1 引言(Introduction)

固体垃圾的产生、处理及其环境影响已成为全球关注的问题之一.固体垃圾的产生量及其处置能力与社会经济发展水平、人口增长、城市化水平和生产、生活方式密切相关(The World Bank, 2018).目前, 全球每年约产生112亿t固体垃圾, 且处于持续上升态势, 全球大约有30亿人缺乏有效的垃圾处理设施(UNEP, 2011).在人口增长、城市化进程和消费增长的刺激下, 固体垃圾的产生及其管理不足已经成为公共卫生、社会经济发展和生态环境领域的重大问题, 而这些问题在发展中国家更为显著(Gu et al., 2015; 蔡祖聪等, 2018).中国城市生活垃圾清运量增加迅速, 由1998年的1.13亿t增至2018年的2.28亿t(国家统计局, 2009—2018a), 且以3.64%的年均速度持续增加, 预计2030年将达到3.49亿t, 约是北美地区生活垃圾产生量(2.89亿t·a^-1)的1.2倍(The World Bank, 2018).持续增加的固体垃圾产生量带来的环境污染和健康风险必将随之加大, 能否有效解决这些问题已成为影响社会经济可持续发展的重要因素之一.

固体垃圾中很多成分均含有不同比例的碳氮元素, 如餐厨垃圾、纸张、丝织品、塑料、涂料、木家具等(IPCC, 2006).固体垃圾管理及处置不足会导致大量的碳、氮通过各种途径流失到大气和水体, 进而引发一系列环境问题, 包括土壤酸化、大气污染、温室效应、水体硝酸盐污染和富营养化等(IPCC, 2006; Gu et al., 2015), 这些问题在发展中国家更为严重.我国作为世界上最大的发展中国家和人口最多的国家, 固体垃圾产生及其环境潜在风险问题更引人关注(Gu et al., 2015; Luo et al., 2020).2014年我国温室气体排放总量高达111.86亿t CO₂-eq, 其中, 垃圾处理贡献了1.8%, 排放量高达1.95亿t·a^-1(生态环境部, 2019).Zhao等(2020)报道, 中国固体垃圾氮通量约为11.2 Tg·a^-1, 约占中国2010年陆地生态系统氮通量(61.3 Tg)的18.3% (Gu et al., 2015).因此, 如何减少和降低固体垃圾产生量, 有效处理固体垃圾管理和处理过程中碳氮流失问题, 更好地建设“无废城市”, 已经成为生态学家和环境科研人员在21世纪面临的重大挑战.目前, 固体垃圾的相关研究已引起了国内外学者的广泛关注, 但主要集中在城市和农村生活垃圾产生特征及处置模式(韩智勇等, 2017；魏潇潇等, 2018)、生活垃圾治理政策(夏艳清, 2016)、园林绿化垃圾产生特征(陈浩天等, 2018)、垃圾不同处理过程中温室气体排放(Liu et al., 2017; Zhou et al., 2018)及餐厨垃圾资源化(霍文冕等, 2010)等方面.这些研究仅仅在局部尺度上展开, 而且缺少对畜禽产品加工过程副产物、宠物粪便、家庭居民消费工业产品垃圾及污泥等固体垃圾的核算和分析.另外, 固体垃圾处置过程中产生的渗滤液量也在急剧增加, 由此带来的潜在环境污染风险也亟待进行评估.已有研究指出, 废物渗滤液释放的N₂O排放因子已高于农田N₂O排放因子(Wang et al., 2017a; 2017b), 但目前这方面问题还没有引起足够的重视.

本研究基于2009—2018年中国相关部门的统计数据, 结合文献数据, 核算和分析我国固体垃圾产生和处理的变化及其N₂O温室气体排放特征.以期为我国固体垃圾减量化、资源化和无害化绩效评估, 以及固体垃圾处置对生态环境影响评估等提供数据支持, 并对从国家层面上制定固体废弃物管理的针对性措施提供指导.

