天津市生活垃圾处理碳排放时间变化特征及影响因素

摘要：控制生活垃圾处理产生的温室气体已成为碳减排的重点方向之一。参考《省级温室气体清单编制指南（试行）》推荐方法核算了天津市 2009—2018 年生活垃圾处理碳排放量，分析碳排放时间变化特征，并采用改进 Kaya 恒等式和 LMDI 加和分解法的碳排放影响因素分解恒等式，分析天津市生活垃圾处理碳排放的影响因素。结果表明：2009—2018 年天津市生活垃圾处理碳排放量呈现先降后增的趋势，碳排放量主要来自填埋处理；影响碳排放的因素中，经济产出效应（ΔY）对生活垃圾处理碳排放的驱动作用最大，碳排放强度效应（ΔCF）次之，生活垃圾排放强度效应（ΔWI）和生活垃圾处理结构强度（ΔWS）对碳排放具有负向作用。控制生活垃圾产生量、增加垃圾焚烧处理占比以及提高填埋场甲烷回收率是未来主要的减排方向。

关键词 生活垃圾处理；碳排放；时间变化特征；Kaya-LMDI 方法

全球气候变暖关系到生物的生存和发展，目前 已经成为全球广泛关注的焦点问题之一。大量研究发现，气候变暖的主要原因是温室气体的排放[1-2]。

近年来，生活垃圾作为人为温室气体的主要来源之一，引起了各国政府和广大学者的关注[3-4]。2006 年美国生活垃圾填埋场产生的 CH4 成为美国温室气体的第二大人为排放源[5]。我国温室气体排放量从1990 年到 2014 年增加了 784 949.6 万 t[6]。在 2020年第七十五届联合国大会上，习近平总书记宣布中国力争在2030年前CO₂ 排放量达到峰值，争取2060 年前实现碳中和的战略目标。目前在国际定义上，实现碳中和、碳达峰的目标并不仅仅是狭义上二氧化碳的中和及达峰，而是指广义上温室气体的中和及达峰[7-9]。作为世界第二大经济体，我国城市化的发展已导致生活垃圾产生量的剧增[10-11]，减少生活垃圾处理过程中的温室气体排放量成为有效减少我国碳排放量的重要途径之一。

天津市人口众多，经济和城市化发展迅速。目前，天津市城市化率达到 84.70%[12]，由此带来的生活垃圾产生量也在不断增大。2018 年，天津市生活垃圾产生量占全国的 1.3[13]。大量生活垃圾的处理处置方式对温室气体排放具有重要影响，事实上，对垃圾填埋场填埋气的收集是最直接、有效的减排措施，经济发展、城市化率、人口增长等对城市生活垃圾处理碳排放也具有间接的减排效果[14-15]。因此，开展地区生活垃圾处理方式及各因素对生活垃圾处理碳排放量影响的研究，对当地废物处置及碳减排政策的制定具有理论支撑意义。但目前，针对天津市生活垃圾处理过程所排放温室气体的核算方法研究尚不成熟，影响因素尚不清晰。为实现我国“双碳”目标，开展相关的基础理论研究极其重要。

国内外学者对温室气体排放影响已开展了大量研究，研究方法主要分为结构分解分析（SDA）和指数分解分析（IDA）[16-17]。Ehrlich 等[18] 在 IDA 的基础上构建了 IPAT 方程，分析了人口、人均 GDP 和技术之间的关系。之后，有学者对 IPAT 方程进行改进。Waggoner 等[19] 将技术分解为人均 GDP 能耗和单位能源碳排放，构建了 ImPACT 模型。Kaya[20] 在IPAT 方程的基础上提出了 Kaya 恒等式，研究了能源消耗量、GDP 和人口对温室气体排放的影响。为了克服IDA存在残差 、 数据零值计算等问题 ，Ang等[21] 提出了LMDI分解法。Leontief 等[22] 首次采用 SDA 方法研究美国能源消耗与环境污染的关联，之后该方法被广泛应用到能源与环境问题研究之中。与 SDA 相比，IDA 具有所需数据量少、数据易收集、可用于时间序列分析等优点，因而应用更为广泛[23]。

笔者以天津市为研究对象，采用《省级温室气体清单编制指南（ 试 行 ） 》推荐的方法核算天津市2009—2018 年生活垃圾处理碳排放量，分析其时间变化特征，并采用结合改进 Kaya 恒等式和 LMDI 加和分解法的城市生活垃圾处理温室气体排放影响因素分解恒等式，分析天津市生活垃圾处理温室气体排放特征及其影响因素，以期为天津市生活垃圾管理、温室气体排放管控和决策提供理论依据。

