上海生活垃圾处理碳排放现状与预测研究＊

毕珠洁，邰 俊，王 川

（1.上海环境卫生工程设计院有限公司，上海 200232；2.上海市环境工程设计科学研究院有限公司，上海 200232）

0 引言

2020 年，我国生活垃圾处理碳排放总量为9.404 5×107tCO2e［1］。虽然与能源、工业生产过程相比，生活垃圾处理领域碳排放量较小，但仍然是非常重要的碳排放源。我国碳达峰行动方案（国发〔2021〕23 号）中将“大力推进生活垃圾减量化资源化”作为一项重要工作，明确“到2030 年，城市生活垃圾分类实现全覆盖，生活垃圾资源化利用比例提升至65%”［2］。上海作为我国生活垃圾分类的典型城市，2019 年立法强制分类以来成效显著，研究其生活垃圾处理碳排放对我国其他城市具有参考意义，但目前针对性的碳排放现状及预测研究较少。本研究基于《省级温室气体清单编制指南（试行）》（以下简称“省级清单指南方法”）和《2006年IPCC 国家温室气体清单指南》（以下简称“IPCC2006 方法”）给出的碳核算方法，结合上海市统计年鉴和环卫规划等相关数据，对上海市2008—2035 年的生活垃圾直接碳排放量进行核算。

1 研究对象、方法与数据来源

1.1 研究对象

鉴于上海早期统计年鉴中的生活垃圾仅涵盖目前的干垃圾（即其他垃圾）、湿垃圾（即餐厨垃圾和厨余垃圾），不包括可回收物，因此本研究中所指生活垃圾，仅包括干垃圾和湿垃圾。

1.2 碳排放核算方法

碳排放核算有多种目的，也因此有多种计算方法，例如：

1）区域层面，以掌握一个区域的总体碳排放量和重点排放行业为目的，核算时在区域内分不同专业领域进行，各领域仅核算自身最直接的、独有的碳排放（避免重复计算）。典型方法如IPCC2006 方法［3］、国家发改委2011 年给出的省级清单指南方法［4］。

2）企业层面，以掌握排放主体直接（燃烧或工艺生产过程直接释放）、间接（外购电力和热量+产业链上下游相关等）碳排放为目的，用于企业碳足迹认证、社会责任报告发布、双碳战略规划摸家底等。典型方法如GHG protocol《温室气体核算体系企业核算与报告标准》等。

3）产品及工艺层面，以掌握产品或工艺从原材料生产到废弃物处理处置的全过程碳排放量为目的，用于系统性提出主要环节的节能降耗、提质增效的优化方案。典型方法如生命周期评价（LCA）方法。

4）碳交易层面，以估算项目按规定需要履约的碳排放量、或者可交易的碳减排量为目的，核算与基准线相比的相对减排量。典型方法如国外清洁发展机制（CDM）、国内国家核证自愿减排（CCER）的系列方法。

本研究主要参考省级清单指南方法［4］，其中生活垃圾处理碳排放量包括生活垃圾填埋处理产生的甲烷排放量，焚烧处理产生的二氧化碳排放量，以及渗滤液等污水处理产生的甲烷和氧化亚氮排放量。另外，生化处理时产生的温室气体参照IPCC2006 方法［3］，主要包括堆肥处理和厌氧处理（含污水处理）排放的甲烷和氧化亚氮，甲烷的增温潜势取25，氧化亚氮的增温潜势取298。核算得出的碳排放量，也可被称为直接碳排放量。

1.2.1 焚烧

根据省级清单指南方法［4］推荐的估算废弃物焚化和露天燃烧产生的二氧化碳排放量的估算如式（1）所示。

式中：ΕCO2指废弃物焚烧处理的二氧化碳排放量（104t/a）；i表示垃圾类型；IWi指第i种类型废弃物的焚烧量（104t/a）；CCWi指第i种类型废弃物中的碳含量比例，城市生活垃圾取值范围为33%～35%；FCFi指第i种类型废弃物中矿物碳在碳总量中的比例，城市生活垃圾取值范围为30%～50%；EFi指第i种类型废弃物焚烧炉的燃烧效率，城市生活垃圾取值范围为95%～99%；44/12 指碳转换成二氧化碳的转换系数。

