城市生活垃圾循環利用系統物質代謝框架的構建

高會苗，戴鐵軍

（北京工業大學循環經濟研究院，北京 100124）

城市生活垃圾循環利用系統物質代謝框架的構建

高會苗，戴鐵軍

（北京工業大學循環經濟研究院，北京 100124）

討論了傳統的物質流分析（MFA）方法用于城市生活垃圾代謝分析的適用性及不足之處，在此基礎上結合城市生活垃圾的處理流程，對傳統的MFA框架進行了改進，構建了適合城市生活垃圾代謝分析的框架，并對新框架的3個模塊進行了詳細的說明，建立了相應的評價指標體系并給出了應用實例。城市生活垃圾循環利用系統物質代謝分析框架能夠清楚地描述生活垃圾進入經濟系統后的具體流向和流量，為描述城市生活垃圾的代謝情況提供了定性及定量化的分析工具。

城市生活垃圾；物質代謝分析；物質流分析；框架；指標

近年來，我國城市化進程加速發展，人口數量迅猛增長，隨之而來的是廢棄物的大量增加。國家統計數據顯示，1990年我國城市生活垃圾清運量為0.67億t，2000年為1.18億t，2010年則增長到1.58億t，垃圾產量增長迅速。目前我國城市生活垃圾累積堆存量已經達到70億t[1]，占地面積5.33 hm2，且以平均每年4.8%的速度持續擴大。預計，到2030年我國城市生活垃圾產量將達到4.09億t，2050年達到5.28億t[2]。隨著可利用資源的日趨減少以及環境問題的加劇，人們的環保意識逐漸增強，各大中城市開始重視生活垃圾處理問題，在垃圾的分類回收和處理處置方面制定了一系列減量化措施，但實施效果并不樂觀。

在對城市生活垃圾問題研究的理論和方法上，國內學者主要從垃圾處置方式的選擇與評價、垃圾收費制度的設計、垃圾收費模式的選擇、垃圾的產量預測、垃圾中轉站選址優化，以及對國外生活垃圾管理現狀[3-5]、處置方式[6-9]的介紹等方面進行了廣泛的研究，并取得了一定的成果。但從循環經濟的視角和系統論的觀點來看，這些成果還顯得思路狹窄、研究方法過于單一，缺少對城市生活垃圾處置系統的整體規劃與評價研究。物質代謝思想為系統地研究城市生活垃圾的具體流向和流量提供了理論指導，而物質流分析作為其主要的分析工具，為研究工作提供了方法上的有力支持。以城市生活垃圾循環利用系統為研究對象，采用改進的物質流分析模型對城市生活垃圾的產生、排放、回收、再循環、再利用、最終處置等一系列流動過程進行分析，定性及定量化地描述廢棄資源的再利用水平，可用于分析如何選擇廢棄物循環利用路徑以實現經濟效益和環境效益的雙贏，為生活垃圾的管理者提供決策依據。

1 物質代謝分析方法

從生態學的角度來看，城市發展的資源環境問題可以歸結為城市物質代謝在時間或者空間上的錯位或缺失[10]。因此，對于城市生活垃圾（Municipal Solid Waste，MSW）循環利用系統中垃圾回收、利用及處理處置的研究，可以從物質代謝的角度入手，深入的探討城市生態環境與垃圾的產生、垃圾的管理及垃圾處理處置等相互間的作用關系。

物質代謝分析需借助一定的方法才得以開展，經研究發現，物質流分析（Material Flow Analysis,MFA）能夠對特定時間和空間下系統中物質的流動及儲存予以評價，揭示物質在特定區域內的流動特性和轉換率[11]，這種特征促使其在物質代謝分析中得以廣泛應用，它為物質代謝研究的開展提供了有力的方法支持。

2 M FA方法用于MSW代謝分析的適用性

MFA的主要任務是理清進入經濟系統的物質流的變化以及它們之間的相互關系，分析物質的使用總量和使用強度，控制有毒有害物質的投入和流向。目的是從中找到節省自然資源、改善環境的途徑，以推動系統向可持續發展的方向轉化，物質流分析遵循物質守恒定律。與之類似，MSW循環利用系統物質代謝分析的任務是弄清各種垃圾在產生、回收、再利用、處理處置環節流向和流量的變化以及它們之間的相互影響，分析垃圾的資源化水平。目的是從中發現垃圾管理和處置方式的不合理之處并有針對性地對其進行改善，以提高垃圾的回收及資源化利用率，減少填埋量，從而節約自然資源和能源，減少環境污染。

總體看來，二者的研究思路以及所遵循的原則是相同的。但由于具體的研究對象及研究目的不一樣，將傳統的MFA框架用于垃圾代謝的分析還存在一些不適用的地方，其差異主要體現在以下兩個方面。