2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 概念界定及种类来源

本文对固体垃圾的界定和估算参考蔡祖聪等(2018)编著的《中国氮素流动分析方法指南》, 将固体垃圾界定为“人类日常生活生产中产生的最终进入垃圾收纳和处理系统的固态、半固态废弃物质”, 大体可分为工业日用品、农业和生活固体垃圾三大类.本文所指的工业日用品主要是指在工厂中生产的、可直接被人类消费的终端工业产品, 如合成纤维、塑料、合成橡胶、合成树脂、粘合剂、涂料等, 因工矿企业的采矿废石、冶炼废渣、炉渣、金属切削碎块、建筑用砖、瓦、石块等不进入市政垃圾收纳和处理系统, 故本文不涉及此类垃圾；农业固体垃圾包括农作物秸秆、畜禽粪便及畜禽宰杀后骨头和皮毛副产物等, 因农作物的秸秆、畜禽粪便大都作为有机肥进入农田生态系统, 故本文不涉及此类垃圾；生活垃圾就是城市和农村地区的生活垃圾.此外, 还包含园林绿化产生的绿化垃圾、污水处理厂产生的污泥及居民饲养宠物产生的宠物粪便垃圾.因此, 本文所指固体垃圾具体包括以下种类：①畜禽产品加工垃圾, 主要指畜禽产品加工过程中产生的未被循环利用的非食物部分、骨头和皮毛副产物及死淘畜禽尸体部分；②居民家庭生活垃圾, 包括城市和农村地区产生的生活垃圾；③居民家庭消费的日用品垃圾；④园林绿化垃圾, 主要指园林绿化中草坪和树木的修剪物、枯枝落叶、杂草等绿化垃圾；⑤宠物粪便垃圾, 本文主要统计宠物猫和狗(其他宠物如乌龟、蜥蜴、仓鼠等数据量较小且没有直接的数据, 故本文仅估算猫、狗粪便垃圾)；⑥污水处理中产生的污泥.

2.2 计算方法及数据来源 2.2.1 固体垃圾产生量

本文固体垃圾产生量为以上各种类固体垃圾产生量之和, 计算公式如下：

(1)

式中, G_SW为固体垃圾产生量(t)；G_Lw为畜禽加工产品垃圾产生量(t)；G_Dg为居民生活垃圾产生量(t)；G_Iw为家庭消费日用品垃圾产生量(t)；G_Lg为园林绿化垃圾产生量(t)；G_Pg为居民饲养宠物粪便垃圾产生量(t)；G_Sl为污水处理过程中产生的污泥量(t).

① 畜禽产品加工垃圾产生量(G_Lw), 具体计算公式如下：

(2)

式中, G_Lw为畜禽产品加工过程产生的固体垃圾量(t)；L_i为第i种畜禽出栏量(头)；L_{i, Weig}为第i种畜禽活体平均质量(kg·头^-1)；R_{i, Bone}和R_{i, Coat}分别为第i种畜禽骨头和皮毛副产物占活体比例；R_{i, Death}为第i种畜禽的死亡率.

② 居民家庭生活垃圾产生量(G_Dg), 具体计算公式如下：

(3)

式中, G_Dg为居民家庭生活垃圾产生量(t)；DG_U为城市生活垃圾清运量(t)；DG_R为农村人均生活垃圾产生量(0.19 t·人^-1·a^-1)；P_R为农村常住人口数量(人).

③ 居民家庭消费日用品垃圾产生量(G_Iw), 具体计算公式如下：

(4)

式中, G_Iw为家庭消费日用品垃圾产生量(t)；N_Ind为家庭消费的工业产品量(t)；R_D为家庭消费工业产品的废弃比例.假设家庭每年消费日用品的1/15成为垃圾, 其中50%被循环利用, 剩余50%被输入到垃圾系统(填埋和焚烧各占50%)(Gu et al., 2015).

④ 园林绿化垃圾产生量(G_Lg), 具体计算公式如下：

(5)

式中, G_Lg为园林绿化产生的垃圾量(t)；S_Ug为园林绿化面积(hm²)；R_Lg为园林绿化垃圾产生系数(25.7 t·hm^-2·a^-1).

⑤ 居民饲养宠物的粪便垃圾产生量(G_Pg), 具体计算公式如下：

(6)

式中, G_Pg为宠物粪便垃圾产生量(t)；EXE_{Cat, Urb}为城市猫的粪便产生量(t)；EXE_Rul为农村猫和狗粪便垃圾总量(t).参照Gu等(2015)的计算方法, 假设城市地区狗的粪便都在草坪上, 城市地区猫的粪便50%在猫砂上, 50%在草坪上；农村地区猫、狗粪便都直接丢弃.猫和狗的数量根据我国城巿和乡村的家庭数量及家庭养猫和狗的比例进行估算；一只成年大型犬和小型犬每天排出的狗粪分别约为0.3 kg和0.1 kg, 每只狗粪便排泄量平均约0.2 kg·d^-1；猫的排泄量按其与狗的平均体重比进行推算, 约为0.036 kg·d^-1.