另外，以总碳含量扣除矿物碳含量作为生物碳含量，乘以44/12 的系数折算生物碳二氧化碳排放。

1.2.2 填埋

根据省级清单指南方法［4］提供的质量平衡法，估算方法如式（2）所示。该方法假设所有潜在的甲烷均在处理当年就全部提取完，核算过程相对简单；一阶释放法更符合填埋气逐年释放的规律，但核算过程更为复杂。

式中：ΕCH4指甲烷排放量（104t/a）；MSWT指总的城市固体废物产生量（104t/a）；MSWF指城市固体废物填埋处理率（%）；L0指各管理类型垃圾填埋场的甲烷产生潜力（104t/104t）；R指甲烷回收量（104t/a）；OX 指氧化因子。

其中，L0的计算如式（3）所示。

式中：MCF 指各管理类型垃圾填埋场的甲烷修正因子（比例），有管理的填埋场MCF 缺省值为1.0；DOC 指可降解有机碳比例（kg/kg），垃圾成分按推荐值计算；DOCF指可分解的DOC 比例，推荐值为0.5；F指垃圾填埋气体中的甲烷比例，推荐值为0.5；16/12 指甲烷/碳分子量比率。

1.2.3 污水处理

包括渗滤液处理、沼液处理等。省级清单指南方法［4］推荐的估算生活污水处理甲烷排放如式（4）所示。

式中：ΕCH4指清单年份的生活污水处理甲烷排放总量（104t/a）；TOW 指清单年份的生活污水中有机物总量（kg/a）；EF 指排放因子（kg/kg）；R指清单年份的甲烷回收量（kg/a）。

其中排放因子（EF）的估算公式见式（5）。

式中：B0指甲烷最大产生能力，推荐值为每千克BOD 可产生0.6 kg 甲烷；MCF 指甲烷修正因子。厌氧反应MCF 推荐值为0.8，集中耗氧处理厂，管理不完善情况下取0.3、管理完善情况下取0。

1.2.4 堆肥处理

参考IPCC2006 方法［3］中机械-生物（MB）处理工艺的缺省值，吨废弃物堆肥处理排放甲烷0.004 t、氧化亚氮0.000 3 t，合计排放0.189 tCO2e。本研究中就地就近处理参照堆肥处理取值。

1.2.5 厌氧

参考IPCC2006 方法［3］中MB 工艺的缺省值（等效为厌氧处理工艺的物料预处理环节），吨废弃物厌氧处理排放甲烷0.001 t、氧化亚氮可忽略不计，合计排放0.025 tCO2e。

1.3 数据来源

1.3.1 垃圾产生量

1）历史数据。

根据2008—2021 年《上海市绿化市容统计年鉴》，整理相关数据如表1 所示，期间上海市生活垃圾产生量的年均复合增长率为2.27%。

表1 2008—2021 年上海市生活垃圾主要处理工艺处理量Table 1 Treatment capacity of main domestic waste treatment processes in Shanghai from 2008 to 2021

2）未来预测。

根据《上海市环境卫生设施专项规划（2022—2035）》，2025 年上海市预计干垃圾、湿垃圾总量可达27 500 t/d，2035 年约为33 000 t/d，其规划数值见表2。参考规划中关键节点的垃圾量数值，以及上海市2022 年原生生活垃圾零填埋的要求，根据笔者对上海相关设施建设进度的分析，拆分各类处理工艺处理量预测值如表3 所示。

表2 上海市生活垃圾处理量规划数值Table 2 Planned value of domestic waste treatment capacity in Shanghai