2.1 研究的側重點不同

傳統的MFA偏重于研究系統邊界上物質的輸入、輸出及其背后的隱藏流，關注的是原料的開采量、轉化率、產品的輸出量以及系統內的經濟活動帶來的環境污染。試圖通過分析發現系統經濟活動存在的不合理之處，并針對不足，采用改變原料、改進工藝流程、使用先進的技術和設備及改善管理等方法，達到提高資源和能源的利用效率，減少污染物的產生和排放的目的。但是對于城市生活垃圾代謝的研究，若僅單純討論垃圾的輸入與輸出總量的問題顯得意義不大。原因在于城市生活垃圾的產量為不可控因素，不是希望減少系統內垃圾的投入量就能減少的，隨著城市化進程加快，城市人口的增加以及人們生活水平的提高，城市生活垃圾的產生總量必然增加。相對于自然資源，它是目前唯一增長的資源，且成分復雜，成分不同的垃圾其再利用的方式也會有很大差別，因此，除了關注垃圾的產生量，更應該關注它的組成，對系統投入端垃圾的種類及量應有更加細致的描述。垃圾是放錯地方的資源，若垃圾的分類、回收處理方法得當，可憑借先進的技術和設備將其轉變成產品，繼續為人們服務或創造價值，在一定程度上可以減少自然資源和能源開采，這對社會的可持續發展具有重意義。從資源化的結果來看，大部分紙、塑料、金屬及玻璃類廢棄物均可回收再利用，餐廚垃圾可做堆肥處置，再利用難度較大的可燃垃圾可做焚燒處理，產生的能量可用于發電，最后沒有任何價值利用的垃圾只能選擇填埋處置。垃圾代謝研究的最終目的就是要提高垃圾的資源化水平，減少垃圾的最終填埋量，將對環境的不利影響降到最小，因此，對生活垃圾代謝的研究應更側重于垃圾產生后的回收、循環、再利用、資源化處理的過程，故循環利用系統部分還需要進一步細化。相應的，用于表征其回收、循環、再利用及資源化效率的分析指標及計算也需重新設定。

2.2 研究的基礎條件不同

MFA的基本觀點是人類活動所產生的環境影響某種程度上取決于進入經濟系統的物質數量以及從經濟系統排入環境的廢棄物的數量[12]，因此多偏重于研究國家、區域或企業層面上原料的開采及轉化效率，以及廢棄物的排放情況。研究對象的起點通常是從自然界開采或者進口的物質，由于這類物質經濟價值比較高，人們對其具體的流量和流向有較為完善的統計，且已形成比較成熟的分析框架和指標體系，對于某一種物質、元素或某一經濟系統的研究都比較適用。而城市生活垃圾的處理及利用過程屬于逆向物流過程，對城市生活垃圾循環利用系統研究的起點是被使用后廢棄的物質。由于廢棄物產生源廣，種類繁多，流通渠道混亂，加之我國對廢棄物再生利用的重視程度不夠，導致對廢棄物的產生量以及資源化利用量等方面的數據缺乏權威而詳實的統計，傳統的MFA框架和分析指標已不能滿足對其代謝過程的分析，因此，需對其進行改進，以適應垃圾代謝分析的需要。

3 MSW循環利用系統物質代謝模型的建立

3.1 研究范圍界定

進行MFA時，首先應界定研究系統的系統邊界，一般來說物質流分析的系統邊界由地理邊界和邏輯邊界兩部分組成[13]。

地理邊界的界定。國家層面的MFA研究一般選擇國界線作為地理邊界，而對于城市層面的研究，由于研究目的不同而存在多種選擇方案，如以市級行政邊界為依據或只考慮市區范圍，或是選擇并不連續的地區。但無論采用何種地理邊界，均需給出明確的說明，本研究的系統邊界是指人們進行生活活動的城市市區。

邏輯邊界的界定。對本研究來說，根據研究目的，僅考慮對研究結果產生影響的物質——城市生活垃圾。按照《城市垃圾產生源分類及垃圾排放》CJ/ T3033—1996標準，城市垃圾按產生源可以分為九類：居民生活垃圾、清掃垃圾、商業垃圾、工業單位垃圾、事業單位垃圾、交通運輸垃圾、建筑垃圾、醫療衛生垃圾和其他垃圾 本研究所指的城市生活垃圾既不局限于居民生活垃圾，也不是泛指城市垃圾，具體包括城市垃圾中七類，即居民生活垃圾、清掃垃圾、商業垃圾、工業單位垃圾、事業單位垃圾和交通運輸垃圾，建筑垃圾和醫療衛生垃圾不包括在城市生活垃圾范圍內。