⑥ 污泥产生量(G_Sl), 具体计算公式如下：

(7)

式中, G_Sl为污泥产生总量(t)；SL_Urb为城市污泥产生量(t)；W_R为农村人均污水排放量(取值为20.4 m³·人^-1·a^-1)；R_T为农村污水处理率, 污水处理率可由《中国城乡建设年鉴》得到；P_R为农村常住人口数量(人)；R_Sl为污泥产生系数(kg·m^-3), 每处理1 m³污水约产生0.125 kg污泥.

2.2.2 固体垃圾处理量

本研究中固体垃圾处理去向包括垃圾填埋、垃圾焚烧、垃圾堆弃、垃圾堆肥和垃圾渗滤液.

① 垃圾填埋量(T_Land), 具体计算公式如下：

(8)

式中, T_Land为固体垃圾填埋量(t)；DG_L为城市生活垃圾填埋处理量(t)；DG_R为农村人均生活垃圾产生量(0.19 t·人^-1·a^-1)；P_R为农村常住人口数量(人)；L_Rul为农村生活垃圾填埋比例；G_Lw为畜禽加工产品垃圾量(t)；G_Pg为宠物粪便量(t)；L_Pg为宠物粪便垃圾填埋比例；G_Iw为居民家庭消费的日用品垃圾产生量(t)；L_Iw为日用品垃圾填埋比例；G_Lg为园林绿化垃圾量(t)；L_Lg为园林绿化垃圾填埋比例；G_Sl为污水处理产生的污泥量(t)；L_Sl为污泥填埋比例, 污泥填埋、堆肥、焚烧、回用和弃置的比例分别约为50%、16%、10%、9%和15%.

一般认为农村生活垃圾除餐厨垃圾用作饲料部分外, 其余全部用于堆弃处理.近年来, 随着我国农村基础设施和环境治理投入的加大, 我国农村生活垃圾无害化处理率不断增长(住房和城乡建设部, 2009—2018).李志龙(2016)调研了我国16个省市126个村庄的农村生活垃圾处理状况, 得到农村生活垃圾无害化处理中填埋和焚烧率分别为85.7%和22.5%.目前没有关于我国农村地区生活垃圾填埋、焚烧及其他处理的具体数据.因此, 本文中的农村生活垃圾填埋和焚烧比例分别用农村生活垃圾无害化处理率与农村生活垃圾无害化处理中的填埋和焚烧率之积代替, 填埋和焚烧之外的生活垃圾假设都被堆弃(比例分别为13.8%、3.6%和82.5%)(李志龙, 2016).

② 垃圾焚烧量(T_Inci), 具体计算公式如下：

(9)

式中, T_Inci为固体垃圾焚烧量(t)；DG_Inci为城市生活垃圾焚烧处理量(t)；DG_R为农村人均生活垃圾产生量(0.19 t·人^-1·a^-1)；P_R为农村常住人口数量(人)；I_Rul为农村生活垃圾焚烧比例(见2.2.2节①)；G_Pg为宠物粪便垃圾量(t)；I_Pg为宠物粪便垃圾焚烧比例；G_Iw为居民家庭消费日用品垃圾产生量(t)；I_Iw为日用品垃圾焚烧比例；G_Lg为园林绿化垃圾量(t)；I_Lg为园林绿化垃圾焚烧比例；G_Sl为污水处理产生的污泥量(t)；I_Sl为污泥焚烧比例(见2.2.2节①).

③ 垃圾堆弃量(T_Dump), 具体计算公式如下：

(10)

式中, T_Dump为固体垃圾堆弃量(t)；DG_U为城市居民生活垃圾产生量(t)；T_R为城市生活垃圾无害化处理率；DG_R为农村人均生活垃圾产生量(0.19 t·人^-1·a^-1)；P_R为农村常住人口数量(人)；D_Rul为农村生活垃圾堆弃比例(见2.2.2节①).

④ 垃圾堆肥量(T_Comp), 具体计算公式如下：

(11)

式中, T_Comp为固体垃圾堆肥量(t)；DG_U为城市生活垃圾产生量(t)；DG_R为农村人均生活垃圾产生量(0.19 t·人^-1·a^-1)；P_R为农村常住人口数量(人)；R_{Kg, Urb}为城市生活垃圾中餐厨垃圾占比；R_{Kg, Rul}为农村生活垃圾中餐厨垃圾占比；G_Sl为污泥产生量(t)；C_Sl为污泥堆肥比例(见2.2.2节①).