1 试验方法与数据来源

1.1 城市生活垃圾处理碳排放核算方法

1.1.1 焚烧处理碳排放核算方法

城市生活垃圾焚烧处理排放的温室气体主要是CO₂ 及少量的 CH₄ 和 N₂O。按照《IPCC国家温室气体排放清单指南》规定，在统计生活垃圾焚烧处理排放的温室气体时，化石成因（即生活垃圾中塑料、纺织类、橡胶类等）焚烧排放的温室气体，被纳入温室气体排放总量的估算，而生物成因（即生活垃圾中食品、纸质类等）焚烧排放的温室气体，仅作为信息项记录，不做统计[24-26]。因此，仅估算焚烧处理中化石成因排放的温室气体。城市生活垃圾焚烧处理的CO₂排放量采用《省级温室气体清单编制指南（试行）》推荐的估算公式进行测算，CH4 和 N2O 排放量采用《2006 年 IPCC 国家温室气体清单指南》推荐的估算公式进行测算，其中 CH4 和 N2O 排放量根据《IPCC 第二次评估报告》中的 CH4 和 N2O 增温趋势分别是 CO2 的 21 倍和 310 倍折算成 CO2 当量。计算公式如下：

式中 ： CO2 排放量 ，万t/a； CH4/N2O排放量，万t/a；IW为垃圾焚烧量，万t/a；CCW为废物中的碳含量；FCF为废物中矿物碳占碳总量的比例；EF为燃烧效率。

1.1.2 填埋处理碳排放核算方法

生活垃圾填埋是 CH4 排放的主要来源之一，填埋 气中 CH4 占 比 可达 55%～60%， 但 填 埋 产 生的CH4 可用于资源化利用，因此最终排放量和产生量有所差距[27-29]。 城市生活垃圾填埋处理排放的CH4量参考《省级温室气体清单编制指南（试行）》中的质量平衡法进行测算，该方法假设所有潜在的CH4 均在处理当年就全部排放完，产生的 CH4 量折算成CO2 当量，计算公式如下：

式中： CH4排放量，万t/a；MSWT为固体废物产生量，万t/a；MSWF 为填埋处理率；L0为CH4产生潜力，指CH4产生量占固体废物的比例；R为CH4回收量，万t/a；OX为氧化因子；MCF为CH4修正因子；DOC为可降解有机碳产生量占固体废物的比例；DOCF为可分解的DOC占比；f为垃圾填埋气中的CH4占比。

1.2 城市生活垃圾处理碳排放影响因素分析方法

为了揭示社会、经济、能源、排放等宏观因子之间的关系，考察国家层面温室气体排放量影响因素，Kaya于1989 年在联合国政府间气候变化专门委员会上提出了Kaya恒等式[30-31]，其公式如下：

式中 GHG、TOE、GDP、POP 分别为温室气体排放量、能源消耗量、经济生产总值和总人口。因其具有结构简单、通俗易懂等优点而被广泛应用于温室气体影响因素研究[32]，但 Kaya 恒等式具有一定局限性，存在未计入非能源利用活动产生的温室气体排放、对碳排放量基数大而变化量小的国家解释力较弱等问题[33]。

为了更全面、准确地考察社会、经济、人口等因素与温室气体排放的关系，研究生活垃圾处理碳排放驱动因素的贡献，参考王育宝等[34] 提出的城市生活垃圾处理温室气体排放影响分解恒等式，将改进的 Kaya 恒等式应用到 LMDI 加和分解法中，对碳排放驱动因素进行分解，讨论其贡献，计算公式如下：

式中：i 为城市生活垃圾处置方式；t 为年份；G 为生活垃圾处理量，万t； 生活垃圾处理碳排放强度（以 CO2 计），t/(t • a)； 生活垃圾处理结构强度；单位 GDP 生活垃圾排放强度，t/万元； 人均 GDP 产出，万元/人； 人口城市化率；Pt 为人口规模，万人。

在时间跨度段 [t-1,t] 内，设 ΔGHGwaste 为温室气体排放变化量，ΔCF、ΔWS、ΔWI、ΔY、ΔU、ΔP 分别为 CFt、WSt、WIt、Yt、Ut、Pt 对 ΔGHGwaste 的贡献 ，利用LMDI 加和分解法得到计算公式如下：