表3 2022—2035 年上海市生活垃圾各类工艺处理量拆分Table 3 Domestic waste treatment capacity split by various processes in Shanghai from 2022 to 2035

1.3.2 垃圾组分特性

1）历史数据。

笔者所在单位已持续多年对上海市开展生活垃圾特性数据大调研，生活垃圾组分数据监测历年均值如图1 所示。近几年由于垃圾中纸类、橡塑类含量逐年增加，碳含量也出现了增高的趋势。垃圾分类后，干垃圾中橡塑类高达40% 以上。2020 年疫情以来，由于口罩等的使用，干垃圾中的橡塑类含量进一步增加。

图1 2008—2021 年上海市生活垃圾组分特性变化Figure 1 Changes on components of domestic waste in Shanghai from 2008 to 2021

另外，根据笔者单位的监测数值，居住区生活垃圾中各组分的平均含水率如下：厨余垃圾取72.03%、纸类取16.49%、橡塑类取32.93%、纺织类取25.32%、木竹取38.16%。本研究采用该数据作为上海市源头生活垃圾各组分的平均含水率（不区分居住区、商业区等）。

2）未来预测。

笔者所在单位与上海大学赵军团队在2020 年基于上海市1990—2019 年垃圾特性大调查、垃圾分类前后垃圾产生量数据、上海市社会经济指标做了一项研究，通过灰色预测模型和神经网络模型，对上海市生活垃圾特性进行了预测，其中预测的2022—2035 年干垃圾特性如表4 所示。另外，根据《上海市环境卫生设施专项规划（2022—2035）》中设定情景，2025—2035 年人均生活垃圾产生量不发生变化，因此本研究按照2025—2035 年垃圾特性不发生变化预判，在表4 中不再列出。

表4 2022—2035 年上海市干垃圾特性预测值Table 4 Prediction of dry waste characteristics in Shanghai from 2022 to 2035

2 生活垃圾处理碳排放现状

2.1 单位垃圾处理碳排放现状

2.1.1 焚烧

省级清单指南方法［4］对垃圾组分的分类较为简单，故同时参考了IPCC2006 方法［3］中对FCFi的计算方法和其不同生活垃圾成分中缺省的总碳和化石碳比例（IPCC2006 方法第五章表2.4），并兼顾考虑了各组分的含水率。EFi垃圾燃烧效率按97% 计。根据CJ/T 313—2009 生活垃圾采样和分析方法进行垃圾组分检测时不会区分橡胶和塑料，但生活垃圾中橡胶类组分含量很小，因此测算时将橡塑类统一按照塑料类计算。由此根据公式（1）计算得到上海市吨生活垃圾焚烧碳排放量如图2 所示。

图2 2008—2021 年上海市吨生活垃圾焚烧碳排放量Figure 2 Carbon emissions from incineration of domestic waste per ton in Shanghai from 2008 to 2021

2.1.2 填埋

计算期内，上海市所有填埋场均默认有管理填埋场、填埋气，其回收利用/焚烧率按2008—2013 年35%、2014—2020 年50%粗略计算（综合考虑老港填埋场一～四期、综合填埋场、崇明填埋场等填埋气收集情况），吨生活垃圾填埋碳排放量如图3 所示。