⑤ 垃圾渗滤液产生量(T_Lea), 主要产生于垃圾填埋和堆弃过程中, 其产生量可由填埋量和堆弃量乘以各自的产生系数进行估算.具体计算公式如下：

(12)

式中, T_Lea为固体垃圾渗滤液产生量(L)；T_Land为固体垃圾填埋量(t)；T_Dump为固体垃圾堆弃量(t)；R_Lea为渗滤液产生系数(470.2 L·t^-1), 来自杨娜等(2015)基于我国31个典型城市渗滤液渗出系数的调研数据.

2.2.3 固体垃圾处理中N₂O排放量

固体垃圾N₂O排放量的计算参考蔡祖聪等(2018)编著的《中国氮素流动分析方法指南》和马占云等(2011)编著的《废弃物处理温室气体排放计算指南》, 公式如下:

(13)

式中, [N₂O]为固体垃圾处理过程中N₂O排放量(t)；S_lan为固体垃圾填埋场面积(hm²)；EF_lan为填埋场N₂O释放系数(15.15 kg·hm^-2·a^-1)；T_Inci为固体垃圾焚烧量(t)；EF_inc为垃圾焚烧过程中N₂O释放系数(55 g·t^-1)；T_lea为固体垃圾渗滤液产生量(L)；N_lea为渗滤液氮含量(g·L^-1)；EF_lea为渗滤液氮去除过程中N₂O的释放系数(约10%)；T_Comp为固体垃圾堆肥量(t)；EF_comp为堆肥过程中N₂O释放系数(干重和湿重的平均值, 0.45 kg·t^-1).埋场面积根据垃圾填埋场容量设计中的均值法估算, 垃圾容重为国内多个城市生活垃圾容重的平均值.填埋渗滤液含氮量参照《中国氮素流动分析方法指南》推荐的缺省值0.04 g·L^-1；堆弃产生的渗滤液不经处理直接排放, 其渗滤液含氮量采用对北京、上海、重庆、厦门、贵州和拉萨等多个城市填埋场渗滤液含氮量的平均值(1.5 g·L^-1)进行估算.

2.2.4 数据来源

生活源固体垃圾产生、处理及其N₂O排放涉及的活动水平数据来源如表 1所示.

3 结果与讨论(Results and discussion) 3.1 中国固体垃圾排放特征

中国固体垃圾产生量近10年来发生了巨大变化(表 2).2008—2017年中国固体垃圾产生总量(G_SW)由2008年的5.23亿t增至2017年的7.03亿t, 增长了1.3倍, 年均6.1亿t, 相当于全球每年城市生活垃圾产生量(20.1亿t·a^-1)的30.3% (The World Bank, 2018).G_SW以年均3.4%的速度增长, 预计2030年将达到10.73亿t, 约是北美地区年均生活垃圾产生量(2.89亿t·a^-1)的3.7倍(The World Bank, 2018).可以预计随着中国社会经济的发展和人口数量的增加, 固体垃圾产生量将多越来越多.产生的固体垃圾在堆存及处置过程中一部分会以CO₂、CH₄、N₂O、氨挥发、NO_x等污染气体的形式流失到大气环境中, 一部分会渗透进地下水系统, 其余将积累在垃圾填埋和堆弃处理等场所, 再次造成二次环境污染.因此, 核算分析固体垃圾产生变化特征有助于进一步评估固体垃圾产生趋势及其环境效应, 也可为固体垃圾处置、污染防控和管理决策提供科学依据.