以上6个影响因素分别定义为：1）碳排放强度效应（ΔCF）。ΔCF表示温室气体排放量对生活垃圾处理碳排放量的影响，提高温室气体中CH4的回收量有助于降低生活垃圾处理碳排放量。2）生活垃圾处置结构效应（ΔWS）。ΔWS表示生活垃圾处置方式对生活垃圾处理碳排放量的影响，生活垃圾不同的处置方式，产生和排放的温室气体量不同。3）生活垃圾排放强度效应（ΔWI）。ΔWI表示生活垃圾产生量对生活垃圾处理碳排放量的影响，生活垃圾产生量与生活垃圾处理碳排放量直接相关，产生量越大，产生的温室气体量也越多。4）经济产出效应（ΔY）。ΔY表示经济发展对生活垃圾处理碳排放量的影响，随着经济的不断发展，居民生活水平也在提高，生活垃圾成分与生活水平息息相关。5）城市化水平效应（ΔU）。ΔU表示城市化水平对生活垃圾处理碳排放量的影响，城市化水平不仅影响生活垃圾产生量，对生活垃圾的成分也会造成影响。6）人口规模效应（ΔP）。ΔP表示人口规模变化对生活垃圾处理碳排放量的影响，人口增长导致生活垃圾增加，而生活垃圾处理碳排放量与生活垃圾产生量直接相关。

综上，可得城市生活垃圾处理温室气体排放因素分解修正恒等式：

各因素对城市生活垃圾温室气体排放变化量

1.3 数据来源

选取2009—2018年天津市生活垃圾处理碳排放量核算所需的生活垃圾处理量、成分构成等数据，具体来源见表1和表2，碳排放核算中所需的排放因子采用《省级温室气体清单编制指南（试行）》中的推荐值，同时参考实地调查和专家判断的数据。

2. 结果与讨论

2.1 碳排放量时间变化特征

2009—2018年天津市生活垃圾处理碳排放量如表3所示。由表3可知，2009—2018年天津市生活垃圾处理总碳排放量变化可分为2个阶段：2009—2012年，总碳排放量呈波动减少趋势，2012年大幅减少，相比2009年和2011年分别减少38%和30%，这可能与2012年天津市生活垃圾焚烧处理量占比增大且纸类和橡塑类成分相对减少有关（图1和表2）。林成淼等[35]研究了生活垃圾分类对温室气体减排的影响，发现通过对塑料、织物、金属等矿物碳成分占比较大的固体废物进行回收，可减少24%的温室气体排放。2013—2018年，天津市生活垃圾处理总碳排放量呈波动增加趋势，2017年之前增幅为10%~30%，2017年出现骤增，增幅达51%，这与2017年天津市迎全国运动会加强城市固体废物管理政策实施有关，到2018年天津市生活垃圾处理总碳排放量相比2017年减少了7%。

从生活垃圾的不同处置方式上看，焚烧处理碳排放量整体上呈大幅增加趋势，除2015—2018年增长率低于20%外，其他年份增长率为30%左右。填埋处理碳排放量呈先逐年减少，2012年达到最低值后再逐年大幅增加的趋势，2012年同比2009年减少41%，2017年相比2012年增加196%，除2017年大幅增长（54%）、2018年略有降低外，其他年份增长率为20%左右。天津市生活垃圾处理排放的温室气体主要来自填埋，占生活垃圾处理总排放量的92%~97%，填埋处理碳排放量变化趋势与生活垃圾处理总碳排放量变化趋势具有相似性，这说明填埋方式对生活垃圾处理碳排放量影响较大，这与张婷婷等[36-37]关于不同策略下温室气体排放的研究结论相一致。

2.2 碳排放量影响因素

运用Kaya恒等式和LMDI加和分解法对天津市2009—2018年生活垃圾处理碳排放进行分解，以相邻年份区间为变化样本，得到6个影响因素的贡献值和贡献率，其中正值表示对碳排放具有驱动作用，负值表示对碳排放具有抑制作用。由于2009—2018年天津市生活垃圾处理碳排放量呈先波动递减再递增的趋势，故以2012年为时间节点将其分为2个时间段分别计算碳排放分解因素贡献值和贡献率，结果如图2、表4所示。由图2和表4可知，2009—2012年，ΔY、ΔU及ΔP对天津市生活垃圾处理碳排放存在促进效应，ΔWS、ΔWI和ΔCF则呈抑制效应。2012—2018年，ΔCF、ΔY、ΔP、ΔU和ΔWS有促进碳排放的作用，ΔWI对碳排放起到抑制作用。

