達峰，峰值量為5.83×106tCO2e。