中国城市固体废弃物甲烷排放研究

甲烷（CH4）是一种重要的温室气体，虽然在大气中的含量远低于CO2，但其全球增温潜势（GWP）是CO2的21倍。废弃物填埋处理时，甲烷菌使其中的有机物质发生厌氧分解，从而产生CH4。因此，城市废弃物填埋处理所排放的CH4是温室气体的主要排放源之一。
全世界每年有2200～3600万t CH4来自固体废弃物填埋场。虽然在各种人为CH4排放源中，固体废弃物处理的排放仅列第3位，但相对于来自稻田和反刍的CH4而言，控制填埋场CH4排放是减缓总排放量增长最可行有效的措施。例如，英国填埋场CH4排放量估计每年有220万t，约占其CH4总排放量的20%；在美国，填埋固体废弃物每年排放CH4 11.6Mt，占其总排放量的37%；1995年日本填埋场的CH4产量对总量的贡献率达到21.8%～34.4%。研究和计算固体废弃物CH4的排放，对估算总的温室气体排放以及对研究全球气候变化具有愈来愈显著的作用。
从1992年以来，在有关国际组织资金和技术支持下，中国政府先后组织了中国科学院大气物理研究所、国家发展和改革委员会能源研究所、清华大学环境工程系和中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所等单位的有关专家，开展了多项涉及到估算CH4排放量的研究。例如：由中国科技部和亚洲开发银行共同完成的《中国的全球气候变化国家对策研究》；由国家环保总局和世界银行共同完成的《中国温室气体控制的问题与对策》；全球环境基金（GEF）项目的分报告之一《1990年中国温室气体控制源与汇估算》；以及《中华人民共和国气候变化初始国家信息通报》和“UNDP/GEF中国初始国家信息通报”项目5-《中国城市废弃物温室气体排放清单编制》等。
目前，国外研究者开发的固体废弃物填埋场CH4模型大致可以分为动力学模型和统计模型两种类型。其中，统计模型包括IPCC模型、化学计量式模型；动力学模型包括Gardner动力学模型和Marticorena动力学模型[4]。为了客观评价废弃物填埋场产生的CH4对温室效应的实际贡献，并对其加以有效利用，研究开发适合特定地区固体废弃物特性和填埋场实际情况的CH4动力学模型是未来比较重要的发展方向之一。
通过对IPCC提供的CH4排放量计算方法的分析，结合中国实际，本文采用IPCC缺省计算方法计算了2004年中国各省区以及总的CH4净排放量，并分析了CH4净排放量的空间分布和时间演变特征。
1计算方法
固体废弃物填埋处理所产生的CH4排放量的计算方法有很多，包括理论气体产量方法，缺省方法和一阶衰减动力学方法等，这些方法差异相当大，不仅它们的假设不同，而且它们的复杂程度和它们需要的数据量也不同。《IPCC1996国家温室气体清单修订指南》（以下简称《IPCC1996指南》）是联合国有关组织推荐使用的方法，本文结合中国的实际情况，利用《IPCC1996指南》提供的缺省方法计算并分析了CH4的排放量。
1.1 IPCC1996指南
《IPCC1996指南》介绍了两种估算甲烷排放的计算方法，即缺省法（方法1）和一阶动力衰减法（方法2）。
1.1.1缺省法
缺省法利用质量平衡方程，包括估计有机碳降解过程，并且用这种估计去计算废弃物产生的CH4量。他们把世界分为4个不同的经济发展区，用不同的可降解有机碳（DOC）参数评价每一个经济区产生的固体废弃物量，然后计算某一国家固体废弃物处理场中产生的CH4情况。这种方法只需很少的数据便可以完成计算，并且当每个国家可用的数据增加或修订后，这种方法也可进一步修改和完善。
1.1.2一阶动力衰减法
一阶动力衰减法提出随时间变化的CH4排放估算，该估算很好地反映了固体废弃物随时间的降解过程，但《IPCC1996指南》没有提供采用一阶衰减估算方法所需的一些主要参数的缺省值或推荐值，目前还没有足够的资料给出可靠的缺省值或推荐值，因此降低了不同排放区域的可比性。
考虑中国的实际情况，结合《IPCC2000国家温室气体清单优良做法指南和不确定性管理》，选用IPCC推荐的方法1作为本文的计算方法。需要注意的是，对于IPCC提供的参数缺省值，本文结合实际，根据对中国城市固体废弃物排放、处置等情况的调查结果，利用统计和实际测试分析资料得出了更加符合中国实际的参数。文中所用资料来源于《中国城市建设统计年报》、国家统计局发布的《年度统计公报》以及《中国城市生活垃圾温室气体排放研究》课题组的调查报告和研究成果等。1.2参数的选择
根据文献资料，在固体废弃物处理场处理的城市固体废弃物的比例约为95%，CH4排放因子由各区域废弃物管理程度状况和《IPCC1996指南》中有关各类填埋场CH4修正因子的缺省值（见表1）计算得出。各区域废弃物管理程度状况是通过对代表废弃物填埋场现场调研以及发放调查统计表得到的。同时，根据有关文献，并考虑中国实际情况，2000年中国城市固体废弃物可降解有机碳占总重量的百分率为6.55%，略大于1994年的6.2%，由于有机物含量在最近几年略有减少并趋于稳定，本文在计算2004年甲烷排放量时，所用到的可降解有机碳百分率为6.5%。另外，产生的CH4在通过覆盖物向大气中逸散时，部分会被土壤或其他覆盖废弃物的材料氧化，从而使得实际的CH4排放量减少，经过覆盖层氧化后的CH4排放量称为净排放量。本文使用0.1作为氧化因子计算CH4的净排放量。目前我国还没有开展比较有规模的CH4回收利用，因此，CH4回收利用量参数可选《IPCC1996指南》中的缺省值（即0）。
表1固体废弃物处理场分类和CH4修正因子（MCF）