居民家庭生活垃圾是中国固体垃圾的最大产生源(图 1), 占G_SW的48.6%, 年均2.98亿t, 且以1.3%的速率逐年上升, 预计2030年将达到3.89亿t, 已接近欧洲、中亚地区年生活垃圾产生总量(3.92亿t·a^-1).受人口数量、人均GDP、消费水平等因素的影响, 中国生活垃圾产生量处于上升阶段(李丹等, 2018; 魏潇潇等, 2018; 许博等, 2019), 这是导致居民家庭生活垃圾产生量(G_Dg)持续增长的直接原因.然而, G_Dg的增长率(1.3%)远低于G_Lg(9.4%)和G_Iw(6.3%)(表 2), 说明随着社会经济发展水平的提高, 人们在满足基本的生活需求后, 已开始将更多的收入投入到工业产品消费和生活居住环境改善中.本研究中, 城市和农村地区分别贡献了G_Dg的59.3%和40.7%, 表明虽然中国城乡差距在逐渐缩小, 但中国城乡的二元经济结构和消费水平等仍然影响着农村和城市生活垃圾的产生量.相对于城市, 中国大部分农村分布较为分散, 生活垃圾收集和处理率仍然较低, 大部分生活垃圾处于堆弃状态, 更容易造成较为严重的环境污染, 因此, 农村生活垃圾管理和处理应引起足够的重视, 生活垃圾基础设施建设和治理投入还需进一步加大.值得注意的是, G_Dg中的51.5%为餐厨垃圾, 达到1.53亿t·a^-1(人均221.85 kg·人^-1·a^-1), 已超过中东、北非地区每年生活垃圾产生总量(1.29亿t·a^-1)(The World Bank, 2018), 且其以1.8%的速度逐年上升.餐厨垃圾中的有机物种类及含量高于其它固体垃圾, 处置不当会引起温室气体和污水排放等进而造成环境污染, 而如果对其进行分类并加以资源化利用, 则具有重要的经济、社会和环境效应, 如霍文冕等(2010)报道, 兰州市餐厨垃圾(7.5万t·a^-1)资源化利用每年可产生堆肥效益252万元, 年可发电1533万kWh.这更凸显了当前推行垃圾分类和资源化利用的重要性.

近10年来, 中国人均GDP年均增速维持在10.7%左右, 社会经济发展水平的提高带动了居民工业产品的消费能力, 每年消费的日用产品的1/15将最终输出到固体垃圾处理系统(Gu et al., 2015).2008—2017年, 居民家庭消费日用品垃圾产量(G_Iw)占中国固体垃圾产生总量的24.6%, 年均产生1.51亿t, 约为G_Dg的50.7%, 高于G_Lw(15.1%)和G_Lg(9.4%)(图 1).值得注意的是, G_Iw以年均6.3%的速度递增, 按此估算, 2030年其产生量将达到3.94亿t, 已远高于北美地区每年城市生活垃圾产生量(2.89亿t·a^-1)(The World Bank, 2018).因此, 科学地理解G_Iw变化特征有利于制定更合理的废物循环利用和处理的政策, 尽最大可能地减少居民家庭消费日用品垃圾潜在环境污染风险.从居民家庭消费日用品垃圾来源看, 皮鞋类产品是最大的贡献源, 占G_Iw的75.8%, 家具类工业产品占16.2%, 其它(如塑料、涂料、涂料/油漆、化纤、合成橡胶、合成染料、棉花等)占比不足10%.工业产品含有丰富的碳、氮元素且往往有较长的寿命, 需要数十年左右才能完全分解, 其较强的环境滞留效应也会对人类和环境健康产生更大的潜在威胁.可以预见, 随着我国社会经济的发展, G_Iw将会进一步增加, 其带来的环境问题也将日趋严重.这就要求在工业生产中, 尤其是皮鞋类和家具类产品, 必须坚持低碳、低氮经济理念, 包括选择绿色材料、绿色包装、产品设计便于回收和循环再利用等, 从源头上减少其潜在的环境污染风险.同时, 也呼吁出台有利于家庭消费日用工业产品废物回收再利用的相关政策, 加强其资源化利用的比重, 减少其潜在的环境污染.

畜禽产品加工垃圾主要来自畜禽产品出栏宰杀后的骨头和皮毛副产物垃圾, 我国畜禽产品加工垃圾年产生量(G_Lw)为0.77~0.97亿t(0.93亿t·a^-1), 占G_SW的15.1%, 且以2.7%的速度在增加(表 2、图 1).从来源看, 猪宰杀过程中产生的垃圾贡献最大, 占G_Lw的36.8%, 其次为死淘畜禽(25.7%)、肉牛(13.4%)、家禽(9.0%)、羊(6.1%), 兔子占比最低(0.4%).G_Lw与畜禽产品的饲养量和家庭居民对畜禽产品的消费水平密切相关.G_Lw比例结构与我国居民对畜禽产品消费量的比例结构一致(谢志扬, 2019).从当前消费趋势来看, 我国畜禽产品消费市场还未达到饱和状态, 因此, 畜禽产品的消费量还将持续上升, 其加工过程产生的垃圾也将随之增加, 由此带来的健康问题和环境潜在风险问题不容忽视.而这部分研究往往被忽视, 今后不仅要重视畜禽养殖阶段的环境污染研究, 还应关注宰杀后畜禽产品垃圾的去向及其环境影响评价.