2.2.1 碳排放强度效应

2009—2018年，ΔCF贡献值除个别时间段为负值外均为正值，总体上对天津市生活垃圾处理碳排放具有驱动作用，在促进碳排放的因素中排第2位。其中，2009—2012年，天津市生活垃圾处理碳排放变化量基本为负值，ΔCF的贡献值在贡献值为负值的影响因素中处于中间位置，生活垃圾处理碳排放量减少了23.90万t。这一阶段，天津市生活垃圾产生量由188.4万t增加到213.19万t，年均增长率约4.2%，从2010年后天津市生活垃圾填埋场甲烷回收利用率增加，在一定程度上减缓了单位温室气体排放量，这与Calabrò等[38-41]的研究结论一致。

2012—2018年，ΔCF作为正指数贡献值最大，贡献值占2012—2018年总贡献值的66.41%，这一时期的ΔCF对天津市生活垃圾处理碳排放起到促进作用。2012年后天津市严格控制生活垃圾污染，加强生活垃圾的收集和运输，生活垃圾产生量年均增长率升至5.7%，最大达14.1%，与此同时垃圾填埋场减少，在有限的填埋气回收率之下，CH4排放量增加。

2.2.2 生活垃圾处置结构效应

2009—2018年，ΔWS贡献值大部分为负值，占总碳排放贡献值的−58.46%，在抑制碳排放的因素中排第2位。其中，2009—2012年，ΔWS是贡献率为负值的影响因素中最小的，对天津市生活垃圾处理碳排放起到抑制作用，对碳排放的减少具有61.73%的贡献率。天津市生活垃圾处理主要依靠填埋和焚烧，2009—2012年，填埋处理依然是主导方式，占比为58%，焚烧处理量占比为32%。为推进生活垃圾减量化、资源化，天津市在2012年开始增加了生活垃圾焚烧处理的占比。与2009年相比，天津市2012年生活垃圾焚烧处理量增加了60.7%，相应的填埋量减少了18.4%，这一措施使得CH4排放量大幅减少，达41%。说明废物处置结构的改变（减少填埋占比）有利于温室气体的减少，这与Wang等[42]的研究结果一致。

2012—2018年，ΔWS贡献值变为正值，在贡献值为正值的影响因素中排第5位，对天津市生活垃圾处理碳排放增加贡献率为0.78%，驱动效应较弱。这是因为生活垃圾处理碳排放量在受到处置结构影响的同时，也受到生活垃圾处理量的影响，2012—2018年，天津市生活垃圾填埋处理量和焚烧处理量相差不大，占比分别为47%和44%，填埋处理量的减少在一定程度上降低了温室气体的排放，但在此时间段生活垃圾产生量大幅增长，同2012年相比，2018年生活垃圾产生量增加了93.10万t，增长率为50.2%，由生活垃圾增加量带来的温室气体排放削弱了废物处置结构变化产生的抑制作用。

2.2.3 生活垃圾排放强度效应

2009—2018年，ΔWI贡献值在负值的指数中排第1位，且在各时间段内大部分为负值，对天津市生活垃圾处理碳排放起到抑制作用，ΔWI抑制排放了59.72万t的温室气体。

2009—2012年，ΔWI贡献值均为负值，对天津市生活垃圾处理碳排放的抑制作用贡献最大。由图3可知，2009—2012年天津市单位GDP废物产生量呈大幅下降趋势，降低了33.9%；碳排放量呈波动下降趋势。虽然天津市生活垃圾产生量不断增长，但其增长速度远小于GDP。

2012—2018年，ΔWI贡献值具有波动性，总体上呈现抑制效应，是贡献值唯一为负值的影响因素，为−5.61%。2012—2018年，天津市生活垃圾产生量增幅加大，为38.2%，而GDP增幅有所下降，为46.0%，造成单位GDP生活垃圾产生量下降趋势变缓。此时，碳排放量大幅增加，由此可以看出单位GDP生活垃圾排放强度对生活垃圾处理碳排放量具有负向作用。