图3 2008—2021 年上海市吨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 污水处理

资料显示，混合垃圾填埋场的渗滤液产率一般为35%～50%、焚烧厂的渗滤液产率一般为25%～35%［5］，其中，填埋场渗滤液BOD 一般为264～18 000 mg/L［6］，与填埋场年龄、位置等有关；焚烧厂渗滤液BOD 一般为10 000～45 000 mg/L［7］。湿垃圾湿式厌氧沼液产生量为处理量的80%～90%、BOD 一般为3 000～5 000 mg/L［8］。为简化计算，参考上述取值范围，结合工程项目实际运行情况，按照以下取值计算碳排放：混合垃圾填埋场渗滤液产率为35%，未处理前渗滤液的BOD 为5 000 mg/L；混合垃圾焚烧厂渗滤液产率为25%、干垃圾焚烧厂渗滤液产率为8%，未处理前渗滤液的BOD 为20 000 mg/L；湿垃圾堆肥/就地就近压榨脱水渗滤液产率为35%，未处理前渗滤液的BOD 为30 000 mg/L；湿垃圾厌氧后沼液产率为90%，未处理前沼液BOD 为3 000 mg/L。另外，焚烧厂渗滤液等处理有单独的厌氧预处理，一般厌氧预处理均有沼气焚烧或利用环节，参考CCER《多选垃圾处理方式》（CM-072-V01）等核算方法、按5% 泄漏量保守计算厌氧处理过程碳排放。其他处理工艺一般不对厌氧过程产生的沼气进行回收。根据公式（5）计算得表5 数据。

表5 不同垃圾处理工艺下的渗滤液处理碳排放Table 5 Carbon emissions from leachate treatment under different waste treatment processes

2.2 生活垃圾处理碳排放总量

基于上述分析，计算出上海市生活垃圾处理碳排放量如图4 所示。本研究中干垃圾中生物碳焚烧和湿垃圾焚烧产生的碳排放由于不计入温室气体排放清单，均未计入吨垃圾处理清单气体排放量。在后续相关工艺排放占比分析、考虑限塑令等情景分析时，也并未考虑生物碳排放量。

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

由图4 可知：①由于采用焚烧工艺替代了填埋、同时加强了填埋气收集，因此，虽然垃圾处理量并未显著减少，甚至逐年增加，但2010—2014 年碳排放量反而出现了下降趋势。2017 年以来，由于垃圾中橡塑类含量逐年增高，碳排放总量、吨垃圾处理碳排放量又开始逐年升高。2021年出现了研究周期内新的碳排放高值，为4.62×106tCO2e；②2021 年干垃圾焚烧碳排放占比84%、填埋碳排放占比13%、湿垃圾处理碳排放占比3%，干垃圾焚烧已成为上海市生活垃圾处理中主要的碳排放源。

3 生活垃圾处理碳排放预测分析

3.1 单位垃圾处理碳排放预测

1）假定湿垃圾特性不发生变化，故单位湿垃圾处理（堆肥、厌氧等）的碳排放量不发生变化。

2）干垃圾特性发生变化，故单位垃圾焚烧产生的碳排放量发生变化，如图5 所示。

图5 2022—2035 年上海市吨干垃圾焚烧碳排放量Figure 5 Carbon emissions of dry waste incinerated per ton in Shanghai from 2022 to 2035

3）目前上海市垃圾分类情况良好，干垃圾、湿垃圾纯度相对较高，预计未来污水产率变化较小。故假定未来单位干垃圾焚烧、湿垃圾处理的污水处理碳排放量不发生变化。

3.2 生活垃圾处理碳排放基准情景预测

2022—2035 年上海市生活垃圾处理碳排放量预测如图6 所示。2025 年，垃圾焚烧及其污水处理产生的碳排放约占97%；湿垃圾就地就近处理及其污水处理产生的碳排放约占3%。2035 年时，垃圾焚烧及其污水处理产生的碳排放约占98%；湿垃圾集中厌氧及其污水处理产生的碳排放约占2%。

3.3 考虑限塑令等政策干预的碳排放量预测

基于以下两点考虑，本研究对塑料减量做了单独的情景分析：①随着限塑令的出台、低碳理念的深入人心，以及低值可回收物回收量的提升，生活垃圾中橡塑类含量有可能下降；②塑料是生活垃圾焚烧处理的重要矿物碳排放源，一般贡献率在90%以上，尽可能地减少橡塑类物质的焚烧，是理论上减少垃圾焚烧厂碳排放的直接举措。