人均GDP和城市化水平的提高会显著增加园林绿化和宠物饲养垃圾产生量(谷保静, 2011), 本研究也证实了这一点(表 2、图 1).6个组分中, 园林绿化垃圾产生量(G_Lg)增幅比最大、增速最快, 由2008年的0.35亿t增加到2017年的0.75亿t, 10年间增长了115.3%, 占G_SW的9.4%.10年间我国城市绿地面积从2008年的135.7万hm²增加到2017年的292.0万hm²(国家统计局, 2009—2018a), 园林绿化面积的持续扩大使草坪和树木的修剪物、枯枝落叶、杂草等园林垃圾产量也相应剧增.这些垃圾大部分随城市生活垃圾一起进行焚烧或填埋, 不仅造成资源浪费, 也会带来一定的环境污染问题.居民饲养宠物的粪便垃圾主要来自居民饲养的猫狗宠物粪便, 其产生量仅占G_SW的1.0%.居民饲养宠物的粪便垃圾产生量(G_Pg)呈现出波动上升的趋势, 年均增长率为2.4%, 从2008年的521.37万t增至2017年的641.46万t, 增长了23.0%.宠物在陪伴人的过程中消耗了大量的蛋白产品, 其可能造成的环境污染不容忽视.如谷保静(2011)报道宠物粪便氮通量约为0.3 Tg·a^-1, 相当于厦门市2015年水环境总氮负荷(约1.0万t)的30倍(李彦旻等, 2019).随着生活水平的提高, 宠物饲养的数量还会继续增加, 宠物粪便的管理处置工作应该引起相关部门的重视.

随着我国城市和农村污水量不断增加、污水厂提标改造进度的持续加快, 污水处理过程中的副产物—污泥产量也在不断增长(表 2、图 1).2008—2017年, 污泥产生量(G_Sl)为682.39~1098.85万t(809.68万t·a^-1), 占G_SW的1.3%, 以年均7.5%的速度增长.据统计, 我国56%的污泥未经稳定措施进行排放(宋建阳等, 2013), 这些污泥含有大量的碳氮有机质, 在进行填埋和焚烧过程中对环境的二次污染问题不容小觑.污泥中含有丰富的氮磷有机质, 十分有利于堆肥, 但目前为止, 我国堆肥在固体垃圾处理中所占比例偏低.因此, 如何合理高效地处理污泥应当引起关切.

可见, G_Dg和G_Iw是中国固体垃圾产生足迹的主要部分, 是固体垃圾减排的重点.但从变化趋势看, G_Lg、G_Iw、G_Sl是影响G_SW年际变化的主要因素.因此, 固体垃圾减排工作除了要关注G_Dg和G_Iw外, 也要注重G_Lg和G_Sl的管理和控制.

3.2 中国固体垃圾处理格局

目前, 我国固体垃圾处理仍以填埋为主、焚烧为辅(表 3、图 2).2008—2017年, 我国固体垃圾填埋处理量(T_Land)为2.57~3.80亿t, 年均3.25亿t, 占G_SW的53.0%.填埋处理垃圾中的37.2%为生活垃圾, 28.5%为畜禽产品加工垃圾, 23.3%为日用品垃圾, 8.9%来自园林绿化垃圾, 其它仅占2.1%.焚烧量占G_SW的25.5%, 年均约1.57亿t；焚烧处理垃圾最大的来源不同于填埋处理垃圾, 日用品垃圾占48.3%, 生活垃圾占30.9%, 园林绿化垃圾占18.4%, 其它的仅占2.4%.从变化趋势看, 填埋和焚烧处理量都呈持续上升趋势, 但焚烧处理量的增速是填埋的2.2倍(分别为10.1%和4.5%)(表 3).按此推算, 2027年我国固体垃圾焚烧处理量将超过填埋量, 处理格局将由以填埋为主转变为以焚烧为主.

固体垃圾堆弃(1.13亿t·a^-1)和堆肥量(0.20亿t·a^-1)分别占G_SW的18.4%和3.2%(表 3、图 2).与填埋和焚烧处理变化趋势不同, 二者分别以年均7.1%和0.1%的速率下降, 所占比例也在逐年降低.堆弃垃圾中有78.2%来自农村生活垃圾, 而堆肥垃圾中有68.0%源自农村地区餐厨垃圾, 随着农村人口比例下降及农村生活垃圾规范化处理程度的提高, 堆弃量和堆肥量受之影响也随之下降.