2.2.4 经济产出效应

2009—2018年，ΔY贡献值在正值的指数中排第1位，且在各时间段内均为正值，ΔY对天津市生活垃圾处理碳排放的影响一直具有正向作用，即对碳排放具有驱动作用，贡献率达121.07%。其中，2009—2012年，天津市人均GDP一直在快速增长，年均增长率达12.5%；2013年之后随着经济增长的放缓，人均GDP增长也逐渐放缓，年均增长率为5.1%。人均GDP的升高说明了人民生活水平的提高，消费模式逐渐向高碳消费模式转变，由此带来了高碳含量生活垃圾的产出。Andreoni等[43]研究发现，影响世界上33个国家碳排放的主要因素是人均GDP，郭运功等[44-45]也得出相同的结论。

2.2.5 城市化水平效应

2009—2018年，ΔU贡献率在贡献值为正值的指数中排第4位，各时间段内均为正值，对天津市生活垃圾处理碳排放起到驱动作用，但驱动效果最弱，仅为12.59%。ΔU对碳排放的驱动效应可能是随着天津市城市化水平的提高，城市居民生活习惯和消费结构都会产生改变，相应的需求导致城市生活垃圾产量的增加，以及生活垃圾成分和特性的改变[46]。

由图4可知，随着天津市城市化率的提高，生活垃圾产生量大幅增长，与此同时，生活垃圾中高碳含量垃圾占比也在不断增加，2009—2018年，高碳含量垃圾占比增加了6.9%，这说明在加快城市化率进程的同时，也要注重生活垃圾分类和可回收组分的回收，以降低生活垃圾中高碳含量垃圾的占比。

2.2.6 人口规模效应

2009—2018年，ΔP贡献值在贡献值为正值的指数中排第3位，除个别时间段是负值外均为正值，总体上对天津市生活垃圾碳排放起到驱动作用，在人口规模效应的作用下，驱动产生了30.42万t的碳排放量。

2009—2012年，人口规模变化趋势与天津市生活垃圾处理碳排放量变化出现相反趋势（图5）。这可能是因为该时间段天津市人口数虽不断增长，但城市化水平偏低、环保基础设施较不完善。2012—2018年，随着天津市人口规模的不断扩大，生活垃圾处理碳排放量逐年增加，二者变化趋势具有相似性。一般而言，碳排放量与人口增长具有相关性[47]，从居民需求的方面反映了生活垃圾的排放，城市人口越多，生活垃圾产生量越多[48]，对生活垃圾处理碳排放具有直接驱动作用。

3. 结论与建议

（1）2009—2018年，天津市生活垃圾处理碳排放量变化趋势分为2个区间，总碳排放量在2009—2012年呈波动减少趋势，2012—2018年呈波动增加趋势。填埋处理碳排放量在2009—2018年与总碳排放量变化趋势表现出相似的规律，焚烧处理碳排放量呈逐年增加的趋势。这说明生活垃圾填埋处理对天津市生活垃圾处理碳排放量具有更大的贡献。

（2）2009—2018年，天津市生活垃圾处理碳排放量有波动增长的趋势，碳排放强度效应（ΔCF）、经济产出效应（ΔY）、人口规模效应（ΔP）及城市化水平效应（ΔU）对碳排放存在促进效应，其中ΔY贡献最大，其次是ΔCF；生活垃圾处理结构强度（ΔWS）和生活垃圾排放强度效应（ΔWI）在天津市生活垃圾处理碳排放量减少方面发挥了重要的作用，其中ΔWI减排作用最大。

根据以上分析，提出如下建议：继续推动生活垃圾分类工作，加强对生活垃圾中纸类、橡塑类、纺织类等组分的分离和回收，减少进入终处置环节的生活垃圾量及高碳含量垃圾的占比；加强环保宣传和教育，提高全民节能减排意识，树立绿色低碳价值观和消费观，鼓励居民使用可循环利用物品，从源头上减少高碳含量生活垃圾的产生；改变经济发展模式，降低单位GDP废物产生量，鼓励各行业改变管理模式，减少非必须物品的使用，如变更纸质信息传递模式为电子信息传递模式，减少纸张的使用；优化生活垃圾处置结构，增加生活垃圾焚烧处理占比，降低填埋处理占比，或根据城市规划政策和环保政策，逐步推动生活垃圾焚烧处理替代填埋处理，在末端治理工序上减少温室气体的排放；采用更为高效的垃圾填埋场CH4回收利用技术，提高现有垃圾填埋场CH4回收利用率，减少CH4的溢散量。