3.2 城市生活垃圾的處理流程

對城市生活垃圾代謝情況進行分析，應對垃圾的處理流程有全面的了解，掌握垃圾的具體流向。一般來說，商品在完成它的使用價值之后便成為廢棄物，這些廢棄物中部分經濟價值較高的會被當成廢品出售，進入到回收環節，而其他經濟價值較低或不具有經濟價值的則被人們丟棄成為垃圾。垃圾是放錯了地方的資源，也是目前總量唯一增長的資源，對不同性質的垃圾若采取適當的處置方式，對社會來說是一種彌足珍貴的財富。然而，由于生活垃圾的來源廣泛、成分復雜，且不同性質的垃圾往往混合在一起，給后續的處置過程帶來了極大的困難，不利于資源化處理。從處理流程來看，垃圾分類越早，對其進行再利用的步驟就越少，其再利用價值越高，對環境造成的污染也越小，圖1是對城市生活垃圾處理流程的概括。

3.3 MSW循環利用系統代謝框架的建立

根據研究對象構建合理的分析框架和指標體系，是采用物質流分析方法進行物質代謝研究的重要前提，傳統的物質流分析框架包括物質投入端、經濟系統和物質輸出端三大部分。

其中，物質投入端包含了輸入系統的所有物質，包括由本國自然環境中開采的各種原料，國內隱藏流，以及從其他國家和地區進口的成品、半成品和原料；經濟系統連接著物質投入端和物質輸出端，是影響兩端物質流量的重要樞紐，它是物質流分析框架的核心部分；物質輸出端則主要包括國內加工產出物質、出口物質和國內隱藏流。根據研究對象的變化，結合上述城市生活垃圾的處理流程，對傳統的MFA框架進行改進，得到垃圾循環利用系統的物質代謝框架，如圖2。

圖2 城市生活垃圾循環利用系統物質代謝框架

城市生活垃圾循環利用系統的物質代謝框架由三大模塊構成，分別為系統投入端、循環利用系統和系統輸出端。系統投入端描述的是城市生活垃圾產生總量，由廚余垃圾、廢紙、廢塑料、廢玻璃、廢金屬及其他（廢織物、木質廢棄物、渣土）組成。再生利用系統描述生活垃圾的具體流量和流向，包括生活垃圾的一次分揀回收量、分選回收量、堆肥量、再利用量、再循環量等。一次分揀回收量是指垃圾進入垃圾桶之前，被有償回收的量；清運量是指被環衛人員收集的垃圾量；無害化處理量包括在垃圾中轉站分選出來的可回收利用量、用于堆肥的垃圾量、最終處置的垃圾量；再利用量是指基本不改變舊制品的原貌，僅對其進行適當清潔或修整等簡單工序后經過性能檢測合格，直接回用的量；再循環量是指經過破碎、回爐等專門工藝加工形成再生原材料，用于替代傳統形式的原生材料的量。系統輸出端則記錄了再生產品和再生能量的輸出流量和流向。按城市生活垃圾的原料來看，城市生活垃圾主要由廚余垃圾、廢紙、廢玻璃、廢金屬等組成，因此，系統輸出端主要表征再生紙、再生玻璃、再生金屬、再生能量、肥料的輸出量。

3.4 分析指標設定

根據研究目的設置合適的指標體系，是進行物質流分析的重要任務。從已有的研究成果可以看出，物質流分析中常用的指標主要有三大類：投入指標、消耗指標和產出指標[15]。投入指標反映的是物質投入端國內資源的開采及進口情況，主要包括直接物質投入量、物質總需求量和國內物質消耗量；消耗指標反映了經濟系統內物質的消耗及庫存情況，主要包括物質總消耗量、庫存凈增加量；產出指標則反映了物質輸出端產品的輸出及廢棄物的排放情況，主要包括國內制造產出量、國內物質總產出量。此外，還有一些表征經濟或人口增長與資源、能源消耗的關系的指標以及環境效率的指標。

根據本文研究目的，城市生活垃圾循環利用系統物質代謝的研究重點關注的是輸入系統的垃圾回收、循環利用、資源化的能力及潛力。相對于前端垃圾的輸入與終端再生產品輸出，此部分具有很強的可操作性。結合現有城市生活垃圾統計體系建立合適的測算指標，以表征城市生活垃圾資源化潛力的變化，為評價城市生態系統可持續發展能力提供參考。表1列出了用于城市生活垃圾代謝分析所設定的指標。

表1 垃圾代謝指標

3.5 應用舉例

根據構建的MSW代謝框架及分析指標，對北京市2006年的城市生活垃圾各個流向的數據進行統計和測算，繪制出北京市2006年城市生活垃圾循環利用系統物質代謝分析圖，如圖3。