固体垃圾在堆放和填埋过程由于发酵和雨水的淋溶、冲刷及地表水和地下水的浸泡会有渗滤液产生, 渗滤液是一种典型的高浓度难降解有机污染废水, 具有高化学需氧量、高氨氮、高盐、高重金属含量等特点, 并且随着垃圾填埋时间的推移, 氨氮浓度还会逐年增加, 这种变化趋势会加重其对环境的污染程度.固体废弃物渗滤液量由2008年的1916.2亿L增至2151.1亿L, 年增长率为1.3%(表 3、图 3).填埋处理产生的渗滤液占74.2%, 堆弃处理产生的渗滤液量占25.8%.由于填埋处理产生的渗滤液大都经过处理后排入污水系统进行二次处理, 因此, 堆弃渗滤液环境污染风险较大.

3.3 固体垃圾处理中N₂O排放特征

固体垃圾中含有大量的含氮有机物, 处置不当会排放大量的污染气体, 如氨气、氧化亚氮和氮氧化物.其中, 排放的N₂O是重要的温室气体, 其增温潜势(GWP)是CO₂的310倍(IPCC, 2001).2008—2017年, 中国固体垃圾处理过程中N₂O排放总量为3.45~4.64万t(相当于1070.54~1439.54万t CO₂-eq, 下同), 年均为1240.57万t(表 4), 是Zhao等(2020)报道值(0.025 Tg·a^-1)的1.6倍.Zhao等(2020)只核算了固体垃圾填埋和焚烧处理中N₂O的排放量, 没有涉及堆肥处理对N₂O排放的贡献, 这可能是其报道值较低的原因.中国固体垃圾N₂O排放总量呈持续上升趋势, 10年内增长了约34.5%, 年均增速达到3.4%(表 4), 预计2030年将达到2486.43万t, 约为2014年中国垃圾处理N₂O排放总量(3720万t CO₂-eq当量)(Luo et al., 2020)的66.8%.

不同处理方式显著地影响N₂O气体的排放(图 4).堆弃是固体垃圾处理中N₂O气体的最大排放源, 排放量为493.42~558.93万t, 占总排放量的42.5%.随堆弃量的下降, 其N₂O气体的排放占比也从2008年的46.1%下降至2017年的38.8%.随着焚烧处理量的快速上升, 其N₂O气体的排放量逐年上升, 从2008年的253.00万t增至2017年的540.11万t, 且以8.9%的年均速率增加.可以预见, 随着固体垃圾焚烧量的增加, 将会排放更多的N₂O气体.焚烧处理中N₂O气体的最大排放源为日用品垃圾(60.5%), 其次为生活垃圾(21.3%)和园林绿化垃圾(12.7%), 污泥(5.5%)排放最少.因此, 加大日用品垃圾和生活垃圾的分类处理及回收利用程度, 加强焚烧处理系统N₂O排放机理的研究, 优化脱氮处理工艺, 对减少焚烧处理N₂O气体的排放显得尤为重要.虽然堆肥是垃圾无害化处理中一种环境友好的废物处理手段, 操作简单, 且能将垃圾转化为有机肥, 但其年排放的N₂O量(271.54万t·a^-1)约是填埋处理排放量(54.79万t·a^-1)的5倍, 占N₂O排放总量的21.9%.这可能与堆肥物质主要来自餐厨垃圾有关, 餐厨垃圾贡献了堆肥处理N₂O气体排放总量的93.3%, 餐厨垃圾含丰富的氮素, 在堆肥过程中活跃的硝化反硝化过程不可避免地会刺激N₂O的释放.因此, 要加强堆肥技术的改进, 也可通过调节温度、pH值、通气量、碳氮比等降低温室气体排放.固体垃圾填埋处理量占固体垃圾产生量的53.0%, 但其排放的N₂O气体量占比最低, 仅为4.4%.可见, 填埋处理更有利于N₂O温室气体减排.