基于橡塑类含量降低带来的特性变化和垃圾末端处理量的变化，自2022 年起研究预测了当干垃圾中橡塑类含量较基准情景中的预测值减少10%、20%、30%、40% 情景下的碳排放量（计算过程为：根据预测值按比例扣减橡塑类含量，然后对各类垃圾组分含量进行归一化调整，并对应调整最终的垃圾处理量），绘制2022—2035 年段等效线。

4 碳达峰情景分析

4.1 达峰年与达峰水平

多年来，上海市不断优化生活垃圾处理工艺技术。2016 年及之前，上海市生活垃圾主要采用填埋处理方式。2017 年开始，焚烧处理量超过填埋量，成为上海最主要的处理方式。未来将依托垃圾分类，完善干垃圾焚烧、湿垃圾资源化利用的处理体系，2022 年开始实现原生生活垃圾零填埋。

基于省级清单指南方法［4］、在不考虑生物碳排放的情况下，上海市2008—2035 年生活垃圾产生量及碳排放量计算结果如图7 所示。

1）就历史数据来看，上海通过焚烧替代填埋、完善填埋场管理的处理方式，大幅降低了垃圾处理领域的碳排放，碳排放增量小于生活垃圾处理量增量。历史数据中，谷底年份为2014 年，碳排放量约为2.59×106tCO2e。

2）按照当前垃圾特性衍变趋势（橡塑类含量日益增高）、规划设计量（垃圾产生量日益增高）和规划处理工艺，在不考虑限塑令和低碳生活等政策引导的情况下，未来上海市生活垃圾处理领域的碳排放量将伴随垃圾产生量的增加、垃圾特性的变化而持续走高，2025 年碳排放量将达到5.83×106tCO2e，2035 年预计达到7.62×106tCO2e。

3）若能通过政策引导或末端利用等方式，降低垃圾焚烧量或者焚烧的橡塑类含量，则上海市垃圾处理碳排放量增速将放缓。根据等效线和相关计算公式推算，从减塑的角度分析，若要2025 年为达峰年（峰值量5.83×106tCO2e），与同期垃圾量和垃圾特性的原始预测值相比，后续年份应至少做到：2026—2027 年，减塑10%、干垃圾总量减少4%（人均生活垃圾产生量为1.09 kg·人-1·d-1），干垃圾中塑料占比不超过40%～41%；2032 年前后，减塑20%、干垃圾总量减少8%（人均生活垃圾产生量为1.05 kg·人-1·d-1），干垃圾中塑料占比至少回落至36%～37%；2035 年，减塑25%、干垃圾总量减少10%（人均生活垃圾产生量为1.03 kg·人-1·d-1），干垃圾中塑料占比至少回落至33%～34%。

4.2 碳减排建议

国内外固体废物处理的减碳措施包括降低垃圾处理直接碳排放、增加垃圾处理隐性碳贡献（如垃圾处理发电的替代效益）两种类型，相关措施主要包括：①基于无废城市等理念，普遍强调“避免产生”与“源头减量”；②特别强调塑料、纺织品、包装物乃至生物质等的循环利用，如欧盟《废物框架指令》中规定2030 年城市生活垃圾循环利用率将达到65%；③减少填埋量，强调能源高效利用，如日本在《2050 年碳中和绿色增长战略》中提出改进远距离蓄热、储热输送技术。

本研究碳排放核算仅分析垃圾处理直接碳排放、不考虑垃圾处理隐性碳贡献，因此，在上海市生活垃圾以焚烧处理为主、垃圾产生和处理量稳定增长，且碳捕捉、利用与封存（CCUS）等技术未能在焚烧厂规模化应用的情况下，若要降低生活垃圾处理的直接碳排放量，需要推进减塑降碳措施：

1）在源头减量和资源化方面，加强政策引导。政府应制定明确的塑料减量计划，推广、落实针对一次性塑料制品的限塑令。面向居民，依托垃圾分类宣传，在全社会推广低碳生活理念、减少浪费。面向厂商，逐步推行生产者责任延伸制，提升塑料的回收利用率。