圖3 2006年北京市城市生活垃圾循環利用系統物質代謝分析

如圖3所示，2006年北京市城市生活垃圾產量為748.9萬t，其中一次回收量為163.8萬t，占垃圾產生總量的21.9%，其余將近80%的垃圾被丟棄，由環衛部門清運。被清運垃圾中餐廚垃圾量為395.5萬t，所占比重最大，為67.6%，但是卻僅有19.6萬t的餐廚垃圾用于堆肥處理，剩余的375.9萬t則與其他垃圾混合收集，最后被填埋處置。從成分上來看，廚余垃圾主要為有機物質，堆肥潛力大，如果從一開始就將廚余垃圾與其他生活垃分開收集，單獨處理，堆肥率將大大提高，同時避免了與其他垃圾的交叉污染，有利于其他垃圾的分揀處置，有助于其他垃圾的資源化再利用，從而減少垃圾的最終填埋處理量。

廢玻璃、廢金屬由于回收價值比較高，大部分未被混合丟棄，而是直接進入回收渠道，因此在清運的垃圾中所占比例很小，分別為1.76%和0.27%；部分塑料類和紙類的生活垃圾由于經濟價值比較低，大部分被混合丟棄，所占比重分別達到12.7%和11.1%；另外還有6.57%的廢織物、渣土等其他垃圾。從圖3中可以看出，被清運的垃圾中，用于無害化處理（包括焚燒、堆肥和填埋）的垃圾量占85%，另有15%的垃圾被二次回收，在進行無害化處理的垃圾中，被焚燒處理的不到2%，作為堆肥原料的也僅為3.94%，近94%的垃圾被填埋處置，填埋量為468.3萬t。

從整體來看，投入再生利用系統的垃圾總量為251.2萬t，垃圾循環利用率為33%。這主要是因為我國歷來就有收舊利廢的傳統，受廢品回收市場和拾荒者的影響，絕大部分廢舊物資在進入清運渠道之前已經得到了回收，使部分價值高的廢品得以回收利用。與國外一些垃圾回收率較高國家和地區相比，北京市垃圾回收水平不是太低，可以說，絕大多數價值稍高的廢舊物資得到了回收，只有一些價值很低、回收成本高的廢品才真正進入排放渠道。因此，在制定所謂的回收率目標時，不能僅把注意力放在排放清運的那部分垃圾上，對清運的垃圾采取合理的無害化處置方式才是需要關注的重點。目前，國外發達國家的生活垃圾除了被回收利用外，大部分以焚燒和堆肥的形式得以資源化利用，其中，德國、瑞典、新加坡、丹麥等國家的垃圾填埋率均在5%以下，相比之下，北京垃圾的填埋量占垃圾清運量的近94%，垃圾無害化處理方式不合理才是造成北京市垃圾圍城問題的直接原因，而其根源則是垃圾源頭分類不當，導致大量混合收集的垃圾達不到焚燒和堆肥處置的要求，最終只能填埋處置。

由于本研究重點關注的是生活垃圾的源頭及處理過程減量化問題，反映到分析指標上則主要為生活垃圾的產生量、回收量及回收率、循環再利用量及再利用率，以及垃圾的堆肥、焚燒、填埋的量及比例。而對于再生產品輸出量，對研究垃圾減量化問題意義不大，加之統計數據的缺失，因此對系統輸出端產品的輸出量未作詳細說明。

4 結論

根據物質流分析的基本思路和原則，介紹了MFA方法用于MSW代謝分析的適用性，并指出傳統MFA分析用于城市生活代謝分析的不足。結合城市生活垃圾的處理流程及研究目的，對傳統的MFA框架及指標體系進行改進，構建了適用于城市生活垃圾代謝分析的框架及分析指標，并給出應用實例。所建立的城市生活垃圾代謝分析框架和指標體系可用于評價城市生活垃圾的回收、再利用水平及其資源化潛力，可為生活垃圾的管理決策者在進行垃圾管理系統的規劃、管理方面提供決策依據。

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M etabolism framework on recycling system construction ofmunicipal solid waste

GAO Huimiao，DAITiejun
（Institute of Recycling Economy,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China）

The paper discussed the shortages of traditional M aterial Flow Analysis w hen it is used to analyze the M unicipal Solid W aste (MSW)m etabolism.Com bined w ith the MSW disposal process,the fram e and indexes of the traditional MFA w ere im proved,and a new fram ew ork w as built w hich w as suitable for the MSW m etabolism analysis. The three parts of the new fram ew ork w ere described in detail,and the new index system w as also given.Lastly,an application exam ple w as given.The MSW m etabolism fram ew ork can show the flow directions and flow quantities of MSW clearly in the econom ic system,and provide qualitative and quantitative analysis tools for describing the m etabolism of MSW.

m unicipal solid w aste;m aterialm etabolic analysis;m aterial flow analysis;fram ew ork,index

2014－03－17）

X799.3

A

1674-0912（2014）04-0009-06

北京市重點學科“資源、環境及循環經濟”（033000541213004）

高會苗（1987-），女，河北保定人，碩士，研究方向：廢物管理與廢物經濟。