《IPCC1996指南》中有的参数给出的是一个范围，我们分别选取其上限和下限计算CH4净排放的最大值和最小值。在最小排放量计算方法中，可降解有机碳（DOC）比例为0.5；CH4在填埋气体中比例为0.4。在最大排放量计算方法中，可降解有机碳比例为0.6；CH4在填埋气体中比例为0.6。
IPCC推荐净排放量参数则使用了《IPCC1996指南》中的部分缺省值，即：可降解有机碳比例为0.77；CH4在填埋气体中比例为0.5。
可以看出，在IPCC推荐净排放量计算中可降解有机碳比例明显偏高。
2城市固体废弃物甲烷排放特征
2.1空间分布特征
将2004年中国各省、自治区、直辖市的城市固体废弃物产生量代入到CH4净排放计算方法中，可以得到2004年中国各省、自治区、直辖市CH4净排放量的最小、最大和IPCC推荐值的空间分布（结果参见图1）。

图1 2004年CH4净排放量分布（单位：Gg）
从图1中可看出，经济发达、人口较多的省区CH4净排放量相对较高，呈现东部地区最大，中部地区次之，西部地区最小的地域分布特征。特别是广东、山东的净排放量明显较高，而西藏、青海、海南的净排放量则显著低于其他地区。
表2是中国各地域CH4的净排放量值，从区域分布来看，2004年华东地区排放的CH4最多，其次是华北和东北地区，西北和西南地区由于城市相对较少，城市规模比较小，经济发展相对落后，城市固体废弃物产量较少，CH4排放的值也较低。
表2 2004年中国不同地区MSW处理场CH4净排放量

2.2时间演变特征
在已计算2004年CH4净排放量的基础上，利用1994-2003年中国城市固体废弃物产生量数据以及本文使用的方法，计算了1994-2003年的CH4净排放量。图2是1994-2004年净排放量的变化趋势。
图2中IPCC推荐值略大于最大排放量。从图中还可以看到，1994-2004年城市固体废弃物填埋处理的CH4净排放量呈逐年上升趋势，全国2004年的净排放量约为1994年的1.7倍；1995-2000年增加比较缓慢，近几年，这种上升速度明显加快，这与我国近几年城市固体废弃物产生量的增加趋势相一致。

图2 1994-2004年中国MSW处理场CH4净排放量变化
3结论
通过以上研究，可得出如下几点结论：
（1）通过选用IPCC推荐的计算方法，选取符合我国实际的固体废弃物可降解有机碳含量，并根据全国不同区域固体废弃物管理程度状况，计算了城市固体废弃物填埋处理的CH4排放量。进一步分析得到，CH4的排放呈现从东部到西部逐渐减少的地域分布特征。
（2）计算了2004年CH4净排放量的最小、最大和IPCC推荐值分别为：1872.38Gg、3370.48Gg和3604.52Gg；IPCC推荐值略大于最大排放量。
（3）通过计算与分析1994-2004年的CH4净排放量发现，CH4排放量呈逐年增加的演变趋势，1995-2000年增加缓慢，近几年增长较快，2004年排放量是1994年的近1.7倍。
参考文献略