渗滤液中包含大量的氨氮、有机复合物和少量的硝态氮, 渗滤液产生和处理过程中的好氧硝化和厌氧反硝化过程都会产生N₂O排放(Wang et al., 2014；2017a).已有关于垃圾温室气体排放的研究缺少渗滤液中温室气体排放的估算, 本研究中渗滤液N₂O年均排放量为517.28万t·a^-1, 占固体垃圾处理N₂O排放总量的41.7%(表 4、图 4).其中, 堆弃渗滤液N₂O排放量占渗滤液N₂O排放总量的96.3%, 填埋渗滤液仅占3.7%(表 4、图 4).填埋渗滤液N₂O排放中, 生活垃圾排放量占到37.2%, 其次为畜禽产品加工垃圾(28.5%)、日用品垃圾(23.3%)、园林绿化垃圾(8.9%), 宠物粪便和污泥的排放量仅占2.2%；而堆弃垃圾中的78.2%为农村生活垃圾, 21.8%为城市生活垃圾.可见, 生活垃圾产生的渗滤液是N₂O排放的主要来源, 而园林绿化垃圾、宠物粪便和污泥的贡献相对较小.这部分流失到环境中的N₂O在已往的温室气体排放核算中往往被忽视, 其潜在的环境风险在今后的研究中应引起足够的重视.随着我国环境污染治理投入的加大和农村生活垃圾无害化处理率的提高, 渗滤液N₂O排放占比也在逐年下降, 从2008年的44.7%下降到2017年的37.7%(图 4).因此, 加大农村生活垃圾规范化处理力度、减少垃圾堆弃量和加大堆弃场所渗滤液的规范化处置能力对固体废弃物N₂O气体减排至关重要.

综上, 固体垃圾处理量及处理方式显著地影响N₂O气体排放.有研究报道, 垃圾分类可以减少垃圾处置量的60%(李历铨等, 2019).按此推算, 我国固体垃圾处置量将从2017年的7.03亿t减至2.81亿t, 约为2010年我国固体垃圾处置量(5.76亿t)的48.9%, 其N₂O排放量将从2017年的1439.54万t减至577.88万t, 可减排N₂O约861.66万t.核算和分析固体垃圾产生量变化特征及不同处理过程中N₂O排放特征有助于科学理解固体垃圾温室气体排放过程及其与不同处理方式的关系, 减少其对生态环境的潜在影响, 对从国家层面上制定固体垃圾管理的针对性措施有重要的指导意义.

4 结论(Conclusions)

1) 中国固体垃圾产生量变化较显著, 总体呈持续上升趋势, 从2008年的5.22亿t增加到2017年的7.03亿t.居民生活垃圾(G_Dg)和家庭消费日用品垃圾(G_Iw)是中国固体垃圾产生足迹的主要部分(分别占48.6%和24.6%), 是固体垃圾减排的重点.从变化趋势看, 园林绿化垃圾产生量(G_Lg)、家庭消费日用品垃圾产生量(G_Iw)、污水处理过程中产生的污泥量(G_Sl)是影响固体垃圾产生量(G_SW)年际变化的主要因素.因此, 固体垃圾减排除了要关注G_Dg和G_Iw外, 也要注重G_Lg和G_Sl的管理和控制.

2) 固体垃圾产生量中的53.0%和25.5%分别被进行填埋和焚烧处理, 18.4%为堆弃处理, 堆肥仅占3.2%.值得注意的是, 固体垃圾填埋和堆放过程产生的渗滤液量逐年增加, 产生量约为2059.47亿L·a^-1；其中, 74.2%源自填埋处理, 25.8%源自堆弃处理.但由于填埋处理产生的渗滤液大都经过处理后排入污水系统进行二次处理, 因此, 堆弃渗滤液造成的环境污染风险更大.

3) 固体垃圾处理中N₂O排放量为1070.54~1439.54万t CO₂-eq(下同), 年均1240.57万t, 且以3.4%的速率增加.堆弃处理贡献了N₂O排放量的42.5%, 焚烧处理贡献了31.2%, 堆肥处理的N₂O排放量(21.9%)约是填埋处理(4.4%)的5倍.可见, 固体垃圾处理量及处理方式会显著地影响N₂O气体排放.今后, 不仅要研究如何减排、提高处理工艺, 也要加强固体垃圾处理过程中碳、氮元素迁移转化过程的调控研究, 降低其潜在的污染物释放风险.

在固体垃圾产生量和处置投入、处理能力不断提高的前提下, 不仅需逐步加大环境友好的处理方式, 更要全面提高各个处置过程的规范化管理及提高处理工艺, 才能应对因社会经济发展发展导致的废弃物产生量不断增长及其环境污染问题带来的挑战.本文研究成果可为固体垃圾管控及降低处理过程环境风险、提高我国整体生活环境质量的优化方案提供参考.