2）在末端综合利用方面，加快技术储备。探索干垃圾筛分制作RDF 的应用场景，获取更高的能量利用效率。推进干垃圾塑料分选、提质、热解利用等资源化技术研发和应用。在目前焚烧处理设施大量建成的情况下，减少塑料等焚烧量将造成焚烧厂能力富余，可协同处理农林垃圾、市政污泥等生物质。

5 不确定性分析

1）对未来碳排放量的预测，采用了《上海市环境卫生设施专项规划（2022—2035）》中的垃圾量。由于设施规划中一般会考虑一定的垃圾量冗余（一般在15%～20%），因此基于规划垃圾产生量数据核算的碳排放量预测值可能偏高。但若不引用规划数值，目前尚未见更可靠的垃圾量预测数据。

2）由于基础数据缺失，在对生活垃圾各组分含水率取值时，全市统一采用了居住区检测数据，但商业区实际垃圾含水率可能更低，可能造成碳排放量预测值偏低。

3）对比可知，表4 中对未来的橡塑类占比的预测值比图1 中2020—2021 年的实测值还低。这是因为2020—2021 年受疫情影响垃圾组分中口罩等的含量明显增加，而表4 的预测是基于疫情前多年的数据得出。研究假定疫情对垃圾组分的影响不具有长期性，因此仍采取了表4 中的相关数据绘制长期的趋势线。

4）干湿分类后对干垃圾产生量和组分特性的预测存在不确定性。由于缺少与环卫规划相匹配的组分特性预测数据支撑，研究只能基于环卫规划中2025 年后人均垃圾产生和处理量不变的设定、作出假定2025 年后垃圾组分也不变的简化处理，实际上是人为限制了塑料等组分含量的进一步变化（无干扰条件下极有可能是呈现增加态势），有可能造成预测值比实际值偏低的情况。但是，考虑到目前政策层面对一次性塑料制品的控制，未来塑料组分的增加态势应该是受抑制的。

5） 研究湿垃圾处理碳排放时主要采用了IPCC2006［3］方法中的推荐值，该数值取值时借鉴了国外MB 工艺。目前上海市湿垃圾厌氧处理项目的实际逸散量可能远小于该推荐值，但鉴于湿垃圾处理碳排放较总排放量的占比只有2%～3%，对最终结论（尤其是碳排放总体趋势和控制措施部分）的影响较小。

6）研究污水处理碳排放时对污水产率和BOD浓度的取值可能存在一定偏差。主要偏差可能来自于BOD 浓度取值，不利工况下实际值可能较本研究取值高1～2 倍左右。但由于垃圾填埋和焚烧时污水处理碳排放的量级在主工艺的1%水平，湿垃圾处理时污水处理碳排放的量级在主工艺的1/10水平、且湿垃圾碳排放占比只有2%～3%，相关取值对最终结果的影响较小。

6 结论与展望

本研究主要基于省级清单指南方法，结合上海市统计年鉴和环卫规划等相关数据，对上海市2008—2035 年的生活垃圾碳排放量进行了核算。研究发现，2021 年上海生活垃圾处理碳排放量为历史最高点，碳排放量约4.62×106tCO2e；根据生活垃圾规划产生量和既往组分特性发展趋势，未来碳排放量将持续增加。在未能考虑CCUS 等技术应用的情况下，若能通过限塑令、低碳生活、生产者责任延伸、塑料回收等政策引导和场景优化等措施，使更少的塑料被焚烧，也可以实现直接碳排放量的达峰，例如：若2026—2027 年生活垃圾产生量不超过1.09 kg/（人·d）、干垃圾中塑料占比约为40%～41%，2032 年前后生活垃圾产生量不超过1.05 kg/（人·d）、干垃圾中塑料占比约为36%～37%，2035 年生活垃圾产生量不超过1.03 kg/（人·d）、干垃圾中塑料占比约为33%～34%，则可实现2025 年前后直接碳排放量达峰，峰值量为5.83×106tCO2e。